JPS62116250A - 酸素濃度検出素子の製造方法 - Google Patents

酸素濃度検出素子の製造方法

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JPS62116250A
JPS62116250A JP60257064A JP25706485A JPS62116250A JP S62116250 A JPS62116250 A JP S62116250A JP 60257064 A JP60257064 A JP 60257064A JP 25706485 A JP25706485 A JP 25706485A JP S62116250 A JPS62116250 A JP S62116250A
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厚主 文弘
Toshiyuki Shinozaki
敏幸 篠崎
Tsukasa Doi
土居 司
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(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、薄膜の積層構造を有し、いわゆる固体電解質
W膜を備える酸素濃度検出素子を製造する方法に関する
背景技術 酸素検出素子は、たとえば流体中の酸素濃度な検出する
目的に用いられ、たとえば自動車の排ガス中の酸素濃度
を検出することによって、いわゆる中熱比(燃焼用空気
/燃料比)制御を行なったり、また各種工業炉などにお
いても用いられている。このような目的に用いられる従
来技術の酸素濃度検出素子としては、下記の種類が用い
られていた。■酸素が常磁性気体であることを用いて、
磁界中の酸素の磁化の程度を検出する種類。この場合は
、常温で使用できるけれども、装置が大型であり、複雑
かつ高価であるという問題点があった。
■また金属酸化物半導体を用いた種類では、酸化チタン
TiO2、酸化スズS n O2および酸化ネオジウム
Nb2O5などの金属酸化物が、たとえば700℃以上
の高温下では、雰囲気中の酸素濃度に依存した程度に酸
化還元され、これに対応して当該金属酸化物の電気抵抗
値が変化することを利用している。この種類では、構成
が簡単で小型である利点はあるけれども、使用時には酸
素ガスを含む雰囲気ガスを高温にしなければならず、ま
たこのような高温下では前記酸化還元反応におし・て、
−酸化炭素co、メタンCH4、窒素酸化物NOx、硫
化物SOxなどの影響を受けやすI、%とν1う問題点
があった。
■流体中の酸素濃度に従って電気抵抗が変化するいわゆ
る固体電解質を用いた種類では、たとえば比較的大型の
セラミクス材料が用l−1られて(・た。
このような比較的大型のセラミクス材料を用(また場合
、被測定流体中の酸素濃度を高精度に検出するためには
、固体電解質セラミクスの酸素イオン導電率を高める必
要がある。このため固体電界質セラミクスをたとえばs
 o o ’cの高温にまで昇温する必要があった。
発明が解決しようとする問題点 このような従来技術の酸素濃度検出素子とその製造方法
では、固体電解質内に含まれる安定化剤が飛散するなど
のため、固体電解質の厚み方向における安定化剤の成分
比にばらつきが生じ、固体電解質の酸素イオン導電率が
低下して、酸素濃度検出における特性が低下してν)た
本発明の目的は上述の各問題点を解決し、固体電解質薄
膜において、安定化剤が所望の態様に固体電解質薄膜層
の厚み方向に均一に分布し、したがって酸素濃度検出素
子の特性を向上することができるとともに、製造工程を
格段に簡略化することができる酸素濃度検出素子の製造
方法を提供することである。
問題点を解決するための手段 本発明は、基板上に金属窒化物薄膜と、固体電解質と金
属酸化物の安定化剤とから成り、酸素イオンを高濃度側
から低濃度側に通過させる固体電解質薄膜とをこの順序
で形成して酸素濃度検出素子を製造する酸素濃度検出素
子の製造方法において、 固体電解質薄膜の形成にあたって、固体電解質の分子を
堆積させて薄膜を形成する方法を用いるようにしたこと
を特徴とする酸素濃度検出素子の製造方法である。
作  用 本発明に従えば、固体電解質と金属酸化物の安3一 定化剤とから成る固体電解質薄膜を有する酸素濃度検出
素子の製造にあたって、基板上に金属窒化物薄膜を、ス
パッタリング法、化学的気相成長法(CV D法)、原
