JP2926912B2 - 酸素センサ - Google Patents
酸素センサInfo
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- JP2926912B2 JP2926912B2 JP2176040A JP17604090A JP2926912B2 JP 2926912 B2 JP2926912 B2 JP 2926912B2 JP 2176040 A JP2176040 A JP 2176040A JP 17604090 A JP17604090 A JP 17604090A JP 2926912 B2 JP2926912 B2 JP 2926912B2
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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、酸素センサに関する。更に詳しくは、酸素
ポンプと金属酸化物半導体とを組合せ、その間に間隙を
設けた酸素センサに関する。
ポンプと金属酸化物半導体とを組合せ、その間に間隙を
設けた酸素センサに関する。
酸素イオン伝導体の固体電解質からなる酸素ポンプ
と、酸素分圧に応じて抵抗値の変化する金属酸化物半導
体からなる感応体とを組合せた酸素センサが従来から知
られており、その一例が第５図に示されている。この態
様の酸素センサにあっては、支持体21の内底面に感応体
22が、また上面側には中心に導入孔23を穿設し、表裏両
面に電極24を設けた酸素ポンプ25が設置されている。
と、酸素分圧に応じて抵抗値の変化する金属酸化物半導
体からなる感応体とを組合せた酸素センサが従来から知
られており、その一例が第５図に示されている。この態
様の酸素センサにあっては、支持体21の内底面に感応体
22が、また上面側には中心に導入孔23を穿設し、表裏両
面に電極24を設けた酸素ポンプ25が設置されている。
この種の酸素センサは、雰囲気ガス中の酸素濃度が変
化しても、感光体の抵抗値が一定となるように酸素ポン
プに流す電流量を制御し、そのときの電流量から雰囲気
ガス中の酸素濃度を検出している。即ち、雰囲気ガス中
の酸素濃度が高い場合には、ポンプ電極の外側を陽極、
内側を陰極にして電圧を印加すると、電圧に比例した酸
素がセル内から排出され、逆に酸素濃度が低い場合に
は、ポンプ電極の外側を陰極、内側を陽極にして電圧を
印加し、セル内に酸素を供給するようにしている。この
ときの酸素の排出量または供給量が雰囲気ガス中の酸素
濃度に比例するため、酸素ポンプに流れる電流量により
酸素濃度の検出が可能となるのである。
化しても、感光体の抵抗値が一定となるように酸素ポン
プに流す電流量を制御し、そのときの電流量から雰囲気
ガス中の酸素濃度を検出している。即ち、雰囲気ガス中
の酸素濃度が高い場合には、ポンプ電極の外側を陽極、
内側を陰極にして電圧を印加すると、電圧に比例した酸
素がセル内から排出され、逆に酸素濃度が低い場合に
は、ポンプ電極の外側を陰極、内側を陽極にして電圧を
印加し、セル内に酸素を供給するようにしている。この
ときの酸素の排出量または供給量が雰囲気ガス中の酸素
濃度に比例するため、酸素ポンプに流れる電流量により
酸素濃度の検出が可能となるのである。
しかしながら、このような酸素センサは、感応体が酸
素のみならず、炭化水素やアルコールといったガスにも
感度を示すため、これらのガスが混在する雰囲気中では
正確な酸素濃度の検出が困難であるという問題がみられ
る。
素のみならず、炭化水素やアルコールといったガスにも
感度を示すため、これらのガスが混在する雰囲気中では
正確な酸素濃度の検出が困難であるという問題がみられ
る。
本発明の目的は、酸素ポンプと金属酸化物半導体とを
組合せた酸素センサにおいて、大気あるいは排出ガスな
ど、他のガスが混在する雰囲気でも広い濃度範囲にわた
って酸素濃度の検出が可能な酸素センサを提供すること
にある。
組合せた酸素センサにおいて、大気あるいは排出ガスな
ど、他のガスが混在する雰囲気でも広い濃度範囲にわた
