JPH0720086A - 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
- JPH0720086A JPH0720086A JP5191754A JP19175493A JPH0720086A JP H0720086 A JPH0720086 A JP H0720086A JP 5191754 A JP5191754 A JP 5191754A JP 19175493 A JP19175493 A JP 19175493A JP H0720086 A JPH0720086 A JP H0720086A
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- Japan
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- thin film
- electrode thin
- ion conductor
- comb
- porous layer
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- Pending
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 限界電流特性が揃ったものとして製造するこ
とが容易で、しかも大量生産に向いた構造とする。 【構成】 ポーラスなアルミナなどにより構成された気
体透過性基板１と、該基板の一表面上に形成された櫛形
パターンのアノード電極薄膜２と、このアノード電極薄
膜２上に形成された安定化ジルコニアなどのイオン伝導
体薄膜３と、さらにこのイオン伝導体薄膜３上に形成さ
れた櫛形パターンのカソード電極薄膜４と、このカソー
ド電極薄膜４及びイオン伝導体薄膜３上に形成されたポ
ーラス層５と、さらにこのポーラス層５を、その一部で
ある拡散律速層６を除いて、すべて覆ってしまう、結晶
化ガラスなどにより形成された封止層７とを有する。
とが容易で、しかも大量生産に向いた構造とする。 【構成】 ポーラスなアルミナなどにより構成された気
体透過性基板１と、該基板の一表面上に形成された櫛形
パターンのアノード電極薄膜２と、このアノード電極薄
膜２上に形成された安定化ジルコニアなどのイオン伝導
体薄膜３と、さらにこのイオン伝導体薄膜３上に形成さ
れた櫛形パターンのカソード電極薄膜４と、このカソー
ド電極薄膜４及びイオン伝導体薄膜３上に形成されたポ
ーラス層５と、さらにこのポーラス層５を、その一部で
ある拡散律速層６を除いて、すべて覆ってしまう、結晶
化ガラスなどにより形成された封止層７とを有する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、イオン伝導体を用い
た限界電流式酸素センサに関する。
た限界電流式酸素センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】限界電流式酸素センサは、イオン伝導体
に導入される酸素量と、イオン伝導体中の酸素イオンを
キャリアとする電流とが対応することを利用して酸素濃
度を検出するものである。すなわち、イオン伝導体の両
面に電極を設けて、それら電極間に電圧を印加すると、
イオン伝導体中の酸素イオンをキャリアとする電流が流
れる。イオン伝導体に導入される時間当たりの酸素量を
絞っておくと、上記の電極間に印加する電圧を上げても
電流は一定値以上に増えない。この電流値は限界電流と
呼ばれ、イオン伝導体に導入される時間当たりの酸素量
に対応したものとなり、この電流値から周囲の雰囲気中
の酸素濃度を知ることができる。
に導入される酸素量と、イオン伝導体中の酸素イオンを
キャリアとする電流とが対応することを利用して酸素濃
度を検出するものである。すなわち、イオン伝導体の両
面に電極を設けて、それら電極間に電圧を印加すると、
イオン伝導体中の酸素イオンをキャリアとする電流が流
れる。イオン伝導体に導入される時間当たりの酸素量を
絞っておくと、上記の電極間に印加する電圧を上げても
電流は一定値以上に増えない。この電流値は限界電流と
呼ばれ、イオン伝導体に導入される時間当たりの酸素量
に対応したものとなり、この電流値から周囲の雰囲気中
の酸素濃度を知ることができる。
【０００３】このイオン伝導体に導入する時間当たりの
酸素量を絞る構造としては、イオン伝導体の一面を気密
に覆うキャップを設け、このキャップに小孔を設けると
いうものが一般的であるが、センサの薄膜化、製造の容
易化などを図るため、ポーラスな基板を用い、その基板
の気体透過性を利用したものも考えられている。
酸素量を絞る構造としては、イオン伝導体の一面を気密
に覆うキャップを設け、このキャップに小孔を設けると
いうものが一般的であるが、センサの薄膜化、製造の容
易化などを図るため、ポーラスな基板を用い、その基板
の気体透過性を利用したものも考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来