子層成長法(A L E法)、真空蒸着法およびイオン
ブレーティング法など、基板上に固体電解質の分子を堆
積させて薄膜を形成する方法を用いて形成し、その上に
固体電解質薄膜を形成するようにした。固体電解質薄膜
を形成するには、上述の薄膜形成方法を用いて形成する
ようにした。したがって固体電解質薄膜を、所望の膜厚
まで単一製造工程で製造することができる。また安定化
剤の成分比も、その厚み方向に均一に形成することがで
外る。また酸素濃度を検出する固体電解質薄膜は、比較
的薄く形成されているため、比較的低温度で測定するこ
とができる。
実施例 第1図は本発明の一実施例の製造方法を説明する断面図
である。第1図(1)に示すように、たとえばシリコン
Siなどの半導体材料から成る基板1上に、窒化アルミ
ニウムA、ipNを、スパツタリング法、化学的気相成
長法(CV D法)、原子層成長法(A L E法)、
真空蒸着法およびイオンブレーティング法など、基板上
に固体電解質の分子を堆積させて薄膜を形成する方法の
いずれか少なくとも1種を用い、窒化アルミニウム薄膜
2を形成する。
次に第1図(2)で示すように、窒化アルミニウム薄膜
2の基板1とは反対側表面に、安定化ジルコニア薄II
!3を形成する。安定化ジルコニアは、いわゆる固体電
解質であり、酸化ジルコニアZrO□中に、酸化イツト
リウムY2O3、酸化マグネシウムMgO,酸化カルシ
ウムCaO1酸化サマリウム5I11203、酸化イッ
テリビウムYl)203、酸化スカンジウムS coo
 s、III 化がトリニウムGd、O,、酸化ネオジ
ウムNd2O3などの安定化剤を、6.1〜12.6モ
ル%で添加し、成長温度550〜1000℃の雰囲気温
度で、膜厚0,5〜10μmに形成する。このような安
定化ジルコニア薄膜3は、(Z ro 2)、−n(Y
 203)n *たは(Z ro 2)l−n(M g
O)n、’(ZrO2)l−n(CaO)n 、(Z 
ro 2)トn(S m2○、)n、(Z ro 2)
l−n(Y b203)ny(Z ro 2)、  n
(Sc20 s>n  、(Z ro 2)l−n(G
 cLo 3)n+(Z ro 2L−n(N d20
3)nのような化学的構造を有する。但し、上記11の
値は0.05〜0.2である。
すなわち、このように安定化ジルコニア薄膜3を形成し
たことによって、製造工程が格段に簡略化される。また
安定化ジルコニア薄膜3内の、上述したような安定化剤
分子は、安定化ジルコニア薄膜3の製造時においで、飛
散することがなく、しだがって上記安定化剤の成分比に
、厚み方向の不均一が生じることを防ぐことができた。
第1図(3)では、安定化ジルコニア薄膜3の表面に、
たとえば白金Ptなどから成る多孔質の電極4を、たと
えばスパッタリング法を用いて、たとえば1000人形
成した。次に第1図(4)では、基板1の安定化ジルコ
ニア薄膜3とは反対側に、リングラフィ法および陽極酸
化法などを用いて、二酸化シリコンS i O25をマ
スクとして形成し、異方性エツチングを行ない、安定化
ジルフニア薄膜3の電極4とは反対側の表面に到達する
透孔6を形成した。第1図(5)では、この透孔6を被
覆して、たとえば白金などから成り、多孔質の電極7を
、電極4と同様にスパッタリング法などにより、たとえ
ば1000人形成した。このようにして酸素濃度検出素
子8が構成された。
第2図はこのようにして製造された酸素濃度検出素子8
を用いて、酸素濃度の検出を行なう構成を示す図である
。酸素濃度検出素子8の電極4゜7間には、定電圧源9
から一定レベルの電圧が印加されている。酸素濃度検出
素子8の電極4,7間の電位を測定する電圧計10を、
酸素濃度検出素子8と並列に接続する。酸素濃度検出素
子8において、電極4側には酸素ガスを含む被検出流体
が接触し、電極7側には基準濃度の酸素ガスを有する流
体を接触させる。
このような構成において、前述したように電極4.7は
多孔質なので、電極4,7側の酸素ガスは、電極4,7
を介してそれぞれ安定化ジルコニア薄M3の両表面11
.12に接触する。安定化ジルコニア薄膜3においては
、酸素イオン02+が高濃7一 度側から低濃度側に流れる。すなわち電極4側の酸素ガ
ス濃度が、電極7側の酸素ガス濃度より低い場合を想定
すると、このような酸素イオンは矢符A1方向に流れる
。すなわち安定化ジルコニア薄膜3には、電流が流れる
ことになる。
このような酸素イオンの流量は、電極4,7側の各流量
