JP2516123B2 - 金属と固体電解質との接合方法 - Google Patents
金属と固体電解質との接合方法Info
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Description
の接合方法に関し、とくにスパッタリングや蒸着などの
薄膜技術を用いて作製する酸素センサなどの製造に適用
するのに好適な金属と固体電解質との接合方法に関す
る。
ポンピング作用を利用するもので、イオン伝導体に導入
される酸素量と、イオン伝導体中の酸素イオンをキャリ
アとする電流とが対応することを利用して酸素濃度を検
出する。イオン伝導体としては安定化ジルコニアなどの
固体電解質が用いられ、その両面に電極を設けて、それ
ら電極間に電圧を印加すると、イオン伝導体中の酸素イ
オンをキャリアとする電流が流れる。この電極は、酸素
をイオン伝導体に接触させる必要があることから、多孔
質などの気体透過性を有する必要がある。従来では、酸
素センサを製造する際、ジルコニア等の固体電解質(基
板、層)の上に白金などの電極となる金属をスパッタリ
ングあるいは蒸着することにより、固体電解質の上に金
属を接合している。また、固体電解質の上に金属ペース
トを塗布した後、非常に高い温度の雰囲気中で焼成を行
なって固体電解質と金属との界面で反応を生じさせてこ
れらを接合することもある。
金属と固体電解質との接合方法では、一般に接合強度が
弱いという問題がある。とくに、単にスパッタリングに
より固体電解質の上に金属層を形成する場合には、コン
タクト強度が非常に乏しく、そのため、電気抵抗が大き
くなり、酸素センサの電極としての能力が極端に低下す
る。そのため、酸素センサの良好な限界電流特性が得ら
れない。この現象は、熱サイクルが存在する場合には顕
著である。この場合の解決策として、スパッタリングさ
れる側の固体電解質の表面を粗くし、それによって生じ
る表面の凹凸を利用することも考えられなくはないが、
根本的な解決策とはいえない。
との界面で反応を生じさせてこれらを接合する方法で
は、雰囲気を非常に高温とする必要があり、他の材料の
耐熱性の観点から困難な場合があるし、コスト的にも不
利である。さらに、金属層の表面や固体電解質自体の変
性が生じる危険もある。
合される金属の気体透過性を保ちながら、この金属と固
体電解質との接合強度を上げて電極としての能力を高め
ることができる、とくに酸素センサなどの製造に適用す
るのに好適な、金属と固体電解質との接合方法を提供す
ることを目的とする。
め、この発明による金属と固体電解質との接合方法で
は、ジルコニウム、イットリウム系の固体電解質の上に
ドライプロセスにより銅あるいはビスマスの両方又は一
方を含むバッファー層を形成し、さらにそのバッファー
層の上にドライプロセスにより多孔質の金属層を形成し
て、このバッファー層を介在させた金属層と固体電解質
との接合体を高温雰囲気に入れることによって、バッフ
ァー層中の銅またはビスマスを高温雰囲気中で酸化させ
ることが特徴となっており、それらの酸化物層により固
体電解質と金属層との間の接合強度を高めるようにして
いる。これにより、それほど高い温度の雰囲気に晒す必
要なしに、金属層と固体電解質との間の接合強度を増大
させることができ、固体電解質に対する金属層の電気的
コンタクト特性が良好となる。とくに、このように多孔
質で気体透過性のよい金属層を、接合強度が大で電気的
コンタクド性高く、固体電解質上に形成できるため、こ
の接合方法を酸素センサの製造方法に適用すれば、非常
に良好な特性の酸素センサを得ることができる。
照しながら詳細に説明する。この実施例ではこの発明の
接合方法を適用して酸素センサを製造することとする。
まず、図1に示すように、アルミナやジルコニアあるい
は多孔質結晶化ガラスなどの厚さ0.1mmの多孔質基
板1を用意し、この表面に図2に示すように電極となる
多孔質金属層2を形成する。ここでは、スパッタリング
により白金(Pt)を主成分とした厚さ1μmの多孔質
金属層2を形成した。その上に、図3で示すように、同
じくスパッタリングによりバッファー層5を厚さ200
Å〜300Åに形成した。このバッファー層5は銅(C
u)及びビスマス(Bi)を主成分とするものである。
ように固体電解質層(具体的には安定化ジルコニア:Z
r−8Y)3を厚さ2μmを形成した。さらに図5のよ
うに、この固体電解質層3の上に、上記のバッファー層
5と同様にスパッタリングにより銅及びビスマスよりな
る厚さ200Å〜300Åのバッファー層6を形成し
た。その後図6のようにこのバッファー層6の上に、金
属層2と同様にスパッタリングにより白金の多孔質金属
層4を厚さ0.1μmに形成した。
ァー層5、固体電解質層3、バッファー層6及び金属層
4が積層された多孔質基板1を、1000℃の雰囲気中
に1時間晒して焼成を行なった。すると、この焼成工程
により、バッファー層5、6において、 Cu→CuO Bi→BiO(Bi2O3) のような酸化反応が起こり、図7に示すようにバッファ
ー層5、6は銅及びビスマスの酸化物層となる。このこ
のバッファー層5、6の酸化物層は、金属層2と固体電
解質層3との間、及び金属層4と固体電解質層3との間
に挟まれるようにして介在しており、金属層2、4と固
体電解質層3との間の接合強度を高める機能を果たす。
すなわち、固体電解質(ZrO2−Y2O3)層3と金属
(Pt)層2、4との間にCuO、BiOが形成され、
このCuO、BiOがZr、YとPtとの接合強度を高
める作用をする。
うなバッファー層5、6により固体電解質層3と金属層
2、4との接合強度が高められているが、その接合強度
は、粘着テープを貼り付けた後はがすことにより行なわ
れる剥離テストにより確認できた。すなわち、上記のよ
うにして作ったサンプルを10個用意し、それらの表面
