JPH1172476A - Nitrogen oxide gas sensor - Google Patents

Nitrogen oxide gas sensor

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Publication number
JPH1172476A
JPH1172476A JP10182336A JP18233698A JPH1172476A JP H1172476 A JPH1172476 A JP H1172476A JP 10182336 A JP10182336 A JP 10182336A JP 18233698 A JP18233698 A JP 18233698A JP H1172476 A JPH1172476 A JP H1172476A
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JP
Japan
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electrode
sensor
zirconia
platinum
rhodium
Prior art date
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Pending
Application number
JP10182336A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Seiji Hasei
政治 長谷井
Eitetsu Iwao
永鉄 巌
Akira Kunimoto
晃 国元
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Riken Corp
Original Assignee
Riken Corp
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Publication date
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Priority to US09/339,108 priority patent/US6274016B1/en
Priority to DE19929625A priority patent/DE19929625A1/en
Priority to US09/828,894 priority patent/US6413397B2/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a potential difference type NOx sensor low in sensor impedance, having a noble metal electrode good in electrode conductivity and excellent in NOx sensitivity characteristics by using an alloy electrode consisting of platinum and rhodium or a thermet electrode consisting of platinum, rhodium and zirconia as a gas detection electrode of a sensor. SOLUTION: A sensor is formed by using a green sheet 1 of zirconia doped with 8 mol. of Y2 O3 as an oxygen ion conductor. The green sheet is formed by a doctor blade method and has a thickness of 0.3 mm. This green sheet is cut into a sample size of 4×6 mm to be used. As a material of a detection electrode 2, paste prepared by adding a predetermined amt. of an org. binder and a predetermined amt. of an org. solvent to an alloy powder of Pt and Rh to knead them therewith is prepared. The addition amt. of Rh is set to 5% by wt. of the total amt. of Pt and Rh. Zirconia is further added to this paste in order to adjust electrode porosity. Pt is applied to a reference electrode 3 by paste printing so as to form a pair on the surface of the zirconia sheet 1 along with the detection electrode 2 and zirconia for adjusting an electrode structure is dispersed and added in the same way as the detection electrode 2.

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】本発明は窒素酸化物ガスを検
出する固体素子型センサであって、一般燃焼器の排出N
Xや、室内環境での測定、特に高温に曝される自動車
排気ガス中のNOX検知に適する窒素酸化物センサに関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state sensor for detecting a nitrogen oxide gas, and more particularly to a discharge N of a general combustor.
O X and the measurement of indoor environmental, and more particularly to nitrogen oxide sensor suitable the NO X sensing in automobile exhaust gas are exposed to high temperatures.

【0002】[0002]

【従来の技術】ジルコニア固体電解質基板上に検知電極
とその対極を設け、NOX濃度をその電極間の電位差を
測定する方式のガスセンサは既に報告されている。例え
ば特開平7−198671号公報や特開平8−4334
6号公報に見られるのは酸素イオン導電体としてのジル
コニアの固体電解質基板上にCdMn24やNiCr2
4の複合酸化物からなる検知電極とPt対極が設けら
れた構成であり、高温雰囲気中でも使用可能な耐熱性を
有しているといえる。
BACKGROUND ART zirconia solid electrolyte substrate is provided sensing electrode and its counter electrode, a gas sensor system for measuring the potential difference between the electrodes of the NO X concentration has already been reported. For example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 7-198167 and 8-4334
No. 6 discloses CdMn 2 O 4 and NiCr 2 on a zirconia solid electrolyte substrate as an oxygen ion conductor.
This is a configuration in which a detection electrode made of a composite oxide of O 4 and a Pt counter electrode are provided, and it can be said that it has heat resistance that can be used even in a high-temperature atmosphere.

【0003】一方、自動車排ガス中などの高温雰囲気中
でも充分な耐熱性を有する構成をなす検知電極として
は、貴金属系電極でも期待できる。その点では、Pt電
極は既に自動車のλセンサや広域空燃費センサにおける
電極に用いられており、実使用での信頼性の高さも実証
されている。貴金属系電極はその化学的安定性や作製の
し易さ、あるいは電極のインピーダンスの低減が期待で
きる等の利点が多い。ジルコニア固体電解質基板に貴金
属系検知極を用いたNOXガスに関係するセンサ例とし
て特開平8−271476号公報に引用されているのは
次に示されるものである。一つは米国特許第41994
25号明細書に示されるもので、自動車の濃淡電位差式
酸素センサ(λセンサ)にNOX感度も付与するためRh
を含浸させたアルミナオーバーコート層を設けたセンサ
を例示している。しかしながら、この構造においてはR
hを含浸させたオーバーコート層の役割がNOX分解触
媒層であり、NOXを分解して生成される酸素そのもの
をPt検知極で感知しているのは明らかである。二つめ
は特開昭59−91358号公報に示されるもので、ジ
ルコニア固体電解質基板にPt、Rh、Pd、Auなど
の貴金属からなる電極と、Co34などのN2O分解触
媒を前記電極に積層あるいは担持した検知電極を形成
し、その電極間電位差を測定するものである。しかしな
がら、自動車の排ガス中のNOXを測定する場合を考え
ると、NOとNO2が対象ガスでありN2Oでは測定され
ない。さらに低濃度ガスに対する電位差は非常に小さ
く、実際の排ガス中濃度域(数1000ppm以下)ではほ
とんど電位差が無いに等しい。
On the other hand, a noble metal-based electrode can be expected as a detection electrode having a structure having sufficient heat resistance even in a high-temperature atmosphere such as in automobile exhaust gas. In that respect, Pt electrodes have already been used as electrodes in automobile λ sensors and wide area air-fuel efficiency sensors, and their high reliability in actual use has been demonstrated. Noble metal-based electrodes have many advantages, such as their chemical stability, ease of fabrication, and reduction in electrode impedance. The cited in JP-A-8-271476 as a sensor example relating to the NO X gas using a noble metal sensing electrode to the zirconia solid electrolyte substrate are those shown below. One is U.S. Pat.
No. 25, it is Rh to provide NO X sensitivity to a gray-scale potential difference type oxygen sensor (λ sensor) of an automobile.
FIG. 2 illustrates a sensor provided with an alumina overcoat layer impregnated with. However, in this structure R
The role of the overcoat layer impregnated with h is NO X decomposition catalyst layer, it is clear that the oxygen itself generated by decomposing NO X are sensed by Pt sensing electrode. The second one is disclosed in JP-A-59-91358, in which an electrode made of a noble metal such as Pt, Rh, Pd, and Au is provided on a zirconia solid electrolyte substrate, and an N 2 O decomposition catalyst such as Co 3 O 4 is used. A detection electrode laminated or carried on the electrodes is formed, and the potential difference between the electrodes is measured. However, considering the case of measuring NO X in the exhaust gas of an automobile, NO and NO 2 are target gases and are not measured by N 2 O. Further, the potential difference with respect to the low-concentration gas is very small, and is substantially equal to the potential difference in the actual concentration region in exhaust gas (several 1000 ppm or less).