って酸素濃度の検出が可能な酸素センサを提供すること
にある。
かかる本発明の目的は、酸素ポンプと金属酸化物半導
体とを組合せ、その間に間隙を設けた酸素センサにおい
て、雰囲気ガス中の酸素ガスのみを透過させる一組の固
体電解質の一方を酸素の自然拡散用酸素ポンプとして用
い、また他方を酸素の強制拡散用酸素ポンプとして用い
ることによって達成される。
体とを組合せ、その間に間隙を設けた酸素センサにおい
て、雰囲気ガス中の酸素ガスのみを透過させる一組の固
体電解質の一方を酸素の自然拡散用酸素ポンプとして用
い、また他方を酸素の強制拡散用酸素ポンプとして用い
ることによって達成される。
このような酸素センサの具体的な一態様が第１図に示
されており、この酸素センサは、裏面側に薄膜ヒータを
形成させた絶縁性基板上に、金属酸化物半導体で覆われ
た対向電極が設けられており、該金属酸化物半導体上方
には上下両面側に電極を設けた固体電解質薄膜一組（２
つ）が、酸化膜で絶縁されたシリコン基板によって保持
されており、該酸化膜部分を絶縁性基板上に接着させる
ことにより、金属酸化物半導体と固体電解質との間に間
隙を形成せしめた構成を有している。
されており、この酸素センサは、裏面側に薄膜ヒータを
形成させた絶縁性基板上に、金属酸化物半導体で覆われ
た対向電極が設けられており、該金属酸化物半導体上方
には上下両面側に電極を設けた固体電解質薄膜一組（２
つ）が、酸化膜で絶縁されたシリコン基板によって保持
されており、該酸化膜部分を絶縁性基板上に接着させる
ことにより、金属酸化物半導体と固体電解質との間に間
隙を形成せしめた構成を有している。
次に、このような酸素センサの製造工程を、第２図
（ａ）〜（ｄ）および第３図（ａ）〜（ｃ）の各工程順
に説明する。
（ａ）〜（ｄ）および第３図（ａ）〜（ｃ）の各工程順
に説明する。
（１）面方位（100）面を基板面とするシリコン単結晶
基板１の上面側に、金属マスクを使用し、膜厚約0.5〜3
0μｍの固体電解質薄膜2,2′を、イットリウム、カルシ
ウム、ハフニウムなどを約６〜８モル％添加した安定化
ジルコニアから、イオンプレーティング法により形成さ
せる。これらの固体電解質薄膜の一方がセルの酸素ポン
プとして使用され、酸素の強制的な供給またはそこから
の排出が行われる。〔第２図（ａ）〕 （２）固体電解質薄膜を形成させたシリコン単結晶基板
の裏側部分3,3′を完全にエッチング除去し、その際こ
れらの部分3,3′にまたがる基板部分４は、強度を保持
させるため、その厚さの一部についてのみエッチングが
行われる。
基板１の上面側に、金属マスクを使用し、膜厚約0.5〜3
0μｍの固体電解質薄膜2,2′を、イットリウム、カルシ
ウム、ハフニウムなどを約６〜８モル％添加した安定化
ジルコニアから、イオンプレーティング法により形成さ
せる。これらの固体電解質薄膜の一方がセルの酸素ポン
プとして使用され、酸素の強制的な供給またはそこから
の排出が行われる。〔第２図（ａ）〕 （２）固体電解質薄膜を形成させたシリコン単結晶基板
の裏側部分3,3′を完全にエッチング除去し、その際こ
れらの部分3,3′にまたがる基板部分４は、強度を保持
させるため、その厚さの一部についてのみエッチングが
行われる。
このような２段階エッチングでは、まずｅに図示され
るようなマスクを用い、70％HNO3と49.2％HFとの容積比
5:1のエッチング液を用い、エッチング速度約10〜15μm
/分で室温下のエッチングを基板の厚さの約1/2迄行った
後、次にｆに図示されるようなマスクを用い、前記裏側
部分3,3′の基板が完全に除去される迄エッチング処理
を行う。〔第２図（ｂ）〕 （３）前工程で全くエッチング処理されなかった基板の
両端部分5,5′の全面に、熱酸化法により厚さ約0.1〜１
μｍ程度の酸化膜6,6′を形成させる。形成された酸化
膜は、シリコンを通しての陽極と陰極との短絡を防止さ
せる。〔第２図（ｃ）〕 （４）固体電解質薄膜上7,7′および基板裏面側の部分
エッチング部分４を除く全面８に、それぞれ適当な金属
