JPH0552803A - 酸素センサの製造方法 - Google Patents
酸素センサの製造方法Info
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- JPH0552803A JPH0552803A JP3234055A JP23405591A JPH0552803A JP H0552803 A JPH0552803 A JP H0552803A JP 3234055 A JP3234055 A JP 3234055A JP 23405591 A JP23405591 A JP 23405591A JP H0552803 A JPH0552803 A JP H0552803A
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- JP
- Japan
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- solid electrolyte
- electrolyte layer
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- oxygen sensor
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 第１電極層上に最適成分の固体電解質層を形
成することができ、その結果、固体電解質層において高
いイオン伝導性を有する酸素センサの提供を目的とす
る。 【構成】 ＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3等を成分に含み、かつこ
れらＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3の成分比が異なる複数のターゲ
ット材を用いて、気相蒸着法により、第１電極層上に固
体電解質層をそれぞれ形成し、更に、このとき得られた
固体電解質層の成分と、ターゲット材との成分との関係
から、固体電解質層の成分比が、例えばＺｒＯ2ー８mol
％Ｙ2Ｏ3となるターゲット材、すなわち最適成分比のタ
ーゲット材を選択する。
成することができ、その結果、固体電解質層において高
いイオン伝導性を有する酸素センサの提供を目的とす
る。 【構成】 ＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3等を成分に含み、かつこ
れらＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3の成分比が異なる複数のターゲ
ット材を用いて、気相蒸着法により、第１電極層上に固
体電解質層をそれぞれ形成し、更に、このとき得られた
固体電解質層の成分と、ターゲット材との成分との関係
から、固体電解質層の成分比が、例えばＺｒＯ2ー８mol
％Ｙ2Ｏ3となるターゲット材、すなわち最適成分比のタ
ーゲット材を選択する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、限界電流特性が良好な
酸素センサに関する。
酸素センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の酸素センサＢとして図３に示す
構成のものが従来より知られている。この図に示す酸素
センサは、フォルステライト等のセラミックをポーラス
状に形成したポーラスセラミック基板１上に、イオン導
電体であるＺｒ−８Ｙ（ＺｒＯ2ー８mol％Ｙ2Ｏ3）等の
固体電解質層２と、固体電解質層２の両面にそれぞれ積
層されて、該固体電解質層２に対して所定電圧が印加さ
れる第１電極層３・第２電極層４とから構成されたセン
サ素子５が設けられたものであり、前記固体電解質層２
内では、電極層３・４に一定のセンサ監視電圧を印加し
た状態にしておくと、酸素ポンピング作用により酸素イ
オンをキャリアとするイオン電流が流れるようになって
いる。そして、ここで生じる酸素ポンピング作用は、前
記ポーラスセラミック基板１のポーラス度によって制限
され、センサ監視電圧を増加させてもイオン電流値が増
加しないで一定となる状態（プラトー状態）が得られ、
これによって該イオン電流に限界電流を生じさせるよう
