JPH0735726A - Gas component detecting element - Google Patents

Gas component detecting element

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JPH0735726A
JPH0735726A JP5223989A JP22398993A JPH0735726A JP H0735726 A JPH0735726 A JP H0735726A JP 5223989 A JP5223989 A JP 5223989A JP 22398993 A JP22398993 A JP 22398993A JP H0735726 A JPH0735726 A JP H0735726A
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Japan
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layer
stabilized zirconia
gas component
electrode
insulating layer
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JP5223989A
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Japanese (ja)
Inventor
Shunji Ichida
俊司 市田
Yasuhide Yoshikawa
康秀 吉川
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Azbil Corp
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Azbil Corp
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Abstract

PURPOSE:To obtain a gas component detecting element in which the accuracy and stability are enhanced and the settling time is shortened while reducing the size without requiring correction of oxygen concentration in case of heated air and which can be produced through simple steps and equipment. CONSTITUTION:The gas component detecting element comprises a first insulation layer 3, a heater layer 4, a second insulation layer 5, and a stabilized zirconia layer 6, formed sequentially on an insulating or semiconductive substrate 1, noble metal electrodes 7a, 7b connected electrically with the stabilized zirconia layer 6, and a third insulation layer 9 formed on the electrodes 7a, 7b and the stabilized zirconia layer 6.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、気体の酸素および湿
度を検出するのに適した気体成分検出素子に関するもの
である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas component detecting element suitable for detecting oxygen and humidity of a gas.

【0002】[0002]

【従来の技術】図9および図10は限界電流式ジルコニ
ア酸素検出素子の原理を示す構成図、図11は図9およ
び図10の構成における電圧と電流との関係を示す特性
図、図12は印加電圧と限界電流との関係を示す特性
図、図13は湿った空気と乾燥した空気における印加電
圧と限界電流との関係を示す特性図、図14は水蒸気圧
と電流との関係を示す特性図である。まず、限界電流式
ジルコニア酸素検出素子の原理について説明する。固体
電解質であるZrO2すなわちジルコニア素子1は、摂
氏数百度に加熱すると、内部をO2−イオンを通過させ
ることができる。図9に示すように、このZrO2の両
側に電極7a、7bを設け、電源8により電圧を印加す
ると、カソード側からアノード側にO2−イオンを運ぶ
ことができる。これを酸素ポンプ作用と呼ぶ。
9 and 10 are configuration diagrams showing the principle of a limiting current type zirconia oxygen detection element, FIG. 11 is a characteristic diagram showing the relationship between voltage and current in the configurations of FIGS. 9 and 10, and FIG. FIG. 13 is a characteristic diagram showing the relationship between the applied voltage and the limiting current, FIG. 13 is a characteristic diagram showing the relationship between the applied voltage and the limiting current in moist air and dry air, and FIG. 14 is a characteristic showing the relationship between the water vapor pressure and the current. It is a figure. First, the principle of the limiting current type zirconia oxygen detection element will be described. ZrO2, which is a solid electrolyte, that is, the zirconia element 1 can allow O2-ions to pass through when heated to several hundred degrees Celsius. As shown in FIG. 9, when electrodes 7a and 7b are provided on both sides of this ZrO2 and a voltage is applied by a power source 8, O2-ions can be carried from the cathode side to the anode side. This is called the oxygen pump action.

【0003】さらに図10に示すように、カソード側の
電極4に小さな孔11の開いた、カバー12を設け、ガ
スの流入を制限する。
Further, as shown in FIG. 10, a cover 12 having a small hole 11 is provided in the electrode 4 on the cathode side to limit the inflow of gas.

【0004】すると、図11に示すように、印加電圧を
上昇させても、電流値は、ある一定値で平衡に達し、そ
れ以上増加しない現象が現われる。これを限界電流とい
う。これを第1限界電流IL1とする。これは、ガスの
流入が小さな孔6により制限されるためで、この限界電
流値は、雰囲気のO2濃度に比例する。
Then, as shown in FIG. 11, even if the applied voltage is increased, the current value reaches a equilibrium at a certain constant value and does not increase any more. This is called the limiting current. This is the first limiting current IL1. This is because the inflow of gas is restricted by the small holes 6, and this limiting current value is proportional to the O2 concentration in the atmosphere.

【0005】このセンサを水蒸気を含んだ雰囲気中に入
れ、印加電圧をさらに増やしてゆくと、図12のような
第2番目の限界電流すなわち第2限界電流IL2が現わ
れる。これは空気中の水分子がカソード側で水分解さ
れ、O2−イオンとなるために電流が増加するものであ
る。すなわち カソード側では H2O+2e− → H2+O2− アノード側では O2− →1/2O2+2e− この場合も限界電流値は、雰囲気の水蒸気圧に比例す
る。
When this sensor is placed in an atmosphere containing water vapor and the applied voltage is further increased, a second limiting current, that is, a second limiting current IL2 as shown in FIG. 12 appears. This is because the water molecules in the air are water-decomposed on the cathode side and become O2-ions, so that the current increases. That is, H2O + 2e- → H2 + O2- on the cathode side and O2- → 1 / 2O2 + 2e- on the anode side. In this case as well, the limiting current value is proportional to the water vapor pressure of the atmosphere.

