JP2514564B2 - イオン伝導体デバイス - Google Patents
イオン伝導体デバイスInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、酸素センサ等のイオン
伝導体デバイスに係り、特に薄膜イオン伝導体を用いた
デバイスに関する。
伝導体デバイスに係り、特に薄膜イオン伝導体を用いた
デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、イットリウム（Ｙ）で安定化
した酸化ジルコニウム、即ちジルコニア−イットリア
（ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 ）をイオン伝導体（固体電解質）
として用いたセラミック酸素センサが知られている。バ
ルク型のセラミック酸素センサでは、ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ
3 イオン伝導体バルクをプレス成形，焼成により得て、
これに触媒作用を有するポーラスなＰｔ電極を、厚膜技
術即ちＰｔペーストの印刷，焼成により形成している。
した酸化ジルコニウム、即ちジルコニア−イットリア
（ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 ）をイオン伝導体（固体電解質）
として用いたセラミック酸素センサが知られている。バ
ルク型のセラミック酸素センサでは、ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ
3 イオン伝導体バルクをプレス成形，焼成により得て、
これに触媒作用を有するポーラスなＰｔ電極を、厚膜技
術即ちＰｔペーストの印刷，焼成により形成している。
【０００３】これに対して、素子の小型化，微細化，量
産化等のために、ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 イオン伝導体およ
び電極を蒸着やスパッタ等のドライプロセスによる薄膜
技術を用いて形成する薄膜型のセラミック酸素センサも
提案されている。特にイオン伝導体を薄膜技術により形
成すると、薄いイオン伝導体が再現性よく得られ、これ
により優れたイオン伝導性が得られる。イオン伝導体膜
を薄くすることは酸素センサの作動温度を低くする上で
有効である。
産化等のために、ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 イオン伝導体およ
び電極を蒸着やスパッタ等のドライプロセスによる薄膜
技術を用いて形成する薄膜型のセラミック酸素センサも
提案されている。特にイオン伝導体を薄膜技術により形
成すると、薄いイオン伝導体が再現性よく得られ、これ
により優れたイオン伝導性が得られる。イオン伝導体膜
を薄くすることは酸素センサの作動温度を低くする上で
有効である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、セラミック酸
素センサのＰｔ電極は酸素ガスが拡散透過できるポーラ
ス電極であることが必要である。Ｐｔ電極をイオン伝導
体膜と同様にスパッタ等の薄膜技術により形成すると、
ポーラス化が難しく緻密な膜となってしまい、必要な電
極能力が得られなくなる。
素センサのＰｔ電極は酸素ガスが拡散透過できるポーラ
ス電極であることが必要である。Ｐｔ電極をイオン伝導
体膜と同様にスパッタ等の薄膜技術により形成すると、
ポーラス化が難しく緻密な膜となってしまい、必要な電
極能力が得られなくなる。
【０００５】本発明は、この様な事情を考慮してなされ
たもので、優れた素子特性と信頼性を有するイオン伝導
体デバイスを提供することを目的とする。
たもので、優れた素子特性と信頼性を有するイオン伝導
体デバイスを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、絶縁性基板上
に、イオン伝導体膜とこれに接触して触媒作用を有する
電極とが形成されたイオン伝導体デバイスであって、イ
オン伝導体膜がドライプロセスにより形成された薄膜で
あり、電極が印刷焼成により形成された厚膜電極である
ことを特徴としている。
に、イオン伝導体膜とこれに接触して触媒作用を有する
電極とが形成されたイオン伝導体デバイスであって、イ
オン伝導体膜がドライプロセスにより形成された薄膜で
あり、電極が印刷焼成により形成された厚膜電極である
ことを特徴としている。
【０００７】本発明はまた、酸素センサとしてのイオン
伝導体デバイスであって、気体透過性の絶縁性基板と、
この基板上に印刷焼成されて配設された厚膜アノード電
極と、このアノード電極を覆うようにドライプロセスに
より形成されたイオン伝導体薄膜と、このイオン伝導体
薄膜上に印刷焼成されて配設された厚膜カソード電極と
