JPH11211688A - Gas sensor with compound catalytic structure - Google Patents

Gas sensor with compound catalytic structure

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JPH11211688A
JPH11211688A JP693098A JP693098A JPH11211688A JP H11211688 A JPH11211688 A JP H11211688A JP 693098 A JP693098 A JP 693098A JP 693098 A JP693098 A JP 693098A JP H11211688 A JPH11211688 A JP H11211688A
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JP
Japan
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catalyst
gas sensor
base
glass
support structure
Prior art date
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Application number
JP693098A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Thomas N Hatfield
トーマス・エヌ・ハットフィールド
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CTS Corp
Original Assignee
CTS Corp
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Publication date
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Publication of JPH11211688A publication Critical patent/JPH11211688A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor device with a multi-layer catalyst support structure suitable for detecting gases present in air or gases present in the harsh environment of an automobile exhaust system, specifically hydrocarbons and nitrogen oxides. SOLUTION: A gas sensor 10 comprises a ceramic substrate 20 provided with a thermally sensitive resistor on one surface. A mixture of ceramic particles and glass powder is applied over the substrate 20 and the resistor and is sintered so that the glass may be fluidized to glue the ceramic particles to the substrate 20. A catalyst layer containing platinum or rhodium is adhered to a catalyst support 24, and a thermally sensitive resistor element 22 detects reactions between hydrocarbons or nitrogen oxides and the corresponding catalyst. The sensor 10 is suitable for detecting gases in the harsh environment of an automobile exhaust system.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、空気中にガスが存
在することを検出するためのセンサに関し、更に詳細に
は、ベース及び抵抗体エレメントの両方に接着したセラ
ミック粒子及びガラスの混合物を含むコンパウンド触媒
構造(即ち、複合触媒構造、更に換言すれば複層触媒構
造(compound catalytic stru
cture))を持つセンサに関する。
FIELD OF THE INVENTION This invention relates to sensors for detecting the presence of gas in air, and more particularly to a mixture of ceramic particles and glass adhered to both a base and a resistor element. The compound catalyst structure (ie, the composite catalyst structure, or in other words, the compound catalyst structure)
(cure)).

【0002】[0002]

【従来の技術】化学反応の速度を高めるために触媒を使
用することは周知である。触媒は、それ自体が消費され
たりプロセスにおける化学的変化を被ることなく、化学
反応速度に影響を及ぼすどのような物質であってもよ
い。触媒は、無機物、有機物、又は有機基及び金属ハロ
ゲン化物を含む複雑な配合物であってもよい。
BACKGROUND OF THE INVENTION The use of catalysts to increase the rate of chemical reactions is well known. A catalyst can be any substance that affects the rate of a chemical reaction without itself being consumed or undergoing a chemical change in the process. The catalyst may be inorganic, organic, or a complex formulation containing organic groups and metal halides.

【0003】本発明は、ガスセンサでの触媒の使用に関
する。触媒を用いたガスセンサは、検出されるべきガス
が触媒と接触したときに化学反応を生じることによって
機能する。多くの場合、化学反応は温度変化をもたら
し、これは、並置された導体の電気抵抗に作用を及ぼす
のに使用できる。代表的な検出エレメントは、温度に従
って導電率が変化する導体である。ガス検出装置は、通
常、触媒センサ及び触媒を備えていない基準センサの両
方を含む。センサの抵抗の差は、周囲ガス濃度による触
媒反応の結果である。換言すると、ガスの濃度は、触媒
コーティングを備えた導体の前後での電圧と触媒コーテ
ィングを備えていない導体の前後での電圧との差を計測
することによって確認できる。
[0003] The present invention relates to the use of catalysts in gas sensors. Gas sensors using catalysts work by causing a chemical reaction when the gas to be detected comes into contact with the catalyst. In many cases, chemical reactions result in temperature changes, which can be used to affect the electrical resistance of juxtaposed conductors. A typical sensing element is a conductor whose conductivity changes with temperature. Gas detection devices typically include both a catalyst sensor and a reference sensor without a catalyst. The difference in sensor resistance is the result of a catalytic reaction due to ambient gas concentration. In other words, the gas concentration can be ascertained by measuring the difference between the voltage before and after the conductor with the catalyst coating and the voltage before and after the conductor without the catalyst coating.

【0004】本発明と関連した特許の例を以下に列挙す
る。即ち、米国特許第4,045,177号は、燃焼性
ガスを検出するための装置である。
Examples of patents related to the present invention are listed below. That is, U.S. Pat. No. 4,045,177 is an apparatus for detecting combustible gas.

【0005】米国特許第4,322,383号は、金属
酸化物でできた二つのセンサを備えたガス成分検出装置
である。
[0005] US Pat. No. 4,322,383 is a gas component detection device having two sensors made of metal oxide.

【0006】米国特許第4,447,397号は、二酸
化チタン(TiO2)でコーティングしたフィラメント
を持つ、触媒ガスセンサである。
US Pat. No. 4,447,397 is a catalytic gas sensor having a filament coated with titanium dioxide (TiO 2 ).

【0007】米国特許第4,957,705号は、酸素
ガス濃度検出装置である。
US Pat. No. 4,957,705 is an oxygen gas concentration detecting device.