【0006】次にこの検出素子を用いた水蒸気の検出方
法について説明する。すなわち、図12の特性において
水蒸気量が上昇すると、図13に示すように、第1限界
電流IL1は減少し、逆に第2限界電流IL2は増加す
る。第1限界電流IL1が減少するのは、水蒸気により
酸素量すなわち酸素の比率が減少するためで、第2限界
電流IL2が増加するのは、水蒸気が電気分解されるた
めである。なお、第1限界電流IL1、第2限界電流I
L2いずれでも水蒸気量は測定できるが、水蒸気のみの
選択性を考えると、第2限界電流IL2を利用するほう
がよい。さらに、第1限界電流IL1は他のガスが混入
しても下がり、水蒸気のみとは限らない。
Next, a method of detecting water vapor using this detecting element will be described. That is, when the amount of water vapor increases in the characteristics of FIG. 12, the first limit current IL1 decreases and the second limit current IL2 increases, as shown in FIG. The first limit current IL1 decreases because the amount of oxygen, that is, the ratio of oxygen, decreases due to the water vapor, and the second limit current IL2 increases because the water vapor is electrolyzed. The first limit current IL1 and the second limit current I
Although the amount of water vapor can be measured in any of L2, considering the selectivity of only water vapor, it is better to use the second limiting current IL2. Furthermore, the first limiting current IL1 decreases even if other gas is mixed, and is not limited to water vapor.

【0007】水蒸気圧と第1限界電流IL1、第2限界
電流IL2の関係を示すと図14のようになる。すなわ
ち、第1限界電流IL1、第2限界電流IL2ともに水
蒸気圧に対して直線性があるが、第2限界電流IL2は
第1限界電流IL1に比べ感度においても数倍あり、選
択性、分解能ともによいことが判る。
FIG. 14 shows the relationship between the water vapor pressure and the first and second limiting currents IL1 and IL2. That is, both the first limiting current IL1 and the second limiting current IL2 have linearity with respect to the water vapor pressure, but the second limiting current IL2 has several times the sensitivity as compared with the first limiting current IL1 and has both selectivity and resolution. I know it's good.

【0008】このタイプの検出素子は、特性が原理的に
雰囲気の水蒸気圧に対してリニアであり、耐熱性に優れ
たZrO2セラミックを数百度に常時加熱して使用する
ため、室温雰囲気から100℃以上の高温で水蒸気量を
測定するのに適している。
This type of detection element has a characteristic that it is linear in principle with respect to the water vapor pressure of the atmosphere, and since ZrO2 ceramic having excellent heat resistance is constantly heated to several hundreds of degrees, it is used at room temperature from 100 ° C. It is suitable for measuring the amount of water vapor at the above high temperatures.

【0009】従来、第2限界電流IL2を検出すること
により気体成分検出素子を構成し、これをバーナー式加
熱炉等に使用した場合、バーナー等で加熱した空気に含
まれている湿度を検出しようとしたとき、その加熱空気
中の酸素の割合が通常の空気よりも少なくなり、その湿
度検出に誤差を生じている。他の原理の気体成分検出素
子の場合にも同様の現象が起きる。このためその酸素濃
度に関する補正を行なう必要がある。
Conventionally, a gas component detecting element is constructed by detecting the second limiting current IL2, and when this is used in a burner type heating furnace or the like, it will detect the humidity contained in the air heated by the burner or the like. In that case, the proportion of oxygen in the heated air becomes smaller than that in normal air, and an error occurs in the humidity detection. The same phenomenon occurs in the case of the gas component detection element of other principle. Therefore, it is necessary to correct the oxygen concentration.

