JPH03140860A - Oxygen sensor - Google Patents

Oxygen sensor

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Publication number
JPH03140860A
JPH03140860A JP1279180A JP27918089A JPH03140860A JP H03140860 A JPH03140860 A JP H03140860A JP 1279180 A JP1279180 A JP 1279180A JP 27918089 A JP27918089 A JP 27918089A JP H03140860 A JPH03140860 A JP H03140860A
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JP
Japan
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electrode
electrolyte layer
solid electrolyte
laf3
film
Prior art date
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Pending
Application number
JP1279180A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kaoru Kitakizaki
薫 北寄崎
Yoshihiko Asano
義彦 浅野
Yasuhiro Yoshioka
靖浩 吉岡
Kazuhiko Kawakami
和彦 河上
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Publication date
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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

PURPOSE:To reduce the manufacturing cost of a sensor and to improve an oxygen concentration detecting characteristic by providing a solid-electrolyte layer on a first electrode shaped in a thin film and formed on a porous substrate and by providing a second electrode shaped in a thin film and formed on the layer. CONSTITUTION:First, a first electrode 3 is prepared by forming a platinum Pt film of a thickness 5,000Angstrom approx. on a porous substrate 1 by a sputtering method. Next, a solid-electrolyte layer 4 of a thickness 60 mum is formed on the porous substrate 1 by a plasma spray method. As for a solid electrolyte, LaF3 is used. As for material powder for plasma spray, LaF3 powder of an average particle size 1 mum is used. The average particle size of the LaF3 powder is preferably 2 mum or below. Moreover, a platinum film of a thickness 5,000 Angstrom approx. is formed on the solid-electrolyte layer 4 by the sputtering method, so as to prepare a second electrode 5. According to this method, it is possible to reduce the manufacturing cost of a sensor and to improve an oxygen concen tration detecting characteristic.

Description

【発明の詳細な説明】 A、産業上の利用分野 本発明は、固体電解質とし゛Cフッ化ランタンを用いた
酸素センサに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION A. Field of Industrial Application The present invention relates to an oxygen sensor using lanthanum fluoride as a solid electrolyte.

B6発明の概要 本発明は、低温でもセンサとして動作可能なフッ化ラン
タンを固体電解質として使用するものであり、多孔質基
板上に薄膜状の第1電極を形成し、小粒径のフッ化ラン
タン粉末をプラズマスプレー法により溶射することによ
り、第1電極上にフッ化ランタンの固体電解質層を形成
し、この固体電解質層上に薄膜状の第2電極を形成して
酸素センサを構成することとし、 良好な耐久性を有し、しかも安価に製造できるものとし
たものである。
B6 Summary of the Invention The present invention uses lanthanum fluoride, which can operate as a sensor even at low temperatures, as a solid electrolyte, and forms a first electrode in the form of a thin film on a porous substrate. A solid electrolyte layer of lanthanum fluoride is formed on the first electrode by spraying the powder using a plasma spray method, and a thin film-like second electrode is formed on this solid electrolyte layer to construct an oxygen sensor. , which has good durability and can be manufactured at low cost.

C1従来の技術 一般に、燃焼ガス中の酸素を測定するものとして、固体
電解質として用いた酸素センサが実用化されている。
C1 Prior Art In general, oxygen sensors using solid electrolytes have been put into practical use to measure oxygen in combustion gas.

固体電解質としては、通常、安定化ジルコニアが使用さ
れる。しかし安定化ジルコニアを用いた酸素センサは、
高温でしか使用できない欠点がある。温度が低い場合、
起電力が発生せず、通常400°C以」二の温度で使用
しなければならない。
Stabilized zirconia is usually used as the solid electrolyte. However, oxygen sensors using stabilized zirconia
The disadvantage is that it can only be used at high temperatures. If the temperature is low,
It does not generate an electromotive force and must normally be used at temperatures above 400°C.

