WO2005003749A1

WO2005003749A1 - 酸化物半導体を使った酸素センサ

Info

Publication number: WO2005003749A1
Application number: PCT/JP2004/009447
Authority: WO
Inventors: Noriya Izu; Norimitsu Murayama; Woosuck Shin; Ichiro Matsubara
Original assignee: National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2005-01-13
Also published as: JP2005024513A; TW200508602A; JP4171803B2; TWI252915B

Abstract

　酸素分圧の対数に対する出力の関係が従来のものより広範囲の酸素分圧において、ほぼ直線である出力が得られる酸化物半導体を使った酸素センサを提供する。　酸化物半導体であるガス検出材料に直列に基準抵抗を接続した回路を複数個並列に接続した並列回路を有し、それに一定電圧を負荷したときの、複数個の基準抵抗の電位差の和又は平均あるいは複数個のガス検出材料の電位差の和又は平均をセンサ出力とする酸化物半導体を使った酸素センサ。　燃焼機関の燃焼最適化のための空燃比フィードバック制御システムに使われる酸素センサ装置を提供できる。

Description

明細書

酸化物半導体を使った酸素センサ

技術分野

[0001] 本発明は、雰囲気ガスの酸素分圧に応じて抵抗値が変化する酸化物半導体からなるガス検出部分を有している酸素センサに関するものであり、更に詳しくは、排ガスの浄ィ匕率向上や燃費向上のための、自動車等の排ガスの空燃比を制御するための空燃比フィードバック制御システムに使われる酸素分圧を測定する酸素センサに関するものである。ここで、空燃比とは空気と燃料の比であり、酸素分圧と空燃比とは 1 対 1の関係が成り立つ。本発明は、小型で構造が簡単な酸化物半導体を使った酸素センサの技術分野において、広範囲の酸素分圧で感度が良好な酸化物半導体を使つた酸素センサを提供すること、また、自動車等の排ガス浄化用触媒の劣化を検知するための自動車等の排ガス触媒劣化検知システムに使用される酸素センサを提供すること、更に、ボイラー等の燃焼効率最適化のための空燃比フィードバック制御システムに使われる酸素センサを提供すること、を可能にするものとして有用である。背景技術

[0002] 従来、一般に、自動車用の酸素ガスセンサとしては、例えば、先行技術文献に記載されているように、主として、固体電解質のものが用いられてきた (例えば、特許文献 1参照)。このタイプのセンサは、基準極と測定極の酸素分圧の違いを起電力として測定するものであり、必ず基準極が必要であるため、構造が複雑であり、小型化が困難であるという問題点があった。この問題点を克服するために、例えば、先行技術文献に記載されているような、基準極を必要としない抵抗型酸素ガスセンサが開発されている (特許文献 2参照)。この抵抗型酸素ガスセンサの測定原理を簡単に説明すると、まず、雰囲気の酸素分圧が変化したときに、酸化物半導体の酸素空孔濃度が変化する。酸化物半導体の抵抗率あるいは電気伝導度は、酸素空孔濃度と 1対 1の対応関係があり、酸素空孔濃度の変化に伴い、酸化物半導体の抵抗率が変化する。そこで、その抵抗率を測定することにより、雰囲気の酸素分圧を知ることができる。

[0003] 酸化物半導体を使った酸素センサの場合、出力を電圧とするには、ガス検出材料である酸化物半導体に直列に基準抵抗を接続し、それに一定電圧を負荷し、酸化物半導体あるいは基準抵抗における電位差を出力として用いる。ここで、基準抵抗とは一定の値を持つ抵抗を持つもの、あるいは、ガス検出材料の抵抗の温度依存性に類似し、酸素分圧依存性のない温度補償材料のことである。この回路図を図 1に示す。一定電圧を E、ガス検出部分である酸化物半導体の抵抗を R 、基準抵抗を R とす gl si ると、 R 、R は、次のように表記される。

gl si

R =r X exp (E /RT) X P¹ (1)

gl gl a,gl

R =r X exp (E /RT) (2)

