JPS5930059A - 空気−燃料比センサ - Google Patents

空気−燃料比センサ

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JPS5930059A
JPS5930059A JP57139880A JP13988082A JPS5930059A JP S5930059 A JPS5930059 A JP S5930059A JP 57139880 A JP57139880 A JP 57139880A JP 13988082 A JP13988082 A JP 13988082A JP S5930059 A JPS5930059 A JP S5930059A
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JP
Japan
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electrode
bonding pad
fuel ratio
air
solid electrolyte
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JP57139880A
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English (en)
Inventor
Sadayasu Ueno
上野 定寧
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/417Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells
    • GPHYSICS
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 不発q r、x 、エンジンへ供給された空気−燃料の
混合比全検出するセンサに係シ、時に排ガス中の酸素分
子の状態に応答して出力を出す空気−燃料比センサ 関
する。
公知ば 、気−燃料比セ/すは、酸素イオンを伝導する
固体を解質の両面に対向する電極を設け、該電極の一方
を大気に接触させ、上記排ガス中の酸素濃度の比に応じ
た電圧を上記電極間に生じさせるものである。
しかしながら、このような空気−燃料比センサでは大気
中の酸素濃度を基準として排ガスの状態が検出されてし
まうものでるり、排ガスの検出基準を変えることはでき
ないものであった。したがって理論空燃比の条件でステ
ップ状に変化する出力が得られるのみで、この条件を変
えることはできなかった。
本発明者は、先に、基準電極側の酸素濃度全適切な値に
設定可能な空気−燃料比センサを発明しく%公昭56−
34058号公報)、本願は上記発明に基づき、排ガス
の検出基準を変えることのできることはもちろんのこと
、量産が極めて容易でエンジンの低温始動直後から作動
させることのできる空気−燃料比センサを提供すること
にめる。
このような目的を達成するために、本発明は、排ガスと
接するように設けられた第1の電極と、酸素會キむガス
に接触するように設けられた第2の電極と、これら各′
at極と対向して設けられた第3の電極と、前記第1と
第3、第2と第3の電極との間に設けられた酸素イオン
伝導性を有する固体電解質体とを有し、第2と第3の電
極間に酸素イオンの移動が生ずるようにしたものにおい
て、前記第3の電極に電流を流して前記固体電解質体を
加熱できるようにしたものでおる。
以下、実施例を用いて本発明の詳細な説明する。
第1図(a)、 (b)、 (C)は本発明による空気
−燃料比センサの実施例を示す断面図でおる。まず、第
1図(a)に示すように、固体[j9=F質体lおよび
2がめシ、この固体4解、K体1.2はいずれも板状と
なっている。この固体電解質体1.2の材料はたとえは
安定化ジルコニア等からなるもので、グリーンシート工
法等によ多形成される。安定化剤にはイツトリア、カル
シア等、焼結助剤としてアルミナ、シリカ等力祐己合さ
れるものである。固体電解質体1.2金板状とすること
により、半導体プロセスと同様の設備によりウェーハ板
からチップ板を切り出し量産ラインに乗せることができ
る。固体電解質体1,20両面に形成される電極間距離
をばらつきなく設定することができる。さらに、固体電
解質体を予め板状に成型、焼成することによυ、必要な
寸法に研摩して電極間距離の精度と面粗さを向上させる
ことができる等の効果を有するものとなる。そして、固
体電解質体1の両面にはそれぞれ第1電極P’l 、第
3電極P3が形成され、また固体電解質体2の両面には
それぞれ第3電極PI%第2電極P2が形成されてお9
、各固体電極1および2は、前記各第3電極P3が当接
する状態で配置されている。また、第1図(b)に示す
構成においては、一枚の固体電解質体3の一面において
それぞれ電気的に分離された第1′藏極P1および第2
電極P2が形成され、他面において、前記第1電極P1
、第2電極P2と対向する形態にてM3電極P3が形成
