JP3971141B2

JP3971141B2 - Limit current type oxygen sensor heater and resistance adjustment method for limit current type oxygen sensor heater

Info

Publication number: JP3971141B2
Application number: JP2001274626A
Authority: JP
Inventors: 元昭飯尾
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2021-09-11
Also published as: JP2003083931A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は限界電流式酸素センサ及びこの限界電流式酸素センサのヒータ抵抗調整方法に関し、特に、一枚の被成膜マスタ基板から取得される複数の多孔質酸素ガス律速体基板上に複数のヒータをスパッタリングにより成膜する際に生じるヒータ抵抗のバラツキを効果的に軽減させることを可能にした限界電流式酸素センサ及びこの限界電流式酸素センサのヒータ抵抗調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、限界電流式酸素センサの構成要素の一部である多孔質酸素ガス律速体基板は、一枚の被成膜マスタ基板から複数個、取得される。そして、これら複数の多孔質酸素ガス律速体基板それぞれに対応する複数のヒータは、被成膜マスタ基板が複数の酸素センサに分割される前に、同形状の複数のヒータパターンが形成されたスパッタ用マスクによりパターニングされて、スパッタリングにより一度に複数個分、成膜される。ところが、スパッタリングの特性上、膜厚分布が生じ、これに伴い複数のヒータ間の抵抗値にもバラツキが生じるという問題が発生していた。この問題を以下に図面を用いて説明する。
【０００３】
まず、スパッタリングにより成膜される上記ヒータを有する限界電流式酸素センサについて図４及び図５を用いて説明する。図４は、この種の限界電流式酸素センサの一例を示す外観斜視図である。図５は、図４の限界電流式酸素センサの背面図である。
【０００４】
図４及び図５に示すように、この種の限界電流式酸素センサは、薄膜状の陽極板１と、薄膜状の固体電解質膜２と、薄膜状の陰極板３と、多孔質酸素ガス律速体基板４とが上からこの順に積層されて構成される。上記陽極板１はＰｔ（白金）からなり、略正方形板状の主電極部１１と、リード線が接続される細長い鉤型板状の出力端子部１２から基本的に構成される。固体電解質膜２は、例えば、安定化ジルコニア（Ｙ₂Ｏ₃とＺｒＯ₂からなる）の酸素イオン導電体の薄膜である。陰極板３もＰｔからなり、略正方形板状の主電極部と、リード線が接続される細長い鉤型板状の出力端子部３２から基本的に構成される。そして、上記出力端子部１２及び出力端子部３２にはそれぞれ、リード線６ａ及び６ｂが接続されており、これらリード線６ａ及び６ｂを介して、センサ出力信号が供給される。
【０００５】
多孔質酸素ガス律速体基板４は、例えば、多孔質アルミナ基板からなる一辺３〜４ｍｍの四角形板状に構成される。この多孔質酸素ガス律速体基板４の下おもて面には、おもて面のセンサ部を加熱するための発熱体であるＰｔからなるヒータ５が成膜される。このヒータ５の両端には、ヒータ電源を供給するためのリード線７ａ及び７ｂが接続される端子部５１ａ及び５１ｂがそれぞれ形成されている。この端子部５１ａ及び５１ｂは、後述する本発明の実施形態では、ランドとも呼んでいる。
【０００６】
上述のような構成の限界電流式酸素センサの陽極板１の出力端子部１２、及び陰極板３の出力端子部３２の間に流れるセンサ出力電流は、所定の印加電圧以上では略一定値となる。このときの電流値を限界電流とよび、この限界電流は酸素濃度に応じたものとなる。これを利用して酸素濃度が検出される。
【０００７】
ところで、上記多孔質酸素ガス律速体基板４は、多孔質酸素ガス律速体からなる一枚の被成膜マスタ基板から複数個、取得される。複数個の多孔質酸素ガス律速体基板４に対応する複数のヒータは、一枚の被成膜マスタ基板から分割される前に、同形状の複数のヒータパターンが形成されたスパッタ用マスクによりパターニングされて、複数個同時にスパッタリングにより成膜される。
【０００８】
例えば、４１．５ｍｍ×３８．５ｍｍ×０．３ｍｍの被成膜マスタ基板に対して、その縦辺を１０、横辺を１１に均等分割して、計１１０個の多孔質酸素ガス律速体基板４が取得されるが、この１１０個に分割される前に、スパッタ用マスクによりパターニングされて、長さの等しい１１０個のヒータが被成膜マスタ基板上に成膜されることになる。ところが、スパッタリングにより蒸着堆積される膜厚は、被成膜マスタ基板の中央部が最も大きく、中央部から周辺部に向かうにしたがって、小さくなっていく傾向があることが知られている。この傾向により、被成膜マスタ基板上に成膜される１１０個のヒータ５の抵抗値間にもバラツキが生じることになる。これについて、図６及び図７を用いて以下に説明する。
【０００９】
図６（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、従来のスパッタ用マスクの全体像を示す概略平面図及びスパッタ用マスクの一マスクユニットを示す概略平面図である。図７は、図６のスパッタ用マスクを用いて成膜される各ヒータの抵抗値の分布を示すグラフである。
【００１０】
図６（Ａ）に示すように、このスパッタ用マスクは、例えば、４１．５ｍｍ×３８．５ｍｍ×０．３ｍｍの被成膜マスタ基板に対応させて、その縦辺を縦番号Ｓ１〜Ｓ１０で示すように１０等分割し、横辺を横番号Ｔ１〜Ｔ１１で示すように１１等分割した、１１０個のマスクユニットＵに区画される。そして、これら１１０個のマスクユニットＵは共に、図６（Ｂ）に示すように、上記ヒータ５の形状に対応したヒータパターンＵ５が形成されている。１１０個のマスクユニットＵに形成されるそれぞれのヒータパターンＵ５は全て同形状をしている。すなわち、その長さ及び幅も等しい。例えば、ヒータパターンＵ５に含まれるジグザグ部は、２．４ｍｍ×１．４ｍｍに設定されている。なお、参照番号Ｕ５１ａ及びＵ５１ｂはそれぞれ、端子部５１ａ及び５１ｂに対応するランド形成部である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このような１１０個のマスクユニットＵで構成されるスパッタ用マスクを利用して、公知のスパッタリングにより、前述した複数の多孔質酸素ガス律速体基板４に対応したヒータ５を成膜すると、Ｓ１〜Ｓ１０及びＴ１〜Ｔ１１で区画される各マスクユニットＵに含まれる各ヒータ５の抵抗値の分布は、図７に示すようになる。
【００１２】
前述したように、スパッタリングにより蒸着堆積される膜厚は、被成膜マスタ基板の中央部が最も大きく、中央部から周辺部に向かうにしたがって小さくなっていく傾向があるので、周辺部に区画されるマスクユニットＵの膜厚は、中央部のそれらより小さくなる。パターンＵ５の幅は、上述したように等しいので、膜厚が小さいほどパターンＵ５の断面積は狭くなり、よって図７に示すように、周辺部に近づくにしたがってパターンＵ５の抵抗値は大きくなることになる。
