JPH11344464A - 酸素濃度センサ、およびその製造方法 - Google Patents

酸素濃度センサ、およびその製造方法

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JPH11344464A
JPH11344464A JP10154288A JP15428898A JPH11344464A JP H11344464 A JPH11344464 A JP H11344464A JP 10154288 A JP10154288 A JP 10154288A JP 15428898 A JP15428898 A JP 15428898A JP H11344464 A JPH11344464 A JP H11344464A
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JP
Japan
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electrode
solid electrolyte
thin film
oxygen concentration
gas
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JP10154288A
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English (en)
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Yuji Mukai
裕二 向井
Yasuhito Takahashi
康仁 高橋
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の酸素濃度センサは構造が複雑で、また
350℃以上加熱しなければ特性が悪かった。 【解決手段】 第一電極3を形成した絶縁性の気体非透
過性の基板2上、もしくは電気伝導性の気体非透過性の
基板上に、Ba−Ce−Gd複合酸化物から成る薄膜固体
電解質4と、気体透過性の第二電極5を、薄膜状に積層
して酸素濃度センサ1を形成することで、100℃程度
の低温でも酸素濃度が検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質を用い
た酸素濃度センサと、その製造方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】固体電解質を用いた従来の酸素濃度セン
サについて説明する。代表的なものとしては、固体電解
質としてジルコニア焼結体を用い、基準電位との電位差
を測定する基準電位式ガス濃度センサや、酸素ポンプを
構成した限界電流式酸素濃度センサがある(例えば、特
開昭56−86347号、特開昭61−147154号
公報)。
【0003】基準電位式酸素濃度センサ61は、図6に
示すように、ジルコニア焼結体62をヒータ63で加熱
し、測定極64と基準電解質の界面での、 (1/2)O2+2e- → O2- なる反応の電位と、基準極65との電位の差により酸素
濃度を検知している。
【0004】また、限界電流式酸素濃度センサは、ジル
コニア焼結体に定電圧を加え、焼結体に供給する被測定
ガスの量を制限して、被測定ガス中の酸素の拡散速度に
比例して電流が流れるように構成したものが有る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし上記従来技術で
は、ジルコニア固体電解質を高温(350℃以上)に加
熱しないとセンサとして働かないという課題があった。
そのために、加熱に多大なエネルギーを必要とし、しか
も周囲との断熱が複雑になってしまうという課題があっ
た。更に、動作温度が高いために長期間使用していると
固体電解質から電極が剥がれてしまい、センサの寿命が
短いという課題もあった。
【0006】また、限界電流式では、空気量調節孔の大
きさにより、限界電流値を現す酸素濃度が異なり、セン
サとして構成することが難しいという課題があった。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項1記載の本発明は、電気絶縁性で気体非透過
