JPH0827254B2 - 薄膜型ガスセンサ - Google Patents
薄膜型ガスセンサInfo
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- JPH0827254B2 JPH0827254B2 JP3284041A JP28404191A JPH0827254B2 JP H0827254 B2 JPH0827254 B2 JP H0827254B2 JP 3284041 A JP3284041 A JP 3284041A JP 28404191 A JP28404191 A JP 28404191A JP H0827254 B2 JPH0827254 B2 JP H0827254B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、固体電解質と電極と
の接合強度を向上させた薄膜型ガスセンサに関するもの
である。
の接合強度を向上させた薄膜型ガスセンサに関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】薄膜型ガスセンサの一例として、安定化
ジルコニアを固体電解質として用いた酸素センサが知ら
れている。この酸素センサは、ジルコニア（ＺｒＯ2）
にイットリア（Ｙ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）、カル
シア（ＣａＯ）等の酸化物を数ｍｏｌ％程度添加した安
定化ジルコニアを固体電解質として用いたもので、通
常、マグネトロンスパッタ装置等を用いて多孔質のアル
ミナ（Ａｌ2Ｏ3）基板上に、多孔質の白金(Ｐｔ）電極
層、ＺｒＯ2ー８ｍｏｌ％Ｙ2Ｏ3等の固体電解質層、多
孔質のＰｔ電極層を順次積層して作成される。
ジルコニアを固体電解質として用いた酸素センサが知ら
れている。この酸素センサは、ジルコニア（ＺｒＯ2）
にイットリア（Ｙ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）、カル
シア（ＣａＯ）等の酸化物を数ｍｏｌ％程度添加した安
定化ジルコニアを固体電解質として用いたもので、通
常、マグネトロンスパッタ装置等を用いて多孔質のアル
ミナ（Ａｌ2Ｏ3）基板上に、多孔質の白金(Ｐｔ）電極
層、ＺｒＯ2ー８ｍｏｌ％Ｙ2Ｏ3等の固体電解質層、多
孔質のＰｔ電極層を順次積層して作成される。
【０００３】そして、この酸素センサでは、固体電解質
層を一定の温度に保持し、両Ｐｔ電極層間に所定の電圧
を印加した状態にしておくと、多孔質のアルミナ基板を
通して固体電解質層に取り込まれた試料ガス中の酸素が
酸素ポンピング作用により該固体電解質層をイオンとな
って流れ、この酸素イオンをキャリアとする電流値か
ら、前記試料ガス中の酸素濃度が測定される様になって
いる。
層を一定の温度に保持し、両Ｐｔ電極層間に所定の電圧
を印加した状態にしておくと、多孔質のアルミナ基板を
通して固体電解質層に取り込まれた試料ガス中の酸素が
酸素ポンピング作用により該固体電解質層をイオンとな
って流れ、この酸素イオンをキャリアとする電流値か
ら、前記試料ガス中の酸素濃度が測定される様になって
いる。
【０００４】この酸素センサは、従来のバルク型酸素セ
ンサと比較して応答速度が速い、低消費電力、小型化が
可能等の様々な特徴があるために、地下室等の密室にお
ける酸欠事故防止、溶鋼中の酸素濃度測定、エンジンや
ボイラー等の燃焼管理、公害計測用等様々な目的に適合
したセンサである。
ンサと比較して応答速度が速い、低消費電力、小型化が
可能等の様々な特徴があるために、地下室等の密室にお
ける酸欠事故防止、溶鋼中の酸素濃度測定、エンジンや
ボイラー等の燃焼管理、公害計測用等様々な目的に適合
したセンサである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の酸素
センサにおいては、単に、Ｐｔ電極層、固体電解質層、
Ｐｔ電極層を順次積層しているのみであるから、Ｐｔ電
極層と固体電解質層との接合強度が非常に弱いという欠
点があった。接合強度が弱いと、Ｐｔ電極層と固体電解
質層との界面の電気抵抗が非常に大きなものとなり前記
固体電解質層に掛かる電圧が所定の電圧より低下してし
まうこととなる。したがって、固体電解質層において酸
素ポンピング作用が良好に行われなくなり、酸素センサ
としての感度や応答性が大きく低下することとなる。こ
れらの現象は特に熱サイクルが存在する場合に顕著であ
る。
センサにおいては、単に、Ｐｔ電極層、固体電解質層、