このため、現在、低温においても動作する酸素センサが
研究されており、たとえば固体電解質にフッ化うンタン
(LaF3)を用いたものが提案されている(特開昭6
1−132855号公報参照)。
For this reason, oxygen sensors that operate even at low temperatures are currently being researched; for example, one using fluoride (LaF3) as a solid electrolyte has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 6
1-132855).

D3発明が解決しようとする課題 上記のLaF3を用いた酸素センサは、単結晶La F
3を使用しなければならないので、非常に高価なものと
なる。このため、商業的に不向きであり、実用化には至
っていない。
D3 Problems to be Solved by the Invention The above-mentioned oxygen sensor using LaF3 is a monocrystalline LaF3
3 must be used, making it very expensive. For this reason, it is not commercially suitable and has not been put into practical use.

ここでLaF3を薄膜化し、安価に製作することが考え
られる。薄膜製造技術には、抵抗加熱蒸着法やE、B、
蒸着法、スパッタリング法、CVD法ナトがあり、膜厚
が50μm以上であればスプレー法(溶射法)もある。
Here, it is possible to reduce the thickness of LaF3 and manufacture it at low cost. Thin film manufacturing techniques include resistance heating evaporation, E, B,
There are vapor deposition methods, sputtering methods, and CVD methods, and there is also a spray method (thermal spray method) if the film thickness is 50 μm or more.

しかし、いずれの薄膜製造技術によっても、良好な酸素
センサを得るには問題がある。
However, there are problems in obtaining good oxygen sensors using either thin film manufacturing technique.

抵抗加熱蒸着法やE、 B、蒸着法では、形成されたL
a F3膜がコラムナー構造(柱状構造)をしており、
酸素センサとして長時間使用すると、熱歪によってLa
F3膜にクラックが入ってしまい、起電力が発生しなく
なるという問題がある。
In the resistance heating evaporation method and the E, B, evaporation method, the formed L
a The F3 membrane has a columnar structure (columnar structure),
When used as an oxygen sensor for a long time, La
There is a problem in that the F3 film is cracked and no electromotive force is generated.

また、スパッタリング法では、成膜速度が非常に遅く、
生産性が悪い。またCVD法では、熱分解CVD法であ
っても、フィルム状の極めて滑らかな膜を得ることがで
きない。
In addition, the sputtering method has a very slow film formation rate.
Poor productivity. Further, in the CVD method, even in the case of the thermal decomposition CVD method, it is not possible to obtain an extremely smooth film-like film.

さらに、スプレー法では、プラズマスプレー法であって
も、緻密(ガスタイト)な膜を形成することが困難であ
る。
Furthermore, it is difficult to form a dense (gas-tight) film using a spray method, even when using a plasma spray method.

本発明は、このような事情に鑑み、安価な成膜技術によ
り製造可能であり、しかも良好な耐久性を有するLa 
F、による酸素センサを提供することを目的とする。
In view of these circumstances, the present invention has been developed using La, which can be manufactured using inexpensive film forming technology and has good durability.
The present invention aims to provide an oxygen sensor according to F.

E、課題を解決するための手段 本発明は、上記の目的を達成するために、次の手段を備
えた酸素センサを提供するものである。
E. Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present invention provides an oxygen sensor equipped with the following means.

■ 多孔質基板上に形成された薄膜状の第1電極。■ Thin film-like first electrode formed on a porous substrate.

■ 小粒径のLa Fa粉末をプラズマスプレー法によ
り溶射することにより、この第1電極上に形成された固
体電解質層。
(2) A solid electrolyte layer formed on the first electrode by thermally spraying small-particle-sized LaFa powder using a plasma spray method.

■ この固体電解質層上に形成された薄膜状の第2電極
■ A second electrode in the form of a thin film formed on this solid electrolyte layer.

F1作用 本発明によれば、固体電解質層は、小粒径のLaF3粉
末を使用してプラズマスプレー法により形成されている
ので、比較的緻密な構造となる。
F1 Effect According to the present invention, the solid electrolyte layer is formed by a plasma spray method using small-particle-sized LaF3 powder, so it has a relatively dense structure.