【0004】このように従来の濃淡電位差式NOXセン
サで貴金属系検知電極を用いたといってもその役割は、
単にNOX分解触媒としてであり、または触媒層で分解
反応した電荷を集める集電体としてしか作用してない。
さらに特開平8−271476号公報にも述べられてい
るように、従来の貴金属系検知極を用いたNOXセンサ
では電位差が小さく、検知ガス雰囲気中の酸素濃度に対
する依存性が大きく、更にNOXを分解する方向でしか
適用できてないというのが現状であった。
[0004] its role to say that using noble metal sensing electrode in this way conventional gray potentiometric NO X sensor,
Simply NO X is as a cracking catalyst, or not acting only as a collector for collecting the charges decomposition reaction in the catalyst layer.
As also described in further Hei 8-271476 discloses, in NO X sensor using a conventional noble metal sensing electrode potential difference is small, a large dependence on the oxygen concentration in the detection gas atmosphere, further NO X At present, it can only be applied in the direction of disassembly.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】前述のように、酸化物
電極を用いた電位差式NOXセンサは大きな感度が得ら
れているが、センサ電極抵抗が高く、従って、検知電極
中に集電体を形成しなければならず、電極面積を低減さ
せる。一方、電極材として電気的に良導体である貴金属
系の電極ではNOX電位差をそのまま測定したものは見
あたらない。唯一、N2O(笑気ガス)で僅かな感度を有
するのみである。その上貴金属系電極では電位差自体が
酸素分圧依存性を有するので正確なO2濃度制御が必要
である。これらの問題点に鑑み、センサインピーダンス
が低く、電極導電性の良い貴金属系電極であって、且つ
NOX感度特性の優れた電位差式NOXセンサを提供する
ことを課題とする。更に自動車の排ガス等に適用する場
合にも、その雰囲気酸素分圧に影響されずにNOX濃度
を測定することも本課題として含まれる。
[0007] As described above, although the potentiometric NO X sensor using an oxide electrode has a large sensitivity obtained, the sensor electrode resistance is high, therefore, the current collector in the sensing electrode Must be formed to reduce the electrode area. On the other hand, the missing was measured as the NO X potential at the electrodes of noble metal which is electrically good conductor as an electrode material. It has only a slight sensitivity with N 2 O (laughing gas). In addition, in the noble metal-based electrode, since the potential difference itself has oxygen partial pressure dependency, accurate O 2 concentration control is required. In view of these problems, the sensor impedance is low, a good noble metal electrodes of the electrode conductivity and it is an object to provide an excellent potentiometric NO X sensor of the NO X sensitivity. Furthermore even when applied to an exhaust gas of an automobile, it is within the present problem of measuring the NO X concentration without being affected by the ambient oxygen partial pressure.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】以上のような課題に鑑
み、我々は以下のような手段にて課題を解決した。即
ち、本発明は、(1)酸素イオン導電体であるジルコニア
固体電解質基板上に設けられた検知電極と、該検知電極
と対をなす前記固体電解質基板上のNOXに不感な白金
対極あるいは白金参照極との間の電位差を測定する方式
の窒素酸化物ガスセンサであって、該センサのガス検知
電極に白金とロジウムからなる合金電極あるいは白金、
ロジウム及びジルコニアからなるサーメット電極を用い
たことを特徴とする窒素酸化物ガスセンサ、及び(2)前
記記載の白金とロジウムからなる合金電極及び白金、ロ
ジウム、ジルコニアからなるサーメット電極において、
ロジウム量が白金とロジウムの総量に対して少なくとも
0.5wt%を含む検知電極を用いたことを特徴とする更
なる窒素酸化物ガスセンサを提供することにより課題を
解決するものである。
In view of the above problems, we have solved the problems by the following means. That is, the present invention is (1) oxygen ion conductor and the detection electrode provided on the zirconia solid electrolyte substrate is, the sensing electrode and the insensitive platinum counter electrode, platinum in the NO X of the solid electrolyte substrate paired A nitrogen oxide gas sensor of a type that measures a potential difference between a reference electrode and an alloy electrode or platinum made of platinum and rhodium as a gas detection electrode of the sensor.
Nitrogen oxide gas sensor characterized by using a cermet electrode composed of rhodium and zirconia, and (2) an alloy electrode composed of platinum and rhodium and platinum, rhodium, cermet electrode composed of zirconia,
The object is solved by providing a further nitrogen oxide gas sensor characterized by using a detection electrode in which the amount of rhodium contains at least 0.5 wt% with respect to the total amount of platinum and rhodium.

【0007】また、前述の白金とロジウムからなる合金
電極あるいは白金、ロジウム及びジルコニアからなるサ
ーメット電極をセンサ構造と組み合わせることによる総
NO X検知センサとして、(3)酸素イオン導電体であるジ
ルコニア固体電解質基板からなるセンサ基板内に設けら
れた缶室内に被検測定ガスを導入してガス検知を行う方
式において、該缶室が被検ガス雰囲気に通じるガス流入
口を有する第一缶室、あるいは該第一缶室とそれに連通
する第二缶室とからなる構造のセンサであって、該第一
缶室及び第二缶室に設けられた酸素排出あるいは酸素汲
込み電極と、第一缶室内あるいは第二缶室内の酸素濃度
を制御する手段と、該第一缶室内にてNOあるいはNO
2に変換されたNOXを検出する検知電極と、該検知電極
と同一缶室内に形成された白金対極あるいは該検知電極
が接するジルコニア固体電解質基板を挟んで基準酸素濃
度を維持するダクトに通ずるように形成された白金対極
とにより構成され、且つ当該検知電極が前記記載の白金
とロジウムからなる合金電極あるいは白金、ロジウム、
ジルコニアからなるサーメット電極により構成された窒
素酸化物ガスセンサ、及び(4)該検知電極の形成されて
ある缶室内の酸素濃度が検知電極における酸素とNOX
に対する混成電位からNOX電位差を生ずるように濃度
制御された方式を特徴とする窒素酸化物ガスセンサを提
供することによりNOX検知のノイズとなる電極自体の
酸素分圧依存性を実質的に無くすことができる。
Also, an alloy comprising the above-mentioned platinum and rhodium
An electrode or a support made of platinum, rhodium and zirconia
-Combining the electrode with the sensor structure
NO XAs a detection sensor, (3) the oxygen ion conductor
Installed inside a sensor substrate consisting of a luconia solid electrolyte substrate
To perform gas detection by introducing a test gas into a closed can chamber
In the formula, the gas flowing into the can chamber leads to the test gas atmosphere.
A first canister with a mouth, or communicating with the first canister
A sensor comprising a second can chamber,
Oxygen discharge or oxygen pumping provided in the canister and the second canister
Electrode and oxygen concentration in the first or second chamber
And NO or NO in the first can chamber.
TwoNO converted toXDetection electrode for detecting
Platinum counter electrode or detection electrode formed in the same chamber as
Reference oxygen concentration across the zirconia solid electrolyte substrate
Platinum counter electrode formed through a duct that maintains the temperature
And the detection electrode is the platinum described above.
And rhodium alloy electrodes or platinum, rhodium,
Nitrogen formed by a zirconia cermet electrode
Oxide gas sensor, and (4) the detection electrode is formed
Oxygen concentration in a certain chamber is oxygen and NO at the sensing electrode.X
From mixed potential for NOXConcentration to produce a potential difference
Providing a nitrogen oxide gas sensor featuring a controlled system
NO by offeringXThe electrode itself, which is the noise of detection
Oxygen partial pressure dependency can be substantially eliminated.

【0008】更に詳細に説明すると、Ptとロジウムは
NOX触媒として用いられているが、その合金が電位差
検出電極(酸素とNOXに活性である)そのものには用
いられてはいない。また本発明の主張するところは、本
発明電極が従来の濃淡電位差とは異なる原理で用いられ
るところにある。即ち、NOX検知極の反応として、N
X(NO、NO2)の酸化・還元反応としてNOXと酸素
とが同時に関与して決まる混成電位(検知極のNOX
2により決まる電極電位(対極に対しての電位差)を
出力とするもの)を出力として用いている。センサ構成
としては図1、図2に示すように検知極2と対極3(N
Xに不活性である)が同一ジルコニア固体電解質基板
上であればその配置方法には囚われない。ただ、検知極
雰囲気に酸素が存在し、混成電位を形成すればよいだけ
である。対極3は使用条件下でNO Xに不感でさえあれ
ばよく、従って通常白金のみで形成されるか又は電極組
織制御のため白金にジルコニアを添加されたもので形成
される。勿論、図3に示す構成で対極3側の基準雰囲気
を例えば大気に固定してもよい。また、図3に示す構成
であって対極3側にNOXが存在しない場合では、NOX
に有感な例えば本発明Pt−Rh合金電極等を用いるこ
とができ、本発明の範疇であるのは明らかである。図
1、図2及び図3において、4aと4bは各電極2、3
からのリード線を示し、5は被検ガスから対極3を隔離
させる隔離壁を示す。
[0008] In more detail, Pt and rhodium
NOXIt is used as a catalyst, but its alloy is
Detection electrode (oxygen and NOXActive)
It is not. The present invention claims that
The invention electrode is used on a principle different from the conventional gray potential difference.
Where it is. That is, NOXThe reaction of the sensing electrode is N
OX(NO, NOTwoNO) as oxidation / reduction reactionXAnd oxygen
Is determined simultaneously with the mixed potential (NO of the detection electrodeXWhen
OTwoElectrode potential (potential difference with respect to the counter electrode)
Output) is used as the output. Sensor configuration
As shown in FIGS. 1 and 2, the detection electrode 2 and the counter electrode 3 (N
OXZirconia solid electrolyte substrate
If it is above, it is not bound by the arrangement method. Just the detection pole
Oxygen exists in the atmosphere and only needs to form a mixed potential
It is. Counter electrode 3 is NO under operating conditions XEven if you are insensitive
And therefore usually only made of platinum or an electrode set
Formed with zirconia added to platinum for weaving control
Is done. Of course, in the configuration shown in FIG.
May be fixed to the atmosphere, for example. The configuration shown in FIG.
NO on the counter electrode 3 sideXIf no exists, NOX
For example, the Pt-Rh alloy electrode of the present invention can be used.
Obviously, this is within the scope of the present invention. Figure
1, FIG. 2 and FIG.
5 indicates that the counter electrode 3 is isolated from the test gas
Indicate the isolation wall to be made.

【0009】このような条件下において、従来報告され
ているNiCr24等の酸化物電極では、電極膜自体の
導電性が低く電極下に反応電荷を捕獲するための集電体
を形成する必要があった。酸化物電極自体の電極インピ
ーダンスは大きいため、例えば車載用として用いるとき
には、ノイズが乗りやすく精度確保が難しい。しかし電
極サイズを広げようとしても電極自体の導電性が低いた
め、集電体なしでは電位差を効率よく測定できない問題
が生じる。
Under such conditions, in the case of a conventionally reported oxide electrode of NiCr 2 O 4 or the like, the conductivity of the electrode film itself is low and a current collector for capturing a reaction charge is formed under the electrode. Needed. Since the electrode impedance of the oxide electrode itself is large, for example, when the oxide electrode is used in a vehicle, noise easily occurs and it is difficult to ensure accuracy. However, even if an attempt is made to increase the electrode size, there is a problem that the potential difference cannot be measured efficiently without a current collector because the conductivity of the electrode itself is low.

