JPH0785071B2 - 炭酸ガス検知センサ及びその製造法 - Google Patents
炭酸ガス検知センサ及びその製造法Info
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Landscapes
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、固体電解質型の炭酸ガスセンサに関するもの
である。
である。
現在開発されている固体電解質型のセンサは、普通、イ
オン伝導体からなる固体電解質チップの対向する両面に
電極を設けて構成されている。
オン伝導体からなる固体電解質チップの対向する両面に
電極を設けて構成されている。
こうした固体電解質型の炭酸ガスセンサとしては、例え
ば第２図に示すような構造の、NASICON（一般式Na1-X Z
r2 P3-X SiXO12）などのナトリウムイオン伝導体を用い
た炭酸ガスセンサがある（ニッケイ・ニュー・マテリア
ルズ、1989年11月20日、第92頁）。この炭酸ガスセンサ
はヒータｅを設けた基板ａの上にNASICONからなるペレ
ットｂの対向する両側面に、基準電極ｃとして金電極に
La0.5 Sr0.5 CoO3を付着させたものを、また検知電極ｄ
として金電極にNa2CO3を付着させたものを設け、更に検
知電極ｄ部分をガス透過膜ｆで被覆するとともにその他
の部分をガス遮断膜ｇで被覆した複雑な構造のものとな
っている。
ば第２図に示すような構造の、NASICON（一般式Na1-X Z
r2 P3-X SiXO12）などのナトリウムイオン伝導体を用い
た炭酸ガスセンサがある（ニッケイ・ニュー・マテリア
ルズ、1989年11月20日、第92頁）。この炭酸ガスセンサ
はヒータｅを設けた基板ａの上にNASICONからなるペレ
ットｂの対向する両側面に、基準電極ｃとして金電極に
La0.5 Sr0.5 CoO3を付着させたものを、また検知電極ｄ
として金電極にNa2CO3を付着させたものを設け、更に検
知電極ｄ部分をガス透過膜ｆで被覆するとともにその他
の部分をガス遮断膜ｇで被覆した複雑な構造のものとな
っている。
このような構造を持つ従来技術の炭酸ガスセンサは、小
型化に限界があるほか、ガス遮断線ｇのシール性が不完
全であると感度が低下するという欠点があり、また基板
ａ、ペレットｂ、ガス透過膜ｆ、ガス遮断膜ｇ等の熱膨
張率の違いにより歪みが生じて感度が変化したり、劣化
が起こりやすいなどの問題もある。
型化に限界があるほか、ガス遮断線ｇのシール性が不完
全であると感度が低下するという欠点があり、また基板
ａ、ペレットｂ、ガス透過膜ｆ、ガス遮断膜ｇ等の熱膨
張率の違いにより歪みが生じて感度が変化したり、劣化
が起こりやすいなどの問題もある。
本発明は、上記のような従来技術における問題点を解消
して、構造が簡単であって容易に小型化することができ
るうえ、消費電力が少なくて高信頼性の炭酸ガス検知セ
ンサを提供することを目的としたものである。
して、構造が簡単であって容易に小型化することができ
るうえ、消費電力が少なくて高信頼性の炭酸ガス検知セ
ンサを提供することを目的としたものである。
上記の目的を達成することができる本発明の炭酸ガス検
知センサは、ガス非透過性のセラミック基板上に、基準
電極層と、該基準電極層を完全に被覆する酸素イオン導
電性の固体電解質薄膜層と、イオン透過性の検知電極層
と、アルカリ金属炭酸塩とアルカリ土類金属炭酸塩との
混合物からなる検知材層とを、順に積層したことを特徴
としている。
知センサは、ガス非透過性のセラミック基板上に、基準
電極層と、該基準電極層を完全に被覆する酸素イオン導
