JP4548020B2 - ジルコニア構造体およびその製造方法 - Google Patents

ジルコニア構造体およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、基板の一方の面側に、第1電極、ジルコニア層および第2電極が順次積層形成されてなるジルコニア構造体およびその製造方法に関する。
基板の一方の面側に、第1電極、ジルコニア層および第2電極が順次積層形成されてなるジルコニア構造体が、特開平6−201642号公報(特許文献1)と特開平7−55765号公報(特許文献2)に開示されている。特許文献1,2に開示されたジルコニア構造体は、固体電解質であるジルコニア層を利用した薄膜積層空燃比センサである。
従来、自動車用の酸素センサ、排気センサあるいは空燃比センサ等の製造には、ジルコニア等のセラミックス構成材料をシート状に加工して積層する、いわゆるシート積層法が用いられてきた。しかしながら、このシート積層法では、ジルコニア層等の固体電解質層やガス拡散層等の各機能層を薄く形成できないため、センサの熱容量およびガス拡散距離も小さくすることができず、センサの活性時間の短縮および応答性等に限界があった。
これに対して、特許文献1,2に開示された薄膜積層空燃比センサでは、第1電極、固体電解質層(ジルコニア層)および第2電極を、全てスパッタ等の薄膜形成法を用いて形成する。従って、固体電解質層等を上記シート積層法に較べて格段に薄く形成することができ、センサの活性時間を短縮すると共に、センサの応答性等を高めることができる。
特開平6−201642号公報 特開平7−55765号公報
一方、上記センサの製造に用いられているスパッタ等の薄膜形成法は、センサ性能を高めることができる反面、高真空を必要し、かつ気相成長法であるため成膜時間が長くなる。このため、生産性が悪く、センサの製造コストが増大する。
また、固体電解質層であるジルコニア層には、通常、イットリア(Y)を固溶させたジルコニア(ZrO)が用いられる。上記スパッタ等の薄膜形成法により得られるジルコニア層は、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、酸素(O)が均一に分散した、組成的に均質な層となる。
図3に、このZrO−Y系の状態図を示す。ZrO−Y系では、Y1.5〜8mol%の組成範囲にあるジルコニアおいて、500〜600℃で、図中に示した5%の体積変化を伴う単斜晶(M相)−正方晶(T相)の相変態が生じる。自動車用の酸素センサ、排気センサあるいは空燃比センサ等は、室温から800℃の温度範囲で使用されるため、上記組成範囲にあるジルコニアは、相変態に伴うクラックの発生による信頼性低下が問題となる。従って、組成的に均質な層となる上記スパッタ等の薄膜形成法に用いられるジルコニア層では、相変態が生じないY8mol%以上の組成にある立方晶(C相)のジルコニアを使用することが多い。
一方、薄膜排気センサ等において使用される薄膜形成のための支持基板には、熱伝導率に優れるアルミナ(Al)が用いられることが多い。しかしながら、アルミナの熱膨張係数が約7ppm℃−1であるのに対し、上記Y8mol%以上の立方晶ジルコニア層の熱膨張係数は、約10.8ppm℃−1である。このため、薄膜排気センサ等において相変態が生じない立方晶のジルコニアを使用する場合には、アルミナ基板との熱膨張係数差に伴うクラックの発生による信頼性低下が問題となる。
そこで本発明は、第1電極、ジルコニア層および第2電極が順次積層形成されてなるジルコニア構造体であって、ジルコニア層を薄く形成することができ、センサ等に用いた場合の応答性等を高めることができると共に、安価に製造することができ、クラックの発生が抑制され信頼性の高いジルコニア構造体およびその製造方法を提供することを目的としている。
請求項1に記載の発明は、基板の一方の面側に、第1電極、ジルコニア層および第2電極が順次積層形成されてなるジルコニア構造体であって、前記ジルコニア層が、単斜晶のジルコニア結晶粒子と、立方晶のジルコニア結晶粒子との混在結合体であり、前記ジルコニア層が、前記単斜晶のジルコニア結晶粒子と前記立方晶のジルコニア結晶粒子とからなるエアロゾルを減圧下で前記基板に衝突させる、焼結工程を必要としない薄膜形成により形成されてなり、前記第1電極と第2電極が白金層からなり、当該白金層が、白金の結晶粒子からなるエアロゾルを減圧下で前記基板に衝突させることにより、形成されてなることを特徴としている。
これによれば、ジルコニア層が単斜晶のジルコニア結晶粒子と立方晶のジルコニア結晶粒子との混在結合体で、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、酸素(O)が均一に分散した、組成的に均質な層にはなっていない。このため当該ジルコニア層は、ZrO−Y系の状態図におけるイットリア(Y)を1.5mol%以下含有する単斜晶(M相)のジルコニア結晶粒子と、イットリア(Y)を8mol%以上含有する立方晶(C相)のジルコニア結晶粒子とが、それぞれ単独に存在する状態となっている。従って、当該ジルコニア層におけるYの平均組成が1.5〜8mol%の範囲にあっても、各々のジルコニア結晶粒子は、室温から800℃の温度範囲で相変態しない。このため、相変態に伴うクラックの発生を防止することができ、信頼性の高いジルコニア構造体とすることができる。また、ジルコニア層の形成基板として熱伝導率に優れるアルミナ(Al)を用いても、ジルコニア層におけるYの平均組成を1.5〜8mol%の範囲で適宜調整し、ジルコニア層の熱膨張係数をアルミナの熱膨張係数が約7ppm℃−1に近づけることができる。このため、熱膨張係数差に伴うクラックの発生を防止することができ、これによっても信頼性の高いジルコニア構造体とすることができる。
上記ジルコニア構造体において、単斜晶と立方晶の各ジルコニア結晶粒子の混在結合体からなる前記ジルコニア層は、前記単斜晶のジルコニア結晶粒子と前記立方晶のジルコニア結晶粒子とからなるエアロゾルを減圧下で前記基板に衝突させる、焼結工程を必要としない薄膜形成により形成する。
単斜晶と立方晶の各ジルコニア結晶粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、減圧下で基板に衝突させることにより、上記ジルコニア層を簡単に成膜することができる。この成膜方法は、結晶粒子を衝撃固着により堆積させる方法であるため短時間に成膜可能である。従って、上記クラックの発生が抑制され信頼性の高いジルコニア構造体を、安価に製造することができる。
また、上記ジルコニア構造体においては、前記第1電極と第2電極が白金層からなり、当該白金層を、白金の結晶粒子からなるエアロゾルを減圧下で前記基板に衝突させることにより形成している。
白金(Pt)層からなる電極は、1000℃以上の高温においても使用することができる。この白金層からなる電極についても、上記のように白金の結晶粒子からなるエアロゾルを減圧下で基板に衝突させることにより形成することで、高い耐熱性を有する電極が設けられたジルコニア構造体を、安価に製造することができる。
請求項2に記載の発明は、基板の一方の面側に、第1電極、ジルコニア層および第2電極が順次積層形成されてなるジルコニア構造体であって、前記ジルコニア層が、単斜晶のジルコニア結晶粒子と、立方晶のジルコニア結晶粒子との混在結合体であり、前記ジルコニア層が、前記単斜晶のジルコニア結晶粒子と前記立方晶のジルコニア結晶粒子とからなるエアロゾルを減圧下で前記基板に衝突させる、焼結工程を必要としない薄膜形成により形成されてなり、前記基板のもう一方の面側に、ヒータが設けられてなり、前記ヒータが白金層からなり、当該白金層が、白金の結晶粒子からなるエアロゾルを減圧下で前記基板に衝突させることにより、形成されてなることを特徴としている。
固体電解質であるジルコニア層を利用して、ジルコニア構造体を排気センサ等のセンサとして用いた場合、上記ジルコニア構造体のように、前記基板のもう一方の面側に、ヒータが設けられてなることが好ましい。該ヒータを用いて固体電解質であるジルコニア層を所定の温度に加熱することで、上記ジルコニア構造体からなるセンサを、室温から1000℃程度の任意の温度環境下において、高感度で安定的に使用することができる。
また、上記ヒータが設けられたジルコニア構造体では、前記ヒータが白金層からなり、当該白金層を、白金の結晶粒子からなるエアロゾルを減圧下で前記基板に衝突させることにより形成するようにしている。これにより、上記電極の場合と同様にして、高い耐熱性を有するヒータが設けられたジルコニア構造体を、安価に製造することができる。
尚、上記ジルコニア構造体は、請求項3に記載のように、前記第1電極と第2電極が白金層からなり、当該白金層が、白金の結晶粒子からなるエアロゾルを減圧下で前記基板に衝突させることにより、形成されてなる構成としてもよい。
請求項に記載のように、前記単斜晶のジルコニア結晶粒子と前記立方晶のジルコニア結晶粒子の平均粒径は、5nm以上、1000nm以下の範囲内にあることが好ましい。
これにより、上記単斜晶と立方晶の各ジルコニア結晶粒子が、室温から800℃の温度範囲において、相変態せずそれぞれ単独に存在すると共に、当該ジルコニア層の熱膨張係数が、ZrO−Y系におけるYの平均組成に相当する熱膨張係数を有する層となる。
請求項に記載のように、前記ジルコニア層におけるイットリアの平均組成は、4mol%以上、8mol%以下の範囲内にあることが好ましい。
これにより、ジルコニア層の形成基板として上記熱伝導率に優れるアルミナ基板を用いた場合において、ジルコニア層の熱膨張係数をアルミナ基板の熱膨張係数に好適に合わせることができる。これによって熱膨張係数差に伴うクラックの発生を好適に防止することができ、熱伝導率に優れ、信頼性の高いジルコニア構造体とすることができる。
請求項に記載のように、前記ジルコニア層の厚さは、1μm以上、20μm以下の範囲内にあることが好ましい。
固体電解質であるジルコニア層の厚さを20μm以下に薄くすることで、当該ジルコニア構造体を排気センサ等のセンサとして用いた場合、センサの活性時間を短縮すると共に、センサの応答性等を高めることができる。またジルコニア層の厚さを1μm以上とすることで、単斜晶と立方晶の各ジルコニア結晶粒子の混在結合体からなる当該ジルコニア層の強度を確保することができる。
請求項に記載のように、前記基板として、ガス拡散可能な多孔質基板を用いることで、固体電解質であるジルコニア層を利用して当該ジルコニア構造体を排気センサ等のセンサとして用いた場合、基板を酸素(O)ガスのガス拡散層として利用することができる。
従って、請求項〜1に記載のように、上記ジルコニア構造体は、固体電解質であるジルコニア層を利用した酸素センサ、排気センサおよび空燃比センサ等に用いて好適である。
請求項1〜1に記載の発明は、上記ジルコニア構造体の製造方法に関する発明である。
請求項1に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のジルコニア構造体の製造方法であって、単斜晶のジルコニア結晶粒子と立方晶のジルコニア結晶粒子とからなるエアロゾルを、減圧下において、前記基板に300m/sec以上、1000m/sec以下の速度で衝突させて、前記ジルコニア層を形成することを特徴としている。
これによって、単斜晶のジルコニア結晶粒子と立方晶のジルコニア結晶粒子との混在結合体であり、基板に対して十分な密着強度を有する上記ジルコニア層を形成することができる。尚、この製造方法によって得られるジルコニア構造体の効果については上記したとおりであり、その説明は省略する。
請求項1に記載のように、平均粒径が、100nm以上、5000nmの範囲内にある単斜晶と立方晶のジルコニア結晶粒子からなるエアロゾルを用い、減圧下で前記基板に衝突させることで、請求項に記載の平均粒径が、5nm以上、1000nm以下の範囲内にあるにジルコニア層を得ることができる。これによって得られるジルコニア構造体の効果は、上記請求項に記載のとおりである。
また請求項1に記載のように、上記エアロゾルの結晶粒子を基板に衝突させるにあたって、基板加熱が300℃以下の低い温度であっても、十分な密着強度を有する上記ジルコニア層を得ることができる。従って、これによっても、当該ジルコニア構造体の製造コストを低減することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。
図1(a)は、本発明のジルコニア構造体の模式的な断面図である。
図1(a)に示すジルコニア構造体10は、固体電解質であるジルコニア層を利用した自動車用の排気センサである。図1(a)のジルコニア構造体10では、基板1の一方の面側に、第1電極2、ジルコニア層3および第2電極4が、順次積層形成されている。
図1(a)に示す基板1には、熱伝導率に優れるアルミナ(Al)が用いられる。基板1は、酸素(O)ガスが拡散可能な多孔質基板となっており、焼結時においてアルミナ基材の気孔率を制御して形成されたものである。
固体電解質であるジルコニア層3は、イットリア(Y)を固溶させたジルコニア(ZrO)からなる。約7ppm℃−1のAl基板1の熱膨張係数に好適に合わせるため、ジルコニア層3におけるYの平均組成を、図3のZrO−Y系の状態図において、4mol%以上、8mol%以下の範囲内に設定する。ジルコニア層3の厚さは、1μm以上、20μm以下の範囲内に設定する。ジルコニア層3の厚さを20μm以下に薄くすることで、排気センサであるジルコニア構造体10のセンサ活性時間を短縮すると共に、センサ応答性を高めることができる。また、ジルコニア層3の厚さを1μm以上とすることで、後述するように単斜晶と立方晶の各ジルコニア結晶粒子の混在結合体からなるジルコニア層3の強度を確保することができる。
第1電極2と第2電極4は、白金(Pt)層からなる。Pt層からなる第1電極2と第2電極4は、高い耐熱性を有し、1000℃以上の高温においても使用可能である。
基板1のもう一方の面側には、電極2,4と同様の白金(Pt)層からなるヒータ5が設けられている。ヒータ5を用いて固体電解質であるジルコニア層3を所定の温度に加熱することで、排気センサであるジルコニア構造体10を、室温から1000℃程度の任意の温度環境下において、高感度で安定的に使用することができる。
図1(b)は、図1(a)のジルコニア層3の結晶組織を拡大して示した模式的な断面図である。ジルコニア層3は、図3のZrO−Y系の状態図におけるYを1.5mol%以下含有する単斜晶(M相)のジルコニア結晶粒子3mと、Yを8mol%以上含有する立方晶(C相)のジルコニア結晶粒子3cとが、図のように混在状態で結合している混在結合体である。単斜晶のジルコニア結晶粒子3mと立方晶のジルコニア結晶粒子3cの平均粒径は、5nm以上、1000nm以下の範囲内にある。このジルコニア層3においては、構成する結晶粒子3m,3cの粒径が層厚さに対して十分小さい。このため、ジルコニア層3の熱膨張係数は、単斜晶(M相)の熱膨張係数5.3ppm℃−1と立方晶(C相)の熱膨張係数10.8ppm℃−1を加重平均した、ZrO−Y系におけるYの平均組成に相当する熱膨張係数となる。また、ジルコニア層3においては、後述するように、排気センサであるジルコニア構造体10の室温から800℃の使用温度範囲において、単斜晶と立方晶の各ジルコニア結晶粒子3m,3cが相変態せずそれぞれ単独に存在する。
図2(a),(b)を用いて、ジルコニア層3の形成方法を説明する。図2(a)は、成膜装置の構成を示す図であり、図2(b)は、成膜時の様子を示す模式図である。
図2(a)に示す成膜装置100は、セラミックスの微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを用いる成膜装置である。図2(a)の成膜装置100は、主として、エアロゾルを形成するためのガスボンベ20、原料をエアロゾル化するエアロゾル化室30および成膜室40で構成されている。
図2(a)の成膜装置100では、原料である単斜晶のジルコニア結晶粒子3mと立方晶のジルコニア結晶粒子3cを、エアロゾル化室30に入れ、ガスボンベ20から導入されるガスによってエアロゾル化する。次に、平均粒径が、100nm以上、5000nmの範囲内にある単斜晶と立方晶のジルコニア結晶粒子3m,3cからなるエアロゾルを、成膜室40のノズルに導入する。
次に、成膜室40をロータリー(R)ポンプで減圧下に保った状態で、ノズルからエアロゾルをホルダに取り付けられた基板1に向かって噴出する。