【0010】一方、貴金属系電極は電極の導電性は良い
ものの、NOXを混成電位として検知できるものは見い
出されていなかった。従来、電位差式のNOXセンサに
用いられてきた貴金属は、その触媒性であり、または単
なる集電体であったことは、前述の通りである。本発明
はPtとRhの合金膜をNOX検知極に用いることで、
Ptの酸素吸着能と添加されているRhの触媒能を同一
の電極上で保持させ前述の混成電位によるNOX電位差
を測定する考えに基づいている。従って、Rhの合金分
散性(添加濃度)と感度は相関を持つはずであり、事実
そのような結果が得られている。
On the other hand, noble metal electrode although conductive electrode is good, it can detect the NO X as mixed potential has not been found. Conventionally, a potentiometric precious metal that has been used in the NO X sensor is its catalytic, or which was just current collector is as described above. The present invention is an alloy film of Pt and Rh in the NO X sensing electrode,
The catalytic activity of Rh has been added to the oxygen adsorption capacity of Pt is held on the same electrode is based on the idea of measuring the NO X difference by mixed potential described above. Therefore, the alloy dispersibility (addition concentration) of Rh should have a correlation with the sensitivity, and such a result has been obtained in fact.

【0011】ところが貴金属系電極は酸素自体に活性で
あり、例えば、図3に示されるような構造で濃淡電位差
方式の検知を行うと、検知極2側の酸素濃度変動を直接
検知してしまい、そのため正確な酸素分圧制御が検知極
雰囲気で必要となる。酸素濃度がゼロ近傍の領域では、
実際的には酸素濃淡センサで測定する他なく、この酸素
濃度領域では酸素濃度に対する出力依存性は非常に大き
く、正確な濃度制御は実質上不可能である。一方、本発
明の適用方式である混成電位型の検知では酸素濃度依存
性は非常に小さく、実質的に酸素濃度制御は非常に粗く
てもNOX出力に影響を殆ど及ぼさない。そのため、従
来車載用としてまで考えた環境下でも本方式のPt−R
h合金電極が実際的に適用できる。
However, the noble metal-based electrode is active on oxygen itself. For example, if the detection of the concentration potential difference method is performed with the structure as shown in FIG. 3, the fluctuation of the oxygen concentration on the detection electrode 2 side is directly detected. Therefore, accurate oxygen partial pressure control is required in the detection electrode atmosphere. In the region where the oxygen concentration is near zero,
Actually, there is no choice but to measure with an oxygen concentration sensor. In this oxygen concentration region, the output dependence on the oxygen concentration is very large, and accurate concentration control is practically impossible. On the other hand, the oxygen concentration dependence in the detection of mixed potential-type is the application type of the present invention is very small, substantially oxygen concentration control hardly affect the NO X output be very rough. Therefore, even under the environment considered to be used in vehicles conventionally, the Pt-R
h-alloy electrodes are practically applicable.

【0012】図7及び図8に車排ガス中のNOとNO2
を総NOXとして検出できるセンサ構造を示す。排ガス
中のNO、NO2は第1缶室において同室に設置されて
いる酸素ポンピング電極により、NOあるいはNO2
どちらかに単ガス化され、第2缶室で本発明電極で電位
差検知を行う。即ち、NO2としてNOXを検知する場合
には、ポンプ電極により第1缶室内に酸素汲込みを行い
NOの酸化を行う。逆にNO2の還元によりNOとして
検知する場合には、ポンプ作動電圧を逆転し酸素排出を
行う。何れにしても第1缶室内の酸素濃度はそれに連通
する第2缶室に設置される酸素センサによりフィードバ
ック制御される。図7及び図8に示すセンサ構造に前述
の混成電位検出方式を組み込むことにより、従来貴金属
電極自体が有する大きな酸素分圧依存性が大きく緩和さ
れ、車載用としての総NOX検知が可能なセンサに適用
される。
FIGS. 7 and 8 show NO and NO 2 in vehicle exhaust gas.
The shows a sensor structure that can be detected as the total NO X. NO and NO 2 in the exhaust gas are gasified into either NO or NO 2 by the oxygen pumping electrode installed in the first chamber in the first chamber, and the potential difference is detected by the electrode of the present invention in the second chamber. . That is, when detecting the NO X as NO 2 can carry out the oxidation of NO do oxygen汲included in the first bottom chamber by pumping electrodes. Conversely, when NO is detected by reduction of NO 2 , the pump operation voltage is reversed to discharge oxygen. In any case, the oxygen concentration in the first chamber is feedback-controlled by an oxygen sensor installed in the second chamber connected to the first chamber. By incorporating the mixed potential detection method of the aforementioned sensor structure shown in FIGS. 7 and 8, a large oxygen partial pressure dependence is greatly alleviated conventional noble metal electrode itself has, capable of total NO X sensing as a vehicle sensor Applied to

【0013】さらに、酸素イオン導電体であるジルコニ
ア固体電解質上に設けられた検知電極と、該検知電極と
対をなす前記固体電解質上のNOXに活性を有しないP
t参照極との間の電位差を測定する方式の窒素酸化物ガ
スセンサであって、該センサのガス検知電極が白金層上
にロジウム層が積層されてなる電極あるいは前記積層電
極中にジルコニアを分散添加してなるサ−メット電極で
あり、かつ測定雰囲気の酸素濃度が0.05〜21vol%
の任意の幅を有する所定値に制御されたことを特徴とす
る窒素酸化物ガスセンサを提供する。
Furthermore, no a detection electrode provided on the zirconia solid electrolyte is an oxygen ion conductor, the activity in the NO X on the solid electrolyte constituting the detection electrode and the counter P
A nitrogen oxide gas sensor for measuring a potential difference between the electrode and a reference electrode, wherein a gas detection electrode of the sensor is an electrode in which a rhodium layer is laminated on a platinum layer or zirconia is dispersed and added in the laminated electrode. And the oxygen concentration of the measurement atmosphere is 0.05 to 21 vol%.
A nitrogen oxide gas sensor characterized by being controlled to a predetermined value having an arbitrary width.

【0014】一般室内で用いられる状況から自動車排気
ガス中で使用される状況までをも考慮すると、本発明に
よる効果は以下のようになる。NOX濃度を電位差にて
測定する方式において、本発明であるPt−Rhの合金
電極、それらの積層電極、あるいはそれのジルコニアと
のサーメット電極を用いることによって、従来の貴金属
系電極にない非常に大きな検出出力が得られた。そのた
め、NOX濃度測定精度が格段に向上した。Pt−Rh
の合金電極、それらの積層電極、あるいはそれのジルコ
ニアとのサーメット電極を用いることにより、電極自体
の導電性が向上され、検知極に集電体を形成する必要が
無くなった。ジルコニアグリーンシートとの一体焼結を
行う方法では、従来酸化物電極材で見られる電極材の蒸
発や、密着性不良の問題が無くなった。本発明電極を有
る程度制御された酸素濃度を持つ缶室内に設置すること
により、電極自体の持つ酸素分圧依存性が大幅に除去さ
れ、実際のセンサ駆動における測定精度が大幅に向上す
る。
[0014] The effects of the present invention are as follows, taking into account the situation in which it is used in a general room to the situation in which it is used in automobile exhaust gas. In method for measuring the NO X concentration at a potential difference, the present invention is a Pt-Rh alloy electrode, by using the cermet electrode with those of the laminated electrode or that of zirconia, very non-conventional noble metal-based electrode A large detection output was obtained. Therefore, NO X concentration measurement accuracy is greatly improved. Pt-Rh
By using an alloy electrode, a laminated electrode thereof, or a cermet electrode thereof with zirconia, the conductivity of the electrode itself was improved, and the necessity of forming a current collector on the sensing electrode was eliminated. The method of integrally sintering with the zirconia green sheet eliminates the problems of the evaporation of the electrode material and the poor adhesion, which are conventionally found in the oxide electrode material. By disposing the electrode of the present invention in a chamber having a somewhat controlled oxygen concentration, the dependence of the electrode itself on the oxygen partial pressure is largely eliminated, and the measurement accuracy in actual sensor driving is greatly improved.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】ジルコニア固体電解質基板は公知
のものが利用される。本発明のための、電極の形成方法
は、スクリーン印刷法を用いるのが一般的である。スク
リ−ン印刷法は印刷する基板にグリーンシートを用いる
ことができる。勿論焼結基板も用いることができるが、
グリーンシートを用いられることが非常に有利な点であ
る。これは、任意形状を得るためや複雑な積層構造が簡
単に形成でき、また酸化物電極との密着性が焼結基板を
用いることよりも高めることができるからである。しか
しながら、本発明は特別にグリーンシートに限定される
ものではない。さらに、スクリーン印刷による形成方法
にも限定されるものではなく、スパッタリング薄膜電
極、コロイド溶液コーティング等の方法でも構わない。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A known zirconia solid electrolyte substrate is used. In general, a screen printing method is used for forming an electrode for the present invention. In the screen printing method, a green sheet can be used for a substrate to be printed. Of course, a sintered substrate can also be used,
It is a very advantageous point to use a green sheet. This is because a complicated laminated structure can be easily formed in order to obtain an arbitrary shape, and the adhesion to the oxide electrode can be increased as compared with the case of using a sintered substrate. However, the present invention is not particularly limited to green sheets. Further, the forming method by screen printing is not limited, and a method such as a sputtering thin film electrode or a colloid solution coating may be used.

