JPS6296854A - 酸素センサ - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 未発明は雰囲気中の酸素震度を検出する酸素センサに関
し、特に酸素の濃淡型／ｌ！２を構成してそＬ濃度値を
測定する酸素センサに関するものである。

〈従来の技術〉 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、
溶銅中の酸素濃度の測定あるいは半導体プロセスでの酸
素濃度制御等の如く民生用、産業用の各分野に広く必要
とされており、従来から酸素濃度の測定には次の様な酸
素センサが知られている。

（１）　　磁気式酸素センサ （２１カルバニ電ｉＬｔ酸素センサ （３）合属酸化物半導体を用・いた抵抗変化式酸素セン
サ ・、４）　固定１−ａ解質を用いた限界電流式酸素セシ
サ（５）固定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は、酸素が常磁性気体である
ことより、不均一磁界に酸素を流した場合に酸素が磁界
の強め方に引き付けられる現象を利用したものであり、
この時の圧力また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、ガス透過膜等より構成された電池を利用
し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、磁気式よりも小型でかつポータプルで
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て短
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は、ＴｉＯ２，ＳｎＯ□。

Ｍ　ｎ　Ｏ、Ｎ　ｂ　２０５等の金属酸化物が７００°
Ｃ以上の高温においては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という現
象を利用したものであり、素子構造が簡単で小型化する
ことができ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捷たＣｏ、ＣＨ４，ＮＯｘ
　、ＳＯｘ等の酸化還元ガスの影響を受は易いという欠
点がある。（４）の固体電解質？利用した限界電流式酸
素センサは、ＺｒＯ□、ＣｅＣ）２　、　Ｂ　ｉ　２０
３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た構造を有し、陰
極と陽極に電圧を印加した場合に両電極間に流れる電流
が雰囲気酸素ａ度に依存して変化することを利用したも
ので参照ガスが不要となる。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、震度酸素の測定は困難であり、さらに固体電解
質のイオン主導度を充分高い値Ｑて保持するために素子
全高温に加熱する必要がある等の欠点がある。（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、酸素濃度が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、）ｄ・ら、次式て表わされるネルンストｐ
ｏＩ＋２．測定室の酸素分圧 Ｐｏ１２　　。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濃度
から低儂度せで広い範囲にわたって酸素を検出てきると
ｒう利点を有しているが常に参照ガス全必要とし、また
固体電解質のイオン主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がある。さらに
、上記（４）及び（５）の固体電解質？用ｒた酸素セン
サにおいて、従来の固体電解質にはセラミックス焼結体
が用いられており、このため固体電解質の特性の均一性
、再現性に問題があり、また素子を薄膜化、微細化する
ことは不可能で量産性に欠けるという欠点と有してｈる
。

〈発明の目的〉 大発明は、上述した従来の酸素センサが有している欠点
を解決すること、特に固体電解質を用いたａ淡電池式酸
素センサに対して薄膜化及び微細化を施すことにより特
性の均一性、再現性及び素子の量産性の向上を計るとと
もに固体電解質全薄膜化することにより、より低温度で
酸素センサを動作させることを可能とした新規な構造を
有する酸素センサを提供すること全目的とするものであ
る。

〈実施例〉 添附図面は大発明の一実施例を示す酸素センサの構成断
面図である。ｌはシリコン（Ｓｉ）２＆版、２は固体電
解質薄膜、３は白金（Ｐｔ）電極である。

固体電解質薄膜２は酸素イオン導電特性と有し、［１０
０］方位面のシリコン基板Ｉの上面に成膜される。その
成膜法は金属シリコニウム（Ｚｒ）に金属イツトリウム
（Ｙ）を分散したターゲ・ノドを用いシリコン基板Ｉの
温度を９００℃に昇温しでアルゴンと酸素の混合ガス雰
囲気中で反応性ス／ｓＯ、。

タリングを施すことにより、イツトリウムで安定化され
た酸化ジルコニウム薄膜を形成する。その膜厚は５μｍ
程度が適当である。この安定化酸化ジルコニウム薄膜か
ら成る固体電解質薄＠２の表面に白金電極３ｔスパツタ
リングでＩ　ＯＯＯＡ’程度の均一な厚さに形成して多
孔質の白金電極３とした後、酸化ジルコニウム薄膜２の
形成されていないシリコン基板ｌの裏面に二酸化シリコ
ン（Ｓｉｎ２）（図示せず）をマスクとして円環状に被
着し、エヂレンジアミン、パイロカテコール。