の、薄膜化を図った構造の限界電流式酸素センサでは、
電極における気体透過性に問題があったり、限界電流特
性が揃ったものを大量に製造することが容易でないなど
の問題があった。
の、薄膜化を図った構造の限界電流式酸素センサでは、
電極における気体透過性に問題があったり、限界電流特
性が揃ったものを大量に製造することが容易でないなど
の問題があった。
【０００５】この発明は、上記に鑑み、限界電流特性が
揃ったものとして製造することが容易で、大量生産に適
した構造の、限界電流式酸素センサを提供することを目
的とする。
揃ったものとして製造することが容易で、大量生産に適
した構造の、限界電流式酸素センサを提供することを目
的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明による限界電流式酸素センサにおいては、
気体透過性基板と、該基板の一表面上に形成された櫛形
パターンのアノード電極薄膜と、このアノード電極薄膜
上に形成されたイオン伝導体薄膜と、さらにこのイオン
伝導体薄膜上に形成された櫛形パターンのカソード電極
薄膜と、このカソード電極薄膜及びイオン伝導体薄膜上
に形成されたポーラス層と、さらにこのポーラス層を、
その一部を除いて覆う封止層とを有することが特徴とな
っている。
め、この発明による限界電流式酸素センサにおいては、
気体透過性基板と、該基板の一表面上に形成された櫛形
パターンのアノード電極薄膜と、このアノード電極薄膜
上に形成されたイオン伝導体薄膜と、さらにこのイオン
伝導体薄膜上に形成された櫛形パターンのカソード電極
薄膜と、このカソード電極薄膜及びイオン伝導体薄膜上
に形成されたポーラス層と、さらにこのポーラス層を、
その一部を除いて覆う封止層とを有することが特徴とな
っている。
【０００７】
【作用】カソード電極薄膜及びイオン伝導体薄膜上に形
成されたポーラス層は、その一部を除いて封止層により
覆われているが、その覆われていない部分（つまり露出
部）から酸素が入り込んでポーラス層の全体に拡散し、
イオン伝導体中に導かれる。そのため、この露出部が拡
散律速層として機能することになり、この露出部の形状
等により時間当りのイオン伝導体への導入酸素量を定め
ることができる。ポーラス層のポーラス度つまり空気透
過度はコントロール容易であり、露出部の形状等は再現
性高く製造できるので、限界電流特性を揃えることは容
易である。アノード電極薄膜及びカソード電極薄膜は櫛
形のパターンに形成されているため、電極薄膜自体が緻
密な構造で空気の流通が悪いものであって、その櫛形パ
ターンの隙間において空気の流通を確保できる。
成されたポーラス層は、その一部を除いて封止層により
覆われているが、その覆われていない部分（つまり露出
部）から酸素が入り込んでポーラス層の全体に拡散し、
イオン伝導体中に導かれる。そのため、この露出部が拡
散律速層として機能することになり、この露出部の形状
等により時間当りのイオン伝導体への導入酸素量を定め
ることができる。ポーラス層のポーラス度つまり空気透
過度はコントロール容易であり、露出部の形状等は再現
性高く製造できるので、限界電流特性を揃えることは容
易である。アノード電極薄膜及びカソード電極薄膜は櫛
形のパターンに形成されているため、電極薄膜自体が緻
密な構造で空気の流通が悪いものであって、その櫛形パ
ターンの隙間において空気の流通を確保できる。
【０００８】
【実施例】以下、この発明の好ましい一実施例について
図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、この発明
にかかる限界電流式酸素センサのチップの平面図であ
り、図２は図１のＡＡ線断面図である。これらの図に示
すように、気体透過性の基板１上に、櫛形パターンのア
ノード電極薄膜２が形成されている。その上にイオン伝
導体薄膜３が形成され、さらにそのイオン伝導体薄膜３
の上に、上記のアノード電極薄膜２と同様に、櫛形パタ
ーンのカソード電極薄膜４が形成されている。このイオ
ン伝導体薄膜３はたとえばスパッタあるいは蒸着により
形成される。そして、このカソード電極薄膜４及びイオ
ン伝導体薄膜３を覆うように、気体透過性を有するポー
ラス層５が形成されている。このポーラス層５は細い引
き出し部６を有するようなパターンに形成されている。
この引き出し部６は後に述べるように拡散律速層として
機能する。さらにこの拡散律速層（引き出し部）６の先
端を除いてポーラス層５のすべてを覆うように結晶化ガ
ラス等からなる封止層７が形成されている。
図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、この発明
にかかる限界電流式酸素センサのチップの平面図であ
り、図２は図１のＡＡ線断面図である。これらの図に示
すように、気体透過性の基板１上に、櫛形パターンのア
ノード電極薄膜２が形成されている。その上にイオン伝
導体薄膜３が形成され、さらにそのイオン伝導体薄膜３
の上に、上記のアノード電極薄膜２と同様に、櫛形パタ