【００１３】
そうなると、１１０個のヒータ５それぞれの抵抗値もバラツキすることになり、最終的に１枚の被成膜マスタ基板から取得される１１０個の限界電流式酸素センサの加熱特性もバラツキし、限界電流式酸素センサの出力特性にバラツキが発生することになる。この対策としては、各ヒータの抵抗値のレーザトリミング、スパッタターゲットの大型化等が考えられるが、これらは大がかりで、コスト高になってしまう問題があった。
【００１４】
よって本発明は、上述した現状に鑑み、コスト高を招くことなく、容易にヒータ抵抗の調整が可能な限界電流式酸素センサ用ヒータ及び限界電流式酸素センサ用ヒータの抵抗調整方法を提供することを課題としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の限界電流式酸素センサ用ヒータは、複数の限界電流式酸素センサをそれぞれ構成する複数の多孔質酸素ガス律速体基板４のマスタ部材となる一枚の被成膜マスタ基板上に、前記複数の多孔質酸素ガス律速体基板４にそれぞれ対応して成膜された限界電流式酸素センサ用ヒータ８であって、ヒータ電源供給用のリード線７ａ、７ｂの基準ボンディング部位である基準ランド対８１ａ、８１ｂと、複数の階級にランク分けされた前記基準ランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗範囲にそれぞれ対応して、ヒータ抵抗が抵抗規格に基づく所定の調整抵抗範囲に入るような位置にそれぞれ形成された複数の抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂとを含んでいる。そして、前記基準ランド対８１ａ、８１ｂは、ヒータ両端部に形成され、前記複数の抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂは、前記基準ランド対８１ａ、８１ｂの内側に形成されており、これら基準ランド対８１ａ、８１ｂ及び複数の抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂは、前記多孔質酸素ガス律速体基板４の対向する両外側面に近接して形成されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項１記載の発明によれば、本限界電流式酸素センサ用ヒータ８は、基準ランド対８１ａ、８１ｂ及び複数の抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂを含んでいる。基準ランド対８１ａ、８１ｂは、ヒータ電源供給用のリード線７ａ、７ｂの基準ボンディング部位である。この基準ランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗の値は、複数の階級にランク分けされている。また、抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂは、ランク分けされた基準ランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗範囲にそれぞれ対応して、ヒータ抵抗が抵抗規格に基づく所定の調整抵抗範囲に入るような位置にそれぞれ形成されている。このように、本発明は、複数の階級にランク分けされた基準ランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗範囲にそれぞれ対応して、ヒータ抵抗が所定の調整抵抗範囲に入るような位置にそれぞれ形成された複数の抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂを含んでいるので、基準ランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗に基づき、リード線７ａ、７ｂをボンディングすべき所望のヒータ抵抗を有するランド対を容易に選択できる。そして、基準ランド対８１ａ、８１ｂは、ヒータ両端部に形成され、抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂは、基準ランド対８１ａ、８１ｂの内側に形成されている。このため、ヒータ抵抗がヒータ長に依存することを利用して、抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂの位置を設定するのが容易になる。また、基準ランド対８１ａ、８１ｂ及び複数の抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂは、多孔質酸素ガス律速体基板４の対向する両外側面に近接して形成されているので、リード線７ａ、７ｂのボンディングが容易になる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の限界電流式酸素センサ用ヒータの一実施形態を示す平面図である。図２は、図１の限界電流式酸素センサ用ヒータを成膜する際に用いるスパッタ用マスクの一マスクユニットを示す概略平面図である。図３は、本限界電流式酸素センサ用ヒータの抵抗調整方法に用いる基準ランド対抵抗値範囲、ランク、設定ランド位置、及び調整抵抗範囲の対応関係を示す説明図である。なお、本実施形態を利用して形成される限界電流式酸素センサは、ヒータを除いては、前述の図４で説明したものと同等の構成になるので、ここではその説明を省略する。
【００２６】
図１に示すように、本実施形態の限界電流式酸素センサ用ヒータ８（又は単にヒータ８とよぶ）は、多孔質酸素ガス律速体基板４のうら面に成膜される。この多孔質酸素ガス律速体基板４は、図４を用いて前述したように、一枚のマスタ部材が、例えば、一辺３〜４ｍｍの四角形板状に、複数個に均等分割されて形成されるものである。但し、ヒータ８は、この分割前に図２で示すようなスパッタ用マスクを用いて成膜される。
【００２７】
このヒータ８は、多孔質酸素ガス律速体基板４のおもて面のセンサ部を効率的に加熱するために、ジグザグ状のＰｔ膜から構成される。このジグザグ状のヒータ８の両端には、ヒータ電源供給用のリード線７ａ、７ｂの基準ボンディング部位である基準ランド対８１ａ、８１ｂ（又は単にランド対８１ａ、８１ｂとよぶ）が形成されている。また、この基準ランド対８１ａ、８１ｂの内側には、複数の抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂ（又は単にランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂとよぶ）が形成されている。これらのランド対８１ａ〜８５ａ、８１ｂ〜８５ｂは、四角形板状の多孔質酸素ガス律速体基板４の対向する両外側面に近接して、並設されている。なお、参照番号８１ａは８１ｂと対になっていることを示し、同様に、８２ａは８２ｂと、８３ａは８３ｂと、８４ａは８４ｂと、そして８５ａは８５ｂと対になっていることを示す。
【００２８】