マスクを用いる真空蒸着法により、厚さ約100〜200Åの
電極を白金、ロジウム、パラジウムなどの貴金属で形成
される。〔第２図（ｄ）〕 （５）以上の各工程とは別に、アルミナ基板11上に貴金
属の対向電極12,12′を真空蒸着法により形成させる。
この電極は、感応体の抵抗値を測定するために設けられ
る。〔第３図（ａ）〕 （６）これらの対向電極12,12′を覆うように、金属SnO
2、TiO2などの酸化物半導体をターゲットとするスパッ
タリング法により、金属酸化物半導体のスパッタリング
薄膜13を約1000〜20000Åの厚さに形成させる。〔第３
図（ｂ）〕 （７）アルミナ基板11の裏面側に、金などで薄膜ヒータ
14を形成させる。この薄膜ヒータは、いずれも400℃以
上の高温でないと動作しない感応体および固体電解質を
昇温させるために設けられるものである。〔第３図
（ｃ）〕 上記（７）工程部材と（４）工程部材とを、耐熱性無
機接着剤を用いてあるいはガラス封着により接着し、金
属酸化物半導体13と固体電解質2,2′との間に間隙10を
形成せしめて、第１図に示されるセルを作製する。
るようなマスクを用い、70％HNO3と49.2％HFとの容積比
5:1のエッチング液を用い、エッチング速度約10〜15μm
/分で室温下のエッチングを基板の厚さの約1/2迄行った
後、次にｆに図示されるようなマスクを用い、前記裏側
部分3,3′の基板が完全に除去される迄エッチング処理
を行う。〔第２図（ｂ）〕 （３）前工程で全くエッチング処理されなかった基板の
両端部分5,5′の全面に、熱酸化法により厚さ約0.1〜１
μｍ程度の酸化膜6,6′を形成させる。形成された酸化
膜は、シリコンを通しての陽極と陰極との短絡を防止さ
せる。〔第２図（ｃ）〕 （４）固体電解質薄膜上7,7′および基板裏面側の部分
エッチング部分４を除く全面８に、それぞれ適当な金属
マスクを用いる真空蒸着法により、厚さ約100〜200Åの
電極を白金、ロジウム、パラジウムなどの貴金属で形成
される。〔第２図（ｄ）〕 （５）以上の各工程とは別に、アルミナ基板11上に貴金
属の対向電極12,12′を真空蒸着法により形成させる。
この電極は、感応体の抵抗値を測定するために設けられ
る。〔第３図（ａ）〕 （６）これらの対向電極12,12′を覆うように、金属SnO
2、TiO2などの酸化物半導体をターゲットとするスパッ
タリング法により、金属酸化物半導体のスパッタリング
薄膜13を約1000〜20000Åの厚さに形成させる。〔第３
図（ｂ）〕 （７）アルミナ基板11の裏面側に、金などで薄膜ヒータ
14を形成させる。この薄膜ヒータは、いずれも400℃以
上の高温でないと動作しない感応体および固体電解質を
昇温させるために設けられるものである。〔第３図
（ｃ）〕 上記（７）工程部材と（４）工程部材とを、耐熱性無
機接着剤を用いてあるいはガラス封着により接着し、金
属酸化物半導体13と固体電解質2,2′との間に間隙10を
形成せしめて、第１図に示されるセルを作製する。
〔作用〕および〔発明の効果〕 固体電解質2,2′は、酸素イオン伝導体であり、その
一方は酸素ポンプとして作用し、雰囲気ガス中の酸素濃
度とセルの間隙部10との酸素温度差に応じて、酸素濃度
の高い方から低い方へと酸素を拡散させる。このとき、
感応体である金属酸化物13の抵抗値が変化しないよう
に、固体電解質２′に電圧を印加することにより、酸素
ポンプとして強制的に酸素を間隙部10に供給し、あるい
はそこから排出する。
一方は酸素ポンプとして作用し、雰囲気ガス中の酸素濃
度とセルの間隙部10との酸素温度差に応じて、酸素濃度
の高い方から低い方へと酸素を拡散させる。このとき、
感応体である金属酸化物13の抵抗値が変化しないよう
に、固体電解質２′に電圧を印加することにより、酸素
ポンプとして強制的に酸素を間隙部10に供給し、あるい
はそこから排出する。
この結果、固体電解質２による酸素の自然拡散と固体
電解質２′による酸素の強制拡散とが平衡となるときの
固体電解質２′に流れるポンプ電流が雰囲気ガス中の酸
素濃度に比例するため、酸素濃度の検出が可能となる。
