JPH05240830A

JPH05240830A - 酸素センサ

Info

Publication number: JPH05240830A
Application number: JP4041749A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Kajima; 孝文鹿嶋; Katsuaki Nakamura; 克明中村; Atsunari Ishibashi; 功成石橋; Yoshinori Kato; 嘉則加藤
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1992-02-27
Filing date: 1992-02-27
Publication date: 1993-09-21

Abstract

(57)【要約】【構成】本発明の酸素センサ２１は、イオン導電体２
の一方の面２ａに少なくとも一対の電極２２，２３を形
成し、負の電極２３を酸素を通過させることのできる材
料２４により被覆し、電極２２，２３に所定の電圧を印
加することにより、材料２４を通過してイオン導電体２
中に取り込まれた試料ガス中の酸素が酸素ポンピング作
用により該イオン導電体２中をイオンとなって流れ、こ
の酸素イオンをキャリアとする電流値から前記試料ガス
中の酸素濃度が測定されることを特徴とする。【効果】レスポンスを大幅に改善し応答性を大幅に向
上させることができ、限界電流特性のバラツキを極めて
小さくすることができる。また、製造工程を簡単化する
ことができ、製造コストを低減することができ、したが
って、大量生産に向いた製品とすることができ、他の素
子との複合化も容易である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地下室等における酸欠
事故防止、エンジンやボイラー等の燃焼管理等に用いて
好適な限界電流式の酸素センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、イオン導電性を有する固体電解質
である安定化ジルコニアを用いた限界電流式の酸素セン
サが提案され実用化されている。この酸素センサは、純
粋なジルコニア（ＺｒＯ₂）にイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）、
マグネシア（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）等の酸化物
を数ｍｏｌ％程度固溶させて低温までホタル石型立方晶
を保持させた安定化ジルコニアを用いたもので、広範囲
の酸素分圧の検知が可能、応答速度が速い、起電力が安
定、高温雰囲気中で使用可能等の優れた特徴があること
から、地下室等の密室における酸欠事故防止、溶鋼中の
酸素濃度測定、エンジンやボイラー等の燃焼管理、公害
計測用等様々な用途に用いられている。

【０００３】上記の酸素センサとしては、例えば、図４
に示す様な厚膜型構造の酸素センサが知られている。こ
の酸素センサ１は、例えば、ＺｒＯ₂−８ｍｏｌ％Ｙ₂Ｏ
₃等の安定化ジルコニアからなる薄厚のイオン導電体２
と、このイオン導電体２の両面にそれぞれ形成され一定
のセンサ監視電圧が印加される多孔質の白金の電極３，
４と、イオン導電体２の電極３側に結晶化ガラス５，５
により接合され、かつ、中央部に上下に貫通する気体拡
散孔６が形成されたセラミックキャップ７と、該セラミ
ックキャップ７の上面に形成された加熱用ヒーター８と
から概略構成されている。前記セラミックキャップ７
は、例えば多孔質アルミナ等の極めて酸素通過性のよい
無機多孔質体を用いることもある。この酸素センサ１で
は、ヒーター８に所定の電圧を印加し、かつ両電極３，
４間に所定の電圧を印加した状態にしておくと、気体拡
散孔６を通してイオン導電体２中に取り込まれた試料ガ
ス中の酸素が酸素ポンピング作用により該イオン導電体
２中をイオンとなって流れ、この酸素イオンをキャリア
とする電流値から前記試料ガス中の酸素濃度が測定され
る。

【０００４】また、図５に示す様な厚膜型構造の酸素セ
ンサ１１も知られている。この酸素センサ１１は、セラ
ミックキャップ７に気体拡散孔６を形成せずに、イオン
導電体２の中央部に上下に貫通する気体拡散孔１２を形
成したものである。そして、この構成の酸素センサ１
１においても、イオン導電体２の気体拡散孔１２から取
り込まれた試料ガス中の酸素が酸素ポンピング作用によ
り該イオン導電体２中をイオンとなって流れ、この酸素
イオンをキャリアとする電流値から前記試料ガス中の酸
素濃度が測定される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の酸素
センサ１，１１では、イオン導電体２のバルクとしての
特性を利用しているために、イオン電流特性はイオン導
電体２の厚みに大きく依存することとなり、該イオン導
電体２の厚みを高度に制御する必要がある。しかしなが
ら、実際の製造ラインではスクリーン印刷法を用いて作
成しているために、イオン導電体２の厚みを高精度で制
御することは極めて難しく、イオン電流特性のバラツキ
を小さくすることができないという欠点があった。ま
た、酸素センサ１，１１の電極能力を向上させるために
は電極３，４の面積を大きくする必要があり、小型化を
図りながらイオン電流特性を向上させることは極めて困
難であった。また、上記の酸素センサ１，１１では、イ
オン導電体２の両面に別々の工程により精度良く電極
３，４を形成する必要があり、製造工程が複雑になると
ともに製造コストも上昇するという欠点があった。これ
らの欠点は自動化ライン等を導入する際に障害となるた
めに、上記の酸素センサ１，１１は、一般に大量生産に
不向きな製品であると考えられている。

