JPH06102233A - 限界電流式酸素センサ - Google Patents
限界電流式酸素センサInfo
- Publication number
- JPH06102233A JPH06102233A JP4275547A JP27554792A JPH06102233A JP H06102233 A JPH06102233 A JP H06102233A JP 4275547 A JP4275547 A JP 4275547A JP 27554792 A JP27554792 A JP 27554792A JP H06102233 A JPH06102233 A JP H06102233A
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- electrode
- limiting current
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Abstract
(57)【要約】
【目的】電極の接合特性および素子特性の再現性の向上
を可能とした薄膜型の限界電流式酸素センサを提供する
ことを目的とする。 【構成】ＺｒＯ2 −ＢＮ基板１１上に、Ｐｔカソード電
極１２、ＺｒＯ2 −8mol％Ｙ2 Ｏ3 膜１３、およびＰｔ
アノード電極１４がこの順に積層形成されている。カソ
ード電極１２およびアノード電極１４は櫛形パターンで
あり、これらは互いに１８０°位相がずれた状態で重ね
られている。カソード電極１２，ＺｒＯ2−Ｙ2 Ｏ3 膜
１３およびアノード電極１４はいずれも、減圧下でスパ
ッタ法により形成されたものである。
を可能とした薄膜型の限界電流式酸素センサを提供する
ことを目的とする。 【構成】ＺｒＯ2 −ＢＮ基板１１上に、Ｐｔカソード電
極１２、ＺｒＯ2 −8mol％Ｙ2 Ｏ3 膜１３、およびＰｔ
アノード電極１４がこの順に積層形成されている。カソ
ード電極１２およびアノード電極１４は櫛形パターンで
あり、これらは互いに１８０°位相がずれた状態で重ね
られている。カソード電極１２，ＺｒＯ2−Ｙ2 Ｏ3 膜
１３およびアノード電極１４はいずれも、減圧下でスパ
ッタ法により形成されたものである。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、酸化物イオン伝導体を
用いた酸素センサに係り、特に薄膜型の限界電流式酸素
センサに関する。
用いた酸素センサに係り、特に薄膜型の限界電流式酸素
センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】ジルコニア等の酸化物イオン伝導体を用
いた酸素センサのうち、電極への酸素ガス供給量を制限
して得られる限界電流特性を利用したものが、いわゆる
限界電流式酸素センサである。従来知られている限界電
流式酸素センサには、図３(a)〜(d) に示すような構造
がある。これらのうち、図３(a) 〜(c) は、バルク型
（厚膜型）と呼ばれるものである。図３(a) では、イオ
ン伝導性を示すＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 焼結体基板１の両面
に印刷法によってＰｔカソード電極２，アノード電極３
が形成された素子チップが、支持基体４にガラス材５に
よって所定の間隔を保って支持されている。支持基体４
には小さい気体拡散孔６が形成され、またその上にはＺ
ｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 焼結体基板１を活性化するためのヒー
タ７が配設されている。図３(b) では、図３(a) とは逆
に素子チップ側に気体拡散孔６が形成されている。図３
(c) は、図３(b) の支持気体４とガラス材５の部分を一
体に成型したものを用いた例である。
いた酸素センサのうち、電極への酸素ガス供給量を制限
して得られる限界電流特性を利用したものが、いわゆる
限界電流式酸素センサである。従来知られている限界電
流式酸素センサには、図３(a)〜(d) に示すような構造
がある。これらのうち、図３(a) 〜(c) は、バルク型
（厚膜型）と呼ばれるものである。図３(a) では、イオ
ン伝導性を示すＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 焼結体基板１の両面
に印刷法によってＰｔカソード電極２，アノード電極３
が形成された素子チップが、支持基体４にガラス材５に
よって所定の間隔を保って支持されている。支持基体４
には小さい気体拡散孔６が形成され、またその上にはＺ
ｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 焼結体基板１を活性化するためのヒー
タ７が配設されている。図３(b) では、図３(a) とは逆
に素子チップ側に気体拡散孔６が形成されている。図３
(c) は、図３(b) の支持気体４とガラス材５の部分を一
体に成型したものを用いた例である。
【０００３】これらに対して、図３(d) は、薄膜型と呼
ばれるもので、気体透過性基板８上にスパッタ等の薄膜
技術によりカソード電極２′、酸化物イオン伝導体膜
１′、アノード電極３′が順次形成されている。この構
造では、気体透過性基板８がカソード電極２′に対する
