JPH11304755A - Limiting current-type oxygen sensor and its manufacture - Google Patents

Limiting current-type oxygen sensor and its manufacture

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JPH11304755A
JPH11304755A JP10115634A JP11563498A JPH11304755A JP H11304755 A JPH11304755 A JP H11304755A JP 10115634 A JP10115634 A JP 10115634A JP 11563498 A JP11563498 A JP 11563498A JP H11304755 A JPH11304755 A JP H11304755A
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JP
Japan
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limiting current
substrate
coating film
oxygen sensor
oxygen
Prior art date
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Application number
JP10115634A
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Japanese (ja)
Inventor
Satoru Nakao
知 中尾
Akito Kurosaka
昭人 黒坂
Masahiro Sato
昌啓 佐藤
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Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a limiting current-type oxygen sensor in which an irregularity in the characteristic of a sensor element is reduced and which obtains a stable characteristic. SOLUTION: In a limiting current-type oxygen sensor, the oxygen ion conduction of a solid electrolyte is used, an electrode 23 which is used to ionize oxygen is covered with a coating film 25 so as to limit the passage of oxygen gas, and a limiting current characteristic is obtained. In the limiting current-type oxygen sensor, the coating film 25 is manufactured by using a vapor deposition method in such a way that the angle in the longitudinal direction of particles in its film texture is set within ±5 deg. with reference to a preset angle. Thereby, it is possible to manufacture the limiting current-type oxygen sensor whose air permeability is stable and in which an irregularity in a characteristic is small.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、環境モニタや酸
欠警報器、ボイラやエンジン等の燃焼制御に用いられる
酸素センサに関し、特に酸素ガスを拡散律速させて限界
電流特性を得るようにした限界電流式酸素センサ及びそ
の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxygen sensor used for controlling the combustion of an environmental monitor, an oxygen deficiency alarm, a boiler, an engine, and the like, and more particularly to a limiter for controlling the diffusion of oxygen gas to obtain a limiting current characteristic. The present invention relates to a current-type oxygen sensor and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】限界電流式酸素センサは、酸素イオンを
輸送する固体電解質と酸素の供給を制限してイオンの輸
送を律速するガス拡散律速部から構成される。この種の
限界電流式酸素センサとして、例えば図9に示すよう
に、固体電解質板1の両面にカソード2及びアノード3
がそれぞれ形成され、カソード2の表面が細い孔4を開
けたセラミックのキャップ5や通気性を持った多孔質材
料で覆われた構造のものが知られている。固体電解質板
1の両面に形成されたカソード2及びアノード3間に電
圧を印加すると、カソード2と固体電解質板1の境界面
で雰囲気中に存在する酸素ガスがイオン化され酸素イオ
ンを生じる。生成された酸素イオンは電圧勾配に従って
固体電解質内をアノード3に向かって輸送され、アノー
ド3で再びガス化されて雰囲気中へ放出される。このと
き、電極間には、輸送された酸素の量に従って電流が流
れる。電流は印加電圧が高いほど、また雰囲気の酸素濃
度が高いほど大きくなるが、カソード2を上記のような
キャップ5や多孔質体で覆い、雰囲気ガスの供給量を制
限すると、流れる電流は電圧によらず雰囲気の酸素濃度
にのみ依存するようになる。すなわち、カソード2の近
傍に流入する酸素の量に比べ、固体電解質板1の酸素イ
オンの輸送能力が十分大きいとき、流れる電流はカソー
ド2を被覆している材料の酸素ガス通過速度によって律
速される。
2. Description of the Related Art A limiting current type oxygen sensor comprises a solid electrolyte for transporting oxygen ions and a gas diffusion rate limiting section for limiting the supply of oxygen to limit the transport of ions. For example, as shown in FIG. 9, a cathode 2 and an anode 3 are provided on both surfaces of a solid electrolyte plate 1 as a limiting current type oxygen sensor of this type.
And a structure in which the surface of the cathode 2 is covered with a ceramic cap 5 having a fine hole 4 or a porous material having air permeability. When a voltage is applied between the cathode 2 and the anode 3 formed on both surfaces of the solid electrolyte plate 1, oxygen gas existing in the atmosphere at the interface between the cathode 2 and the solid electrolyte plate 1 is ionized to generate oxygen ions. The generated oxygen ions are transported through the solid electrolyte toward the anode 3 according to the voltage gradient, and are gasified again at the anode 3 and released into the atmosphere. At this time, a current flows between the electrodes according to the amount of oxygen transported. The current increases as the applied voltage increases and the oxygen concentration in the atmosphere increases. However, if the cathode 2 is covered with the cap 5 or a porous body as described above and the supply amount of the atmosphere gas is limited, the flowing current is reduced to a voltage. Instead, it depends only on the oxygen concentration of the atmosphere. That is, when the solid electrolyte plate 1 has a sufficiently high oxygen ion transport capacity compared to the amount of oxygen flowing into the vicinity of the cathode 2, the flowing current is limited by the oxygen gas passage speed of the material covering the cathode 2. .

