JP2005283285A - Oxygen concentration detection sensor - Google Patents
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- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
Description
本発明は、被測定ガス中の酸素濃度を測定する際に用いられる酸素濃度検出センサに関する。 The present invention relates to an oxygen concentration detection sensor used when measuring an oxygen concentration in a gas to be measured.
酸素センサ、NOxセンサ等、測定対象となるガス中の被検出成分を検出するためのガスセンサに使用されるガスセンサ素子として、固体電解質層を複数積層してなる積層型ガスセンサ素子が知られている。 As a gas sensor element used for a gas sensor for detecting a component to be detected in a gas to be measured, such as an oxygen sensor or a NOx sensor, a stacked gas sensor element formed by stacking a plurality of solid electrolyte layers is known.
このような積層型ガスセンサ素子は、主にその表裏に電極が形成された固体電解質板を備えるとともにヒータを備え、ヒータから発生する熱によりセンサ素子の温度を上昇させて所定の温度とし、その温度領域における濃淡電池の起電力に基づき、酸素濃度を測定することができるように構成されている。 Such a stacked gas sensor element mainly includes a solid electrolyte plate having electrodes formed on the front and back sides thereof and a heater, and the temperature of the sensor element is raised to a predetermined temperature by heat generated from the heater. The oxygen concentration can be measured based on the electromotive force of the concentration cell in the region.
このような積層型ガスセンサ素子に関する従来技術として、特許文献1、特許文献2等が挙げられる。
特許文献1には、発熱体を備えた積層型ガスセンサ素子の基本的構成が開示されており、特許文献2には、ヒータを埋設するセラミックからなる絶縁層の気孔率を5〜50%の範囲に設定することにより、従来より大きな電圧を負荷した場合にも、クラックの発生、抵抗発熱体の断線等を防止することができる積層型ガスセンサ素子が記載されている。
Patent Documents 1, 2 and the like are known as conventional techniques related to such a stacked gas sensor element.
Patent Document 1 discloses a basic configuration of a stacked gas sensor element including a heating element, and Patent Document 2 discloses a porosity of an insulating layer made of ceramic in which a heater is embedded in a range of 5 to 50%. Thus, there is described a multilayer gas sensor element capable of preventing the occurrence of cracks, disconnection of a resistance heating element, and the like even when a larger voltage is applied than before.
しかしながら、特許文献2に記載されているように、ヒータを埋設する絶縁層の気孔率を5〜50%の範囲に設定すると、絶縁体中に存在する気体の割合が大きくなるため、高温下においては、気体を介したリーク電流等が発生しやすくなり、ヒータ付近の絶縁を完全に保てないことがある。 However, as described in Patent Document 2, when the porosity of the insulating layer in which the heater is embedded is set in the range of 5 to 50%, the ratio of the gas present in the insulator increases, In this case, a leak current or the like is easily generated via gas, and insulation near the heater may not be completely maintained.
そこで、絶縁層の絶縁性を高くしてリーク電流の発生等を防止するために、気孔率を5%以下と緻密にした絶縁層を用いることが検討されている。 Therefore, in order to increase the insulating property of the insulating layer and prevent the occurrence of leakage current, etc., it has been studied to use an insulating layer with a porosity of 5% or less.
しかしながら、セラミックからなる絶縁層の緻密性を向上させると、絶縁層の剛性も大きくなってしまう。そのため、固体電解質を含むグリーンシート、ヒータとなるペースト層がアルミナ等の絶縁性粉末を含むシートに埋設されたグリーンシート等を積層して焼成すると、絶縁層、特にヒータが形成されている付近においてクラック等が発生し、信頼性が低下してしまうという問題があった。 However, if the denseness of the insulating layer made of ceramic is improved, the rigidity of the insulating layer also increases. Therefore, when a green sheet containing a solid electrolyte, a paste layer serving as a heater is laminated and fired, such as a green sheet embedded in a sheet containing an insulating powder such as alumina, the insulating layer, particularly in the vicinity where the heater is formed There was a problem that cracks and the like occurred and reliability was lowered.
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、ヒータの絶縁性が充分に保たれ、リーク電流等が発生せず、かつ、ヒータ付近にクラック等が発生せず、高い測定精度で酸素濃度を測定することができる、耐久性に優れた酸素濃度検出センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and the insulation of the heater is sufficiently maintained, no leakage current or the like occurs, cracks or the like do not occur in the vicinity of the heater, and high measurement accuracy is achieved. An object of the present invention is to provide an oxygen concentration detection sensor excellent in durability that can measure the oxygen concentration.
本発明の酸素濃度検出センサは、酸素を含有する被測定ガスを導入するためのガス導入用開口が形成された検査層、上記検査層上に形成され、酸素イオン伝導性を有する固体電解質板と上記固体電解質板の下面に形成された下面電極と上記固体電解質板の上面に形成された上面電極とから構成され、酸素ポンプ機能を有する酸素ポンプ層、及び、少なくともヒータと該ヒータが埋設された絶縁層とを含んで構成されたヒータ層を備えた酸素濃度検出センサであって、
上記ヒータ層を構成する絶縁層は、その気孔率が5%以下であり、
上記ヒータは、90重量部以上の金属と、10重量部以下のアルミナ、マグネシア及びスピネルからなる群から選ばれる少なくとも1種とから構成されていることを特徴とする。
An oxygen concentration detection sensor according to the present invention includes a test layer having a gas introduction opening for introducing a gas to be measured containing oxygen, a solid electrolyte plate formed on the test layer, and having oxygen ion conductivity. The lower surface electrode formed on the lower surface of the solid electrolyte plate and the upper surface electrode formed on the upper surface of the solid electrolyte plate, an oxygen pump layer having an oxygen pump function, and at least a heater and the heater are embedded An oxygen concentration detection sensor comprising a heater layer configured to include an insulating layer,
The insulating layer constituting the heater layer has a porosity of 5% or less,
The heater is composed of 90 parts by weight or more of metal and 10 parts by weight or less of at least one selected from the group consisting of alumina, magnesia and spinel.
本発明の酸素濃度検出センサにおいて、上記ヒータを構成する金属は、Pt又はPt−Auからなることが望ましい。
また、上記ヒータは、90重量部以上のPtと、10重量部以下のアルミナとからなり、上記アルミナの平均粒径は、上記Ptの平均粒径と同じか、それよりも小さいことが望ましい。
本発明の酸素濃度検出センサにおいて、上記ヒータと上記絶縁層との合計の厚さをA、絶縁層の厚さをBとすると、
上記ヒータと上記絶縁層とは、下記の(1)式の関係を満たすことが望ましい。
1.0<A/B≦1.2・・・(1)
In the oxygen concentration detection sensor of the present invention, the metal constituting the heater is preferably made of Pt or Pt—Au.
The heater is composed of 90 parts by weight or more of Pt and 10 parts by weight or less of alumina, and the average particle diameter of the alumina is preferably the same as or smaller than the average particle diameter of the Pt.
In the oxygen concentration detection sensor of the present invention, when the total thickness of the heater and the insulating layer is A, and the thickness of the insulating layer is B,
It is desirable that the heater and the insulating layer satisfy the relationship of the following formula (1).
1.0 <A / B ≦ 1.2 (1)
従来においては、酸素濃度検出センサを構成するヒータが金属のみで形成されていたので、酸素濃度検出センサ製造時の焼成過程で、ヒータは、該ヒータが埋設された絶縁層を構成するセラミックに比べてより低温領域で収縮(焼結)が開始され、セラミックの収縮(焼結)が開始される温度領域では、既に収縮が終了しており、収縮が終了したヒータの周囲で絶縁層が収縮するため、焼結後のヒータ層において、ヒータと絶縁層との間に大きな応力が発生し、これに起因して、絶縁層にクラックが発生したり、ヒータに断線が発生することがあった。 Conventionally, since the heater constituting the oxygen concentration detection sensor is formed only of metal, the heater is compared with the ceramic constituting the insulating layer in which the heater is embedded in the firing process at the time of manufacturing the oxygen concentration detection sensor. Then, shrinkage (sintering) starts in a lower temperature region, and in the temperature region where ceramic shrinkage (sintering) starts, the shrinkage has already finished, and the insulating layer shrinks around the heater where shrinkage has finished. Therefore, in the heater layer after sintering, a large stress is generated between the heater and the insulating layer, which may cause cracks in the insulating layer or breakage of the heater.