ガス供給量を制限する働きをする。図３(a) 〜(c) に示
すようなバルク型の限界電流式酸素センサは、加工プロ
セスが複雑であり、量産に向かない。量産性を考える
と、図３(d) のような薄膜型が優れている。
ばれるもので、気体透過性基板８上にスパッタ等の薄膜
技術によりカソード電極２′、酸化物イオン伝導体膜
１′、アノード電極３′が順次形成されている。この構
造では、気体透過性基板８がカソード電極２′に対する
ガス供給量を制限する働きをする。図３(a) 〜(c) に示
すようなバルク型の限界電流式酸素センサは、加工プロ
セスが複雑であり、量産に向かない。量産性を考える
と、図３(d) のような薄膜型が優れている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の薄膜型
の限界電流式酸素センサには次のような問題があった。
カソード電極，アノード電極は例えばＰｔ電極であっ
て、前述のようにスパッタ法により形成されるが、図３
(d) のようにチップ全面に電極を形成すると、これらを
気体透過性とすること、即ちポーラスな膜とすることが
必要になる。なぜなら基板８から供給された酸素分子
は、カソード電極２′のイオン伝導体１′との界面部で
イオン化されて、イオン電流としてイオン伝導体膜１′
を流れ、アノード電極３′で再度酸素分子に変換されて
排出されるという流れが必要だからである。ポーラスな
Ｐｔ電極を形成することは、大気圧近くの圧力でスパッ
タすることにより可能であるが、ポーラスの度合いの制
御は簡単ではない。このため素子特性の再現性が低い。
また、ポーラスなＰｔ電極は、十分なスパッタリングに
よらず、ソフトに物理的に堆積するだけであるので、電
極の接合特性が悪い。即ち良好な電圧電流特性が得られ
ず、また剥離が生じる等、信頼性が十分ではない。本発
明は、この様な点に鑑みてなされたもので、電極の接合
特性および素子特性の再現性の向上を可能とした薄膜型
の限界電流式酸素センサを提供することを目的とする。
の限界電流式酸素センサには次のような問題があった。
カソード電極，アノード電極は例えばＰｔ電極であっ
て、前述のようにスパッタ法により形成されるが、図３
(d) のようにチップ全面に電極を形成すると、これらを
気体透過性とすること、即ちポーラスな膜とすることが
必要になる。なぜなら基板８から供給された酸素分子
は、カソード電極２′のイオン伝導体１′との界面部で
イオン化されて、イオン電流としてイオン伝導体膜１′
を流れ、アノード電極３′で再度酸素分子に変換されて
排出されるという流れが必要だからである。ポーラスな
Ｐｔ電極を形成することは、大気圧近くの圧力でスパッ
タすることにより可能であるが、ポーラスの度合いの制
御は簡単ではない。このため素子特性の再現性が低い。
また、ポーラスなＰｔ電極は、十分なスパッタリングに
よらず、ソフトに物理的に堆積するだけであるので、電
極の接合特性が悪い。即ち良好な電圧電流特性が得られ
ず、また剥離が生じる等、信頼性が十分ではない。本発
明は、この様な点に鑑みてなされたもので、電極の接合
特性および素子特性の再現性の向上を可能とした薄膜型
の限界電流式酸素センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、気体透過性基
板上に、カソード電極，酸化物イオン伝導体膜およびア
ノード電極を積層形成してなる限界電流式酸素センサに
おいて、カソード電極とアノード電極が櫛形パターンで
あって、かつこれらが互いに１８０°位相がずれた状態
で形成されていることを特徴としている。
板上に、カソード電極，酸化物イオン伝導体膜およびア
ノード電極を積層形成してなる限界電流式酸素センサに
おいて、カソード電極とアノード電極が櫛形パターンで
あって、かつこれらが互いに１８０°位相がずれた状態
で形成されていることを特徴としている。
【０００６】
【作用】本発明によると、カソード電極，アノード電極
をそれぞれ櫛形パターンとしてかつ１８０°位相シフト
した状態でイオン伝導体膜の上下に配置することによ
り、カソード電極，アノード電極とイオン伝導体膜との
接触面積を十分大きく確保することができる。しかも電
極は櫛形パターンであるから、その間隙部を通して酸素
をカソード電極とイオン伝導体膜との界面に供給するこ
とができる。従ってカソード電極，アノード電極共に、
一般的なスパッタ条件で緻密な膜として形成して、電気
的にも機械的にも優れた電極接合特性を維持しながら、
ポーラスな電極膜の場合と同様の電極機能を果たすこと
ができる。また機械的に強固な電極接合が得られるか
ら、信頼性の高いセンサとなる。同様の理由で素子特性
の再現性も優れたものとなる。
をそれぞれ櫛形パターンとしてかつ１８０°位相シフト
した状態でイオン伝導体膜の上下に配置することによ
り、カソード電極，アノード電極とイオン伝導体膜との
接触面積を十分大きく確保することができる。しかも電
極は櫛形パターンであるから、その間隙部を通して酸素
をカソード電極とイオン伝導体膜との界面に供給するこ
とができる。従ってカソード電極，アノード電極共に、
一般的なスパッタ条件で緻密な膜として形成して、電気
的にも機械的にも優れた電極接合特性を維持しながら、
ポーラスな電極膜の場合と同様の電極機能を果たすこと
ができる。また機械的に強固な電極接合が得られるか