【0008】米国特許第5,445,796号は、熱抵
抗コーティングを備えた酸素濃度センサである。
[0008] US Patent No. 5,445,796 is an oxygen concentration sensor with a thermal resistance coating.

【0009】米国再発行特許第Re33,980号は、厚
膜ガス感知エレメントである。
[0009] US Reissue Patent No. Re33,980 is a thick film gas sensing element.

【0010】これらの特許に触れたことにより、これら
の特許に開示されている内容は本明細書中に組入れたも
のとする。
[0010] By reference to these patents, the disclosure of these patents is incorporated herein by reference.

【0011】以上の特許は、本出願人が認識している当
該技術分野の現状を反映するものであり、本願を実施す
る上で直接的な関係を持つ可能性がある情報を開示する
上での、本出願人が認識している誠実の義務(duty
of candor)に対する考えを和らげるもので
ある。しかしながら、これらの特許は、単独でも組み合
わせても、本出願人の発明を教示し又は明らかにするも
のではない。
The above patents reflect the present state of the art as recognized by the applicant and disclose information that may have a direct bearing on the practice of this application. Duty of good faith that Applicants are aware of
of thought). However, these patents, alone or in combination, do not teach or clarify Applicants' invention.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】現在のガスセンサにつ
いての問題点は、自動車の排気システムの過酷な環境で
機能するのに適した、コンパクトであり、安価であり、
且つ丈夫な炭化水素センサ又は窒素酸化物センサがない
ということである。自動車がエミッションについての必
要条件に従っていることを確認するため、これらのガス
を計測するためのセンサが必要とされている。別の問題
点は、現在のセンサが、これらのガスを間接的に計測す
る酸素センサを使用しているということである。酸素セ
ンサは、更に直接的な計測方法程正確でない。
A problem with current gas sensors is that they are compact, inexpensive, and suitable for functioning in the harsh environment of automotive exhaust systems.
And no robust hydrocarbon or nitrogen oxide sensors. Sensors are needed to measure these gases to ensure that the vehicle complies with emissions requirements. Another problem is that current sensors use oxygen sensors that measure these gases indirectly. Oxygen sensors are not as accurate as more direct measurement methods.

【0013】別の問題点は、極めて大幅な温度変化を被
り、振動の作用を受け、及び汚染物に露呈された状態
で、性能をその予定寿命に亘って大幅に劣化させること
なく適正に作動できるセンサ構造を設計するのが困難で
あったということである。
Another problem is that, when subjected to very large temperature changes, subjected to vibrations and exposed to contaminants, it will operate properly without significantly degrading its performance over its expected life. It was difficult to design a possible sensor structure.

【0014】上述の問題点及び他の問題点は、本発明の
詳細な説明から当業者に明らかになる本発明によって解
決されるということに着目されたい。
It should be noted that the above and other problems are solved by the present invention which will become apparent to those skilled in the art from the detailed description of the invention.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、空気中
のガスの存在を直接的に検出するための複層触媒構造を
持つガスセンサを提供することである。詳細には、セン
サは、触媒上でのガスの発熱反応に応答する感熱抵抗体
を使用することによって炭化水素及び窒素酸化物を直接
的に検出する。
SUMMARY OF THE INVENTION A feature of the present invention is to provide a gas sensor having a multilayer catalyst structure for directly detecting the presence of gas in air. In particular, the sensors detect hydrocarbons and nitrogen oxides directly by using a thermal resistor that responds to the exothermic reaction of the gas on the catalyst.

【0016】本発明の別の特徴は、自動車の排気システ
ムの過酷な環境でガスを経済的な方法で検出するのに適
した装置を提供するということである。開示のガスセン
サは、センサの表面にしっかりと接着した複層触媒構造
を使用することによってこれらの特徴を提供する。複層
触媒構造は、従来の厚膜技術を使用して付着することが
できる。
Another feature of the present invention is to provide an apparatus suitable for detecting gas in an harsh environment of an automotive exhaust system in an economical manner. The disclosed gas sensor provides these features by using a multilayer catalyst structure that is securely adhered to the surface of the sensor. The multi-layer catalyst structure can be deposited using conventional thick film techniques.

【0017】本発明の更に別の特徴は、セラミック製ベ
ース及びこのベース上に配置された抵抗体エレメント
(抵抗体素子)を含む構造を備えた装置を提供するとい
うことである。抵抗体エレメントの電気抵抗は、温度変
化に従って変化する。ガラス及びアルミナ粒子の混合物
を含む高表面積触媒支持構造体がベース上で抵抗体エレ
メント上に亘って配置されている。触媒材料は、検出さ
れるべきガスと発熱反応を発生するため、触媒支持構造
体上に付着してある。
Yet another feature of the present invention is to provide an apparatus having a structure including a ceramic base and a resistor element (resistor element) disposed on the base. The electrical resistance of the resistor element changes according to the temperature change. A high surface area catalyst support structure comprising a mixture of glass and alumina particles is disposed on the base and over the resistor element. The catalyst material is deposited on the catalyst support structure to generate an exothermic reaction with the gas to be detected.