ーンのカソード電極薄膜４が形成されている。このイオ
ン伝導体薄膜３はたとえばスパッタあるいは蒸着により
形成される。そして、このカソード電極薄膜４及びイオ
ン伝導体薄膜３を覆うように、気体透過性を有するポー
ラス層５が形成されている。このポーラス層５は細い引
き出し部６を有するようなパターンに形成されている。
この引き出し部６は後に述べるように拡散律速層として
機能する。さらにこの拡散律速層（引き出し部）６の先
端を除いてポーラス層５のすべてを覆うように結晶化ガ
ラス等からなる封止層７が形成されている。
【０００９】このような構造の限界電流式酸素センサは
具体的には、たとえばつぎのようにして製造される。ま
ず、気体透過性基板１として、たとえばアルミナ（Ａｌ
2Ｏ3）材料などで構成されたポーラス性の基板の表面を
機械加工して平坦にしたものを用いる。そしてその上
に、白金をターゲットとしてスパッタリングしてアノー
ド電極薄膜２を形成する。そのスパッタリングの際、櫛
形パターンのマスキングをして、アノード電極薄膜２が
櫛形パターンとなるようにする。つぎに安定化ジルコニ
ア（ＺｒＯ2−８ｍｏｌ％Ｙ2Ｏ3）のターゲットを用い
てイオン伝導体薄膜３を設け、さらにその上に、アノー
ド電極薄膜２と同様にしてスパッタリングにより櫛形パ
ターンのカソード電極薄膜４を形成する。このカソード
電極薄膜４及びイオン伝導体薄膜３の上のポーラス層５
は、ステアタイトセラミック粉を５０ｗｔ％添加した結
晶化ガラスペーストを印刷（塗布）することにより形成
している。その印刷の際に引き出し部６が図示のような
パターンに形成されるようにしている。さらにそのポー
ラス層５を引き出し部６を除いて覆う封止層７は、結晶
化ガラスを印刷（塗布）した後１０００℃の温度で１０
分間焼成することによって形成する。最後に、図示しな
いが、白金ペーストを印刷することにより封止層７上に
ヒーターを形成して完成する。なおこのヒーターは基板
１の裏面側に設けてもよいが、イオン伝導体薄膜３に近
くて加熱効率が高いという点から、封止層７上の方が好
ましい。
具体的には、たとえばつぎのようにして製造される。ま
ず、気体透過性基板１として、たとえばアルミナ（Ａｌ
2Ｏ3）材料などで構成されたポーラス性の基板の表面を
機械加工して平坦にしたものを用いる。そしてその上
に、白金をターゲットとしてスパッタリングしてアノー
ド電極薄膜２を形成する。そのスパッタリングの際、櫛
形パターンのマスキングをして、アノード電極薄膜２が
櫛形パターンとなるようにする。つぎに安定化ジルコニ
ア（ＺｒＯ2−８ｍｏｌ％Ｙ2Ｏ3）のターゲットを用い
てイオン伝導体薄膜３を設け、さらにその上に、アノー
ド電極薄膜２と同様にしてスパッタリングにより櫛形パ
ターンのカソード電極薄膜４を形成する。このカソード
電極薄膜４及びイオン伝導体薄膜３の上のポーラス層５
は、ステアタイトセラミック粉を５０ｗｔ％添加した結
晶化ガラスペーストを印刷（塗布）することにより形成
している。その印刷の際に引き出し部６が図示のような
パターンに形成されるようにしている。さらにそのポー
ラス層５を引き出し部６を除いて覆う封止層７は、結晶
化ガラスを印刷（塗布）した後１０００℃の温度で１０
分間焼成することによって形成する。最後に、図示しな
いが、白金ペーストを印刷することにより封止層７上に
ヒーターを形成して完成する。なおこのヒーターは基板
１の裏面側に設けてもよいが、イオン伝導体薄膜３に近
くて加熱効率が高いという点から、封止層７上の方が好
ましい。
【００１０】こうして得られた限界電流式酸素センサを
実際に測定してみたところ、図３に示すような電圧−電
流特性を得ることができた。この測定は２００℃の大気
雰囲気中で行なったが、図３に示すように非常に良好な
限界電流特性が得られたことが判明した。
実際に測定してみたところ、図３に示すような電圧−電
流特性を得ることができた。この測定は２００℃の大気
雰囲気中で行なったが、図３に示すように非常に良好な
限界電流特性が得られたことが判明した。
【００１１】上記のようにスパッタ等により電極薄膜
２、４を形成する場合には、形成された電極薄膜２、４
は緻密な構造となり易く、ガス交換のための気体透過性
という点では難点がある。そこで、これら電極薄膜２、
４を櫛形パターンとすることにより表面積を少なくし、
イオン伝導体薄膜３に対する空気の出入りを確保するよ
うにしている。酸素はポーラス層５の引き出し部６の先
端の、封止層７から露出している部分より流入し、ポー
ラス層５の全体に広がり、イオン伝導体薄膜３の表面に
導入されて酸素イオンとなる。この酸素イオンはアノー
ド電極薄膜２側に移動してアノード電極薄膜２とカソー
ド電極薄膜４との間に電流が流れる。そしてイオン伝導
体薄膜３の裏面で発生した酸素はポーラスな基板１を透
過して裏面側に出ていく。
２、４を形成する場合には、形成された電極薄膜２、４
は緻密な構造となり易く、ガス交換のための気体透過性
という点では難点がある。そこで、これら電極薄膜２、