【0010】また従来、限界電流式又は濃淡電池式のジ
ルコニアを使用した気体成分検出素子は、ジルコニアを
通常のセラミックと同じ粉末燒結体により製造している
ため、小形化が図れず、形状や厚さが大きいので、ヒー
タの加熱に時間がかかり、測定できる状態に至るのに数
分から数十分必要である。さらに工程が複雑であり、様
々な設備が必要となる。すなわちジルコニアの粉末化お
よび燒結のための加熱焼成炉や、ジルコニア上への電極
取付けおよびヒータの作成のための印刷機や焼成炉ある
いは各センサ素子への切り離しおよび電極ワイヤ取付け
のためのカッターやワイヤボンディング等の各種の工程
とそれらの装置を必要とする。
Conventionally, a gas component detection element using a limiting current type or concentration cell type zirconia cannot be miniaturized because the zirconia is manufactured from the same powder sintered body as ordinary ceramics. Therefore, it takes a long time to heat the heater, and it takes several minutes to several tens of minutes to reach a measurable state. Furthermore, the process is complicated and various equipments are required. That is, a heating and firing furnace for pulverizing and sintering zirconia, a printer and a firing furnace for attaching electrodes on zirconia and making a heater, or a cutter or wire for detaching and attaching electrode wires to each sensor element. It requires various processes such as bonding and their equipment.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の気
体成分検出素子においては、加熱空気中における酸素濃
度の減少により湿度検出に誤差が生じ、また他のガスが
存在する場合、酸素濃度が変わり、これが測定誤差とな
る。また測定に当り、ヒータが十分加熱されるまでに時
間がかかり、したがって測定状態に至る迄に多くの時間
を必要とする。さらに検出素子の製造工程が複雑であ
り、様々な設備が必要となる等の問題点があった。
As described above, in the conventional gas component detecting element, an error occurs in the humidity detection due to the decrease of the oxygen concentration in the heated air, and when there is another gas, the oxygen concentration is However, this is a measurement error. Further, in the measurement, it takes time for the heater to be sufficiently heated, and therefore, it takes a lot of time for reaching the measurement state. Further, there is a problem that the manufacturing process of the detection element is complicated and various facilities are required.

【0012】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、加熱空気のように酸素濃度が減
少した場合にも補正を必要とせず、またその形状を小形
化することにより精度の高い、かつ安定性良好な素子を
得るとともに、始動から動作が安定するまでの時間を短
縮し、さらに薄膜製造技術を用いた簡単な工程と装置に
より製造できることを目的とするものである。
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and does not require correction even when the oxygen concentration is decreased as in the case of heated air, and by making the shape smaller. It is an object of the present invention to obtain an element with high accuracy and good stability, to shorten the time from the start to the stable operation, and to manufacture by a simple process and apparatus using thin film manufacturing technology.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】この発明に係る気体成分
検出素子は、絶縁物又は半導体からなる基板と、この基
板上に形成された第1の絶縁層と、この絶縁層の上に形
成されたヒータ層と、このヒータ層の上に形成された第
2の絶縁層と、この第2の絶縁層の上に形成された安定
化ジルコニア層と、この安定化ジルコニア層の両端に電
気的に接続した貴金属電極と、この貴金属電極と安定化
ジルコニア層上に形成された第3の絶縁層とを有する。
A gas component detecting element according to the present invention comprises a substrate made of an insulating material or a semiconductor, a first insulating layer formed on the substrate, and a first insulating layer formed on the insulating layer. Heater layer, a second insulating layer formed on the heater layer, a stabilizing zirconia layer formed on the second insulating layer, and an electrical connection between both ends of the stabilizing zirconia layer. It has a noble metal electrode connected thereto and a third insulating layer formed on the noble metal electrode and the stabilized zirconia layer.

【0014】[0014]

【作用】この発明における気体成分検出素子は、薄膜製
造技術を用いて構成され、全体として層形状を成すこと
から素子そのものが薄形となる。この気体成分検出素子
に1.4V以下の電圧を印加すると酸素センサとして、
また1.4V以上の電圧を印加すると湿度センサとして
使用される。したがって2つの素子を並設し、たがいに
異なる2つの電圧をそれぞれ印加するとの同一場所にお
いて、酸素と湿度とが同時に計測される。この気体成分
検出素子を酸素や水蒸気中に置くとそれらの気体の検出
出力は濃度に比例した値となる。
The gas component detecting element according to the present invention is formed by using the thin film manufacturing technique, and the element itself is thin because it has a layer shape as a whole. When a voltage of 1.4 V or less is applied to this gas component detection element, it becomes an oxygen sensor,
When a voltage of 1.4 V or higher is applied, it is used as a humidity sensor. Therefore, oxygen and humidity are simultaneously measured at the same location where two elements are arranged in parallel and two different voltages are applied to each other. When this gas component detection element is placed in oxygen or water vapor, the detection output of those gases becomes a value proportional to the concentration.

【0015】[0015]

