JPS6239383B2 - - Google Patents

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JPS6239383B2
JPS6239383B2 JP12298879A JP12298879A JPS6239383B2 JP S6239383 B2 JPS6239383 B2 JP S6239383B2 JP 12298879 A JP12298879 A JP 12298879A JP 12298879 A JP12298879 A JP 12298879A JP S6239383 B2 JPS6239383 B2 JP S6239383B2
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JP
Japan
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resistance
gas
change
lacoo
sensor
Prior art date
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JP12298879A
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Japanese (ja)
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JPS5646452A (en
Inventor
Satoshi Sekido
Kozo Ariga
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高温度の燃焼ガス内または排気ガス内
の酸素ガス濃度を素子抵抗の変化として検出する
ガスセンサに関し、特に上記雰囲気ガス中の還元
性ガス成分による素子材料の劣化を防止するため
の材料の安定化を目的としてなされたものであ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a gas sensor that detects oxygen gas concentration in high-temperature combustion gas or exhaust gas as a change in element resistance. This was done for the purpose of stabilizing the material to prevent this.

一般に、多くのガスセンサは、金属酸化物がガ
ス雰囲気中における酸素分圧の変化にともない、
その抵抗値の変化することを利用するものであ
る。
Generally, in many gas sensors, metal oxides react with changes in oxygen partial pressure in a gas atmosphere.
This method takes advantage of the change in resistance value.

発明者らは、この種のセンサとしてペロブスカ
イト型の複合酸化物が有効であり、その中でも本
来電気抵抗の低いLaCoO3を、高温度下において
測定用外部回路を含めた抵抗の温度変化が非常に
少ないp型動作をする材料として、注目してき
た。また、この材料の持つ触媒作用が、燃焼排出
ガスの化学平衡をすみやかに得る上で有効に作用
していることも、その特長の一つである。
The inventors found that perovskite-type composite oxides are effective as this type of sensor, and among them, LaCoO 3 , which has an inherently low electrical resistance, has been found to be highly sensitive to temperature changes in resistance, including the external measurement circuit, at high temperatures. It has been attracting attention as a material with low p-type behavior. Another feature is that the catalytic action of this material is effective in quickly achieving chemical equilibrium in combustion exhaust gas.

しかし、基本材料としてのLaCoO3、またはそ
のLaの一部をアルカリ土類金属で置換した
La1-xSrxCoO3などは、高温度下における還元ガ
ス過剰雰囲気すなわち、いわゆるリツチバーン領
域に長時間おくと、還元されてLa2O3とCoとに分
解されることがわかつた。この反応はリーンバー
ンにもどすと可逆的に進行し、再度LaCoO3また
はLa1-xSrxCoO3が合成されることにより、非常
に大きな抵抗変化を示すガスセンサとしての応用
が考えられた。しかし、この可逆的な反応の際
に、2次的効果として、電極部での接触劣化によ
る接触抵抗の増加が生じた。この接触抵抗の増加
は、センサの焼成時にCo成分を含むガラス質を
基本材料に混合することにより大巾に改善され
た。一方、このように構成されたガスセンサのリ
ツチバーンにおける抵抗の時間的な変化は、たと
えば、第1図に示すように、2段階のプロセスで
変化することがわかつた。この場合、第1図の二
つの飽和点のうち、第1の飽和点以下の範囲で、
すなわち抵抗変化としては2桁程度の小さい変化
の範囲で使用することにより、上述の電極部の接
触劣化が全くみられなくなることを見出した。し
たがつて、第1飽和点以下で使用する場合、ガス
機器などの一般的な使用方法の場合には、支障な
く使えることがわかつた。
However, LaCoO 3 as the basic material or some of its La replaced by alkaline earth metals
It has been found that La 1-x Sr x CoO 3 and the like are reduced and decomposed into La 2 O 3 and Co when left in a reducing gas-excess atmosphere at high temperatures, that is, in the so-called rich burn region. This reaction progresses reversibly when returned to lean burn, and LaCoO 3 or La 1-x Sr x CoO 3 is synthesized again, making it possible to apply it as a gas sensor that exhibits a very large resistance change. However, during this reversible reaction, as a secondary effect, an increase in contact resistance occurred due to contact deterioration at the electrode portion. This increase in contact resistance was greatly improved by mixing glass containing a Co component into the basic material during firing of the sensor. On the other hand, it has been found that the resistance over time in the rich burn of the gas sensor configured as described above changes in a two-step process, as shown in FIG. 1, for example. In this case, in the range below the first saturation point of the two saturation points in Figure 1,
In other words, it has been found that by using the device in a range where the resistance change is as small as about two digits, the above-mentioned contact deterioration of the electrode portion is completely eliminated. Therefore, it has been found that when used below the first saturation point, it can be used without any problem when used in general usage methods such as gas appliances.