【0018】本発明は、これらの特徴のうちの任意の一
つにあるのでなく、本明細書中に開示し且つ特許請求し
た全ての特徴の特定の組み合わせにある。本発明は、特
定の機能について、その構造の全てのうちのこの特定の
組み合わせにおいて、従来技術から区別される。
The invention is not in any one of these features, but rather in a particular combination of all features disclosed and claimed herein. The present invention is distinguished from the prior art for a particular function in this particular combination of all of its structures.

【0019】以下の本発明の詳細な説明を更に容易に理
解できるようにするため、及び当該技術分野に対する本
発明の寄与が良くわかるようにするため、本発明の更に
重要な特徴を比較的おおまかに説明した。勿論、従属項
の要旨を形成する本発明の追加の特徴を以下に説明す
る。本開示がその基礎とする概念は、本発明の幾つかの
目的を実施するための他の構造、方法、及びシステムを
設計する上での基礎として容易に使用できるということ
は当業者には理解されよう。従って、本発明の精神及び
範囲から逸脱していない限り、特許請求の範囲がこのよ
うな等価な構造を含むものであると考えることが重要で
ある。
In order that the detailed description of the invention that follows may be more readily understood, and in order that its contribution to the art may be better understood, the more important features of the invention will be relatively broadly understood. Explained. Of course, additional features of the invention will be described hereinafter which form the subject of the dependent claims. One skilled in the art will appreciate that the concepts upon which this disclosure is based can be readily used as a basis for designing other structures, methods, and systems for implementing some of the objects of the invention. Let's do it. It is important, therefore, that the claims be regarded as including such equivalent constructions insofar as they do not depart from the spirit and scope of the present invention.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】本発明の図面は、正しい縮尺にな
っていない。添付図面は単なる概略図であって、本発明
の特定のパラメータを示そうとするものではない。添付
図面は、本発明の単なる代表的な実施例を示そうとする
ものであって、従って、本発明の範囲を限定するもので
あると考えてはならない。添付図面では、図面間で同じ
参照番号が同じ要素に附してある。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The drawings of the present invention are not to scale. The accompanying drawings are only schematic and are not intended to show particular parameters of the invention. The accompanying drawings are only intended to illustrate exemplary embodiments of the present invention and therefore should not be considered as limiting the scope of the present invention. In the accompanying drawings, like reference numerals refer to like elements between the drawings.

【0021】本発明は、複層触媒構造(または、複層触
媒構造体)を持つガスセンサを提供する。この構造は、
理想的には、自動車の排気システム中の炭化水素及び窒
素酸化物の検出に適している。図1に関し、この図に
は、基板(ベース)20の一部を示す本発明のガスセン
サ10の平面図が示してある。基板20は、好ましく
は、セラミック材料製であるが、他の適当な誘電体を使
用してもよい。図1には、触媒支持構造体24を含む基
板20の部分だけが示してあり、支持構造体の触媒が設
けられていない区分は示してない。
The present invention provides a gas sensor having a multilayer catalyst structure (or a multilayer catalyst structure). This structure
Ideally suited for the detection of hydrocarbons and nitrogen oxides in automotive exhaust systems. Referring to FIG. 1, a plan view of the gas sensor 10 of the present invention showing a part of a substrate (base) 20 is shown. Substrate 20 is preferably made of a ceramic material, but other suitable dielectrics may be used. FIG. 1 shows only the portion of the substrate 20 that includes the catalyst support structure 24, and does not show the non-catalyzed sections of the support structure.

【0022】基板20の残りの部分は、センサにとって
必要な構造的性質及び熱的性質を提供する任意の所望の
形体をとることができる。例えば、構造は、自動車の排
気システムに伴う衝撃及び振動に耐えるのに十分強固で
なければならない。更に、熱的性質は、触媒支持構造体
24上で起こる全ての触媒反応が、基板20上に配置さ
れた感熱抵抗体エレメント22によって検出できるよう
な性質でなければならない(即ち、基板は、抵抗体エレ
メント22の温度上昇を妨げる程大量の熱を触媒反応か
ら奪うものであってはならない)。
The remaining portion of substrate 20 can take any desired configuration that provides the necessary structural and thermal properties for the sensor. For example, the structure must be strong enough to withstand the shock and vibrations associated with automotive exhaust systems. In addition, the thermal properties must be such that any catalytic reaction that occurs on the catalyst support structure 24 can be detected by the thermal resistor element 22 disposed on the substrate 20 (ie, the substrate is It must not remove enough heat from the catalytic reaction to prevent the body element 22 from rising in temperature).

【0023】導体25及び26が、基板20に設けられ
ており、抵抗体エレメント22に電気的に接続されてい
る。導体25及び26は、抵抗体エレメント22の長さ
に沿った抵抗の変化及びこれに伴う電圧降下を検出でき
る回路(図示せず)に接続されている。
Conductors 25 and 26 are provided on substrate 20 and are electrically connected to resistor element 22. The conductors 25 and 26 are connected to a circuit (not shown) that can detect a change in resistance along the length of the resistor element 22 and a resulting voltage drop.