【実施例】【Example】

実施例1.以下、この発明の第1の実施例を図によって
説明する。図1はこの発明における気体成分検出素子の
縦断面図、図2は同平面図である。図8は酸素センサと
湿度検出センサとをとを1つの基板上に形成した気体成
分検出素子の平面図である。図において、1は基板で、
この基板はシリコン等の半導体により形成される。この
基板1の一部には薄肉部2が設けられている。この薄肉
部2は熱容量を小さくし、電源投入時から動作安定時間
での時間を短縮し、高速化を図るためのものである。な
お、基板1の熱容量が全体として十分小さい場合にはと
くに薄肉部2を設ける必要はない。4はこの第1の絶縁
層3の上に形成されたヒータ層で、このヒータ層4は白
金や金等の貴金属により形成され、その製法にはスパッ
タやフォトリソグラフィ等の方法が用いられる。このヒ
ータ層4の上面には第2の絶縁層5が形成される。この
第2の絶縁層5の上面にはポーラス性を有する安定化ジ
ルコニア層6がスパッタ、電子ビーム蒸着法等やフォト
リソグラフィ等の半導体薄膜作成方法により形成され
る。この安定化ジルコニア層6の上面の両端には貴金属
製の電極7a、7bが安定化ジルコニア層6の形成方法
と同様の方法すなわちスパッタ、電子ビーム蒸着法等や
フォトリソグラフィ等の方法により形成され、かつ安定
化ジルコニア層6に電気的に接続される。このとき、一
方の電極7aすなわちカソード側の電極の長さL1は他
方の電極7bすなわちアノード側電極の長さL2に比し
短く(L1<L2)形成される。あるいは一方の電極7
aの安定化ジルコニア層6に対する接触面積S1を他方
の電極7bの安定化ジルコニア層6に対する接触面積S
2に比し狭く(S1<S2)設定される。なお、両電極
7a、7bはポーラス性を有する。また両電極7a、7
bは図2に示すように、電源8間に接続される。これら
の電極7a、7bと安定化ジルコニア層6上面には第3
の絶縁層9が形成され、この第3の絶縁層9によって安
定化ジルコニア層6、両電極7a、7bが汚れや湿度あ
るいは多の腐食性ガス等から保護される。これによって
気体成分検出素子10が構成される。
Example 1. Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a vertical sectional view of a gas component detecting element according to the present invention, and FIG. 2 is a plan view thereof. FIG. 8 is a plan view of a gas component detecting element in which an oxygen sensor and a humidity detecting sensor are formed on one substrate. In the figure, 1 is a substrate,
This substrate is formed of a semiconductor such as silicon. A thin portion 2 is provided on a part of the substrate 1. This thin portion 2 is for reducing the heat capacity, shortening the operation stabilization time from power-on, and increasing the speed. When the heat capacity of the substrate 1 is sufficiently small as a whole, the thin portion 2 need not be provided. Reference numeral 4 is a heater layer formed on the first insulating layer 3. The heater layer 4 is formed of a noble metal such as platinum or gold, and a sputtering method, a photolithography method, or the like is used for the manufacturing method. A second insulating layer 5 is formed on the upper surface of the heater layer 4. A stabilized zirconia layer 6 having a porous property is formed on the upper surface of the second insulating layer 5 by a semiconductor thin film forming method such as sputtering, electron beam evaporation method, or photolithography. Noble metal electrodes 7a and 7b are formed on both ends of the upper surface of the stabilized zirconia layer 6 by a method similar to the method of forming the stabilized zirconia layer 6, that is, a method such as sputtering, electron beam vapor deposition or photolithography. In addition, it is electrically connected to the stabilized zirconia layer 6. At this time, the length L1 of one electrode 7a, that is, the electrode on the cathode side is formed shorter (L1 <L2) than the length L2 of the other electrode 7b, that is, the electrode on the anode side. Or one electrode 7
The contact area S1 of the a for the stabilized zirconia layer 6 is the contact area S1 of the other electrode 7b for the stabilized zirconia layer 6.
It is set narrower than 2 (S1 <S2). Both electrodes 7a and 7b have a porous property. Also, both electrodes 7a, 7
b is connected between the power supplies 8 as shown in FIG. The electrodes 7a and 7b and the stabilized zirconia layer 6 have a third surface on the upper surface.
The insulating layer 9 is formed, and the third insulating layer 9 protects the stabilized zirconia layer 6 and the electrodes 7a and 7b from dirt, humidity, or a large amount of corrosive gas. This constitutes the gas component detection element 10.

【0016】上記構成を有する気体成分検出素子10を
数百度℃に加熱された気体中に置くと、電極7a、7b
と安定化ジルコニア層6はそのポーラス性により酸素イ
オンを透過させる。この状態で、気体成分検出素子10
に1.4V以下の電圧を印加すると、図12に示す1番
目の限界電流IL1が流れ、気体中の酸素濃度が測定さ
れる。なお、酸素ガスの透過量は一方の電極7a側のポ
ーラス性によって制限される。
When the gas component detection element 10 having the above structure is placed in a gas heated to several hundred degrees Celsius, the electrodes 7a and 7b are placed.
The stabilized zirconia layer 6 is permeable to oxygen ions due to its porous property. In this state, the gas component detection element 10
When a voltage of 1.4 V or less is applied to the first limit current IL1 shown in FIG. 12, the oxygen concentration in the gas is measured. The amount of oxygen gas permeated is limited by the porosity of the one electrode 7a side.