【0003】このような構造の限界電流式酸素センサ
は、長期間にわたって安定で信頼性が高い特徴を持って
いるため、精密な酸素濃度分析計等に用いられている。
また、酸素ガス流入孔の寸法を変えることによって、広
い酸素濃度領域に対応した高精度の酸素センサを提供す
ることができる。しかしながら、このセンサは、チップ
一個一個について加工、組立を必要とするため大量生産
が難しく、製造コストが高いこともあり、その用途は限
られていた。
The limiting current type oxygen sensor having such a structure is stable and highly reliable over a long period of time, and is therefore used for a precision oxygen concentration analyzer and the like.
Further, by changing the size of the oxygen gas inflow hole, it is possible to provide a high-precision oxygen sensor corresponding to a wide oxygen concentration region. However, since this sensor requires processing and assembly for each chip, mass production is difficult, and the manufacturing cost is high, so its use has been limited.

【0004】そこで、近年、半導体製造に用いられてき
た薄膜や厚膜形成の技術を応用して、量産性に優れた構
造の限界電流式酸素センサがいくつか提案されている。
それらのセンサ素子はサンドイッチ型又はプレーナ型に
大別されるが、いずれも酸素をイオン化するカソード
と、固体電解質の境界面に到達する酸素ガスの流入量を
制限することにより、限界電流特性を得るメカニズム
は、上記の固体電解質板を使用した素子と同様である。
In view of the above, in recent years, several limiting current type oxygen sensors having a structure excellent in mass productivity have been proposed by applying thin film and thick film forming techniques used in semiconductor manufacturing.
These sensor elements are roughly classified into a sandwich type or a planar type, but all obtain a limiting current characteristic by limiting the inflow of oxygen gas that reaches the interface between the cathode that ionizes oxygen and the solid electrolyte. The mechanism is the same as that of the device using the solid electrolyte plate.

【0005】サンドイッチ型薄膜酸素センサの代表的な
ものとして、例えば図10に示すように、通気性を持っ
た基板6上にカソード2、固体電解質層7及びアノード
3を順次積層したものが提案されている(例えば特公平
5−22177号等)。この方式では、拡散律速層とな
る基板6には適度な通気性が要求されるため、基板6の
材料や種類が限定され、同一基板上に他のセンサや回路
素子と複合化することが難しい。また、基板6のポアサ
イズも大きいため、良好な特性が得られないという問題
もある。
As a typical sandwich type thin film oxygen sensor, for example, as shown in FIG. 10, a sensor in which a cathode 2, a solid electrolyte layer 7 and an anode 3 are sequentially laminated on a substrate 6 having air permeability has been proposed. (For example, Japanese Patent Publication No. 5-22177). In this method, since the substrate 6 serving as the diffusion-controlling layer needs to have appropriate air permeability, the material and the type of the substrate 6 are limited, and it is difficult to form a composite with other sensors and circuit elements on the same substrate. . Further, since the pore size of the substrate 6 is large, there is also a problem that good characteristics cannot be obtained.

【0006】基板に制約を受けない構造としては、プレ
ーナタイプでは、例えば図11に示すように、緻密な基
板10上に形成された固体電解質層8の上面にくし型に
カソード2及びアノード3を形成し、カソード2(又は
アノード3も含めて)を通気性を持つ被覆膜9で覆うこ
とによって、カソード2に到達する酸素ガスを制限する
構造や、カソード膜自体を拡散律速層とする構造等が提
案されている(例えば特開昭62−198748号、信
州大・中尾他;電気学会論文誌115巻9号)。
As a structure which is not restricted by the substrate, in a planar type, for example, as shown in FIG. 11, a cathode 2 and an anode 3 are formed in a comb shape on an upper surface of a solid electrolyte layer 8 formed on a dense substrate 10. A structure that restricts oxygen gas reaching the cathode 2 by forming and covering the cathode 2 (or the anode 3) with the air-permeable coating film 9, or a structure in which the cathode film itself is a diffusion-controlling layer (For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 62-198748, Shinshu University, Nakao et al .; Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan, Vol. 115, No. 9).