【０００６】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであって、上記の欠点や問題点を解決するとともに、
高信頼性、小型化、低消費電力、低コスト等の優れた特
徴を有する酸素センサを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は次の様な酸素センサを採用した。すなわ
ち、請求項１記載の酸素センサは、イオン導電体の一方
の面に少なくとも一対の電極を形成し、これらの電極の
うち負の電極を酸素を通過させることのできる材料によ
り被覆し、これらの電極に所定の電圧を印加することに
より、前記材料を通過してイオン導電体中に取り込まれ
た試料ガス中の酸素が酸素ポンピング作用により該イオ
ン導電体中をイオンとなって流れ、この酸素イオンをキ
ャリアとする電流値から前記試料ガス中の酸素濃度が測
定されることを特徴としている。

【０００８】また、請求項２記載の酸素センサは、請求
項１記載の酸素センサにおいて、前記材料は、無機多孔
質材料または気体拡散孔を有する無機材料のいずれか１
種からなることを特徴としている。

【０００９】

【作用】本発明の酸素センサでは、試料ガス中の酸素は
前記材料を通過して前記イオン導電体中に取り込まれ酸
素ポンピング作用により該イオン導電体中、特に該イオ
ン導電体の表面層をイオンとなって流れる。したがっ
て、この酸素イオンをキャリアとする電流値を測定すれ
ば、前記試料ガス中の酸素濃度を求めることができる。

【００１０】請求項１記載の酸素センサでは、イオン導
電体の一方の面に少なくとも一対の電極を形成し、これ
らの電極のうち負の電極を酸素を通過させることのでき
る材料により被覆することにより、試料ガス中の酸素を
イオン導電体中に取り込んでから酸素濃度を測定するま
での時間(レスポンス)を大幅に短縮し、応答性を大幅に
向上させる。また、イオン導電体の表面層の特性を効果
的に利用することにより、イオン電流特性に対するイオ
ン導電体の厚みのバラツキの影響を小さくすることが可
能になり、したがって、酸素センサの限界電流特性のバ
ラツキを極めて小さくすることが可能になる。また、イ
オン導電体の一方の面に電極を形成することにより、イ
オン導電体の両面に別々の工程により電極付けを行う必
要がなくなり、製造工程が簡単化され製造コストも低減
される。

【００１１】また、請求項２記載の酸素センサでは、前
記材料を、無機多孔質材料または気体拡散孔を有する無
機材料のいずれか１種とすることにより、電極を外部環
境から良好に隔離するとともに試料ガス中の酸素を選択
的に通過させ、酸素センサとしての感度を向上させる。

【００１２】

【実施例】

（実施例１）図１は、本発明の実施例１の酸素センサ２
１を示す正断面図である。この酸素センサ２１は、イオ
ン導電体２の上面２ａに５０μｍの間隔をおいて矩形状
の一対の多孔質の白金の電極２２，２３が形成され、電
極２３を覆う様に多孔質の無機被覆層２４が形成された
ものである。

【００１３】無機被覆層２４は、例えば、フォルステラ
イトやムライト等と結晶化ガラスとの複合物、多孔質ア
ルミナ、ホウケイ酸系多孔質ガラス等の無機多孔質材
料、または、気体拡散孔を有するフォルステライトやム
ライト等の無機材料が好適に用いられる。また、電極２
２，２３及び無機被覆層２４の形成方法としては、スク
リーン印刷法が好適に用いられる。

【００１４】図２は酸素センサ２１の限界電流特性を示
す図である。この図においては、該酸素センサ２１を５
００℃に加熱し、電極２２，２３間に印加される電圧の
大きさを変化させた場合に得られる電流の大きさをグラ
フ化した。図２から、この酸素センサ２１は良好な限界
電流特性を示すことがわかる。

【００１５】表１は、この酸素センサ２１と従来の酸素
センサ１とのそれぞれの応答性を比較したものである。

【表１】表１から明らかな様に、この酸素センサ２１は従来の酸
素センサ１と比べて酸素濃度が増加する場合（酸素ガス
の吸着過程）及び減少する場合（酸素ガスの脱着過程）
双方共にレスポンスが大幅に改善されていることがわか
り、したがって、応答性が大幅に向上していることがわ
かる。

【００１６】以上説明した様に、上記実施例１の酸素セ
ンサ２１によれば、イオン導電体２の上面２ａに一対の
多孔質の白金の電極２２，２３を形成し、電極２３を覆
う様に多孔質の無機被覆層２４を形成してなることとし
たので、レスポンスを大幅に改善することができ、した
がって、応答性を大幅に向上させることができる。ま
た、イオン導電体２の表面層の特性を効果的に利用する
ことができるので、イオン電流特性に対するイオン導電
体２の厚みのバラツキの影響を小さくすることができ、
したがって、限界電流特性のバラツキを極めて小さくす
ることができる。また、イオン導電体２の上面２ａに電
極２２，２３を形成することとしたので、製造工程を簡
単化することができ、製造コストを低減することがで
き、したがって、大量生産に向いた製品とすることがで
き、他の機能性素子との複合化も容易である。