になっている。すなわち、前記ポーラスセラミック基板
１のポーラスな部分は、酸素センサにおいて従来より知
られている気体制限拡散孔の機能を果たすものである。
なお、前記電極層３・４は酸素イオンが通過できる程度
にポーラスに形成されている。
構成のものが従来より知られている。この図に示す酸素
センサは、フォルステライト等のセラミックをポーラス
状に形成したポーラスセラミック基板１上に、イオン導
電体であるＺｒ−８Ｙ（ＺｒＯ2ー８mol％Ｙ2Ｏ3）等の
固体電解質層２と、固体電解質層２の両面にそれぞれ積
層されて、該固体電解質層２に対して所定電圧が印加さ
れる第１電極層３・第２電極層４とから構成されたセン
サ素子５が設けられたものであり、前記固体電解質層２
内では、電極層３・４に一定のセンサ監視電圧を印加し
た状態にしておくと、酸素ポンピング作用により酸素イ
オンをキャリアとするイオン電流が流れるようになって
いる。そして、ここで生じる酸素ポンピング作用は、前
記ポーラスセラミック基板１のポーラス度によって制限
され、センサ監視電圧を増加させてもイオン電流値が増
加しないで一定となる状態（プラトー状態）が得られ、
これによって該イオン電流に限界電流を生じさせるよう
になっている。すなわち、前記ポーラスセラミック基板
１のポーラスな部分は、酸素センサにおいて従来より知
られている気体制限拡散孔の機能を果たすものである。
なお、前記電極層３・４は酸素イオンが通過できる程度
にポーラスに形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な酸素センサでは、センサ素子５の固体電解質層２を、
イオン導伝体の粉末をプレス成型、焼成し、この後、機
械的にカット、ラッピングすることによって作製するよ
うにしている。しかしながら、このようにして作成され
た固体電解質層２は、限界とされる膜厚が非常に小さ
く、約７０μｍ程度以下の厚さに形成することは困難で
あった。また、他の製法としては、グリーンシートを用
いた固体電解質層２の製造方法があるが、このような製
造方法では、３０μｍ程度の薄膜化が限界であり、かつ
高密度化にも限界があり、これによって特にイオン導伝
性の高い固体電解質を得ることはできないという問題を
有していた。また、前記固体電解質層２を更に薄く、例
えば数マイクロ、数オングストロームの厚さで設けるた
めに、該固体電解質層２をスパッタリング等の気相蒸着
法により形成することが行われているが、ターゲット材
が、例えばジルコニア・イットリアといった複数の成分
である場合には、真空圧の調整、基板温度の調整等によ
っては、固体電解質層２を、Ｚｒ−８Ｙ（ＺｒＯ2ー８m
ol％Ｙ2Ｏ3）といった最適な成分に調整することはでき
ず、最適な成分の固体電解質層２を得るという点におい
て、新しい技術の提案が期待されていた。
な酸素センサでは、センサ素子５の固体電解質層２を、
イオン導伝体の粉末をプレス成型、焼成し、この後、機
械的にカット、ラッピングすることによって作製するよ
うにしている。しかしながら、このようにして作成され
た固体電解質層２は、限界とされる膜厚が非常に小さ
く、約７０μｍ程度以下の厚さに形成することは困難で
あった。また、他の製法としては、グリーンシートを用
いた固体電解質層２の製造方法があるが、このような製
造方法では、３０μｍ程度の薄膜化が限界であり、かつ
高密度化にも限界があり、これによって特にイオン導伝
性の高い固体電解質を得ることはできないという問題を
有していた。また、前記固体電解質層２を更に薄く、例
えば数マイクロ、数オングストロームの厚さで設けるた
めに、該固体電解質層２をスパッタリング等の気相蒸着
法により形成することが行われているが、ターゲット材
が、例えばジルコニア・イットリアといった複数の成分
である場合には、真空圧の調整、基板温度の調整等によ
っては、固体電解質層２を、Ｚｒ−８Ｙ（ＺｒＯ2ー８m
ol％Ｙ2Ｏ3）といった最適な成分に調整することはでき
ず、最適な成分の固体電解質層２を得るという点におい
て、新しい技術の提案が期待されていた。
【０００４】この発明は、上記の事情に鑑みてなされた
ものであって、スパッタリング等の気相蒸着法により、
最適な成分の固体電解質層を得ることができ、これによ
り該固体電解質層において高いイオン伝導性を得ること