電性の固体電解質薄膜層と、イオン透過性の検知電極層
と、アルカリ金属炭酸塩とアルカリ土類金属炭酸塩との
混合物からなる検知材層とを、順に積層したことを特徴
としている。
そして、かかる構成の炭酸ガス検知センサは、ガス非透
過性のセラミック基板上に基準電極層を形成した後公知
の成膜法により該基準電極層を完全に被覆する酸素イオ
ン導電性の固体電解質薄膜層を形成し、更に該固体電解
質薄膜層を介して該基準電極層と対向するイオン透過性
の検知電極層を積層形成した後、該検知電極層の一部又
は全部をアルカリ金属炭酸塩とアルカリ土類金属炭酸塩
との混合物からなる検知材層で被覆することにより製造
することができる。
過性のセラミック基板上に基準電極層を形成した後公知
の成膜法により該基準電極層を完全に被覆する酸素イオ
ン導電性の固体電解質薄膜層を形成し、更に該固体電解
質薄膜層を介して該基準電極層と対向するイオン透過性
の検知電極層を積層形成した後、該検知電極層の一部又
は全部をアルカリ金属炭酸塩とアルカリ土類金属炭酸塩
との混合物からなる検知材層で被覆することにより製造
することができる。
本発明の炭酸ガス検知センサにおいて用いられる基準電
極層および検知電極層は、例えば白金、パラジウム、ロ
ジウム、ルテニウム、イリジウム、金、銀等の貴金属な
どを真空蒸着やスパッタリング、あるいは貴金属などを
導電材とする導電ペーストなどを印刷するなどの適宜の
方法によって形成することができる。こうして形成され
る電極層のうち、特に検知電極層はイオン透過性である
必要があり、ナトリウムイオンや酸素イオンなどが容易
に透過できるような薄膜であることが望ましく、ピンホ
ールなどがある方が好ましい。
極層および検知電極層は、例えば白金、パラジウム、ロ
ジウム、ルテニウム、イリジウム、金、銀等の貴金属な
どを真空蒸着やスパッタリング、あるいは貴金属などを
導電材とする導電ペーストなどを印刷するなどの適宜の
方法によって形成することができる。こうして形成され
る電極層のうち、特に検知電極層はイオン透過性である
必要があり、ナトリウムイオンや酸素イオンなどが容易
に透過できるような薄膜であることが望ましく、ピンホ
ールなどがある方が好ましい。
また、本発明の炭酸ガス検知センサにおける酸素イオン
導電性の固体電解質薄膜層としては、例えばZrO2−Y2O3
系、ZrO2−CaO系、ZrO2−Yb2O3系、CeO2−CaO系、CeO2
−Sm2O3系等の酸素イオン導電性セラミックスが用いら
れ、スパッタリングなどの公知の成膜法を用いて基準電
極層上にこれを完全に被覆するように形成する。
導電性の固体電解質薄膜層としては、例えばZrO2−Y2O3
系、ZrO2−CaO系、ZrO2−Yb2O3系、CeO2−CaO系、CeO2
−Sm2O3系等の酸素イオン導電性セラミックスが用いら
れ、スパッタリングなどの公知の成膜法を用いて基準電
極層上にこれを完全に被覆するように形成する。
更に検知電極層上に設けられる検知材層は、例えば炭酸
リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどのアルカ
リ金属炭酸塩と、例えば炭酸マグネシウム、炭酸カルシ
ウム、炭酸ストロンチウム、炭酸バリウムなどのアルカ
リ土類金属炭酸塩との混合物から形成されたものであ
り、これらの中から選ばれたアルカリ金属炭酸塩とアル
カリ土類金属炭酸塩とは、それぞれの粉末を均一に混合
したのちプレスして板状やペレット状などに成形され
る。成形された検知材は、固体電解質薄膜層の上に設け
られた検知電極層の上に載置した後に加熱して融着する
等の方法で固定される。検知材の大きさは検知電極層の
一部を覆うだけのものであってもよく、或いは検知電極
