JP2847979B2 - Oxide semiconductor gas sensor - Google Patents
Oxide semiconductor gas sensorInfo
- Publication number
- JP2847979B2 JP2847979B2 JP3094191A JP3094191A JP2847979B2 JP 2847979 B2 JP2847979 B2 JP 2847979B2 JP 3094191 A JP3094191 A JP 3094191A JP 3094191 A JP3094191 A JP 3094191A JP 2847979 B2 JP2847979 B2 JP 2847979B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- layer
- sensor
- temperature
- oxide semiconductor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は酸化物半導体ガスセンサ
に関し、さらに詳しく述べると、雰囲気ガスの酸素分圧
に応じて抵抗値が変化する金属酸化物半導体、例えばチ
タニアなどからなる感ガス層を基板上に有してなる酸化
物半導体ガスセンサに関する。本発明のガスセンサは、
好ましくは、基板中にヒータを内蔵せる板状又は膜状構
造を有しており、そして特に自動車の排ガス中の酸素濃
度を測定するための自動車用酸素濃度センサとして有利
に用いることができる。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxide semiconductor gas sensor, and more particularly, to a gas-sensitive layer made of a metal oxide semiconductor, for example, titania, whose resistance varies according to the oxygen partial pressure of an atmospheric gas. The present invention relates to an oxide semiconductor gas sensor provided above. The gas sensor of the present invention
Preferably, it has a plate-like or film-like structure in which a heater is built in the substrate, and can be advantageously used as an automobile oxygen concentration sensor for measuring the oxygen concentration in exhaust gas from automobiles.
【0002】[0002]
【従来の技術】周知の通り、自動車用の排ガスセンサあ
るいは特に酸素濃度センサとしてはいろいろな構造のも
のが提案されている。U字管型(バルク型)、板状型及
び膜状型の3タイプが典型的な構造であり、特に最近で
は、ヒータを内蔵して低温活性を向上させ、かつ構造を
簡単にした板状、膜状のセンサが開発される傾向にあ
る。2. Description of the Related Art As is well known, various structures have been proposed as exhaust gas sensors for automobiles or, in particular, oxygen concentration sensors. U-tube type (bulk type), plate type and film type are typical types. Particularly recently, a plate type with a built-in heater to improve low-temperature activity and to simplify the structure is used. However, there is a tendency to develop a film-shaped sensor.
【0003】このような酸素濃度センサの典型として、
特開昭61−231448号公報に記載の酸素濃度センサをあげ
ることができる。このセンサは、いわゆるヒータ付チッ
プタイプセンサであり、そして、図7に断面で示される
ように、ヒータ22を内蔵したアルミナ基板21上に、順
に、白金電極23及び24、感ガス層25、そして排ガス中の
付着物(鉛化合物等)を捕捉するためのトラップ層27を
設けた構造を有している。この図示の酸素濃度センサ20
は厚膜積層技術に従って有利に製造することができ、そ
の際、感ガス層25の材料としては高温還元雰囲気に強い
白金含有チタニアを一般に用いることができ、また、ト
ラップ層27として、チタニア、アルミナなどを用いるこ
とができる。この酸素濃度センサでは、雰囲気ガスが高
温の時に感ガス層25の白金粒子が粒成長して層外に脱落
しようとしても、その上方にトラップ層27が存在してい
るので、このトラップ層に捕捉されて雰囲気ガス中に脱
落することがない。したがって、この特開昭61−231448
号公報に記載の発明によると、高温雰囲気ガス中での使
用時における酸素濃度検出能力の低下を抑えることがで
きるという効果がある。As a typical example of such an oxygen concentration sensor,
An oxygen concentration sensor described in JP-A-61-231448 can be mentioned. This sensor is a so-called chip type sensor with a heater, and, as shown in a cross section in FIG. 7, a platinum electrode 23 and 24, a gas-sensitive layer 25, and a It has a structure in which a trap layer 27 for trapping deposits (such as lead compounds) in exhaust gas is provided. The illustrated oxygen concentration sensor 20
Can be advantageously manufactured according to the thick film lamination technology, in which case, as a material of the gas-sensitive layer 25, platinum-containing titania that is resistant to a high-temperature reducing atmosphere can be generally used, and as the trap layer 27, titania or alumina can be used. Etc. can be used. In this oxygen concentration sensor, even when platinum particles of the gas-sensitive layer 25 grow and try to fall out of the layer when the ambient gas is at a high temperature, the trap layer 27 exists above the layer, so the trapped layer is trapped in this trap layer. It does not fall into the atmosphere gas. Therefore, this Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-231448