性の基板と、前記基板に積層された第一電極と、前記第
一電極に積層された酸素イオン伝導性を有する薄膜状の
薄膜固体電解質と、前記薄膜固体電解質に積層された気
体透過性の第二電極とを有する酸素濃度センサを構成し
たものである。
【0008】また、上記課題を解決するため、請求項2
記載の本発明は、基板の機能を備える気体非透過性の第
一電極と、前記第一電極に積層された酸素イオン伝導性
を有する薄膜状の薄膜固体電解質と、前記薄膜固体電解
質に積層された気体透過性の第二電極とを有する酸素濃
度センサを構成したものである。
【0009】また、上記課題を解決するため、請求項3
記載の本発明は、電気絶縁性で気体非透過性の基板と、
前記基板に積層された酸素イオン伝導性を有する薄膜状
の薄膜固体電解質と、前記薄膜固体電解質に積層された
第一電極と第二電極とを有し、前記基板と前記第一電
極、前記基板と前記薄膜固体電解質、前記基板と前記第
二電極とがそれぞれ接し、前記薄膜固体電解質が被測定
ガスと接するように構成される酸素濃度センサを構成し
たものである。
【0010】また、上記課題を解決するため、請求項4
記載の本発明は、前記薄膜固体電解質を、スパッタリン
グ法にて薄膜状に製造する請求項1、2または3記載の
酸素濃度センサの製造方法を構成したものである。
【0011】また、上記課題を解決するため、請求項5
記載の本発明は、前記薄膜固体電解質膜上に、電気伝導
性の電極薄膜を成膜し、フォトリソグラフィーとエッチ
ングにより前記電極薄膜をパターニングして前記第一電
極と前記第二電極とを形成する請求項3記載の酸素濃度
センサの製造方法を構成したものである。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図1から図5を用いて説明する。
【0013】(実施の形態1)図1は、本発明の一実施
の形態である酸素濃度センサの概略構成図である。図1
において、2は電気絶縁性で気体非透過性の基板である
アルミナ基板であり、その上に白金からなる第一電極3
と、酸素イオン伝導性を有する薄膜固体電解質であるB
a、Ce、Gdの複合酸化物から成る薄膜固体電解質4
と、気体透過可能な構造の白金からなる第二電極5とを
積層して酸素濃度センサ1を構成し、ヒータ6によって
上記薄膜固体電解質4を加熱可能としている。また、両
電極には高内部抵抗の直流電圧計7を接続し、両電極間
の電位差を測定できるように構成している。本実施の形
態において、第一電極3と第二電極5とは厚み0.1μ
m、薄膜固体電解質4は厚み1μmとし、スパッタリン
グ法によって形成している。第二電極5は厚さを0.1
μmと薄くすることによって気体透過が可能となってい
る。薄膜に形成するには様々な製造法が考えられる。本
実施の形態の場合、Ba2CO3、CeO2とGaCO3を混
合して成るターゲット材を用い、アルゴンガスと酸素ガ
スの混合ガス雰囲気中で高周波スパッタリング法により
Ba−Ce−Gd複合酸化物を成膜し、薄膜固体電解質4
を成膜した。他にも、真空蒸着法、CVD法、ゾル−ゲ
ル法等で薄膜を得ることが考えられるが、性能、製造の
しやすさ、コストの面から、スッパタリング法が適して
いる。
【0014】本酸素濃度センサ1を100℃に加熱し、
種々の濃度の酸素−窒素混合ガス雰囲気に暴露し、両電
極間の電位差を直流電圧計7によって測定した。その結
果を図2に示す。100℃という低温にもかかわらず、
酸素濃度に応じた電位差が発生しており、酸素濃度セン
サとして動作している。
【0015】このように、本発明によれば、図1に示し
たように薄膜を積層するだけの非常に簡単な構成で、低
温動作可能な酸素濃度センサを得ることができ、ヒータ
の加熱損失を防ぐための断熱構造も簡単である。
【0016】また、本実施の形態では100℃という低
温で動作させたが、より温度を上昇させると応答速度が
向上し、好ましいものである。
【0017】(実施の形態2)本発明の他の異なる実施
の形態である酸素濃度センサを図3に示す。図3におい
て、2は気体を透過しないアルミナ基板、3は厚さ0.