【0017】さらにこの状態で、気体成分検出素子10
に1.4V以上の電圧を印加すると、図12に示す2番
目の限界電流IL2が流れ、気体中の湿度が測定され
る。これは空気中の水分子が電極上で分解され、酸素イ
オンとなるために、電流が増加することによる。この第
2番目の限界電流値は酸素濃度と水蒸気圧に比例する。
なお、水蒸気の透過量も一方の電極7a側のポーラス性
によって制限される。
Further in this state, the gas component detecting element 10
When a voltage of 1.4 V or more is applied to the second limiting current IL2 shown in FIG. 12, the humidity in the gas is measured. This is because the water molecules in the air are decomposed on the electrodes and become oxygen ions, so that the current increases. This second limiting current value is proportional to oxygen concentration and water vapor pressure.
The amount of water vapor permeation is also limited by the porosity of the one electrode 7a side.

【0018】実施例2.次にこの発明の第2の実施例に
ついて図3によって説明する。図3はこの発明の第2の
実施例を示す縦断面図である。図1および図2の構成に
おいては、基板1を半導体により構成したものについて
説明したがこの基板1を絶縁物例えばセラミックや石英
およびサファイアなどで構成する場合には基板1が図1
に示す第1の絶縁層3を兼ねる。この場合には図3に示
すように基板1上にヒータ層4を直接形成する。その他
の構成は図1および図2に示すものと同一であるのでそ
の説明を省略する。
Example 2. Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a vertical sectional view showing a second embodiment of the present invention. In the configurations of FIGS. 1 and 2, the substrate 1 made of a semiconductor has been described. However, when the substrate 1 is made of an insulating material such as ceramic, quartz, or sapphire, the substrate 1 is not shown in FIG.
Also serves as the first insulating layer 3 shown in FIG. In this case, the heater layer 4 is directly formed on the substrate 1 as shown in FIG. Other configurations are the same as those shown in FIG. 1 and FIG. 2, and therefore description thereof will be omitted.

【0019】実施例3.次にこの発明の第3の実施例に
ついて図4および図5によって説明する。図4はこの発
明における第3の実施例を示す縦断面図、図5は同平面
図である。図において、基板1、第1の絶縁層3、ヒー
タ層4、第2の絶縁層5、安定化ジルコニア層6、貴金
属電極7a、7b、第3の絶縁層9についてはその構成
および製造方法ともに図1および図2に示すものと同一
であるので、その説明を省略する。図4および図5にお
いて図1および図2と異なる点は第2の絶縁層5と第3
の絶縁層9との間に安定化ジルコニア層6を大気と連通
させる気体導入口11が形成されていることである。こ
の気体導入口11は薄膜の微細加工技術を利用して高精
度に形成される。例えばポリシリコン等で薄膜を形成
し、第3の絶縁層9を形成後水酸化ナトリウム(NaO
H)等でエッチングすることにより形成される。またこ
の気体導入口11の面積はアノード側電極7aの面積よ
りも小さく形成され、これによって実施例1および実施
例2の電極のポーラス性と同等の特性を持たせ、気体の
拡散速度を律速させることにより、気体の濃度に比例し
た拡散速度になるように設定される。
Example 3. Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a vertical sectional view showing a third embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a plan view of the same. In the figure, the substrate 1, the first insulating layer 3, the heater layer 4, the second insulating layer 5, the stabilized zirconia layer 6, the noble metal electrodes 7a and 7b, and the third insulating layer 9 are both configured and manufactured. Since it is the same as that shown in FIGS. 1 and 2, its description is omitted. 4 and 5 are different from FIGS. 1 and 2 in that the second insulating layer 5 and the third insulating layer
That is, the gas introducing port 11 for communicating the stabilized zirconia layer 6 with the atmosphere is formed between the insulating layer 9 and the insulating layer 9. The gas inlet 11 is formed with high precision by using a thin film fine processing technique. For example, after forming a thin film of polysilicon or the like and forming the third insulating layer 9, sodium hydroxide (NaO
It is formed by etching with H) or the like. Further, the area of the gas inlet 11 is formed smaller than the area of the anode electrode 7a, thereby giving the same characteristics as the porous characteristics of the electrodes of the first and second embodiments and limiting the rate of gas diffusion. Thus, the diffusion rate is set to be proportional to the gas concentration.

【0020】図4および図5における基本的な動作は図
1および図2に示すものと同一である。ただ図1および
図2に示すものと異なる点は電極7a、7bのポーラス
性を利用していないことである。したがって酸素イオン
および水蒸気の水分解された酸素イオンは直接安定化ジ
ルコニア層6を透過する。
The basic operation in FIGS. 4 and 5 is the same as that shown in FIGS. However, the difference from those shown in FIGS. 1 and 2 is that the porous properties of the electrodes 7a and 7b are not utilized. Therefore, the oxygen ions and the water-decomposed oxygen ions of the water vapor directly pass through the stabilized zirconia layer 6.

