JPS62144063A - 限界電流式酸素センサ - Google Patents
限界電流式酸素センサInfo
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- JPS62144063A JPS62144063A JP60285957A JP28595785A JPS62144063A JP S62144063 A JPS62144063 A JP S62144063A JP 60285957 A JP60285957 A JP 60285957A JP 28595785 A JP28595785 A JP 28595785A JP S62144063 A JPS62144063 A JP S62144063A
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- Japan
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- thin film
- oxygen sensor
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Abstract
(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。
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Description
【発明の詳細な説明】
〈産業上の利用分野〉
本発明は、雰囲気中の酸素濃度を検出する酸素センサに
関し、特に拡散層を使い酸素分子の拡散を制限すること
により酸素イオン電流を検出し、この検出値より酸素濃
度を求める酸素センサに関するものである。
関し、特に拡散層を使い酸素分子の拡散を制限すること
により酸素イオン電流を検出し、この検出値より酸素濃
度を求める酸素センサに関するものである。
〈従来技術とその問題点〉
雰囲気中の酸素濃度の測定は、自動車の空燃比制御、家
庭内や工場内の酸欠測定、ボイラや暖房器の燃焼制御、
溶鋼中の酸素濃度測定、半導体プロセスでの酸素濃度制
御等の民生用、産業用として広く必要とされており、従
来次の様な酸素センサが知られている。
庭内や工場内の酸欠測定、ボイラや暖房器の燃焼制御、
溶鋼中の酸素濃度測定、半導体プロセスでの酸素濃度制
御等の民生用、産業用として広く必要とされており、従
来次の様な酸素センサが知られている。
（１）！気式酸素センナ
（２）ガルバニ電池式酸素センサ
（３）金属酸化物半導体を用いた抵抗変化式酸素センサ
（４）固体電解質を用いた限界電流式酸素センサ（５）
固体電解質を用いた酸素濃淡電池式酸素センサ （１）の磁気式酸素センサば、酸素が常磁性気体である
ことを利用したもので、不均一磁界に酸素を流した場合
に酸素が磁界の強い方に引き付けられ、その時の圧力又
は引き付けられる力を測定することにより酸素濃度を検
出する方式である。この方式は常温で酸素濃度の測定が
可能であるが、装置が大型で複雑となり非常に高価であ
るという欠点を有している。（２）のガルバニ電池式酸
素センサは陽極、陰極、アルカリ電解質溶液及びガス透
過膜等により構成された電池で雰囲気からガス透過膜を
通して電解液に溶解した酸素の還元電流を測定すること
により雰囲気中の酸素濃度を検出する方式である。この
方式は常温で酸素濃度の測定が可能であり磁気式よりも
小型、ポータプルであるという利点を有するが、装置構
成に液体が含まれるので取り扱いに注意を要しまた連続
使用に不向きで短寿命であるという欠点を有している。
固体電解質を用いた酸素濃淡電池式酸素センサ （１）の磁気式酸素センサば、酸素が常磁性気体である
ことを利用したもので、不均一磁界に酸素を流した場合
に酸素が磁界の強い方に引き付けられ、その時の圧力又
は引き付けられる力を測定することにより酸素濃度を検
出する方式である。この方式は常温で酸素濃度の測定が
可能であるが、装置が大型で複雑となり非常に高価であ
るという欠点を有している。（２）のガルバニ電池式酸
素センサは陽極、陰極、アルカリ電解質溶液及びガス透
過膜等により構成された電池で雰囲気からガス透過膜を
通して電解液に溶解した酸素の還元電流を測定すること
により雰囲気中の酸素濃度を検出する方式である。この
方式は常温で酸素濃度の測定が可能であり磁気式よりも
小型、ポータプルであるという利点を有するが、装置構
成に液体が含まれるので取り扱いに注意を要しまた連続
使用に不向きで短寿命であるという欠点を有している。
（３）の金属酸化物半導体を用いた酸素センサばＴｉＯ
２゜５ｎ０２．ＭｎＯ，Ｎｂ２Ｏ５等の金属酸化物が７
００℃以上の高温において、雰囲気中の酸素濃度に依存
して酸化還元され、該金属酸化物の抵抗が変化すること
を利用しており、素子構造が簡単で小型化されかつ安価
であるという利点を有しているが、素子を高温に加熱す
る必要があり、またＣｏ、ＣＨ４゜ＮＯｘ、ＳＯｘ等の
酸化還元ガスの影響を受は易い欠点を有している。（４
）の固体電解質を利用した限界電流式酸素センサばＺｒ
Ｏ２，ＣｅＯ２あるいはＢ ｉ２０３等を主成分とする
固体電解質の表裏に多孔質の電極を付け、さらに陰極に
酸素拡散層を設け、陰極と陽極間に電圧を印加すること
により両電極間に流れる電流が雰囲気酸素濃度に依存す
ることを利用したもので、参照ガスがいらない、デバイ
ス構造が簡単である。高濃度酸素の検出に適している等
の利点を有しているが、低濃度酸素の測定は困難であり
、さらに固体電解質のイオン電導度を充分高い値に保つ
ために素子を高温に加熱する必要がある等の欠点を有し
ている。（５）の固体電解質を用いた酸素濃淡電池式酸
素センサは表裏に多孔質電極を付けた固体電解質を測定
室と参照室の間に設け、酸素濃度既知のガスを参照室に
流し、測定室側の電極と参照室側の電極で構成される電
池の起電力（Ｅ、Ｍ、Ｆ）から、次式で表わされるネル
ンスト Ｐｏ２′Ｉ：測定室の酸素分圧 Ｐｏ２’ ：参照室の酸素分圧 Ｆ ：ファラデ一定数 Ｒ：気体定数 Ｔ ：絶対温度 の式を用いて測定室側の酸素濃度を検知する方式である
。この方式は参照室側のガスを選択することにより高ａ
度から低濃度まで広い範囲にわたって酸素を検出するこ
とができる利点を有しているが常に参照ガスを必要とし
、また固体電解質のイオン電導度を充分高い値に保つた
めに、素子を高温に加熱する必要がある等の欠点を有し
ている。
２゜５ｎ０２．ＭｎＯ，Ｎｂ２Ｏ５等の金属酸化物が７
００℃以上の高温において、雰囲気中の酸素濃度に依存
して酸化還元され、該金属酸化物の抵抗が変化すること
を利用しており、素子構造が簡単で小型化されかつ安価
であるという利点を有しているが、素子を高温に加熱す
る必要があり、またＣｏ、ＣＨ４゜ＮＯｘ、ＳＯｘ等の
酸化還元ガスの影響を受は易い欠点を有している。（４
）の固体電解質を利用した限界電流式酸素センサばＺｒ
Ｏ２，ＣｅＯ２あるいはＢ ｉ２０３等を主成分とする
固体電解質の表裏に多孔質の電極を付け、さらに陰極に
酸素拡散層を設け、陰極と陽極間に電圧を印加すること
により両電極間に流れる電流が雰囲気酸素濃度に依存す
ることを利用したもので、参照ガスがいらない、デバイ
ス構造が簡単である。高濃度酸素の検出に適している等
の利点を有しているが、低濃度酸素の測定は困難であり
、さらに固体電解質のイオン電導度を充分高い値に保つ
ために素子を高温に加熱する必要がある等の欠点を有し
ている。（５）の固体電解質を用いた酸素濃淡電池式酸
素センサは表裏に多孔質電極を付けた固体電解質を測定
室と参照室の間に設け、酸素濃度既知のガスを参照室に
流し、測定室側の電極と参照室側の電極で構成される電
池の起電力（Ｅ、Ｍ、Ｆ）から、次式で表わされるネル
ンスト Ｐｏ２′Ｉ：測定室の酸素分圧 Ｐｏ２’ ：参照室の酸素分圧 Ｆ ：ファラデ一定数 Ｒ：気体定数 Ｔ ：絶対温度 の式を用いて測定室側の酸素濃度を検知する方式である
。この方式は参照室側のガスを選択することにより高ａ
度から低濃度まで広い範囲にわたって酸素を検出するこ
とができる利点を有しているが常に参照ガスを必要とし
、また固体電解質のイオン電導度を充分高い値に保つた
めに、素子を高温に加熱する必要がある等の欠点を有し
ている。
さらに（４） 、 （５）の固体電解質を用いた酸素セ
ンサにおいて、従来固体電解質はセラミックス焼結体を
用いており固体電解質の特性の均−性及び再現性（て問
題があり、また素子を薄膜化、微細化するの（は不可能
で量産性が悪いという欠点を有している〇〈発明の目的
〉 本発明は」二連した様な従来の酸素センサが有していた
欠点を解決すること、特に酸素イオンの導電体としての
固体電解質をＲ膜化、微細化し、特性の均一性、再現性
及び素子の量産性の向上を計る表ともに固体電解質を薄
膜化することにより低温度で酸素センサを動作させるこ
と、さらに多孔質セラミックス基板を基板として用いる
とともに酸素分子の拡散層としても用いることで低価格
を計ることを目的にしたものである。
ンサにおいて、従来固体電解質はセラミックス焼結体を
用いており固体電解質の特性の均−性及び再現性（て問
題があり、また素子を薄膜化、微細化するの（は不可能
で量産性が悪いという欠点を有している〇〈発明の目的
〉 本発明は」二連した様な従来の酸素センサが有していた
欠点を解決すること、特に酸素イオンの導電体としての
固体電解質をＲ膜化、微細化し、特性の均一性、再現性
及び素子の量産性の向上を計る表ともに固体電解質を薄
膜化することにより低温度で酸素センサを動作させるこ
と、さらに多孔質セラミックス基板を基板として用いる
とともに酸素分子の拡散層としても用いることで低価格
を計ることを目的にしたものである。
〈実施例〉
第１図は本発明の１実施例を示す酸素センサの構成図で
ある。多孔質セラミックス基板１上に固体電解質薄膜２
が搭載されている。この固体電解質薄膜２は両面に白金
電極３が被着され、白金電極３で挾持された状態でセラ
ミックス基板１に堆積されている。この酸素センサは次
のようにして製作される。即ち、気孔率が５〜３０係の
多孔質セラミックス基板１に白金電翫３をスパッタリン
グで＋ｏｏｏＸ形成する。さらに金属ジルコニウム（Ｚ
ｒ）に金属イツトリウム（Ｙ）を分散したターゲットを
用いセラミックス基板１の温度を９００℃に加熱し、ア
ルゴンと酸素の混合ガスを用いて反応性スパッタリング
により白金電極３上にイツトリウムで安定化した酸化ジ
ルコニウム（Ｚｒ０２）薄膜を５７ｚｍ堆積する。この
安定化された酸化ジルコニウム薄膜が固体電解質薄膜２
となる。酸化ジルコニウム薄膜の表面には白金電極３を
スハンタリングで１００ＯＡ形成して固体電解質薄膜２
を白金電極３で挾持することＫより第１図に示す様な酸
素センサが作製される。
ある。多孔質セラミックス基板１上に固体電解質薄膜２
が搭載されている。この固体電解質薄膜２は両面に白金
電極３が被着され、白金電極３で挾持された状態でセラ
ミックス基板１に堆積されている。この酸素センサは次
のようにして製作される。即ち、気孔率が５〜３０係の
多孔質セラミックス基板１に白金電翫３をスパッタリン
グで＋ｏｏｏＸ形成する。さらに金属ジルコニウム（Ｚ
ｒ）に金属イツトリウム（Ｙ）を分散したターゲットを
用いセラミックス基板１の温度を９００℃に加熱し、ア
ルゴンと酸素の混合ガスを用いて反応性スパッタリング
により白金電極３上にイツトリウムで安定化した酸化ジ
ルコニウム（Ｚｒ０２）薄膜を５７ｚｍ堆積する。この
安定化された酸化ジルコニウム薄膜が固体電解質薄膜２
となる。酸化ジルコニウム薄膜の表面には白金電極３を
スハンタリングで１００ＯＡ形成して固体電解質薄膜２
を白金電極３で挾持することＫより第１図に示す様な酸
素センサが作製される。
この様に作製した酸素センサは多孔質セラミックス基板
１に同時に多数個作製することができるので個々のセン
サ素子に分割した場合に素子特性が均一なものとなり、
さらに固体電解質薄膜２はセラミックス焼結法を用いず
にスパッタリング法を用いて形成しているため固体電解
質薄膜２の特性を制御し易く、再現性に優れた薄膜を作
製することができる。
１に同時に多数個作製することができるので個々のセン
サ素子に分割した場合に素子特性が均一なものとなり、
さらに固体電解質薄膜２はセラミックス焼結法を用いず
にスパッタリング法を用いて形成しているため固体電解
質薄膜２の特性を制御し易く、再現性に優れた薄膜を作
製することができる。
次に上記構造の酸素センサの動作について説明する。第
２図（Ａ）に示す如く安定化された酸化ジルコニア等の
酸素分子が透過可能な薄い固体電解質薄膜２を白金等の
触媒作用を有する電極３で挾持した場合には高温におい
て外部より両電極３へ電圧を印加すると、固体電解質薄
膜２の酸素イオン空孔を介して酸素イオンが流入、陰極
では酸素分子カニイオン化し陽極でこれが酸素分子とな
る。この現象は一般に酸素のポンピング作用と称されて
いる。第２図（Ｂ）は印加電圧とポンピング電流の関係
を示す特性図である。第２図（Ａ）の状態では酸素濃度
によるポンピング電流の変化は小さい。第２図（Ａ）の
構造における陰癒叫に第３図（Ａ）に示す如く小孔５を
有するキャップ４を冠着し、印加電圧とポンピング電流
の関係を求めると第３図（Ｂ）に示す如くとなる。第３
図ＣＢ）より明らかな如く印ＪＪ［Ｉ電圧対ボンピング
電流特性ｔＪａ線ＩＣは平坦化された領域が現われる。
２図（Ａ）に示す如く安定化された酸化ジルコニア等の
酸素分子が透過可能な薄い固体電解質薄膜２を白金等の
触媒作用を有する電極３で挾持した場合には高温におい
て外部より両電極３へ電圧を印加すると、固体電解質薄
膜２の酸素イオン空孔を介して酸素イオンが流入、陰極
では酸素分子カニイオン化し陽極でこれが酸素分子とな
る。この現象は一般に酸素のポンピング作用と称されて
いる。第２図（Ｂ）は印加電圧とポンピング電流の関係
を示す特性図である。第２図（Ａ）の状態では酸素濃度
によるポンピング電流の変化は小さい。第２図（Ａ）の
構造における陰癒叫に第３図（Ａ）に示す如く小孔５を
有するキャップ４を冠着し、印加電圧とポンピング電流
の関係を求めると第３図（Ｂ）に示す如くとなる。第３
図ＣＢ）より明らかな如く印ＪＪ［Ｉ電圧対ボンピング
電流特性ｔＪａ線ＩＣは平坦化された領域が現われる。
この平坦化域は空気のキャップ４内への流入が小孔５に
よって制限されるため酸素分子が律速され、電圧を大き
くしても電流がほとんど変化しないことに起因して生ず
る。これを限界電流特性と称する。この平坦化域の電圧
を印加することで酸素濃度による限界電流の相違から酸
素濃度が求する。第１図に示す酸素センサは多孔質セラ
ミックス基板ｌが小孔５を有するキャップ４の作用をし
ている。即ち、多孔質セラミック基板１は酸素センナを
支持する基板としての作用のみならず、電極３から固体
電解質薄膜２へ酸素分子を供給する酸素分子の拡散層と
しても作用し、酸素分子の流入を律速する。気孔率が一
定の多孔質セラミックス材を用いれば再現性が良く均一
な特性の酸素センサを多数得るこさができ、低価格化を
計ることも可能となる。気孔率の値としては２φ〜５０
％の範囲で設定されるが望°ましくは５％〜３０％の範
囲で適宜選定する。本実施例でばこｈを約１５％前後に
設定した。
よって制限されるため酸素分子が律速され、電圧を大き
くしても電流がほとんど変化しないことに起因して生ず
る。これを限界電流特性と称する。この平坦化域の電圧
を印加することで酸素濃度による限界電流の相違から酸
素濃度が求する。第１図に示す酸素センサは多孔質セラ
ミックス基板ｌが小孔５を有するキャップ４の作用をし
ている。即ち、多孔質セラミック基板１は酸素センナを
支持する基板としての作用のみならず、電極３から固体
電解質薄膜２へ酸素分子を供給する酸素分子の拡散層と
しても作用し、酸素分子の流入を律速する。気孔率が一
定の多孔質セラミックス材を用いれば再現性が良く均一
な特性の酸素センサを多数得るこさができ、低価格化を
計ることも可能となる。気孔率の値としては２φ〜５０
％の範囲で設定されるが望°ましくは５％〜３０％の範
囲で適宜選定する。本実施例でばこｈを約１５％前後に
設定した。
上記実施例において固体電解質薄膜２の膜厚は５７ｚｍ
程度で非常に薄いため膜のインピーダンスを非常に低く
することができ、従って従来のセラミ’７クスより成る
バルク型固体電解質よりも低い＠度で酸素センサを動作
させることができる。ここで固体電解質薄膜２としては
イツトリウムで安定化した酸化ジルコニウムを用いたが
マグネシウム、カルシウム等の他の金属で安定化した酸
化ジルコニウムを用いても良く、またＣｅＯ２、Ｂｉ２
Ｏ３等の酸素イオン導電体を用いても良い。さらに電極
としてはスパツタリングで形成した白金１）Ｌ極を用い
ているが、多孔性導電膜であれば他の金属または金属酸
化物を用いても、本発明の酸素センサを作製することは
可能である。
程度で非常に薄いため膜のインピーダンスを非常に低く
することができ、従って従来のセラミ’７クスより成る
バルク型固体電解質よりも低い＠度で酸素センサを動作
させることができる。ここで固体電解質薄膜２としては
イツトリウムで安定化した酸化ジルコニウムを用いたが
マグネシウム、カルシウム等の他の金属で安定化した酸
化ジルコニウムを用いても良く、またＣｅＯ２、Ｂｉ２
Ｏ３等の酸素イオン導電体を用いても良い。さらに電極
としてはスパツタリングで形成した白金１）Ｌ極を用い
ているが、多孔性導電膜であれば他の金属または金属酸
化物を用いても、本発明の酸素センサを作製することは
可能である。
〈発明の効果〉
以上詳細に説明したように、多孔質基板上に薄膜固体電
解質を形成し、該固体電解質の表面と裏面に導電性電極
を形成した酸素センサは、大量生産が可能で素子特性が
均一であり、安価に作製することができる。さらに、素
子が小型で動作温度を低くすることができることより、
消費電力が激減されることになる。
解質を形成し、該固体電解質の表面と裏面に導電性電極
を形成した酸素センサは、大量生産が可能で素子特性が
均一であり、安価に作製することができる。さらに、素
子が小型で動作温度を低くすることができることより、
消費電力が激減されることになる。
第１図は本発明の１実施例を示す酸素センサの断面図で
ある。 第２図（Ａ）（Ｂ）及び第３図（Ａ）（Ｂ）は第１図に
示す酸素センサの動作説明に供する説明図である。 １・・・多孔質セラミ’７クス基板 ２・・・固体電
解質薄膜 ３・・・電頂
ある。 第２図（Ａ）（Ｂ）及び第３図（Ａ）（Ｂ）は第１図に
示す酸素センサの動作説明に供する説明図である。 １・・・多孔質セラミ’７クス基板 ２・・・固体電
解質薄膜 ３・・・電頂
Claims (1)
- １ 多孔質基板上に酸素分子が透過し得る金属薄膜電極
で酸素イオン導電体薄膜を挾持して成る三層構造を堆積
し、前記多孔質基板を介して前記三層構造へ酸素分子を
供給する通路を構成したことを特徴とする限界電流式酸
素センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60285957A JPS62144063A (ja) | 1985-12-18 | 1985-12-18 | 限界電流式酸素センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60285957A JPS62144063A (ja) | 1985-12-18 | 1985-12-18 | 限界電流式酸素センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62144063A true JPS62144063A (ja) | 1987-06-27 |
Family
ID=17698142
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60285957A Pending JPS62144063A (ja) | 1985-12-18 | 1985-12-18 | 限界電流式酸素センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62144063A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03165253A (ja) * | 1989-11-24 | 1991-07-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 酸素センサ |
| JPH03296656A (ja) * | 1990-04-16 | 1991-12-27 | Kanebo Ltd | 酸素センサー |
| JPH0552803A (ja) * | 1991-08-21 | 1993-03-02 | Fujikura Ltd | 酸素センサの製造方法 |
| JPH05196599A (ja) * | 1991-07-30 | 1993-08-06 | British Gas Plc | 酸素センサ |
| JPH06258281A (ja) * | 1993-03-09 | 1994-09-16 | Fujikura Ltd | イオン伝導体デバイスの製造方法 |
| JPH06258280A (ja) * | 1993-03-09 | 1994-09-16 | Fujikura Ltd | イオン伝導体デバイス |
| JPH06317555A (ja) * | 1993-05-07 | 1994-11-15 | Fujikura Ltd | セラミック酸素センサの製造方法 |
-
1985
- 1985-12-18 JP JP60285957A patent/JPS62144063A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03165253A (ja) * | 1989-11-24 | 1991-07-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 酸素センサ |
| JPH03296656A (ja) * | 1990-04-16 | 1991-12-27 | Kanebo Ltd | 酸素センサー |
| JPH05196599A (ja) * | 1991-07-30 | 1993-08-06 | British Gas Plc | 酸素センサ |
| JPH0552803A (ja) * | 1991-08-21 | 1993-03-02 | Fujikura Ltd | 酸素センサの製造方法 |
| JPH06258281A (ja) * | 1993-03-09 | 1994-09-16 | Fujikura Ltd | イオン伝導体デバイスの製造方法 |
| JPH06258280A (ja) * | 1993-03-09 | 1994-09-16 | Fujikura Ltd | イオン伝導体デバイス |
| JPH06317555A (ja) * | 1993-05-07 | 1994-11-15 | Fujikura Ltd | セラミック酸素センサの製造方法 |
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