が可能な酸素センサの提供を目的とする。
ものであって、スパッタリング等の気相蒸着法により、
最適な成分の固体電解質層を得ることができ、これによ
り該固体電解質層において高いイオン伝導性を得ること
が可能な酸素センサの提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、基板上に、第１電極層、固体電解質
層、第２電極層を順次設けた酸素センサであって、Ｚｒ
Ｏ2及びＹ2Ｏ3等を成分に含み、かつこれらＺｒＯ2及び
Ｙ2Ｏ3の成分比が異なる複数のターゲット材を用いて、
気相蒸着法により、第１電極層上に固体電解質層をそれ
ぞれ形成し、更に、前記気相蒸着法により得られた固体
電解質層の成分と、前記ターゲット材との成分との関係
から、前記ターゲット材の最適成分比を決定するように
している。
に、本発明では、基板上に、第１電極層、固体電解質
層、第２電極層を順次設けた酸素センサであって、Ｚｒ
Ｏ2及びＹ2Ｏ3等を成分に含み、かつこれらＺｒＯ2及び
Ｙ2Ｏ3の成分比が異なる複数のターゲット材を用いて、
気相蒸着法により、第１電極層上に固体電解質層をそれ
ぞれ形成し、更に、前記気相蒸着法により得られた固体
電解質層の成分と、前記ターゲット材との成分との関係
から、前記ターゲット材の最適成分比を決定するように
している。
【０００６】
【作用】この発明によれば、ＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3等を成
分に含み、かつこれらＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3の成分比が異
なる複数のターゲット材を用いて、気相蒸着法により、
第１電極層上に固体電解質層をそれぞれ形成し、更にこ
のとき得られた固体電解質層の成分と、ターゲット材と
の成分との関係から、固体電解質層の成分比が例えばＺ
ｒＯ2ー８mol％Ｙ2Ｏ3となるターゲット材、すなわち最
適成分比のターゲット材を選択することができる。
分に含み、かつこれらＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3の成分比が異
なる複数のターゲット材を用いて、気相蒸着法により、
第１電極層上に固体電解質層をそれぞれ形成し、更にこ
のとき得られた固体電解質層の成分と、ターゲット材と
の成分との関係から、固体電解質層の成分比が例えばＺ
ｒＯ2ー８mol％Ｙ2Ｏ3となるターゲット材、すなわち最
適成分比のターゲット材を選択することができる。
【０００７】
【実施例】以下、本発明に係わる酸素センサＡを図１及
び図２に基づいて説明する。図１において、符号１０で
示すものは、フォルステライト等のセラミック粉末によ
り全体がポーラス状に形成されたポーラスセラミック基
板である。なお、このポーラスセラミック基板１０の材
料としては、フォルステライトの他にアルミナ、ジルコ
ニア、ステアタイトなどが使用され、あるいはこれら材
料を複数配合したものが使用される。また、このポーラ
スセラミック基板１０は、前記セラミック材料に有機バ
インダーを混合させ、更にこれを焼結して、前記有機バ
インダーを分解することによりポーラス状に形成される
ものである。
び図２に基づいて説明する。図１において、符号１０で
示すものは、フォルステライト等のセラミック粉末によ
り全体がポーラス状に形成されたポーラスセラミック基
板である。なお、このポーラスセラミック基板１０の材
料としては、フォルステライトの他にアルミナ、ジルコ
ニア、ステアタイトなどが使用され、あるいはこれら材
料を複数配合したものが使用される。また、このポーラ
スセラミック基板１０は、前記セラミック材料に有機バ
インダーを混合させ、更にこれを焼結して、前記有機バ
インダーを分解することによりポーラス状に形成される
ものである。
【０００８】また、前記ポーラスセラミック基板１０の
上面には、白金からなる第１電極層１１と、イオン導電
体であるＺｒ−８Ｙ（ＺｒＯ2ー８mol％Ｙ2Ｏ3）等から
なる固体電解質層１２と、第１電極層１１と同様に、白
金からなる第２電極層１３とから構成されるセンサ素子
１４が設けられている。このセンサ素子１４は、前記ポ
ーラスセラミック基板１０の上面に、第１電極層１１、