sl sl a,sl

[0004] ここで、 r 、及び r は、それぞれガス検出材料、及び基準抵抗の固有の抵抗を示し gl sl

、 E 、及び E は、それぞれガス検出材料、及び基準抵抗の活性ィ匕エネルギーを a,gl a,sl

示す。 Pは酸素分圧、 nはガス検出材料固有の値であり、酸ィ匕セリウムでは約 6であ

1

る。基準抵抗が一定抵抗の場合、 E は 0である。ここで、ガス検出材料、基準抵抗 a，sl

での電位差をそれぞれ V 、v とすると、

gl sl

V =R

gl Z(R +R ) X E (3)

gl sl gl

V =R Z(R +R ) X E (4)

sl sl sl gl

となり、 V あるいは V がセンサ出力である。この出力が酸素分圧の対数とほぼ直線 gl sl

関係が得られるのは n =6の場合、せいぜい酸素分圧の 10桁ほどの範囲であり、そ

1

れより広範囲では、直線力も大きくずれる。したがって、酸素分圧の 10桁ほどの範囲以外では、このような回路をもつ酸ィヒ物半導体を使った酸素センサでは測定できないという問題点があった。

[0005] 特許文献 1：特開昭 55— 137334号公報

特許文献 2：特開昭 62- 174644号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、酸素分圧の対数に対する出力の関係が従来のものより広範囲の酸素分圧において、ほぼ直線である出力を得ることを目標として鋭意研究を重ねた結果、ガス検出材料に直列に基準抵抗を接続した回路を複数個並列に接続し、それに一定電圧を負荷し、複数個の基準抵抗の電位差の和あるいは複数個のガス検出材料の電位差の和をセンサ出力とすることにより所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

[0007] 本発明は、ガス検出材料に直列に基準抵抗を接続した回路を複数個並列に接続し、それに一定電圧を負荷し、複数個の基準抵抗の電位差の和あるいは複数個のガス検出材料の電位差の和をセンサ出力とすることにより、酸素分圧の対数に対する出力の関係が従来のものより広範囲の酸素分圧において、ほぼ直線である出力が得られる酸ィ匕物半導体を使った酸素センサを提供することを目的とするものである。更に、本発明は、燃焼機関の燃焼最適化のための空燃比フィードバック制御システムに使われる酸素センサ装置を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

[0008] 上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。

(1)酸ィ匕物半導体を使った酸素センサであって、

(a)ガス検出材料である酸ィ匕物半導体と基準抵抗とが直列に接続された回路を複数個並列に接続した並列回路を有する、

(b)上記並列回路に一定電圧を負荷したときの、複数個の基準抵抗の電位差の和又は平均、あるいは複数個のガス検出材料の電位差の和又は平均をセンサ出力とする、

ことを特徴とした酸化物半導体を使った酸素センサ。

(2)複数個の基準抵抗の電位差の和又は平均、あるいは複数個のガス検出材料の電位差の和又は平均を求めるための電圧加算回路を有する前記（1)記載の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサ。

(3)電圧加算回路の出力である電圧を測定するための回路を有する前記（2)記載の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサ。

(4)一定電圧を負荷するための定電圧電源を有する前記（1)カゝら (3)のヽずれかに記載の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサ。

(5)ヒータを有することを特徴とする前記（1)から (4)の、ずれかに記載の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサ。

(6)ガス検出材料である酸ィ匕物半導体が、酸化セリウム、酸化チタン、酸化ガリウムあるいは酸化スズ、又は、それらの酸化物を含む複合酸化物であることを特徴とする前記（1)から（5)の、ずれかに記載の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサ。

(7)基準抵抗が、抵抗値の温度依存性が酸化物半導体と類似し、かつ、抵抗値の酸素濃度依存性がな、温度補償材であることを特徴とする前記（ 1)から (6)の、ずれかに記載の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサ。

