JPH05157726A

JPH05157726A - 酸素センサ

Info

Publication number: JPH05157726A
Application number: JP3322114A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Kajima; 孝文鹿嶋; Katsuaki Nakamura; 克明中村; Atsunari Ishibashi; 功成石橋; Yoshinori Kato; 嘉則加藤
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1991-12-05
Filing date: 1991-12-05
Publication date: 1993-06-25

Abstract

(57)【要約】【目的】簡素な生産プロセスにより製造することがで
き、良好なイオン電流特性を得ることができる酸素セン
サの提供を目的とする。【構成】フラットなシリコンウエハ２０の表面に、シ
リコン酸化物からなる絶縁被膜２１を形成したので、該
シリコンウエハ２０上の絶縁被膜２１もフラットとな
り、これによって該絶縁被膜２１上に設けられた、固体
電解質層２２と電極層２３・２４とからなるセンサ素子
に対して安定した限界電流を生じさせることができる。
また、固体電解質層２２と電極層２３・２４とからなる
センサ素子は、シリコンウエハ２０の一方の絶縁被膜２
１に設けられ、かつ固体電解質２２の一方の側にのみ一
対の電極層２３・２４を設ければ足りるので、従来の酸
素センサと比較して生産プロセスが簡略化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、限界電流特性が良好な
薄膜型の酸素センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の酸素センサＡ〜Ｄとして図５〜
図８に示す構成のものが従来より知られている。これら
の酸素センサＡ〜Ｄの中で、酸素センサＡ〜Ｃは厚膜型
構造であり、酸素センサＤは薄膜型構造である。なお、
以下の酸素センサＡ〜Ｄの説明において、構成を共通と
する箇所に同一符号を付してその説明を簡略化する。

【０００３】まず、図５の酸素センサＡについて説明す
ると、この酸素センサＡは、イオン導電体であるＺｒ−
８Ｙ（ＺｒＯ₂ー８mol％Ｙ₂Ｏ₃）等の固体電解質層１
と、該固体電解質層１の両面に積層された所定電圧が印
加される一対の電極層２・３と、これら固体電解質層１
及び電極層２・３からなるセンサ素子４が接合され、該
センサ素子４との間に密閉空間５を形成するフォルステ
ライト等のセラミックス基板６と、センサ素子４とセラ
ミックス基板６との間に形成された密閉空間５を外部に
連通するための気体拡散孔７と、セラミックス基板６の
上面に設けられたセンサ加熱用ヒータ８とから構成され
たものであって、固体電解質層１内では、センサ加熱用
ヒータ８をＯＮとした状態で、かつ電極層２・３に一定
のセンサ監視電圧を印加した状態にしておくと、酸素ポ
ンピング作用により酸素イオンをキャリアとするイオン
電流が流れるようになっている。そして、ここで生じる
酸素ポンピング作用は、気体拡散孔７によって制限さ
れ、センサ監視電圧を増加させてもイオン電流値が増加
しないで一定となる状態（プラトー状態）が得られ、こ
れによって該イオン電流に限界電流を生じさせるように
なっている。

【０００４】なお、厚膜型構造の酸素センサＡ〜Ｃにお
いて、酸素センサＡ（図５参照）と、酸素センサＢ（図
６参照）と、酸素センサＣ（図７参照）との違いは気体
拡散孔が形成される位置にある。すなわち、酸素センサ
Ａの気体拡散孔７はセラミックス基板６に形成されてい
るのに対して、酸素センサＢ・Ｃの気体拡散孔９はセン
サ素子４の側に形成されている。また、図７に示す酸素
センサＣにおいて、符号１０・１１でそれぞれ示すもの
は、センサ素子４の上面に密閉空間を形成するためのセ
ラミックキャップ、封止材である。

【０００５】次に、薄膜型構造の酸素センサＤについて
説明すると、この酸素センサＤは、フォルステライト等
のセラミックをポーラス状に形成したポーラスセラミッ
ク基板１２上に、センサ素子１３が積層されたものであ
り、このセンサ素子１３は、イオン導電体であるＺｒ−
８Ｙ（ＺｒＯ₂ー８mol％Ｙ₂Ｏ₃）等の固体電解質層１４
と、固体電解質層１４の両面にそれぞれ積層されて該固
体電解質層１４に対して所定電圧が印加される一対の電
極層１５・１６とから構成されている。そして、この固
体電解質層１４内では、電極層１５・１６に一定のセン
サ監視電圧を印加した状態にしておくと、上記酸素セン
サＡ〜Ｃと同様に、酸素ポンピング作用により酸素イオ
ンをキャリアとするイオン電流が流れるようになってい
る。なお、前記ポーラスセラミック基板１２のポーラス
な部分は、酸素センサにおいて従来より知られている気
体拡散孔の機能を果たすものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記酸素セ
ンサＡ〜Ｃでは固体電解質層１の各面に電極層２・３が
それぞれ積層されており、また、上記酸素センサＤでは
固体電解質層１４の各面に電極層１５・１６がそれぞれ
積層されており、これによって片面のみの電極形成と比
較して生産のためのプロセスが増加し、大量生産には不
適当であるといった問題が生じていた。一方、固体電解
質層１の両面に電極層２・３が形成された酸素センサＡ
〜Ｃ、固体電解質層１４の両面に電極層１５・１６が形
成された酸素センサＤでは、これらのイオン電流特性は
各固体電解質層１／１４の厚さに影響される。従って、
イオン電流特性を良好に維持するためには、固体電解質
層１／１４の厚さを厳密に設定する必要があり、この点
においても、生産のためのプロセスが複雑となるという
問題があった。