中の酸素ガス濃度の濃度差に依存し、濃度差が大きくな
れば酸素イオンの流量も大きくなる。したがって安定化
ジルコニア薄11!3のインピーダンスが、前記酸素ガ
スの濃度差に対応しで変化することになる。このインピ
ーダンスの変化を、電圧計10によって電極4,7間の
電位差として読出すことによって、前記酸素ガスの濃度
差を検出することができる。この検出された濃度差と、
電極7側の基準酸素ガス濃度とに基づく演算を行い、電
極4側の酸素ガス濃度を知ることができる。
上述したような製造工程によって製造される酸素濃度検
出素子8は、前述したようないわゆる薄膜製造技術によ
って製造され、基板1上に同時に多数個製造することが
できる。したがって製造される酸素濃度検出素子8を均
一な品質で得ることができる。また安定化ジルコニア薄
膜3を、上述したような薄膜製造技術によって製造した
ので、安定化シルクニア薄膜や電極4,7などの物理的
、化学的特性の高精度な制御が容易であり、品質が格段
に向上された酸素濃度検出素子8を製造することができ
る。また得られた安定化ジルコニア薄膜3は、0.5〜
10μmと#I段に薄くすることができたので、このよ
うな薄膜のインピーダンスを格段に低減することができ
、前記第1の従来技術の比較的大形のセラミックスから
成る固体電解質よりも、低い温度で動作させることがで
きる。またこの低温化によって、基板上の固体電解質薄
膜が、基板と固体電解質薄膜との熱膨張率の相異などに
起因して相互に剥離してしまう現象の発生を防ぐことが
で鰺る。
効  果 以上のように本発明に従えば、固体電解質薄膜をll造
するにあたって、スパッタリング法、化学的気相成長法
、原子層成長法、真空蒸着法およびイオンブレーティン
グ法など、基板上に固体電解質の分子を堆積させて薄膜
を形成する方法を用いて製造するようにした。したがっ
て固体電解質薄膜内における安定他剤分子の分布状態は
、固体電解質薄膜の厚さ方向に均一にすることができ、
したがって素子特性を格段に向上することができる。
またこのような固体電解質薄膜を簡便な工程で製造でき
、また得られた酸素濃度検出素子の特性を均一にするこ
とができるとともに、動作温度を比較的低くすることが
できたので、酸素濃度検出素子の使用に伴う消費電力を
格段に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は酸素濃度検出素子8の製造工程を説明する断面
図、第2図は本発明の一実施例に従う酸素濃度検出素子
8を用いて酸素濃度の検出動作を行なう構成を示す図で
ある。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 基板上に金属窒化物薄膜と、固体電解質と金属酸化物の
    安定化剤とから成り、酸素イオンを高濃度側から低濃度
    側に通過させる固体電解質薄膜とをこの順序で形成して
    酸素濃度検出素子を製造する酸素濃度検出素子の製造方
    法において、 固体電解質薄膜の形成にあたって、固体電解質の分子を
    堆積させて薄膜を形成する方法を用いるようにしたこと
    を特徴とする酸素濃度検出素子の製造方法。
JP60257064A 1985-11-15 1985-11-15 酸素濃度検出素子の製造方法 Expired - Lifetime JPH0641930B2 (ja)

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60257065A (ja) * 1984-06-04 1985-12-18 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 鉛蓄電池用極柱
JPS61147154A (ja) * 1984-12-20 1986-07-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd 薄膜酸素センサ

Patent Citations (2)

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JPS61147154A (ja) * 1984-12-20 1986-07-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd 薄膜酸素センサ

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