JPH0816666B2 - 酸素センサ - Google Patents

酸素センサ

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JPH0816666B2
JPH0816666B2 JP3194745A JP19474591A JPH0816666B2 JP H0816666 B2 JPH0816666 B2 JP H0816666B2 JP 3194745 A JP3194745 A JP 3194745A JP 19474591 A JP19474591 A JP 19474591A JP H0816666 B2 JPH0816666 B2 JP H0816666B2
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JP
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porous
porous ceramic
oxygen sensor
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孝文 鹿嶋
克明 中村
功成 石橋
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Fujikura Ltd
Research Institute of Innovative Technology for Earth
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Fujikura Ltd
Research Institute of Innovative Technology for Earth
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Description

【発明の詳細な説明】
【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。
【0002】
【従来の技術】この種の酸素センサとして図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%Y23)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
しない一定となる状態(フラットな状態)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】ところで、上記のような酸素センサでは、
センサ素子5を、ポーラスセラミック基板1上にスパッ
タリング(気相蒸着)することにより形成するようにし
ている、具体的にはポーラスセラミック基板1上に、ま
ず、電極材料である白金をスパッタリングして第1電極
層3を形成し、この後、該第1電極層3上にイオン導電
体をスパッタリングして固体電解質層2を形成し、最後
に電極材料である白金をスパッタリングして第1電極層
3と対をなす第2電極層4を形成するようにしており、
これによって以下のような不具合が発生していた。すな
わち、第1電極層3を形成する電極材料をポーラスセラ
ミック基板1上にスパッタリングした場合に、該第1電
極層3が、ポーラスセラミック基板1のポーラスな形状
をそのまま反映して、該ポーラスセラミック基板1上に
積層されることになり、これによって該第1電極層3の
上面が、ポーラスセラミック基板1のポーラスな部分を
反映した形状(凸凹な形状)となる。その結果として、
第1電極層3と、該第1電極層3上に積層された固体電
解質層2との間の凹凸(ポーラスセラミック基板1のポ
ーラスな部分を反映した形状)が抵抗となって、イオン
電流値が全体的に低下して正確な限界電流を測定できな
いという問題が生じていた。
【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、第1電極層3と、該第1電極層3上に積
層された固体電解質層2との界面に生じる抵抗を少なく
することができ、これによって正確な限界電流を測定す
ることが可能な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】上記目的を達成するため
に本発明では、全体がポーラス状に形成されたポーラス
セラミック基板上に、気相蒸着法により第1電極層、固
体電解質層、第2電極層を順次設けるようにした酸素セ
ンサであって、前記ポーラスセラミック基板の上面であ
り、前記ポーラスセラミック基板と前記第1電極層との
間には、該ポーラスセラミック基板と同質の材料により
形成され、該ポーラスセラミック基板の上面のポーラス
な部分の形状を平滑にして、イオン電流値の低下を防止
するセラミック薄膜がバッファ層として設けられている
ことを特徴とする。
【0006】
【作用】本発明によれば、ポーラスセラミック基板と第
1電極層との間に介在させたバッファ層により、該ポー
ラスセラミック基板のポーラスな部分の形状が緩和さ
れ、第1電極層の上面を平面に近づけることができる。
これによって該第1電極層と、該第1電極層上に積層さ
れた固体電解質層との界面に抵抗が生じることが防止で
きて、イオン電流値の低下を防止できる。
【0007】
【実施例】以下、本発明に係わる酸素センサを図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
を複数選択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】前記ポーラスセラミック基板10の上面に
は酸素分子が通過できる程度にポーラスなセラミック薄
膜11(バッファ層)がスパッタリング(気相蒸着)に
より設けられている。このセラミック薄膜11は、ポー
ラスセラミック基板10のポーラスな部分の形状を緩和
させるものである、すなわち、ポーラスセラミック基板
10のポーラスな部分に入り込むことにより、ポーラス
セラミック基板のポーラスな形状を緩和させて、更にこ
のセラミック薄膜11上に積層される第1電極層12