このように、基準ランド対８１ａ、８１ｂは、ヒータ両端部に形成され、抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂは、基準ランド対８１ａ、８１ｂの内側に形成されているので、抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂの位置を設定するのが容易になる。また、基準ランド対８１ａ、８１ｂ及び複数の抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂは、多孔質酸素ガス律速体基板４の対向する両外側面に近接して形成されているので、リード線７ａ、７ｂのボンディングが容易になる。
【００２９】
上述のような構成の限界電流式酸素センサ用ヒータ８は、図２に示すようなマスクユニットＵで構成されるスパッタ用マスクを用いて成膜される。このスパッタ用マスクは、図６（Ａ）で示したと同様、例えば、４１．５ｍｍ×３８．５ｍｍ×０．３ｍｍの被成膜マスタ基板を、縦辺を１０等分割し、横辺を１１等分割して、１１０個のマスクユニットＵに区画するものである。すなわち、１枚の被成膜マスタ基板から、１１０個の限界電流式酸素センサが取得されることになる。
【００３０】
各マスクユニットＵは同形状のヒータパターンＵ８を有し、ヒータパターンＵ８は上述したランド対８１ａ〜８５ａ、８１ｂ〜８５ｂを形成するためのランド対形成部Ｕ８１ａ〜Ｕ８５ａ、Ｕ８１ｂ〜Ｕ８５ｂを有している。
【００３１】
このヒータパターンＵ８の幅は、例えば、１５０μｍ程度に設定され、ヒータパターンＵ８に含まれるジグザグ部は、２．４ｍｍ×１．４ｍｍに設定されている。また、ランド対８１ａ〜８５ａ、８１ｂ〜８５ｂのボンディング部位の幅は、３００μｍ〜４００μｍ程度に設定されている。また、Ｐｔの膜厚は、４．０μｍを目標値としてスパッタリングする。
【００３２】
上述のようなスパッタ用マスクを用いて成膜された限界電流式酸素センサ用ヒータ８の基準ランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗値範囲は、図３に示すように、１〜５のランクが設定されている。例えば、基準ランド対抵抗値範囲が５．３５００〜５．８５００Ωの際にはランク１に相当し、同様に、基準ランド対抵抗値範囲が、５．８５０１〜５．９５００Ω、５．９５０１〜６．１８００Ω、６．１８０１〜６．４１００Ω及び６．４１０１〜６．６４００Ωの際には、それぞれランク２、３、４及び５に相当する。
【００３３】
そして、これらランク１〜５にそれぞれ対応した調整抵抗範囲を有する上記ランド対８１ａ〜８５ａ、８１ｂ〜８５ｂが形成される。すなわち、ヒータ断面積を一定とするとヒータ抵抗はヒータ長に比例するので、これを利用して、ランド対８１ａ〜８５ａ、８１ｂ〜８５ｂが並設される。上記調整抵抗範囲は、求められる抵抗規格、例えば、５．３５００〜５．８５００Ωに基づいて設定される。例えば、設定ランド位置１、すなわち、ランド対８１ａ、８１ｂの調整抵抗範囲は５．３５００〜５．８５００Ωに設定され、設定ランド位置２、すなわち、ランド対８２ａ、８２ｂの調整抵抗範囲は５．６２０１〜５．７２００Ωに設定される。同様に、設定ランド位置３、４及び５、すなわち、ランド対８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂ、及び８５ａ、８５ｂの調整抵抗範囲は共に、５．４６０１〜５．７２００Ωに設定される。但し、ランド対８１ａ、８１ｂは、請求項中の基準ランド対としても機能する。
【００３４】
このように、本実施形態の限界電流式酸素センサ用ヒータ８は、複数の階級にランク分けされた基準ランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗範囲にそれぞれ対応して、ヒータ抵抗が所定の調整抵抗範囲に入るような位置にそれぞれ形成された複数の抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂを含むので、基準ランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗に基づき、リード線７ａ、７ｂをボンディングすべき所望のヒータ抵抗を有するランド対を容易に選択できる。もちろん、基準ランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗が許容範囲であれば、基準ランド対８１ａ、８１ｂをボンディングすべきランド対として選択することもできる。この結果、限界電流式酸素センサ用ヒータ８のバラツキを調整することが可能になり、限界電流式酸素センサの出力特性のバラツキも抑制することが可能になる。また、上述のようにヒータ抵抗が調整可能になるので、従来、規格外とされていた限界電流式酸素センサ用ヒータも使用可能になる。
【００３５】
上述のような構成の限界電流式酸素センサ用ヒータ８の抵抗調整方法を以下に説明する。
【００３６】
まず、基準ランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗値を測定する（請求項３の抵抗測定工程に相当）。例えば、このときのヒータ抵抗値は、６．５０Ωであったとする。
【００３７】
次に、測定された上記基準ランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗値に基づき、ランクを決定する（請求項３のランク決定工程に相当）。例えば、ヒータ抵抗値は、上述したように６．５０Ωであるので、ランクは５と決定される。
【００３８】
そして、決定された上記ランクに基づき、複数の抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂのうちから、リード線７ａ、７ｂのボンディング部位となるランド対を選択する（請求項３の抵抗調整用ランド対選択工程に相当）。例えば、上述のように決定されたランクは５であるので、リード線７ａ、７ｂのボンディング部位となるランド対としては、設定ランド位置５、すなわち、ランド対８５ａ、８５ｂが選択される。このときの抵抗範囲は、例えば、５．６４Ωであり、これにより、基準ランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗が６．５０Ωであるにもかかわらず、抵抗規格を満たす限界電流式酸素センサ用ヒータ８を得ることができる。
【００３９】
なお、測定された上記基準ランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗値が、既に抵抗規格に適合している場合には、基準ランド対８１ａ、８１ｂをリード線７ａ、７ｂのボンディング部位として選択する（請求項４の基準ランド対選択工程に相当）。この場合、即座にリード線７ａ、７ｂのボンディング部位が決定できるので、最適な限界電流式酸素センサ用ヒータの抵抗調整が更に容易になる。
【００４０】
このように、本実施形態の限界電流式酸素センサ用ヒータ８の抵抗調整方法によれば、複数のランド対８１ａ〜８５ａ、８１ｂ〜８５ｂのうちのいずれかひとつのランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗を測定し、この測定したヒータ抵抗に基づいて、複数のランド対８１ａ〜８５ａ、８１ｂ〜８５ｂのうちから所望のランド対を選択するようにしているので、限界電流式酸素センサ用ヒータの抵抗が容易に調整可能になる。この結果、限界電流式酸素センサの出力特性のバラツキを抑制することが可能になる。また、上述のようにヒータ抵抗が調整可能になるので、従来、規格外とされていた限界電流式酸素センサ用ヒータも使用可能になる。