【0007】また、サンドイッチ構造のセンサにおいて
も、例えば図12に示すように、固体電解質層11を拡
散律速層として限界電流特性を得た報告がある(佐藤
他;電気学会研究会資料,センサマイクロマシン部門総
合研究会CS−97−41,1997年11月)。
[0007] Also, in a sensor having a sandwich structure, as shown in FIG. 12, for example, as shown in FIG. 12, there is a report that a solid electrolyte layer 11 is used as a diffusion-controlling layer to obtain a limiting current characteristic (Sato et al .; Divisional Research Group CS-97-41, November 1997).

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】拡散律速層となる通気
性を持つ被覆膜は、通常、印刷や溶射、蒸着などの薄膜
形成手段により作製されるが、いずれの方法でも、作製
した膜の通気度を広範囲に再現性良く制御できることが
望ましい。通気度がばらつくと所望とする限界電流特性
を得ることができなくなるからである。スパッタや真空
蒸着法は、薄い膜でも厚さを正確に制御でき、かつ膜厚
の面内均一性に優れるため、理想的な拡散律速層を形成
できる方法である。しかしながら、成膜装置の種類やタ
ーゲットに対する基板の取付位置によって膜の通気性は
変化し、基板内の位置によっても通気性が著しく異なっ
ているため、作製した酸素センサ個々の素子の特性のば
らつきが大きいという問題があった。測定系では、±2
5%程度の範囲の校正が可能であるが、この範囲を超え
ると校正不能となり、センサは使用に適さないものとな
る。
The air-permeable coating film serving as the diffusion-controlling layer is usually produced by a thin film forming means such as printing, thermal spraying, or vapor deposition. It is desirable that the air permeability can be controlled over a wide range with good reproducibility. This is because a desired limit current characteristic cannot be obtained if the air permeability varies. Sputtering and vacuum deposition are methods that can form an ideal diffusion-controlled layer because the thickness of a thin film can be accurately controlled and the film thickness is excellent in in-plane uniformity. However, the air permeability of the film changes depending on the type of the film forming apparatus and the mounting position of the substrate with respect to the target, and the air permeability significantly changes depending on the position in the substrate. There was a problem of being big. ± 2 for the measurement system
Calibration in the range of about 5% is possible, but beyond this range calibration becomes impossible and the sensor becomes unsuitable for use.

【0009】本発明は、このような点に鑑みなされたも
ので、センサ素子の特性のばらつきを低減して安定した
特性を得ることができる限界電流式酸素センサ及びその
製造方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a limiting current type oxygen sensor capable of reducing a variation in characteristics of a sensor element and obtaining stable characteristics, and a method of manufacturing the same. Aim.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明に係る限界電流式
酸素センサは、基板上に形成された固体電解質の酸素イ
オン伝導を利用すると共に、酸素をイオン化するための
電極を被覆膜で覆うことにより酸素ガスの通過を制限し
て限界電流特性を得るようにした限界電流式酸素センサ
において、前記被覆膜は蒸着法を用いて、その膜組織の
粒子の成長方向と前記基板の法線方向とのなす角度が予
め設定された角度に対して±5°以内となるように作製
されたものであることを特徴とする。
A limiting current type oxygen sensor according to the present invention utilizes oxygen ion conduction of a solid electrolyte formed on a substrate and covers an electrode for ionizing oxygen with a coating film. In the limiting current type oxygen sensor in which the passage of oxygen gas is restricted to obtain a limiting current characteristic, the coating film is formed by a vapor deposition method, and a growth direction of particles of the film structure and a normal line of the substrate. It is characterized in that it is manufactured so that the angle with the direction is within ± 5 ° with respect to a preset angle.

【0011】また、本発明に係る限界電流式酸素センサ
の製造方法は、基板上に形成された固体電解質の酸素イ
オン伝導を利用すると共に、酸素をイオン化するための
電極を被覆膜で覆うことにより酸素ガスの通過を制限し
て限界電流特性を得るようにした限界電流式酸素センサ
の製造方法において、同一工程で作製される複数の酸素
センサについて、前記被覆膜の粒子の成長方向と前記基
板の法線方向とのなす角度のばらつきが±5°の範囲に
収まるように、蒸着法を用いて前記被覆膜を形成する工
程を有することを特徴とする。
Further, a method of manufacturing a limiting current type oxygen sensor according to the present invention utilizes oxygen ion conduction of a solid electrolyte formed on a substrate and covers an electrode for ionizing oxygen with a coating film. In a method of manufacturing a limiting current type oxygen sensor in which the passage of oxygen gas is limited to obtain a limiting current characteristic, a plurality of oxygen sensors manufactured in the same process, the growth direction of the particles of the coating film and the A step of forming the coating film using an evaporation method so that a variation in an angle between the substrate and a normal direction of the substrate falls within a range of ± 5 °.