電解質２′による酸素の強制拡散とが平衡となるときの
固体電解質２′に流れるポンプ電流が雰囲気ガス中の酸
素濃度に比例するため、酸素濃度の検出が可能となる。
また、固体電解質と金属酸化物半導体との間の間隙10
は、感応体たる金属酸化物半導体雰囲気ガスにさらされ
ることがないので、雰囲気ガス中に炭化水素やアルコー
ルなどが混在していても、正確な酸素濃度を検出するこ
とができる。
は、感応体たる金属酸化物半導体雰囲気ガスにさらされ
ることがないので、雰囲気ガス中に炭化水素やアルコー
ルなどが混在していても、正確な酸素濃度を検出するこ
とができる。
更に、本発明の酸素センサでは、固体電解質、電極、
感応体（金属酸化物半導体）、ヒータなどを真空蒸着
法、イオンプレーティング法などで薄膜化することがで
き、そのため低温動作化、微細化、量産化を可能として
いる。また、固体電解質と感光体との間に形成される間
隙部も、シリコンのエッチングにより形成させることが
できるので、特性のバルツキを著しく低減化することが
できる。
感応体（金属酸化物半導体）、ヒータなどを真空蒸着
法、イオンプレーティング法などで薄膜化することがで
き、そのため低温動作化、微細化、量産化を可能として
いる。また、固体電解質と感光体との間に形成される間
隙部も、シリコンのエッチングにより形成させることが
できるので、特性のバルツキを著しく低減化することが
できる。
次に、実施例について本発明を説明する。
実施例 前記（１）〜（７）工程に従って、セルが作製され
た。
た。
（１）工程:RF電力500W、基板バイヤス200V、導入ガス
５×10-4Torrでイオンプレーティングし、膜厚20μｍの
イットリア（８モル％）添加安定化ジルコニア薄膜を形
成させた （３）工程：炉温度900℃、30分間のウェット酸化 （４）工程：厚さ100Åの白金電極を形成させた （６）工程：厚さ１μｍのSnO2スパッタリング薄膜を形
成させた このようにして作製されたセルについて、500℃にお
ける酸素濃度に対応する応答性を測定した。即ち、イッ
トリア添加安定化ジルコニア薄膜の一方を短絡、他方を
SnO2の抵抗値が100KΩとなるように電圧制御を行い、酸
素濃度２〜100容積％の窒素希釈酸素または純酸素につ
いて、酸素濃度に対するポンプ電流値を測定すると、第
４図のグラフに示されるように、酸素濃度４〜60容積％
の間では酸素濃度の対数に比例したポンプ電流が得られ
ることが確認された。
５×10-4Torrでイオンプレーティングし、膜厚20μｍの
イットリア（８モル％）添加安定化ジルコニア薄膜を形
成させた （３）工程：炉温度900℃、30分間のウェット酸化 （４）工程：厚さ100Åの白金電極を形成させた （６）工程：厚さ１μｍのSnO2スパッタリング薄膜を形
成させた このようにして作製されたセルについて、500℃にお
ける酸素濃度に対応する応答性を測定した。即ち、イッ
トリア添加安定化ジルコニア薄膜の一方を短絡、他方を
SnO2の抵抗値が100KΩとなるように電圧制御を行い、酸
素濃度２〜100容積％の窒素希釈酸素または純酸素につ
いて、酸素濃度に対するポンプ電流値を測定すると、第
４図のグラフに示されるように、酸素濃度４〜60容積％
の間では酸素濃度の対数に比例したポンプ電流が得られ
ることが確認された。
第１図は、本発明に係る酸素センサの一態様の縦断面図
である。第２図（ａ）〜（ｄ）および第３図ａ〜（ｃ）
は、それぞれ酸素センサを構成する２つの部材の製造工
程を示している。第２図（ｅ）、（ｆ）は、いずれもマ
スキングに用いられるマスクの平面図である。第４図
は、作製された酸素センサの酸素濃度とポンプ電流との
関係を示すグラフである。また、第５図は、従来の酸素
センサの縦断面図である。 （符号の説明） １……シリコン単結晶基板 ２……固体電解質薄膜 ３……基板エッチング除去部分 ４……基板部分エッチング部分 ５……基板の両端部分 ６……酸化膜 7,8……電極 11……アルミナ基板 12……対向電極 13……酸化物半導体薄膜 14……薄膜ヒータ
である。第２図（ａ）〜（ｄ）および第３図ａ〜（ｃ）