(8)温度補償材が、酸素イオン伝導体であることを特徴とする前記（7)記載の酸化物半導体を使った酸素センサ。

(9)酸ィ匕物半導体の形状が厚膜であることを特徴とする前記（1)から (8)の、ずれかに記載の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサ。

(10)前記（1)から（9)の、ずれかに記載の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサを構成要素として含むことを特徴とする酸素センサ装置。

(11)前記（1)から（9)の、ずれかに記載の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサを構成要素として含むことを特徴とする燃焼機関の空燃比を制御するための空燃比フィードバック制御システム。

(12)自動車等の排ガスの空燃比を制御する、前記（11)記載の空燃比フィードバック制御システム。

次に、本発明について更に詳細に説明する。

本発明は、ガス検出材料である酸ィ匕物半導体と基準抵抗が直列に接続された回路が複数個並列に接続された並列回路を有し、その並列回路に一定電圧を負荷したときの、複数個の基準抵抗の電位差の和又は平均、あるいは複数個のガス検出材料の電位差の和又は平均をセンサ出力としたことを特徴とする酸ィ匕物半導体を使った酸素センサである。ガス検出材料である酸ィ匕物半導体と基準抵抗が直列に接続された回路が複数個並列に接続され、その並列回路に一定電圧を負荷したときの、複数個の基準抵抗の電位差の和又は平均を出力とする酸化物半導体を使った酸素センサの回路を図 2に示す。図 2で、 R は n番目の基準抵抗を、 R は n番目のガス検出

sn gn

材料を示す。一定電圧 Eを負荷し、基準抵抗での電位差を Vとすると、

sn

V =R Z(R +Rgn) X E (5)

sn sn sn

と表すことができる。センサ出力を V とすると、 V は Vの和又は平均

output output sn [0010] [数 1]

[0011] である。また、 R での電位差を V とすると、 V は V の和又は平均の値

gn gn output gn

[0012] [数 2]

S^V 。r

[0013] を用いることも可能である。

[0014] 複数個の基準抵抗の電位差の和又は平均、あるいは複数個のガス検出材料の電位差の和又は平均を求めるための回路に制限はないが、例えば、図 3に示すような回路がある。この回路では、

[0015] [数 3] ， = ヌ (6)

[0016] となる。ここで、 R =R (k= l, 2, · · · · , n)ならば、電位差の和が得られ、 R =nR

f mk mk f

(k= l, 2, · · · · , n)ならば、電位差の平均が得られる。図 3の右側のオペアンプは接地から見て正の出力にするためのものであり、出力が接地から見て負の電圧でも可能であれば省略できる。図 3に示す回路は電圧加算アンプの原理的なものであり、現実の回路はもう少し複雑である。

[0017] ガス検出材料は測定した、雰囲気に保持しなければならな、が、基準抵抗は測定したい雰囲気に保持する必要はない。例えば、自動車のエンジン力の排ガスの酸素分圧を調べる場合、ガス検出材料は、排ガス中に保持しなければならないが、基準抵抗は、排ガス中あるいは排ガスの外のどちらでもよい。ただし、基準抵抗が温度補償材料の場合、ガス検出材料のすぐ近くにそれがあれば精度がよくなるので、排ガス中に保持したほうが良い。ガス検出材料の酸ィ匕物半導体としては、好適には、例えば、酸ィ匕セリウム、酸化チタン、酸ィ匕ガリウムなどが列挙できるが、これらに限定されない。また、基準抵抗としては、固定の抵抗値を有する抵抗でも可能であるし、温度補償材料でも可能である。温度補償材料としては、例えば、イオン伝導体、ガラスシールされた酸ィ匕物半導体などが挙げられるが、これらに限定されない。また、ガス検出材料の形態は、バルタ体、厚膜、薄膜など種々の形態が可能であるが、厚膜、薄膜の場合、基板が必要となる。基板材料としては、絶縁体である酸ィ匕アルミニウム、酸化マグネシウム、石英などが例示される力これらに制限されるものではない。