固体電解質層１２、第２電極層１３が順番にスパッタリ
ング（気相蒸着）されることにより形成されるものであ
る。そして、以上のように構成された酸素センサでは、
電極層１１・１３に一定のセンサ監視電圧を印加した状
態にしておくと、固体電解質層１２内において、酸素ポ
ンピング作用により酸素イオンをキャリアとするイオン
電流が流れるとともに、ポーラスセラミック基板１０の
ポーラスな部分により、被検出体である検出ガスの取り
込みが制限され、これにより前記固体電解質層１２にお
いて生じるイオン電流に、フラットな領域である限界電
流が生じ、この限界電流値から検出ガスの酸素濃度が測
定されるようになっている。
上面には、白金からなる第１電極層１１と、イオン導電
体であるＺｒ−８Ｙ（ＺｒＯ2ー８mol％Ｙ2Ｏ3）等から
なる固体電解質層１２と、第１電極層１１と同様に、白
金からなる第２電極層１３とから構成されるセンサ素子
１４が設けられている。このセンサ素子１４は、前記ポ
ーラスセラミック基板１０の上面に、第１電極層１１、
固体電解質層１２、第２電極層１３が順番にスパッタリ
ング（気相蒸着）されることにより形成されるものであ
る。そして、以上のように構成された酸素センサでは、
電極層１１・１３に一定のセンサ監視電圧を印加した状
態にしておくと、固体電解質層１２内において、酸素ポ
ンピング作用により酸素イオンをキャリアとするイオン
電流が流れるとともに、ポーラスセラミック基板１０の
ポーラスな部分により、被検出体である検出ガスの取り
込みが制限され、これにより前記固体電解質層１２にお
いて生じるイオン電流に、フラットな領域である限界電
流が生じ、この限界電流値から検出ガスの酸素濃度が測
定されるようになっている。
【０００９】以下に、上記スパッタリング装置を使用し
た固体電解質層１２の製造方法について説明する。 （１） ターゲット材に、ジルコニア・イットリアのモ
ル比が１：０．１０（ＺｒＯ2ー１０mol％Ｙ2Ｏ3）の成
分のものを使用した場合には、ポーラスセラミック基板
１０上の第１電極層１１上には、ジルコニア・イットリ
アのモル比が１：０．１２（ＺｒＯ2ー１２mol％Ｙ
2Ｏ3）の固体電解質層１２が形成された。なお、前記ス
パッタリングにより得られた薄膜の成分分析は、ＥＳＣ
Ａ（Ｘ線光電子分析法）、ＥＰＭＡ（エレクトロン・プ
ローブ・マイクロ・アナリシス）により行った。
た固体電解質層１２の製造方法について説明する。 （１） ターゲット材に、ジルコニア・イットリアのモ
ル比が１：０．１０（ＺｒＯ2ー１０mol％Ｙ2Ｏ3）の成
分のものを使用した場合には、ポーラスセラミック基板
１０上の第１電極層１１上には、ジルコニア・イットリ
アのモル比が１：０．１２（ＺｒＯ2ー１２mol％Ｙ
2Ｏ3）の固体電解質層１２が形成された。なお、前記ス
パッタリングにより得られた薄膜の成分分析は、ＥＳＣ
Ａ（Ｘ線光電子分析法）、ＥＰＭＡ（エレクトロン・プ
ローブ・マイクロ・アナリシス）により行った。
【００１０】（２） ターゲット材に、ジルコニア・イ
ットリアのモル比が１：０．０５（ＺｒＯ2ー５mol％Ｙ
2Ｏ3）の成分のものを使用した場合には、ポーラスセラ
ミック基板１０上の第１電極層１１上には、ジルコニア
・イットリアのモル比が１：０．０７（ＺｒＯ2ー７mol
％Ｙ2Ｏ3）の固体電解質層１２が形成された。
ットリアのモル比が１：０．０５（ＺｒＯ2ー５mol％Ｙ
2Ｏ3）の成分のものを使用した場合には、ポーラスセラ
ミック基板１０上の第１電極層１１上には、ジルコニア
・イットリアのモル比が１：０．０７（ＺｒＯ2ー７mol
％Ｙ2Ｏ3）の固体電解質層１２が形成された。
【００１１】そして、以上のような実験を、ジルコニア
・イットリアのモル比の異なる複数のターゲット材につ
いて行ない、その結果を図２のグラフにまとめた。そし
て、図２のグラフを参照して判るように、モル比が１：
０．０８（ＺｒＯ2ー８mol％Ｙ2Ｏ3）の固体電解質層１
２を得るためには、ターゲット材に、ジルコニア・イッ
トリアのモル比が少なくとも１：０．０５〜１：０．１
０（ＺｒＯ2ー５mol％Ｙ2Ｏ3〜ＺｒＯ2ー１０mol％Ｙ2
Ｏ3）の成分のものを使用すれば良いことが確認され、
好ましくは、１：０．０６（ＺｒＯ2ー６mol％Ｙ2Ｏ3）