【0024】図2には、抵抗体エレメント22に沿った
断面が示してある。抵抗体エレメント22は、任意の従
来の厚膜技術又は薄膜技術を使用して基板20上に付着
できる。付着技術は、自動車の排気システムの環境に耐
えるのに十分しっかりと付着がなされており、且つ抵抗
体が、その上側の支持構造体上での触媒反応による温度
変化に応答するのに十分、熱抵抗率が高い限り、どのよ
うな技術であってもよい。抵抗体エレメント22を形成
するのに使用される材料は、これらの同じ判断基準を使
用して選択できる。好ましい実施例では、抵抗体エレメ
ント22にとってプラチナ(白金)が満足すべき材料で
あり、スクリーン印刷が適当な付着方法であるというこ
とがわかっている。
FIG. 2 shows a cross section along the resistor element 22. Resistor element 22 can be deposited on substrate 20 using any conventional thick film or thin film technology. Adhesion techniques are adherent enough to withstand the environment of the vehicle's exhaust system, and that the resistor is sufficiently hot to respond to temperature changes due to catalytic reactions on its upper support structure. Any technique may be used as long as the resistivity is high. The material used to form resistor element 22 can be selected using these same criteria. In the preferred embodiment, platinum has been found to be a satisfactory material for resistor element 22, and screen printing is a suitable method of deposition.

【0025】導体25及び26は、同様に、任意の従来
の厚膜技術又は薄膜技術を使用して付着できる。好まし
い実施例の導体材料として金が選択される。
[0025] The conductors 25 and 26 can likewise be deposited using any conventional thick or thin film technique. Gold is selected as the conductor material in the preferred embodiment.

【0026】抵抗体エレメント22を覆う非常に薄いガ
ラス層23が設けられている。このガラス層の主な目的
は、塩化白金酸(例えば、ヘキサクロロ白金(IV)
酸)を付けることによって上側に残された導電性プラチ
ナが抵抗体エレメントと短絡を引き起こさないようにす
ることであるということは、当業者には容易に理解され
よう。ガラス層を設けることの別のよくわかる目的は、
センサに付着することがある二酸化炭素により、抵抗体
エレメント22が短絡を引き起こすことがないようにす
ることである。
A very thin glass layer 23 covering the resistor element 22 is provided. The main purpose of this glass layer is to use chloroplatinic acid (eg, hexachloroplatinum (IV)
Those skilled in the art will readily understand that the addition of an acid) prevents conductive platinum left on top from causing a short circuit with the resistor element. Another obvious purpose of providing a glass layer is
The purpose is to prevent the resistor element 22 from causing a short circuit due to carbon dioxide that may adhere to the sensor.

【0027】図2及び図3に示すように、触媒支持構造
体24は、アルミナ粒子34及び粉末ガラス32の混合
物を備えている。好ましい実施例では、混合物は、ラロ
シェ(LaRoche)V700アルミナを20%含
み、ニッポン電気ガラス社のGA−4ガラスを80%含
む。アルミナは、混合物に加えられる前に約600°C
で1時間に亘ってか焼される。これにより、アルミナ
は、触媒コーティング用の高表面積を持つようになる。
混合物がペースト状の稠度(コンシステンシー)を持つ
ようになるのに十分なスクリーニング剤を混合物に加え
る。好ましい実施例で使用されたスクリーニング剤は、
有機溶剤、レオロジー(流動学)的性質を変化させるた
めの固形物、及び湿潤剤を含む。
As shown in FIGS. 2 and 3, the catalyst support structure 24 includes a mixture of alumina particles 34 and powdered glass 32. In a preferred embodiment, the mixture contains 20% LaRoche V700 alumina and 80% GA-4 glass from Nippon Electric Glass. The alumina is heated to about 600 ° C. before being added to the mixture.
And calcined for 1 hour. This results in alumina having a high surface area for catalyst coating.
Sufficient screening agent is added to the mixture so that the mixture has a paste-like consistency. The screening agent used in the preferred embodiment is
Contains organic solvents, solids to change rheological properties, and wetting agents.

【0028】混合物を抵抗体エレメント22上に付着さ
せる。混合物を付着する上でスクリーン印刷が一つの適
当な方法であるけれども、ドクターブレードやブラッシ
ング等を使用することによっても付着できる。触媒支持
構造体24を付けた後、使用されたガラスが再流動化す
る温度までアッセンブリ全体を加熱する。GA−4ガラ
ス32を再流動化し、これを図4に示すようにアルミナ
粒子34及び基板20の両方にしっかりと接着するに
は、1時間に亘って700°Cの温度が十分である。重
要はことは、ガラスが基板及び触媒支持構造体の両方と
非常にしっかりと結合するということである。これは、
アルミナ粒子が剥落すると、センサがもはや機能しない
ためである。
The mixture is deposited on resistor element 22. Although screen printing is one suitable method for applying the mixture, it can also be applied using a doctor blade, brushing or the like. After applying the catalyst support structure 24, the entire assembly is heated to a temperature at which the used glass reflows. A temperature of 700 ° C. for one hour is sufficient to reflow the GA-4 glass 32 and firmly adhere it to both the alumina particles 34 and the substrate 20 as shown in FIG. The important thing is that the glass bonds very tightly with both the substrate and the catalyst support structure. this is,
This is because the sensor no longer functions when the alumina particles fall off.