【００４１】
なお、上述してきた実施形態ではランド対８１ａ、８１ｂを基準としているが、本発明はこれに限定するものではなく、他のランド対を基準としてもよい。また、ランクやランド対の数も実施形態では５としているが、本発明はこれに限定するものではなく、用途や抵抗規格に応じて変更可能である。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、複数の階級にランク分けされた基準ランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗範囲にそれぞれ対応して、ヒータ抵抗が所定の調整抵抗範囲に入るような位置にそれぞれ形成された複数の抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂを含むので、基準ランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗に基づき、リード線７ａ、７ｂをボンディングすべき所望のヒータ抵抗を有するランド対を容易に選択できる。もちろん、基準ランド対８１ａ、８１ｂのヒータ抵抗が許容範囲であれば、基準ランド対８１ａ、８１ｂをボンディングすべきランド対として選択することもできる。この結果、限界電流式酸素センサ用ヒータ８のバラツキを調整することが可能になり、限界電流式酸素センサの出力特性のバラツキも抑制することが可能になる。また、上述のようにヒータ抵抗が調整可能になるので、従来、規格外とされていた限界電流式酸素センサ用ヒータも使用可能になる。そして、基準ランド対８１ａ、８１ｂは、ヒータ両端部に形成され、抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂは、基準ランド対８１ａ、８１ｂの内側に形成されているので、抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂの位置を設定するのが容易になる。また、基準ランド対８１ａ、８１ｂ及び複数の抵抗調整用ランド対８２ａ〜８５ａ、８２ｂ〜８５ｂは、多孔質酸素ガス律速体基板４の対向する両外側面に近接して形成されているので、リード線７ａ、７ｂのボンディングが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の限界電流式酸素センサ用ヒータの一実施形態を示す平面図である。
【図２】図１の限界電流式酸素センサ用ヒータを成膜する際に用いるスパッタ用マスクの一マスクユニットを示す概略平面図である。
【図３】本限界電流式酸素センサ用ヒータの抵抗調整方法に用いる基準ランド対抵抗値範囲、ランク、設定ランド位置、及び調整抵抗範囲の対応関係を示す説明図である。
【図４】この種の限界電流式酸素センサの一例を示す外観斜視図である。
【図５】図５は、図４の限界電流式酸素センサの背面図である。
【図６】図６（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、従来のスパッタ用マスクの全体像を示す概略平面図及びスパッタ用マスクの一マスクユニットを示す概略平面図である。
【図７】図６のスパッタ用マスクを用いて成膜される各ヒータの抵抗値の分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１陽極板
２固体電解質膜
３陰極板
４多孔質酸素ガス律速体基板
７ａ、７ｂリード線
８ヒータ
８１ａ〜８５ａ、８１ｂ〜８５ｂランド対[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a limiting current type oxygen sensor and a heater resistance adjusting method for the limiting current type oxygen sensor, and more particularly to a plurality of heaters on a plurality of porous oxygen gas rate-limiting substrates obtained from a single film formation master substrate. The present invention relates to a limiting current type oxygen sensor that can effectively reduce variation in heater resistance that occurs when a film is formed by sputtering, and a heater resistance adjusting method for the limiting current type oxygen sensor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a plurality of porous oxygen gas rate-limiting substrates that are part of components of a limiting current oxygen sensor are obtained from a single film formation master substrate. The plurality of heaters corresponding to each of the plurality of porous oxygen gas rate-limiting substrates are sputters in which a plurality of heater patterns having the same shape are formed before the film formation master substrate is divided into a plurality of oxygen sensors. A plurality of films are formed at one time by patterning using a mask for sputtering. However, the film thickness distribution occurs due to the characteristics of sputtering, and as a result, there is a problem that the resistance value between the plurality of heaters also varies. This problem will be described below with reference to the drawings.