の成分のターゲット材を使用すれば良いことが確認され
た。なお、ここで得られたターゲット材の成分比１：
０．０５〜１：０．１０（ＺｒＯ2ー５mol％Ｙ2Ｏ3〜Ｚ
ｒＯ2ー１０mol％Ｙ2Ｏ3）を、特許請求の範囲に示す
「ターゲット材の最適成分比」と定義する。また、図３
の実験結果により、ターゲット材と、このターゲット材
から得られた固体電解質層１２との成分比を比較して判
るように、イットリアについて、固体電解質層１２の成
分比の方が、ターゲット材の成分比より大きくなってい
るが、これは、イットリアがジルコニアに比較してスパ
ッタ速度が速いことによるものと考えられる
・イットリアのモル比の異なる複数のターゲット材につ
いて行ない、その結果を図２のグラフにまとめた。そし
て、図２のグラフを参照して判るように、モル比が１：
０．０８（ＺｒＯ2ー８mol％Ｙ2Ｏ3）の固体電解質層１
２を得るためには、ターゲット材に、ジルコニア・イッ
トリアのモル比が少なくとも１：０．０５〜１：０．１
０（ＺｒＯ2ー５mol％Ｙ2Ｏ3〜ＺｒＯ2ー１０mol％Ｙ2
Ｏ3）の成分のものを使用すれば良いことが確認され、
好ましくは、１：０．０６（ＺｒＯ2ー６mol％Ｙ2Ｏ3）
の成分のターゲット材を使用すれば良いことが確認され
た。なお、ここで得られたターゲット材の成分比１：
０．０５〜１：０．１０（ＺｒＯ2ー５mol％Ｙ2Ｏ3〜Ｚ
ｒＯ2ー１０mol％Ｙ2Ｏ3）を、特許請求の範囲に示す
「ターゲット材の最適成分比」と定義する。また、図３
の実験結果により、ターゲット材と、このターゲット材
から得られた固体電解質層１２との成分比を比較して判
るように、イットリアについて、固体電解質層１２の成
分比の方が、ターゲット材の成分比より大きくなってい
るが、これは、イットリアがジルコニアに比較してスパ
ッタ速度が速いことによるものと考えられる
【００１２】なお、本実施例では、電極層１１、固体電
解質層１２、電極層１３をスパッタリングにより設ける
ようにしたが、これに限定されず、真空蒸着法、プラズ
マ溶射法、爆発溶射法といった各種の方法を用いて、前
記セラミックスコーティングを行っても良い。
解質層１２、電極層１３をスパッタリングにより設ける
ようにしたが、これに限定されず、真空蒸着法、プラズ
マ溶射法、爆発溶射法といった各種の方法を用いて、前
記セラミックスコーティングを行っても良い。
【００１３】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に示
す酸素センサの製造方法によれば、ＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3
等を成分に含み、かつこれらＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3の成分
比が異なる複数のターゲット材を用いて、気相蒸着法に
より、第１電極層上に固体電解質層をそれぞれ形成し、
更にこのとき得られた固体電解質層の成分と、ターゲッ
ト材との成分との関係から、固体電解質層の成分比が例
えばＺｒＯ2ー８mol％Ｙ2Ｏ3となるターゲット材、すな
わち最適成分比のターゲット材を選択することが可能と
なる。すなわち、このような酸素センサの製造方法で
は、最適成分比のターゲット材から、例えばＺｒＯ2ー
８mol％Ｙ2Ｏ3の固体電解質層を容易に得ることが可能
であり、その結果、固体電解質層において高いイオン伝
導性を有する酸素センサを得ることが可能となる。
す酸素センサの製造方法によれば、ＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3
等を成分に含み、かつこれらＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3の成分
比が異なる複数のターゲット材を用いて、気相蒸着法に
より、第１電極層上に固体電解質層をそれぞれ形成し、
更にこのとき得られた固体電解質層の成分と、ターゲッ
ト材との成分との関係から、固体電解質層の成分比が例
えばＺｒＯ2ー８mol％Ｙ2Ｏ3となるターゲット材、すな
わち最適成分比のターゲット材を選択することが可能と
なる。すなわち、このような酸素センサの製造方法で
は、最適成分比のターゲット材から、例えばＺｒＯ2ー