【0029】最終工程は、触媒を触媒支持構造体24に
付ける工程である。炭化水素センサについての好ましい
実施例では、触媒としてプラチナ(白金)を使用する。
プラチナは、スポイト又は他の適当な技術を使用して塩
化白金酸(例えば、ヘキサクロロ白金(IV)酸)溶液
として付けられる。その後、その酸を還元してプラチナ
にするのに十分高い温度で構造全体を再加熱する。好ま
しい実施例では、500°Cの温度を使用した。
The final step is to attach the catalyst to the catalyst support structure 24. In a preferred embodiment for a hydrocarbon sensor, platinum (platinum) is used as the catalyst.
Platinum is applied as a solution of chloroplatinic acid (eg, hexachloroplatinic (IV) acid) using a dropper or other suitable technique. Thereafter, the entire structure is reheated at a temperature high enough to reduce the acid to platinum. In the preferred embodiment, a temperature of 500 ° C was used.

【0030】アルミナ粒子34は、様々な大きさ及び形
状を持ち、表面に孔36を備えている。塩化白金酸(例
えば、ヘキサクロロ白金(IV)酸)を付け、これを上文
中に説明したように乾燥させると、孔36の表面を含む
粒子34の表面が、非常に薄いプラチナ層で覆われる。
勿論、プラチナの幾分かはガラス32の表面にも付着す
る。
The alumina particles 34 have various sizes and shapes, and have holes 36 on the surface. When a chloroplatinic acid (e.g., hexachloroplatinic (IV) acid) is applied and dried as described above, the surface of the particles 34, including the surface of the pores 36, is covered with a very thin layer of platinum.
Of course, some of the platinum will also adhere to the surface of glass 32.

【0031】センサの作動 センサの作動にとって重要なことは、検出されるべきガ
スの触媒反応、及びこの反応に対して抵抗が結果的に変
化することによる抵抗体エレメントの応答能力である。
例えば、炭化水素ガスがプラチナ触媒と接触すると化学
反応が起こり、炭化水素が燃焼し、熱が発生する。炭化
水素の量が多ければ多い程、大量の熱が発生し、かくし
て、抵抗体エレメント22の抵抗をこれに従って上昇す
る。
Operation of the sensor The key to the operation of the sensor is the catalytic reaction of the gas to be detected and the ability of the resistor element to respond to this reaction by a resulting change in resistance.
For example, when a hydrocarbon gas comes into contact with a platinum catalyst, a chemical reaction occurs, the hydrocarbon is burned, and heat is generated. The greater the amount of hydrocarbons, the more heat is generated, thus increasing the resistance of the resistor element 22 accordingly.

【0032】次いで、抵抗体エレメント22の抵抗を、
同じ環境に配置された、触媒で覆われていないことを除
けば同じ設計の基準センサ(図示せず)の抵抗と比較す
る。抵抗体エレメント22と基準センサ(図示せず)と
の間の抵抗の差は、触媒反応によって発生した熱による
ものである。抵抗の差は、排気流中の炭化水素濃度を示
す。
Next, the resistance of the resistor element 22 is
Compare with the resistance of a reference sensor (not shown) of the same design, except that it is not covered by a catalyst, located in the same environment. The difference in resistance between the resistor element 22 and a reference sensor (not shown) is due to heat generated by the catalytic reaction. The difference in resistance indicates the hydrocarbon concentration in the exhaust stream.

【0033】窒素酸化物センサ 窒素酸化物センサは、プラチナに代えてロジウム触媒を
使用すること以外は炭化水素センサについて上文中に説
明したのと同じ方法を使用して製造できる。ロジウム
は、塩化ロジウムの形態で触媒支持構造体24に付けら
れる。塩化ロジウムは、塩化白金酸(例えば、ヘキサク
ロロ白金(IV)酸)と同様の方法で付けられ、同様に加
熱され、溶液を還元し、純粋なロジウムにする。
Nitrogen Oxide Sensors Nitrogen oxide sensors can be manufactured using the same methods described above for hydrocarbon sensors except that a rhodium catalyst is used instead of platinum. Rhodium is applied to the catalyst support structure 24 in the form of rhodium chloride. Rhodium chloride is applied in a similar manner to chloroplatinic acid (eg, hexachloroplatinic (IV) acid) and is similarly heated to reduce the solution to pure rhodium.

【0034】好ましい実施例の変形例 例示の実施例では馬蹄形形体の抵抗体エレメント22を
論じたが、当業者は、開示のガスセンサが他の抵抗体パ
ターンでも作動するということを理解するであろう。馬
蹄形形状は、大きさを制限するため及び製造性の理由に
より、電気導体25及び26を互いに接近させて配置す
るための効率的な手段を提供するに過ぎない。
Variations of the Preferred Embodiment Although the illustrated embodiment discusses a horseshoe shaped resistor element 22, those skilled in the art will appreciate that the disclosed gas sensor will work with other resistor patterns. . The horseshoe shape only provides an efficient means for placing the electrical conductors 25 and 26 close to each other for size limitations and manufacturability reasons.