【0016】本発明での白金とロジウムからなる合金電
極材料あるいは白金、ロジウム及びジルコニアからなる
サーメット電極材料は、スクリーン印刷法では、その材
料粉をPVA等の有機結合剤とその溶剤や分散剤等とで
混練されたペーストとしたものを用いる。白金とロジウ
ムはそれぞれの粉体を用いても、あるいはその合金粉を
用いても構わない。白金粉とロジウム粉の混合ペースト
を1200℃以上の高温で焼成を行えば完全に合金化す
る。ジルコニアグリーンシートの焼結には1300℃以
上の焼成が必要だからである。白金、ロジウムにさらに
ジルコニアを添加する手法は、材料粉を生成する時点で
例えばジルコン酸溶液をPt酸溶液(ロジウム溶液も同
様)に直接添加した系で材料粉を共沈析出させて得られ
る。ジルコニアにY23を同時添加し、それ自体にイオ
ン伝導性を付与したものも同様にして作製される。ジル
コニアの添加は電極の焼結組織を制御するためにも効果
的である。ジルコニアの添加量はジルコニアグリーンシ
ートの焼成収縮量や所望の電極組織に合わせて調整さ
れ、一般的には電極メタル成分に対して1〜20wt%の
添加がなされ、望ましくは5〜15wt%の添加量が電極
組織上好ましい。本発明での白金、ロジウム系電極をジ
ルコニアグリーンシートを積層焼結したセンサ基板内に
形成することは容易にしてまたNOX感度特性の向上に
非常に効果的である。例えば、Y23を8モル添加した
イオン伝導性の高いジルコニアシートをセンサ基板に用
いることが有効である。実際のセンサではジルコニアグ
リーンシート中のY23添加量は基板強度特性と長期安
定性の双方から決められる。即ち、長期安定性に問題の
ないよう結晶変態を起こさず、且つ強度の高いY23
成が望ましい。
In the screen printing method, the alloy electrode material composed of platinum and rhodium or the cermet electrode material composed of platinum, rhodium and zirconia is used in the present invention to convert the powder into an organic binder such as PVA and a solvent or dispersant. And a kneaded paste is used. Platinum and rhodium may use respective powders or an alloy powder thereof. If the mixed paste of platinum powder and rhodium powder is fired at a high temperature of 1200 ° C. or more, the alloy is completely alloyed. This is because sintering of the zirconia green sheet requires firing at 1300 ° C. or higher. A method of further adding zirconia to platinum and rhodium is obtained by co-precipitating a material powder in a system in which a zirconic acid solution is directly added to a Pt acid solution (similarly for a rhodium solution) at the time of generating the material powder. Zirconia is simultaneously produced by adding Y 2 O 3 and imparting ionic conductivity to itself. Addition of zirconia is also effective for controlling the sintered structure of the electrode. The addition amount of zirconia is adjusted according to the firing shrinkage of the zirconia green sheet and the desired electrode structure. Generally, 1 to 20 wt% is added to the electrode metal component, preferably 5 to 15 wt%. The amount is preferred on the electrode structure. Platinum in the present invention is very effective in improving the is facilitated also NO X sensitivity characteristic that the rhodium electrodes are formed on the zirconia green sheet laminated sintered sensor substrate. For example, it is effective to use a highly ion-conductive zirconia sheet to which 8 mol of Y 2 O 3 is added as the sensor substrate. In an actual sensor, the addition amount of Y 2 O 3 in the zirconia green sheet is determined from both the substrate strength characteristics and the long-term stability. That is, a Y 2 O 3 composition which does not cause crystal transformation and has high strength so that there is no problem in long-term stability is desirable.

【0017】本発明での白金層とロジウム層の積層体か
らなる電極あるいは白金、あるいはこの電極にジルコニ
アを分散添加したサーメット電極材料はスクリーン印刷
法では、その材料粉をPVA等の有機結合剤とその溶剤
や分散剤等とで混練されたペーストを用いる。積層体の
電極を作製するにはまずPt膜を印刷あるいはスパッタ
リング等で形成する。その後、更にRh膜を印刷あるい
は蒸着法にて形成する。特にRhの蒸着膜の場合には極
めて薄い層を形成するため、膜厚の制御が必要である。
また、Rh層を形成する場合には、Rh層を酸化させる
ことにより更にNOX感度特性を改善することができ
る。Rhの酸化層を形成する方法としては、Rh層の印
刷後に大気中にて焼成を行う方法や、蒸着法によりRh
層を形成する場合にはその蒸着雰囲気中に酸素を微量添
加しても良い。Pt−Rh電極にさらに第三の貴金属を
添加することにより、さらに特性を改善することができ
る。例えば、Pt−RhにRu、Ir、Pd、Au、A
gを添加することにより、ガス応答性能が大幅に改善で
きる。これはPt−Rh電極のNOX活性を落とさずに
電極組織が微細になったためと考えられる。このこと
は、実質的に電極インピーダンスが更に低減されている
ことを示す。一方、イリジウムあるいはイリジウムとロ
ジウムとの合金あるいは混相電極にても大きなNOX
性を有することが分かった。特にイリジウム電極におい
ては、非常に微細な電極組織となり、ガス応答速度の速
い特性が得られる。これらは、前述のPt-Rh系電極
と同様にして作製される。すなわち、イリジウム粉を用
いたペーストをクリーンシート上に印刷形成し、焼成す
れば良い。またイリジウムとロジウムとの合金粉あるい
は混合粉をペースト化して同様に電極が作製される。但
し、この場合には一部Rh相が分離析出した混合相とな
る場合がある。これとは別に検知電極を白金とロジウム
酸化物との混相、あるいは、これにRu、Ir、Pd、
Ag、Ni、Crの少なくとも一つの酸化物を混在させ
たものを用いてもよい。測定雰囲気の酸素濃度は0.5
〜21vol%幅内にあればよい。従って、酸素濃度を0.
5〜21vol%に制御することになる。
In the present invention, an electrode comprising a laminate of a platinum layer and a rhodium layer, or platinum, or a cermet electrode material in which zirconia is dispersed and added to this electrode is used in a screen printing method to convert the material powder into an organic binder such as PVA. A paste kneaded with the solvent, dispersant and the like is used. First, a Pt film is formed by printing, sputtering, or the like in order to manufacture an electrode of a laminate. Thereafter, a Rh film is further formed by printing or vapor deposition. In particular, in the case of a Rh vapor-deposited film, an extremely thin layer is formed, so that the film thickness needs to be controlled.
In the case of forming the Rh layer can further improve the NO X sensitivity characteristic by oxidizing the Rh layer. As a method of forming an oxide layer of Rh, a method of baking in the air after printing the Rh layer, or a method of forming Rh by an evaporation method.
When a layer is formed, a slight amount of oxygen may be added to the deposition atmosphere. The characteristics can be further improved by further adding a third noble metal to the Pt-Rh electrode. For example, Ru, Ir, Pd, Au, A
By adding g, the gas response performance can be significantly improved. This electrode structure is considered to be because became fine without reducing the NO X activity of Pt-Rh electrode. This indicates that the electrode impedance is substantially further reduced. On the other hand, it was found to also have a large NO X activity in alloy or mixed phase electrode of iridium or iridium and rhodium. In particular, in the case of an iridium electrode, a very fine electrode structure is obtained, and characteristics with a high gas response speed are obtained. These are produced in the same manner as the above-mentioned Pt-Rh-based electrode. That is, a paste using iridium powder may be printed on a clean sheet and fired. Also, an electrode is similarly prepared by forming an alloy powder or a mixed powder of iridium and rhodium into a paste. However, in this case, a mixed phase in which the Rh phase is partially separated and precipitated may be formed. Separately, the sensing electrode is made of a mixed phase of platinum and rhodium oxide, or Ru, Ir, Pd,
A mixture of at least one oxide of Ag, Ni, and Cr may be used. The oxygen concentration in the measurement atmosphere is 0.5
It may be within the range of ~ 21 vol%. Therefore, the oxygen concentration is set to 0.
It will be controlled to 5 to 21 vol%.