されている。さらに、薗1図(C)に示す構成において
は、前述した第1図(a)に示す構成と類似する形態を
採シ、固体電解質体1および2との間にスペーサ4が介
在され、各固体電解質体1,2の第3電極P3が離間さ
れた配置となっている。
以下、−例とし前記第1図(b)に示した構成からなる
空気−燃料比センサの具体列を第2図(a) 、 (b
) 。
<c>を用いて説明する。第2図(a)は平面図、第2
図(bJは断面図、第2図(C)は底面図全示している
。固体電解質体3の主表面にはたとえば触媒性能を有す
る白金族材を多孔膜状に形成するため、厚ノm貴金属導
体ペーストヲ全面に印刷、焼成する方法で導体ノーヲ形
成した後、蛇行状の溝5を形成することによシ、それぞ
れ電気的に絶縁された第1電極Pl、および第2成極P
2が形成されて釣る。このような第1(極P1、第2電
極P2が形成された固体電解質体3の一端辺近傍には、
前記第1電極Pl上にポンディングパッドB1、第2電
極Pz上にポンディングパッドB2が形成されている。
このようなポンディングパッドとしてはたとえば白金導
体ベースl印刷、焼成して形成されるものである。さら
に、固体を解質体3の主表面には前記第1電極P1%第
2電極P2金被って多孔質セラミック層6が被覆されて
いる。この多孔質セラミック層6は、第1を極P1%第
2電極P2がIft接排ガスに触れるのを防止するため
の層でsb、前記排ガスに対する透過性、触媒性能を有
するほか、前記固体電解質体3とほぼ同じ熱膨張係数を
有する材料からなっている。
さらに、固体電解質体3の裏面には、第2図(C)に示
すように、たとえば金等の弱触媒性または非Mi媒性の
耐熱性を有する厚膜貴金属導体ペーストを全面に印刷、
焼成する方法で導体層を形成した後、くシ型の溝を形成
することによシ一端から他端にかけて細線状の蛇行配置
がなされる導体層が形成されている。そして、この導体
層の各端上にはそれぞれポンディングパッドl3alt
 BS2が形成されている。また、固体電解質3のJA
面には前記第3岨極P3を被って気密質セラミック層7
が被覆されている。この気密質セラミック層7の材質は
化学的に安定で電気絶縁性の良好なガラスを基体とする
セラミック添加材とし、その組織は独立気孔あるいは無
気孔質からなるものである。このような材質を選択する
ことによシ、排ガスは第3電極P3に触れるのを防止で
き、また、第2電極P2、第3邂匝P3間に酸素イオン
の移動を行なわせた際に、第3 Fl極P3と固体’1
lil質体3との界面での酸素イオン濃度が排ガス中に
拡散して変化してしまうのを防止できるものである。
このように構成した空気−燃料比センサは、第1電極P
1、第3シ極P3間にて、両極の固体電解質体3との界
面における酸素濃度比に比例した出力電圧が発生するよ
うになる。第2電極P2、第3′醒極P3との間に酸素
イオンの移動がある場合、第2電極P2界而では酸素イ
オンと酸素ガスとの置換が行なわれ、さらに酸素ガスは
多孔質セラミック層6を介して排ガス中に拡散するよう
になる。
なお、一般に第3醒極P3は第1111極P1、第2屯
極P2と比べて触媒性能比が大きい場合に、出力重圧感
度がより以上に高まることが判っている。さらに、第3
醒極P3は排ガスからは隔離され、その界面の酸素分圧
は全て酸素イオンの移送によるものとするとき検出すべ
き空燃比積度が向上することが判っている。このため、
第3電極P3と固体電解質体3との界面で可及的表面積
を大きくと如、互いに機械的、電気化学的に密着してい
ることが好ましい。
前記空気−燃料比センサの製造方法の一実施例を以下示
すと、ウエーノ・板を用意し、この一枚のウェーハ板は
60×601W0m!、チップ板寸法は5×1(hw”
の72ケ取シとする。ウェーノー板の厚さは0.25m
とし、レーザによるスクライビング電力を軽減するとと
もに、固体電解質体を排ガス中で300Cに定温度制御
するのに要する加熱電力を4W以下に低減する。ウエー
ノ・板は第1.第2電極として白金、第3電極として金
をそれぞれ両面にスパッタリングすることによって膜厚
1.5μmに形成し、熱処理後保護膜として白金側に安
定化ジルコニアを、金側にシリカと安定化ジルコニアを
同を比混合したものをそれぞれ高周波スノくツタリング
によ#)0.5〜1.0μmの膜として形成し熱処理し
て強化する。この際、保護膜はポンディングパッドの部
分においてはマスキングによシyM ti L fz 
イ。その後、レーザによりチップ板に切り出す。ポンプ
イングツ(ラドにステンレス鋼のリードをワイヤボンデ
ィングし、これ全栓体に取付けた後、安定化ジルコニア
を両面にプラズマ溶射する。
次に、このように構成した空気−燃料比センサの駆動方
法の一実施例について第3図を用いて説明する。固体電
解質体の裏面のボンディング/(ラドBH# B”間に
定温度制御加熱電源8が接続され1両電極間抵抗が一定
となるように、ポンディングパッドB32をベース電位
として負帰還制御されるようになっている。ポンプイン
グツくラドBI、ポンディングパッド882間に定電流
