JPH04148844A - 酸素ガスセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本考案は高温炉内の酸素ガス分圧を測定する等、高温時
の酸素ガス濃度を検出する酸素ガスセンサに関するもの
である。

（ロ）従来の技術 高温で使用される酸素ガスセンサとしては、酸ふイオン
伝専性ジルコニア固体電解質を用いたものが、例えば、
１９９０年４　ＪＪ２　ＯＢ発行の雑誌”　「ニュート
ン」別＋１＋１［センサの全てＪ”の第１８８頁に記載
されているように公知である。

この酸素ガスセンサは固体電解質の両面にガス透過性の
ある多孔質の白金電極を設けて構成される。そして、・
１００℃以−１−に保持した状態で、固体′電解質の両
側に酸素濃度の異なるガスを供給すると、酸素濃度の高
い側から低い側に向がって、酸素がイオンの形で移動し
、両電極間に酸素濃度に応じた起電力が発生する。従っ
て、　一方の４！極側に酸素濃度が既知の気体を用いれ
ば、他方の電極側の酸素濃度が求まる。

この酸素センサはダイナミックレンジが広く、に低濃度
まで測定可能である。その測定可能範囲は０１〜１００
％、測定精度は約±２％である。

しかしながら、センサ素子の大きさが］０ｍｍＸ２０ｍ
ｍＸ　２０ｍｍ程でやや大きい。

（ハ）発明が解決しようとする課題 本発明はｔ；を米のジルコニア酸素ガスセンサと同等も
しくは、低濃度ではそれ以−１−の能力を有しながら、
小型化が可能な酸素ガスセンサを提供することを目的と
するものである。

（ニ）課題を解決するための手段 上述の点に鑑み、本発明の酸素ガスセンサは、基板と、
この基板上に形成された酸化亜鉛薄膜と、この酸化亜鉛
薄膜−１−に形成されたインターディジタル電極と、こ
のインターディジタル電極の両側に形成された反射電極
とを備える弾性表面波共振器を構成し、これをセンサ素
子とする。そして、酸化亜鉛薄膜表面の酸素濃度に応じ
たセンサ素子の共振強度の変化に基づいて酸素濃度を検
出することを特徴とするものである。

（ホ）作用 酸化亜鉛薄膜表面では、表面（＝１近の酸素濃度に応じ
て次の様な平俊ｉ反応が生じている。

Ｚｎ　Ｏ−Ｚ　ｎ　＋　％　Ｏｓ そして、酸化亜鉛薄膜表面の酸素濃度が低いと、反応は
右辺方向に進み、酸化亜鉛薄膜の結晶中に酸素欠落が生
じて電気機械結合係数は低下する。反対に、酸素濃度が
高いと、左辺方向に反応が進むので、結晶中の酸素欠落
は減少するので、電気機械結合係数は大きくなる。した
がって、電気機械結合係数が変化すると弾性表面共振器
の共振強度が変化するので、共振強度の変化に基づいて
酸素濃度が検出される。

（へ）実施例 以下、図面に基づき本発明の一実施例を説明する。

第１図は本発明の酸素ガスセンサを示す図であり、（Ａ
　）　ハ１］：１ｒｉｉ図、（Ｂ）は側ｌｉ面図である
。

同図において、（１）はシリコン、白金またはアルミナ
等からなる基板である。（２）は単結晶酸化亜鉛（Ｚ　
ｎｏ　）薄膜であり、スパッタ法あるいはイオンブレー
ティング法により、基板（１，）ｌに形成される。酸化
亜鉛薄膜（２）のＣ軸は基板（１）に対して垂直方向に
向いている。膜厚は２〜３ｐｍである。

（３）は弾性表面波を励振及び受信するインターディジ
タル電極、（４）（５）はインターディジタル−し極の
両側に配置され、インターディジタル゛１［極（３）の
方向へ弾性表面波を反射する反射電極である。これら電
極（３）（４）（５）は白金からなり、酸化亜鉛薄膜（
２）上に真空蒸着により膜厚１μｍの白金膜を成膜した
後、フォトリソグラフィーにより所定パターンが形成さ
れている。このセンサ素子の大きさはＷ　］、　ｍｍＸ
　Ｉ、２　ｍｍ　Ｘ　Ｈ０，５ｍｍである。

このような構成のセンサ素子は、インターディジタル電
極（３）の電極（３ａ）（３ｂ）間に電圧を印加すると
、弾性表面波が励起され、左右の反射電極（４）（５）
によって反射され、反射電極（４）（５）間で反射を繰
り返すことにより定在波となり共振器として働く。その
共振周波数は、インターディジタル電極（３）の電極間
ピッチできまる。