[0003]
First, a limiting current type oxygen sensor having the heater formed by sputtering will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is an external perspective view showing an example of this type of limiting current oxygen sensor. FIG. 5 is a rear view of the limiting current type oxygen sensor of FIG.
[0004]
As shown in FIGS. 4 and 5, this type of limiting current type oxygen sensor includes a thin-film anode plate 1, a thin-film solid electrolyte membrane 2, a thin-film cathode plate 3, and a porous oxygen gas rate-limiting. The body substrate 4 is configured to be laminated in this order from above. The anode plate 1 is made of Pt (platinum) and is basically composed of a main electrode portion 11 having a substantially square plate shape and an output terminal portion 12 having an elongated bowl-shaped plate shape to which a lead wire is connected. The solid electrolyte membrane 2 is, for example, a stabilized zirconia (made of Y ₂ O ₃ and ZrO ₂ ) oxygen ion conductor thin film. The cathode plate 3 is also made of Pt, and basically includes a substantially square plate-like main electrode portion and an elongated bowl-like plate-like output terminal portion 32 to which a lead wire is connected. Lead wires 6a and 6b are connected to the output terminal portion 12 and the output terminal portion 32, respectively, and a sensor output signal is supplied through the lead wires 6a and 6b.
[0005]
The porous oxygen gas rate limiting substrate 4 is configured, for example, in a rectangular plate shape with a side of 3 to 4 mm made of a porous alumina substrate. A heater 5 made of Pt, which is a heating element for heating the sensor unit on the front surface, is formed on the lower front surface of the porous oxygen gas rate limiting substrate 4. Terminal portions 51a and 51b to which lead wires 7a and 7b for supplying heater power are connected are formed at both ends of the heater 5, respectively. The terminal portions 51a and 51b are also called lands in the embodiments of the present invention described later.
[0006]
The sensor output current flowing between the output terminal portion 12 of the anode plate 1 and the output terminal portion 32 of the cathode plate 3 of the limiting current type oxygen sensor configured as described above becomes a substantially constant value above a predetermined applied voltage. . The current value at this time is called a limit current, and this limit current depends on the oxygen concentration. Using this, the oxygen concentration is detected.
[0007]
By the way, a plurality of the porous oxygen gas rate-limiting substrates 4 are obtained from a single film formation master substrate made of a porous oxygen gas rate-limiting material. The plurality of heaters corresponding to the plurality of porous oxygen gas rate-limiting substrates 4 are patterned by a sputtering mask on which a plurality of heater patterns having the same shape are formed before being divided from one film formation master substrate. A plurality of films are simultaneously formed by sputtering.
[0008]
For example, with respect to a deposition master substrate of 41.5 mm × 38.5 mm × 0.3 mm, the vertical side is equally divided into 10 and the horizontal side is divided into 11, so that a total of 110 porous oxygen gas rate limiting substrate. 4 is obtained, but before being divided into 110 pieces, 110 heaters having the same length are formed on the film formation master substrate by patterning with a sputtering mask. However, it is known that the film thickness deposited by sputtering is the largest at the central portion of the film formation master substrate and tends to decrease as it goes from the central portion to the peripheral portion. Due to this tendency, variation also occurs between the resistance values of the 110 heaters 5 deposited on the deposition target substrate. This will be described below with reference to FIGS.
[0009]
6A and 6B are a schematic plan view showing an entire image of a conventional sputtering mask and a schematic plan view showing one mask unit of the sputtering mask, respectively. FIG. 7 is a graph showing the resistance value distribution of each heater formed using the sputtering mask of FIG.
[0010]
As shown in FIG. 6A, this sputtering mask corresponds to, for example, a 41.5 mm × 38.5 mm × 0.3 mm film formation master substrate, and the vertical sides thereof are represented by vertical numbers S1 to S10. As shown, it is divided into 10 equal parts, and the horizontal sides are divided into 110 mask units U divided into 11 equal parts as indicated by horizontal numbers T1 to T11. Each of these 110 mask units U is formed with a heater pattern U5 corresponding to the shape of the heater 5 as shown in FIG. 6B. All the heater patterns U5 formed on the 110 mask units U have the same shape. That is, the length and width are also equal. For example, the zigzag portion included in the heater pattern U5 is set to 2.4 mm × 1.4 mm. Reference numbers U51a and U51b are land forming portions corresponding to the terminal portions 51a and 51b, respectively.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
When the heater 5 corresponding to the plurality of porous oxygen gas rate-limiting substrates 4 described above is formed by known sputtering using such a sputtering mask composed of 110 mask units U, S1 to S1 are formed. The distribution of the resistance value of each heater 5 included in each mask unit U partitioned by S10 and T1 to T11 is as shown in FIG.