【0012】本発明は、蒸着法で作製した被覆膜の通気
度が蒸着源からの粒子の飛来方向によって異なることを
本発明者等が見出したことに基づくものである。飛来方
向、即ち基板への蒸着材料の入射方向に依存する膜組織
の違いが通気性に影響を及ぼしており、成膜装置や取付
位置による特性差の原因となっていた。そこで、どの成
膜装置においても、蒸着源から基板への飛来粒子の入射
角を一定範囲内に収まるように制限して、形成した膜の
結晶粒子の成長方向のばらつきが±5度の範囲に入るよ
うに成膜を行ったところ、全てのセンサ素子で校正可能
範囲である±25%を超えないほぼ一定の限界電流値を
得ることができた。また、結晶粒子の成長方向のばらつ
きが±5度を超えると、限界電流値のばらつきが校正可
能な±25%を超えることが確認された。
The present invention is based on the fact that the present inventors have found that the air permeability of a coating film produced by a vapor deposition method differs depending on the direction in which particles fly from a vapor deposition source. The difference in the film structure depending on the flying direction, that is, the direction in which the vapor deposition material is incident on the substrate affects the air permeability, and causes a characteristic difference depending on the film forming apparatus and the mounting position. Therefore, in any of the film forming apparatuses, the incident angle of the flying particles from the evaporation source to the substrate is limited to be within a certain range, and the variation in the growth direction of the crystal grains of the formed film is within a range of ± 5 degrees. When the film formation was performed so as to be within the range, it was possible to obtain an almost constant limit current value not exceeding ± 25%, which is the calibratable range, in all the sensor elements. In addition, it was confirmed that when the variation in the crystal grain growth direction exceeded ± 5 degrees, the variation in the limit current value exceeded ± 25% that could be calibrated.

【0013】一般に蒸着膜の組織は、図1に示すよう
に、入射方向に伸びた柱状、針状、又は板状結晶粒子か
ら構成されており、これら粒子の基板への入射方向と基
板表面に立てた法線とのなす角度αと、結晶粒子の成長
方向と法線のなす角度βとの間には、
Generally, as shown in FIG. 1, the structure of a vapor-deposited film is composed of columnar, needle-like, or plate-like crystal particles extending in the incident direction. Between the angle α formed by the normal and the angle β formed by the growth direction of the crystal grains and the normal,

【0014】[0014]

【数2】tanβ=(1/2)tanαTanβ = (1/2) tanα

【0015】の関係が成り立つことが経験的に知られて
いる(A.G.Dirks and H.J.Leamy, Thin Solid Films, V
ol.47(1997)219)。従って、結晶粒子の成長方向と法線
のなす角度が所望する設計値βに対してβ±5度の範囲
に収めるためには、基板への蒸着膜の組織の基板法線に
対する入射方向の角度が次の数3の範囲に収まるように
基板とターゲット材料との位置関係を決定すれば良い。
It is empirically known that the relationship holds (AGDirks and HJ Leamy, Thin Solid Films, V
ol. 47 (1997) 219). Therefore, in order for the angle between the growth direction of the crystal grains and the normal to fall within a range of β ± 5 degrees with respect to a desired design value β, the angle of the incidence direction of the structure of the deposited film on the substrate with respect to the substrate normal is required. It is sufficient to determine the positional relationship between the substrate and the target material such that is within the range of the following Expression 3.

【0016】[0016]

【数3】tan-1{2*tan(β−5°)}≦α≦tan-1{2
*tan(β+5°)}
[Equation 3] tan -1 {2 * tan (β-5 °)} ≦ α ≦ tan -1 {2
* tan (β + 5 °)}

