JPS5849820B2 - oxygen gas sensor - Google Patents

oxygen gas sensor

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Publication number
JPS5849820B2
JPS5849820B2 JP53051169A JP5116978A JPS5849820B2 JP S5849820 B2 JPS5849820 B2 JP S5849820B2 JP 53051169 A JP53051169 A JP 53051169A JP 5116978 A JP5116978 A JP 5116978A JP S5849820 B2 JPS5849820 B2 JP S5849820B2
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JP
Japan
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oxide
gas sensor
component
oxygen gas
oxygen
Prior art date
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Expired
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JP53051169A
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Japanese (ja)
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JPS54143695A (en
Inventor
喜一郎 鎌田
博孝 山本
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TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
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Publication date
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、新規な酸素ガスセンサー、さらに詳しくいえ
ば高温において酸素濃度の変化に対し、電気抵抗が敏感
に応答する性質を有する磁器組成物を用いた酸素ガスセ
ンサーに関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a novel oxygen gas sensor, and more specifically, to an oxygen gas sensor using a porcelain composition whose electrical resistance responds sensitively to changes in oxygen concentration at high temperatures. It is something.

これまで、酸素濃度に対して特性が変化する電気抵抗材
料には、室温から400℃前後までのものとして半導体
化されたZ n 0 1S n 0 2 、V 20
sなどの酸化物や、LaNi03、L ico02、B
aFe120,gなどの複合酸化物が知られ、また10
00℃前後までの高温下で変化するものとして、安定化
ジルコニアのような固体電解質が知られている。
Until now, electrical resistance materials whose characteristics change with oxygen concentration include Z n 0 1S n 0 2 and V 20 , which have been made into semiconductors from room temperature to around 400°C.
Oxides such as s, LaNi03, Lico02, B
Complex oxides such as aFe120,g are known, and
Solid electrolytes such as stabilized zirconia are known as electrolytes that change at high temperatures up to around 00°C.

しかしながら、これらの電気抵抗材料のうち、半導体化
された酸化物や複合酸化物は、酸素濃度に対する抵抗値
変化が直線的なため鋭敏な応答を得ることが困難な上に
、材料自体の経年変化を伴い、測定誤差が大きくなるこ
とを免れないという欠点がある。
However, among these electrical resistance materials, semiconductor oxides and composite oxides have a linear resistance change with respect to oxygen concentration, making it difficult to obtain a sharp response. This has the disadvantage that measurement errors inevitably increase.

他方、安定化ジルコニアのような固体電解質は、高温下
で使用する間に電極劣化や材料戒分の一部揮散を生じた
り、また低酸素分圧領域で電子伝導の影響を受けやすい
等の理由で大きい測定誤差を生じるという欠点を有する
On the other hand, solid electrolytes such as stabilized zirconia are susceptible to electrode deterioration and partial volatilization of material components when used at high temperatures, and are susceptible to electron conduction in low oxygen partial pressure regions. This method has the disadvantage of causing large measurement errors.

したがって、この種の技術分野においては、酸素濃度に
対する抵抗値変化が非直線的で鋭敏な応答を与え、長期
間にわたって安定に特性を維持しうる酸素ガスセンサー
素子の出現が大いに要望されていた。
Therefore, in this type of technical field, there has been a great demand for an oxygen gas sensor element that can provide a nonlinear and sensitive response to changes in resistance value with respect to oxygen concentration and can stably maintain its characteristics over a long period of time.

本発明者らは、このような要望にこたえるべく鋭意研究
を重ねた結果、特定の金属酸化物とMoの酸化物との特
定範囲のモル比からなる基本的組成を有する磁器組成物
がその目的に適合しうろことを見出し、本発明をなすに
至った。
As a result of extensive research in order to meet these demands, the present inventors have discovered a ceramic composition having a basic composition consisting of a specific range of molar ratios of a specific metal oxide and an oxide of Mo. We have found scales that are compatible with this, and have come up with the present invention.