According to the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H11-107, there is an effect that it is possible to suppress a decrease in the ability to detect oxygen concentration during use in a high-temperature atmosphere gas.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記したヒー
タ付チタニアチップタイプセンサを含めた従来の酸化物
半導体ガスセンサは、その独特な構造に由来して、解決
されなければならない問題を有している。すなわち、か
かるセンサの場合、排ガス中の付着物は前記したように
最外層のトラップ層で十分に捕捉でき問題はないけれど
も、排ガス中に同時に多量に含まれる未燃焼の可燃性ガ
ス(炭化水素HC、水素H2 、一酸化炭素COなど)
は、トラップ層内及び/又はチタニア感ガス層内で貴金
属触媒の作用により燃焼するという問題をかかえてい
る。このような可燃性ガスの燃焼は、その際に発生する
熱によって感ガス層内の部分的高温化をひきおこし、チ
タニア粒子の粒成長を惹起し、その結果としてチタニア
抵抗の変化をひきおこす。容易に理解されるように、測
定されるチタニア抵抗に変化があった場合、最終的に測
定される酸素濃度が不正確になるという重要な問題が生
じてくる。However, conventional oxide semiconductor gas sensors, including the above-described titania chip type sensor with heater, have problems that must be solved due to their unique structure. . That is, in the case of such a sensor, the deposits in the exhaust gas can be sufficiently captured by the outermost trap layer as described above, and there is no problem. However, unburned combustible gas (hydrocarbon HC , Hydrogen H 2 , carbon monoxide CO, etc.)
Has a problem of burning by the action of a noble metal catalyst in the trap layer and / or the titania-sensitive gas layer. Such combustion of the combustible gas causes a partial increase in the temperature of the gas-sensitive layer due to the heat generated at that time, causing the grain growth of titania particles and, as a result, a change in titania resistance. As will be readily appreciated, any change in the measured titania resistance raises a significant problem in that the final measured oxygen concentration will be inaccurate.
【0005】チタニア抵抗の変化は、その温度依存性を
示す図8のグラフから容易に理解できるであろう。図8
は、図7に示したようなヒータ付チタニアチップタイプ
センサにおいてチタニア抵抗の温度依存性を評価するた
めに行った耐久試験の結果をプロットしたグラフであ
り、リッチ抵抗、リーン抵抗とも、初期段階(カーブ
A)から所定時間後(カーブB)へと経時するにつれて
約0.3〜0.5桁上昇している。このチタニア抵抗の上昇
幅は、センサ素子温度の変化とはほぼ無関係である。The change in titania resistance can be easily understood from the graph of FIG. 8 showing the temperature dependence. FIG.
Is a graph plotting the results of a durability test performed to evaluate the temperature dependence of titania resistance in a titania chip type sensor with a heater as shown in FIG. 7. As time elapses after the predetermined time (curve B) from the curve A), it increases by about 0.3 to 0.5 digit. This increase in the titania resistance is almost independent of the change in the sensor element temperature.
【0006】本発明の目的は、したがって、高温雰囲気
ガス中に含まれる未燃焼の可燃性ガスの燃焼に原因す
る、感ガス層を構成する金属酸化物半導体の半導体粒子
の粒成長を惹起しないような酸化物半導体ガスセンサを
提供することにある。Accordingly, an object of the present invention is to prevent the growth of semiconductor particles of the metal oxide semiconductor constituting the gas-sensitive layer due to the combustion of the unburned combustible gas contained in the high-temperature atmosphere gas. To provide a simple oxide semiconductor gas sensor.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】上記した目的は、本発明
によれば、雰囲気ガスの酸素分圧に応じて抵抗値が変化
する金属酸化物半導体からなる感ガス層を基板上に有し
てなる酸化物半導体ガスセンサであって、前記感ガス層
のガス接触側に、成形時の密度と、1400℃の温度で
熱処理した後の密度との差が20%以内であり、かつ1
400℃の温度で熱処理した時の気孔率が30%以上で
ある高耐熱材料を貴金属触媒と組み合わせて有する可燃
性ガス反応層と、トラップ層とが順次設けられているこ
とを特徴とする酸化物半導体ガスセンサによって達成す
ることができる。According to the present invention, there is provided a gas-sensitive layer comprising a metal oxide semiconductor having a resistance value which changes in accordance with an oxygen partial pressure of an atmosphere gas. The difference between the density at the time of molding and the density after heat treatment at a temperature of 1400 ° C. is within 20% on the gas contact side of the gas-sensitive layer, and 1
An oxide characterized in that a combustible gas reaction layer having a highly heat-resistant material having a porosity of 30% or more when heat-treated at a temperature of 400 ° C. or more in combination with a noble metal catalyst, and a trap layer are sequentially provided. This can be achieved by a semiconductor gas sensor.