８mol％Ｙ2Ｏ3の固体電解質層を容易に得ることが可能
であり、その結果、固体電解質層において高いイオン伝
導性を有する酸素センサを得ることが可能となる。
【図１】 本発明の酸素センサを示す正断面図。
【図２】 ターゲット材と、このターゲット材から得ら
れた固体電解質層との成分比を示すグラフ。
れた固体電解質層との成分比を示すグラフ。
【図３】 従来の酸素センサを示す正断面図。
１０……ポーラスセラミック基板、１１……第１電極
層、１２…固体電解質層、１３…第２電極層、１４……
センサ素子。
層、１２…固体電解質層、１３…第２電極層、１４……
センサ素子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 克明 東京都江東区木場一丁目５番１号 藤倉電 線株式会社内 (72)発明者 石橋 功成 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 (1)
- 【請求項１】 基板上に、第１電極層、固体電解質層、
第２電極層を順次設けた酸素センサであって、 ＺｒＯ2及びＹ2Ｏ3等を成分に含み、かつこれらＺｒＯ2
及びＹ2Ｏ3の成分比が異なる複数のターゲット材を用い
て、気相蒸着法により、第１電極層上に固体電解質層を
それぞれ形成し、 前記気相蒸着法により得られた固体電解質層の成分と、
前記ターゲット材との成分との関係から、前記ターゲッ
ト材の最適成分比を決定することを特徴とする酸素セン
サの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3234055A JPH07101213B2 (ja) | 1991-08-21 | 1991-08-21 | 酸素センサにおける固体電解質層の形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3234055A JPH07101213B2 (ja) | 1991-08-21 | 1991-08-21 | 酸素センサにおける固体電解質層の形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0552803A true JPH0552803A (ja) | 1993-03-02 |
| JPH07101213B2 JPH07101213B2 (ja) | 1995-11-01 |
Family
ID=16964874
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3234055A Expired - Fee Related JPH07101213B2 (ja) | 1991-08-21 | 1991-08-21 | 酸素センサにおける固体電解質層の形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07101213B2 (ja) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62144063A (ja) * | 1985-12-18 | 1987-06-27 | Sharp Corp | 限界電流式酸素センサ |
| JPS63259459A (ja) * | 1987-04-17 | 1988-10-26 | Toshiba Corp | 限界電流式ガスセンサ |
-
1991
- 1991-08-21 JP JP3234055A patent/JPH07101213B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62144063A (ja) * | 1985-12-18 | 1987-06-27 | Sharp Corp | 限界電流式酸素センサ |
| JPS63259459A (ja) * | 1987-04-17 | 1988-10-26 | Toshiba Corp | 限界電流式ガスセンサ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07101213B2 (ja) | 1995-11-01 |
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