【0017】これにより、基板に対する結晶粒子の成長
方向のばらつきを±5°以内に抑えて酸素拡散のための
被覆層を形成することができ、通気度が安定し結果的に
特性のばらつきが少ない酸素センサを製造することがで
きる。
Thus, the coating layer for oxygen diffusion can be formed while suppressing the variation in the growth direction of the crystal grains with respect to the substrate to within ± 5 °, and the air permeability is stabilized, and as a result, the variation in characteristics is small. An oxygen sensor can be manufactured.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の
好ましい実施の形態について説明する。実施例1 図2は、この発明の実施例1に係る限界電流式酸素セン
サの概略構成を示す一部削除した斜視図である。この酸
素センサは、緻密な絶縁体基板21の上にジルコニア等
の固体電解質層22を形成し、その上にくし形にアノー
ド23及びカソード24を形成し、更にカソード23及
びアノード24の上を、酸素ガスの通過を制限する被覆
膜25で覆ったプレーナ型の酸素センサである。被覆膜
25は、基板21の法線方向に対する被覆膜25の柱
状、針状又は板状の結晶粒子26の長手方向(成長方
向)の角度が、その設計値をβとするとβ±5°の範囲
に収まるように形成されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Embodiment 1 FIG. 2 is a perspective view, partially omitted, showing a schematic configuration of a limiting current type oxygen sensor according to Embodiment 1 of the present invention. In this oxygen sensor, a solid electrolyte layer 22 such as zirconia is formed on a dense insulator substrate 21, and an anode 23 and a cathode 24 are formed in a comb shape on the solid electrolyte layer 22. Further, on the cathode 23 and the anode 24, This is a planar type oxygen sensor covered with a coating film 25 for restricting passage of oxygen gas. The angle of the coating film 25 in the longitudinal direction (growth direction) of the columnar, needle-like, or plate-like crystal grains 26 with respect to the normal direction of the substrate 21 is β ± 5 when the design value is β. It is formed to be within the range of °.

【0019】次に、βが0°、即ち結晶粒子26が法線
方向に向くように設定した酸素センサの具体的な製造方
法について説明する。緻密な高純度アルミナ(純度99
%以上)焼結体基板21上に、ジルコニア(8%mol Y
23−ZrO2)膜からなる固体電解質層22をスパッ
タで10μm形成した後、ジルコニア膜表面上に一対の
くし形電極(カソード23,アノード24)を形成し
た。電極材にはPtを用い、スパッタによる成膜とリフ
トオフ法によるパターン形成を適用した。くし形電極2
3,24の厚さは0.5μm、幅50μm、電極間隔2
0μm、センシング範囲は2mm×2mmとした。
Next, a description will be given of a specific method for manufacturing an oxygen sensor in which β is set to 0 °, that is, the crystal grains 26 are oriented in the normal direction. Dense high-purity alumina (purity 99
% Or more) zirconia (8% mol Y
After a solid electrolyte layer 22 made of a 2 O 3 —ZrO 2 ) film was formed to a thickness of 10 μm by sputtering, a pair of comb-shaped electrodes (a cathode 23 and an anode 24) were formed on the surface of the zirconia film. Pt was used as the electrode material, and film formation by sputtering and pattern formation by a lift-off method were applied. Comb electrode 2
3, 24 have a thickness of 0.5 μm, a width of 50 μm, and an electrode spacing of 2
0 μm, and the sensing range was 2 mm × 2 mm.

【0020】くし形電極23,24の上に被覆膜25を
形成した。被覆膜25の形成には、図3に示すように、
6インチターゲット31と、基板21の表面がターゲッ
ト中心を向くように配置したドーム型基板ホルダ32を
装備したプレーナマグネトロン型スパッタ装置を用い、
ターゲット材料はアルミナ焼結体とした。ターゲット中
心と基板との距離は200mmとし、基板ホルダ32は
ターゲット31の中心を球の中心とする球面をなすよう
にした。従って、基板21の中心はターゲット31の中
心を向いており、その点における飛来粒子の入射角は垂
直である。基板21を3インチ円盤とした場合、基板2
1の外周における入射角は図3に示すように約10°と
なる。
A coating film 25 was formed on the comb electrodes 23 and 24. In forming the coating film 25, as shown in FIG.
Using a planar magnetron type sputtering apparatus equipped with a 6-inch target 31 and a dome type substrate holder 32 arranged so that the surface of the substrate 21 faces the center of the target,
The target material was an alumina sintered body. The distance between the center of the target and the substrate was 200 mm, and the substrate holder 32 had a spherical surface with the center of the target 31 as the center of the sphere. Accordingly, the center of the substrate 21 faces the center of the target 31, and the incident angle of the flying particles at that point is vertical. When the substrate 21 is a 3-inch disk, the substrate 2
The incident angle at the outer periphery of 1 is about 10 ° as shown in FIG.

【0021】本装置に前記基板21を7枚を取り付け、
被覆膜25としてアルミナの膜を2μm被覆したセンサ
素子を作製し、次の条件で評価した。ゴールドファーネ
ス炉内を21%酸素を含む窒素雰囲気中で500℃に加
熱し、0.1〜2Vの電圧を印加して、出力電流を測定
した。7枚中から抽出した20個の素子は30〜40μ
Aの限界電流値を示した。本酸素センサ素子を搭載する
測定系は±25%の校正範囲を持っており、従って、全
てのセンサは良品となった。基板最外周の素子の断面を
SEM(走査型電子顕微鏡)を用いて観察したところ、
粒子の成長方向から約5度傾いていた。
Seven substrates 21 are attached to the apparatus,
A sensor element coated with an alumina film of 2 μm as the coating film 25 was prepared and evaluated under the following conditions. The gold furnace was heated to 500 ° C. in a nitrogen atmosphere containing 21% oxygen, and a voltage of 0.1 to 2 V was applied to measure the output current. 20 elements extracted from 7 sheets are 30-40μ
The limiting current value of A is shown. The measurement system equipped with the present oxygen sensor element has a calibration range of ± 25%, and all the sensors were non-defective. When the cross section of the element on the outermost periphery of the substrate was observed using a scanning electron microscope (SEM),
It was inclined about 5 degrees from the grain growth direction.