しかしながら、本発明の酸素濃度検出センサは、上記ヒータ層を構成する絶縁層の気孔率が5%以下であり、ヒータが90重量部以上の金属と、10重量部以下のアルミナ、マグネシア及びスピネルからなる群から選ばれる少なくとも1種とから構成されているので、ヒータの収縮(焼結)する温度領域が絶縁層が収縮(焼結)する温度領域と重なり、絶縁層の収縮時に絶縁層の収縮に応じてある程度の変形が可能である。そのため、焼結後のヒータ層において、ヒータと絶縁層との間に大きな応力は発生せず、絶縁層にクラックが発生したり、ヒータに断線が発生することはない。
また、絶縁層の気孔率が5%以下と比較的緻密で空気層の割合が少ないので、高温であっても、ヒータの絶縁性が充分に保たれ、リーク電流等が発生せず、高い測定精度で酸素濃度を測定することができる、耐久性に優れた酸素濃度検出センサとなる。
However, in the oxygen concentration detection sensor of the present invention, the porosity of the insulating layer constituting the heater layer is 5% or less, and the heater is made of 90 parts by weight or more of metal and 10 parts by weight or less of alumina, magnesia and spinel. Since the temperature region where the heater shrinks (sinters) overlaps with the temperature region where the insulating layer shrinks (sinters), the insulating layer shrinks when the insulating layer shrinks. A certain amount of deformation is possible depending on the case. Therefore, in the heater layer after sintering, no great stress is generated between the heater and the insulating layer, and no crack is generated in the insulating layer and no breakage occurs in the heater.
In addition, the porosity of the insulating layer is 5% or less and it is relatively dense and the proportion of the air layer is small. Therefore, even if the temperature is high, the insulation of the heater is sufficiently maintained, leak current does not occur, and high measurement is possible. It becomes an oxygen concentration detection sensor excellent in durability that can measure the oxygen concentration with high accuracy.
クラックの発生等の問題に関し、例えば、絶縁層の材料としてアルミナを用い、ヒータの材料としてPtを使用し、Ptにアルミナ等のセラミックを配合しない場合、温度上昇させると、Ptは、500℃前後から収縮が開始され、1100℃付近で収縮が完了する。その後、Ptの融点の1770℃付近まで温度上昇させても、殆ど収縮しない。
一方、アルミナは、1100℃で収縮が開始され、1390℃付近で収縮が完了する。
通常のペーストを用いた場合、Ptの収縮率は20%、アルミナの収縮率は19%で、両者の収縮率は余り変わらないが、アルミナが収縮を開始する温度付近ではPtの収縮は完了しており、逆に、Ptが収縮し始める温度領域では、アルミナが収縮しないのである。
しかしながら、Ptにアルミナが配合されたヒータを使用すると、配合されたアルミナが、収縮する温度領域を広げ、ヒータは、1100℃を超えた温度領域においても収縮が行なわれ、絶縁層やヒータにクラックが発生するのを抑制することができるのである。
Regarding problems such as the occurrence of cracks, for example, when alumina is used as the material of the insulating layer, Pt is used as the material of the heater, and ceramics such as alumina are not blended with Pt, when the temperature is increased, Pt is about 500 ° C. Shrinkage starts from 1 and the shrinkage is completed at around 1100 ° C. Thereafter, even if the temperature is raised to around 1770 ° C., which is the melting point of Pt, it hardly shrinks.
On the other hand, the shrinkage of alumina starts at 1100 ° C., and the shrinkage is completed around 1390 ° C.
When ordinary paste is used, the shrinkage rate of Pt is 20% and the shrinkage rate of alumina is 19%, and the shrinkage rate of both is not much different, but the shrinkage of Pt is completed near the temperature at which alumina starts shrinking. Conversely, alumina does not shrink in the temperature range where Pt begins to shrink.
However, when using a heater with Pt mixed with alumina, the mixed alumina expands the temperature range in which it shrinks, and the heater shrinks even in the temperature range above 1100 ° C, causing cracks in the insulating layer and the heater. Can be prevented from occurring.
本発明の酸素濃度検出センサは、酸素を含有する被測定ガスを導入するためのガス導入用開口が形成された検査層、上記検査層上に形成され、酸素イオン伝導性を有する固体電解質板と上記固体電解質板の下面に形成された下面電極と上記固体電解質板の上面に形成された上面電極とから構成され、酸素ポンプ機能を有する酸素ポンプ層、及び、少なくともヒータと該ヒータが埋設された絶縁層とを含んで構成されたヒータ層を備えた酸素濃度検出センサであって、
上記ヒータ層を構成する絶縁層は、その気孔率が5%以下であり、上記ヒータは、90重量部以上の金属と、10重量部以下のアルミナ、マグネシア及びスピネルからなる群から選ばれる少なくとも1種とから構成されていることを特徴とする。
An oxygen concentration detection sensor according to the present invention includes a test layer having a gas introduction opening for introducing a gas to be measured containing oxygen, a solid electrolyte plate formed on the test layer, and having oxygen ion conductivity. The lower surface electrode formed on the lower surface of the solid electrolyte plate and the upper surface electrode formed on the upper surface of the solid electrolyte plate, an oxygen pump layer having an oxygen pump function, and at least a heater and the heater are embedded An oxygen concentration detection sensor comprising a heater layer configured to include an insulating layer,
The insulating layer constituting the heater layer has a porosity of 5% or less, and the heater is at least one selected from the group consisting of 90 parts by weight of metal and 10 parts by weight of alumina, magnesia, and spinel. It is composed of seeds.
上記ヒータにおける金属とアルミナ、マグネシア及びスピネルからなる群から選ばれる少なくとも1種(以下、アルミナ等のセラミックという)の配合割合は、金属が90重量部以上、アルミナ等のセラミックが10重量部以下である。前記スピネルとは、アルミナとマグネシアを主成分とする複酸化物(Al2O3・MgO)であるものをいう。 The blending ratio of the metal and at least one selected from the group consisting of alumina, magnesia and spinel (hereinafter referred to as ceramic such as alumina) is 90 parts by weight or more for metal and 10 parts by weight or less for ceramic such as alumina. is there. The spinel is a double oxide (Al 2 O 3 .MgO) mainly composed of alumina and magnesia.
ヒータにおけるアルミナ等のセラミックの配合が10wt%を超えると、ヒータの収縮率が低下し、絶縁層を構成するセラミック材料との収縮差が大きくなるために、逆にクラックを誘発しやすくなる。 When the mixing ratio of ceramic such as alumina in the heater exceeds 10 wt%, the shrinkage ratio of the heater is reduced and the shrinkage difference from the ceramic material constituting the insulating layer is increased.
上記ヒータにおける金属とアルミナ等のセラミックの配合割合は、金属が95重量部以上、アルミナ等のセラミックが5重量部以下が望ましい。上記範囲にすることにより、収縮温度領域を拡大化することができるとともに、両者の収縮率をより近づけることができるからである。 The mixing ratio of the metal and ceramic such as alumina in the heater is desirably 95 parts by weight or more for metal and 5 parts by weight or less for ceramic such as alumina. This is because the shrinkage temperature region can be enlarged and the shrinkage rate of both can be made closer by setting the above range.
ヒータを構成する金属は、Pt又はPt−Auからなることが望ましい。融点が高く、収縮の開始温度をある程度高く保つことができるからである。 The metal constituting the heater is preferably made of Pt or Pt—Au. This is because the melting point is high and the shrinkage start temperature can be kept high to some extent.
上記ヒータは、90重量部以上のPtと、10重量部以下のアルミナとからなり、上記アルミナの平均粒径は、上記Ptの平均粒径と同じか、それよりも小さいことが望ましい。
アルミナの平均粒径が、上記Ptの平均粒径より大きい場合(例えば、Pt粒径:0.5μm、アルミナ粒径:1.0μm以上)には、Ptの体積に対してアルミナの体積が小さくなってしまい、PtとPtとの粒子間に、アルミナが存在しない部分が多くなり、Ptの収縮開始温度を充分に遅らせることができない。そのために、両材料の収縮過程で、応力が発生し易くなり、ヒータや絶縁層にクラックが発生しやすくなる。
アルミナの平均粒径は、Ptの平均粒径の1/2以下であることがより望ましい。
The heater is composed of 90 parts by weight or more of Pt and 10 parts by weight or less of alumina, and the average particle diameter of the alumina is preferably the same as or smaller than the average particle diameter of the Pt.
When the average particle size of alumina is larger than the average particle size of Pt (for example, Pt particle size: 0.5 μm, alumina particle size: 1.0 μm or more), the volume of alumina is smaller than the volume of Pt. Thus, there are many portions where alumina does not exist between the Pt and Pt particles, and the shrinkage start temperature of Pt cannot be sufficiently delayed. For this reason, stress is easily generated in the shrinking process of both materials, and cracks are easily generated in the heater and the insulating layer.
The average particle diameter of alumina is more preferably ½ or less of the average particle diameter of Pt.
上記ヒータと上記絶縁層との合計の厚さをA、絶縁層の厚さをBとすると、
上記ヒータと上記絶縁層とは、下記の(1)式の関係を満たすことが望ましい。
1.0<A/B≦1.2・・・(1)
When the total thickness of the heater and the insulating layer is A, and the thickness of the insulating layer is B,
It is desirable that the heater and the insulating layer satisfy the relationship of the following formula (1).
1.0 <A / B ≦ 1.2 (1)
上記ヒータと上記絶縁層との厚さの関係を(1)式を満足するように設定することにより剛性の高められた多孔質の絶縁層に対しても、クラックなどの発生を防止することができる。
上記(1)式において、A/B≦1.0である場合には、絶縁層の部分が厚くなるために、絶縁層内部で発生する応力量が増し、剛性が高められた絶縁層では、この応力を充分に緩和することができない。
By setting the thickness relationship between the heater and the insulating layer so as to satisfy the expression (1), it is possible to prevent the occurrence of cracks and the like even for a porous insulating layer with increased rigidity. it can.
In the above formula (1), when A / B ≦ 1.0, the insulating layer portion becomes thick, so the amount of stress generated inside the insulating layer increases, and the insulating layer with increased rigidity This stress cannot be relaxed sufficiently.
逆に、A/B>1.2である場合には、ヒータの厚さの割合が大きくなり、ヒータが収縮しない領域での絶縁層の収縮により、絶縁層とその周囲の層との間で空隙が形成されやすくなり、その空隙で発生した応力が絶縁層にも付加され、応力を充分に緩和することができず、クラックなどを発生しやすくなるのである。
特に望ましいのは、1.03≦A/B≦1.10の範囲である。この範囲であれば、応力の発生量も増大することもなく、絶縁層の内部で応力を緩和しやすくなり、クラック等の発生がなくなるのである。
On the contrary, when A / B> 1.2, the ratio of the thickness of the heater increases, and the insulation layer shrinks in the region where the heater does not shrink, so that the insulation layer and the surrounding layers are A void is likely to be formed, and the stress generated in the void is also applied to the insulating layer, and the stress cannot be sufficiently relaxed, and cracks and the like are likely to occur.
Particularly desirable is a range of 1.03 ≦ A / B ≦ 1.10. Within this range, the amount of stress generated does not increase, the stress is easily relaxed inside the insulating layer, and cracks and the like are eliminated.
図1は、本発明の酸素濃度検出センサの一例を模式的に示す分解斜視図であり、図2は、ヒータ層を模式的に示す断面図である。 FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing an example of the oxygen concentration detection sensor of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a heater layer.
図1に示したように、この酸素濃度検出センサ10では、最下部にヒータ53を備えたヒータ層50が形成され、その上に順次、エアダクト層40、上下に電極を備えた基準層30、検査室となるガス導入用開口22が形成された検査層20、及び、上下に電極を備えた酸素ポンプ層11が設けられている。
As shown in FIG. 1, in the oxygen concentration detection sensor 10, a
この酸素濃度検出センサ10の大きさは、特に限定されるものではないが、例えば、幅3〜10mm、長さ35〜70mm、厚さ1.0〜5mmの範囲が好ましい。 Although the magnitude | size of this oxygen concentration detection sensor 10 is not specifically limited, For example, the range of width 3-10mm, length 35-70mm, and thickness 1.0-5mm is preferable.
図2に示すように、この酸素濃度検出センサ10を構成するヒータ層50は、固体電解質とアルミナセラミックの2つの材料から構成されており、ヒータ53が形成されている部分より上のヒータ上層51を構成する絶縁層54a及びヒータ下層52の上部に形成された絶縁層54bは、アルミナセラミックから構成されており、この絶縁層54bの下に固体電解質層55が形成されている。
As shown in FIG. 2, the
すなわち、リーク電流の発生を防止するために、ヒータ53は、気孔率が5%以下のアルミナセラミック等からなる絶縁層54a、54bの間に挟まれた態様で形成されており、その下に熱膨張率等の整合をはかるための固体電解質層55が形成されている。絶縁層54a、54bの材料は特に限定されるものではないが、アルミナが好ましい。絶縁性に優れるからである。
That is, in order to prevent the occurrence of a leakage current, the heater 53 is formed in a mode of being sandwiched between insulating
また、ヒータ53は、90重量部以上の金属と、10重量部以下のアルミナ等のセラミックとから構成されており、このような構成とすることで、絶縁層にクラックが発生したり、ヒータに断線が発生するのを防止することができる。特に、ヒータ53を構成する金属とアルミナ等のセラミックとの割合は、金属:95重量部以上、アルミナ等のセラミック:5重量部以下が望ましい。 The heater 53 is composed of 90 parts by weight or more of a metal and 10 parts by weight or less of a ceramic such as alumina. With such a structure, the insulating layer cracks or the heater It is possible to prevent disconnection. In particular, the ratio of the metal constituting the heater 53 and the ceramic such as alumina is preferably 95 parts by weight or more for metal and 5 parts by weight or less for ceramics such as alumina.
なお、ヒータ層50と主に固体電解質により形成された他の層とを一体焼結すると、固体電解質板と絶縁層54(54a、54b)との収縮率差や熱膨張率差に起因してクラックが発生することもあるが、それらの間に、さらに、スペーサとして、多孔質体またはジルコニアとアルミナの複合体など固体電解質と絶縁体との混合層を介挿することによりクラック等を確実に防止することができる。
In addition, when the
また、ヒータ53は、発熱部53bとリード部53aとから構成され、リード部53aは、スルーホール90とヒータ端子530a、530bとを含んで構成されている。
The heater 53 includes a heat generating portion 53b and a
ヒータ53を構成する金属としては、例えば、Pt、Pd等の金属や、Pt−Ag、Pt−Au等の合金が挙げられる。これらの金属は、耐熱性を有し、焼成時の1400℃前後の高温下においても、金属が完全に溶融して流れ出す等のおそれが少ないので、ヒータを構成する金属として好適に用いられる。ヒータ53を構成する金属材料としては、Ptが好ましく、アルミナ等のセラミックとしては、アルミナが好ましい。 As a metal which comprises the heater 53, metals, such as Pt and Pd, and alloys, such as Pt-Ag and Pt-Au, are mentioned, for example. Since these metals have heat resistance and are less likely to completely melt and flow out even at a high temperature of around 1400 ° C. during firing, they are preferably used as the metal constituting the heater. Pt is preferable as the metal material constituting the heater 53, and alumina is preferable as the ceramic such as alumina.