【0035】更に、触媒支持構造体24を図1に示すよ
うに矩形形状をなして付ける必要はない。触媒支持構造
体は、任意の所望の形状で付けることができる。このこ
とは、上文中に論じたように、基板20の形状について
もいえる。
Further, it is not necessary to attach the catalyst support structure 24 in a rectangular shape as shown in FIG. The catalyst support structure can be applied in any desired shape. This is also true for the shape of the substrate 20, as discussed above.

【0036】更に、アルミナ以外の種類の異なるセラミ
ック粒子を触媒支持構造体で使用でき、GA−4以外の
ガラス材料もまた本発明で使用できる。混合物中のガラ
ス含有量は、40%乃至90%の範囲で変化させること
ができる。残りはセラミック粒子である。ガラス含有量
が40%以下に低下すると、混合物がベースに適正に接
着せず、ガラス含有量が90%を越えると、触媒を保持
するための高表面積粒子が十分でなくなる。セラミック
粒子及び基板の両方にしっかりと接着する任意のガラス
を使用できる。更に、混合物を、基板に付着するための
ペーストにするため、他のスクリーニング剤又は水を使
用できる。
Furthermore, different types of ceramic particles other than alumina can be used in the catalyst support structure, and glass materials other than GA-4 can also be used in the present invention. The glass content in the mixture can vary from 40% to 90%. The rest are ceramic particles. When the glass content falls below 40%, the mixture does not adhere properly to the base, and when the glass content exceeds 90%, there is not enough high surface area particles to hold the catalyst. Any glass that adheres well to both the ceramic particles and the substrate can be used. In addition, other screening agents or water can be used to make the mixture into a paste for attaching to the substrate.

【0037】本開示には炭化水素ガス及び酸化窒素の両
方の検出を論じたが、ガスセンサ製造技術の当業者は、
触媒支持構造体上に配置した適当な触媒材料に露呈され
たときに発熱反応を生じることができる多くの任意のガ
スの検出にこの設計を容易に適用するであろう。
Although the present disclosure has discussed the detection of both hydrocarbon gases and nitric oxide, those skilled in the art of gas sensor fabrication will appreciate that
This design will readily apply to the detection of any number of gases that can produce an exothermic reaction when exposed to a suitable catalyst material disposed on a catalyst support structure.

【0038】本発明をこれらの実施例を特定的に参照し
て教示したが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸
脱することなく、形態及び詳細に変更を施すことができ
るということを理解するであろう。上文中に説明した実
施例は、全ての点に関し、単なる例示であって限定を行
うものではないと考えられるべきである。従って、本発
明の範囲は、以上の説明でなく、特許請求の範囲によっ
て示される。特許請求の範囲の意味するところ及び等価
性の範囲に入る全ての変更は、特許請求の範囲の範疇に
含まれる。
While the present invention has been taught with particular reference to these embodiments, those skilled in the art will recognize that changes may be made in form and detail without departing from the spirit and scope of the invention. You will understand. The embodiments described above are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive. Accordingly, the scope of the invention is indicated by the appended claims rather than by the foregoing description. All changes that come within the meaning and range of equivalency of the claims are included within the scope of the claims.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のセンサを示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing a sensor of the present invention.

【図2】焼成前の複層触媒構造を示す、図1のa−a線
での断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line aa of FIG. 1, showing a multilayer catalyst structure before calcination.

【図3】触媒支持構造体を詳細に示す、図2の円で囲ん
だ部分の拡大図である。
FIG. 3 is an enlarged view of the circled portion of FIG. 2 showing the catalyst support structure in detail.

【図4】焼成を行い、ガラスを再流動化した後の図3の
構造を示す拡大図である。
FIG. 4 is an enlarged view showing the structure of FIG. 3 after firing and reflowing the glass.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 ガスセンサ 20 基板 22 感熱抵抗体エレメント 24 触媒支持構造体 25、26 導体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Gas sensor 20 Substrate 22 Heat sensitive resistor element 24 Catalyst support structure 25, 26 Conductor