【0018】以下に詳細な実施例を示しながら説明をす
る。 (実施例1)本発明の基本的な作製方法と特性 酸素イオン伝導体としてY23の8モル添加されたジル
コニアのグリーンシート1を用いて図1に示す構造のセ
ンササンプルを作製した。このグリーンシートはドクタ
ーブレード法により作製された厚みが0.3mmのもので
ある。このジルコニアグリーンシートを4mm×6mmのサ
ンプルサイズに切断して用いた。検知極2の材料として
PtとRhの合金粉末に所定量の有機結合剤、有機溶剤
を添加混練したペーストを作製した。Rhの添加量はP
tとRhの総量に対して5wt%とした。電極多孔度調整
のためこのペーストには更にジルコニアが添加されてい
る。参照極3には、前述のジルコニアシート1の表面に
検知極2と対をなすようにPtをペースト印刷したが、
検知極2と同様に電極組織調整のためジルコニアが分散
添加されている。この様に作製されたグリーン状態のサ
ンプルを1400℃で焼成を行い、電極2、3にPtリ
ード線4a、4bを取り付けたのち、NO及びNO2
ス感度の評価を行った。ガス感度評価は、電気炉中に石
英チューブを設置しその石英チューブ内にサンプルを挿
入するとともに、測定ガスを流しながら検知極2と参照
極3との間の電位差を測定した。測定ガスはN2ベース
にO2を4%、NOあるいはNO2を50ppm添加し、総
流量5L毎分で測定を行った。測定温度はセンササンプ
ル近傍に設けた熱伝対で電気炉の制御を行い、雰囲気温
度600℃で行った。図4にNO2とNOに対するセン
サ出力のNOX濃度依存性の結果を示す。この結果から
分かるようにNO2に対する感度は従来報告されている
NiCr24検知極に比べても同等以上の出力を示す。
またNOに対しても感度を有することが分かる。
A description will be given below with reference to a detailed embodiment. (Example 1) Basic manufacturing method and characteristics of the present invention A sensor sample having the structure shown in FIG. 1 was manufactured using a zirconia green sheet 1 to which 8 mol of Y 2 O 3 was added as an oxygen ion conductor. This green sheet has a thickness of 0.3 mm produced by a doctor blade method. This zirconia green sheet was cut into a sample size of 4 mm × 6 mm for use. A paste was prepared by adding and kneading a predetermined amount of an organic binder and an organic solvent to an alloy powder of Pt and Rh as a material of the detection electrode 2. The amount of Rh added is P
The content was 5 wt% based on the total amount of t and Rh. Zirconia is further added to this paste to adjust the electrode porosity. On the reference electrode 3, Pt was paste-printed on the surface of the zirconia sheet 1 so as to form a pair with the detection electrode 2.
As with the detection electrode 2, zirconia is dispersed and added for adjusting the electrode structure. The thus prepared green sample was fired at 1400 ° C., and after attaching the Pt lead wires 4a and 4b to the electrodes 2 and 3, the NO and NO 2 gas sensitivity was evaluated. In the gas sensitivity evaluation, a quartz tube was placed in an electric furnace, a sample was inserted into the quartz tube, and a potential difference between the detection electrode 2 and the reference electrode 3 was measured while flowing a measurement gas. As a measurement gas, 4% of O 2 and 50 ppm of NO or NO 2 were added to an N 2 base, and the measurement was performed at a total flow rate of 5 L / min. The measurement was performed at an ambient temperature of 600 ° C. by controlling the electric furnace with a thermocouple provided near the sensor sample. FIG. 4 shows the result of the NO x concentration dependence of the sensor output with respect to NO 2 and NO. As can be seen from the results, the sensitivity to NO 2 shows an output equal to or higher than that of the conventionally reported NiCr 2 O 4 detection electrode.
Further, it can be seen that it has sensitivity to NO.

【0019】(実施例2)実施例1と同様に作製された
センササンプルを、Rh組成比を変えて準備した。但
し、PtとRhの組成比調整はPt粉とRh粉の混合粉
を用いた。Rhの組成比はPtとRhの総量に対して
0.1%、0.5%、1.0%、3.0%、5.0%、7.0
%、50%、100%とした。感度測定は実施例1と同
様の装置を用いて、雰囲気温度600℃、ガス総流量5
L毎分、NO:50ppmあるいはNO2:50ppmの感度
を評価した。結果を表1及び図5に示す。この結果から
Rh組成比で0.5%以上でNO2に対して大きな感度を
有することが分かる。一方、NOに対しては、0.5%
以上50%以下で感度を有することがわかる。
Example 2 A sensor sample manufactured in the same manner as in Example 1 was prepared by changing the Rh composition ratio. However, for adjusting the composition ratio of Pt and Rh, a mixed powder of Pt powder and Rh powder was used. The composition ratio of Rh is 0.1%, 0.5%, 1.0%, 3.0%, 5.0%, 7.0 with respect to the total amount of Pt and Rh.
%, 50%, and 100%. The sensitivity was measured using the same apparatus as in Example 1, the ambient temperature was 600 ° C., and the total gas flow rate was 5
The sensitivity of NO: 50 ppm or NO 2 : 50 ppm was evaluated every L minutes. The results are shown in Table 1 and FIG. From this result, it can be seen that when the Rh composition ratio is 0.5% or more, large sensitivity to NO 2 is obtained. On the other hand, for NO, 0.5%
It turns out that it has sensitivity in more than 50%.

【0020】[0020]

【表1】 [Table 1]

【0021】(実施例3)実施例1とほぼ同様にサンプ
ルを作製したが、本実施例ではジルコニアグリーンシー
ト上に電極印刷を行った後、図7と図8に示すセンサ構
造に組み立てた。向かい合う酸素ポンプ用ジルコニア固
体電解質の基板6とNOXセンサ及び酸素センサ用ジル
コニア固体電解質の基板7との間に、測定用のガス第1
の導入口12とこれとは離間対向した第2の導入口13
とを有するスペーサ19を介在させ、第1缶室14と第
2缶室15とを作る。基板6は酸素ポンプ電極9a、9
bを第1缶室14側であってその表裏に有し、基板7は
NOXセンサ検知電極10aとその対極のNOX対極10
b、及び酸素センサ検知電極11aとその対極の酸素セ
ンサ対極11bをその表裏に有す。一方、酸素電極9b
を第1缶室14内に露呈させ、NOXセンサ検知電極1
0aと酸素センサ検知電極11aを第2缶室15内に露
呈させる。尚、図8の例では酸素センサ検知電極11a
と酸素センサ対極11bとをともに第2缶室15内に露
呈させているが、図8の例はこの点を除いて同じ構成で
ある。基板6にスペーサ20を介して対向させたNOX
センサ及び酸素センサ用基準雰囲気ダクト隔壁体8bを
配し、酸素ポンプ用酸素導入ダクト17を作り、又、基
板7にスペーサ21を介して対向させた酸素ポンプ用酸
素導入ダクト隔壁体8aを配し、NOXセンサ及び酸素
センサ用基準雰囲気ダクト16を作る。両ダクト16、
17は基準雰囲気(大気)18に通じる。NOXセンサ
検知電極10aとNOX対極との間の電位差V1、酸素ポ
ンプ電極9a、9b及び酸素センサ検知電極11aとそ
の対極11bとの間の電位差V2が測定される。
Example 3 A sample was prepared in substantially the same manner as in Example 1, but in this example, electrodes were printed on a zirconia green sheet and then assembled into a sensor structure shown in FIGS. 7 and 8. Between the substrate 6 for oxygen pump zirconia solid electrolyte facing the NO X sensor and the substrate 7 of the oxygen sensor zirconia solid electrolyte, the gas for measurement first
Inlet 12 and a second inlet 13 facing away therefrom
The first can chamber 14 and the second can chamber 15 are formed with a spacer 19 having The substrate 6 has oxygen pump electrodes 9a, 9
The b a first bottom chamber 14 side has on its front and back, the substrate 7 is NO X sensor detection electrode 10a and the counter electrode NO X counter 10
b, and an oxygen sensor detection electrode 11a and an oxygen sensor counter electrode 11b as a counter electrode thereof are provided on the front and back sides. On the other hand, the oxygen electrode 9b
Was exposed to the first bottom chamber 14, NO X sensor detection electrode 1
0a and the oxygen sensor detection electrode 11a are exposed in the second can chamber 15. In the example of FIG. 8, the oxygen sensor detection electrode 11a
Both the oxygen sensor counter electrode 11b and the oxygen sensor counter electrode 11b are exposed in the second can chamber 15, but the example of FIG. 8 has the same configuration except for this point. NO X opposing the substrate 6 via the spacer 20
A reference atmosphere duct partition wall 8b for sensors and oxygen sensors is provided, an oxygen pump oxygen introduction duct 17 is formed, and an oxygen pump oxygen introduction duct partition body 8a opposed to the substrate 7 via a spacer 21 is provided. , making NO X sensor and the oxygen sensor reference atmosphere duct 16. Both ducts 16,
Reference numeral 17 denotes a reference atmosphere (atmosphere) 18. Potential V 1 of the between the NO X sensor detection electrode 10a and the NO X counter, the potential difference V 2 between the oxygen pump electrodes 9a, 9b and the oxygen sensor detection electrode 11a and its counter electrode 11b is measured.