アルミナの平均粒径は、Ptの平均粒径と同じか、それよりも小さいことが望ましい。Ptの平均粒径は、0.5〜2.0μmが好ましく、アルミナの平均粒径は、Ptの平均粒径と同じか、それよりも小さく、0.2〜0.5μmが好ましい。アルミナの平均粒径が2.0μmを超えると、絶縁層にクラックや断線が発生する頻度が上昇し、一方、0.5μm未満では、粒子が凝集しやすくなり、その結果、凝集した粒子の粒径が20μmを超えることがある。
アルミナの平均粒径は、Ptの平均粒径の1/2以下であることがより望ましい。
具体的な例としては、Ptの平均粒径が0.5μmであり、アルミナの平均粒径がその1/2以下である0.2μmである場合が挙げられる。
The average particle size of alumina is desirably the same as or smaller than the average particle size of Pt. The average particle size of Pt is preferably 0.5 to 2.0 μm, and the average particle size of alumina is the same as or smaller than the average particle size of Pt, and preferably 0.2 to 0.5 μm. If the average particle diameter of alumina exceeds 2.0 μm, the frequency of occurrence of cracks and breaks in the insulating layer increases, whereas if it is less than 0.5 μm, the particles tend to aggregate, and as a result, the aggregated particles The diameter may exceed 20 μm.
The average particle diameter of alumina is more preferably ½ or less of the average particle diameter of Pt.
As a specific example, there is a case where the average particle diameter of Pt is 0.5 μm and the average particle diameter of alumina is 0.2 μm, which is 1/2 or less thereof.
ヒータを形成する際には、上述の金属、合金からなるペーストを用いることができるが、そのほかに、めっきなどの化学的な方法も用いてもよく、蒸着、スパッタなどの物理的な方法を用いてもよい。他の電極やリード部を形成する場合も同様である。 When forming the heater, a paste made of the above-described metal or alloy can be used. In addition, a chemical method such as plating may be used, or a physical method such as vapor deposition or sputtering is used. May be. The same applies when other electrodes and lead portions are formed.
スルーホールの直径は、250〜350μmであることが望ましい。また、スルーホールは、図2に示すように、金属で充填されていることが望ましい。なお、スルーホールを構成する金属層は、アルミナ、マグネシア及びスピネルからなる群から選ばれる少なくとも1種の割合が、他のリード部、発熱部等より多いことが望ましい。すなわち、スルーホールは、80重量部以上の金属と、20重量部以下のアルミナ等とから構成されていることが望ましい。 The diameter of the through hole is desirably 250 to 350 μm. Further, it is desirable that the through hole is filled with metal as shown in FIG. The metal layer constituting the through hole preferably has a ratio of at least one selected from the group consisting of alumina, magnesia, and spinel more than other lead portions, heat generating portions, and the like. That is, it is desirable that the through hole is composed of 80 parts by weight or more of metal and 20 parts by weight or less of alumina or the like.
図2に示すように、固体電解質層55とスルーホール90との間には、所定厚みの絶縁層54bが介装されていることが望ましい。
スルーホール90部分で、固体電解層55とスルーホール90が接触すると、スルーホール90部分で酸素ポンプ用の印加電圧を拾ってしまったり、ヒータ53用の電流が固体電解質層55に流れ出て、ノイズ発生の原因となるからである。
As shown in FIG. 2, it is desirable that an insulating
When the
上記構成のヒータ層50の上には、大気をとり込むための細長い切り欠き42が形成された固体電解質板41からなるエアダクト層40が設けられている。
On the
エアダクト層40の上には、基準層30が設けられている。
基準層30は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質板31と固体電解質板31の下面に形成された基準層下面電極34と固体電解質板31の上面に形成された基準層上面電極32とから構成され、基準層下面電極34は、下に形成されたエアダクト層40の開口42の奥の部分に露出しており、大気と接触可能になっている。
A reference layer 30 is provided on the air duct layer 40.
The reference layer 30 includes a
また、基準層上面電極32は、上の層である検査層20に形成されたガス導入用開口22(検査室)に露出しており、排ガスが所定の基準酸素濃度となるように濃度調整されたガスと接触するようになっている。排ガスが所定の基準酸素濃度となるように濃度調整されたガスについては、後で詳しく説明する。 The reference layer upper surface electrode 32 is exposed to a gas introduction opening 22 (inspection chamber) formed in the inspection layer 20 which is an upper layer, and the concentration is adjusted so that the exhaust gas has a predetermined reference oxygen concentration. It comes in contact with the gas. The gas whose concentration is adjusted so that the exhaust gas has a predetermined reference oxygen concentration will be described in detail later.
この基準層30は、上記のように、大気と接触する基準層下面電極34と基準となる所定の酸素濃度を有するガスと接触する基準層上面電極32との間に固体電解質板31が挟まれた態様となっており、大気と基準酸素濃度を有するガスとの間で濃淡電池が形成されるので、その間に起電力が発生する。従って、この起電力を測定し、その起電力が所定の値となるように検査室の酸素濃度を調整する。基準層下面電極34と基準層上面電極32の材質としては、Ptが挙げられる。
In the reference layer 30, as described above, the
上記構成の基準層30の上には、検査層20が設けられている。
この検査層20は、主に固体電解質板21から構成されているが、図中、右端近傍には、検査室であるガス導入用開口22が形成されており、開口の右側には、排気ガスが通過する多孔質のガス拡散層23が設けられている。このガス拡散層23は、センサ本体の外部に存在する被測定ガスとガス導入用開口22内に存在する被測定ガスとが直ちに平衡状態に達することのないように被測定ガスの拡散を制限する役割を果たす。そのため、ガス導入用開口22内のガスは、後述する機構により所定の基準酸素濃度となるように濃度調整がなされ、安定した出力値を得ることができる。
An inspection layer 20 is provided on the reference layer 30 configured as described above.
The inspection layer 20 is mainly composed of a
上記構成の検査層20の上には、酸素ポンプ層11が設けられている。
この酸素ポンプ層11は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質板12と固体電解質板12の下面に形成されたポンプ層下面電極18と固体電解質板12の上面に形成されたポンプ層上面電極13と、ポンプ層上面電極13の電極部13aを保護する保護層15から構成されている。 なお、ポンプ層上面電極13のリード部13bは、固体電解質板12の上面に絶縁層14を介して形成されている。
An oxygen pump layer 11 is provided on the inspection layer 20 having the above configuration.
The oxygen pump layer 11 includes a
この酸素ポンプ層11は、文字通り酸素の汲み出し/汲み入れ機能を有しており、ポンプ層下面電極18とポンプ層上面電極13との間に電圧を印加することにより、とり込んだ排気ガスが所定の基準酸素濃度となるように、酸素を検査室(ガス導入用開口22)内に汲み入れたり、検査室(ガス導入用開口22)内の酸素を汲み出すのである。例えば、ポンプ層下面電極18が負極、ポンプ層上面電極13が正極となるように電流を流すと、酸素イオンが負極から正極へと伝導するため、検査室から酸素が外部へ汲み出されされ、正負を逆転させて電流を流すと、検査室内に酸素が汲み入れられる。
上記所定の基準酸素濃度とは、エンジンの燃焼が理論空然比(最適空然比)で行われた際の排気ガス中の酸素濃度をいう。
The oxygen pump layer 11 literally has a function of pumping / pumping oxygen, and by applying a voltage between the pump layer lower surface electrode 18 and the pump layer upper surface electrode 13, the exhaust gas taken in is predetermined. Thus, oxygen is pumped into the examination room (gas introduction opening 22) or oxygen in the examination room (gas introduction opening 22) is pumped out so that the reference oxygen concentration becomes the same. For example, when an electric current is applied so that the pump layer lower surface electrode 18 is a negative electrode and the pump layer upper surface electrode 13 is a positive electrode, oxygen ions are conducted from the negative electrode to the positive electrode, so that oxygen is pumped out from the laboratory. When current flows with the polarity reversed, oxygen is pumped into the examination room.
The predetermined reference oxygen concentration refers to the oxygen concentration in the exhaust gas when the combustion of the engine is performed at the theoretical air ratio (optimum air ratio).
すなわち、酸素ポンプ層11において印加された電圧により生じた限界電流値は、理論空然比からのずれを示しており、例えば、酸素ポンプの電流信号を受信した車両の制御装置では、この電流値が特定の値となるように、エンジンの燃料噴射量等を調整するのである。 That is, the limit current value generated by the voltage applied in the oxygen pump layer 11 shows a deviation from the theoretical ratio. For example, in the vehicle control device that has received the current signal of the oxygen pump, this current value The fuel injection amount of the engine is adjusted so that becomes a specific value.