しかも、スパッタリング法などの薄膜製造技術により両
面に薄膜状の第1電極および第2電極が形成されている
ので、固体電解質層の強度が向上する。
Furthermore, since the thin film-like first and second electrodes are formed on both surfaces by a thin film manufacturing technique such as sputtering, the strength of the solid electrolyte layer is improved.

また第1電極は、多孔質基板上に形成されているので、
基板と固体電解質層の密着性が向上する。
Furthermore, since the first electrode is formed on the porous substrate,
Adhesion between the substrate and the solid electrolyte layer is improved.

それゆえ、長時間使用されても、クラックや剥離が発生
しずらい、耐久性の優れた酸素センサを実現できる。
Therefore, even if used for a long time, it is possible to realize a highly durable oxygen sensor that is unlikely to crack or peel.

G、実施例 以下、図面を用いて、本発明の詳細な説明する。G. Example Hereinafter, the present invention will be explained in detail using the drawings.

第1図は、本発明の一実施例に係る酸素センサを示す。FIG. 1 shows an oxygen sensor according to one embodiment of the invention.

この図においては、説明の便宜のため、膜厚を誇張して
示している。
In this figure, the film thickness is exaggerated for convenience of explanation.

この酸素センサの製造工程を説明する。The manufacturing process of this oxygen sensor will be explained.

1は多孔質基板(SUS316L、ボール社製、PO5
、空孔径0.5μm、空孔率約40%)である。この多
孔質基板1は、パイプ(SUS316L)2に溶接され
ている。
1 is a porous substrate (SUS316L, manufactured by Ball Co., Ltd., PO5
, pore diameter 0.5 μm, porosity approximately 40%). This porous substrate 1 is welded to a pipe (SUS316L) 2.

まず、この多孔質基板1上に、スパッタリング法により
、厚み約5,000人の白金(pt)膜を形成して第1
電極3とする。
First, a platinum (PT) film with a thickness of about 5,000 layers is formed on this porous substrate 1 by sputtering.
This is called electrode 3.

この後、多孔質基板1上に、プラズマスプレー法により
、多孔質基板1上に厚み60μmの固体電解質層4を形
成する。固体電解質としてはLaF3を使用す名。
Thereafter, a solid electrolyte layer 4 having a thickness of 60 μm is formed on the porous substrate 1 by a plasma spray method. LaF3 is used as the solid electrolyte.

ここで、このプラズマスプレー法では、プラズマスプレ
ー用の原料粉として平均粒径1μmのLaF3粉末を使
用する。LaF、粉末の平均粒径は、2μm以下が望ま
しい。また微粉末を供給可能な微粉末定量供給装置(フ
ァインフィーダ、水田鉄工製)およびプラズマ溶射装置
(水田鉄工製、5QKW級システム)を使用する。
Here, in this plasma spray method, LaF3 powder with an average particle size of 1 μm is used as raw material powder for plasma spray. The average particle size of the LaF powder is preferably 2 μm or less. In addition, a fine powder quantitative supply device (Fine Feeder, manufactured by Mizuta Iron Works) and a plasma spraying device (manufactured by Mizuta Iron Works, 5QKW class system) capable of supplying fine powder are used.

プラズマスプレー条件は、■雰囲気:大気中、■基板温
度:室温、■プラズマスプレーガンー基板距離:]55
0mm■スプレー速度=0.6Kg/h、■使用ガス:
 A r−H2、■電流:600A1■電圧 70DC
Vとした。
Plasma spray conditions are: ■Atmosphere: Air, ■Substrate temperature: Room temperature, ■Plasma spray gun-to-substrate distance: ]55
0mm ■Spray speed = 0.6Kg/h, ■Used gas:
A r-H2, ■Current: 600A1■Voltage 70DC
It was set to V.