【0021】実施例4.次にこの発明の第4の実施例に
ついて図6によって説明する。図6はこの発明における
気体成分検出装置の第4の実施例を示す平面図で、基板
1上の電極構造のみが示されている。図において一方の
電極7aすなわちアノード側の電極を円板上に形成し、
また他方の電極7bすなわちカソード側の電極を一方の
電極を囲むように同心円状の帯により形成したもので、
これによって図2に示すものと同様に、一方の電極7a
の安定化ジルコニア層6と接する面積S1を他方の電極
7bの安定化ジルコニア層6と接する面積S2に比し狭
くしたものである。
Example 4. Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a plan view showing a fourth embodiment of the gas component detecting device according to the present invention, in which only the electrode structure on the substrate 1 is shown. In the figure, one electrode 7a, that is, the electrode on the anode side is formed on a disk,
Further, the other electrode 7b, that is, the electrode on the cathode side is formed by a concentric band so as to surround one electrode,
As a result, one of the electrodes 7a is
The area S1 in contact with the stabilized zirconia layer 6 is narrower than the area S2 in contact with the stabilized zirconia layer 6 of the other electrode 7b.

【0022】実施例5.次にこの発明の第5の実施例に
ついて図7によって説明する。図7はこの発明における
気体成分検出装置の第5の実施例を示す平面図である。
図において一方の電極7aすなわちカソード側の電極お
よび他方の電極7bすなわちアノード側の電極はともに
櫛形に形成され、刃の部分がたがいに食い込むように配
設されている。この図においては一方の電極7aが2個
の刃により構成され、また他方の電極7bが2個の刃の
周囲を囲むように構成され、これによって図2および図
6に示すものと同様に、一方の電極7aの安定化ジルコ
ニア層6と接する面積S1を他方の電極7bの安定化ジ
ルコニア層6と接する面積S2に比し狭くしたものであ
る。
Embodiment 5. Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a plan view showing a fifth embodiment of the gas component detecting device according to the present invention.
In the figure, one electrode 7a, that is, the cathode side electrode, and the other electrode 7b, that is, the anode side electrode, are both formed in a comb shape, and are arranged so that the blade portions bite into each other. In this figure, one electrode 7a is constituted by two blades, and the other electrode 7b is constituted so as to surround the periphery of the two blades, whereby, as shown in FIGS. 2 and 6, The area S1 of one electrode 7a in contact with the stabilized zirconia layer 6 is made narrower than the area S2 of the other electrode 7b in contact with the stabilized zirconia layer 6.

【0023】実施例6.次にこの発明の第6の実施例に
ついて図8によって説明する。図8はこの発明における
気体成分検出装置の第6の実施例を示す平面図である。
図において気体成分検出素子10は1つの基板1上に2
個配設される。一方の気体成分検出素子10aは1.4
V以下に設定された一方の電源8aに接続されて、酸素
センサとして用いられる。また他方の気体成分検出素子
10bは1.4V以上の電圧に設定された他方の電源8
bに接続されて、湿度センサとして用いられる。
Example 6. Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a plan view showing a sixth embodiment of the gas component detecting device according to the present invention.
In the figure, the gas component detection element 10 is mounted on one substrate 1
Individually arranged. One gas component detection element 10a has 1.4
It is used as an oxygen sensor by being connected to one power source 8a set to V or less. The other gas component detection element 10b is the other power source 8 set to a voltage of 1.4 V or higher.
It is connected to b and used as a humidity sensor.

【0024】図8において、一方の気体成分検出素子1
0aによって気体中の酸素濃度が検出される。また他方
の気体成分検出素子10bによって気体中の水蒸気量が
検出される。すなわちこれらの気体成分検出素子10
a、10bは同一気体中で、かつ実質的に同一地点にお
いて、その気体の酸素濃度と水蒸気量を検出する。
In FIG. 8, one gas component detecting element 1
The oxygen concentration in the gas is detected by 0a. The amount of water vapor in the gas is detected by the other gas component detection element 10b. That is, these gas component detection elements 10
a and 10b detect the oxygen concentration and the amount of water vapor of the gas in the same gas and at substantially the same point.