1μmの白金薄膜からなる第一電極、4はBa−Ce−G
d複合酸化物から成る厚さ1μmの薄膜固体電解質、5
は厚さ0.1μmの白金薄膜からなる第二電極、6はヒ
ータ、7は直流電圧計であり、アルミナ基板2と第一電
極3と薄膜固体電解質4を積層し、さらに薄膜固体電解
質4と第二電極5を積層して酸素濃度センサ1を構成し
ている。本実施の形態では、第一電極3と第二電極5の
示す電位は各々薄膜固体電解質4の下面と上面の電位で
あり、(実施の形態1)と同様にして、加熱温度100
℃という温度で周囲の酸素濃度を測定することができ
る。
【0018】本実施の形態による酸素濃度センサは、薄
膜固体電解質4の表面が周囲に露出しているため、雰囲
気の酸素濃度の変化に対する応答が速いという効果があ
る。
【0019】また、本実施の形態では100℃という低
温で動作させたが、より温度を上昇させると応答速度が
向上し、好ましいものである。
【0020】(実施の形態3)本発明の他の異なる実施
の形態である酸素濃度センサを図4に示す。(a)にお
いて、2は気体を透過しないアルミナ基板であり、その
上に厚さが1μmのBa−Ce−Gd複合酸化物から成る
薄膜固体電解質4をスパッタリング法で成膜し、さらに
厚さが0.1μmの白金薄膜を成膜している。これを、
フォトリソグラフィーとエッチングによりパターニング
して(b)のように第一電極3と第二電極5とし、酸素
濃度センサ1を構成する。6はこのように構成した酸素
濃度センサ1を加熱するためのヒータである。このパタ
ーニングによると、機械加工によるパターニングに比
べ、固体電解質などの割れ、剥がれなどを気にしなくて
もよい。
【0021】本酸素濃度センサを100℃に加熱し、両
電極の間に交流電圧を付加し、インピーダンスメータ8
を接続し、両電極間のインピーダンスを測定できるよう
に構成している。本実施の形態の酸素濃度センサ1は、
薄膜固体電解質4の表面が周囲に露出している。よっ
て、表面の酸素濃度は周囲の気体の酸素濃度に対応して
変化する。そのため、両電極間のインピーダンスも周囲
の気体中の酸素濃度によって変化し、その変化をインピ
ーダンスメータ8で測定することにより酸素濃度を測定
することができる。
【0022】なお、薄膜固体電解質4の表面の酸素濃度
の変化は両電極間の静電容量の違いや、一定電圧を印加
したときの電流量の違いなどでも検出することが可能で
ある。また、白金電極膜が局所的に厚くなると、この電
極の気体透過性が悪くなり一定電圧を長期間印加してお
くと電極と固体電解質が剥離しやすくなる。そのため、
印加電圧は好ましくは交流電圧がよい。
【0023】本実施の形態では、先に示した(実施の形
態1)に比べ、白金電極膜の成膜回数を一回減らすこと
ができるので、容易にしかも非常に簡単な構成で酸素濃
度センサを得ることができる。
【0024】また、本実施の形態では100℃という低
温で動作させたが、より温度を上昇させると応答速度が
向上し、好ましいものである。
【0025】(実施の形態4)本発明の他の異なる実施
の形態である酸素濃度センサを図5に示す。図5におい
て、9は白金基板であり、電気伝導性を持ち、気体非透
過性である。その上に酸素イオン伝導性のBa−Ce−G
d複合酸化物から成る薄膜固体電解質4と、厚さ0.1
μmの白金薄膜からなる第二電極5とを積層して酸素濃
度センサ1を構成している。この構成は白金を基板と
し、アルミナ基板を必要としないため、構成をより簡単
にすることができ、容易にしかも非常に簡単な構成で酸
素濃度センサを得ることができる。
【0026】なお、固体電解質は本実施の形態に記載し
た材料だけではなく、ジルコニア、BaCeO3系複合酸
化物など、他の酸素イオン伝導性の材料で固体電解質薄
膜を形成してもよい。また、イオン伝導体の厚さや、そ
の上に形成する電極の材質や厚さおよびその電極パター
ン等は、目的や仕様に応じて設計すればよい。さらに、
検出方法も最適なものを選択すればよい。また、電極材
料は本実施の形態に記載した材料だけではなく、金な
ど、酸化還元に強い材料であればよい。
【0027】また、本実施の形態では、薄膜固体電解質
の厚みを1μmとしているが、0.1〜10μm程度で
あれば本発明に含まれるものである。0.1μm以下で
は、基板の表面荒さに対して薄すぎ、性能が発揮できる
固体電解質薄膜を形成できない。また、10μm以上で
は、抵抗値が大きくなり、やはり性能を発揮しない。
【0028】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、加熱部の