の金属層4に2mm×2mmの正方形の切り込みを入れ
て、その部分を含む表面に粘着テープを貼り付け、その
後粘着テープをはがす。すると、接合強度が弱いと粘着
テープとともにその正方形の部分の金属層4が剥がれて
くるが、この実施例で作ったサンプルについては1個と
して剥がれるものがなかった。ちなみに固体電解質層3
に銅やビスマスを含ませないで作った従来の酸素センサ
では、同様に10個のサンプルについて剥離テストを行
なった結果、10個全部に何等かの剥離が発生した。
ン導電性を利用して酸素濃度を測定する。この酸素セン
サは限界電流式酸素センサとも呼ばれており、金属層2
に負の電圧を、金属層4に正の電圧を加えて酸素イオン
をキャリアとする電流を固体電解質層3中に金属層2側
から金属層4側へと流す。これにより、酸素が、多孔質
基板1の下面から、この基板1、多孔質金属層2、固体
電解質層3及び多孔質金属層4を通って上方へと流れる
ことになる。この多孔質基板1を通る酸素量は、多孔質
基板1自体の空孔率や孔径等により定まる空気抵抗によ
って、一定のものに制限される。そこで、金属層4、2
間に流れる電流値は流入空気の酸素濃度に対応して一定
の値に収束していくことになる。この電流特性が限界電
流特性と呼ばれる。多孔質基板1の下面側を酸素濃度測
定雰囲気とすれば、その雰囲気中の酸素の濃度を測定す
ることができる。
体電解質層3と金属層2、4と接合強度が良好となるた
め、固体電解質層3と金属層2、4との電気的コンタク
トも良好なものとなり、酸素センサとして動作させたと
きの限界電流特性が良好なものとなった。すなわち、こ
の実施例で作製された限界電流式酸素センサの限界電流
特性は図8に示すようになり、良好なものあることが分
かる。
銅とビスマスの両方の材料を用いたが、銅あるいはビス
マスのいずれか一方のみでも同様の効果を得ることがで
きる。また、上記ではスパッタリングを採用している
が、蒸着などの他のドライプロセスにより金属層2、
4、固体電解質層3、バッファー層5、6を形成するこ
ともできる。
の発明の金属と固体電解質との接合方法によれば、固体
電解質の上にドライプロセスにより銅あるいはビスマス
の両方又は一方を含むバッファー層を形成し、さらにそ
のバッファー層の上にドライプロセスにより多孔質の金
属層を形成して、その後工程で、このバッファー層を介
在させた金属層と固体電解質との接合体を高温雰囲気に
入れ、バッファー層中の銅またはビスマスを高温雰囲気
中で酸化させるという簡単な工程で、固体電解質と金属
層との間の接合強度を大幅に向上させることができる。
接合強度が向上することにより、機械的信頼性が高ま
り、とくにヒートサイクルが繰り返された場合などにお
ける剥離などの問題を解消することができる。固体電解
質と金属層との間の界面の接合強度の向上により、界面
の電気的コンタクト性が改善されて電気抵抗が低下し、
非常に良好な電気特性を得ることができる。そのため、
この接合方法を酸素センサの製造方法に適用すれば、イ
オン伝導体としての固体電解質に対して、多孔質で気体
透過性のよい金属層を、接合強度が大で電気的コンタク
ト性高く、形成でき、非常に良好な特性の酸素センサを
得ることができる。
との接合方法における最初の製造工程を示す断面図。
図。
図。
図。
図。
図。
図。
示すグラフ。
Claims (2)
- 【請求項1】 固体電解質の上にドライプロセスにより
銅を含むバッファー層を形成する工程と、該バッファー
層上にドライプロセスにより多孔質の金属層を形成する
工程と、この金属層と固体電解質とのバッファー層を介
在させた接合体を高温雰囲気中に置いて上記バッファー
層中の上記の銅を酸化させる工程とを有することを特徴
とする金属と固体電解質との接合方法。 - 【請求項2】 固体電解質の上にドライプロセスにより
ビスマスを含むバッファー層を形成する工程と、該バッ
ファー層上にドライプロセスにより多孔質の金属層を形
成する工程と、この金属層と固体電解質とのバッファー
層を介在させた接合体を高温雰囲気中に置いて上記バッ
ファー層中の上記のビスマスを酸化させる工程とを有す
ることを特徴とする金属と固体電解質との接合方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3294924A JP2516123B2 (ja) | 1991-10-15 | 1991-10-15 | 金属と固体電解質との接合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3294924A JP2516123B2 (ja) | 1991-10-15 | 1991-10-15 | 金属と固体電解質との接合方法 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH05105536A JPH05105536A (ja) | 1993-04-27 |
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ID=17814028
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP3294924A Expired - Fee Related JP2516123B2 (ja) | 1991-10-15 | 1991-10-15 | 金属と固体電解質との接合方法 |
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-
1991
- 1991-10-15 JP JP3294924A patent/JP2516123B2/ja not_active Expired - Fee Related
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