を備えたことを特徴としている。
伝導体デバイスであって、気体透過性の絶縁性基板と、
この基板上に印刷焼成されて配設された厚膜アノード電
極と、このアノード電極を覆うようにドライプロセスに
より形成されたイオン伝導体薄膜と、このイオン伝導体
薄膜上に印刷焼成されて配設された厚膜カソード電極と
を備えたことを特徴としている。
【０００８】
【作用】本発明においては、薄膜技術によるイオン伝導
体膜と厚膜技術による電極の組み合わせを利用してい
る。したがってイオン伝導体膜は再現性よく形成されて
作動温度の低い優れたイオン伝導性を実現することがで
き、また電極はポーラスな状態として優れた電極能力を
実現することができる。これにより、高性能で信頼性の
高いイオン伝導体デバイスが得られる。また本発明によ
る酸素センサは、優れた特性のイオン伝導体薄膜と厚膜
のポーラス電極の組み合わせによって、低い作動温度で
良好な限界電流特性を示し、かつ信頼性の高いものとな
る。
体膜と厚膜技術による電極の組み合わせを利用してい
る。したがってイオン伝導体膜は再現性よく形成されて
作動温度の低い優れたイオン伝導性を実現することがで
き、また電極はポーラスな状態として優れた電極能力を
実現することができる。これにより、高性能で信頼性の
高いイオン伝導体デバイスが得られる。また本発明によ
る酸素センサは、優れた特性のイオン伝導体薄膜と厚膜
のポーラス電極の組み合わせによって、低い作動温度で
良好な限界電流特性を示し、かつ信頼性の高いものとな
る。
【０００９】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。図１(a) (b) は、本発明の一実施例に係る限
界電流式セラミック酸素センサの平面透視図とそのＡ―
Ａ′断面図である。絶縁性基板１は気体透過性であっ
て、この実施例では３mm角，厚み０．１４mmのステアタ
イト基板を用いている。この絶縁性基板１上に、ほぼ全
面にわたってＰｔアノード電極２が形成され、この上に
ＺｒＯ2 −8mol% Ｙ2 Ｏ3 なる組成のイオン伝導体薄膜
３が形成され、更にこの上に円形パターンのＰｔカソー
ド電極４が形成されている。Ｐｔカソード電極４が形成
された面はガラス封止層５により覆われ、この上にリン
グ状パターンをなすＰｔヒータ６が配設されている。
説明する。図１(a) (b) は、本発明の一実施例に係る限
界電流式セラミック酸素センサの平面透視図とそのＡ―
Ａ′断面図である。絶縁性基板１は気体透過性であっ
て、この実施例では３mm角，厚み０．１４mmのステアタ
イト基板を用いている。この絶縁性基板１上に、ほぼ全
面にわたってＰｔアノード電極２が形成され、この上に
ＺｒＯ2 −8mol% Ｙ2 Ｏ3 なる組成のイオン伝導体薄膜
３が形成され、更にこの上に円形パターンのＰｔカソー
ド電極４が形成されている。Ｐｔカソード電極４が形成
された面はガラス封止層５により覆われ、この上にリン
グ状パターンをなすＰｔヒータ６が配設されている。
【００１０】Ｐｔアノード電極２およびＰｔカソード電
極４は、Ｐｔペーストのスクリーン印刷と焼成により形
成された、厚み数μm の厚膜である。Ｐｔヒータ電極６
も同様に、Ｐｔペーストの印刷，焼成により形成された
厚膜である。イオン伝導体薄膜３は、スパッタ法により
形成された約１μm の薄膜である。ガラス封止層５は、
セラミック粉をブレンドした結晶化ガラス材の印刷，焼
成により形成された結晶化ガラス層である。なお、アノ
ード電極２，カソード電極４およびヒータ６を形成する
Ｐｔペーストには、酸化ビスマス等の焼結活性剤を含有
するものが用いられる。これにより、比較的低い焼成温
度で優れた接合特性を得ることができる。
極４は、Ｐｔペーストのスクリーン印刷と焼成により形
成された、厚み数μm の厚膜である。Ｐｔヒータ電極６
も同様に、Ｐｔペーストの印刷，焼成により形成された
厚膜である。イオン伝導体薄膜３は、スパッタ法により
形成された約１μm の薄膜である。ガラス封止層５は、
セラミック粉をブレンドした結晶化ガラス材の印刷，焼
成により形成された結晶化ガラス層である。なお、アノ
ード電極２，カソード電極４およびヒータ６を形成する
Ｐｔペーストには、酸化ビスマス等の焼結活性剤を含有
するものが用いられる。これにより、比較的低い焼成温
度で優れた接合特性を得ることができる。
【００１１】図１(a) に示すように、アノード電極２の
端子部７は、イオン伝導体薄膜２およびガラス封止層５
をこの部分には形成しないようにパターン形成して、露
出させている。同様にカソード電極４から連続的に導出
される端子部８も、この部分にガラス封止層５がかから
ないようにガラス封止層５をパターン形成して、露出さ
せている。ヒータ６の端子部９，１０は、この実施例で
はガラス封止層５上のアノード，カソードの端子部７，
８とは反対側の辺に導出されている。