Claims (30)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ガスの濃度を検出するためのガスセンサ
において、 a)ベースと、 b)前記ベース上に配置された抵抗体エレメントであっ
て、その温度変化に従って電気抵抗が変化する抵抗体エ
レメントと、 c)複層触媒支持構造体であって、セラミック粒子と、
これらのセラミック粒子を互いに結合し且つ前記支持構
造体を前記ベース及び前記抵抗体エレメントに結合する
溶融ガラスとの混合物を含む複層触媒支持構造体と、 d)ガスの発熱反応を促すことによって前記抵抗体エレ
メントの温度を上昇するため、前記触媒支持構造体の前
記溶融ガラス及び前記セラミック粒子の両方の上に配置
された触媒とを有することを特徴とする、ガスセンサ。
1. A gas sensor for detecting a concentration of a gas, comprising: a) a base; and b) a resistor element disposed on the base, the resistor element having an electric resistance that changes according to a temperature change. C) a multilayer catalyst support structure, comprising: ceramic particles;
A multilayer catalyst support structure comprising a mixture of the ceramic particles with each other and a molten glass bonding the support structure to the base and the resistor element; and d) promoting an exothermic reaction of the gas. A gas sensor, comprising: a catalyst disposed on both the molten glass and the ceramic particles of the catalyst support structure for increasing a temperature of a resistor element.
【請求項2】 前記ベースはセラミックを含む、請求項
1に記載のガスセンサ。
2. The gas sensor according to claim 1, wherein the base includes a ceramic.
【請求項3】 前記セラミックは、アルミナを含む、請
求項2に記載のガスセンサ。
3. The gas sensor according to claim 2, wherein the ceramic includes alumina.
【請求項4】 前記触媒は、炭化水素に露呈された場合
に触媒反応を生じるプラチナを含む、請求項1に記載の
ガスセンサ。
4. The gas sensor according to claim 1, wherein the catalyst includes platinum which causes a catalytic reaction when exposed to a hydrocarbon.
【請求項5】 前記触媒は、窒素酸化物に露呈された場
合に触媒反応を生じるロジウムを含む、請求項1に記載
のガスセンサ。
5. The gas sensor according to claim 1, wherein the catalyst contains rhodium which causes a catalytic reaction when exposed to nitrogen oxides.
【請求項6】 前記セラミック粒子は高表面積のアルミ
ナ粒子である、請求項1に記載のガスセンサ。
6. The gas sensor according to claim 1, wherein the ceramic particles are high surface area alumina particles.
【請求項7】 前記高表面積のアルミナ粒子は孔を持
ち、これらの孔は、これらの孔の表面の部分を覆う触媒
層を備えている、請求項6に記載のガスセンサ。
7. The gas sensor according to claim 6, wherein the high surface area alumina particles have pores, and the pores have a catalyst layer covering a portion of the surface of the pores.
【請求項8】 前記ベース上に配置され、前記抵抗体エ
レメントに電気的に接続された導体を更に有する、請求
項1に記載のガスセンサ。
8. The gas sensor according to claim 1, further comprising a conductor disposed on the base and electrically connected to the resistor element.
【請求項9】 前記導体は、金を含む、請求項8に記載
のガスセンサ。
9. The gas sensor according to claim 8, wherein the conductor includes gold.
【請求項10】 前記複層触媒構造体は、アルミナ粒子
20%及び粉末ガラス80%から、アルミナ粒子60%
及び粉末ガラス40%までの範囲にある、請求項1に記
載のガスセンサ。
10. The multi-layer catalyst structure according to claim 1, wherein said alumina catalyst is composed of 20% alumina particles and 80% powdered glass and 60% alumina particles.
2. The gas sensor according to claim 1, wherein the gas sensor is in the range of up to 40% powder glass.
【請求項11】 ガスセンサの製造方法において、 a)感熱抵抗体エレメントを備えたベースを供給する工
程と、 b)触媒支持構造体として使用するため、セラミック粒
子及び粉末ガラスの混合物を前記ベースに付ける工程
と、 c)前記ベース及び前記触媒支持構造体を、ガラスを再
流動化する温度に加熱し、これにより、セラミック粒子
を互いに結合し且つ前記触媒支持構造体を前記ベースに
接着する工程と、 d)工程c)の後、前記触媒支持構造体の前記セラミッ
ク粒子及び再流動化したガラスの両方の露呈表面上に溶
液の形態の触媒を付ける工程と、 e)工程d)の後、前記ベース及び前記触媒支持構造体
を再加熱し、溶液の形態の触媒を還元して純粋な触媒に
する工程とを有することを特徴とする方法。
11. A method of manufacturing a gas sensor, comprising: a) providing a base with a thermal resistor element; and b) applying a mixture of ceramic particles and powdered glass to the base for use as a catalyst support structure. C) heating the base and the catalyst support structure to a temperature that reflows the glass, thereby bonding the ceramic particles together and bonding the catalyst support structure to the base; d) after step c) applying a catalyst in the form of a solution on an exposed surface of both the ceramic particles and the reflowed glass of the catalyst support structure; e) after the step d) the base And reheating the catalyst support structure to reduce the catalyst in solution to a pure catalyst.
【請求項12】 前記ベースはセラミックを含む、請求
項11に記載の方法。
12. The method of claim 11, wherein said base comprises a ceramic.
【請求項13】 前記セラミックはアルミナを含む、請
求項12に記載の方法。
13. The method of claim 12, wherein said ceramic comprises alumina.
【請求項14】 前記セラミック粒子は高表面積のアル
ミナである、請求項11に記載の方法。
14. The method of claim 11, wherein said ceramic particles are high surface area alumina.
【請求項15】 前記アルミナ粒子は、粉末ガラスと混
合する前にか焼される、請求項14に記載の方法。
15. The method according to claim 14, wherein the alumina particles are calcined before mixing with the powdered glass.