【0008】本発明のガスセンサにおいて、その感応部
は、前記した通り、基板とその上方に施された感ガス層
とからなる。感応部は、この技術分野において一般的に
用いられているいろいろな形状を有することができ、但
し、好ましくは、ヒータ付チップタイプセンサの感応部
であり、以下においてはこの種の感応部を参照して本発
明を説明する。感応部の基板は、好ましくはアルミナな
どの材料から構成し、また、感ガス部は、好ましくは高
温還元雰囲気に強いチタニアから構成する。しかし、必
要に応じて、酸化すず、酸化亜鉛などの金属酸化物半導
体から感ガス層を構成してもよい。[0008] In the gas sensor of the present invention, as described above, the sensitive portion comprises the substrate and the gas-sensitive layer provided thereon. The sensitive part may have various shapes commonly used in this technical field, but is preferably a sensitive part of a chip type sensor with a heater, and hereinafter, refer to such a sensitive part. The present invention will be described as follows. The substrate of the sensitive part is preferably made of a material such as alumina, and the gas-sensitive part is preferably made of titania that is resistant to a high-temperature reducing atmosphere. However, if necessary, the gas-sensitive layer may be composed of a metal oxide semiconductor such as tin oxide or zinc oxide.
【0009】本発明のガスセンサでは、感ガス層のガス
接触側に、1400℃の熱処理で成形密度との差が20%以内
であり、かつその時の気孔率が30%以上である高耐熱材
料からなる可燃性ガス反応層が設けられていることが特
徴である。この可燃性ガス反応層は、従来の技術の項で
説明したように排ガス中に未燃焼の可燃性ガス(HC,
H2 ,COなど)があった場合、それらのガスが感ガス
層内で燃焼し、層内の部分的高温化を惹起するのを防止
するのに有効である。可燃性ガス反応層は、非常に焼結
性の悪い材料から構成することが好ましく、適当な材料
として、以下のものに限定されるわけではないけれど
も、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、スピネルなど
をあげることができる。In the gas sensor according to the present invention, a heat-resistant material having a difference from the molding density within 20% and a porosity at that time of 30% or more at a heat treatment at 1400 ° C. is provided on the gas contact side of the gas-sensitive layer. It is characterized in that a combustible gas reaction layer is provided. This combustible gas reaction layer contains unburned combustible gas (HC, HC) in exhaust gas as described in the section of the prior art.
H 2, if the CO, etc.) had their gas is combusted in a gas sensitive layer is effective to prevent the elicit a partial high temperature of the layer. The flammable gas reaction layer is preferably made of a material having extremely poor sintering properties. Suitable materials include, but are not limited to, alumina, magnesia, zirconia, spinel, and the like. Can be.
【0010】本発明のガスセンサでは、排ガス中の付着
物を捕捉してセンサの耐久性を向上させたり、感ガス層
を保護したりする等の目的のため、従来一般的に行なわ
れているように、感ガス層の上にさらにトラップ層を設
けることが推奨される。トラップ層の材料としては、感
ガス層と同じチタニア、又はアルミナ等をあげることが
できる。[0010] The gas sensor of the present invention is generally used for the purpose of capturing the deposits in the exhaust gas to improve the durability of the sensor and protecting the gas-sensitive layer. In addition, it is recommended to further provide a trap layer on the gas-sensitive layer. As the material of the trap layer, the same titania or alumina as in the gas-sensitive layer can be used.
【0011】本発明のガスセンサは、前記したように、
排ガス中の酸素濃度を測定するために有利に用いること
ができるけれども、必要に応じてその他のガス中の酸素
濃度あるいはその他の成分の濃度を測定するために利用
することができる。[0011] As described above, the gas sensor of the present invention comprises:
Although it can be advantageously used to measure the oxygen concentration in the exhaust gas, it can be used to measure the oxygen concentration in other gases or the concentration of other components as required.