【0022】実施例2 図4は、本発明の実施例2に係る酸素センサの一部省略
した斜視図である。この酸素センサは、緻密な絶縁体基
板41の上にカソード42を形成し、その上に酸素ガス
の通過を制限する被覆膜を兼ねる固体電解質層43を形
成し、更にその上にアノード44を形成してなるサンド
イッチ型の酸素センサである。被覆膜を兼ねる固体電解
質層43は、基板41に対する被覆膜の柱状、針状又は
板状の結晶粒子45の長手方向(成長方向)と基板41
の法線方向とのなす角度が、その設計値をβとするとβ
±5°の範囲に収まるように形成されている。
Embodiment 2 FIG. 4 is a partially omitted perspective view of an oxygen sensor according to Embodiment 2 of the present invention. In this oxygen sensor, a cathode 42 is formed on a dense insulator substrate 41, a solid electrolyte layer 43 also serving as a coating film for restricting passage of oxygen gas is formed thereon, and an anode 44 is further formed thereon. It is a sandwich type oxygen sensor formed. The solid electrolyte layer 43 also serving as a coating film is formed by forming the columnar, acicular, or plate-like crystal particles 45 of the coating film with respect to the substrate 41 in the longitudinal direction (growth direction).
When the design value is β, the angle between the normal and the normal direction is β
It is formed so as to fall within a range of ± 5 °.

【0023】次に、先の実施例と同様、β=0°とし
た、この実施例の酸素センサの詳細な製造工程について
説明する。この実施例では、ECRイオンビームスパッ
タ装置を用い、固体電解質層43を拡散律速層(被覆
膜)とするサンドイッチ型センサ素子を作製した。緻密
な高純度アルミナ基板41上に、まずリフトオフ法でP
tのカソード42を形成した。次にイオンビームスパッ
タ装置を用いて固体電解質層43としてジルコニア膜を
10μm堆積させた。この成膜工程では、図5に示すよ
うに、基板41をECRイオンガン51によってターゲ
ット52から飛来するジルコニア粒子の入射方向に対し
て垂直となるように配置した。イオンビームスパッタ装
置では、雰囲気の圧力が低く、気体分子の平均自由行程
が長いため、基板41とイオン源の距離をプレーナ型ス
パッタ装置のターゲット基板間距離に比べ十分長くとる
ことができる。したがって、基板上の全ての位置で飛来
粒子の入射角を基板表面に垂直に近づけることができ
る。このような効果は、イオンプレーティングやレーザ
アブレーション成膜装置にも期待することができる。
Next, the detailed manufacturing process of the oxygen sensor of this embodiment, in which β = 0 ° as in the previous embodiment, will be described. In this example, a sandwich-type sensor element using the solid electrolyte layer 43 as a diffusion-controlling layer (coating film) was manufactured using an ECR ion beam sputtering apparatus. First, P is lifted off on a dense high-purity alumina substrate 41.
The cathode 42 of t was formed. Next, a 10 μm zirconia film was deposited as the solid electrolyte layer 43 using an ion beam sputtering apparatus. In this film forming step, as shown in FIG. 5, the substrate 41 was arranged by the ECR ion gun 51 so as to be perpendicular to the incident direction of the zirconia particles flying from the target 52. In the ion beam sputtering apparatus, since the pressure of the atmosphere is low and the mean free path of gas molecules is long, the distance between the substrate 41 and the ion source can be made sufficiently longer than the distance between the target substrate and the planar type sputtering apparatus. Therefore, the incident angle of the flying particles can be made almost perpendicular to the substrate surface at all positions on the substrate. Such an effect can also be expected in an ion plating or laser ablation film forming apparatus.