[0018] 基準抵抗についても、形態を限定しない。基準抵抗が固定の抵抗値を有するものの場合、ガス検出材料に隣接して設置する必要がなぐ設置場所は任意である。基準抵抗が温度補償材料の場合、ガス検出材料と隣接して温度補償材料を設けることが好ましい。

ガス検出材料や温度補償材料には電極材料を使用することがあるが、電極材料としては、 Pt、 Au、 Pdなどの貴金属及び導電性酸ィ匕物などが挙げられる。センサの作製方法は任意である。

ヒータ付の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサの場合、例えば、基板にセラミックヒータ、シリコンマイクロヒータなどを取り付ける。ただし、ヒータの取り付け位置、ヒータの形状、ヒータの特性については、特に限定するものではない。

[0019] 本発明の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサは、表示部を備えた酸素センサ装置に用いることが可能である。この装置は、本発明の酸化物半導体を使った酸素センサと、出力である V

outputを酸素分圧に変換する回路と、その酸素分圧を表示する表示部とを基本的構成要素として任意に設計することが可能である。

本発明に係る自動車用空燃比フィードバック制御システムは、例えば、本発明の酸化物半導体を使った酸素センサと、エンジンに流入する空気の流量を測定する流量計と、エンジンに燃料を入れる燃料噴射器と、酸素センサや流量計からの信号を受け取り、計算を行い、燃料噴射器の燃料噴射量を制御するコントロール回路とを基本的構成要素として含むものが例示されるが、これらに制限されない。

[0020] また、本発明に係る燃焼機関の燃焼効率最適化のための空燃比フィードバック制御システムは、例えば、本発明の酸化物半導体を使った酸素センサと、燃焼機関に流入する空気の流量を測定する流量計と、燃焼機関内に入れる燃料を制御する燃料制御器と、酸素センサや流量計力の信号を受け取り、計算を行い、燃料制御器に出力信号を送る電子制御ユニットとを基本的構成要素として含むものが例示される力これらに制限されない。

更に、本発明に係る自動車排ガス触媒劣化検知システムは、本発明の酸化物半導体を使った酸素センサと、酸素センサ力の信号を読み取り計算し触媒が劣化した力どうかを判断する電子制御ユニットと、電子制御ユニットからの信号を受けとり、触媒が劣化したかどうかを示す表示部とを基本的構成要素として含むものが例示される力これらに制限されない。

[0021] 従来技術での酸素分圧と出力電圧の関係を計算により求め、図 4に示す。回路図は図 1と同じである。また、センサは一定温度に保たれているとする。この場合、式（1 )での (E ZRT)の項は考えなくてよ!ヽ。従って、ガス検出材料の抵抗を

a,gl

R =r XP^{1 nl} (7)

gl gl

とし、 P:酸素分圧 (atm)、r =1(ΜΩ)、η =6とした。また、基準抵抗を R =2(k gl 1 si

Ω)とし、

V =R Z(R +R ) XE (8)

si si si gl

より、出力を求めた。ここで、 E=10(V)とした。図 4から明らかのように、 log(P/atm )が—11から 21までは、ほぼ直線が得られた力それ以外の範囲では、この直線から多きくずれ、しかも傾きが小さくなつた。

[0022] 次に、本発明での計算例を図 5に示す。回路図は図 2に示す場合であり、ここで、ガス検出材料を 2つ用いた。抵抗値は

R =r XP^{1 nl} (9)

gl gl

R =r XP^{1 n2} (10)

g2 g2

とし、 P:酸素分圧 (atm)、r =r =1(ΜΩ)、η =n =6とした。また、基準抵抗を gl g2 1 2

それぞれ R =2(kQ), R =200&Ω)とし、 V =R / (R +R ) XE

sl s2 si si si gl

(11)

V =R Z(R +R ) XE (12)

s2 s2 s2 g2

V =(V +V )/2 (13)

output sl s2

より、出力を求めた。ここで、 E=10(V)とした。図 5から明らかなように、 log(P/atm )が 0から— 21までほぼ直線が得られ、広範囲で測定できることがわかる。もっと広範囲の酸素分圧を測定したい場合は、更にガス検出材料と基準抵抗を直列につないだ回路を図 2に示すように接続し、ガス検出材料と基準抵抗の抵抗値を最適化すれば、測定可能となる。以上の結果は、センサを一定温度に保持した場合である。