しかし、ガス機器などの使用においても、リツ
チバーン状態を長時間続けることもあり得ること
から、このような場合においても安定した性能を
発揮するセンサが望まれる。
However, even when using gas equipment, etc., the rich burn state may continue for a long period of time, so a sensor that exhibits stable performance even in such cases is desired.

本発明はこのような背景においてなされたもの
であり、長時間のリツチバーンの処理にも耐えら
れるよう、基本材料を改良したものである。
The present invention was made against this background, and is an improvement of the basic material so that it can withstand long-term rich burn treatment.

発明者らはペロブスカイト型複合酸化物として
はLaCoO3系以外に、Laを他のランタン系希土
類、またはそのLaの一部をアルカリ土類金属、
またはCoを他の遷移金属に置き換えた多くの系
について検討をした。その中の一つとして
LaMnO3についても検討した。
In addition to the LaCoO 3 system, the inventors have developed perovskite-type composite oxides using other lanthanum-based rare earth metals for La, or alkaline earth metals for a part of the La.
We also investigated many systems in which Co was replaced with other transition metals. as one of them
LaMnO 3 was also considered.

La2O3とMnO2を出発原料として合成された
LaMnO3は、単斜晶系のペロブスカイト型構造を
もち、格子定数が5.471Åである。このLaMnO3
のみを使用したセンサ素子はLaCoO3に比べ抵抗
が高く、また、リツチバーンとリーンバーンにお
ける抵抗変化が少なく、3倍程度の変化であつ
た。しかし、長時間リツチバーンに放置した場合
にも、LaCoO3のような電極の劣化がみられず、
非常に安定していた。X線分析によると、この安
定性は、LaMnO3がリツチバーンにおいても分解
せず、ペロブスカイト構造には変化がなく、格子
の膨張がみられる程度であることが原因と考えら
れる。
Synthesized using La 2 O 3 and MnO 2 as starting materials
LaMnO 3 has a monoclinic perovskite structure and a lattice constant of 5.471 Å. This LaMnO 3
The sensor element using only LaCoO 3 had higher resistance than LaCoO 3, and the resistance change during rich burn and lean burn was small, about 3 times as much. However, even when left in Rich Burn for a long time, the electrode does not deteriorate like LaCoO 3 .
It was very stable. According to X-ray analysis, this stability is thought to be due to the fact that LaMnO 3 does not decompose even in rich burn, the perovskite structure remains unchanged, and the lattice expansion is only observed.

発明者らはLaCoO3の低抵抗と大きな抵抗変
化、LaMnO3のリツチバーンでの安定性という両
者の特長をあわせ持つ材料についての検討を行な
つた。この方法はLaMn1-xCoxO3なる化学組成に
おいての一連の組成についての検討である。
The inventors investigated a material that combines the features of LaCoO 3 with its low resistance and large resistance change, and LaMnO 3 's stability under rich burn. This method examines a series of chemical compositions of LaMn 1-x Co x O 3 .

LaMn1-xCoxO3(o<x<1)は、La2O3
MnO2,Co2O3の原料とし、これらを所定組成の
割合で混合して1000℃で反応、合成させて得られ
るものであるが、化学組成の割合ではLa2O3が過
剰となることがX線分析によりわかつたので、各
組成ごとにLa2O3が過剰とならない範囲で各酸化
物を調製した。調製された酸化物を20時間乾式撹
拌したのち、1%の濃度のメチルセルロース水溶
液を加えてから、50メツシユの網でふるい造粒し
た。造粒した粉体をプレス型に入れ、350〜500
Kg/cm2の圧力で円板状に成型した。この円板状の
成型体をアルミナボート内で空気雰囲気中におい
て1000℃で5時間加熱して仮焼し、目的組成の複
合酸化物LaMn1-xCoxO3を合成した。円板状の
LaMn1-xCoxO3を機械的に破砕したのち、メチル
アルコールを用いた湿式にて微粉砕し、粒径0.2
μm以下の粉末とした。このような方法で9種類
の粉末を調製した。
LaMn 1-x Co x O 3 (o<x<1) is La 2 O 3 ,
It is obtained by mixing MnO 2 and Co 2 O 3 raw materials in a predetermined composition ratio and reacting and synthesizing them at 1000℃, but La 2 O 3 is excessive in the chemical composition ratio. was determined by X-ray analysis, so each oxide was prepared within a range in which La 2 O 3 was not excessive for each composition. After dry stirring the prepared oxide for 20 hours, a 1% aqueous methylcellulose solution was added, and the mixture was sieved and granulated using a 50-mesh screen. Put the granulated powder into a press mold and press 350 to 500
It was molded into a disk shape under a pressure of Kg/cm 2 . This disc-shaped molded body was calcined by heating at 1000° C. for 5 hours in an air atmosphere in an alumina boat to synthesize a composite oxide LaMn 1-x C x O 3 having the desired composition. disk-shaped
After mechanically crushing LaMn 1-x Co x O 3 , it was wet-pulverized using methyl alcohol to reduce the particle size to 0.2.
It was made into a powder of less than μm. Nine types of powders were prepared in this manner.