さらに、この固体電解質層4上に、スパッタリング法に
より、厚み約5,000人の白金膜を形成して第2電極
5とする。第1電極3および第2電極5の形成法は、ス
パッタリング法に限定されず、たとえば白金を含むペー
ストを塗布し、焼成する方法でもよい。
Further, on this solid electrolyte layer 4, a platinum film having a thickness of about 5,000 wafers is formed by sputtering to form the second electrode 5. The method for forming the first electrode 3 and the second electrode 5 is not limited to the sputtering method, but may also be a method in which, for example, a paste containing platinum is applied and fired.

本実施例では、原料としてLaF3粉末を用いているの
で、単結晶LaF3を用いる酸素センサに比較して、大
幅なコストダウンが期待できる。
In this example, since LaF3 powder is used as the raw material, a significant cost reduction can be expected compared to an oxygen sensor using single crystal LaF3.

次に、この酸素センサの特性を説明する。Next, the characteristics of this oxygen sensor will be explained.

酸素センサの第1電極3側を標準空気側とし、第2電極
5側に酸素濃度の低い排気ガスを送り込み、画電極3,
5間に発生する起電力を測定した。
The first electrode 3 side of the oxygen sensor is set as the standard air side, exhaust gas with low oxygen concentration is sent to the second electrode 5 side, and the picture electrode 3,
The electromotive force generated during this period was measured.

この結果を第2図に示す。この測定は、温度300℃で
行った。
The results are shown in FIG. This measurement was performed at a temperature of 300°C.

第2図において、(イ)は本実施例に係る酸素センサの
特性を示し、(ロ)は比較例の特性を示す。比較例は、
直径10mm、厚み0.4mmの単結晶La F3の両
面にスパッタリング法により5.000人白金電極を形
成したものである。
In FIG. 2, (a) shows the characteristics of the oxygen sensor according to the present example, and (b) shows the characteristics of the comparative example. A comparative example is
5,000 platinum electrodes were formed on both sides of a single-crystal LaF3 layer with a diameter of 10 mm and a thickness of 0.4 mm by sputtering.

この測定の結果、プラズマスプレー法で成膜されたLa
F3が発生する起電力は、はぼ単結晶しaF3と同等で
あり、酸素濃度に対する応答速度は、単結晶よりも速い
ことが判った。
As a result of this measurement, the La film formed by the plasma spray method
It was found that the electromotive force generated by F3 is almost the same as that of single crystal aF3, and the response speed to oxygen concentration is faster than that of single crystal.

応答速度が速くなった理由として、次の2点が考えられ
る。
The following two points can be considered as reasons for the increased response speed.

第1に、固体電解質層4の厚みが薄い点が挙げられる。First, the solid electrolyte layer 4 is thin.

本実施例では、固体電解質層4をプラズマスプレー法に
より成膜しているので、単結晶LaF+を用いた比較例
よりも、大幅に薄くすることができる。
In this example, since the solid electrolyte layer 4 is formed by a plasma spray method, it can be made much thinner than the comparative example using single crystal LaF+.

第2に、画電極3,5が多孔質であることが挙げられる
。第1電極3を多孔質基板1」二に形成することにより
、第1電極3は多孔質となる。また固体電解質層4の表
面には適当な凹凸があるので、第2電極5も多孔質とな
る。画電極3.5が多孔質であるため、比較例と比べて
、画電極3.5の表面での触媒作用が著しく速やかに進
行するものと考えられる。
Second, the picture electrodes 3 and 5 are porous. By forming the first electrode 3 on the porous substrate 1'', the first electrode 3 becomes porous. Furthermore, since the surface of the solid electrolyte layer 4 has appropriate irregularities, the second electrode 5 also becomes porous. Since the picture electrode 3.5 is porous, it is thought that the catalytic action on the surface of the picture electrode 3.5 proceeds significantly more quickly than in the comparative example.

また、酸素センサに熱歪を加える強度試験も行った。We also conducted a strength test that applied thermal strain to the oxygen sensor.