【0012】[0012]
【作用】本発明の酸化物半導体ガスセンサでは、トラッ
プ層と酸化物半導体の感ガス層との間に高耐熱性の未燃
焼ガス反応層を形成し、この反応層で未燃焼ガスの大部
分を燃焼させようとするものである。図7のような従来
のセンサの構成でもトラップ層27及びチタニア層25の上
部(抵抗変化に関与してない部分)が反応層の役割りを
果し得るが、チタニア層25内で未燃焼ガスを燃焼させる
と抵抗値には影響はないが上層部の気孔径が変化するの
で、センサ特性、特に応答性に影響する。トラップ層27
内で未燃焼ガスを燃焼させても同様な問題が発生する。
すなわち、トラップ層の気孔径が燃焼の結果として変化
するし、また、トラップ層をアルミナ系材料等の焼結性
の悪い材料から構成するとトラップ能力の低下やアルミ
ナ基板との密着性の低下等の問題が発生するので、従来
のような二層構成では未燃焼ガスの問題を解決すること
はできない。In the oxide semiconductor gas sensor of the present invention, a high heat resistant unburned gas reaction layer is formed between the trap layer and the oxide semiconductor gas-sensitive layer, and the reaction layer removes most of the unburned gas. It is intended to burn. In the configuration of the conventional sensor as shown in FIG. 7, the upper portions (portions not involved in the resistance change) of the trap layer 27 and the titania layer 25 can serve as a reaction layer. Burning does not affect the resistance value, but changes the pore size of the upper layer, which affects sensor characteristics, particularly responsiveness. Trap layer 27
A similar problem occurs even if unburned gas is burned in the furnace.
That is, the pore size of the trap layer changes as a result of combustion, and if the trap layer is made of a material having poor sinterability, such as an alumina-based material, a decrease in trapping capability and a decrease in adhesion to the alumina substrate may occur. Since a problem arises, the problem of unburned gas cannot be solved by the conventional two-layer structure.
【0013】本発明のガスセンサは図1に示すように、
チタニア感ガス層5は従来と同様のもので、その上に非
常に焼結性の悪い材料から反応層6を形成し、この反応
層を包み込むようにトラップ層7を薄く付けた三層構成
になっている。ここで、トラップ層7の厚みを厚くする
とトラップ層の粒変化が起きるので、トラップ層の膜厚
は10〜30μm程度にする必要がある。未燃焼ガスはセン
サ素子10の最外表面ではほとんど燃焼せず、数十ミクロ
ンほど内部に侵入してから燃焼し、また、周囲に放熱す
るので、最外表面は従来の材質のトラップ層でも厚さに
注意すれば問題はない。また、反応層6を構成する材料
は、反応層内で未燃焼ガスが燃焼することを考慮して、
高耐熱性のものでなければならない。したがって、反応
層に使用できるものとしては、前記したようにアルミ
ナ、マグネシア、ジルコニア、スピネルなどがある。し
かし、これらの材料においても、粉体の特性として種々
のものがあり、焼結性の良い粉末はしたがって使用する
ことはできない。ここで、未燃焼ガスが反応層内で燃焼
するとミクロ的には1400℃程度の温度になると推定でき
るので、1400℃までの焼結性の悪い粉体を選定する必要
がある。すなわち、本発明の可燃性ガス反応層は、1400
℃での熱処理で成形密度との差が20%以内であり、かつ
その時の気孔率が30%以上である高耐熱材料からなる必
要がある。[0013] The gas sensor of the present invention, as shown in FIG.
The titania gas-sensitive layer 5 is the same as that of the related art, and has a three-layer structure in which a reaction layer 6 is formed from a material having a very poor sintering property, and a trap layer 7 is thinly provided so as to surround the reaction layer. Has become. Here, when the thickness of the trap layer 7 is increased, a change in the grain size of the trap layer occurs. Therefore, the thickness of the trap layer needs to be about 10 to 30 μm. The unburned gas hardly burns on the outermost surface of the sensor element 10, but penetrates into the interior for about several tens of microns and burns, and radiates heat to the surroundings. There is no problem if you pay attention to it. In addition, the material constituting the reaction layer 6 is determined in consideration of unburned gas burning in the reaction layer.