(後述する)の上面を平面に近づけるものである。な
お、前記セラミック薄膜11は、前記ポーラスセラミッ
ク基板10と同様に、フォルステライト、アルミナ、ジ
ルコニア、ステアタイト、あるいはこれら材料の混合物
により形成されている。
【0009】また、前記セラミック薄膜11の上面に
は、白金からなる第1電極層12と、イオン導電体であ
るZr−8Y(ZrO2ー8mol%Y23)等からなる固
体電解質層13と、第1電極層12と同様に、白金から
なる第2電極層14とから構成されるセンサ素子15が
設けられている。このセンサ素子15は、セラミック薄
膜11の上面に、第1電極層12、固体電解質層13、
第2電極層14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12・14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13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13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。
【0010】以上のように構成された本発明に係る酸素
センサA(図1参照)と、従来の酸素センサB(図3参
照)との限界電流特性をそれぞれ試験した結果を図2を
参照して説明する。なお、試験に用いた酸素センサA
は、ポーラスセラミック基板10が1mm、セラミック
薄膜11が0.1μm、電極層12・14が1μm、固
体電解質層13が2μmにそれぞれ形成されたものであ
り、また、酸素センサBは、ポーラスセラミック基板1
が1mm、電極層3・4が1μm、固体電解質層2が2
μmにそれぞれ形成されたものである。そして、このよ
うな寸法に形成された酸素センサA及びBのイオン電流
(I)を、印加電圧(V)をそれぞれ変化させて測定し
たところ、セラミック薄膜11を有する本発明に係わる
酸素センサAの方が、セラミック薄膜を有さない従来の
酸素センサBと比較して、イオン電流値が全体的に高
く、かつ限界電流を示すフラットな領域も明確に現れて
いることが確認された。
【0011】これは、本発明の酸素センサAは、第1電
極層12がポーラスセラミック基板10上に直接設けら
れるものではなく、バッファ層であるセラミック薄膜1
1を介在させて設けられるものであるので、従来の酸素
センサBのように、該第1電極層3の上面がポーラスセ
ラミック基板1のポーラスな形状をそのまま反映するこ
とはなく、これによって第1電極層12(3)と固体電
解質層13(2)との界面部分に余計な抵抗を生じさせ
ることがないからである。すなわち、前記バッファ層で
あるセラミック薄膜11により、ポーラスセラミック基
板10のポーラスな形状を緩和させて、第1電極層12
の上面を平面に近づけることができ、これによって該第
1電極層12と、該第1電極層12上に積層された固体
電解質層13との間においてイオン電流に余計な抵抗が
生じず、これによって本発明に示す酸素センサAでは、
従来の酸素センサBのようにイオン電流値(I)が全体
的に低下することはなく、正確な限界電流を測定するこ
とが可能となるものである。
【0012】なお、本実施例では、セラミック薄膜1
1、電極層12、固体電解質層13、電極層14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、真空蒸着法といった他の物理的気相蒸着法、あるい
はプラズマ溶射法、爆発溶射法といった化学的気相蒸着
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
す酸素センサによれば、ポーラスセラミック基板と第1
電極層との間に介在させたバッファ層により、ポーラス
セラミック基板のポーラスな形状を緩和させて、第1電
極層の上面を平面に近づけることができる。これによ
り、第1電極層と、該第1電極層上に積層された固体電
解質層との間に余計な抵抗が生じることを防止でき、イ
オン電流値の低下を防止して正確な限界電流を測定する
ことができる効果が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の酸素センサを示す正断面図。
【図2】 本発明の酸素センサと従来の酸素センサとの
レスポンスをそれぞれ示すグラフ。
【図3】 従来の酸素センサを示す正断面図。
【符号の説明】
10……ポーラスセラミック基板、11……セラミック
薄膜(バッファ層)、12……第1電極層、13…固体
電解質層、14…第2電極層、15……センサ素子。
フロントページの続き (72)発明者 石橋 功成 東京都江東区木場一丁目5番1号 藤倉電 線株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−196953(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 全体がポーラス状に形成されたポーラス
    セラミック基板上に、気相蒸着法により第1電極層、固
    体電解質層、第2電極層を順次設けるようにした酸素セ
    ンサであって、 前記ポーラスセラミック基板の上面であり、前記ポーラ
    スセラミック基板と前記第1電極層との間には、該ポー
    ラスセラミック基板と同質の材料により形成され、該ポ
    ーラスセラミック基板の上面のポーラスな部分の形状を
    平滑にして、イオン電流値の低下を防止するセラミック
    薄膜がバッファ層として設けられていることを特徴とす
    る酸素センサ。
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JPH02167461A (ja) * 1988-12-21 1990-06-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃焼制御用センサ
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