ら、信頼性の高いセンサとなる。同様の理由で素子特性
の再現性も優れたものとなる。
【０００７】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。図１は、本発明の一実施例に係る限界電流式
酸素センサの平面図とそのＡ―Ａ′断面図である。気体
透過性基板としてこの実施例では、ＺｒＯ2 −ＢＮ（Ｂ
Ｎ10 ％）基板１１を用いており、この上にＰｔカソー
ド電極１２、酸化物イオン伝導体膜としてＺｒＯ2 −8m
ol％Ｙ2 Ｏ3 膜１３（以下単に、ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜
と称する）、およびＰｔアノード電極１４が順に積層形
成されている。図１(a) に示すように、カソード電極１
２およびアノード電極１４は櫛形パターンであり、これ
らは互いに１８０°位相がずれた状態で重ねられてい
る。カソード電極１２，ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜１３およ
びアノード電極１４はいずれも、減圧下でスパッタ法に
より形成されたものである。
説明する。図１は、本発明の一実施例に係る限界電流式
酸素センサの平面図とそのＡ―Ａ′断面図である。気体
透過性基板としてこの実施例では、ＺｒＯ2 −ＢＮ（Ｂ
Ｎ10 ％）基板１１を用いており、この上にＰｔカソー
ド電極１２、酸化物イオン伝導体膜としてＺｒＯ2 −8m
ol％Ｙ2 Ｏ3 膜１３（以下単に、ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜
と称する）、およびＰｔアノード電極１４が順に積層形
成されている。図１(a) に示すように、カソード電極１
２およびアノード電極１４は櫛形パターンであり、これ
らは互いに１８０°位相がずれた状態で重ねられてい
る。カソード電極１２，ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜１３およ
びアノード電極１４はいずれも、減圧下でスパッタ法に
より形成されたものである。
【０００８】なお、ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜１３の形成法
は例えば、Ｚｒ−8mol％Ｙ合金ターゲットを用いた、ア
ルゴンと酸素の混合ガスをキャリアガスとする反応性ス
パッタ法による。ＺｒとＹのスパッタ速度はほぼ同等で
あるため、ターゲットとこれからスパッタにより形成さ
れた膜との間で組成変化は殆どない。また予めＺｒＯ2
−Ｙ2 Ｏ3 セラミックターゲットを作成しておき、これ
をスパッタする方法もある。いずれの方法も用いること
ができる。
は例えば、Ｚｒ−8mol％Ｙ合金ターゲットを用いた、ア
ルゴンと酸素の混合ガスをキャリアガスとする反応性ス
パッタ法による。ＺｒとＹのスパッタ速度はほぼ同等で
あるため、ターゲットとこれからスパッタにより形成さ
れた膜との間で組成変化は殆どない。また予めＺｒＯ2
−Ｙ2 Ｏ3 セラミックターゲットを作成しておき、これ
をスパッタする方法もある。いずれの方法も用いること
ができる。
【０００９】具体的なデータを次に説明する。ＺｒＯ2
−ＢＮ基板１１は、厚み０．２mm、カソード電極１２お
よびアノード電極１４の厚みは共に、０．３μm 、Ｚｒ
Ｏ2−Ｙ2 Ｏ3 膜１３の厚みは０．６μm とした。セン
サチップの大きさは、５mm×５mmであり、カソード電極
１２およびアノード電極１４の櫛歯の部分は、共に幅７
５μm ，ピッチ７５μm の３３本、即ち３３対とした。
この様な条件で得られた素子の限界電流特性を図２に示
す。図示のように、電圧電流特性の立上がりは急峻であ
り、カソード電極１２，アノード電極１４のＺｒＯ2 −
Ｙ2 Ｏ3 膜１３に対する接合特性が良好であることを示
している。またクリアな限界電流特性が得られている。
−ＢＮ基板１１は、厚み０．２mm、カソード電極１２お
よびアノード電極１４の厚みは共に、０．３μm 、Ｚｒ
Ｏ2−Ｙ2 Ｏ3 膜１３の厚みは０．６μm とした。セン
サチップの大きさは、５mm×５mmであり、カソード電極
１２およびアノード電極１４の櫛歯の部分は、共に幅７
５μm ，ピッチ７５μm の３３本、即ち３３対とした。
この様な条件で得られた素子の限界電流特性を図２に示
す。図示のように、電圧電流特性の立上がりは急峻であ
り、カソード電極１２，アノード電極１４のＺｒＯ2 −
Ｙ2 Ｏ3 膜１３に対する接合特性が良好であることを示
している。またクリアな限界電流特性が得られている。
【００１０】センサのサイズを小さくした素子を作っ
た。即ちセンサチップの大きさを、２．５mm×２．５mm
とし、カソード電極，アノード電極は幅５０μm ，ピッ
チ５０μm として２２対とした他、各部の厚みは上の実
施例と同様とした素子を試作した。この場合も上の実施
例と同様の優れた特性が得られた。
た。即ちセンサチップの大きさを、２．５mm×２．５mm
とし、カソード電極，アノード電極は幅５０μm ，ピッ
チ５０μm として２２対とした他、各部の厚みは上の実
施例と同様とした素子を試作した。この場合も上の実施
例と同様の優れた特性が得られた。
【００１１】実施例では、酸化物イオン伝導体として安