【０００７】この発明は、上記の事情に鑑みてなされた
ものであって、簡素な生産プロセスにより製造すること
ができ、かつ良好なイオン電流特性を得ることができる
酸素センサの提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、シリコンウエハの表面に形成されたシ
リコン酸化物からなる絶縁被膜と、この絶縁被膜上に積
層された固体電解質層と、この固体電解質層上に積層さ
れ、センサ監視電圧がそれぞれ印加される一対の電極層
と、これら電極層の全体を覆うように設けられて、外気
を一部透過させる気体拡散機能を有する気体拡散層とを
具備し、前記電極層を前記絶縁被膜上に一定の間隔をお
いて配置するようにしている。

【０００９】

【作用】この発明によれば、基板であるシリコンウエハ
の表面に、シリコンの酸化物からなる絶縁被膜を形成し
たので、該絶縁被膜を容易に形成することができ、ま
た、該絶縁被膜は極めてフラットなシリコンウエハ上に
形成されることから、該シリコンウエハ上に形成された
絶縁被膜の上面もフラットとなり、これによって該絶縁
被膜に設けられた、固体電解質層と電極層とからなるセ
ンサ素子に対して安定した状態で限界電流を生じさせる
ことができる。一方、固体電解質層、電極層は、シリコ
ンウエハの一方の絶縁被膜に設けられ、かつ固体電解質
の一方の側にのみ一対の電極層を設ければ足りるので、
従来の酸素センサと比較して生産プロセスが簡略化され
る。一方、この酸素センサでは、イオン電流特性が例え
ば固体電解質層上に配置された電極の間隔、気体拡散層
のポーラス度等に依存しているので、従来の酸素センサ
のように、固体電解質層の厚さを厳密に設定する面倒な
作業を省略することができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の第１実施例を図１及び図２に
基づいて説明する。図１に示す酸素センサＥは、基板と
して用いたシリコンウエハ２０のラッピング面に設けら
れたシリコン酸化物（ＳiＯ2）からなる絶縁被膜２１
と、この絶縁被膜２１の一方側に積層されたＺｒ−８Ｙ
（ＺｒＯ₂ー８mol％Ｙ₂Ｏ₃）等の固体電解質層２２と、
この固体電解質層２２上に積層されて、センサ監視電圧
がそれぞれ印加される白金からなる電極層２３・２４
と、これら電極層２３・２４の全体を覆うように設けら
れて、外気の一部を透過させる気体拡散機能を有する気
体拡散層２５とから構成されたものであって、前記電極
層２３・２４は、絶縁被膜２１上に一定の間隔をおいて
配置されている。

【００１１】また、固体電解質層２２及び電極層２３・
２４は共にスクリーン印刷にて塗布され、また、電極層
２３・２４の全体を覆う気体拡散層２５は結晶化ガラス
とステアタイトとの粉末を３：２の重量比で混合したも
のが塗布されている。そして、このようにシリコンウエ
ハ２０上の絶縁被膜２１に塗布された固体電解質層２
２、電極層２３・２４、気体拡散層２５は最終的に焼成
され、これにより酸素センサＥが製造されるようになっ
ている。

【００１２】そして、以上のように構成された酸素セン
サＥでは、図２に示すように、電極層２３・２４に一定
のセンサ監視電圧を印加すると、固体電解質層２２に、
酸素ポンピング作用により酸素イオンをキャリアとする
イオン電流が流れるとともに、この酸素ポンピング作用
が、気体拡散層２５によって制限され、センサ監視電圧
を増加させてもイオン電流値が増加しないで一定となる
状態（プラトー状態）が良好に得られた。具体的には、
４５０℃の大気中で、電極層２３・２４に印加するセン
サ監視電圧を０［Ｖ］から２．０［Ｖ］付近まで徐々に
連続的に上昇させると、０.７〜１.３［Ｖ］の範囲にお
いて、センサ監視電圧を増加させてもイオン電流値が増
加しない限界電流（限界電流値は６０μＡ）が生じるこ
とが確認された。