Ｐｔ電極層を順次積層しているのみであるから、Ｐｔ電
極層と固体電解質層との接合強度が非常に弱いという欠
点があった。接合強度が弱いと、Ｐｔ電極層と固体電解
質層との界面の電気抵抗が非常に大きなものとなり前記
固体電解質層に掛かる電圧が所定の電圧より低下してし
まうこととなる。したがって、固体電解質層において酸
素ポンピング作用が良好に行われなくなり、酸素センサ
としての感度や応答性が大きく低下することとなる。こ
れらの現象は特に熱サイクルが存在する場合に顕著であ
る。
【０００６】そこで、接合強度を向上させる方法とし
て、スパッタされる面に凹凸を形成し接触面積を増加さ
せる方法が検討されているが、Ｐｔ電極層と固体電解質
層との接合強度を大幅に高めることはできず、根本的な
解決方法にはなっていない。
て、スパッタされる面に凹凸を形成し接触面積を増加さ
せる方法が検討されているが、Ｐｔ電極層と固体電解質
層との接合強度を大幅に高めることはできず、根本的な
解決方法にはなっていない。
【０００７】また、例えば１４００℃以上の高温におい
てＰｔ電極層と固体電解質層とを反応させ、Ｐｔ電極層
と固体電解質層との界面に接合層を形成する方法も考え
られているが、この方法ではＰｔ電極層や固体電解質層
が変質する危険性があり、また、耐熱性の点から用いら
れる材料が限られてしまうために最適な材料を選択する
ことが極めて困難なものとなり、製造コストも大幅にア
ップするという欠点もある。
てＰｔ電極層と固体電解質層とを反応させ、Ｐｔ電極層
と固体電解質層との界面に接合層を形成する方法も考え
られているが、この方法ではＰｔ電極層や固体電解質層
が変質する危険性があり、また、耐熱性の点から用いら
れる材料が限られてしまうために最適な材料を選択する
ことが極めて困難なものとなり、製造コストも大幅にア
ップするという欠点もある。
【０００８】この発明は、上記の事情に鑑みてなされた
ものであって、電極と固体電解質との接合強度を向上さ
せることができ、かつ、高信頼性、小型化、低消費電
力、応答性の向上、低コスト等の優れた特徴を有する薄
膜型ガスセンサを提供することにある。
ものであって、電極と固体電解質との接合強度を向上さ
せることができ、かつ、高信頼性、小型化、低消費電
力、応答性の向上、低コスト等の優れた特徴を有する薄
膜型ガスセンサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は次の様な薄膜型ガスセンサを採用した。
すなわち、多孔質基板によって形成された支持部材上
に、各面に電極を積層した固体電解質を更に積層してな
る薄膜型ガスセンサにおいて、金属酸化物を主成分とす
る層を介して前記固体電解質と前記各電極とをそれぞれ
接合し、前記金属酸化物は、酸化銅（ＣｕＯ）、亜酸化
銅（Ｃｕ2Ｏ ）、酸化ビスマス（Ｂｉ2Ｏ3）、酸化亜鉛
（ＺｎＯ）、酸化カドミウム（ＣｄＯ）、不定比酸化カ
ドミウム（ＣｄＯx（但しｘ＜１．０）） から選択され
た少なくとも１種を含むことを特徴とする。
に、この発明は次の様な薄膜型ガスセンサを採用した。
すなわち、多孔質基板によって形成された支持部材上
に、各面に電極を積層した固体電解質を更に積層してな
る薄膜型ガスセンサにおいて、金属酸化物を主成分とす
る層を介して前記固体電解質と前記各電極とをそれぞれ
接合し、前記金属酸化物は、酸化銅（ＣｕＯ）、亜酸化
銅（Ｃｕ2Ｏ ）、酸化ビスマス（Ｂｉ2Ｏ3）、酸化亜鉛
（ＺｎＯ）、酸化カドミウム（ＣｄＯ）、不定比酸化カ
ドミウム（ＣｄＯx（但しｘ＜１．０）） から選択され
た少なくとも１種を含むことを特徴とする。
【００１０】
【００１１】
【作用】本発明の薄膜型ガスセンサでは、金属酸化物を
主成分とする層を介して前記固体電解質と、該固体電解
質の各面の電極とをそれぞれ接合することにより、前記
金属酸化物が前記固体電解質及び前記電極の表面の濡れ
性を向上させ、前記固体電解質と前記電極との間の接合
強度を大幅に向上させる。また、本発明の薄膜型ガスセ
ンサでは前記金属酸化物が、ＣｕＯ，Ｃｕ2Ｏ，Ｂｉ2Ｏ
3，ＺｎＯ，ＣｄＯ，ＣｄＯx（但しｘ＜１．０）から選
択された少なくとも１種を含むことにより、これらの金
属酸化物が前記固体電解質及び前記電極の表面の濡れ性
を向上させ、前記固体電解質と前記電極との間の接合強
度を大幅に向上させる。
主成分とする層を介して前記固体電解質と、該固体電解
質の各面の電極とをそれぞれ接合することにより、前記
金属酸化物が前記固体電解質及び前記電極の表面の濡れ
性を向上させ、前記固体電解質と前記電極との間の接合
強度を大幅に向上させる。また、本発明の薄膜型ガスセ