【００１７】また、無機被覆層２４を無機多孔質材料ま
たは気体拡散孔を有する無機材料のいずれか１種とした
ので、電極２３を外部環境から良好に隔離するとともに
試料ガス中の酸素を選択的に通過させることができ、酸
素センサとしての感度を向上させることができる。

【００１８】以上により、高信頼性、小型化、低消費電
力、低コスト等の優れた特徴を有する酸素センサを提供
することができる。

【００１９】（実施例２）図３は本発明の実施例２の酸
素センサ３１を示す正断面図である。この酸素センサ３
１は、シリコン（Ｓｉ）基板３２の酸化膜３３の上に、
スパッタリングにより安定化ジルコニア（ＺｒＯ₂−８
ｍｏｌ％Ｙ₂Ｏ₃）からなるイオン導電体薄膜３４が形成
され、該イオン導電体薄膜３４の上面３４ａにマスキン
グにより一対の多孔質の白金の電極３５，３６が形成さ
れ、電極３６を覆う様に多孔質アルミナからなる無機被
覆薄膜３７が形成されたものである。

【００２０】前記電極３５，３６は、マスキング以外の
方法、例えば、エッチング等によっても形成することは
可能である。また、無機被覆薄膜３７は、上記の多孔質
アルミナ以外に、例えば、フォルステライト、ホウケイ
酸系多孔質ガラス等の無機多孔質材料が好適に用いられ
る。

【００２１】この酸素センサ３１においても、上記酸素
センサ２１と同様の作用・効果を得ることができる。

【００２２】

【発明の効果】以上詳細に説明した様に、本発明の請求
項１記載の酸素センサによれば、イオン導電体の一方の
面に少なくとも一対の電極を形成し、これらの電極のう
ち負の電極を酸素を通過させることのできる材料により
被覆し、これらの電極に所定の電圧を印加することによ
り、前記材料を通過してイオン導電体中に取り込まれた
試料ガス中の酸素が酸素ポンピング作用により該イオン
導電体中をイオンとなって流れ、この酸素イオンをキャ
リアとする電流値から前記試料ガス中の酸素濃度が測定
されることとしたので、レスポンスを大幅に改善するこ
とができ、したがって、応答性を大幅に向上させること
ができる。

【００２３】また、イオン導電体の表面層の特性を効果
的に利用することができるので、イオン電流特性に対す
るイオン導電体の厚みのバラツキの影響を小さくするこ
とができ、したがって、限界電流特性のバラツキを極め
て小さくすることができる。また、イオン導電体の一方
の面に電極を形成することとしたので、製造工程を簡単
化することができ、製造コストを低減することができ、
したがって、大量生産に向いた製品とすることができ、
他の機能性素子との複合化も容易である。

【００２４】また、請求項２記載の酸素センサによれ
ば、請求項１記載の酸素センサにおいて、前記材料は、
無機多孔質材料または気体拡散孔を有する無機材料のい
ずれか１種からなることとしたので、電極を外部環境か
ら良好に隔離させるとともに試料ガス中の酸素を選択的
に通過させることができ、酸素センサとしての感度を向
上させることができる。

【００２５】以上により、高信頼性、小型化、低消費電
力、低コスト等の優れた特徴を有する酸素センサを提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の酸素センサを示す正断面
図である。

【図２】本発明の実施例１の酸素センサの限界電流特
性を示す図である。

【図３】本発明の実施例２の酸素センサを示す正断面
図である。

【図４】従来の酸素センサを示す正断面図である。

【図５】従来の酸素センサを示す正断面図である。

【符号の説明】

２１ … … 酸素センサ、２ … … イオン導電体、２ａ
… … 上面、２２，２３ … … 電極、２４ … … 無
機被覆層、３１ … … 酸素センサ、３２ …… シリコ
ン基板、３３ … … 酸化膜、３４ … … イオン導電体
薄膜、３４ａ… … 上面、３５，３６ … … 電極、３
７ … … 無機被覆薄膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加藤嘉則東京都江東区木場一丁目５番１号藤倉電線株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン導電体の一方の面に少なくとも一
対の電極を形成し、これらの電極のうち負の電極を酸素
を通過させることのできる材料により被覆し、これらの
電極に所定の電圧を印加することにより、前記材料を通
過してイオン導電体中に取り込まれた試料ガス中の酸素
が酸素ポンピング作用により該イオン導電体中をイオン
となって流れ、この酸素イオンをキャリアとする電流値
から前記試料ガス中の酸素濃度が測定されることを特徴
とする酸素センサ。
【請求項２】前記材料は、無機多孔質材料または気体
拡散孔を有する無機材料のいずれか１種からなることを
特徴とする請求項１記載の酸素センサ。