電源9が接続され、第2電極P2と第3戒極P3との間
の固体室S置体3内を所定の酸素イオンが流れるように
ポンディングパッドBsa金ベースとして負帰還制御さ
れるようになっている。さらに、第1電極P!のポンデ
ィングパッドBlおよび第3電極psのポンディングパ
ッドB32との間に空燃比信号を所要のレベルに増幅す
るための検出増幅器10が接続されている。そして、前
記定温度制御加熱電源8、定電流電源9、および検出増
幅器10はシーク/す11によって定められた手順にし
たがって作動するようになっている。
次に、前記シーケンサの作動について説明する。
第4図に示すように、固体電解質体3内に第2電極P!
から酸素イオンを流している時間と、第1醒極P1で酸
素濃度を計測してりる時間とは適宜な比率でタイムシア
リングするとともに、必要に応じて酸素濃度計測時には
、槙3醒極P3からの加熱電流は遮断するようになって
いる。
また、第5図に示すように、第1電極P1と第2を極P
2とに時間的に交互に、第3電極P3との間に酸素イオ
ンを流すとともに、酸素濃度の計測は前記の酸素イオン
を流さな9時間帯内に、第1電極PIと第2電極P2と
を交互に行なうようになっている。
このようにすれば、ヒータを第3電極P3と兼用するこ
とによシセンサを直接加熱でき、エンジンの低温始動直
後から作動させることができる。
したがって、従来のように排ガスで加熱する場合に比較
すると、アイドリンクはもちろんのこと低温始動直後が
ら空燃比のフィードバック制御が可能となる。また、固
体電解質体3に密着した第3電極P3によって加熱でき
るために加熱速度を著しく高めることができる。さらに
、固体電解質体3は薄く小形のチップ板としていること
から、その熱容赦を極めて小さくでき、作動温度に維持
するだめの電力を僅少とすることができる。固体電解質
体3が小形であるため、温度分布を均一にでき、その耐
熱衝撃性を考慮する必要性が軽減される。したがって、
より比抵抗の小さな組織に焼成すればよいこととなり、
結果的には、センサの内部抵抗が低減され、検出増幅器
の入力抵抗条件を容易にすることができる。
ざらに、本実施例によるセンサの製造においては、グリ
ーンシート法、厚膜印刷、焼成、薄膜スパッタリング、
レーザトリミング、レーザスクライビング、ワイヤボン
ディング等を使用できるものであり、これらの工法は半
導体装置の製造設備をそのまま利用してできるものであ
ることから、大量生産ラインに容易にのせることができ
るものである。
以上述べたことから明らかなように、本発明による空気
−燃料比センサによれば、量産が極めて容易でエンジン
の低温始動直後から作動させることのできるものを得る
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)ないしくC)は本発明による空気−燃料比
センサの実施例を示す断面図、第2図(a)ないしくC
)は本発明による空気−燃料比センサの一実施例を示す
平面図、断面図、底面図、第3図は本発明による空気−
燃料比センナの駆動方法の一実施例を示す回路図、第4
図および第5図は前記駆動方法のシーケンスの実施例を
示すタイムチャートである。 1.2.3・・・固体電解質体、6・・・多孔質保護膜
、7・・・気密性保護膜、8・・・定温度制御加熱電源
、9・・・定成流電源、10・・・検出増幅器、11・
・・シーケンサ。 茅 1 目 (久) r、? 11.2  目 犀 3 図 1#4  目 茅5 凶 茅3電藉      力U 熱

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、排ガスと接するように設けられた第1の電極と、酸
    素を含むガスに接触するように設けられた第2の電極と
    、これら各′電極と対向して設けられた第3の電極と、
    前記第1と第3、第2と第3の電極との間に設けられた
    酸素イオン伝導性を有する固体電解質体とを有し、第2
    と第3の電極間に酸素イオンの移動が生ずるようにした
    ものにおいて、前記第3の電極に電流を流して前記固体
    電解質体を加熱できるようにしたことを特徴とする空気
    −燃料比センサ。
JP57139880A 1982-08-13 1982-08-13 空気−燃料比センサ Pending JPS5930059A (ja)

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EP83107893A EP0103169A3 (en) 1982-08-13 1983-08-10 Air fuel ratio sensor

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EP0103169A2 (en) 1984-03-21
KR900005609B1 (ko) 1990-07-31
EP0103169A3 (en) 1984-07-25

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