ンサでは前記金属酸化物が、ＣｕＯ，Ｃｕ2Ｏ，Ｂｉ2Ｏ
3，ＺｎＯ，ＣｄＯ，ＣｄＯx（但しｘ＜１．０）から選
択された少なくとも１種を含むことにより、これらの金
属酸化物が前記固体電解質及び前記電極の表面の濡れ性
を向上させ、前記固体電解質と前記電極との間の接合強
度を大幅に向上させる。
【００１２】
【００１３】
【実施例】図１は、この発明の薄膜型ガスセンサの一実
施例である酸素センサ１を示す正断面図である。この酸
素センサ１は、多孔質アルミナからなる基板２の上に、
多孔質のＰｔ電極層３、金属酸化物層４、ＺｒＯ2ー８
ｍｏｌ％Ｙ2Ｏ3からなる固体電解質層５、金属酸化物層
６、多孔質のＰｔ電極層７を順次積層したものである。
施例である酸素センサ１を示す正断面図である。この酸
素センサ１は、多孔質アルミナからなる基板２の上に、
多孔質のＰｔ電極層３、金属酸化物層４、ＺｒＯ2ー８
ｍｏｌ％Ｙ2Ｏ3からなる固体電解質層５、金属酸化物層
６、多孔質のＰｔ電極層７を順次積層したものである。
【００１４】金属酸化物層４，６の組成は、ＣｕＯ５０
％とＢｉ2Ｏ3５０％の共晶であるが、前記共晶以外に、
ＣｕＯ，Ｃｕ2Ｏ，Ｂｉ2Ｏ3，ＺｎＯ，ＣｄＯ，ＣｄＯx
（但しｘ＜１．０）の各薄膜、あるいはＣｕＯとＣｕ2
Ｏの共晶等も好適に用いられる。
％とＢｉ2Ｏ3５０％の共晶であるが、前記共晶以外に、
ＣｕＯ，Ｃｕ2Ｏ，Ｂｉ2Ｏ3，ＺｎＯ，ＣｄＯ，ＣｄＯx
（但しｘ＜１．０）の各薄膜、あるいはＣｕＯとＣｕ2
Ｏの共晶等も好適に用いられる。
【００１５】この酸素センサ１は、通常、マグネトロン
スパッタ装置もしくは蒸着装置等を用いて基板２の上に
前記各層（Ｐｔ電極層３〜Ｐｔ電極層７）を順次積層し
て作成される。
スパッタ装置もしくは蒸着装置等を用いて基板２の上に
前記各層（Ｐｔ電極層３〜Ｐｔ電極層７）を順次積層し
て作成される。
【００１６】図２は酸素センサ１の限界電流特性を示す
図である。この図においては、該酸素センサ１を３００
℃に加熱し、Ｐｔ電極層３，７間に印加される電圧の大
きさを変化させた場合に得られる電流の大きさをグラフ
化した。この図２から、この実施例の酸素センサ１は、
良好な限界電流特性を示すことが明白である。
図である。この図においては、該酸素センサ１を３００
℃に加熱し、Ｐｔ電極層３，７間に印加される電圧の大
きさを変化させた場合に得られる電流の大きさをグラフ
化した。この図２から、この実施例の酸素センサ１は、
良好な限界電流特性を示すことが明白である。
【００１７】表１は、この実施例の酸素センサと従来例
の酸素センサのそれぞれの接合強度を比較したものであ
る。金属酸化物層は、ＣｕＯ５０％とＢｉ2Ｏ3５０％の
共晶、ＣｕＯ６０％とＣｕ2Ｏ４０％の共晶、ＣｕＯ，
Ｂｉ2Ｏ3の４種類を用いた。また、接合強度の評価は、
基板上の積層を格子状に切断して２×２ｍｍの大きさの
試験片を１０個作成し、これらの試験片のＰｔ電極層に
テープを貼り付けた後に再びこのテープを剥離し、Ｐｔ
電極層が９０％以上残っている試験片の数を求めること
により行った。
の酸素センサのそれぞれの接合強度を比較したものであ
る。金属酸化物層は、ＣｕＯ５０％とＢｉ2Ｏ3５０％の
共晶、ＣｕＯ６０％とＣｕ2Ｏ４０％の共晶、ＣｕＯ，
Ｂｉ2Ｏ3の４種類を用いた。また、接合強度の評価は、
基板上の積層を格子状に切断して２×２ｍｍの大きさの
試験片を１０個作成し、これらの試験片のＰｔ電極層に
テープを貼り付けた後に再びこのテープを剥離し、Ｐｔ
電極層が９０％以上残っている試験片の数を求めること
により行った。
【００１８】
【表１】
【００１９】表１から明らかな様に、この実施例の酸素
センサは従来例の酸素センサと比べてＰｔ電極層と固体
電解質層との接合強度が大幅に向上していることがわか
る。
センサは従来例の酸素センサと比べてＰｔ電極層と固体
電解質層との接合強度が大幅に向上していることがわか
る。
【００２０】以上説明した様に、上記実施例の酸素セン
サ１によれば、基板２の上に、Ｐｔ電極層３、金属酸化
物層４、固体電解質層５、金属酸化物層６、Ｐｔ電極層
７を順次積層し、前記金属酸化物層４，６はＣｕＯ，Ｃ
ｕ2Ｏ，Ｂｉ2Ｏ3，ＺｎＯ，ＣｄＯ，ＣｄＯx（但しｘ＜
１．０）から選択された少なくとも１種を含むものとし
たので、金属酸化物層４，６が固体電解質層５及びＰｔ
電極層３，７の表面の濡れ性を向上させ、固体電解質層
５とＰｔ電極層３，７との間の接合強度を大幅に向上さ
せることができる。したがって、感度や応答性等の電気
特性を大幅に向上させることができる。
サ１によれば、基板２の上に、Ｐｔ電極層３、金属酸化