【0022】図7と図8に示される本実施例のセンサ構
造において、缶室14に導入された排ガス中の酸素濃度
をポンプ電極9a、9bにより調整し、NOXの単ガス
化を行う。NOあるいはNO2に単ガス化されたNOX
連通する缶室15においてPt−Rh(5%)電極11
a、11bにより電位差として検出される。この際缶室
15の酸素濃度はポンプ電極11a、11bにより所定
の濃度域に設定されている。この缶室15に形成された
本発明電極10a、10bによりNOあるいはNO2
単一出力V1として検知される。ここでは、缶室15の
酸素濃度を4%から50%の濃度域に設定したときのN
2検知方式と、NO検知方式の場合での(NO:25pp
m)と(NO2:25ppm)との混合ガスでの総NOX出力特
性を評価した。図6に示す結果から分かるように本実施
例に示されるようなセンサ構造に本発明電極を併用する
ことにより排ガス中のNOX(NO及びNO2)は総NO
X濃度として検出されるばかりでなく、Pt−Rh検知
電極自体の持つ大きな酸素濃度依存性も除去され、安定
したNOX検知が行えることが分かる。即ち、NO2検知
方式では測定範囲中最も酸素濃度依存性が大きい酸素4
%近傍において、酸素濃度で±1%という粗い制御でも
NOX:50ppmの低濃度域感度で±2.5ppmの精度が確
保できる。一方、NO検知方式では酸素濃度が高い領域
で出力がほぼ飽和し、実質的に酸素が10%以上さえあ
れば問題ないことが分かる。
[0022] In the sensor structure of the present embodiment shown in FIGS. 7 and 8, by adjusting the oxygen concentration in the exhaust gas introduced into the can chamber 14 pumping electrode 9a, by 9b, performs single gasification of NO X. To NO or NO 2 single gasified NO X in the can chamber 15 communicating with Pt-Rh (5%) electrode 11
The potential difference is detected by a and 11b. At this time, the oxygen concentration in the can chamber 15 is set to a predetermined concentration range by the pump electrodes 11a and 11b. The can chamber present invention electrode 10a formed on 15, is detected as a single output V 1 of the NO or NO 2 by 10b. Here, the N concentration when the oxygen concentration in the can chamber 15 is set to a concentration range of 4% to 50%.
And O 2 detection method, in the case of NO detection method (NO: 25pp
m) and (NO 2 : 25 ppm) were evaluated for total NO X output characteristics. NO X in the exhaust gas by combination of the present invention the electrode on the sensor structure as shown in this embodiment as can be seen from the results shown in FIG. 6 (NO and NO 2) is the total NO
It can be seen that not only the X concentration is detected but also the large oxygen concentration dependency of the Pt-Rh detection electrode itself is removed, and stable NO X detection can be performed. That is, in the NO 2 detection method, the oxygen 4 having the largest oxygen concentration dependency in the measurement range.
% In the vicinity, even coarse control of ± 1% at an oxygen concentration NO X: low concentration range sensitivity ± 2.5 ppm accuracy 50ppm can be ensured. On the other hand, in the NO detection method, the output is almost saturated in a region where the oxygen concentration is high, and it can be seen that there is no problem if the oxygen is substantially 10% or more.

【0023】(実施例4)酸素イオン伝導体としてY2
3の8モル添加されたジルコニアのグリーンシートを
用いて図9に示す構造のセンササンプルを作製した。こ
のグリーンシートはドクターブレード法により作製され
た厚みが0.3mmのものである。このジルコニアグリー
ンシート25を4mm×6mmのサンプルサイズに切断して
用いた。検知極材としてのPtに対して、所定量の有機
結合剤(例えばPVA)を加え混練してPtペーストを
作製した。さらに、検知極材としてのRhに対して、所
定量の有機結合剤(例えばPVA)を加え混練してRh
ペーストを作成した。このグリーンシート上にまずPt
ペースト26をスクリーン印刷にて形成し、オーブンに
て乾燥した後、Rhペースト27を印刷形成した。参照
極28には、前述のジルコニアシート25の裏面に検知
極26、27と対をなすようにPtペーストを印刷し
た。この様に作製されたグリーン状態のサンプルを14
00℃で焼成を行い、電極にPtリード線を取り付けた
のち、NO及びNO2ガス感度の評価を行った。得られ
たサンプルのRh膜厚はおおよそ3μmで多孔質であっ
た。ガス感度評価は、電気炉中に石英チューブを設置し
その石英チューブ内にサンプルを挿入するとともに、測
定ガスを流しながら検知極26、27と参照極28との
間の電位差を測定した。測定ガスはN2ベースにO2を4
%とNOあるいはNO2を300ppm添加し、総流量5L
毎分で測定を行った。測定温度はセンササンプル近傍に
設けた熱伝対で電気炉の制御を行い、雰囲気温度600
℃で行った。表2にNO2とNOに対するセンサ出力の
結果を従来酸化物電極との比較と共に示す。この結果か
ら分かるようにNO2に対する感度は従来報告されてい
るNiCr24検知極に比べても同等以上の出力を示
す。またNOに対しても感度を有することが分かる。
尚、各ペーストにジルコニアを分散添加(10wt%)し
て検知電極を前述と同じ手法で作製したものも表2とほ
ぼ同じ結果を示した。
(Example 4) Y 2 as an oxygen ion conductor
A sensor sample having the structure shown in FIG. 9 was manufactured using a zirconia green sheet to which 8 mol of O 3 was added. This green sheet has a thickness of 0.3 mm produced by a doctor blade method. The zirconia green sheet 25 was cut into a sample size of 4 mm × 6 mm for use. A Pt paste was prepared by adding a predetermined amount of an organic binder (for example, PVA) to Pt as a detection electrode material and kneading the mixture. Further, a predetermined amount of an organic binder (for example, PVA) is added to Rh as the detection electrode material, and the mixture is kneaded to obtain Rh.
Paste created. Pt on this green sheet
The paste 26 was formed by screen printing, and after drying in an oven, the Rh paste 27 was formed by printing. On the reference electrode 28, a Pt paste was printed on the back surface of the zirconia sheet 25 so as to form a pair with the detection electrodes 26 and 27. The green sample prepared in this way was 14
After baking at 00 ° C. and attaching a Pt lead wire to the electrode, the NO and NO 2 gas sensitivity was evaluated. The Rh thickness of the obtained sample was approximately 3 μm and porous. For the gas sensitivity evaluation, a quartz tube was placed in an electric furnace, a sample was inserted into the quartz tube, and the potential difference between the detection electrodes 26 and 27 and the reference electrode 28 was measured while flowing a measurement gas. Measurement gas is O 2 4 on N 2 base
% And 300 ppm of NO or NO 2 and a total flow rate of 5 L
Measurements were taken every minute. The measurement temperature is controlled by an electric furnace using a thermocouple provided in the vicinity of the sensor sample.
C. was performed. Table 2 shows the results of sensor outputs for NO 2 and NO, along with comparisons with conventional oxide electrodes. As can be seen from the results, the sensitivity to NO 2 shows an output equal to or higher than that of the conventionally reported NiCr 2 O 4 detection electrode. Further, it can be seen that it has sensitivity to NO.
Incidentally, those obtained by dispersing and adding zirconia (10 wt%) to each paste and producing the detection electrodes in the same manner as described above also showed almost the same results as in Table 2.

【0024】[0024]

【表2】 [Table 2]

【0025】(実施例5)実施例4と同様にして作製さ
れたセンササンプルを準備した。但し、NOX検知極に
は参照極と同じPt電極が形成されている。このPt検
知極上にスパッタリング法にてRh蒸着を行った。蒸着
時間とRh膜厚の関係から外挿したRh膜厚と50ppm
NO感度および50ppmNO2感度との関係を図10に示
す。ここから分かるように、外挿膜厚10Å程度より感
度が増大し40Å近傍でほぼ感度の大きさは飽和する傾
向にある。このように、蒸着による極薄膜のRh層を設
けることによっても、非常に大きな感度が得られること
が分かる。
(Example 5) A sensor sample manufactured in the same manner as in Example 4 was prepared. However, the same Pt electrode and the reference electrode are formed in the NO X sensing electrode. Rh vapor deposition was performed on the Pt detection electrode by a sputtering method. Rh film thickness extrapolated from the relationship between deposition time and Rh film thickness and 50 ppm
FIG. 10 shows the relationship between the NO sensitivity and the 50 ppm NO 2 sensitivity. As can be seen, the sensitivity increases from the extrapolated film thickness of about 10 °, and the sensitivity tends to saturate at about 40 °. As described above, it can be seen that a very high sensitivity can be obtained also by providing an extremely thin Rh layer by vapor deposition.