このポンプ層下面電極18は、酸素濃度を検知するとともに窒素酸化物を分解する能力が高い材料、例えば、白金、ロジウム、白金−ロジウム合金のうちの1種又は2種以上を主成分とする材料で構成されていることが望ましい。これらの材料を使用した場合、1000℃の温度領域でも溶け出すことがない。一方、上面電極は特にどのような金属材料で形成されていてもよいが、この金属材料として、例えば、白金等が挙げられる。 The pump layer lower surface electrode 18 is a material having a high ability to detect oxygen concentration and decompose nitrogen oxides, for example, a material mainly containing one or more of platinum, rhodium, and platinum-rhodium alloy. It is desirable that When these materials are used, they do not melt even in the temperature range of 1000 ° C. On the other hand, the upper surface electrode may be made of any metal material. Examples of the metal material include platinum.
また、この酸素濃度検出センサ10を構成する固体電解質板12、21、31は、600℃以上で機能するので、ヒータ層50を設けることにより、酸素ポンプ層11や基準層の電極付近の温度が600℃以上となるように温度制御を行うのである。電極付近の温度は、700〜800℃がより好ましい。
Further, since the
上記固体電解質として、例えば、イットリアをドープ剤として使用したジルコニア(YSZ)が挙げられるが、上記固体電解質としては、これに限らず、酸素イオン伝導性を有するものであればよい。各固体電解質板の厚さは、例えば0.1〜1mmの範囲で設定することができるが、各固体電解質の厚さは、0.2〜0.6mmがより好ましい。 Examples of the solid electrolyte include zirconia (YSZ) using yttria as a dopant, but the solid electrolyte is not limited to this and may be any one having oxygen ion conductivity. Although the thickness of each solid electrolyte board can be set, for example in the range of 0.1-1 mm, As for the thickness of each solid electrolyte, 0.2-0.6 mm is more preferable.
本発明の酸素濃度検出センサでは、酸素ポンプ層の上下に設けられた電極は、それぞれリード部を介してIP1ドライブ回路により電圧を印加可能なように接続されている。また、
基準層の上下面に設けられた基準電極と酸素ポンプ層の上下に設けられた電極とは、それぞれリード部を介してVS検出回路により両電極間の電位差を検出可能なように接続されている。
In the oxygen concentration detection sensor of the present invention, the electrodes provided above and below the oxygen pump layer are connected to each other so that a voltage can be applied by the I P1 drive circuit via the lead portions. Also,
And vertically electrodes provided in the reference layer reference electrode and the oxygen pump layer provided on the upper and lower surfaces of the can are connected so as to be able to detect a potential difference between the electrodes by V S detection circuit via the lead portion, respectively Yes.
そして、基準電極によって測定された、大気中の酸素濃度と排気ガス中の酸素濃度との差に起因する電位差(電圧)と、理論空然比における基準電位差(例えば、450mV)とを比較し、その差が0となるように、酸素ポンプ層の上下に設けられた電極に電圧を印加して酸素を移動させる。 Then, the potential difference (voltage) caused by the difference between the oxygen concentration in the atmosphere and the oxygen concentration in the exhaust gas measured by the reference electrode is compared with the reference potential difference (for example, 450 mV) in the theoretical air ratio, Oxygen is moved by applying a voltage to the electrodes provided above and below the oxygen pump layer so that the difference becomes zero.
そして、この酸素ポンプ層に印加された電圧により生じた限界電流値の信号が制御装置等に送信され、この電流値から空然比を割りだし、その空然比が特定の値となるように、エンジンの燃料噴射量等を調整するのである。 Then, a signal of a limit current value generated by the voltage applied to the oxygen pump layer is transmitted to the control device or the like, and the air-fuel ratio is divided from the current value so that the air-fuel ratio becomes a specific value. The fuel injection amount of the engine is adjusted.
次に、本発明の酸素濃度検出センサの製造方法を説明する。
(1)固体電解質板となるシートの作製
固体電解質板となる粉末にバインダ、溶剤を添加して固体電解質板用のペーストを調製し、ドクターブレード法を用いて、グリーンシートを作製する。固体電解質板となる粉末は特に限定されるものではないが、例えば、ジルコニア(ZrO2)を主成分とし、そのほかにイットリア、アルミナ等を含有する粉末が挙げられる。固体電解質板となる粉末は、仮焼等により予め所定の組成となった粉末であってもよく、これらの成分を含む混合粉末で、焼成後に所定の組成となるものであってもよい。また、固体電解質板の材質は、上記組成のものに限られず、酸素イオン伝導性を有するものであればよい。
グリーンシートの厚さは、例えば、焼成後に0.1〜1mmの範囲内となるように設定する。
Next, a method for manufacturing the oxygen concentration detection sensor of the present invention will be described.
(1) Production of sheet to be solid electrolyte plate A binder and a solvent are added to the powder to be a solid electrolyte plate to prepare a paste for the solid electrolyte plate, and a green sheet is produced using a doctor blade method. Although the powder is not particularly limited as the solid electrolyte plate, for example, a main component of zirconia (ZrO 2), yttria other, powders containing alumina or the like. The powder that becomes the solid electrolyte plate may be a powder having a predetermined composition by calcination or the like, or may be a mixed powder containing these components and having a predetermined composition after firing. Further, the material of the solid electrolyte plate is not limited to the above composition, and any material having oxygen ion conductivity may be used.
The thickness of the green sheet is set to be within a range of 0.1 to 1 mm after firing, for example.
(2)酸素ポンプ層となるシートの作成
(1)の工程で作製したグリーンシートを用い、絶縁層14の形状の開口が形成されたマスクを載置し、アルミナペースト等の絶縁性セラミックを含むペーストを用いて、絶縁層となるペースト層を形成し、乾燥、硬化させる。ただし、絶縁層は、必須の層ではなく、絶縁層となるペースト層の形成工程を省略してもよい。
(2) Creation of a sheet to be an oxygen pump layer Using the green sheet produced in the step (1), a mask in which an opening in the shape of the insulating
次に、上記工程を終了したグリーンシートのアース端子16及び基準端子17となる部分に、焼成後の開口径が250〜350μmになるように、ドリル加工を施し、貫通孔(スルーホール)を形成し、Ptペースト等を用いて充填し、乾燥、硬化させる。
アース端子16及び基準端子17の形状の開口を有するマスクを載置し、Ptペースト等の導体ペーストを印刷してアース端子16及び基準端子17となる導体ペースト層を形成し、乾燥、硬化させる。Ptペーストを使用する際、例えば、粒径0.5μmのPt粒子とエチルセルロース等のバインダとアクリル系の溶剤とを混練し、所定の粘度に調整したものを用いることができる。
なお、電極やリード部等の導体層の形成は、ペーストを用いる以外にも、スパッタ、蒸着、めっきにより行うことができる。以下の電極、リード部、発熱体等においても同様である。
Next, drilling is performed on the portions of the green sheet that have been subjected to the above-described steps to become the
A mask having openings in the shape of the
In addition, formation of conductor layers, such as an electrode and a lead part, can be performed by sputtering, vapor deposition, and plating besides using a paste. The same applies to the following electrodes, lead portions, heating elements, and the like.
次に、リード部を含むポンプ上面電極の形状の開口を有するマスクを載置し、Ptペースト等の導体ペーストを印刷して、ポンプ上面電極となる導体ペースト層を形成し、乾燥、硬化させる。Ptペーストを使用する際、例えば、粒径0.5μmのPt粒子とエチルセルロース・アクリル系の溶剤とを混練して、所定の粘度に調整したものを用いることができる。 Next, a mask having an opening in the shape of a pump upper surface electrode including a lead portion is placed, and a conductor paste such as a Pt paste is printed to form a conductor paste layer that becomes a pump upper surface electrode, and is dried and cured. When using the Pt paste, for example, a Pt particle having a particle size of 0.5 μm and an ethyl cellulose / acrylic solvent kneaded and adjusted to a predetermined viscosity can be used.