定化ジルコニアの一つＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 を用いたが、
他の金属酸化物セラミックスを用いることができる。例
えば、Ｙ2 Ｏ3 の代わりに、Ｙｂ2 Ｏ3 等を置換固溶し
た安定化ジルコニア等を用いた場合にも本発明は有効で
ある。
定化ジルコニアの一つＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 を用いたが、
他の金属酸化物セラミックスを用いることができる。例
えば、Ｙ2 Ｏ3 の代わりに、Ｙｂ2 Ｏ3 等を置換固溶し
た安定化ジルコニア等を用いた場合にも本発明は有効で
ある。
【００１２】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、酸
化物イオン伝導体膜を挟むカソード電極とアノード電極
を所定パターンの櫛形として配設することにより、優れ
た素子特性を持つ薄膜型の限界電流式酸素センサを得る
ことができる。
化物イオン伝導体膜を挟むカソード電極とアノード電極
を所定パターンの櫛形として配設することにより、優れ
た素子特性を持つ薄膜型の限界電流式酸素センサを得る
ことができる。
【図１】 本発明の一実施例に係る限界電流式酸素セン
サの構造を示す図である。
サの構造を示す図である。
【図２】 同実施例のセンサの限界電流特性を示す図で
ある。
ある。
【図３】 従来の限界電流式酸素センサの構成例を示す
図である。
図である。
１１…ＺｒＯ2 −ＢＮ基板、１２…Ｐｔカソード電極、
１３…ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜、１４…Ｐｔアノード電
極。
１３…ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜、１４…Ｐｔアノード電
極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石橋 功成 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉電 線株式会社内 (72)発明者 加藤 嘉則 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉電 線株式会社内
Claims (1)
- 【請求項１】 気体透過性基板と、 この基板上に形成された櫛形パターンのカソード電極
と、 このカソード電極が形成された基板上に形成された酸化
物イオン伝導体膜と、 この酸化物イオン伝導体膜上に形成された、前記カソー
ド電極とは１８０°位相がずれた櫛形パターンのアノー
ド電極と、を備えたことを特徴とする限界電流式酸素セ
ンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4275547A JPH0795058B2 (ja) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | 限界電流式酸素センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4275547A JPH0795058B2 (ja) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | 限界電流式酸素センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06102233A true JPH06102233A (ja) | 1994-04-15 |
| JPH0795058B2 JPH0795058B2 (ja) | 1995-10-11 |
Family
ID=17556973
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4275547A Expired - Fee Related JPH0795058B2 (ja) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | 限界電流式酸素センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0795058B2 (ja) |
-
1992
- 1992-09-18 JP JP4275547A patent/JPH0795058B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0795058B2 (ja) | 1995-10-11 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313532 |
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| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
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| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
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