特性測定用の試料は次のようにして作製した。
粉末と上述のごときバインダーとを混合してスラ
リー状のものを作る。バインダーはポリビニルブ
チラール(PVB)、ジブチルフタレート(DBP)
の所定量をメチルアルコールに溶解したものを使
用した。混合割合はメチルアルコール40c.c.に対し
てPVB4.5g、DBP2.9gであつた。スラリーは平
均して粉末3gにバインダー1.5mlの割合で加え
よく撹拌して使用した。それからアルミナ板に径
0.2mm、長さ12mmの白金線を、2本づつが平行に
なるよう固定し、2本の白金線の一端部にスラリ
ーを塗布した。アルミナ板への白金の固定は、ア
ルミナ板にメチルセルローズ水溶液を塗り、その
上に白金線を平行にのせてから、この水溶液を乾
燥するという方法で行なつた。白金線にスラリー
を塗布したものを200℃で加熱乾燥したのち、水
を用いてアルミナ板から素子を外し、空気中にお
いて1100℃で3時間焼成して、測定用の素子とし
た。
Samples for measuring characteristics were prepared as follows.
A slurry is prepared by mixing the powder and the binder described above. Binder is polyvinyl butyral (PVB), dibutyl phthalate (DBP)
A predetermined amount of was dissolved in methyl alcohol was used. The mixing ratio was 40 c.c. of methyl alcohol, 4.5 g of PVB, and 2.9 g of DBP. The slurry was used by adding 1.5 ml of binder to 3 g of powder on average and stirring well. Then attach the diameter to the alumina plate.
Two platinum wires each having a length of 0.2 mm and a length of 12 mm were fixed so that they were parallel to each other, and slurry was applied to one end of the two platinum wires. Platinum was fixed on the alumina plate by applying a methyl cellulose aqueous solution to the alumina plate, placing a platinum wire in parallel thereon, and then drying the aqueous solution. After applying the slurry to a platinum wire and drying it by heating at 200°C, the element was removed from the alumina plate using water and fired in air at 1100°C for 3 hours to obtain an element for measurement.

室温での抵抗値の測定結果によれば、その抵抗
変化は、第2図に示すような単調な変化ではな
く、x=0.5でピークを示した。また、抵抗も多
くの場合温度変化を示すが、x=0.6以上の場合
には、600℃以上での温度変化は小さい。一方、
高温度(約850℃)での抵抗値の時間変化は、第
3図に示すように、x≦0.8では飽和点が一つで
あり、第1図のような傾向を示さなかつた。すな
わち、大きな素子劣化をともなう複数の飽和点を
もたないことがわかつた。また、応答性も著しく
改善される。これは明らかにMnを入れたことに
よる効果と考えられる。
According to the results of measuring the resistance value at room temperature, the resistance change was not a monotonous change as shown in FIG. 2, but showed a peak at x=0.5. Furthermore, resistance often shows temperature changes, but when x=0.6 or more, the temperature changes at 600°C or more are small. on the other hand,
As shown in FIG. 3, the change in resistance value over time at high temperature (approximately 850° C.) had one saturation point when x≦0.8, and did not show the trend shown in FIG. 1. In other words, it was found that there were no multiple saturation points that would cause significant device deterioration. Furthermore, responsiveness is also significantly improved. This is clearly considered to be the effect of adding Mn.

素子感度を示すリーンバーンとリツチバーンで
の抵抗値の比は、xの値の増加とともに増加し、
第4図のようになつた。
The ratio of resistance values in lean burn and rich burn, which indicates element sensitivity, increases as the value of x increases,
It looked like Figure 4.