It must be highly heat resistant. Accordingly, as a material usable for the reaction layer, there are alumina, magnesia, zirconia, spinel and the like as described above. However, even among these materials, there are various characteristics of the powder, and a powder having good sinterability cannot be used. Here, when the unburned gas is burned in the reaction layer, it can be estimated that the temperature will be about 1400 ° C. microscopically, so it is necessary to select a powder having poor sinterability up to 1400 ° C. That is, the combustible gas reaction layer of the present invention is 1400
It is necessary to be made of a high heat-resistant material having a difference from the molding density within 20% in the heat treatment at ° C and a porosity at that time of 30% or more.
【0014】[0014]
【実施例】以下、本発明を図1の酸素濃度センサを例に
とって説明する。図1の酸素濃度センサは、図示の通
り、全体をセンサ素子10として参照されるものであり、
ヒータ2を内蔵せるアルミナ基板1からなる。このセン
サ素子10の感応部において対を構成する電極3及び4
は、それぞれ、白金からなる。感応部は、チタニア感ガ
ス層5、可燃性ガス反応層6、そしてトラップ層7の三
層構造を有する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the oxygen concentration sensor shown in FIG. The oxygen concentration sensor in FIG. 1 is referred to as a sensor element 10 as a whole, as shown in FIG.
It consists of an alumina substrate 1 with a built-in heater 2. Electrodes 3 and 4 forming a pair in the sensitive part of this sensor element 10
Are each made of platinum. The sensitive part has a three-layer structure of a titania-sensitive gas layer 5, a combustible gas reaction layer 6, and a trap layer 7.
【0015】図1のセンサは、例えば、図3及び図4に
示すような電極形成後のセンサ本体も用いて、図5に段
階を追って示すような手法に従って製造することができ
る。すなわち、先ず最初に、図3に示すような形状を有
するアルミナ基板1の一部に白金電極3及び4が露出せ
る窓をあけて感応部を構成する。この感応部は、図3の
線分IV−IVにそった断面である図4に示されるように、
アルミナ基板1内に内蔵ヒータ2を含有する。アルミナ
基板1の末端には、電極3,4に接続されたリード線8
が取り付けられている。The sensor shown in FIG. 1 can be manufactured, for example, by using the sensor body after the electrodes are formed as shown in FIGS. That is, first, a sensitive part is formed by opening a window for exposing the platinum electrodes 3 and 4 in a part of the alumina substrate 1 having a shape as shown in FIG. As shown in FIG. 4, which is a cross-section taken along line IV-IV in FIG.
A built-in heater 2 is contained in an alumina substrate 1. At the end of the alumina substrate 1, a lead wire 8 connected to the electrodes 3 and 4 is provided.
Is attached.
【0016】感ガス層5の形成は、図5(A)に示され
るようにして行う。すなわち、アルミナ基板1の感応部
の窓枠の部分に、高純度チタニア粉末と白金−ロジウム
触媒の混合物をさらに有機バインダと混合して得たペー
ストを塗布し、乾燥した後に高温で焼成する。このよう
にして感ガス層5を形成した後、図5(B)に示される
ようにして可燃性ガス反応層6の形成を行う。アルミナ
粉末と白金−ロジウム触媒の混合物をさらに有機バイン
ダと混合して得たペーストを感ガス層5の上面に塗布
し、乾燥する。次いで、図示しないけれども、トラップ
層を形成する。トラップ層の形成は、アルミナ粉末から
上記した反応層の形成と同様にしてペーストを得(ただ
し触媒を担持せず)、このペーストを反応層の上面に塗
布し、乾燥する。引き続いて、乾燥後の反応層とトラッ
プ層を同時に高温で焼成する。図1に断面で示す本発明
のセンサがしたがって得られる。例 1 図3及び図4のような形状のヒータを内蔵したアルミナ
基板の窓枠の部分に高純度チタニア粉末と白金−ロジウ
ム触媒を混合したものに有機バインダを添加してペース
ト状にしたものを膜厚 200μmで塗布し、乾燥し、そし
て1200℃で2時間にわたって焼成した。チタニア感ガス
層が形成された。The gas-sensitive layer 5 is formed as shown in FIG. That is, a paste obtained by further mixing a mixture of high-purity titania powder and a platinum-rhodium catalyst with an organic binder is applied to the window frame portion of the sensitive portion of the alumina substrate 1, dried, and fired at a high temperature. After the formation of the gas-sensitive layer 5 in this manner, the formation of the combustible gas reaction layer 6 is performed as shown in FIG. A paste obtained by further mixing a mixture of alumina powder and a platinum-rhodium catalyst with an organic binder is applied to the upper surface of the gas-sensitive layer 5 and dried. Next, although not shown, a trap layer is formed. The trap layer is formed by obtaining a paste from the alumina powder in the same manner as the above-described reaction layer (but not carrying a catalyst), applying the paste to the upper surface of the reaction layer, and drying. Subsequently, the dried reaction layer and the trap layer are simultaneously fired at a high temperature. The sensor according to the invention, shown in cross section in FIG. 1, is thus obtained. Example 1 A mixture of high-purity titania powder and a platinum-rhodium catalyst mixed with an organic binder in a window frame portion of an alumina substrate containing a heater having a shape as shown in FIGS. Coated at 200 μm thickness, dried and fired at 1200 ° C. for 2 hours. A titania-sensitive gas layer was formed.