【請求項16】 前記混合物は、セラミック粒子20%
及び粉末ガラス80%から、セラミック粒子60%及び
粉末ガラス40%までの範囲にある、請求項11に記載
の方法。
16. The mixture comprises 20% ceramic particles.
12. The method of claim 11, wherein the method ranges from 80% and powdered glass to 60% ceramic particles and 40% powdered glass.
【請求項17】 前記セラミック粒子はアルミナであ
る、請求項16に記載の方法。
17. The method of claim 16, wherein said ceramic particles are alumina.
【請求項18】 前記触媒は、炭化水素との反応を開始
するためのプラチナである、請求項11に記載の方法。
18. The method of claim 11, wherein said catalyst is platinum for initiating a reaction with a hydrocarbon.
【請求項19】 前記触媒は、窒素酸化物との反応を開
始するためのロジウムである、請求項11に記載の方
法。
19. The method of claim 11, wherein said catalyst is rhodium for initiating a reaction with nitrogen oxides.
【請求項20】 前記セラミック粒子及び粉末ガラス
を、有機溶剤、レオロジー的性質を変化させるための固
形物、及び湿潤剤を含むスクリーニング剤と混合し、ベ
ースに付ける前にペーストを形成する、請求項11に記
載の方法。
20. The ceramic particles and powdered glass are mixed with a screening agent including an organic solvent, a solid to change the rheological properties, and a wetting agent to form a paste prior to application to a base. 12. The method according to 11.
【請求項21】 ガラスを再流動化するための加熱温度
は700°Cである、請求項11に記載の方法。
21. The method according to claim 11, wherein the heating temperature for reflowing the glass is 700 ° C.
【請求項22】 感熱抵抗体エレメントに電気的に接続
された導体を前記ベースに提供する工程を更に有する、
請求項11に記載の方法。
22. Providing the base with a conductor electrically connected to a thermal resistor element,
The method according to claim 11.
【請求項23】 前記導体は、金を含む、請求項22に
記載の方法。
23. The method of claim 22, wherein said conductor comprises gold.
【請求項24】 前記粉末ガラスは、GA−4型ガラス
を含む、請求項11に記載の方法。
24. The method of claim 11, wherein the powdered glass comprises a GA-4 type glass.
【請求項25】 前記混合物は、スクリーン印刷によっ
て付けられる、請求項11に記載の方法。
25. The method according to claim 11, wherein the mixture is applied by screen printing.
【請求項26】 ガスセンサを製造するための方法にお
いて、 a)感熱抵抗体エレメントに電気的に接続された金製の
導体を上側に備えたベースを提供する工程と、 b)高表面積を維持する目的で、アルミナ粒子を600
°Cで1時間に亘ってか焼する工程と、 c)アルミナ粒子20%及び粉末ガラス80%を含む混
合物をつくる工程と、 d)有機溶剤、レオロジー的性質を変化させるための固
形物、及び湿潤剤を含むスクリーニング剤を前記混合物
に加えてペーストを形成する工程と、 e)触媒支持構造体として使用するため、前記混合物を
前記ベース上で前記抵抗体エレメントに亘ってスクリー
ン印刷する工程と、 f)アッセンブリを700°Cの温度に加熱し、ガラス
を再流動化し、前記アルミナ粒子を互いに結合し、前記
混合物を前記ベースに接着する工程と、 g)工程f)の後、前記触媒支持構造体の前記アルミナ
粒子及び再流動化したガラスの両方の露呈表面上に触媒
溶液を付ける工程と、 h)工程g)の後、アッセンブリを500°Cに再加熱
し、触媒溶液を還元し、純粋な触媒にする工程とを有す
ることを特徴とする方法。
26. A method for manufacturing a gas sensor, comprising: a) providing a base with a gold conductor on the upper side electrically connected to a thermal resistor element; and b) maintaining a high surface area. For the purpose, 600 alumina particles
Calcining at 1 ° C. for 1 hour; c) making a mixture containing 20% alumina particles and 80% powdered glass; d) organic solvents, solids for changing the rheological properties, and Adding a screening agent including a wetting agent to the mixture to form a paste; e) screen printing the mixture on the base over the resistor element for use as a catalyst support structure; f) heating the assembly to a temperature of 700 ° C., reflowing the glass, bonding the alumina particles together, and adhering the mixture to the base; g) after step f), the catalyst support structure Applying a catalyst solution on the exposed surfaces of both the alumina particles and the reflowed glass of the body; h) after step g), reheating the assembly to 500 ° C , Method characterized by a step of reducing the catalyst solution is pure catalyst.
【請求項27】 前記触媒溶液は、プラチナ酸である、
請求項26に記載の方法。
27. The catalyst solution is platinum acid.
The method of claim 26.
【請求項28】 前記触媒溶液は、塩化ロジウムであ
る、請求項26に記載の方法。
28. The method of claim 26, wherein said catalyst solution is rhodium chloride.
【請求項29】 前記純粋な触媒は、炭化水素との反応
を開始するためのプラチナである、請求項26に記載の
方法。
29. The method of claim 26, wherein the pure catalyst is platinum for initiating a reaction with a hydrocarbon.
【請求項30】 前記純粋な触媒は、窒素酸化物との反
応を開始するためのロジウムである、請求項26に記載
の方法。
30. The method of claim 26, wherein said pure catalyst is rhodium for initiating a reaction with nitrogen oxides.
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JP2012517600A (en) * 2009-02-12 2012-08-02 ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング Sensor element of gas sensor and method of operating the same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012517600A (en) * 2009-02-12 2012-08-02 ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング Sensor element of gas sensor and method of operating the same
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