以上の結果を要約すると、LaCoO3のCoの一部
をMnで置換すると、素子劣化にともなう第2の
抵抗増加と飽和特性がみられなくなり、応答性も
著しくよくなる。しかし、Mnの量が多くなると
抵抗が高くなり、温度変化も増大する。また、リ
ーンバーンからリツチバーンに移る際の抵抗変化
も減少する。したがつて、感度、応答性、寿命に
優れ、温度依存の少ないセンサを得るには、0.6
≦x≦0.8の範囲にとどめるのが望ましい。ま
た、ガス応答性のみでなく、温度低下においても
動作するセンサの設計においては、さらにxの値
の小さな素材を用いることが必要となつてくる。
一方、温度変化のない条件、たとえば素子を一定
温度で加熱しながら使用するセンサにおいては、
抵抗変化が小さくとも安定性のよいxの値の小さ
い素材の使用はやはり優れたガスセンサのために
必要となる。
To summarize the above results, when part of the Co in LaCoO 3 is replaced with Mn, the second resistance increase and saturation characteristics that accompany element deterioration are no longer observed, and the response is significantly improved. However, as the amount of Mn increases, the resistance increases and temperature changes also increase. Additionally, the change in resistance when moving from lean burn to rich burn is also reduced. Therefore, to obtain a sensor with excellent sensitivity, responsiveness, and lifetime, and less temperature dependence, 0.6
It is desirable to keep it within the range of ≦x≦0.8. Furthermore, in designing a sensor that operates not only with gas responsiveness but also with a decrease in temperature, it becomes necessary to use a material with an even smaller value of x.
On the other hand, in a sensor that is used under conditions where there is no temperature change, for example, the element is heated at a constant temperature,
The use of a material with a small value of x, which has good stability even if the resistance change is small, is still necessary for an excellent gas sensor.

以上から明らかなように、ガスセンサ用の素材
としてのLaCoO3のCoの一部をMnに置換するこ
とにより得られるLaMn1-xCoxO3なる一連の複合
酸化物を用いることにより、感度、応答性、温度
依存性、抵抗値において種々目的に応じた数多く
のセンサの設計が可能となり、しかも高温度下で
の安定性が大きく向上した。
As is clear from the above, sensitivity , sensitivity , and It has become possible to design a large number of sensors for various purposes in terms of response, temperature dependence, and resistance value, and the stability under high temperatures has also been greatly improved.

なお、本発明において、Mnの置換により応答
性の向上することから、一連の素材においては、
触媒作用においても特性の向上が期待されるもの
であり、自動車などの排気ガス処理用の三元触媒
などにも応用することができる。
In addition, in the present invention, since responsiveness is improved by substituting Mn, in a series of materials,
It is also expected to improve properties in terms of catalytic action, and can be applied to three-way catalysts for treating exhaust gas from automobiles, etc.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はLaCoO3を用いたガスセンサの応答時
の抵抗の時間変化を示す図、第2図は本発明にか
かるガスセンサの組成との室温抵抗値との関係を
示す図、第3図はその応答特性の一例を示す図、
第4図はその組成と、リツチバーンからリーンバ
ーンへの移行による抵抗の変化比との関係を示す
図である。
Figure 1 is a diagram showing the time change in resistance during response of a gas sensor using LaCoO 3 , Figure 2 is a diagram showing the relationship between the composition of the gas sensor according to the present invention and the room temperature resistance value, and Figure 3 is the diagram. A diagram showing an example of response characteristics,
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the composition and the change ratio of resistance due to transition from rich burn to lean burn.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 LaCoO3を主体とする複合酸化物を基本材料
とした高温度の燃焼ガス中の酸素濃度を抵抗値変
化として検出するガスセンサにおいて、LaCoO3
のCoの一部をMnで置換したことを特徴とするガ
スセンサ。
1 In a gas sensor that detects the oxygen concentration in high-temperature combustion gas as a change in resistance value, the basic material is a composite oxide mainly composed of LaCoO 3 .
A gas sensor characterized in that part of Co is replaced with Mn.
JP12298879A 1979-04-04 1979-09-25 Gas sensor Granted JPS5646452A (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP12298879A JPS5646452A (en) 1979-09-25 1979-09-25 Gas sensor
US06/136,404 US4314996A (en) 1979-04-04 1980-04-01 Oxygen sensor
EP80301098A EP0017502B1 (en) 1979-04-04 1980-04-03 Oxygen sensor element
DE8080301098T DE3068416D1 (en) 1979-04-04 1980-04-03 Oxygen sensor element

Applications Claiming Priority (1)

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JP12298879A JPS5646452A (en) 1979-09-25 1979-09-25 Gas sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS5646452A JPS5646452A (en) 1981-04-27
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ID=14849504

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JPS5646452A (en) 1981-04-27

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