[0023] 次に、センサを一定温度でなぐ温度が変動する雰囲気で使用した場合を考える。

ガス検出材料の抵抗 R と R の活性ィ匕エネルギーを E と E とすると、

gl g2 a,gl a,g2

R =r X exp (E /RT) X P^{1 nl} (14)

gl gl a,gl

R =r X exp (E /RT) X P^1/n2 (15)

g2 g2 a,g2

となる。ここで、基準抵抗 R と Rも、それぞれ Rや R と同じ活性化エネルギーを持

si s2 gl g2

つとすると、

R =r X (E /RT) (16)

sl si a,gl

R =r X (E /RT) (17)

s2 s2 a,g2

となる。したがって、 R 、R 、R 、Rを式（11)と（12)に代入して計算すると、

gl g2 sl s2

V =r Z(r +r X P^1/nl) X E (18)

sl sl sl gl

V =r / (r +r X P^1/n2) X E (19)

s2 s2 s2 g2

となり、式（18)及び（19)には温度の項が含まれない。つまり、 V及び V は温度依

sl s2

存性がないことになる。以上のように、基準抵抗がガス検出材料と同じ温度依存性であれば、センサの温度を一定に保たなくても出力は変動しな!、。

発明の効果

[0024] 本発明は、ガス検出材料に直列に基準抵抗を接続した回路を複数個並列に接続した並列回路を有し、それに一定電圧を負荷したときの、複数個の基準抵抗の電位差の和又は平均あるいは複数個のガス検出材料の電位差の和又は平均をセンサ出力とすることを特徴とする酸素センサに係るものであり、本発明により、 1)酸素分圧の対数に対する出力の関係が従来のものより広範囲の酸素分圧において、ほぼ直線である出力が得られる酸ィ匕物半導体を使った酸素センサが提供できる、 2)燃焼機関の燃焼最適化のための空燃比フィードバック制御システムに使われる酸素センサ装置を提供できる、 3) λ = 1近傍で出力のギャップがある、 4) λ > 1あるいはえく 1において、えの値を知ることができる、 5)小型で構造が簡単な酸素センサを提供できる、という格別の効果が奏される。

発明を実施するための最良の形態

[0025] 次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではな、。

実施例 1

[0026] 図 6に示すようなガス検出材料の厚膜を作製した。作製方法を以下に示す。まず、 Ptペーストをアルミナ基板上にスクリーン印刷法により印刷し、 1200°Cで lh焼成させ、電極を作製した。次に、酸ィ匕セリウムのペーストを電極上にスクリーン印刷法により印刷し、 500°Cで 5hの仮焼後、 1100°Cで 2hで焼成させ、センサ素子部を得た。このセンサ素子部の図 6の電極 A, B, Cがそれぞれ図 7の A, B, Cとなるように回路を作製した。素子部基準抵抗 R と R はそれぞれ 200k Ωと 2k Ωとした。また、一定電

sl s2

圧 Eは 10Vとした。ガス検出材料部分を 800°Cに加熱し、酸素分圧を 10—¹⁷から latm まで変化させ、 V と Vをそれぞれ求めた。その結果を図 8に示す。また、 V と Vの

sl s2 sl s2 平均も併せて示す。 V は、酸素分圧が 10—⁴から latmまでは、傾きが大きいが、 10"¹⁵

sl

atm以下では傾きがほとんどなかった。また、 Vでは逆に 10— ⁴から latmまで、傾き

s2

はほとんどなぐ 10— ¹⁵ atm以下では傾きが大き力つた。このことから、 V 、V単独で

sl s2 は酸素分圧の狭い範囲し力感度のいい部分はな力つた。一方、（V +V ) Z2は la

sl s2

tmから 10—¹⁷ atmまで傾きが大きぐかつ広範囲で直線関係が得られた。このことから、V と Vの加算あるいは平均した値を出力とする酸素センサは広範囲な酸素分圧 sl s2