物層４、固体電解質層５、金属酸化物層６、Ｐｔ電極層
７を順次積層し、前記金属酸化物層４，６はＣｕＯ，Ｃ
ｕ2Ｏ，Ｂｉ2Ｏ3，ＺｎＯ，ＣｄＯ，ＣｄＯx（但しｘ＜
１．０）から選択された少なくとも１種を含むものとし
たので、金属酸化物層４，６が固体電解質層５及びＰｔ
電極層３，７の表面の濡れ性を向上させ、固体電解質層
５とＰｔ電極層３，７との間の接合強度を大幅に向上さ
せることができる。したがって、感度や応答性等の電気
特性を大幅に向上させることができる。
【００２１】以上により、高信頼性、小型化、低消費電
力、応答性の向上、低コスト等の優れた特徴を有する薄
膜型の酸素センサを提供することが可能になる。
力、応答性の向上、低コスト等の優れた特徴を有する薄
膜型の酸素センサを提供することが可能になる。
【００２２】
【発明の効果】以上詳細に説明した様に本発明の薄膜型
ガスセンサによれば、固体電解質の両面に電極を形成し
てなる薄膜型ガスセンサにおいて、金属酸化物を主成分
とする層を介して固体電解質と、該固体電解質の各面の
電極とをそれぞれ接合してなることとしたので、前記金
属酸化物が前記固体電解質及び前記電極の表面の濡れ性
を向上させ、前記固体電解質と前記電極との間の接合強
度を大幅に向上させることができる。したがって、該薄
膜型ガスセンサの感度や応答性等の電気特性を大幅に向
上させることができる。また、本発明の薄膜型ガスセン
サによれば、前記金属酸化物は、ＣｕＯ，Ｃｕ2Ｏ，Ｂ
ｉ2Ｏ3，ＺｎＯ，Ｃ ｄＯ，ＣｄＯx（但しｘ＜１．０）
から選択された少なくとも１種を含むこととしたの
で、これらの金属酸化物が前記固体電解質及び前記電極
の表面の濡れ性を向上させ、前記固体電解質と前記電極
との間の接合強度を大幅に向上させることができる。し
たがって、該薄膜型ガスセンサの感度や応答性等の電気
特性を大幅に向上させることができる。
ガスセンサによれば、固体電解質の両面に電極を形成し
てなる薄膜型ガスセンサにおいて、金属酸化物を主成分
とする層を介して固体電解質と、該固体電解質の各面の
電極とをそれぞれ接合してなることとしたので、前記金
属酸化物が前記固体電解質及び前記電極の表面の濡れ性
を向上させ、前記固体電解質と前記電極との間の接合強
度を大幅に向上させることができる。したがって、該薄
膜型ガスセンサの感度や応答性等の電気特性を大幅に向
上させることができる。また、本発明の薄膜型ガスセン
サによれば、前記金属酸化物は、ＣｕＯ，Ｃｕ2Ｏ，Ｂ
ｉ2Ｏ3，ＺｎＯ，Ｃ ｄＯ，ＣｄＯx（但しｘ＜１．０）
から選択された少なくとも１種を含むこととしたの
で、これらの金属酸化物が前記固体電解質及び前記電極
の表面の濡れ性を向上させ、前記固体電解質と前記電極
との間の接合強度を大幅に向上させることができる。し
たがって、該薄膜型ガスセンサの感度や応答性等の電気
特性を大幅に向上させることができる。
【００２３】
【００２４】以上により、高信頼性、小型化、低消費電
力、応答性の向上、低コスト等の優れた特徴を有する薄
膜型ガスセンサを提供することが可能になる。
力、応答性の向上、低コスト等の優れた特徴を有する薄
膜型ガスセンサを提供することが可能になる。
【図１】 この発明の薄膜型ガスセンサの一例である酸
素センサを示す正断面図である。
素センサを示す正断面図である。
【図２】 この発明の薄膜型ガスセンサの一例である酸
素センサの限界電流特性を示すグラフである。
素センサの限界電流特性を示すグラフである。
１…酸素センサ、２…基板、３，７…Ｐｔ電極層、４，
６…金属酸化物層、５…固体電解質層
６…金属酸化物層、５…固体電解質層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石橋 功成 東京都江東区木場一丁目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２−167461（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−102355（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−167459（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−261150（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−158451（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】 多孔質基板によって形成された支持部材