【0017】次いで、反応層を形成した。この反応層の
形成のため、いずれも焼結性を示す4種類のアルミナ粉
末を用意し(図6の,,及び)、上記したチタ
ニア感ガス層の場合と同様に白金−ロジウム触媒を担持
してからペースト状にし、感ガス層上に膜厚 200μmで
塗布し、乾燥した。次いで、トラップ層を形成するた
め、平均粒径0.5μmのアルミナ粉末を触媒を担持せず
に前記と同様にしてペースト状にし、膜厚30μmで塗布
し、乾燥した。この層を反応層とともに1100℃で2時間
にわたって焼成した。図1に断面で示すセンサが得られ
た。Next, a reaction layer was formed. In order to form this reaction layer, four types of alumina powders each exhibiting sinterability were prepared (FIGS. 6 and 7), and a platinum-rhodium catalyst was loaded thereon as in the case of the above-described titania-sensitive layer. Then, it was made into a paste, applied on the gas-sensitive layer with a thickness of 200 μm, and dried. Next, in order to form a trap layer, an alumina powder having an average particle size of 0.5 μm was formed into a paste in the same manner as described above without carrying a catalyst, applied in a thickness of 30 μm, and dried. This layer was fired with the reaction layer at 1100 ° C. for 2 hours. The sensor shown in cross section in FIG. 1 was obtained.
【0018】得られた4種類のセンサをプロパンガスバ
ーナでガス温度 400℃としたガス雰囲気にさらし、2秒
周期でリッチ−リーン切換えを行い、又センサ温度を内
蔵ヒータで 800℃になるようにセットし、 200時間連続
で耐久試験を行った。また、比較試料として反応層を有
しない試料を調製し、この試料で上記トラップ層の厚み
が30μmのものと 100μmのものの2種類を準備し、同
じ耐久試験に供した。その結果、反応層を付与した上記
4種類のセンサは図2のように耐久後の抵抗変化は非常
に良好であった。なお、図中のカーブA及びBは、それ
ぞれ、前記した図8の場合と同様、初期段階及び所定時
間後を意味する。リッチ抵抗、リーン抵抗とも全く上昇
していない点に着目されたい。The obtained four types of sensors are exposed to a gas atmosphere at a gas temperature of 400 ° C. with a propane gas burner, and rich-lean switching is performed in a cycle of 2 seconds, and the sensor temperature is set to 800 ° C. with a built-in heater. Then, the durability test was performed continuously for 200 hours. Further, as a comparative sample, a sample having no reaction layer was prepared, and two types of the sample having the thickness of the trap layer of 30 μm and 100 μm were prepared and subjected to the same durability test. As a result, the four types of sensors provided with the reaction layers showed a very good resistance change after endurance as shown in FIG. Note that curves A and B in the figure respectively indicate the initial stage and after a predetermined time, as in the case of FIG. 8 described above. Note that neither the rich resistance nor the lean resistance has risen at all.
【0019】しかし、図6におけるアルミナ粉末及び
の使用例では、反応層自身の焼成が進むとともに気孔
率が顕著に低下し、センサの応答性が悪化した。又、比
較試料でトラップ層の厚みが30μmのものは可燃性ガス
がチタニア層内部で燃焼し、図8のように所定時間後は
チタニア抵抗が大きく変化した。トラップ層の厚みが10
0μmのものは、チタニア抵抗の変化は厚みが30μmの
ものよりはやゝ少くなったが、依然としてトラップ層の
焼結が進み、応答性が悪化した。However, in the example of using alumina powder and FIG. 6, as the firing of the reaction layer itself progressed, the porosity remarkably decreased, and the responsiveness of the sensor deteriorated. In the comparative sample having a trap layer thickness of 30 μm, the flammable gas burned inside the titania layer, and the titania resistance greatly changed after a predetermined time as shown in FIG. Trap layer thickness is 10
In the case of 0 μm, the change in titania resistance was slightly smaller than that in the case of the thickness of 30 μm, but the sintering of the trap layer still proceeded, and the response was deteriorated.