を検出できることが確認できた。

実施例 2

[0027] 実施例 1と同条件で作製したガス検出材を 850°Cに加熱し、図 7の回路を用いて、実施例 1と同様にして測定した結果を図 9に示す。 R と R は実施例 1と同条件のそ

sl s2

れぞれ 200k Ωと 2k Ωである。図 9から明らかなように、温度を変えても広範囲な酸素分圧を検出できることが確認できた。

実施例 3

[0028] 実施例 1と同条件で作製したガス検出材料を 800°Cに加熱し、図 7の回路及び V と Vの電圧を平均するための電圧加算アンプを用いて、電圧加算アンプの出力をセ s2

ンサ出力 V として求めた。その結果を図 10に示す。図 10から明らかなように、広 output

範囲の酸素分圧でほぼ直線関係が得られた。このことから、本発明により、広範囲の酸素分圧で感度が良好な酸ィ匕物半導体を使った酸素センサを作ることが可能であることが示された。

実施例 4

[0029] メタンガスの燃焼反応から、空燃比 λと酸素分圧 Ρの関係を求めた。なお、 R =R gl g2

= 1ΧΡ^1/6(ΜΩ)が成り立つている場合とした。 R =200(kQ),R =2&Ω)とした sl s2

場合、式（11)、（12)、（13)を使って計算すると空燃比と酸素センサの出力は図 11 のようになる。この場合、 λ =1での出力の変化は大きいが、ぇ>1又はぇ<1の範囲では、 λに対するセンサの出力の依存性は小さい。しかし、 R =2(MQ),R =1 sl s2

00 (Ω)とした場合、 λ =1での出力の変化は少し小さくなるが、ぇ>1又はぇ<1の範囲では、 λに対するセンサの出力の依存性は大きくなる。このように、基準抵抗の大きさを最適化すれば、 λ >1又は λ < 1の範囲でもセンサの λに対する出力の依存性を大きくすることは可能であり、 λ >1又は λ<1の範囲において、えの値を求めることが可會となることがわカゝる。

産業上の利用可能性

[0030] 以上詳述したように、本発明は、ガス検出材料に直列に基準抵抗を接続した回路を複数個並列に接続した並列回路を有し、それに一定電圧を負荷したときの、複数個の基準抵抗の電位差の和又は平均あるいは複数個のガス検出材料の電位差の和又は平均をセンサ出力とすることを特徴とする酸素センサに係るものであり、本発明により、 1)酸素分圧の対数に対する出力の関係が従来のものより広範囲の酸素分圧において、ほぼ直線である出力が得られる酸ィ匕物半導体を使った酸素センサが提供できる、 2)燃焼機関の燃焼最適化のための空燃比フィードバック制御システムに使われる酸素センサ装置を提供できる、 3) λ =1近傍で出力のギャップがある、 4) λ >1あるいはえく 1において、えの値を知ることができる、 5)小型で構造が簡単な酸素センサを提供できる。

図面の簡単な説明 [図 1]従来技術による酸ィ匕物半導体を使った酸素センサの回路図である。

[図 2]本発明における、酸素センサの回路図であり、ガス検出材料である酸化物半導体と基準抵抗が直列に接続された回路が複数個並列に接続され、その並列回路に一定電圧を負荷したときの、複数個の基準抵抗の電位差の和又は平均を出力とする酸ィ匕物半導体を使った酸素センサの回路である。

[図 3]複数個の基準抵抗の電位差の和又は平均、あるいは複数個のガス検出材料の電位差の和又は平均を求めるための回路の一例である。

[図 4]従来技術による酸素分圧と出力電圧の関係を計算により求めた結果である。図 1に示す回路図において、 r =1(ΜΩ)、η =6、R =2&Ω)、 E=10(V)ととし、 gl 1 si