その後、ポンプ上面電極用のペースト層を形成した反対面にも、Ptペースト等の導体ペーストを用いて、印刷を行い、リード部を含むポンプ下面電極用のペースト層を形成する。ポンプ下面電極のように窒素酸化物を還元する能力の高い電極を形成するには、Pt、ロジウム、Ptとロジウムの合金のうちの1種又は2種以上を主成分とするペーストを用いることが望ましい。 Thereafter, printing is performed on the opposite surface on which the paste layer for the pump upper surface electrode is formed using a conductive paste such as a Pt paste to form a paste layer for the pump lower surface electrode including the lead portion. In order to form an electrode having a high ability to reduce nitrogen oxides, such as a pump bottom electrode, a paste containing one or more of Pt, rhodium, and an alloy of Pt and rhodium as a main component is used. desirable.
また、白金(Pt)−ロジウム(Rh)ペーストを使用する際には、例えば、粒径0.5μmのPt粒子と粒径0.5μmのRh粒子を5:1で配合し、エチルセルロース等のバインダとアクリル系の溶剤とを添加、混練して、粘度を143Pa・S(B型粘度計10rpmにて測定)に調整したものを用いることができる。
ポンプ上面電極となるペースト層の上には、保護層となる層を形成することが望ましい。
When using a platinum (Pt) -rhodium (Rh) paste, for example, Pt particles having a particle size of 0.5 μm and Rh particles having a particle size of 0.5 μm are blended at a ratio of 5: 1, and a binder such as ethyl cellulose is used. And an acrylic solvent may be added and kneaded to adjust the viscosity to 143 Pa · S (measured with a B-type viscometer at 10 rpm).
It is desirable to form a layer serving as a protective layer on the paste layer serving as the pump upper surface electrode.
(3)検査層となるシートの作製
(1)の工程で得られたグリーンシートのガス導入用開口に相当するに領域に、ドリルやレーザ等を用いて開口を形成する。また、ドリルによりスルーホールを形成し、Ptペースト等を用いて充填する。
(4)基準層となるシートの作製
(1)の工程で得られたグリーンシートを用い、まず、ドリルによりスルーホールを形成し、Ptペースト等を用いて充填する。次に、シートの上面及び下面に、上記Ptペースト等の導体ペーストを印刷することにより、基準層用の電極となる層を形成する。Ptペーストを用いる場合には、酸素ポンプ層の作製に用いたものと同じペーストを用いることができる。
(3) Production of sheet to be inspected layer An opening is formed in a region corresponding to the gas introduction opening of the green sheet obtained in the step (1) by using a drill or a laser. Also, a through hole is formed by a drill and filled with a Pt paste or the like.
(4) Production of Sheet as Reference Layer Using the green sheet obtained in the step (1), first, a through hole is formed by a drill and filled with a Pt paste or the like. Next, a conductor paste such as the Pt paste is printed on the upper and lower surfaces of the sheet to form a layer that becomes an electrode for the reference layer. When using a Pt paste, the same paste as that used for the production of the oxygen pump layer can be used.
(5)エアダクト層となるシートの作製
(1)の工程で得られたグリーンシートのエアダクトに該当する領域をレーザやドリルを用いて切り取り、エアダクトとなる切り欠きを形成する。
(5) Production of sheet to be air duct layer A region corresponding to the air duct of the green sheet obtained in the step (1) is cut out using a laser or a drill to form a notch to be an air duct.
(6)ヒータ層となるシートの作製
(1)の工程で得られたグリーンシートを用い、まず、このシートに焼成後の開口径が250〜350μmになるように、ドリル加工を施し、貫通孔(スルーホール)を形成する。
次に、アルミナ粉末等の絶縁性セラミック粉末を含むペーストを用い、(1)の工程で得られたグリーンシートの表裏に絶縁層となる絶縁性セラミック粉末のペースト層を形成するとともに、スルーホールを介して吸引することにより、スルーホールの内壁表層にも絶縁層となるペースト層を形成し、乾燥、硬化させる。
(6) Preparation of sheet to be a heater layer Using the green sheet obtained in the step (1), first, the sheet is subjected to drilling so that the opening diameter after firing becomes 250 to 350 μm, and the through hole is formed. (Through hole) is formed.
Next, a paste containing insulating ceramic powder such as alumina powder is used to form a paste layer of insulating ceramic powder to be an insulating layer on the front and back of the green sheet obtained in the step (1), and through holes are formed. Then, a paste layer serving as an insulating layer is formed on the inner wall surface layer of the through hole, and dried and cured.
ペースト層に含まれるアルミナセラミック等の粉末の粒径やバインダ、溶剤等は、所定の温度で焼成した後の絶縁層の気孔率が5%以下となるように設定する。 The particle size, binder, solvent and the like of powder such as alumina ceramic contained in the paste layer are set so that the porosity of the insulating layer after firing at a predetermined temperature is 5% or less.
次に、Pt等の金属が90重量部以上、アルミナ等のセラミックが10重量部以下からなるヒータ用材料を含むペーストを用い、スルーホールに充填し、乾燥、硬化させ、その後、スクリーン印刷等によりヒータパターンのペースト層を形成し、乾燥、硬化させる。なお、その際、印刷されるパターンは、ヒータに印刷されたものと逆になるようにする。そして、さらに、その上に絶縁層となる層を形成する。
焼成後のヒータと絶縁層との厚さの関係については、焼成後のヒータと絶縁層との合計の厚さをA、絶縁層の厚さをBとすると、ヒータと絶縁層とは、下記の(1)式の関係を満たすことが望ましい。
1.0<A/B≦1.2・・・(1)
従って、上記(1)式の関係を満たすように、ヒータパターンのペースト層の厚さと絶縁層となるペースト層との厚さを調整する。
Next, a paste containing a heater material composed of 90 parts by weight or more of a metal such as Pt and 10 parts by weight or less of a ceramic such as alumina is filled in a through hole, dried and cured, and then screen printed or the like. A heater pattern paste layer is formed, dried and cured. At that time, the pattern to be printed is reversed from that printed on the heater. Further, a layer to be an insulating layer is formed thereon.
Regarding the relationship between the thickness of the fired heater and the insulating layer, assuming that the total thickness of the fired heater and the insulating layer is A and the thickness of the insulating layer is B, the heater and the insulating layer are as follows: It is desirable to satisfy the relationship of (1).
1.0 <A / B ≦ 1.2 (1)
Accordingly, the thickness of the paste layer of the heater pattern and the thickness of the paste layer serving as the insulating layer are adjusted so as to satisfy the relationship of the above formula (1).
(7)焼成
まず、上述の方法で作製した検査層となるシートのガス拡散層となる部分に、アルミナ等からなる多孔質材料を埋め込む。その後、酸素ポンプ層、検査層、基準層、エアダクト層、ヒータ層の順番で、シートを積層する。なお、それぞれのシートの間に、接着用の絶縁樹脂からなる接着シートを介挿し、この接着シートを介して各シートを貼り付けてもよい。接着シートは、ジルコニア等の固体電解質粉末及びテレフタル酸、セバシン酸など熱可塑性樹脂のバインダを主成分とし、この成分にその他溶剤、添加剤などが配合されたシートである。
このようにして作製した積層体を脱脂した後、1400〜1500℃で焼成し、酸素濃度検出センサ用の焼結体とする。
(7) Firing First, a porous material made of alumina or the like is embedded in a portion that becomes a gas diffusion layer of a sheet that becomes an inspection layer manufactured by the above-described method. Thereafter, the sheets are laminated in the order of the oxygen pump layer, the inspection layer, the reference layer, the air duct layer, and the heater layer. In addition, between each sheet | seat, the adhesive sheet which consists of insulating resin for adhesion | attachment may be inserted, and each sheet | seat may be affixed through this adhesive sheet. The adhesive sheet is a sheet mainly composed of a solid electrolyte powder such as zirconia and a binder of a thermoplastic resin such as terephthalic acid and sebacic acid, and other components such as a solvent and additives.
After degreasing the laminate thus produced, it is fired at 1400-1500 ° C. to obtain a sintered body for an oxygen concentration detection sensor.