【0025】なお、この発明は次の実施態様により適宜
実施される。 (1)上記第2の絶縁層5と第3の絶縁層9との間に気
体導入口11を設けた請求項1または請求項2の気体成
分検出素子。 (2)上記安定化ジルコニア層6のカソード側に接続さ
れる一方の電極7aの長さL1を、他方の電極7bの長
さL2に比し、短くするか、または上記安定化ジルコニ
ア層6のカソード側に接続される一方の電極7aと安定
化ジルコニア層6と接する面積S1を、他方の電極7b
と上記安定化ジルコニア層6と接する面積S2に比し、
狭くした請求項1の気体成分検出素子。 (3)上記安定化ジルコニア層6のカソード側に接続さ
れる一方の電極7aと上記安定化ジルコニア層6のアノ
ード側に接続される他方の電極7bをたがいに同心円上
に形成し、上記一方の電極7aの上記安定化ジルコニア
層6と接する面積を他方の電極7bと上記安定化ジルコ
ニア層6と接する面積S2に比し、狭くした請求項1の
気体成分検出素子。 (4)上記安定化ジルコニア層6のカソード側に接続さ
れる一方の電極7aと上記安定化ジルコニア層6のアノ
ード側に接続される他方の電極7bをたがいに櫛形に形
成し、それぞれの歯がたがいに組み合うように配設し、
上記一方の電極7aの上記安定化ジルコニア層6と接す
る面積を他方の電極7bと上記安定化ジルコニア層6と
接する面積S2に比し、狭くした請求項1の気体成分検
出素子。
The present invention is appropriately implemented by the following embodiments. (1) The gas component detecting element according to claim 1 or 2, wherein a gas inlet 11 is provided between the second insulating layer 5 and the third insulating layer 9. (2) The length L1 of the one electrode 7a connected to the cathode side of the stabilized zirconia layer 6 is made shorter than the length L2 of the other electrode 7b, or the length of the stabilized zirconia layer 6 is increased. The area S1 in contact with one electrode 7a connected to the cathode side and the stabilized zirconia layer 6 is set to the other electrode 7b.
And the area S2 in contact with the stabilized zirconia layer 6,
The gas component detection element according to claim 1, which is narrowed. (3) One electrode 7a connected to the cathode side of the stabilized zirconia layer 6 and the other electrode 7b connected to the anode side of the stabilized zirconia layer 6 are formed concentrically with each other, and The gas component detecting element according to claim 1, wherein an area of the electrode 7a in contact with the stabilized zirconia layer 6 is narrower than an area S2 of contact with the other electrode 7b and the stabilized zirconia layer 6. (4) One electrode 7a connected to the cathode side of the stabilized zirconia layer 6 and the other electrode 7b connected to the anode side of the stabilized zirconia layer 6 are formed in a comb shape, and each tooth is Arranged to fit each other,
The gas component detecting element according to claim 1, wherein the area of the one electrode 7a in contact with the stabilized zirconia layer 6 is narrower than the area S2 of the other electrode 7b in contact with the stabilized zirconia layer 6.

【0026】[0026]

【発明の効果】以上のように、請求項1の発明における
気体成分検出素子によれば、半導体からなる基板と、こ
の基板上に形成された第1の絶縁層と、この絶縁層の上
に形成されたヒータ層と、このヒータ層の上に形成され
た第2の絶縁層と、この第2の絶縁層の上に形成された
安定化ジルコニア層と、この安定化ジルコニア層の両端
に電気的に接続した貴金属の電極と、この電極と安定化
ジルコニア層上に形成された第3の絶縁層とを備えてい
るので、半導体の薄膜技術により構成することができ、
したがって製造工程が簡単となり、さらに小形にするこ
とができる。その上、特性の均一な、かつ信頼性の高
い、しかも歩留まりの高い素子を得ることができ、また
量産化を図ることができるなどの効果がある。
As described above, according to the gas component detecting element of the invention of claim 1, the semiconductor substrate, the first insulating layer formed on the substrate, and the insulating layer on the first insulating layer are formed on the substrate. The formed heater layer, the second insulating layer formed on the heater layer, the stabilized zirconia layer formed on the second insulating layer, and the electric charges formed on both ends of the stabilized zirconia layer. Since it is provided with a noble metal electrode that is electrically connected and a third insulating layer formed on this electrode and the stabilized zirconia layer, it can be configured by a semiconductor thin film technique.
Therefore, the manufacturing process is simplified and the size can be further reduced. In addition, it is possible to obtain an element with uniform characteristics, high reliability, and high yield, and to achieve mass production.

【0027】また請求項2の発明における気体成分検出
素子によれば、絶縁物からなる基板と、この基板上に形
成されたヒータ層と、このヒータ層の上に形成された第
1の絶縁層と、この第1の絶縁層の上に形成された安定
化ジルコニア層と、この安定化ジルコニア層の両端に電
気的に接続した貴金属の電極と、この電極と安定化ジル
コニア層上に形成された第2の絶縁層とを備えているの
で、請求項1の発明と同様に製造工程が簡単で、特性の
均一な、かつ信頼性の高い、しかも歩留まりの高い素子
を得ることができるのみでなく、さらに絶縁層の少ない
検出素子を得ることができる。
According to the gas component detecting element of the invention of claim 2, a substrate made of an insulating material, a heater layer formed on the substrate, and a first insulating layer formed on the heater layer. A stabilized zirconia layer formed on the first insulating layer, noble metal electrodes electrically connected to both ends of the stabilized zirconia layer, and a noble metal electrode formed on the electrode and the stabilized zirconia layer. Since the second insulating layer is provided, not only is it possible to obtain a device having a simple manufacturing process, uniform characteristics, high reliability, and high yield as in the first aspect of the invention, Further, it is possible to obtain a detection element having a smaller number of insulating layers.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明における気体成分検出素子の第1の実
施例を示す縦断面図である。
FIG. 1 is a vertical sectional view showing a first embodiment of a gas component detecting element according to the present invention.

【図2】図1の気体成分検出素子の平面図である。FIG. 2 is a plan view of the gas component detection element of FIG.

【図3】この発明における気体成分検出素子の第2の実
施例を示す縦断面図である。
FIG. 3 is a vertical sectional view showing a second embodiment of the gas component detecting element according to the present invention.

【図4】この発明における気体成分検出素子の第3の実
施例を示す縦断面図である。
FIG. 4 is a vertical sectional view showing a third embodiment of the gas component detecting element according to the present invention.

【図5】図4の気体成分検出素子の平面図である。5 is a plan view of the gas component detection element of FIG. 4. FIG.

【図6】この発明における気体成分検出素子の第5の実
施例を示す平面図である。
FIG. 6 is a plan view showing a fifth embodiment of the gas component detecting element according to the present invention.

【図7】この発明における気体成分検出素子の第5の実
施例を示す平面図である。
FIG. 7 is a plan view showing a fifth embodiment of the gas component detecting element according to the present invention.

【図8】この発明における気体成分検出素子の第6の実
施例を示す平面図である。
FIG. 8 is a plan view showing a sixth embodiment of the gas component detecting element according to the present invention.

【図9】限界電流式ジルコニア酸素検出素子の原理を示
す構成図である。
FIG. 9 is a configuration diagram showing the principle of a limiting current type zirconia oxygen detection element.

【図10】図9の限界電流式ジルコニア酸素検出素子の
原理において、カバーを設けた状態の構成図である。
10 is a configuration diagram of a state in which a cover is provided in the principle of the limiting current type zirconia oxygen detection element of FIG. 9.

【図11】図9および図10の構成における電圧と電流
との関係を示す特性図である。
FIG. 11 is a characteristic diagram showing a relationship between voltage and current in the configurations of FIGS. 9 and 10.

【図12】印加電圧と限界電流との関係を示す特性図で
ある。
FIG. 12 is a characteristic diagram showing a relationship between an applied voltage and a limiting current.

【図13】湿った空気と乾燥した空気における印加電圧
と限界電流との関係を示す特性図である。
FIG. 13 is a characteristic diagram showing a relationship between an applied voltage and a limiting current in wet air and dry air.

【図14】水蒸気圧と限界電流との関係を示す特性図で
ある。
FIG. 14 is a characteristic diagram showing the relationship between water vapor pressure and limiting current.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 薄肉部 3 第1の絶縁層 4 ヒータ層 5 第2の絶縁層 6 安定化ジルコニア層 7a、7b 電極 8 電源 9 第3の絶縁層9 10 気体成分検出素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Thin portion 3 First insulating layer 4 Heater layer 5 Second insulating layer 6 Stabilized zirconia layer 7a, 7b Electrode 8 Power supply 9 Third insulating layer 9 10 Gas component detection element

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体からなる基板1と、この基板上1
に形成された第1の絶縁層3と、この絶縁層3の上に形
成されたヒータ層4と、このヒータ層4の上に形成され
た第2の絶縁層5と、この第2の絶縁層5の上に形成さ
れた安定化ジルコニア層6と、この安定化ジルコニア層
6の両端に電気的に接続した貴金属の電極7a、7b
と、この電極7a、7bと上記安定化ジルコニア層6上
に形成された第3の絶縁層9とを備えた気体成分検出素
子。
1. A substrate 1 made of a semiconductor, and a substrate 1 on the substrate 1.
A first insulating layer 3 formed on the insulating layer 3, a heater layer 4 formed on the insulating layer 3, a second insulating layer 5 formed on the heater layer 4, and a second insulating layer Stabilized zirconia layer 6 formed on layer 5 and noble metal electrodes 7a and 7b electrically connected to both ends of this stabilized zirconia layer 6.
And a gas component detection element including the electrodes 7a and 7b and the third insulating layer 9 formed on the stabilized zirconia layer 6.
【請求項2】 絶縁物からなり、実質的に第1の絶縁層
3を形成する基板1と、この基板1上に形成されたヒー
タ層4と、このヒータ層4の上に形成された第2の絶縁
層5と、この第2の絶縁層5の上に形成された安定化ジ
ルコニア層6と、この安定化ジルコニア層6の両端に電
気的に接続した貴金属の電極7a、7bと、この電極7
a、7bと上記安定化ジルコニア層6上に形成された第
3の絶縁層9とを備えた気体成分検出素子。
2. A substrate 1 made of an insulating material, which substantially forms a first insulating layer 3, a heater layer 4 formed on the substrate 1, and a heater layer 4 formed on the heater layer 4. Second insulating layer 5, a stabilized zirconia layer 6 formed on the second insulating layer 5, precious metal electrodes 7a and 7b electrically connected to both ends of the stabilized zirconia layer 6, and Electrode 7
A gas component detection element comprising a and 7b and a third insulating layer 9 formed on the stabilized zirconia layer 6.
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