式（8)より Vを求めた。

si

[図 5]本発明での酸素分圧と出力電圧の関係を計算により求めた結果である。図 2に示す回路図においてガス検出材料を 2つ用いて、 P: 酸素分圧 (atm)、r =r =1 gl g2

(ΜΩ)、η =n =6、R =2(kQ),R =200(kQ)、 E=10(V)として、式（11), (

1 2 si s2

12), (13)を用いて V を求めた。

output

[図 6]ガス検出材料の配置の一例である。 A、 B、 Cは電極であり、図 7の A、 B、 Cとそれぞれ対応する。 1:基板、 2:Pt電極、 3:ガス検出材料 (CeO )の厚膜である。

2

[図 7]実施例 1で用いた回路図を示す。 A、 B、 Cは電極であり、図 6の A、 B、 Cとそれぞれ対応する。

[図 8]ガス検出材料部分を 800°Cに加熱した場合の、抵抗 R 、R での電位差 V 、V sl s2 si 及び V と V の平均（V +V )Z2を示す。

s2 sl s2 sl s2

[図 9]ガス検出材料部分を 850°Cに加熱した場合の、抵抗 R 、R での電位差 V 、V sl s2 sl 及び V と V の平均（V +V )Z2を示す。

s2 sl s2 sl s2

[図 10]ガス検出材料を 800°Cに加熱し、図 7の回路及び V と V の電圧を平均するた sl s2

めの電圧加算アンプを用いて、電圧加算アンプの出力をセンサ出力 V として求め output た結果を示す。

[図 11]メタンガスの燃焼反応から、空燃比えと酸素分圧 Pの関係を求め、空燃比と酸素センサの出力の関係を計算した結果を示す。

Claims

請求の範囲 [1] 酸ィ匕物半導体を使った酸素センサであって、

(1)ガス検出材料である酸ィ匕物半導体と基準抵抗とが直列に接続された回路を複数個並列に接続した並列回路を有する、

(2)上記並列回路に一定電圧を負荷したときの、複数個の基準抵抗の電位差の和又は平均、あるいは複数個のガス検出材料の電位差の和又は平均をセンサ出力とする、

ことを特徴とした酸化物半導体を使った酸素センサ。

[2] 複数個の基準抵抗の電位差の和又は平均、あるいは複数個のガス検出材料の電位差の和又は平均を求めるための電圧加算回路を有する請求項 1記載の酸化物半導体を使った酸素センサ。

[3] 電圧加算回路の出力である電圧を測定するための回路を有する請求項 2記載の酸化物半導体を使った酸素センサ。

[4] 一定電圧を負荷するための定電圧電源を有する請求項 1から 3のいずれかに記載の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサ。

[5] ヒータを有することを特徴とする請求項 1から 4の、ずれかに記載の酸化物半導体を使った酸素センサ。

[6] ガス検出材料である酸ィ匕物半導体が、酸化セリウム、酸化チタン、酸化ガリウムあるいは酸化スズ、又は、それらの酸化物を含む複合酸化物であることを特徴とする請求項 1から 5のいずれかに記載の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサ。

[7] 基準抵抗が、抵抗値の温度依存性が酸化物半導体と類似し、かつ、抵抗値の酸素濃度依存性がな、温度補償材であることを特徴とする請求項 1から 6の、ずれかに記載の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサ。

[8] 温度補償材が、酸素イオン伝導体であることを特徴とする請求項 7記載の酸化物半導体を使った酸素センサ。

[9] 酸化物半導体の形状が厚膜であることを特徴とする請求項 1から 8のいずれかに記載の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサ。

[10] 請求項 1から 9の、ずれかに記載の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサを構成要素として含むことを特徴とする酸素センサ装置。

[11] 請求項 1から 9の、ずれかに記載の酸ィ匕物半導体を使った酸素センサを構成要素として含むことを特徴とする燃焼機関の空燃比を制御するための空燃比フィードバック制御システム。

[12] 自動車等の排ガスの空燃比を制御する、請求項 11記載の空燃比フィードバック制御システム。