は、それぞれ酸素センサを構成する２つの部材の製造工
程を示している。第２図（ｅ）、（ｆ）は、いずれもマ
スキングに用いられるマスクの平面図である。第４図
は、作製された酸素センサの酸素濃度とポンプ電流との
関係を示すグラフである。また、第５図は、従来の酸素
センサの縦断面図である。 （符号の説明） １……シリコン単結晶基板 ２……固体電解質薄膜 ３……基板エッチング除去部分 ４……基板部分エッチング部分 ５……基板の両端部分 ６……酸化膜 7,8……電極 11……アルミナ基板 12……対向電極 13……酸化物半導体薄膜 14……薄膜ヒータ
Claims (3)
- 【請求項１】酸素ポンプと金属酸化物半導体とを組合
せ、その間に間隙を設けた酸素センサにおいて、雰囲気
ガス中の酸素ガスのみを透過させる一組の固体電解質の
一方を酸素の自然拡散用酸素ポンプとして用い、また他
方を酸素の強制拡散用酸素ポンプとして用いたことを特
徴とする酸素センサ。 - 【請求項２】裏面側に薄膜ヒータを形成させた絶縁性基
板上に、金属酸化物半導体で覆われた対向電極が設けら
れており、該金属酸化物半導体上方には上下両面側に電
極を設けた固体電解質薄膜一組が、酸化膜で絶縁された
シリコン基板によって保持されており、該酸化膜部分を
絶縁性基板上に接着させることにより、金属酸化物半導
体と固体電解質との間に間隙を形成せしめてなる酸素セ
ンサ。 - 【請求項３】固体電解質薄膜が安定化ジルコニアから形
成されている請求項１または２記載の酸素センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2176040A JP2926912B2 (ja) | 1990-07-03 | 1990-07-03 | 酸素センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2176040A JP2926912B2 (ja) | 1990-07-03 | 1990-07-03 | 酸素センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0464051A JPH0464051A (ja) | 1992-02-28 |
| JP2926912B2 true JP2926912B2 (ja) | 1999-07-28 |
Family
ID=16006671
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2176040A Expired - Fee Related JP2926912B2 (ja) | 1990-07-03 | 1990-07-03 | 酸素センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2926912B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5250169A (en) * | 1991-06-07 | 1993-10-05 | Ford Motor Company | Apparatus for sensing hydrocarbons and carbon monoxide |
| DE19910444C2 (de) * | 1999-03-10 | 2001-01-25 | Bosch Gmbh Robert | Temperaturfühler |
| CN111044576B (zh) * | 2019-12-27 | 2020-07-31 | 安徽芯淮电子有限公司 | 基于mems集成式的气体传感器及其制作方法 |
-
1990
- 1990-07-03 JP JP2176040A patent/JP2926912B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0464051A (ja) | 1992-02-28 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |