JPS62134551A - 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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JPS62134551A
JPS62134551A JP60275735A JP27573585A JPS62134551A JP S62134551 A JPS62134551 A JP S62134551A JP 60275735 A JP60275735 A JP 60275735A JP 27573585 A JP27573585 A JP 27573585A JP S62134551 A JPS62134551 A JP S62134551A
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厚主 文弘
Yoshinobu Kakihara
柿原 良亘
Tsukasa Doi
土居 司
Toshiyuki Shinozaki
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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、いわゆる固体型fI
!質薄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を検出する
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
いても坩いられている。
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
子において、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としては、たとえば比較的大形
のセラミクス材料が用いられていた。このような比較的
大形のセラミクス材料を用いた場合、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
被測定ガスをたとえば800℃の高温にまで昇温する必
要があった。
また従来技術の薄膜構造を有する酸素濃度検出素子は、
基板上に電極、酸素イオン導電性固体電解質およV?!
!極を、この順序に積層した構造である。この固体電解
質を形成するにあたって1声、所定の成分比の安定化剤
を含む固体電解質と溶剤とをン毘合した固体電解質ペー
ストを用いて、スクリーン印刷法により、たとえばシリ
コンSiなどの基板上に形成していた。またこのような
固体電解質薄膜層が形成された後、これを乾燥する。こ
の固体電解質ペーストの印刷と乾燥とを繰返し行なうこ
とによって、固体電解質を所望のg!厚になるまで積層
し、最後に焼成していた。
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の製造方法では
、前述したように所望の膜厚を有するまで、スクリーン
印刷を繰返し行なう必要があり、操作が煩雑であった。
また前述したような焼成時において、固体電解質内に含
まれる安定化剤が飛散するだめ、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
る特性が低下していた。
本発明の目的は上述の問題点を解決し、安定化ジルコニ
ア薄膜層において、安定化剤が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
性の向上することがでトるとともに、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’!lii
¥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、酸化ジルコニアと金属酸化物の安定化剤とか
ら成る安定化ジルコニア薄膜と電極とを、基板上にこの
順序に形成して酸素濃度検出素子を製造する方法におい
て、 安定化ジルコニア薄膜を形成するにあたって、基板上に
安定化ノルコニ7の分子を堆積させて薄膜を形成する方
法を用い、r&長湿温度400℃〜1000℃安定化剤
添加濃度5〜20モル%で、0.5〜10μ随の膜厚に
形成する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、酸化ジルコニアと金属酸化物の安定化
剤とから成る安定化ジルコニア薄膜を有する酸素濃度検
出素子の製造にあたって、安定化ジルコニア薄膜を形成
するに、スパッタリング法、化学的気相成長法(CV 
D法)、原子層r&長法(ALE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、成長温度、100℃〜1000℃、安定化剤添加濃
度5〜20モル%で0.5〜10μmのIli厚で形成
するようにしrこ。したがって安定化ジルコニア薄膜の
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
ることができる。また酸素濃度を検出する安定化ジルコ
ニア薄膜は、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、安定化ジル
コニア薄膜2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Z ro 2中に
、酸化イツトリウムY2oo、Wet化マグネシウムM
gO,酸化カルシウムCa○、酸化サマリウムSmzO
=、酸化インテリビウムYb20コ、酸化スカンジウム
S c205、酸化ガドレニウムGb20.、酸化テル
ビウムTb2O3などの安定化剤を、5〜20モル%で
添加し、成長温度200〜1000℃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2は、(Z ro 2L −+1(Y 2
03)nまたは(Zro 2L−n(MgO)n +(
Z ro2)、−n(CaO)n 、(Zro 2)、
−n(S ulz○t)n −(Z ro 2)1− 
n(Y b20 、)n、(Z「02H−n(S e2
0s)n l(Z ro 2L−n(G b20 z)
n 、(Z ro 2)、−n(T b20s)nのよ
うな化学的構造を有する。但し、上記n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2を形成したことによって、従来技術で指摘し
たように安定化ノルフェア薄膜2を形成するために、ス
クリーン印刷法を繰返し用いたり、焼成したりするなど
の必要がなく、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2内の、上述したような安定化剤分
子は、安定化ノルコニァ巧嗅2の製造時において、飛散
することがな(、した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(2)では、安定化ジルコニア薄膜2の表面に、
たとえば白金ptなどから成る電極3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(3)では、基板1の安定化シ゛ルコニア薄
v&2とは反対側に、ワ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Si○2をマスク4とし
て形成し、異方性エツチングを行ない、安定化ジルコニ
ア薄膜2の電極3とは反対側の表面に到達する透孔5を
形成した。第4図(4)では、この透孔5を被覆して、
たとえば白金などから成る電極6を、電極3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7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7
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7の電極3゜6間には、定電圧源8
がら一定レベルの電圧が印加されている。酸素(農度検
出素子7の電極3,6間の電位を1llll定rる電圧
計9を、酸素濃度検出素子7と並列に接続する。酸素濃
度検出素子7において、電極3側には酸素ガスを含む被
検出流体が接触し、電極6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3.6は
多孔質なので、電極3,6側の酸素ガスは、下部電極3
.6を介してそれぞれ安定化ジルコニア薄膜2の両表面
10.11に接触する。安定化ジルコニア薄膜2におい
ては、酸素イオン02″が高濃度側から低濃度側に流れ
る。すなわち′:Fi極3側の酸素ガス濃度が、?i!