すなわち、本発明は、(4)Mg,Ca,Sr及びBa
の中から選ばれた金属の酸化物の少なくとも1種と、(
B)Moの酸化物又はその一部がCrの酸化物で置換さ
れたものとからなり、(4)と(B)のモル比が5:4
ないし5:9の範囲にある磁器組成物あるいはさらに(
C)Fe ,Mn ,Co ,Ni及びSiの中から選
ばれた金属の酸化物の少なくとも1種を(4)成分に基
づき10モル饅を越えない範囲で含有した磁器組成物を
、電気抵抗体として用い、その高温雰囲気下における電
気抵抗値の変化により酸素濃度を検知しうるようにした
ことを特徴とする酸素ガスセンサーを提供するものであ
る。
That is, the present invention provides (4) Mg, Ca, Sr and Ba.
At least one metal oxide selected from
B) consists of an oxide of Mo or a part of it is replaced with an oxide of Cr, and the molar ratio of (4) and (B) is 5:4
to 5:9 or even (
C) A ceramic composition containing at least one metal oxide selected from Fe, Mn, Co, Ni, and Si in an amount not exceeding 10 moles based on component (4) is used as an electrical resistor. The present invention provides an oxygen gas sensor characterized in that the oxygen concentration can be detected by the change in electrical resistance value under a high temperature atmosphere.

本発明においては、(4)成分としてMg , Ca
,Sr及びBaの中から選ばれた金属の酸化物の少なく
ともl種を、(B)成分としてMoの酸化物又はその一
部をCrの酸化物で置換したものを組み合わせて用いる
ことが必要であり、これ以外の組合せでは、電気抵抗特
性として非直線性を示す磁器組成物を得ることはできな
い。
In the present invention, Mg, Ca as the component (4)
, Sr, and Ba in combination with an oxide of Mo or a part thereof replaced with an oxide of Cr as the component (B). However, with any other combination, it is not possible to obtain a ceramic composition that exhibits nonlinearity in electrical resistance characteristics.

また、(4)成分と(B)成分のモル比は5:4ないし
5:9の範囲にあることが必要であり、これが前記の範
囲よりも小さい場合には化学的に不安定になるし、この
範囲よりも大きくなると非直線的特性が失われる。
In addition, the molar ratio of component (4) and component (B) must be in the range of 5:4 to 5:9; if this is smaller than the above range, it will become chemically unstable. , if it becomes larger than this range, non-linear characteristics will be lost.

さらに、(B)成分においてMoの酸化物の一部をCr
の酸化物で置換したものを用いる場合、Crの酸化物の
量はMoの酸化物の量の20モル多を越えない範囲にす
るのが好ましい。
Furthermore, in component (B), a part of the Mo oxide is replaced with Cr.
When using a substituted Cr oxide, it is preferable that the amount of Cr oxide does not exceed 20 moles more than the amount of Mo oxide.

この量が20モル饅よりも多くなると非直線的特性が十
分に発揮されなくなる。
If this amount exceeds 20 moles, the nonlinear characteristics will not be sufficiently exhibited.

本発明においては、前記した(4)成分と(B)成分か
らなる基本的組或に加えて、第三成分としてFe,Mn
,Co,Ni及びSiの中から選ばれた金属の酸化物の
少なくとも1種を、(4)成分に基づき10モル幅を越
えない範囲の量で含有させることにより、さらにその安
定性を向上させることができる。
In the present invention, in addition to the basic composition consisting of component (4) and component (B) described above, Fe and Mn are used as a third component.
, Co, Ni, and Si in an amount not exceeding 10 molar range based on component (4), further improving its stability. be able to.

この量が前記の範囲よりも多くなると、安定性が、かえ
って低下する傾向があるので好ましくない。
If this amount exceeds the above range, the stability tends to decrease, which is not preferable.

本発明で用いる磁器組成物は、例えば(4)成分及び(
B)成分あるいは焼成によりこれらの成分に変化しうる
物質例えば相当する金属の炭酸塩に、所望に応じ第三成
分の粉末をそれぞれ十分に乾燥したのち、所定モル比で
混合し、約1200℃で仮焼し、次いで電極となる金属
線2本を埋め込み成形後約1300℃で焼結することに
よって製造することができる。
The porcelain composition used in the present invention includes, for example, component (4) and (
B) Components or substances that can be converted into these components by calcination, such as carbonates of the corresponding metals, and the powder of the third component, if desired, are thoroughly dried and mixed in a predetermined molar ratio, and heated at about 1200°C. It can be manufactured by calcining, then embedding and molding two metal wires that will become electrodes, and then sintering at about 1300°C.