(8)外形加工
得られた焼結体の端面を機械研磨し、拡散層が外気に露出するようにするとともに、形状(例えば、長さ調整も含む)を整えることにより、酸素濃度検出センサを得ることができる。
(8) External shape processing The end surface of the obtained sintered body is mechanically polished so that the diffusion layer is exposed to the outside air, and the shape (for example, including length adjustment) is adjusted, thereby providing an oxygen concentration detection sensor. Can be obtained.
以下に実施例を挙げて本発明を詳しく説明するが、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the present invention is not limited only to these examples.
(実施例1)
(1)固体電解質板となるグリーンシートの作製
90.04重量%のジルコニア(ZrO2)、9.96重量%のイットリア(Y2O3)、2.68%のアルミナ(Al2O3)、微量の鉄酸化物、及び、酸化チタン等からなる固体電解質粉末100重量部に、エチルセルロース80重量部、ブチルカルビトール20重量部を配合して、固体電解質板用ペーストを調製し、ドクターブレード法を用いて、幅が15mm、長さが94mm、厚さが0.25mmのシート材Aと、幅が15mm、長さが94mm、厚さが0.5mmのシート材Bとを作製した。
(Example 1)
(1) Production of Green Sheet to be Solid Electrolyte Plate 90.04 wt% Zirconia (ZrO 2 ), 9.96 wt% Yttria (Y 2 O 3 ), 2.68% Alumina (Al 2 O 3 ) A solid electrolyte plate paste is prepared by blending 80 parts by weight of ethyl cellulose and 20 parts by weight of butyl carbitol with 100 parts by weight of a solid electrolyte powder composed of a small amount of iron oxide, titanium oxide, etc., and a doctor blade method Were used to prepare a sheet material A having a width of 15 mm, a length of 94 mm, and a thickness of 0.25 mm, and a sheet material B having a width of 15 mm, a length of 94 mm, and a thickness of 0.5 mm.
(2)酸素ポンプ層となるシートの作成
まず、(1)により作製したシート材Bを用い、絶縁層14の形状の開口が形成されたマスクを載置し、45重量部のアルミナ粉末(平均粒径0.2μm)、40重量部のエチルセルロース(バインダ)及び15重量部のブチルカルビトール(溶剤)からなるアルミナペーストを用いて、絶縁層14となるアルミナペースト層を形成し、乾燥、硬化させた。
(2) Preparation of a sheet to be an oxygen pump layer First, the sheet material B prepared in (1) was used to place a mask in which an opening in the shape of the insulating
次に、絶縁層14となるアルミナペースト層が形成されたシート材Bに、ドリルを用い、のアース端子16及び基準端子17となる部分に、ドリル加工を施し、開口径350μmの貫通孔(スルーホール)を形成し、PtペーストAを用いて充填した。
次に、アース端子16及び基準端子17の形状の開口を有するマスクを載置し、PtペーストAを印刷してアース端子16及び基準端子17となるPtペースト層を形成し、乾燥、硬化させた。使用したPtペーストAは、粒径0.5μmのPt粒子とエチルセルロース・アクリル系の溶剤とを混練し、粘度143Pa・S(B型粘度計 10rpmにて測定)に調整したものを用いた。
Next, the sheet material B on which the alumina paste layer to be the insulating
Next, a mask having openings in the shape of the
次に、ポンプ上面電極の形状の開口を有するマスクを載置し、Ptペーストを印刷して、ポンプ上面電極となるPtペースト層を形成し、乾燥、硬化させた。使用したPtペーストは、粒径0.5μmのPt粒子とエチルセルロース・アクリル系の溶剤とを混練して、粘度143Pa・S(B型粘度計 10rpmにて測定)に調整したものを用いた。
その後、ポンプ上面電極用のペースト層を形成した反対面にも、上記Ptペーストを用いて、印刷を行った。また、ポンプ上面電極となるPtペースト層の上に、保護層となるジルコニアペーストからなる層を形成した。
Next, a mask having an opening in the shape of the pump upper surface electrode was placed, and a Pt paste was printed to form a Pt paste layer to be the pump upper surface electrode, which was dried and cured. The Pt paste used was prepared by kneading Pt particles having a particle size of 0.5 μm and an ethyl cellulose / acrylic solvent to adjust the viscosity to 143 Pa · S (measured at a B-type viscometer at 10 rpm).
Thereafter, printing was performed on the opposite surface on which the paste layer for the pump upper surface electrode was formed using the Pt paste. Further, a layer made of zirconia paste serving as a protective layer was formed on the Pt paste layer serving as the pump upper surface electrode.
(3)検査層となるシートの作製
ドリルを用い、シート材Aのガス導入用開口に相当するに領域に開口を形成した。また、ドリルにより開口径350μmのスルーホールを形成し、PtペーストAを用いて充填した。
(4)基準層となるシートの作製
シート材Aを用い、まず、ドリルにより開口径350μmのスルーホールを形成し、Ptペースト等を用いて充填する。次に、シートの上面及び下面に、Ptペーストを印刷することにより、基準層用の電極を形成した。Ptペーストは、酸素ポンプ層の電極用ペースト層の作製に用いたものと同じペーストを用いた。
(3) Using a drill for producing a sheet to be an inspection layer, an opening was formed in a region corresponding to the gas introduction opening of the sheet material A. Further, a through hole having an opening diameter of 350 μm was formed by a drill and filled with Pt paste A.
(4) Preparation of sheet to be a reference layer Using the sheet material A, first, a through hole having an opening diameter of 350 μm is formed by a drill and filled with a Pt paste or the like. Next, an electrode for a reference layer was formed by printing a Pt paste on the upper and lower surfaces of the sheet. As the Pt paste, the same paste as that used for producing the electrode paste layer of the oxygen pump layer was used.
(5)エアダクト層となるシートの作製
シート材Aのエアダクトに該当する領域をレーザを用いて切り取り、エアダクトとなる切り欠きを形成した。
(5) Production of sheet to be an air duct layer A region corresponding to the air duct of the sheet material A was cut out using a laser to form a notch to be an air duct.
(6)ヒータ層となるシートの作製
シート材Bを用い、まず、このシートにドリル加工を施すことにより開口径350μmのスルーホールを形成した。
次に、45重量%のアルミナ粉末(平均粒径0.2μm)、40重量%のエチルセルロース(バインダ)及び15重量部のブチルカルビトール(溶剤)からなるアルミナペーストを用い、シートBの表裏に絶縁層となるアルミナペースト層を形成するとともに、スルーホールを介して吸引することにより、スルーホールの内壁表層にも絶縁層となるアルミナペースト層を形成し、乾燥、硬化させた。
(6) Preparation of sheet to be a heater layer Using the sheet material B, first, a through hole having an opening diameter of 350 μm was formed by drilling the sheet.
Next, the front and back of the sheet B are insulated using an alumina paste composed of 45% by weight alumina powder (average particle size 0.2 μm), 40% by weight ethyl cellulose (binder) and 15 parts by weight butyl carbitol (solvent). An alumina paste layer to be a layer was formed and sucked through the through hole, whereby an alumina paste layer to be an insulating layer was formed also on the inner wall surface layer of the through hole, and was dried and cured.
次に、81重量部のPt粉末(平均粒径0.5μm)、9重量部のアルミナ粉末(平均粒径0.2μm)、5重量部のエチルセルロース(バインダ)、5重量部のブチルカルビトール(溶剤)からなるPtペーストBを用い、スルーホールに充填し、その後、100℃ 30分でPtペーストBを乾燥した。 Next, 81 parts by weight of Pt powder (average particle size 0.5 μm), 9 parts by weight of alumina powder (average particle size 0.2 μm), 5 parts by weight of ethyl cellulose (binder), 5 parts by weight of butyl carbitol ( A Pt paste B made of a solvent was used to fill the through holes, and then the Pt paste B was dried at 100 ° C. for 30 minutes.