層を完全に覆うことができるものであっても構わない。
リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどのアルカ
リ金属炭酸塩と、例えば炭酸マグネシウム、炭酸カルシ
ウム、炭酸ストロンチウム、炭酸バリウムなどのアルカ
リ土類金属炭酸塩との混合物から形成されたものであ
り、これらの中から選ばれたアルカリ金属炭酸塩とアル
カリ土類金属炭酸塩とは、それぞれの粉末を均一に混合
したのちプレスして板状やペレット状などに成形され
る。成形された検知材は、固体電解質薄膜層の上に設け
られた検知電極層の上に載置した後に加熱して融着する
等の方法で固定される。検知材の大きさは検知電極層の
一部を覆うだけのものであってもよく、或いは検知電極
層を完全に覆うことができるものであっても構わない。
このような本発明の炭酸ガス検知センサの構造は、例え
ば第１図に示すようなものである。
ば第１図に示すようなものである。
図において、１はガス非透過性のセラミック基板であっ
て、その下面には例えば白金、パラジウム、ロジウム、
ルテニウム、イリジウム、金、銀等の貴金属などの電気
抵抗膜を真空蒸着やスパッタリング、あるいはメッキな
どの方法か、またはこれら貴金属などを導電材とする導
電塗料を印刷するなどの方法によってヒータ６が設けら
れている。この基板１の上面には基準電極層２が設けら
れており、基準電極層２を完全に覆うように酸素イオン
導電性の固体電解質薄膜層３が形成され、その上に検知
電極層４が、さらにその上に検知材層５が設けられてい
る。
て、その下面には例えば白金、パラジウム、ロジウム、
ルテニウム、イリジウム、金、銀等の貴金属などの電気
抵抗膜を真空蒸着やスパッタリング、あるいはメッキな
どの方法か、またはこれら貴金属などを導電材とする導
電塗料を印刷するなどの方法によってヒータ６が設けら
れている。この基板１の上面には基準電極層２が設けら
れており、基準電極層２を完全に覆うように酸素イオン
導電性の固体電解質薄膜層３が形成され、その上に検知
電極層４が、さらにその上に検知材層５が設けられてい
る。
本発明の炭酸ガス検知センサは、ヒータに通電して加熱
した状態で被測定ガスを接触させると、ガス中の炭酸ガ
スの濃度に対応した起電力が両電極間に出力される。本
発明の炭酸ガス検知センサは、アルカリ金属炭酸塩とア
ルカリ土類金属炭酸塩との混合物からなる検知材を用い
ているため、安定した検知出力特性を有しており、湿度
による測定誤差は殆ど生じない。
した状態で被測定ガスを接触させると、ガス中の炭酸ガ
スの濃度に対応した起電力が両電極間に出力される。本
発明の炭酸ガス検知センサは、アルカリ金属炭酸塩とア
ルカリ土類金属炭酸塩との混合物からなる検知材を用い
ているため、安定した検知出力特性を有しており、湿度
による測定誤差は殆ど生じない。
〔実施例１〕 4mm×3mm×0.25mmのガス非透過性のアルミナ焼結体基板
の裏面に白金をスパッタすることにより発熱抵抗線を形
成してヒータとした。
の裏面に白金をスパッタすることにより発熱抵抗線を形
成してヒータとした。
更にこの基板の上面に2mm×2mmの白金の基準電極と白金
の引出し線とをスパッタリングにより形成した。
の引出し線とをスパッタリングにより形成した。
次いで基準電極を覆うように８モル％の三酸化イットリ
ウムを含む安定化ジルコニアを高周波スパッタとして固
体電解質薄膜層を形成し、続いてその上に基準電極と同
様な検知電極を形成した。
ウムを含む安定化ジルコニアを高周波スパッタとして固
体電解質薄膜層を形成し、続いてその上に基準電極と同
様な検知電極を形成した。
一方、炭酸ナトリウムと炭酸バリウムとをモル比で1:1.