このようにして得られる磁器組成物は、一般式 (式中のAはMg,Ca,Sr及びBaの中から選ばれ
た金属の少なくとも1種、BはMo又はMoとCrの組
合せであり、x:yは5:4ないし1:2の間の比、Z
はA及びBの原子価を飽和させる酸素の原子数である) で表わされる複合酸化物から基本的に成り立っている。
The porcelain composition thus obtained has the general formula (where A is at least one metal selected from Mg, Ca, Sr, and Ba, and B is Mo or a combination of Mo and Cr; x:y is a ratio between 5:4 and 1:2, Z
is the number of oxygen atoms that saturates the valences of A and B).

この複合酸化物は、他の複合酸化物との間で、次の平衡
状態を保っている。
This composite oxide maintains the following equilibrium state with other composite oxides.

この系にギブス(Gibbs)の相律を適用すると、自
由度はlとなり、かりに温度を固定すると、常に平衡酸
素分圧が確定する。
When the Gibbs phase law is applied to this system, the degree of freedom becomes l, and when the temperature is fixed, the equilibrium oxygen partial pressure is always determined.

さらに、これに対して前記した範囲の第三成分を添加し
たものについても同様の結果が得られる。
Furthermore, similar results can be obtained by adding a third component within the above-mentioned range.

このように、本発明で用いる磁器組成物は、平衡酸素分
圧を境にして、電気比抵抗が非直線的に大きく急激に変
化するという特性を有する。
As described above, the ceramic composition used in the present invention has the characteristic that the electrical resistivity changes significantly and rapidly in a non-linear manner with the equilibrium oxygen partial pressure as the boundary.

すなわち、酸素分圧の高い範囲では少なくとも108o
hmα程度もしくはそれ以上の絶縁性を有する材料が、
平衡酸素分圧を境にしてそれ以下の酸素分圧域では1
0 ’ohm−α程度又はそれ以下の金属伝導を示すも
のに変化する。
That is, at least 108 o in a high oxygen partial pressure range.
A material with an insulating property of hmα level or higher is
In the oxygen partial pressure range below the equilibrium oxygen partial pressure, 1
The metal conductivity changes to about 0'ohm-α or less.

この平衡酸素分圧前後の電気比抵抗値の大きな差すなわ
ち非直線性を利用して、一定の酸素分圧を精度よく測定
することができる。
By utilizing this large difference in electrical resistivity values before and after the equilibrium oxygen partial pressure, that is, nonlinearity, it is possible to accurately measure a constant oxygen partial pressure.

この場合、前記の電気比抵抗値の差は、所望に応じ磁器
組成を変えることによりある程度調整することができる
In this case, the difference in electrical specific resistance values can be adjusted to some extent by changing the ceramic composition as desired.

本発明で用いる磁器組成物はいずれも、lOOO℃前後
の高温において非常に安定であり、長期間使用しても、
材料成分の一部が蒸発することがなく、また電極をその
材料の端部に直接埋め込んで焼成し、一体化して使用し
うるので、焼成後電極を焼付けて用いる固体電解質など
の場合のように電極劣化が起ることがないという利点を
有する。
All of the porcelain compositions used in the present invention are extremely stable at high temperatures of around 100°C, and even after long-term use,
A part of the material components do not evaporate, and the electrode can be directly embedded in the edge of the material and fired, and then used as an integrated product. This has the advantage that electrode deterioration does not occur.

したがって、lOOO℃前後の高温において長期間使用
するのに都合がよい材料である。
Therefore, it is a convenient material for long-term use at high temperatures of around 100°C.

本発明で用いる磁器組成物は、前記したように、材料自
体の経年変化もなく、また電極その他による影響が少な
く、酸素濃度に対しての電気比抵抗の非直線的な大きい
変化で無視しうる程度になるので、精度の良好な高温酸
素濃度センサー、経年変化のある酸化物や複合酸化物又
は固体電解質酸素センサーの酸素分圧補正用定点として
好適に使用しうる。
As mentioned above, in the ceramic composition used in the present invention, the material itself does not change over time, and the influence of electrodes and other factors is small, and the large non-linear change in electrical resistivity with respect to oxygen concentration can be ignored. Therefore, it can be suitably used as a fixed point for correcting the oxygen partial pressure of a highly accurate high-temperature oxygen concentration sensor, or an oxide, composite oxide, or solid electrolyte oxygen sensor that changes over time.

次に実施例により本発明をさらに詳細に説明する。Next, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples.