【0026】(実施例6)実施例4とほぼ同様にサンプ
ルを作製したが、検知電極材料にPt−Rh−Xとし
て、X=Ru、Ir、Pd、Au、Agの貴金属をそれ
ぞれ1〜10wt%添加した。これらのサンプルを実施例
4と同様にしてNOX感度を測定した。それらの結果
を、表3に示す。いずれにおいてもNOX感度も充分大
きく、且つ電極インピーダンスを低減されていることが
分かる。
(Example 6) A sample was prepared in substantially the same manner as in Example 4, except that Pt-Rh-X was used as a detection electrode material, and that noble metals of X = Ru, Ir, Pd, Au, and Ag were each 1 to 10 wt%. % Was added. It was measured NO X sensitivity of these samples in the same manner as in Example 4. Table 3 shows the results. Also NO X sensitivity sufficiently large in any case, it can be seen that are and reduced electrode impedance.

【0027】[0027]

【表3】 [Table 3]

【0028】(実施例7)実施例4と同様にしてセンサ
サンプルを作製したのち、850℃での酸化処理を行っ
た。但し、本実施例では検知極にPt−Rh、およびP
t−Rh−Xにおいては、X=Ru、Pd、Ir、A
g、Ni、Crを用いた。結果を表4に示す。得られた
サンプルの検知極はRh酸化物と第三添加元素の酸化物
がX線回折あるいはXPSの表面分析により確認され
た。いずれにおいても、酸化処理を行うことにより、酸
化処理前に比べて大きく感度が改善されていることが分
かる。
(Example 7) A sensor sample was prepared in the same manner as in Example 4, and then subjected to an oxidation treatment at 850 ° C. However, in this embodiment, Pt-Rh and P
In t-Rh-X, X = Ru, Pd, Ir, A
g, Ni, and Cr were used. Table 4 shows the results. In the detection electrode of the obtained sample, the Rh oxide and the oxide of the third additional element were confirmed by X-ray diffraction or XPS surface analysis. In any case, it can be seen that the sensitivity is greatly improved by performing the oxidation treatment as compared to before the oxidation treatment.

【0029】[0029]

【表4】 [Table 4]

【0030】(実施例8)実施例4と同様にセンササン
プルを作製した。本実施例の検知極にはIr電極、およ
びIrとRhとの合金電極を用いた。これらの感度測定
結果を表5に示す。ここに示すように、充分大きなNO
X感度が得られ、かつガス応答性能が良好な特性が得ら
れることが分かる。
Example 8 A sensor sample was manufactured in the same manner as in Example 4. An Ir electrode and an alloy electrode of Ir and Rh were used as the detection electrode in this example. Table 5 shows the results of these sensitivity measurements. As shown here, a sufficiently large NO
It can be seen that X sensitivity is obtained and characteristics with good gas response performance are obtained.

【0031】[0031]

【表5】 [Table 5]

【0032】尚、図11に実施例4によるPt−Rh
(3wt%)検知電極を用いたNOXセンサ感度の酸素濃
度依存性を示す。図11から、酸素濃度が0.05〜2
1vol%の任意の幅を有する所定値に制御されるべきこ
とが分かる。0.05%以下ではガス応答速度が極端に
遅くなり好ましくない。又、缶室構造で排ガス中のH
C、COを酸化除去するに必要な濃度は、好ましくは、
0.5〜21vol%であり、センサ出力を考慮すれば、
より好ましくは0.5〜5vol%である。
FIG. 11 shows Pt-Rh according to the fourth embodiment.
(3 wt%) showing the oxygen concentration dependency of the NO X sensor sensitivity with detection electrodes. From FIG. 11, the oxygen concentration is 0.05-2.
It can be seen that it should be controlled to a predetermined value having an arbitrary width of 1 vol%. If it is less than 0.05%, the gas response speed becomes extremely slow, which is not preferable. In addition, H in exhaust gas is
The concentration required to oxidize and remove C and CO is preferably
0.5 to 21 vol%, considering the sensor output,
More preferably, it is 0.5 to 5 vol%.

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

【図1】図1は本発明の電極の基本素子構成例(同一面
配置)を示す正面図である。
FIG. 1 is a front view showing a basic element configuration example (same plane arrangement) of an electrode of the present invention.

【図2】図2は本発明の電極の基本素子構成例(表裏配
置)を示す正面図である。
FIG. 2 is a front view showing a basic element configuration example (front and back arrangement) of the electrode of the present invention.

【図3】図3は本発明の電極を用いた応用例を示す正面
図である。
FIG. 3 is a front view showing an application example using the electrode of the present invention.

【図4】図4は本発明のPt−Rh(5%)電極の素子
出力特性(NOX濃度依存性)を示すグラフ図であり、
EMFはElectromotive Forceを表す。
Figure 4 is a graph showing the element output characteristic of the Pt-Rh (5%) electrode of the present invention (NO X concentration dependent)
EMF stands for Electromotive Force.

【図5】図5は本発明の電極のNO、NO2感度のRh
組成依存性を示すグラフ図である。
FIG. 5 is a graph showing Rh and NO 2 sensitivity of the electrode of the present invention.
It is a graph which shows composition dependence.

【図6】図6は総NOXセンサ構造における制御酸素濃
度依存性を示すグラフ図である。
FIG. 6 is a graph showing the control oxygen concentration dependency in the total NO X sensor structure.

【図7】図7は本発明の電極が適用される総NOXセン
サ構造の一例を示す断面図である。
FIG. 7 is a sectional view showing an example of a total NO X sensor structure to which the electrode of the present invention is applied.

【図8】図8は本発明電極が適用される総NOXセンサ
構造の第二の例を示す断面図である。
FIG. 8 is a sectional view showing a second example of the total NO X sensor structure to which the electrode of the present invention is applied.

【図9】PtとRhとを積層したセンサの断面図であ
る。
FIG. 9 is a cross-sectional view of a sensor in which Pt and Rh are stacked.

【図10】Rh膜厚(Å)に対するセンサ出力を示す図
である。
FIG. 10 is a diagram showing a sensor output with respect to a Rh film thickness (Å).

【図11】酸素濃度に対するセンサ出力を示す図であ
る。
FIG. 11 is a diagram showing a sensor output with respect to an oxygen concentration.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ジルコニア固体電解質基板 2 検知極(本発明によるPt−Rh合金、サーメット
電極) 3 対極(参照極) 4a、4b リード線 5 隔離壁 6 酸素ポンプ用ジルコニア固体電解質 7 NOXセンサ及び酸素センサ用ジルコニア固体電解
質 8a 酸素ポンプ用酸素導入ダクト隔壁 8b NOXセンサ及び酸素センサ用基準雰囲気ダクト
隔壁 9a、9b 酸素ポンプ電極 10a NOXセンサ検知電極 10b NOX対極 11a 酸素センサ検知電極 11b 酸素センサ対極 12 測定ガス導入口(第一) 13 ガス導入口(第二) 14 第一缶室 15 第二缶室 16 NOXセンサ及び酸素センサ用基準雰囲気ダクト 17 酸素ポンプ用酸素導入ダクト 18 基準雰囲気(大気)
1 zirconia solid electrolyte substrate 2 sensing electrode (Pt-Rh alloy according to the present invention, the cermet electrode) 3 counter (reference electrode) 4a, 4b leads 5 partition wall 6 oxygen pump zirconia solid electrolyte 7 NO X sensor and zirconia oxygen sensor oxygen introducing solid electrolyte 8a oxygen pump duct partition wall 8b NO X sensor and the oxygen sensor reference atmosphere duct partition wall 9a, 9b oxygen pumping electrode 10a NO X sensor detection electrode 10b NO X counter 11a oxygen sensor detection electrode 11b oxygen sensor counter electrode 12 measurement gas inlet (first) 13 gas inlet (second) 14 first cans chamber 15 second cans chamber 16 NO X sensor and the reference atmosphere duct 17 oxygen pump oxygen inlet duct 18 standard atmosphere oxygen sensor (air)