端子部７は、イオン伝導体薄膜２およびガラス封止層５
をこの部分には形成しないようにパターン形成して、露
出させている。同様にカソード電極４から連続的に導出
される端子部８も、この部分にガラス封止層５がかから
ないようにガラス封止層５をパターン形成して、露出さ
せている。ヒータ６の端子部９，１０は、この実施例で
はガラス封止層５上のアノード，カソードの端子部７，
８とは反対側の辺に導出されている。
【００１２】酸素センサにおいて限界電流特性を得るた
めには、ガス拡散律速性が必要である。この実施例にお
いては、ガラス封止層５で覆われていないカソード電極
端子部８からガラス封止層５で覆われたカソード電極４
まで連続的にポーラスなＰｔ厚膜であるから、このポー
ラスなＰｔ厚膜が、図１(a) に矢印で示すように、酸素
ガスを拡散律速性をもってカソードに供給する気体拡散
層となっている。またアノード電極２で発生する酸素ガ
スは、気体透過性の絶縁性基板１を通して排出される。
めには、ガス拡散律速性が必要である。この実施例にお
いては、ガラス封止層５で覆われていないカソード電極
端子部８からガラス封止層５で覆われたカソード電極４
まで連続的にポーラスなＰｔ厚膜であるから、このポー
ラスなＰｔ厚膜が、図１(a) に矢印で示すように、酸素
ガスを拡散律速性をもってカソードに供給する気体拡散
層となっている。またアノード電極２で発生する酸素ガ
スは、気体透過性の絶縁性基板１を通して排出される。
【００１３】ところで、スクリーン印刷により得られる
空隙の多い厚膜上に、何等の前処理を行わずにそのまま
薄膜をスパッタ形成しようとしても、均一性に優れた緻
密な薄膜を得ることは難しい。この実施例においても、
厚膜技術により形成されるポーラスなＰｔアノード電極
２上に、スパッタ法により良好なイオン伝導体薄膜３を
形成するには、それなりの工夫が必要である。この点を
考慮したこの実施例の酸素センサの具体的な製造工程
を、図２を参照して次に説明する。
空隙の多い厚膜上に、何等の前処理を行わずにそのまま
薄膜をスパッタ形成しようとしても、均一性に優れた緻
密な薄膜を得ることは難しい。この実施例においても、
厚膜技術により形成されるポーラスなＰｔアノード電極
２上に、スパッタ法により良好なイオン伝導体薄膜３を
形成するには、それなりの工夫が必要である。この点を
考慮したこの実施例の酸素センサの具体的な製造工程
を、図２を参照して次に説明する。
【００１４】図２(a) に示すように、気体透過性の絶縁
性基板１上にまず、Ｐｔアノード電極２をスクリーン印
刷する。次にこの基板のアノード電極２側に、図２(b)
に示すように、樹脂１１を含浸させる。例えばこの樹脂
１１は、アクリル系のモノマーに反応開始剤として過酸
化ベンゾイルを１wt％添加したものである。樹脂含浸
後、例えば１００℃，１０分の熱処理でこの樹脂を硬化
させる。或いは紫外線照射による光硬化でもよい。
性基板１上にまず、Ｐｔアノード電極２をスクリーン印
刷する。次にこの基板のアノード電極２側に、図２(b)
に示すように、樹脂１１を含浸させる。例えばこの樹脂
１１は、アクリル系のモノマーに反応開始剤として過酸
化ベンゾイルを１wt％添加したものである。樹脂含浸
後、例えば１００℃，１０分の熱処理でこの樹脂を硬化
させる。或いは紫外線照射による光硬化でもよい。
【００１５】その後、図２(c) に示すように、約１μm
のＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 からなるイオン伝導体薄膜３をス
パッタ法により形成する。予め樹脂の含浸，硬化という
表面処理を行っている結果、ポーラスなアノード電極２
の内部空隙が埋められており、薄く良質のイオン伝導体
薄膜３が形成される。続いて、図２(d) に示すように、
再度Ｐｔペーストのスクリーン印刷によりカソード電極
４を形成する。その後約１０００℃，１０分の条件で焼
成する。この焼成により、アノード電極２，カソード電
極４の焼結が行われると同時に、内部のアクリル系ポリ
マーは分解ガス化して消失し、アノード電極２とイオン
伝導体薄膜３の間は良好に接合する。
のＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 からなるイオン伝導体薄膜３をス
パッタ法により形成する。予め樹脂の含浸，硬化という
表面処理を行っている結果、ポーラスなアノード電極２
の内部空隙が埋められており、薄く良質のイオン伝導体
薄膜３が形成される。続いて、図２(d) に示すように、
再度Ｐｔペーストのスクリーン印刷によりカソード電極
４を形成する。その後約１０００℃，１０分の条件で焼
成する。この焼成により、アノード電極２，カソード電
極４の焼結が行われると同時に、内部のアクリル系ポリ
マーは分解ガス化して消失し、アノード電極２とイオン
伝導体薄膜３の間は良好に接合する。