[0012]
As described above, the film thickness deposited by sputtering is the largest in the central part of the deposition target master substrate, and tends to decrease from the central part toward the peripheral part. The film thickness of the mask unit U is smaller than those at the center. Since the width of the pattern U5 is equal as described above, the smaller the film thickness, the narrower the cross-sectional area of the pattern U5. Therefore, as shown in FIG. 7, the resistance value of the pattern U5 increases as it approaches the periphery. become.
[0013]
Then, the resistance value of each of the 110 heaters 5 also varies, and the heating characteristics of the 110 limit current type oxygen sensors finally obtained from one film formation master substrate also vary. The output characteristics of the oxygen sensor will vary. Possible countermeasures include laser trimming of the resistance value of each heater and an increase in the size of the sputter target. However, these are large and costly.
[0014]
Accordingly, the present invention provides a limiting current type oxygen sensor heater and a limiting current type oxygen sensor heater resistance adjusting method capable of easily adjusting the heater resistance without incurring high costs in view of the above-described present situation. Is an issue.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The heater for limiting current type oxygen sensor according to claim 1, which has been made to solve the above problems, is a master member for a plurality of porous oxygen gas rate limiting body substrates 4 that respectively constitute a plurality of limiting current type oxygen sensors. A limiting current type oxygen sensor heater 8 formed on a single film formation master substrate in correspondence with each of the plurality of porous oxygen gas rate-limiting substrates 4, and a lead wire 7a for supplying heater power Corresponding to the heater resistance ranges of the reference land pairs 81a and 81b, which are reference bonding portions of 7b, and the reference land pairs 81a and 81b ranked in a plurality of classes, respectively. It includes a plurality of resistance adjustment land pairs 82a to 85a and 82b to 85b respectively formed at positions that fall within the adjustment resistance range. The reference land pairs 81a and 81b are formed at both ends of the heater, and the plurality of resistance adjustment land pairs 82a to 85a and 82b to 85b are formed inside the reference land pairs 81a and 81b. The reference land pairs 81a and 81b and the plurality of resistance adjusting land pairs 82a to 85a and 82b to 85b are formed close to both opposing outer surfaces of the porous oxygen gas rate limiting body substrate 4. And
[0016]
According to the first aspect of the present invention, the limiting current oxygen sensor heater 8 includes the reference land pairs 81a and 81b and a plurality of resistance adjusting land pairs 82a to 85a and 82b to 85b. The reference land pairs 81a and 81b are reference bonding portions of the heater power supply lead wires 7a and 7b. The heater resistance values of the reference land pairs 81a and 81b are ranked into a plurality of classes. Further, the resistance adjustment land pairs 82a to 85a and 82b to 85b correspond to the heater resistance ranges of the ranked reference land pairs 81a and 81b, respectively, and the heater resistance falls within a predetermined adjustment resistance range based on the resistance standard. Each is formed in such a position. In this way, the present invention is formed at a position where the heater resistance falls within a predetermined adjustment resistance range, corresponding to the heater resistance range of the reference land pairs 81a and 81b ranked in a plurality of classes. Since a plurality of resistance adjusting land pairs 82a to 85a and 82b to 85b are included, a land pair having a desired heater resistance to which the lead wires 7a and 7b are to be bonded is based on the heater resistance of the reference land pair 81a and 81b. Easy to select. The reference land pairs 81a and 81b are formed at both ends of the heater, and the resistance adjustment land pairs 82a to 85a and 82b to 85b are formed inside the reference land pairs 81a and 81b. For this reason, it becomes easy to set the positions of the resistance adjustment land pairs 82a to 85a and 82b to 85b by utilizing the fact that the heater resistance depends on the heater length. Further, since the reference land pairs 81a and 81b and the plurality of resistance adjusting land pairs 82a to 85a and 82b to 85b are formed close to both opposing outer surfaces of the porous oxygen gas rate limiting body substrate 4, the leads Bonding of the wires 7a and 7b is facilitated.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of the limiting current oxygen sensor heater of the present invention. FIG. 2 is a schematic plan view showing one mask unit of a sputtering mask used when forming the limiting current type oxygen sensor heater of FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a correspondence relationship between a reference land-to-resistance value range, a rank, a set land position, and an adjustment resistance range used in the resistance adjustment method of the limiting current oxygen sensor heater. Since the limiting current type oxygen sensor formed by using this embodiment has the same configuration as that described with reference to FIG. 4 except for the heater, the description thereof is omitted here.
[0026]
As shown in FIG. 1, the limiting current oxygen sensor heater 8 (or simply referred to as the heater 8) of this embodiment is formed on the back surface of the porous oxygen gas rate limiting substrate 4. As described above with reference to FIG. 4, the porous oxygen gas rate-limiting substrate 4 is formed by dividing a single master member into, for example, a square plate having a side of 3 to 4 mm and equally dividing into a plurality. Is. However, the heater 8 is formed using a sputtering mask as shown in FIG. 2 before this division.