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 酸素イオン導電体であるジルコニア固体
電解質基板上に設けられた検知電極と、該検知電極と対
をなす前記固体電解質基板上のNOXに不感な白金対極
あるいは白金参照極との間の電位差を測定する方式の窒
素酸化物ガスセンサであって、該センサのガス検知電極
に白金とロジウムからなる合金電極あるいは白金、ロジ
ウム合金とジルコニアからなるサーメット電極を用いた
ことを特徴とする窒素酸化物ガスセンサ。
A detection electrode provided on the zirconia solid electrolyte substrate is 1. A oxygen ion conductor, and the sensing electrode and the solid electrolyte insensitive platinum counter electrode, platinum reference electrode in the NO X on a substrate paired A nitrogen oxide gas sensor of a type for measuring a potential difference between the two, wherein an alloy electrode composed of platinum and rhodium or a cermet electrode composed of platinum, rhodium alloy and zirconia is used as a gas detection electrode of the sensor. Oxide gas sensor.
【請求項2】 白金とロジウムからなる合金電極あるい
は白金、ロジウム合金とジルコニアからなるサーメット
電極において、ロジウム量が白金とロジウムの総量に対
して少なくとも0.5wt%を含む検知電極を用いたこと
を特徴とする請求項1に記載の窒素酸化物ガスセンサ。
2. An alloy electrode comprising platinum and rhodium or a cermet electrode comprising platinum and rhodium alloy and zirconia, wherein a detection electrode having a rhodium content of at least 0.5 wt% with respect to the total amount of platinum and rhodium is used. The nitrogen oxide gas sensor according to claim 1, wherein:
【請求項3】 酸素イオン導電体であるジルコニア固体
電解質からなる対のセンサ基板内に設けられ且つ被検測
定ガスが導入される缶室が被検ガス雰囲気に通じるガス
流入口からのガスを受ける第一缶室、あるいは該第一缶
室とそれに連通する第二缶室とからなる構造のセンサで
あって、該第一缶室及び第二缶室に設けられた酸素排出
あるいは酸素汲込み電極と、第一缶室内あるいは第二缶
室内の酸素濃度を制御する手段と、該第一缶室内にてN
OあるいはNO2に変換されたNOXを検出する検知電極
と、該検知電極と同一缶室内に形成された白金対極ある
いは該検知電極が接するジルコニア固体電解質基板を挟
んで基準酸素濃度を維持するダクトに通ずるように形成
された白金対極とにより構成され、且つ当該検知電極が
白金とロジウムからなる合金電極あるいは白金、ロジウ
ム合金とジルコニアからなるサーメット電極により構成
された窒素酸化物ガスセンサ。
3. A can chamber, which is provided in a pair of sensor substrates made of a zirconia solid electrolyte which is an oxygen ion conductor, and into which a test gas is introduced, receives gas from a gas inlet communicating with a test gas atmosphere. A first can chamber, or a sensor having a structure including the first can chamber and a second can chamber communicating with the first can chamber, wherein an oxygen discharging or oxygen pumping electrode provided in the first can chamber and the second can chamber is provided. Means for controlling the oxygen concentration in the first or second chamber, and N in the first chamber.
A detection electrode for detecting an O or NO 2 on the converted NO X, a duct that maintains a reference oxygen concentration across the zirconia solid electrolyte substrate in which the sensing electrode and the platinum counter electrode or the detection electrode formed on the same cans chamber in contact A nitrogen oxide gas sensor constituted by a platinum counter electrode formed so as to pass through the above, and the detection electrode is constituted by an alloy electrode composed of platinum and rhodium or a cermet electrode composed of platinum, rhodium alloy and zirconia.
【請求項4】 該検知電極の形成されてある缶室内の酸
素濃度が検知電極における酸素とNOXに対する混成電
位からNOX電位差を生ずるように濃度制御された方式
を特徴とする請求項4に記載の窒素酸化物ガスセンサ。
4. A claim 4, wherein the concentration controlled manner so that the oxygen concentration in the can chamber that is formed in the sensing electrode produces NO X difference from the mixed potential of oxygen and NO X in the detection electrode The nitrogen oxide gas sensor as described in the above.
【請求項5】 酸素イオン導電体であるジルコニア固体
電解質上に設けられた検知電極と、該検知電極と対をな
す前記固体電解質上のNOXに活性を有しないPt参照
極との間の電位差を測定する方式の窒素酸化物ガスセン
サであって、該センサのガス検知電極が白金層上にロジ
ウム層が積層されてなる電極あるいは前記積層電極中に
ジルコニアを分散添加してなるサ−メット電極であり、
かつ測定雰囲気の酸素濃度が0.05〜21vol%の任意
の幅を有する所定値に制御されたことを特徴とする窒素
酸化物ガスセンサ。
The potential difference between the sensing electrode provided on the zirconia solid electrolyte is wherein oxygen ion conductor, and the sensing electrode and the solid Pt reference electrode having no active the NO X on the electrolyte paired The gas detection electrode of the sensor is an electrode in which a rhodium layer is laminated on a platinum layer or a cermet electrode in which zirconia is dispersed and added in the laminated electrode. Yes,
A nitrogen oxide gas sensor wherein the oxygen concentration in the measurement atmosphere is controlled to a predetermined value having an arbitrary width of 0.05 to 21 vol%.
【請求項6】 前記検知電極の、ロジウム層が蒸着層で
あることを特徴とする請求項5記載の窒素酸化物ガスセ
ンサ。
6. The nitrogen oxide gas sensor according to claim 5, wherein the rhodium layer of the detection electrode is a deposition layer.
【請求項7】 酸素イオン導電体であるジルコニア固体
電解質上に設けられた検知電極と、該検知電極と対をな
す前記固体電解質上のNOXに活性を有しないPt参照
極との間の電位差を測定する方式の窒素酸化物ガスセン
サであって、該センサのガス検知電極が白金とロジウム
からなる合金、あるいはこれに第3の金属元素を添加し
た合金からなり、該第3の金属元素がRu、Ir、P
d、Au、Agの少なくとも一種であり、かつ測定雰囲
気の酸素濃度が0.05〜21vol%の任意の幅を有する
所定値に制御されたことを特徴とする窒素酸化物ガスセ
ンサ。
The potential difference between the sensing electrode provided on the zirconia solid electrolyte 7. is an oxygen ion conductor, and the sensing electrode and the solid Pt reference electrode having no active the NO X on the electrolyte paired The gas detection electrode of the sensor is an alloy made of platinum and rhodium or an alloy obtained by adding a third metal element to the gas detection electrode, and the third metal element is made of Ru. , Ir, P
A nitrogen oxide gas sensor comprising at least one of d, Au, and Ag, and wherein the oxygen concentration in the measurement atmosphere is controlled to a predetermined value having an arbitrary width of 0.05 to 21 vol%.
【請求項8】 酸素イオン導電体であるジルコニア固体
電解質上に設けられた検知電極と、該検知電極と対をな
す前記固体電解質上のNOXに活性を有しないPt参照
極との間の電位差を測定する方式の窒素酸化物ガスセン
サであって、該センサのガス検知電極が白金とロジウム
酸化物との混相、あるいは白金とロジウム酸化物に第3
の金属元素の酸化物の少なくとも一つを混在させたもの
からなり、該第3の金属元素がRu、Ir、Pd、A
g、Ni、Crの何れかからなり、かつ測定雰囲気の酸
素濃度が0.05〜21vol%の任意の幅を有する所定値
に制御されたことを特徴とする窒素酸化物ガスセンサ。
The potential difference between the sensing electrode provided on the zirconia solid electrolyte 8. is an oxygen ion conductor, and the sensing electrode and the solid Pt reference electrode having no active the NO X on the electrolyte paired A nitrogen oxide gas sensor of the type wherein the gas detection electrode of the sensor is a mixed phase of platinum and rhodium oxide or a third phase of platinum and rhodium oxide.
Wherein at least one of the oxides of the metal elements is mixed, and the third metal element is Ru, Ir, Pd, A
A nitrogen oxide gas sensor comprising any one of g, Ni, and Cr, and wherein the oxygen concentration in the measurement atmosphere is controlled to a predetermined value having an arbitrary width of 0.05 to 21 vol%.
【請求項9】 当該検知電極中にジルコニアを分散添加
してなる請求項7または請求項8記載の窒素酸化物ガス
センサ。
9. The nitrogen oxide gas sensor according to claim 7, wherein zirconia is dispersed and added to the detection electrode.
【請求項10】 Rhあるいは第3の金属元素の添加量
は(Ph+第三元素)/(Pt+Rh+第三元素)比が
0.01〜0.5であることを特徴とする請求項7または
請求項8記載の窒素酸化物ガスセンサ。
10. The method according to claim 7, wherein the ratio of (Ph + third element) / (Pt + Rh + third element) is 0.01 to 0.5. Item 10. A nitrogen oxide gas sensor according to item 8.
【請求項11】 酸素イオン導電体であるジルコニア固
体電解質上に設けられた検知電極と、該検知電極と対を
なす前記固体電解質上のNOXに活性を有しないPt参
照極との間の電位差を測定する方式の窒素酸化物ガスセ
ンサであって、該センサのガス検知電極がイリジウムか
らなる電極、イリジウムとロジウムとの合金あるいは混
相からなる電極あるいは前記電極中にジルコニアを分散
添加してなるサ−メット電極であり、かつ測定雰囲気の
酸素濃度が0.05〜21vol%の任意の幅を有する所定
値に制御されたことを特徴とする窒素酸化物ガスセン
サ。
The potential difference between the 11. The sensing electrodes provided on the zirconia solid electrolyte on an oxygen-ion conductor, and the sensing electrode and the solid Pt reference electrode having no active the NO X on the electrolyte paired The gas detection electrode of the sensor is an electrode made of iridium, an electrode made of an alloy or a mixed phase of iridium and rhodium, or a sensor obtained by dispersing and adding zirconia in the electrode. A nitrogen oxide gas sensor, which is a met electrode and wherein the oxygen concentration in the measurement atmosphere is controlled to a predetermined value having an arbitrary width of 0.05 to 21 vol%.
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