【００１６】その後、図２(e) に示すように、結晶化ガ
ラス封止層５を形成し、更にその上にＰｔヒータ６を印
刷，焼成して、酸素センサ素子を完成する。
ラス封止層５を形成し、更にその上にＰｔヒータ６を印
刷，焼成して、酸素センサ素子を完成する。
【００１７】図４は、この実施例による酸素センサ素子
を２００℃で評価した電圧−電流特性である。図から明
らかなように、非常にクリアな限界電流特性が得られて
いる。従来のセラミック酸素センサの作動温度は約４５
０℃であり、これに比べてこの実施例では明らかに低温
作動となっている。またこの実施例の素子は応答性，熱
的安定性および長期信頼性にも優れていることが確認さ
れた。
を２００℃で評価した電圧−電流特性である。図から明
らかなように、非常にクリアな限界電流特性が得られて
いる。従来のセラミック酸素センサの作動温度は約４５
０℃であり、これに比べてこの実施例では明らかに低温
作動となっている。またこの実施例の素子は応答性，熱
的安定性および長期信頼性にも優れていることが確認さ
れた。
【００１８】図３(a) (b) は、本発明の別の実施例の限
界電流式酸素センサの平面透視図とそのＡ―Ａ′断面図
である。先の実施例では、イオン伝導体薄膜を上下から
電極で挟むサンドイッチ構造としたのに対して、この実
施例ではイオン伝導体薄膜の一方の面にアノード電極と
カソード電極を配置したプレーナ構造としている。な
お、図１の実施例と対応する部分には、図１と同一符号
を付して詳細な説明は省略する。
界電流式酸素センサの平面透視図とそのＡ―Ａ′断面図
である。先の実施例では、イオン伝導体薄膜を上下から
電極で挟むサンドイッチ構造としたのに対して、この実
施例ではイオン伝導体薄膜の一方の面にアノード電極と
カソード電極を配置したプレーナ構造としている。な
お、図１の実施例と対応する部分には、図１と同一符号
を付して詳細な説明は省略する。
【００１９】図示のようにこの実施例では、気体透過性
の絶縁性基板１上にまずイオン伝導体薄膜３がスパッタ
法により形成され、この上にＰｔアノード電極２とＰｔ
カソード電極４が印刷，焼成による厚膜で形成されてい
る。これらアノード電極２およびカソード電極４が形成
された面はガラス封止層５で覆われ、この上に更にＰｔ
ヒータ６が形成されている。アノード電極２およびカソ
ード電極４の各端子部７，８は、基板上のガラス封止層
５で覆われていない領域に導出され、ヒータ６の端子部
９，１０はガラス封止層５上に配置されている。この実
施例によっても、先の実施例と同様に低温作動型の良好
な限界電流特性が得られる。
の絶縁性基板１上にまずイオン伝導体薄膜３がスパッタ
法により形成され、この上にＰｔアノード電極２とＰｔ
カソード電極４が印刷，焼成による厚膜で形成されてい
る。これらアノード電極２およびカソード電極４が形成
された面はガラス封止層５で覆われ、この上に更にＰｔ
ヒータ６が形成されている。アノード電極２およびカソ
ード電極４の各端子部７，８は、基板上のガラス封止層
５で覆われていない領域に導出され、ヒータ６の端子部
９，１０はガラス封止層５上に配置されている。この実
施例によっても、先の実施例と同様に低温作動型の良好
な限界電流特性が得られる。
【００２０】本発明は上記実施例に限られない。例えば
実施例では酸化物イオン伝導体としてＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ
3 薄膜を用いた酸素センサを示したが、本発明は同様の
セラミックイオン伝導体薄膜とスクリーン印刷による厚
膜電極構造を有する各種センサ、更には燃料電池等のデ
バイスにも適用することが可能である。
実施例では酸化物イオン伝導体としてＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ
3 薄膜を用いた酸素センサを示したが、本発明は同様の
セラミックイオン伝導体薄膜とスクリーン印刷による厚
膜電極構造を有する各種センサ、更には燃料電池等のデ
バイスにも適用することが可能である。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、薄
膜技術によるイオン伝導体薄膜と厚膜技術による電極の
組み合わせを利用して、作動温度の低い優れた特性を示
す信頼性の高いイオン伝導体デバイスが得られる。
膜技術によるイオン伝導体薄膜と厚膜技術による電極の
組み合わせを利用して、作動温度の低い優れた特性を示
す信頼性の高いイオン伝導体デバイスが得られる。
【図１】 本発明の一実施例に係る限界電流式酸素セン
サを示す平面図と断面図である。
サを示す平面図と断面図である。
【図２】 同実施例の製造工程を示す断面図である。
【図３】 本発明の他の実施例に係る限界電流式酸素セ
ンサを示す平面図と断面図である。
ンサを示す平面図と断面図である。