水の混合エツチング液でシリコン基板ｌに異方性エツチ
ングに行なう。このエツチングによって円桂状のシリコ
ン基板ｌの中心部は除去され、シリコン基板ｌは中空環
状に成形される。固体電解質薄膜２はこのエツチングで
は影響を受けない。二酸化シリコンを除去した後、シリ
コン基板ｌの裏面及び中空内壁面に白金をスパッタリン
グで形成して多孔質の白金電極３とする。シリコン基板
Ｉの中空内では固体電解質薄膜２の裏面が露出しており
、従ってこの部分ては白金電極３は固体電解質薄膜２に
直接密着形成される。固体電解質薄膜２に直接形成され
る白金電極３の厚さは約１０００Ａ０程度となるように
スパッタリングする。表裏両面の白金電極３にリード線
をボンディングして起電力を取り出す外部接続手段を付
加することにより図面に示すような酸素センサが作製さ
れる。尚、ここでシリコン基板１は固体電解質薄膜２に
対する支持体としての作用をなすものであり、Ｓ１以外
にガラス、セラミック　有機高分子材等種々の材料を用
いることができる。シリコン基板１の中空部における固
体電解質薄膜２とこの両面に形成された白金電極３の間
が酸素検知部となり、酸素ガスの存在が電気的に報知さ
れる。

次に上記構造から成る酸素センサの動作原理について説
明する。シリコン基板ｌの上面の白金電極３を測定すべ
き酸素ガスの存在する雰囲気下に配置する。シリコン基
板Ｉの中空内部は参照室となる領域であり、シリコン基
板ｌの裏面方向より酸素濃度が既知の酸素ガスを中空内
部へ供給する。

この状態で固体電解質薄膜２は裏面側が多孔質の白金電
極３を介して既知の酸素ガスと接触し、表面側が多孔質
の白金電極３？介して測定すべき酸素ガスと接触するこ
ととなる。従って、表裏面の酸素ガス濃度が相違すると
固体電解質薄膜２に酸素濃淡電池が形成され、酸素濃度
差に応じて固体電解質薄膜２に内部起電力が発生する。

この起電力？白金電極３及びリード線により外部へ取り
出すことにより、表面側の酸素ガス濃度が測定される。

以上の様に作製した酸素センサはシリコン基板１に同時
に多数個作製することができるので、動作特性が均一な
センサを多数生産することが可能であり、さらに固体電
解質はセラミックス焼結法？用いずにスパッタリング法
を用いて形成することがてきるため、固体電解質薄膜２
の特性全制御し易く、再現性に優れた薄膜の作製が可能
である。

固体電解質薄膜２は上記以外にも真空蒸着法、イオンブ
レーティング法１粒体成形後塗布する方法ＣＶＤ法等で
形成される。上記実施例において固体電解質の膜厚は５
μｍと薄いため、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、従来のセラミックスより成るバル
ク型固体電解質よりも低い温度で酸素センサを動作させ
ることができる。固体電解質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すたが、マグ不ソウム、
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、寸たＣｅＯ２、Ｂｉ２Ｏ３等の酸素イ
オン導電体を用いても良鱈。さ、らに電極として、スパ
ッタリングで形成した白金型ｋ　ｆ用いたが、多孔性導
電膜であれば池の金罵−または金用酸化物を用いても酸
素センサは作製可能である。

〈発明の効果〉 以上詳細に説明したように、支持基板りに固体電解質薄
膜を形成し、固体電解質薄膜の一部分に用いてその表面
及び裏面に導電性電極全形成することにＸり検知部とし
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
物理的及び機械的に安定であり安価に提供することがで
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、消費電力を大幅に低減することも可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

添附図面は本発明の一実施例を示す酸素センサの模式構
成断面図である。 １・・・ノリコン基板、２・・・固体電解質薄膜、３・
・白金電極

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．貫通空隙を有する支持体の片端に酸素イオン導電特
   性を有する固体電解質薄膜を層設するとともに前記貫通
   空隙を既知濃度の酸素ガスが導入される参照室とし、前
   記固体電解質薄膜には前記参照室の側の面で接触する酸
   素ガスと逆の面で接触する被測定酸素ガス間の濃度差に
   応じて発生する起電力を取り出す電極手段が形成されて
   いることを特徴とする酸素センサ。
2. ２．固体電解質薄膜として安定化ジルコニアを用いた特
   許請求の範囲第１項記載の酸素センサ。
3. ３．固体電解質薄膜はスパッタ膜から成る特許請求の範
   囲第１項又は第２項記載の酸素センサ。
4. ４．電極手段は固体電解質薄膜に重畳された酸素透過性
   の導電膜から成る特許請求の範囲第１項記載の酸素セン
   サ。
5. ５．酸素透過性の導電膜として白金のスパッタ膜を用い
   た特許請求の範囲第４項記載の酸素センサ。