図2(b)に示すように、ノズルから噴出するガス流の速度を制御して、単斜晶と立方晶のジルコニア結晶粒子3m,3cを、300m/sec以上、1000m/sec以下の高速で基板1に衝突させる。この衝突で局所的なエネルギーが開放され、メカノケミカル反応が誘起されて、基板1に対して十分な密着強度を有する、ジルコニア層3が形成される。ジルコニア等の通常セラミックの焼結においては、ジルコニア粒子を焼結させるために融点近傍まで加熱する必要があるが、上記の衝突エネルギーを利用した薄膜形成では、高温での焼結工程を必要とせず、生産性の面で優れている。また、低真空の減圧下においても十分な密着強度を有するジルコニア層3を得ることができ、高真空を必要としないため、スパッタ等の薄膜形成法に較べて成膜時間を短縮できる。尚、平均粒径が、100nm以上、5000nm以下の範囲内にあるエアロゾル中のジルコニア結晶粒子3m,3cは、衝突によって破砕され、平均粒径が、5nm以上、1000nm以下の範囲内にあるジルコニア結晶粒子3m,3cの混在結合体である図1(b)のジルコニア層3が形成される。
以上のようにして形成された図1(a),(b)に示すジルコニア層3は、従来のスパッタ等の薄膜形成法によって得られるジルコニア層のように、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、酸素(O)が均一に分散した、組成的に均質な層にはなっていない。言い換えれば、図1(b)に示すジルコニア層3は、単斜晶(M相)のジルコニア結晶粒子3mと立方晶(C相)のジルコニア結晶粒子3cとが、それぞれ単独に存在する状態となっている。従って、ジルコニア層3におけるYの平均組成が1.5〜8mol%の範囲にあっても、各々のジルコニア結晶粒子3m,3cは、室温から800℃の温度範囲で相変態しない。このため、図3にある500〜600℃における5%の体積変化を伴う単斜晶(M相)−正方晶(T相)の相変態が生じず、相変態に伴うクラックの発生を防止することができ、信頼性の高いジルコニア構造体となっている。
また、ジルコニア層3の形成基板1として熱伝導率に優れるAlを用いているが、ジルコニア層3におけるYの平均組成を1.5〜8mol%の範囲、好適には4mol%以上、8mol%以下の範囲で適宜調整し、ジルコニア層3の熱膨張係数をAlの熱膨張係数約7ppm℃−1に近づけている。このため、基板1とジルコニア層3の熱膨張係数差に伴うクラックの発生も防止することができ、これによっても信頼性の高いジルコニア構造体となっている。
また、図2(a),(b)に示したエアロゾルを用いたジルコニア層3の形成方法は、上記したように、結晶粒子を衝撃固着により堆積させる簡単な成膜方法であり、かつ高真空を必要としないためスパッタ等の薄膜形成法に較べて成膜時間を短縮できる。これにより、図1(a)のジルコニア構造体10は、安価に製造することができる。尚、エアロゾルを用いた上記成膜方法は、図1(a)に示す第1電極2、第2電極4およびヒータ5の形成にも適用可能である。この場合には、白金(Pt)の結晶粒子からなるエアロゾルを用いて、図2(a),(b)と同様にして減圧下で基板1に衝突させることにより形成する。このように、第1電極2、第2電極4およびヒータ5についても上記エアロゾルを用いた成膜方法を適用することで、図1(a)のジルコニア構造体10を、さらに安価に製造することができる。
以上、自動車用の排気センサに用いられるジルコニア構造体の例を説明したが、酸素センサや空燃比センサ等に用いても好適である。また、本発明のジルコニア構造体は、ジルコニア層を薄く形成することができ、センサの応答性等を高めることができるため、固体電解質であるジルコニア層を利用した任意の用途のセンサに適用可能である。これに限らず、本発明のジルコニア構造体およびその製造方法は、任意の用途のジルコニア構造体に適用でき、安価に製造することができ、クラックの発生が抑制され信頼性の高いジルコニア構造体およびその製造方法となっている。
(a)は、本発明のジルコニア構造体の模式的な断面図であり、(b)は、(a)のジルコニア層の結晶組織を拡大して示した模式的な断面図である。 (a)は、成膜装置の構成を示す図であり、(b)は、成膜時の様子を示す模式図である。 ZrO−Y系の状態図である。
符号の説明
10 ジルコニア構造体
1 基板
2 第1電極
3 ジルコニア層
3m 単斜晶(M相)のジルコニア結晶粒子
3c 立方晶(C相)のジルコニア結晶粒子
4 第2電極
5 ヒータ

Claims (13)