上に、各面に電極を積層した固体電解質を更に積層して
なる薄膜型ガスセンサにおいて、 金属酸化物を主成分とする層を介して前記固体電解質と
前記各電極とをそれぞれ接合し、 前記金属酸化物は、酸化銅（ＣｕＯ）、亜酸化銅（Ｃｕ
2Ｏ ）、酸化ビスマス（Ｂｉ2Ｏ3）、酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）、酸化カドミウム（ＣｄＯ）、不定比酸化カドミウ
ム（ＣｄＯx（但しｘ＜１．０）） から選択された少な
くとも１種を含むことを特徴とする薄膜型ガスセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3284041A JPH0827254B2 (ja) | 1991-10-04 | 1991-10-04 | 薄膜型ガスセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3284041A JPH0827254B2 (ja) | 1991-10-04 | 1991-10-04 | 薄膜型ガスセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0599892A JPH0599892A (ja) | 1993-04-23 |
| JPH0827254B2 true JPH0827254B2 (ja) | 1996-03-21 |
Family
ID=17673532
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3284041A Expired - Fee Related JPH0827254B2 (ja) | 1991-10-04 | 1991-10-04 | 薄膜型ガスセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0827254B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20210057759A1 (en) | 2018-01-29 | 2021-02-25 | Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd. | Oxygen permeable element and sputtering target material |
| US10879735B2 (en) * | 2018-03-12 | 2020-12-29 | Omega Energy Systems, Llc | Solid-state energy harvester of transition metal suboxides |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63158451A (ja) * | 1986-12-23 | 1988-07-01 | Tech Res Assoc Conduct Inorg Compo | 燃焼制御用センサ |
| JPS63261150A (ja) * | 1987-04-17 | 1988-10-27 | Tech Res Assoc Conduct Inorg Compo | 燃焼制御用センサ |
| JPH01102355A (ja) * | 1987-10-16 | 1989-04-20 | Tech Res Assoc Conduct Inorg Compo | 燃焼制御用センサ |
| JPH02167461A (ja) * | 1988-12-21 | 1990-06-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃焼制御用センサ |
-
1991
- 1991-10-04 JP JP3284041A patent/JPH0827254B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0599892A (ja) | 1993-04-23 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19960903 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313532 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
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