４を櫛形パターンとすることにより表面積を少なくし、
イオン伝導体薄膜３に対する空気の出入りを確保するよ
うにしている。酸素はポーラス層５の引き出し部６の先
端の、封止層７から露出している部分より流入し、ポー
ラス層５の全体に広がり、イオン伝導体薄膜３の表面に
導入されて酸素イオンとなる。この酸素イオンはアノー
ド電極薄膜２側に移動してアノード電極薄膜２とカソー
ド電極薄膜４との間に電流が流れる。そしてイオン伝導
体薄膜３の裏面で発生した酸素はポーラスな基板１を透
過して裏面側に出ていく。
【００１２】したがって、イオン伝導体薄膜３に導入さ
れる酸素量は、ポーラス層５の単位面積当りの透過空気
量と、細い引き出し部６の断面積と、その長さとによっ
て定められることになる。すなわち、この引き出し部６
が拡散律速層として機能させられる。このポーラス層５
におけるポーラス度つまり空気の透過性のコントロール
は容易であるため、限界電流特性が揃った限界電流式酸
素センサを容易に製造できる。これに対して基板１の気
体透過性を拡散律速性として利用した場合には、その気
体透過性はコントロールが難しいため限界電流特性を揃
えることが困難である。そのため、この限界電流式酸素
センサは特性の揃ったものを大量生産するのに適した構
造であると言える。
れる酸素量は、ポーラス層５の単位面積当りの透過空気
量と、細い引き出し部６の断面積と、その長さとによっ
て定められることになる。すなわち、この引き出し部６
が拡散律速層として機能させられる。このポーラス層５
におけるポーラス度つまり空気の透過性のコントロール
は容易であるため、限界電流特性が揃った限界電流式酸
素センサを容易に製造できる。これに対して基板１の気
体透過性を拡散律速性として利用した場合には、その気
体透過性はコントロールが難しいため限界電流特性を揃
えることが困難である。そのため、この限界電流式酸素
センサは特性の揃ったものを大量生産するのに適した構
造であると言える。
【００１３】
【発明の効果】以上実施例について説明したように、こ
の発明の限界電流式酸素センサによれば、大量生産して
も限界電流特性の揃ったものを容易に得ることができ
る。
の発明の限界電流式酸素センサによれば、大量生産して
も限界電流特性の揃ったものを容易に得ることができ
る。
【図１】この発明の一実施例にかかる限界電流式酸素セ
ンサの平面図。
ンサの平面図。
【図２】図１のＡＡ線断面図。
【図３】同実施例の電圧−電流特性を表わすグラフ。
１ 気体透過性基板 ２ 櫛形パターンのアノード電極薄膜 ３ イオン伝導体薄膜 ４ 櫛形パターンのカソード電極薄膜 ５ ポーラス層 ６ 拡散律速層 ７ 封止層
───────────────────────────────────────────────────── 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号株式会社 フジクラ内 (72)発明者 加藤 嘉則 東京都江東区木場１丁目５番１号株式会社 フジクラ内
Claims (1)
- 【請求項１】 気体透過性基板と、該基板の一表面上に
形成された櫛形パターンのアノード電極薄膜と、このア
ノード電極薄膜上に形成されたイオン伝導体薄膜と、さ
らにこのイオン伝導体薄膜上に形成された櫛形パターン
のカソード電極薄膜と、このカソード電極薄膜及びイオ
ン伝導体薄膜上に形成されたポーラス層と、さらにこの
ポーラス層を、その一部を除いて覆う封止層とを有する
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 |
|---|---|---|---|
| JP5191754A JPH0720086A (ja) | 1993-07-05 | 1993-07-05 | 限界電流式酸素センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5191754A JPH0720086A (ja) | 1993-07-05 | 1993-07-05 | 限界電流式酸素センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0720086A true JPH0720086A (ja) | 1995-01-24 |
Family
ID=16279953
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5191754A Pending JPH0720086A (ja) | 1993-07-05 | 1993-07-05 | 限界電流式酸素センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0720086A (ja) |
-
1993
- 1993-07-05 JP JP5191754A patent/JPH0720086A/ja active Pending
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