7となるよう混合し、10Kg/cm2の圧力でプレス成形して3
mm×3mm×0.3mmの検知材ペレットとし、これを前記の検
知電極の上に載せたのちヒータに通電して、ペレットを
検知電極上に融着固定した。
7となるよう混合し、10Kg/cm2の圧力でプレス成形して3
mm×3mm×0.3mmの検知材ペレットとし、これを前記の検
知電極の上に載せたのちヒータに通電して、ペレットを
検知電極上に融着固定した。
このようにして作成した第１図のような構造をもつ炭酸
ガス検知センサＡを第３図の測定装置のチャンバ11に組
み込み、ヒータ５によって所定の温度に加熱し、次に流
量計７、８、９を介して所定のガス濃度となるよう空
気、酸素、炭酸ガスを混合し、更に水槽10を通過させて
所定の湿度に調整したうえ、チャンバ11に供給した。こ
うして検知電極３と基準電極４との間の起電力を電圧計
12で測定した。なお、13は外気遮断用の水槽、14は排気
口である。
ガス検知センサＡを第３図の測定装置のチャンバ11に組
み込み、ヒータ５によって所定の温度に加熱し、次に流
量計７、８、９を介して所定のガス濃度となるよう空
気、酸素、炭酸ガスを混合し、更に水槽10を通過させて
所定の湿度に調整したうえ、チャンバ11に供給した。こ
うして検知電極３と基準電極４との間の起電力を電圧計
12で測定した。なお、13は外気遮断用の水槽、14は排気
口である。
こうして素子温度を550℃として、湿り空気中及び乾燥
空気中の炭酸ガスの濃度200〜5000PPMに対する検知出力
特性を測定し、その結果を第４図に示した。
空気中の炭酸ガスの濃度200〜5000PPMに対する検知出力
特性を測定し、その結果を第４図に示した。
この結果を見ると、本発明の炭酸ガス検知センサＡは湿
度60％の空気中でも乾燥空気中とほぼ同一の検知出力特
性を有し、湿度の影響を殆ど受けないことがわかる。
度60％の空気中でも乾燥空気中とほぼ同一の検知出力特
性を有し、湿度の影響を殆ど受けないことがわかる。
〔実施例２〕 炭酸リチウムと炭酸カルシウムとをモル比で1:1となる
よう混合して検知材ペレットを作成したほかは実施例１
と同様にして、炭酸ガス検知センサＢを組み立てた。
よう混合して検知材ペレットを作成したほかは実施例１
と同様にして、炭酸ガス検知センサＢを組み立てた。
この炭酸ガス検知センサＢの検知出力特性を実施例１と
同様にして測定し、その結果を第５図に示した。
同様にして測定し、その結果を第５図に示した。
この結果を見ると、本発明の炭酸ガス検知センサＢは実
施例１の炭酸ガス検知センサＡより高い感度を示す他
は、湿度60％の空気中でも乾燥空気中とほぼ同一の検知
出力特性を有し、湿度の影響を殆ど受けないことがわか
る。
施例１の炭酸ガス検知センサＡより高い感度を示す他
は、湿度60％の空気中でも乾燥空気中とほぼ同一の検知
出力特性を有し、湿度の影響を殆ど受けないことがわか
る。
以上のように、本発明の炭酸ガス検知センサは検知出力
特性が湿度の影響を受けないという特長があるほか、消
費電力が少なくて劣化も少なく、小型化が容易であり、
またガス遮断用被膜などを設ける必要がなく構造が簡単
なので製造が容易であるという利点もある。
特性が湿度の影響を受けないという特長があるほか、消
費電力が少なくて劣化も少なく、小型化が容易であり、
またガス遮断用被膜などを設ける必要がなく構造が簡単
なので製造が容易であるという利点もある。
第１図は本発明の炭酸ガス検知センサの構成図、 第２図は従来技術の例である炭酸ガスセンサの構成図、 第３図は炭酸ガス検知センサの検知出力特性測定装置の
構成図であり、 第４図は本発明の実施例１である炭酸ガス検知センサＡ
の湿り空気中および乾燥空気中における炭酸ガス濃度に
対する検知出力特性図、 第５図は本発明の実施例２である炭酸ガス検知センサＢ
の湿り空気中および乾燥空気中における炭酸ガス濃度に
対する検知出力特性図である。 １……セラミック基板、２……基準電極層、３……固体
電解質薄膜層、４……検知電極層、５……検知材層、６
……ヒータ、７、８、９……流量計、10……水槽、11…
…チャンバ、12……電圧計、13……水槽、14……排気
口。
構成図であり、 第４図は本発明の実施例１である炭酸ガス検知センサＡ
の湿り空気中および乾燥空気中における炭酸ガス濃度に
対する検知出力特性図、 第５図は本発明の実施例２である炭酸ガス検知センサＢ
の湿り空気中および乾燥空気中における炭酸ガス濃度に
対する検知出力特性図である。 １……セラミック基板、２……基準電極層、３……固体
電解質薄膜層、４……検知電極層、５……検知材層、６
……ヒータ、７、８、９……流量計、10……水槽、11…
…チャンバ、12……電圧計、13……水槽、14……排気