【0024】次にカソード42と同じ方法でジルコニア
膜上にPtのアノード44を形成した。カソード42、
アノード44両方のPt膜はプレーナマグネトロンタイ
プのスパッタ装置で成膜し、いずれの厚さも0.5μm
〜0.7μmとした。作製した素子の中から抽出した2
0個に対する限界電流値は、酸素濃度21%において
0.4〜0.5mAの間で、本方法においても限界電流
値のばらつきを狭い範囲に抑えられることが分かった。
Next, a Pt anode 44 was formed on the zirconia film in the same manner as the cathode 42. Cathode 42,
The Pt films for both the anodes 44 were formed by a planar magnetron type sputtering device, and each had a thickness of 0.5 μm.
0.70.7 μm. 2 extracted from the fabricated device
The limiting current value for 0 pieces was 0.4 to 0.5 mA at an oxygen concentration of 21%, and it was found that the variation of the limiting current value can be suppressed to a narrow range also in the present method.

【0025】比較例 実施例1において、図6のように、被覆膜を形成するた
めのスパッタ装置の基板ホルダ33を球面のものから平
面のものに交換すると、基板外周における最大の入射角
は約25度となる。実施例1と同様に7枚の基板を取り
付け、センサ素子の被覆を施して、限界電流値を測定し
た。抽出した20個の限界電流値は30〜90μAと大
幅にばらついており、校正可能範囲である30〜60μ
Aから外れる素子が2個あった。これら2個の素子の結
晶成長方向(粒子の長手方向)は約10度傾いていた。
COMPARATIVE EXAMPLE In Example 1, as shown in FIG. 6, when the substrate holder 33 of the sputtering apparatus for forming a coating film is changed from a spherical one to a flat one, the maximum incident angle on the outer periphery of the substrate becomes It is about 25 degrees. Seven substrates were attached in the same manner as in Example 1, the sensor element was coated, and the limiting current value was measured. The extracted 20 limit current values vary widely from 30 to 90 μA, and are within the range of 30 to 60 μA that can be calibrated.
There were two elements that deviated from A. The crystal growth direction (longitudinal direction of the grains) of these two devices was inclined by about 10 degrees.

【0026】なお、以上は基板の法線方向(β=0°)
に被覆膜の結晶粒子を成長させた例を示したが、設計値
βを任意の角度に設定する場合には、例えば図7(イオ
ンビームスパッタ)や図8(プレーナマグネトロン型ス
パッタ)に示すように、ターゲット52,31からの被
覆材粒子の飛来方向が基板41,21の法線方向に対し
てαだけ傾くように設定すれば、任意の角度βに対して
±5度の範囲で被覆膜を生成することができる。
The above is the normal direction of the substrate (β = 0 °)
FIG. 7 shows an example in which the crystal particles of the coating film are grown, but when the design value β is set to an arbitrary angle, for example, as shown in FIG. 7 (ion beam sputtering) and FIG. 8 (planar magnetron type sputtering) As described above, if the direction of the coating material particles coming from the targets 52 and 31 is set to be inclined by α with respect to the normal direction of the substrates 41 and 21, the coating material particles are covered within a range of ± 5 degrees with respect to an arbitrary angle β. An overcoat can be created.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、基
板に対する結晶粒子の成長方向のばらつきを±5°以内
に抑えて酸素拡散のための被覆層を形成することによ
り、通気度が安定し、特性のばらつきが少ない限界電流
式酸素センサを製造することができるという効果を奏す
る。
As described above, according to the present invention, the variation in the growth direction of the crystal grains with respect to the substrate is suppressed to within ± 5 ° to form a coating layer for oxygen diffusion, whereby the air permeability is stabilized. However, there is an effect that a limiting current type oxygen sensor with little variation in characteristics can be manufactured.

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

【図1】 本発明に係る限界電流式酸素センサの被覆膜
の蒸着粒子の向きとその飛来方向との関係を示す図であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the direction of vapor deposition particles of a coating film of a limiting current type oxygen sensor according to the present invention and its flying direction.

【図2】 本発明の実施例1の限界電流式酸素センサの
一部省略した斜視図である。
FIG. 2 is a partially omitted perspective view of the limiting current type oxygen sensor according to the first embodiment of the present invention.

【図3】 同センサの製造に使用するスパッタ装置を説
明するための図である。
FIG. 3 is a view for explaining a sputtering apparatus used for manufacturing the sensor.

【図4】 本発明の実施例2の限界電流式酸素センサの
一部省略した斜視図である。
FIG. 4 is a partially omitted perspective view of a limiting current type oxygen sensor according to a second embodiment of the present invention.

【図5】 同センサの製造に使用するイオンビームスパ
ッタ装置を説明するための図である。
FIG. 5 is a view for explaining an ion beam sputtering apparatus used for manufacturing the sensor.

【図6】 比較例の限界電流式酸素センサの製造に使用
するスパッタ装置を説明するための図である。
FIG. 6 is a view for explaining a sputtering apparatus used for manufacturing a limiting current type oxygen sensor of a comparative example.