比較例は、抵抗加熱蒸着およびE、 B、蒸着でLaF
3を成膜して固体電解質層を形成した酸素センサである
。この結果、比較例では、固体電解質層にクラックが発
生したり、基板から固体電解質層が剥離したりする条件
において、本実施例では、固体電解質層4のクラックや
基板からの剥離は発生しなかった。
Comparative examples are LaF by resistance heating evaporation and E, B, evaporation.
This is an oxygen sensor in which a solid electrolyte layer is formed by depositing No. 3 into a film. As a result, in the comparative example, under conditions where cracks occur in the solid electrolyte layer or the solid electrolyte layer peels off from the substrate, in this example, the solid electrolyte layer 4 does not crack or peel off from the substrate. Ta.

この実験により、本実施例では、固体電解質層4の強度
が高く、しかも基板との密着性も良いことが確認された
This experiment confirmed that in this example, the solid electrolyte layer 4 had high strength and good adhesion to the substrate.

この理由としては、小粒径のLaF3粉末を使用するこ
とにより、比較的緻密なLaF3膜を得ることができ、
しかもLaF、膜の両面に電極3゜5を形成することに
より、さらに強度が高まり、基板との密着性も向上した
ものと考えられる。
The reason for this is that by using LaF3 powder with a small particle size, a relatively dense LaF3 film can be obtained.
Furthermore, by forming electrodes 3.5 on both sides of the LaF film, the strength is further increased and it is believed that the adhesion to the substrate is also improved.

H6発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、LaF3粉末 [2 粉末を使用してプラズマスプレー法により固体電解質層
を形成する。したがって単結晶La F、を使用しなく
てよいので、製造コストの低廉化が期待できる。
As described in detail of the H6 invention, according to the present invention, a solid electrolyte layer is formed by a plasma spray method using LaF3 powder [2 powder. Therefore, since it is not necessary to use single crystal LaF, lower manufacturing costs can be expected.

またLa F3粉末として小粒径のものを使用して緻密
なL a F 3膜を形成し、スパッタリング法などの
薄膜製造技術により両面に薄膜状の第1電極および第2
電極を形成することにより、固体電解質層の強度や、基
板と固体電解質層の密着性を確保している。
In addition, a dense LaF3 film is formed using a small particle size LaF3 powder, and thin film-like first and second electrodes are formed on both sides using thin film manufacturing techniques such as sputtering.
By forming the electrodes, the strength of the solid electrolyte layer and the adhesion between the substrate and the solid electrolyte layer are ensured.

さらに固体電解質層の厚みを小さくでき、しかも電極が
多孔質となるので、酸素濃度に対する応答速度が向上す
る利点がある。
Furthermore, since the thickness of the solid electrolyte layer can be reduced and the electrode is porous, there is an advantage that the response speed to oxygen concentration is improved.

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

第1図は本発明の一実施例に係る酸素センサの構造を示
す断面図、第2図は第1図の酸素センサの出力特性を示
す説明図である。 1・・・多孔質基板、3・・・第1電極、4・・・固体
電解質層、5・・・第2電極。
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of an oxygen sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing the output characteristics of the oxygen sensor shown in FIG. 1. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Porous substrate, 3... 1st electrode, 4... Solid electrolyte layer, 5... 2nd electrode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)多孔質基板上に形成された薄膜状の第1電極と、 小粒径のフッ化ランタン粉末をプラズマスプレー法によ
り溶射することにより、この第1電極上に形成された固
体電解質層と、 この固体電解質層上に形成された薄膜状の第2電極と を備えた酸素センサ。
(1) A first electrode in the form of a thin film formed on a porous substrate, and a solid electrolyte layer formed on this first electrode by spraying small-particle lanthanum fluoride powder using a plasma spray method. , and a thin film-like second electrode formed on the solid electrolyte layer.
JP1279180A 1989-10-26 1989-10-26 Oxygen sensor Pending JPH03140860A (en)

Priority Applications (1)

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JP1279180A JPH03140860A (en) 1989-10-26 1989-10-26 Oxygen sensor

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JP1279180A JPH03140860A (en) 1989-10-26 1989-10-26 Oxygen sensor

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