【図４】 図１の実施例の素子の特性を示す図である。
１…絶縁性基板、２…Ｐｔアノード電極（厚膜）、３…
イオン伝導体薄膜、４…Ｐｔカソード電極（厚膜）、５
…ガラス封止層、６…Ｐｔヒータ、７，８，９，１０…
端子部。
イオン伝導体薄膜、４…Ｐｔカソード電極（厚膜）、５
…ガラス封止層、６…Ｐｔヒータ、７，８，９，１０…
端子部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宿利 尚次 東京都江東区木場１丁目５番１号 株式 会社フジクラ内 (72)発明者 石橋 功成 東京都江東区木場１丁目５番１号 株式 会社フジクラ内 (72)発明者 加藤 嘉則 東京都江東区木場１丁目５番１号 株式 会社フジクラ内 (56)参考文献 特開 昭62−144063（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−52752（ＪＰ，Ｕ) 実開 平５−164730（ＪＰ，Ｕ)
Claims (1)
- 【請求項１】 気体透過性の絶縁基板と、 この基板上に印刷焼成されて配設された厚膜アノード電
極と、 このアノード電極を覆うようにドライプロセスにより形
成されたイオン伝導体薄膜と、 このイオン伝導体薄膜上に印刷焼成されて配設された厚
膜カソード電極と、この厚膜カソード電極をその電極端子部を気体拡散層と
して露出させた状態で覆う結晶化ガラス層と を備えたこ
とを特徴とするイオン伝導体デバイス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5075159A JP2514564B2 (ja) | 1993-03-09 | 1993-03-09 | イオン伝導体デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5075159A JP2514564B2 (ja) | 1993-03-09 | 1993-03-09 | イオン伝導体デバイス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06258280A JPH06258280A (ja) | 1994-09-16 |
| JP2514564B2 true JP2514564B2 (ja) | 1996-07-10 |
Family
ID=13568151
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5075159A Expired - Fee Related JP2514564B2 (ja) | 1993-03-09 | 1993-03-09 | イオン伝導体デバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2514564B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7306965B2 (en) * | 2004-02-25 | 2007-12-11 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Oxygen ion conductor device, method for fabricating oxygen ion conductor device, and oxygen concentration control system |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62144063A (ja) * | 1985-12-18 | 1987-06-27 | Sharp Corp | 限界電流式酸素センサ |
| JPH05164730A (ja) * | 1991-12-11 | 1993-06-29 | Fujikura Ltd | 限界電流式酸素センサ |
| JPH0552752U (ja) * | 1991-12-14 | 1993-07-13 | 株式会社フジクラ | 酸素センサ |
-
1993
- 1993-03-09 JP JP5075159A patent/JP2514564B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06258280A (ja) | 1994-09-16 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
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| R350 | Written notification of registration of transfer |
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