[0027]
The heater 8 is composed of a zigzag Pt film in order to efficiently heat the sensor portion on the front surface of the porous oxygen gas rate limiting substrate 4. At both ends of the zigzag heater 8, reference land pairs 81a and 81b (or simply referred to as land pairs 81a and 81b) which are reference bonding portions of the lead wires 7a and 7b for supplying heater power are formed. Further, a plurality of resistance adjustment land pairs 82a to 85a, 82b to 85b (or simply called land pairs 82a to 85a, 82b to 85b) are formed inside the reference land pairs 81a and 81b. These land pairs 81a to 85a and 81b to 85b are arranged in parallel in the vicinity of both opposing outer surfaces of the rectangular plate-like porous oxygen gas rate limiting body substrate 4. Reference numeral 81a indicates that it is paired with 81b. Similarly, 82a indicates that it is paired with 82b, 83a is 83b, 84a is 84b, and 85a is paired with 85b.
[0028]
Thus, the reference land pairs 81a and 81b are formed at both ends of the heater, and the resistance adjustment land pairs 82a to 85a and 82b to 85b are formed inside the reference land pairs 81a and 81b. It becomes easy to set the positions of the land pairs 82a to 85a and 82b to 85b. Further, since the reference land pairs 81a and 81b and the plurality of resistance adjusting land pairs 82a to 85a and 82b to 85b are formed close to both opposing outer surfaces of the porous oxygen gas rate limiting body substrate 4, the leads Bonding of the wires 7a and 7b is facilitated.
[0029]
The limiting current type oxygen sensor heater 8 configured as described above is formed using a sputtering mask including a mask unit U as shown in FIG. In this sputtering mask, as shown in FIG. 6A, for example, a film formation master substrate of 41.5 mm × 38.5 mm × 0.3 mm is divided into 10 equal parts on the vertical side and eleventh on the horizontal side. It is divided into 110 mask units U. That is, 110 limiting current oxygen sensors are acquired from one deposition master substrate.
[0030]
Each mask unit U has a heater pattern U8 having the same shape, and the heater pattern U8 has land pair forming portions U81a to U85a and U81b to U85b for forming the land pairs 81a to 85a and 81b to 85b described above. Yes.
[0031]
The width of the heater pattern U8 is set to about 150 μm, for example, and the zigzag portion included in the heater pattern U8 is set to 2.4 mm × 1.4 mm. In addition, the widths of the bonding portions of the land pairs 81a to 85a and 81b to 85b are set to about 300 μm to 400 μm. The Pt film thickness is sputtered with a target value of 4.0 μm.
[0032]
As shown in FIG. 3, the heater resistance value range of the reference land pair 81a, 81b of the limiting current oxygen sensor heater 8 formed using the sputtering mask as described above is set to ranks 1-5. Has been. For example, when the reference land-to-resistance value range is 5.3500 to 5.8500Ω, it corresponds to rank 1, and similarly, the reference land-to-resistance value range is from 5.8501 to 5.9500Ω and from 5.9501 to 6 .1800Ω, 6.1801 to 6.4100Ω, and 6.4101 to 6.6400Ω correspond to ranks 2, 3, 4, and 5, respectively.
[0033]
Then, the land pairs 81a to 85a and 81b to 85b having the adjustment resistance ranges respectively corresponding to the ranks 1 to 5 are formed. That is, if the heater cross-sectional area is constant, the heater resistance is proportional to the heater length, and this is used to arrange the land pairs 81a to 85a and 81b to 85b in parallel. The adjustment resistance range is set based on a required resistance standard, for example, 5.3500 to 5.8500Ω. For example, the adjustment resistance range of the set land position 1, that is, the land pair 81a, 81b is set to 5.3500 to 5.8500Ω, and the adjustment resistance range of the set land position 2, that is, the land pair 82a, 82b is 5.6201. Set to ~ 5.7200Ω. Similarly, the adjustment resistance ranges of the set land positions 3, 4, and 5, that is, the land pairs 83a, 83b, 84a, 84b, and 85a, 85b are all set to 5.4601 to 5.7200Ω. However, the land pair 81a, 81b also functions as a reference land pair in the claims.
[0034]
As described above, the limiting current oxygen sensor heater 8 of the present embodiment has a heater resistance having a predetermined adjustment resistance range corresponding to the heater resistance ranges of the reference land pairs 81a and 81b ranked in a plurality of classes. Since the plurality of resistance adjusting land pairs 82a to 85a and 82b to 85b are formed respectively at positions where the lead wires 7a and 7b are bonded to each other, the lead wires 7a and 7b should be bonded based on the heater resistance of the reference land pairs 81a and 81b. It is possible to easily select a land pair having a heater resistance of 5 nm. Of course, if the heater resistance of the reference land pair 81a, 81b is within an allowable range, the reference land pair 81a, 81b can be selected as a land pair to be bonded. As a result, it is possible to adjust the variation of the limiting current type oxygen sensor heater 8, and it is also possible to suppress the variation of the output characteristics of the limiting current type oxygen sensor. Further, since the heater resistance can be adjusted as described above, a heater for a limiting current oxygen sensor, which has been conventionally out of specification, can be used.
[0035]
A resistance adjustment method for the limiting current type oxygen sensor heater 8 having the above-described configuration will be described below.
[0036]
First, the heater resistance value of the reference land pair 81a, 81b is measured (corresponding to the resistance measurement step of claim 3). For example, it is assumed that the heater resistance value at this time is 6.50Ω.