  1. 基板の一方の面側に、第1電極、ジルコニア層および第2電極が順次積層形成されてなるジルコニア構造体であって、
    前記ジルコニア層が、単斜晶のジルコニア結晶粒子と、立方晶のジルコニア結晶粒子との混在結合体であり、
    前記ジルコニア層が、前記単斜晶のジルコニア結晶粒子と前記立方晶のジルコニア結晶粒子とからなるエアロゾルを減圧下で前記基板に衝突させる、焼結工程を必要としない薄膜形成により形成されてなり、
    前記第1電極と第2電極が白金層からなり、
    当該白金層が、白金の結晶粒子からなるエアロゾルを減圧下で前記基板に衝突させることにより、形成されてなることを特徴とするジルコニア構造体。
  2. 基板の一方の面側に、第1電極、ジルコニア層および第2電極が順次積層形成されてなるジルコニア構造体であって、
    前記ジルコニア層が、単斜晶のジルコニア結晶粒子と、立方晶のジルコニア結晶粒子との混在結合体であり、
    前記ジルコニア層が、前記単斜晶のジルコニア結晶粒子と前記立方晶のジルコニア結晶粒子とからなるエアロゾルを減圧下で前記基板に衝突させる、焼結工程を必要としない薄膜形成により形成されてなり、
    前記基板のもう一方の面側に、ヒータが設けられてなり、
    前記ヒータが白金層からなり、当該白金層が、白金の結晶粒子からなるエアロゾルを減圧下で前記基板に衝突させることにより、形成されてなることを特徴とするジルコニア構造体。
  3. 前記第1電極と第2電極が白金層からなり、
    当該白金層が、白金の結晶粒子からなるエアロゾルを減圧下で前記基板に衝突させることにより、形成されてなることを特徴とする請求項に記載のジルコニア構造体。
  4. 前記単斜晶のジルコニア結晶粒子と前記立方晶のジルコニア結晶粒子の平均粒径が、5nm以上、1000nm以下の範囲内にあることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のジルコニア構造体。
  5. 前記ジルコニア層におけるイットリアの平均組成が、4mol%以上、8mol%以下の範囲内にあることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のジルコニア構造体。
  6. 前記ジルコニア層の厚さが、1μm以上、20μm以下の範囲内にあることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のジルコニア構造体。
  7. 前記基板が、ガス拡散可能な多孔質基板であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載のジルコニア構造体。
  8. 前記ジルコニア構造体が、酸素センサであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載のジルコニア構造体。
  9. 前記ジルコニア構造体が、排気センサであることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載のジルコニア構造体。
  10. 前記ジルコニア構造体が、空燃比センサであることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載のジルコニア構造体。
  11. 請求項1乃至3のいずれか一項に記載のジルコニア構造体の製造方法であって、
    単斜晶のジルコニア結晶粒子と立方晶のジルコニア結晶粒子とからなるエアロゾルを、減圧下において、前記基板に300m/sec以上、1000m/sec以下の速度で衝突させて、前記ジルコニア層を形成することを特徴とするジルコニア構造体の製造方法
  12. 前記単斜晶のジルコニア結晶粒子と前記立方晶のジルコニア結晶粒子の平均粒径が、100nm以上、5000nm以下の範囲内にあることを特徴とする請求項11に記載のジルコニア構造体の製造方法。
  13. 前記基板への結晶粒子の衝突が、基板加熱300℃以下で行われることを特徴とする請求項11または12に記載のジルコニア構造体の製造方法。
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