第２図は、」二連の用に構成されたセン→力素子（６）
を含む発振回路を示す図である。センサ素子（６）のイ
ンタディジタル電極（３）の各電極（３ａ）（３ｂ）は
夫々トランジスタ（７）のコレクタ、ベースに接続され
ている。（８）（９）（１，０）（月）（１２）は抵抗
、（１３）（１，４）（１５）（１，６）はコンテ゛ン
サ、（１７）は出力端イ、（１８）は〔＾：流電圧＼Ｉ
Ｃが供給される電源端子である。

出力端子（１７）から出力される信号の出力レベルは、
センサ素子（６）の酸化亜鉛薄膜（２）の電気機械結合
係数によ）フ変化する。これは、電気機械結合係数が大
きいほど酸化亜鉛薄膜（２）表面を伝播する弾性表面波
が励起されやすくなるためである。

酸化亜鉛薄膜（２）の電気機械結合係数は、酸化ｌＩＦ
飴薄膜（２）表面の酸素濃度により変化する。これは酸
化亜鉛薄膜（２）表１ｒ１１では次の様な平ｆｇ！７反
応が生じているからである。

Ｚ　ｎ　Ｏ２１ｎ＋％０□ つまり、酸化亜鉛薄膜（２）表面の酸素濃度が低いと、
反応は右辺方向に進み、酸化亜鉛薄膜（２）の結晶＋１
弓こ酸素欠落が生じて電気機械結合係数は低下する。反
ｊ＝１に、酸素濃−度が高いと、左辺方向に反応が進む
ので、結晶中の酸素欠落は減少するので、電気機械結合
係数は大きくなる。

したがって、第２図の回路構成において、酸化亜鉛薄膜
（２）表面の酸素濃度に応じて、出力端子（１７）から
の出力レベルが変化する。

第３図は雰囲気温度Ｔ　＝　５００．６００．７００．
８００．９００゜１．０００℃における酸素濃度（ｍｏ
１％）に列する出力共振レベルの変化量を示す図である
。尚、共振周波数は１００ＭＩ（Ｚである。

この特性図から明らかなように、酸素濃度が高くなるに
つれて、共振レベルが高くなる。したがって、共振レベ
ルから酸素濃度が検出できる。

共振レベルは、酸素濃度が約３０ｍｏ１％以上から変化
量が少なくなり、酸素濃度５０ｍｏ１％以−１−では共
振レベルは一定となっている。これは酸素濃度がこの範
囲のときは酸化１■ス鉛薄膜（２）の結晶中の酸素欠落
は殆ど無くなるので、電気機械結合係数が一定となるか
らである。よって、酸素濃度３０ｍｏ１％以）゛では、
特に高感度に測定可能となる。

また、雰囲気温度が高くなるほど、共振レベルの変化量
は急峻に変化するので、雰囲気温度が高いほど感度が高
くなる。

共振レベルは温度により変化するので、実際にこのセン
サを使用する際には、あらかじめ共振レベルが一定とな
る酸素濃度５０％以１−の雰囲気における共振レベルを
測定し、それとの差から酸素濃度を得る。このような方
法で測定した場合、例えば、雰囲気温度１０００℃のと
きに、５ｍｏ１％以下の低濃度では±０．１％以Ｆの高
精度で測定できる。

また、他の方法としては、熱電対等で雰囲気温度を測定
して温度補償する方法がある。さらに、センサ素子と隣
接して同様のセンザ素ｆ−を酸素濃度５０ｍｏ１％以１
−の雰囲気中に密封して、その出力を基（１らとして使
用する方法がある。この方法では、さらに高精度に測定
することができる。

（１・）発明の効果 以］−に説明したように、本発明の酸素ガスセンサは、
薄膜の電気機械結合係数の変化に基づく共振強度の変化
を利用する弾性表面波共振器型の構造であるので、小型
にでき、また特に低い酸素濃度では高感度である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の酸素ガスセンサの外観を示す図、第２
図はその酸素ガスセンサを用いた共振回路を示す図、第
３図は本発明の酸素ガスセンサの酸素濃度に対する共振
特性を示す図である。 （１）・・・基板、（２）・・・酸化亜鉛薄膜、（３）
・・・インクディジタル、（４，）（５）・・・反射電
極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、該基板上に形成された酸化亜鉛薄膜と、
   該酸化亜鉛薄膜上に形成されたインターディジタル電極
   と、該インターディジタル電極の両側に形成された反射
   電極とよりなるセンサ素子を有し、 前記酸化亜鉛薄膜表面の酸素濃度に応じた該センサ素子
   の共振強度の変化に基づいて酸素濃度を検出することを
   特徴とする酸素ガスセンサ。