次に、95重量部のPt粉末(平均粒径0.5μm)、5重量部のアルミナ粉末(平均粒径0.2μm)、6重量部のエチルセルロース(バインダ)、19重量部のブチルカルビトール(溶剤)からなるPtペーストCを用い、絶縁層となるアルミナペースト層を形成したシート材に発熱体及びリード端子となるPtペースト層を形成し、その後、100℃ 30分の条件で乾燥させた。さらに、上述のアルミナペーストを用いてPtペースト層を形成したシート上に、絶縁層となるアルミナペースト層を形成した。 Next, 95 parts by weight of Pt powder (average particle size 0.5 μm), 5 parts by weight of alumina powder (average particle size 0.2 μm), 6 parts by weight of ethyl cellulose (binder), 19 parts by weight of butyl carbitol ( Using a Pt paste C made of a solvent, a Pt paste layer serving as a heating element and a lead terminal was formed on a sheet material on which an alumina paste layer serving as an insulating layer was formed, and then dried at 100 ° C. for 30 minutes. Furthermore, an alumina paste layer serving as an insulating layer was formed on a sheet on which a Pt paste layer was formed using the above-described alumina paste.
(7)焼成
まず、上述の方法で作製した検査層となるシートのガス拡散層となる部分に、アルミナからなる多孔質材料を埋め込んだ。その後、酸素ポンプ層、検査層、基準層、エアダクト層、ビータ層の順番で、シートを積層した。なお、それぞれのシートの間には、接着用の絶縁樹脂からなる接着シートを介挿し、この接着シートを介して各シートを貼り付けた。
このようにして作製した積層体を脱脂した後、1400〜1500℃で焼成し、酸素濃度検出センサの焼結体とした。このとき、ヒータと絶縁層との合計の厚さをA、絶縁層の厚さをBとすると、A/B=1.05であった。
(7) Firing First, a porous material made of alumina was embedded in a portion to be a gas diffusion layer of a sheet to be an inspection layer produced by the above-described method. Thereafter, the sheets were laminated in the order of the oxygen pump layer, the inspection layer, the reference layer, the air duct layer, and the beater layer. In addition, between each sheet | seat, the adhesive sheet which consists of insulating resin for adhesion | attachment was inserted, and each sheet | seat was affixed through this adhesive sheet.
The laminate thus produced was degreased and then fired at 1400 to 1500 ° C. to obtain a sintered body of an oxygen concentration detection sensor. At this time, when the total thickness of the heater and the insulating layer was A and the thickness of the insulating layer was B, A / B = 1.05.
(8)外形加工
得られた焼結体の端面を機械研磨し、拡散層が外気に露出するようにするとともに、形状(例えば、長さ調整も含む)を整えて、幅5mm、長さ50mm、厚み2mmの酸素濃度検出センサを得た。
(8) Outline processing The end surface of the obtained sintered body is mechanically polished so that the diffusion layer is exposed to the outside air, and the shape (for example, including length adjustment) is adjusted, and the width is 5 mm and the length is 50 mm. An oxygen concentration detection sensor having a thickness of 2 mm was obtained.
(実施例2〜14)
ヒータを構成する金属とセラミックの種類、重量部、上記A/B、ヒータを構成する絶縁層の気孔率を表1に示す値にしたほかは、実施例1と同様にして、酸素濃度検出センサを製造した。
(Examples 2 to 14)
The oxygen concentration detection sensor in the same manner as in Example 1 except that the types of metal and ceramic constituting the heater, parts by weight, the A / B, and the porosity of the insulating layer constituting the heater were set to the values shown in Table 1. Manufactured.
(比較例1〜6)
ヒータを構成する金属とセラミックの種類、重量部、上記A/B、ヒータを構成する絶縁層の気孔率を表1に示す値にしたほかは、実施例1と同様にして、酸素濃度検出センサを製造した。
(Comparative Examples 1-6)
The oxygen concentration detection sensor in the same manner as in Example 1 except that the types of metal and ceramic constituting the heater, parts by weight, the A / B, and the porosity of the insulating layer constituting the heater were set to the values shown in Table 1. Manufactured.
(評価1;外観観察)
顕微鏡により、実施例1〜14及び比較例1〜6で得られた酸素濃度検出センサにクラックが生じているか否かを観察した。その結果を表1に示す。
(Evaluation 1: Appearance observation)
It was observed with a microscope whether or not cracks occurred in the oxygen concentration detection sensors obtained in Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 6. The results are shown in Table 1.
(評価2;耐久性試験)
実施例1〜14及び比較例1〜6で得られた酸素濃度検出センサを600℃まで加熱した後、その温度を持続し、顕微鏡により、一定時間毎にクラックが生じているか否かを観察した。その結果を表1に示す。
(Evaluation 2: Durability test)
After heating the oxygen concentration detection sensors obtained in Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 6 to 600 ° C., the temperature was maintained, and it was observed with a microscope whether or not cracks occurred at regular intervals. . The results are shown in Table 1.
実施例1〜14に係る酸素濃度検出センサでは、焼成後の観察でクラックはなく、100時間経過した後も、クラックが発生しなかったが、比較例1〜6に係る酸素濃度検出センサでは、焼成後に既にクラックが発生し、24時間でクラックが大きく伸展した。 In the oxygen concentration detection sensors according to Examples 1 to 14, there were no cracks in the observation after firing, and no cracks occurred even after 100 hours had passed, but in the oxygen concentration detection sensors according to Comparative Examples 1 to 6, Cracks were already generated after firing, and the cracks expanded greatly in 24 hours.
10 酸素濃度検出センサ
11 酸素ポンプ層
12、21、31、41、55 固体電解質板
13 ポンプ上面電極
14 絶縁層
16 アース電極
17 基準電極
18 ポンプ下面電極
20 検査層
22 ガス導入用開口
23 ガス拡散層
30 基準層
32 基準上面電極
34 基準下面電極
40 エアダクト層
42 切り欠き
50 ヒータ層
51 ヒータ上層
52 ヒータ下層
53 ヒータ
53a リード部
53b 発熱部
54a、54b 絶縁層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Oxygen concentration detection sensor 11
Claims (4)
前記検査層上に形成され、酸素イオン伝導性を有する固体電解質板と前記固体電解質板の下面に形成された下面電極と前記固体電解質板の上面に形成された上面電極とから構成され、酸素ポンプ機能を有する酸素ポンプ層、及び、
少なくともヒータと該ヒータが埋設された絶縁層とを含んで構成されたヒータ層
を備えた酸素濃度検出センサであって、
前記ヒータ層を構成する絶縁層は、その気孔率が5%以下であり、
前記ヒータは、90重量部以上の金属と、10重量部以下のアルミナ、マグネシア及びスピネルからなる群から選ばれる少なくとも1種とから構成されていることを特徴とする酸素濃度検出センサ。 An inspection layer having a gas introduction opening for introducing a gas to be measured containing oxygen;
An oxygen pump comprising a solid electrolyte plate formed on the test layer and having oxygen ion conductivity, a bottom electrode formed on the bottom surface of the solid electrolyte plate, and a top electrode formed on the top surface of the solid electrolyte plate. A functional oxygen pump layer, and
An oxygen concentration detection sensor comprising a heater layer configured to include at least a heater and an insulating layer in which the heater is embedded,
The insulating layer constituting the heater layer has a porosity of 5% or less,
The heater is composed of 90 parts by weight or more of metal and 10 parts by weight or less of at least one selected from the group consisting of alumina, magnesia and spinel.
前記アルミナの平均粒径は、前記白金の平均粒径と同じか、それよりも小さい請求項1に記載の酸素濃度検出センサ。 The heater is composed of 90 parts by weight or more of platinum and 10 parts by weight or less of alumina,
The oxygen concentration detection sensor according to claim 1, wherein an average particle diameter of the alumina is the same as or smaller than an average particle diameter of the platinum.
前記ヒータと前記絶縁層とは、下記の(1)式の関係を満たす請求項1〜3のいずれかに記載の酸素濃度検出センサ。
1.0<A/B≦1.2・・・(1) When the total thickness of the heater and the insulating layer is A, and the thickness of the insulating layer is B,
The oxygen concentration detection sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the heater and the insulating layer satisfy a relationship of the following expression (1).
1.0 <A / B ≦ 1.2 (1)
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