実施例 (4)成分の金属酸化物粉末と(B)成分の金属酸化物
粉末と、場合により加える第三成分の金属酸化物粉末を
、次表に示すモル比で混合し、バインダーとしてポリビ
ニルアルコール5重量φを加えて塊状とし、約1200
℃において30分間仮焼する。
Example Component (4) metal oxide powder, component (B) metal oxide powder, and optionally added third component metal oxide powder were mixed in the molar ratio shown in the following table, and polyvinyl alcohol was added as a binder. Add 5 weight φ to form a lump, about 1200
Calcinate for 30 minutes at ℃.

次にこの仮焼物を粉砕し、直径81ILN1長さ101
ItNの円柱状に成形し、その上面に電極として0.
8 mm径の白金線を埋め込み、約1300℃において
30分間焼結することにより各種の基本組成を有する電
気抵抗体を製造した。
Next, this calcined material is crushed, and the diameter is 81ILN1 and the length is 101mm.
It is molded into a cylindrical shape of ItN, and a 0.0.
Electric resistors having various basic compositions were manufactured by embedding platinum wires with a diameter of 8 mm and sintering them at about 1300° C. for 30 minutes.

このようにして得た電気抵抗体を1000’Cに30分
間保持し、常圧から酸素分圧を徐々に低下させ、この間
連続的に直流6■の電流を通じながら、その抵抗値の変
化を測定した。
The electrical resistor obtained in this way was held at 1000'C for 30 minutes, the oxygen partial pressure was gradually lowered from normal pressure, and during this period, a current of 6 cm DC was continuously passed through, and the change in resistance was measured. did.

そして、高抵抗値から低抵抗値へ非直線的に急変する際
の酸素分圧を求めた。
Then, the oxygen partial pressure when there is a sudden non-linear change from a high resistance value to a low resistance value was determined.

この操作を5回繰り返して、同一結果を示すことを確認
し、その値を次表に示す。
This operation was repeated five times to confirm that the same results were obtained, and the values are shown in the following table.

なお、1年間にわたってこの値の測定を反覆して行った
が、経年変化は認められなかった。
Although this value was repeatedly measured over a period of one year, no change over time was observed.

このことから、この電気抵抗体は酸素ガスセンサー素子
として好適に使用しうろことが分った。
From this, it was found that this electrical resistor could be suitably used as an oxygen gas sensor element.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 (A)Mg , Ca , S r及びBaの中
から選ばれた金属の酸化物の少なくとも1種と、(B)
Moの酸化物又はその一部がCrの酸化物で置換された
ものとからなり、(4)と(匂のモル比が5:4ないし
5:9の範囲にある磁器組或物を電気抵抗体として用い
、その高温雰囲気下における電気抵抗値の変化により酸
素濃度を検知しうるようにしたことを特徴とする酸素ガ
スセンサー。 2 (A)M g + C a t S r及びBa
の中から選ばれた金属の酸化物の少なくとも1種と、(
B)Moの酸化物又はその一部がCrの酸化物で置換さ
れたものと、(C)Fe ,Mn ,Co ,Ni及び
Siの中から選ばれた金属の酸化物の少なくとも1種と
からなり、(4)と(B)のモル比が5=4ないし5:
9の範囲、(C)が(4)戒分に基づき10モル係を越
えない範囲にある磁器組成物を電気抵抗体として用い、
その高温雰囲気下における電気抵抗値の変化により酸素
濃度を検知しうるようにしたことを特徴とする酸素ガス
センサー。
[Scope of Claims] 1 (A) at least one metal oxide selected from Mg, Ca, Sr, and Ba; and (B)
A porcelain assembly consisting of an oxide of Mo or a part of which is replaced with an oxide of Cr, in which the molar ratio of (4) and (odor) is in the range of 5:4 to 5:9, is 2 (A) M g + C at S r and Ba.
At least one metal oxide selected from
B) an oxide of Mo or a part thereof replaced with an oxide of Cr; and (C) at least one oxide of a metal selected from Fe, Mn, Co, Ni and Si. and the molar ratio of (4) and (B) is 5=4 to 5:
Using a porcelain composition as an electric resistor in which (C) does not exceed 10 molar range based on the precept (4),
An oxygen gas sensor characterized by being able to detect oxygen concentration based on changes in electrical resistance in a high-temperature atmosphere.
JP53051169A 1978-04-29 1978-04-29 oxygen gas sensor Expired JPS5849820B2 (en)

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JPS54143695A JPS54143695A (en) 1979-11-09
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS50109795A (en) * 1974-02-04 1975-08-29
JPS50144391A (en) * 1974-05-10 1975-11-20

Patent Citations (2)

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