[0037]
Next, a rank is determined based on the measured heater resistance value of the reference land pair 81a, 81b (corresponding to the rank determining step of claim 3). For example, since the heater resistance value is 6.50Ω as described above, the rank is determined to be 5.
[0038]
Then, based on the determined rank, a land pair to be a bonding portion of the lead wires 7a and 7b is selected from the plurality of resistance adjustment land pairs 82a to 85a and 82b to 85b. Equivalent to land vs. selection process). For example, since the rank determined as described above is 5, the set land position 5, that is, the land pairs 85a and 85b, is selected as the land pair that becomes the bonding portion of the lead wires 7a and 7b. The resistance range at this time is, for example, 5.64Ω, and thus the limiting current oxygen sensor heater 8 that satisfies the resistance standard despite the heater resistance of the reference land pair 81a, 81b being 6.50Ω. Can be obtained.
[0039]
If the measured heater resistance value of the reference land pair 81a, 81b already conforms to the resistance standard, the reference land pair 81a, 81b is selected as the bonding portion of the lead wires 7a, 7b (claim). Corresponding to the reference land pair selection step in item 4). In this case, since the bonding site of the lead wires 7a and 7b can be determined immediately, the resistance adjustment of the optimum limiting current type oxygen sensor heater is further facilitated.
[0040]
As described above, according to the resistance adjustment method of the limiting current oxygen sensor heater 8 of the present embodiment, the heater resistance of any one of the plurality of land pairs 81a to 85a and 81b to 85b is the land resistance 81a and 81b. Since the desired land pair is selected from the plurality of land pairs 81a to 85a and 81b to 85b based on the measured heater resistance, the resistance of the limiting current oxygen sensor heater is Easy to adjust. As a result, it is possible to suppress variations in output characteristics of the limiting current oxygen sensor. Further, since the heater resistance can be adjusted as described above, a heater for a limiting current oxygen sensor, which has been conventionally out of specification, can be used.
[0041]
In the embodiment described above, the land pair 81a, 81b is used as a reference. However, the present invention is not limited to this, and another land pair may be used as a reference. The number of ranks and land pairs is also set to 5 in the embodiment, but the present invention is not limited to this, and can be changed according to the application and resistance standard.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the heater resistance falls within the predetermined adjustment resistance range corresponding to the heater resistance range of the reference land pairs 81a and 81b ranked in a plurality of classes. Since the plurality of resistance adjusting land pairs 82a to 85a and 82b to 85b are formed at such positions, a desired heater to which the lead wires 7a and 7b are bonded based on the heater resistance of the reference land pair 81a and 81b. A land pair having resistance can be easily selected. Of course, if the heater resistance of the reference land pair 81a, 81b is within an allowable range, the reference land pair 81a, 81b can be selected as a land pair to be bonded. As a result, it is possible to adjust the variation of the limiting current type oxygen sensor heater 8, and it is also possible to suppress the variation of the output characteristics of the limiting current type oxygen sensor. Further, since the heater resistance can be adjusted as described above, a heater for a limiting current oxygen sensor, which has been conventionally out of specification, can be used. The reference land pairs 81a and 81b are formed at both ends of the heater, and the resistance adjustment land pairs 82a to 85a and 82b to 85b are formed inside the reference land pairs 81a and 81b. It becomes easy to set the positions of the pairs 82a to 85a and 82b to 85b. Further, since the reference land pairs 81a and 81b and the plurality of resistance adjusting land pairs 82a to 85a and 82b to 85b are formed close to both opposing outer surfaces of the porous oxygen gas rate limiting body substrate 4, the leads Bonding of the wires 7a and 7b is facilitated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of a heater for a limiting current oxygen sensor according to the present invention.
2 is a schematic plan view showing one mask unit of a sputtering mask used when forming the limiting current type oxygen sensor heater of FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a correspondence relationship between a reference land-to-resistance value range, a rank, a set land position, and an adjustment resistance range used in the resistance adjustment method for the limiting current oxygen sensor heater.
FIG. 4 is an external perspective view showing an example of this type of limiting current oxygen sensor.
FIG. 5 is a rear view of the limiting current type oxygen sensor of FIG. 4;
FIGS. 6A and 6B are a schematic plan view showing an entire image of a conventional sputtering mask and a schematic plan view showing one mask unit of the sputtering mask, respectively.
7 is a graph showing a resistance value distribution of each heater formed using the sputtering mask of FIG. 6;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Anode plate 2 Solid electrolyte membrane 3 Cathode plate 4 Porous oxygen gas rate limiting substrate 7a, 7b Lead wire 8 Heater 81a-85a, 81b-85b Land pair

Claims

A plurality of porous oxygen gas rate-limiting substrates are respectively formed on a single film-forming master substrate serving as a master member of a plurality of porous oxygen gas rate-limiting substrates that respectively constitute a plurality of limiting current oxygen sensors. A heater for limiting current type oxygen sensor,
A pair of reference lands which are reference bonding portions of lead wires for supplying heater power,
A plurality of resistance adjustments respectively formed at positions where the heater resistance falls within a predetermined adjustment resistance range based on a resistance standard, corresponding to the heater resistance ranges of the reference land pairs ranked in a plurality of classes. includes a land-to, the,
The reference land pair is formed at both ends of the heater,
The plurality of resistance adjustment land pairs are formed inside the reference land pair,
The limiting current type oxygen sensor heater, wherein the reference land pair and the plurality of resistance adjusting land pairs are formed close to both opposing outer surfaces of the porous oxygen gas rate limiting substrate .