【0020】以上の結果より、反応層に要求される特性
は、1400℃の熱処理で成形密度との差が20%以内であ
り、かつその時の気孔率が30%以上であることが望まし
いことが理解される。本実施例では、反応層材料として
アルミナを使用したが、前述したように、アルミナ以外
にマグネシア、ジルコニア、スピネル等も、上記した条
件を満足するものであれば反応層材料として使用可能で
ある。From the above results, the characteristics required for the reaction layer are that it is desirable that the difference from the molding density in the heat treatment at 1400 ° C. is within 20% and the porosity at that time is 30% or more. Understood. In the present embodiment, alumina was used as the reaction layer material. However, as described above, magnesia, zirconia, spinel, etc., other than alumina, can also be used as the reaction layer material as long as the above conditions are satisfied.
【0021】[0021]
【発明の効果】本発明によれば、センサの耐熱性は従来
のセンサよりかなり良くなり、その結果センサ制御温度
を従来よりも 100〜 150℃高くすることが可能となり、
最高 850℃で制御ができる。このように高い温度は自動
車の排ガス最高温度に匹敵する。また、抵抗変化型のセ
ンサは、図8に示すように抵抗値の温度依存性が非常に
大きくセンサ温度により特性が変化する。そのため、現
状では内蔵ヒータによりセンサ温度を 700℃前後にコン
トロールしている。しかし、排ガス温度が制御温度より
低い場合は問題ないが、制御温度よりも高いと制御でき
ず、センサ温度はなりゆきとなりセンサ特性は変化す
る。しかし、本発明のセンサでは、センサ温度を排ガス
最高温度付近で制御できるために、常にセンサ温度を一
定に保つことができる。そのためにセンサの温度特性を
きわめて小さくすることができる。According to the present invention, the heat resistance of the sensor is considerably improved as compared with the conventional sensor, and as a result, the sensor control temperature can be increased by 100 to 150 ° C. as compared with the conventional sensor.
It can be controlled up to 850 ℃. Such a high temperature is comparable to the maximum exhaust gas temperature of an automobile. Further, the resistance change type sensor has a very large temperature dependence of the resistance value as shown in FIG. 8, and the characteristics change depending on the sensor temperature. Therefore, at present, the sensor temperature is controlled around 700 ° C by the built-in heater. However, if the exhaust gas temperature is lower than the control temperature, there is no problem. However, if the exhaust gas temperature is higher than the control temperature, the control cannot be performed. However, in the sensor of the present invention, the sensor temperature can be controlled near the maximum exhaust gas temperature, so that the sensor temperature can always be kept constant. Therefore, the temperature characteristics of the sensor can be made extremely small.
【図1】本発明による酸素濃度センサの構造を示す断面
図である。FIG. 1 is a sectional view showing a structure of an oxygen concentration sensor according to the present invention.
【図2】本発明のセンサにおけるチタニア抵抗の温度依
存性を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the temperature dependence of titania resistance in the sensor of the present invention.
【図3】電極形成後のセンサ本体を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing a sensor main body after electrodes are formed.
【図4】図3のセンサ本体の線分IV−IVにそった断面図
である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of the sensor main body of FIG. 3;
【図5】本発明のセンサの感ガス部の形成を順を追って
示す断面図である。FIG. 5 is a sectional view showing formation of a gas-sensitive portion of the sensor of the present invention in order.
【図6】本発明のセンサにおける焼成温度による気孔率
の変化を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing a change in porosity according to a firing temperature in the sensor of the present invention.
【図7】従来の酸素濃度センサの構造を示す断面図であ
る。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a structure of a conventional oxygen concentration sensor.
【図8】従来のセンサにおけるチタニア抵抗の温度依存
性を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the temperature dependence of titania resistance in a conventional sensor.