【図7】 本発明の他の実施例に係る限界電流式酸素セ
ンサの製造に使用するスパッタ装置を説明するための図
である。
FIG. 7 is a view for explaining a sputtering apparatus used for manufacturing a limiting current type oxygen sensor according to another embodiment of the present invention.

【図8】 本発明の更に他の実施例に係る限界電流式酸
素センサの製造に使用するスパッタ装置を説明するため
の図である。
FIG. 8 is a view for explaining a sputtering apparatus used for manufacturing a limiting current type oxygen sensor according to still another embodiment of the present invention.

【図9】 従来の限界電流式酸素センサを示す図であ
る。
FIG. 9 is a diagram showing a conventional limiting current type oxygen sensor.

【図10】 従来のサンドイッチ型の限界電流式酸素セ
ンサを示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a conventional sandwich type limiting current type oxygen sensor.

【図11】 従来のプレーナ型の限界電流式酸素センサ
を示す図である。
FIG. 11 is a view showing a conventional planar type limiting current type oxygen sensor.

【図12】 従来のサンドイッチ型の限界電流式酸素セ
ンサを示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a conventional sandwich type limiting current type oxygen sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…固体電解質板、2,23,42…カソード、3,2
4,44…アノード、6,10,21,41…基板、
7,8,11,22,43…固体電解質層、25…被覆
膜。
1: solid electrolyte plate, 2, 23, 42: cathode, 3, 2
4,44 ... anode, 6,10,21,41 ... substrate,
7, 8, 11, 22, 43 ... solid electrolyte layer, 25 ... coating film.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に形成された固体電解質の酸素イ
オン伝導を利用すると共に、酸素をイオン化するための
電極を被覆膜で覆うことにより酸素ガスの通過を制限し
て限界電流特性を得るようにした限界電流式酸素センサ
において、 前記被覆膜は蒸着法を用いて、その膜組織の粒子の成長
方向と前記基板の法線方向とのなす角度が予め設定され
た角度に対して±5°以内となるように作製されたもの
であることを特徴とする限界電流式酸素センサ。
1. An oxygen ion conduction of a solid electrolyte formed on a substrate is used, and an electrode for ionizing oxygen is covered with a coating film to restrict the passage of oxygen gas to obtain a limiting current characteristic. In the limiting current type oxygen sensor as described above, the coating film is formed by an evaporation method, and an angle between a growth direction of particles of the film structure and a normal direction of the substrate is ± a predetermined angle. A limiting current type oxygen sensor which is manufactured so as to be within 5 °.
【請求項2】 基板上に形成された固体電解質の酸素イ
オン伝導を利用すると共に、酸素をイオン化するための
電極を被覆膜で覆うことにより酸素ガスの通過を制限し
て限界電流特性を得るようにした限界電流式酸素センサ
の製造方法において、 同一工程で作製される複数の酸素センサについて、前記
被覆膜の粒子の成長方向と前記基板の法線方向とのなす
角度のばらつきが±5°の範囲に収まるように、蒸着法
を用いて前記被覆膜を形成する工程を有することを特徴
とする限界電流式酸素センサの製造方法。
2. A limiting current characteristic is obtained by utilizing oxygen ion conduction of a solid electrolyte formed on a substrate and limiting the passage of oxygen gas by covering an electrode for ionizing oxygen with a coating film. In the method for manufacturing a limiting current type oxygen sensor, the variation in the angle between the growth direction of the particles of the coating film and the normal direction of the substrate is ± 5 for a plurality of oxygen sensors manufactured in the same process. A method for manufacturing a limiting current type oxygen sensor, comprising a step of forming the coating film using an evaporation method so as to fall within the range of °.
【請求項3】 前記被覆膜の粒子の成長方向と前記基板
の法線方向とのなす角度の設計値をβ、蒸着時における
前記被覆膜の粒子の飛来方向をαとしたとき、 【数1】tan-1{2*tan(β−5°)}≦α≦tan-1{2
*tan(β+5°)} となるように、前記被覆膜が形成される基板とターゲッ
ト材料との位置関係を決定することを特徴とする請求項
2記載の限界電流式酸素センサの製造方法。
3. A design value of an angle between a growth direction of particles of the coating film and a normal direction of the substrate is β, and α is a flying direction of the particles of the coating film during vapor deposition. Tan -1 {2 * tan (β-5 °)} ≦ α ≦ tan -1 {2
3. The method for manufacturing a limiting current type oxygen sensor according to claim 2, wherein the positional relationship between the substrate on which the coating film is formed and the target material is determined so that * tan (β + 5 °)}.
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