構成が簡単となり、低温で酸素濃度を検出することが可
能となり、著しい省エネルギー性がある。また、動作温
度が低いため、センサの断熱も容易であり、しかも、高
温動作時に問題となる電極の剥がれ等による劣化を抑制
することができ、長寿命のセンサを得ることができる。
【0029】また、被測定ガスと薄膜固体電解質とが接
するように構成すると、雰囲気の酸素濃度に対する応答
が速いという効果がある。
【0030】また、従来の限界電流式のセンサで寸法精
度の要求された空気調整孔を必要とせず、極めて簡単な
構成で動作する酸素濃度センサを提供できるという著し
い効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態である酸素濃度センサの
概略構成図
【図2】同酸素濃度センサ動作特性図
【図3】本発明の異なる実施の形態である酸素濃度セン
サの概略構成図
【図4】本発明の異なる実施の形態である酸素濃度セン
サの概略構成図
【図5】本発明の異なる実施の形態である酸素濃度セン
サの概略構成図
【図6】従来の基準電位式酸素濃度センサの概略構成図
【符号の説明】
1 酸素濃度センサ 2 アルミナ基板 3 第一電極 4 薄膜固体電解質 5 第二電極 6 ヒータ 7 直流電圧計 8 インピーダンスメータ 9 白金基板

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電気絶縁性で気体非透過性の基板と、前記
    基板に積層された第一電極と、前記第一電極に積層され
    た酸素イオン伝導性を有する薄膜状の薄膜固体電解質
    と、前記薄膜固体電解質に積層された気体透過性の第二
    電極とを有する酸素濃度センサ。
  2. 【請求項2】基板の機能を備える気体非透過性の第一電
    極と、前記第一電極に積層された酸素イオン伝導性を有
    する薄膜状の薄膜固体電解質と、前記薄膜固体電解質に
    積層された気体透過性の第二電極とを有する酸素濃度セ
    ンサ。
  3. 【請求項3】電気絶縁性で気体非透過性の基板と、前記
    基板に積層された酸素イオン伝導性を有する薄膜状の薄
    膜固体電解質と、前記薄膜固体電解質に積層された第一
    電極と第二電極とを有し、前記基板と前記第一電極、前
    記基板と前記薄膜固体電解質、前記基板と前記第二電極
    とがそれぞれ接し、前記薄膜固体電解質が被測定ガスと
    接するように構成される酸素濃度センサ。
  4. 【請求項4】前記薄膜固体電解質を、スパッタリング法
    にて薄膜状に製造する請求項1、2または3記載の酸素
    濃度センサの製造方法。
  5. 【請求項5】前記薄膜固体電解質膜上に、電気伝導性の
    電極薄膜を成膜し、フォトリソグラフィーとエッチング
    により前記電極薄膜をパターニングして前記第一電極と
    前記第二電極とを形成する請求項3記載の酸素濃度セン
    サの製造方法。
JP10154288A 1998-06-03 1998-06-03 酸素濃度センサ、およびその製造方法 Pending JPH11344464A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011132791A1 (ja) * 2010-04-19 2011-10-27 独立行政法人産業技術総合研究所 酸素分圧制御装置および酸素分圧測定器
JP2016153781A (ja) * 2015-02-16 2016-08-25 日本特殊陶業株式会社 ガスセンサ
JP2021021711A (ja) * 2019-07-30 2021-02-18 三井金属鉱業株式会社 固体電解質接合体及び電気化学素子

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011132791A1 (ja) * 2010-04-19 2011-10-27 独立行政法人産業技術総合研究所 酸素分圧制御装置および酸素分圧測定器
JP5424286B2 (ja) * 2010-04-19 2014-02-26 独立行政法人産業技術総合研究所 酸素分圧制御装置および酸素分圧測定器
JP2016153781A (ja) * 2015-02-16 2016-08-25 日本特殊陶業株式会社 ガスセンサ
JP2021021711A (ja) * 2019-07-30 2021-02-18 三井金属鉱業株式会社 固体電解質接合体及び電気化学素子

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