口。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−256043（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−103457（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−124555（ＪＰ，Ｕ)
Claims (3)
- 【請求項１】ガス非透過性のセラミック基板上に、基準
電極層と、該基準電極層を完全に被覆する酸素イオン導
電性の固体電解質薄膜層と、イオン透過性の検知電極層
と、アルカリ金属炭酸塩とアルカリ土類金属炭酸塩との
混合物からなる検知材層とを、順に積層したことを特徴
とする炭酸ガス検知センサ。 - 【請求項２】ガス非透過性のセラミック基板の裏面にヒ
ータを設けてなる特許請求の範囲第１項記載の炭酸ガス
検知センサ。 - 【請求項３】ガス非透過性のセラミック基板上に基準電
極層を形成した後公知の成膜法により該基準電極層を完
全に被覆する酸素イオン導電性の固体電解質薄膜層を形
成し、更に該固体電解質薄膜層を介して該基準電極層と
対向するイオン透過性の検知電極層を積層形成した後、
該検知電極層の一部又は全部をアルカリ金属炭酸塩とア
ルカリ土類金属炭酸塩との混合物からなる検知材層で被
覆することを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
２項記載の炭酸ガス検知センサの製造法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2294563A JPH0785071B2 (ja) | 1990-10-31 | 1990-10-31 | 炭酸ガス検知センサ及びその製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2294563A JPH0785071B2 (ja) | 1990-10-31 | 1990-10-31 | 炭酸ガス検知センサ及びその製造法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04168356A JPH04168356A (ja) | 1992-06-16 |
| JPH0785071B2 true JPH0785071B2 (ja) | 1995-09-13 |
Family
ID=17809410
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2294563A Expired - Fee Related JPH0785071B2 (ja) | 1990-10-31 | 1990-10-31 | 炭酸ガス検知センサ及びその製造法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0785071B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2601424Y2 (ja) * | 1992-07-22 | 1999-11-22 | 矢崎総業株式会社 | 炭酸ガスセンサ |
| DE4412540C2 (de) * | 1994-03-02 | 1996-08-01 | Max Planck Gesellschaft | Referenzelektrode für galvanische Zellen mit einem kationenleitenden Festelektrolyten |
| WO1995023965A1 (de) * | 1994-03-02 | 1995-09-08 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Förderung Der Wissenschaften E.V. Berlin, De | Referenzelektrode für galvanische zellen mit einem kationenleitenden festelektrolyten |
| JP7389420B2 (ja) * | 2020-05-08 | 2023-11-30 | 国立大学法人 長崎大学 | 多孔質固体電解質ガスセンサ |
-
1990
- 1990-10-31 JP JP2294563A patent/JPH0785071B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04168356A (ja) | 1992-06-16 |
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