1…アルミナ基板 2…内蔵ヒータ 3…白金電極 4…白金電極 5…チタニア感ガス層 6…反応層 7…トラップ層 10…センサ素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Alumina substrate 2 ... Built-in heater 3 ... Platinum electrode 4 ... Platinum electrode 5 ... Titania gas-sensitive layer 6 ... Reaction layer 7 ... Trap layer 10 ... Sensor element
Claims (1)
変化する金属酸化物半導体からなる感ガス層を基板上に
有してなる酸化物半導体ガスセンサであって、前記感ガ
ス層のガス接触側に、成形時の密度と、1400℃の温
度で熱処理した後の密度との差が20%以内であり、か
つ1400℃の温度で熱処理した時の気孔率が30%以
上である高耐熱材料を貴金属触媒と組み合わせて有する
可燃性ガス反応層と、トラップ層とが順次設けられてい
ることを特徴とする酸化物半導体ガスセンサ。1. An oxide semiconductor gas sensor having a gas-sensitive layer made of a metal oxide semiconductor whose resistance value changes according to an oxygen partial pressure of an atmospheric gas on a substrate, wherein the gas of said gas-sensitive layer is On the contact side, the density at molding and the temperature of 1400 ° C
A high heat-resistant material having a difference from the density after heat treatment at a temperature of 20% or less and a porosity of 30% or more when heat-treated at a temperature of 1400 ° C. in combination with a noble metal catalyst. An oxide semiconductor gas sensor having a combustible gas reaction layer and a trap layer sequentially provided.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3094191A JP2847979B2 (en) | 1991-02-26 | 1991-02-26 | Oxide semiconductor gas sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3094191A JP2847979B2 (en) | 1991-02-26 | 1991-02-26 | Oxide semiconductor gas sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04269650A JPH04269650A (en) | 1992-09-25 |
| JP2847979B2 true JP2847979B2 (en) | 1999-01-20 |
Family
ID=12317707
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3094191A Expired - Lifetime JP2847979B2 (en) | 1991-02-26 | 1991-02-26 | Oxide semiconductor gas sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2847979B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101773099B1 (en) | 2016-04-28 | 2017-08-31 | 세종공업 주식회사 | Thin film catalytic combustion type gas sensor for type |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002357579A (en) * | 2001-05-31 | 2002-12-13 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Humidify sensor |
| JP4589376B2 (en) * | 2007-01-16 | 2010-12-01 | 日本特殊陶業株式会社 | Gas sensor |
| EP1950558B1 (en) | 2007-01-16 | 2019-04-03 | NGK Spark Plug Co., Ltd. | Gas sensor |
| JP5027024B2 (en) * | 2008-03-21 | 2012-09-19 | 日本碍子株式会社 | Oxygen concentration measurement method |
-
1991
- 1991-02-26 JP JP3094191A patent/JP2847979B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101773099B1 (en) | 2016-04-28 | 2017-08-31 | 세종공업 주식회사 | Thin film catalytic combustion type gas sensor for type |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04269650A (en) | 1992-09-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2514701B2 (en) | Oxygen sensor | |
| JP4595264B2 (en) | Oxygen sensor element and manufacturing method thereof | |
| US6514397B2 (en) | Gas sensor | |
| EP0310063B1 (en) | Sensor for measurement of air/fuel ratio | |
| JPH06510854A (en) | Exhaust gas sensor and its manufacturing method | |
| US4584086A (en) | Device for detecting concentration of oxygen in exhaust gas | |
| JPH11160273A (en) | Oxygen sensor | |
| JPS61241657A (en) | Oxygen sensor element | |
| US4786476A (en) | Gas sensor element using porously fired mass of titania | |
| JP2847979B2 (en) | Oxide semiconductor gas sensor | |
| JPS6179155A (en) | oxygen sensor element | |
| JP2811976B2 (en) | Oxide semiconductor gas sensor | |
| JP2589130B2 (en) | Oxygen sensor element | |
| JPS6366448A (en) | Gas detector | |
| JPH09113480A (en) | Oxygen sensor element | |
| JPH05126777A (en) | Oxide semiconductor type oxygen sensor | |
| JPS5840695B2 (en) | gas sensing element | |
| JP3065182B2 (en) | Catalyst purification rate detector | |
| JPS6367556A (en) | Gas detector | |
| JPS5910616Y2 (en) | Catalyst supported oxygen sensor element | |
| JPH05256816A (en) | Oxygen sensor and manufacturing method thereof | |
| JPH0713602B2 (en) | Thick film gas sensor element | |
| JPH03216546A (en) | Activation treatment of oxygen sensor element | |
| JP2501169Y2 (en) | Oxygen sensor | |
| JPS62452B2 (en) |