極6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
定化ソルコニア薄膜2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3.6側の各流量
中の酸素〃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
ジルコニア薄膜2のインピーダンスが、前記酸素ガスの
濃度差に対応して変化することになる。このインピーダ
ンスの変化ヲ、電圧計9によって電極3,6間の電位差
として読出ることによって、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6
側の基準酸素ガス濃度とに基づく演算を行い、電極3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7は、いわゆる前述したようないわゆるTa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7を均一な品質で得ることができる。また安定化ノ
ルフニア薄膜2を、上述したような薄膜製造技術によっ
て製造したので、安定化ノルフニア薄膜や電極3.6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7を製造する
ことができる。また得られた安定化ジルフニア薄膜2は
、0.5〜10μ鴫と格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ン
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。
上述の実施例における安定化ジルコニア薄5膜2の製造
条件は、これを外れた条件下で行うと、製造される安定
化ジルコニア薄膜2の物理的、化学的特性が所望の状態
とならず、たとえば酸素濃度検出動作などが適切に行わ
れなくなってしまうことが確認されている。
効  果 以上のように本発明に従えば、固体電解質J嘆を製造す
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ill積させて薄膜を形成する
方法のいずれか少なくとも1種を用いて製造するように
した。このときの製造条件は、成長温度400 ’C〜
1000 ’C1安定化剤添加濃度5〜20モル%で、
得られた固体1ヒ解“ζ1薄膜の膜厚はO,S〜10μ
哨とした。したがって固本;U角イ貿薄膜内における安
定化剤分子の分布状聾は、固体電解質薄膜の厚さ方向に
均一にしることができ、したがって素子特性を格段に向
−」二することが°ぐきる。またこのような固体電解質
Yi膜を、簡便な工程で製造でき、また得られた酸素濃
度検出素子の保持特性を均一にすることができろととも
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つtl’i ’!!?電77全
77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7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
7を用いて酸素濃度の検出動作を)テなう!1v?我を
示を図である。 1・・基板、2・・・安定化ジルコニア薄膜、3,6・
・・重湯、7・・・酸素濃度検出素子代理〜  弁理士
 西教 圭一部 第1図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 酸化ジルコニアと金属酸化物の安定化剤とから成る安定
    化ジルコニア薄膜と電極とを、基板上にこの順序に形成
    して酸素濃度検出素子を製造する方法において、 安定化ジルコニア薄膜を形成するにあたって、基板上に
    安定化ジルコニアの分子を堆積させて薄膜を形成する方
    法を用い、成長温度400℃〜1000℃、安定化剤添
    加濃度5〜20モル%で、0.5〜10μmの膜厚に形
    成することを特徴とする酸素濃度検出素子の製造方法。
JP60275735A 1985-12-06 1985-12-06 酸素濃度検出素子の製造方法 Expired - Fee Related JPH0675057B2 (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0701124A1 (de) * 1994-09-06 1996-03-13 Conel Ag Sauerstoffsensor

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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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