【００１３】次に、本発明の第２実施例を図３及び図４
を参照して説明する。図３に示す酸素センサＦが図１に
示す酸素センサＥと異なる点はその製造方法である。す
なわち、シリコンウエハ２０の絶縁被膜２１上に積層さ
れた固体電解質層３０、電極層３１・３２、気体拡散層
３３は全てスパッタリングにより形成されている。そし
て、この場合、固体電解質層３０の形成に際してはター
ゲット材としてＺｒ−８Ｙ（ＺｒＯ₂ー８mol％Ｙ₂Ｏ₃）
を用い、電極層３１・３２の形成に際してはターゲット
材として白金を用い、気体拡散層３３の形成に際しては
ターゲット材としてステアタイトを用いた。一方、固体
電解質層３０上の電極層３１・３２はスパッタリングに
より一体に形成させるようにしたが、この後、これら電
極層３１・３２を分離するためにエッチング処理を行な
うようにした。そして、このときエッチングにより電極
層３１と電極層３２との間隔が１０μＡ程度となるよう
に調整するようにした。

【００１４】そして、以上のように構成された酸素セン
サＦでは、図４に示すように、電極層３１・３２に一定
のセンサ監視電圧を印加すると、固体電解質層３０に、
酸素ポンピング作用により酸素イオンをキャリアとする
イオン電流が流れるとともに、この酸素ポンピング作用
が、気体拡散層３３によって制限され、センサ監視電圧
を増加させてもイオン電流値が増加しないで一定となる
状態（プラトー状態）が良好に得られた。具体的には、
３５０℃の大気中で、電極層３１・３２に印加するセン
サ監視電圧を０［Ｖ］から２．０［Ｖ］付近まで徐々に
連続的に上昇させると、０.７〜１.３［Ｖ］の範囲にお
いて、センサ監視電圧を増加させてもイオン電流値が増
加しない限界電流（限界電流値は２０μＡ）が生じるこ
とが確認された。

【００１５】以上説明した酸素センサＥ／Ｆでは、基板
であるシリコンウエハ２０の表面に、シリコンの酸化物
からなる絶縁被膜２１を形成したので、該絶縁被膜２１
を容易に形成することができ、また、該絶縁被膜２１は
極めてフラットなシリコンウエハ２０の表面に形成され
ることから、該シリコンウエハ２０上に形成された絶縁
被膜２１もフラットとなり、これによって該絶縁被膜２
１上に設けられた、固体電解質層２２と電極層２３・２
４とからなるセンサ素子Ｅ（図１参照）、固体電解質層
３０と電極層３１・３２とからなるセンサ素子Ｆ（図２
参照）に対して安定した限界電流を生じさせることがで
きる。一方、固体電解質層２２と電極層２３・２４とか
らなるセンサ素子Ｅ（図１参照）、固体電解質層３０と
電極層３１・３２とからなるセンサ素子Ｆ（図２参照）
は、シリコンウエハ２０の一方の絶縁被膜２１に設けら
れ、かつ固体電解質２２／３０の一方の側にのみ一対の
電極層２３・２４／３１・３２を設ければ足りるので、
従来の酸素センサＡ〜Ｄと比較して生産プロセスが簡略
化され、その結果、工業的な生産が容易となって、コス
トダウンが可能等の効果を奏するものである。

【００１６】一方、酸素センサＥ及びＦでは、イオン電
流特性が例えば固体電解質層２２／３０上に配置された
電極層２３と２４との間隔、電極層３１と３２との間
隔、気体拡散層２５／３３のポーラス度等に依存してい
るので、従来の酸素センサＡ〜Ｄのように、固体電解質
層１／１４の厚さを厳密に設定する面倒な作業を省略す
ることができ、この点においても生産プロセスの効率化
を図り、コストダウンを図ることができる効果が得られ
る。

【００１７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に示
す酸素センサによれば、基板であるシリコンウエハの表
面に、シリコンの酸化物からなる絶縁被膜を形成したの
で、該絶縁被膜を容易に形成することができ、また、該
絶縁被膜は極めてフラットなシリコンウエハ上に形成さ
れることから、該シリコンウエハ上に形成された絶縁被
膜の上面もフラットとなり、これによって該絶縁被膜に
設けられた、固体電解質層と電極層とからなるセンサ素
子に対して安定した状態で限界電流を生じさせることが
できる。

【００１８】一方、固体電解質層、電極層は、シリコン
ウエハの一方の絶縁被膜に設けられ、かつ固体電解質の
一方の側にのみ一対の電極層を設ければ足りるので、従
来の酸素センサと比較して生産プロセスが簡略化され、
その結果、工業的な生産が容易となって、コストダウン
が可能等の効果を奏するものである。一方、この酸素セ
ンサでは、イオン電流特性が例えば固体電解質層上に配
置された電極の間隔、気体拡散層のポーラス度等に依存
しているので、従来の酸素センサのように、固体電解質
層の厚さを厳密に設定する面倒な作業を省略することが
でき、この点においても生産プロセスの効率化を図り、
コストダウンを図ることができる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す酸素センサＥの正
断面図。

【図２】図１に示す酸素センサＥの限界電流特性を示
すグラフ。

【図３】本発明の第２実施例を示す酸素センサＦの正
断面図。

【図４】図３に示す酸素センサＦの限界電流特性を示
すグラフ。

【図５】従来の酸素センサＡを示す正断面図。

【図６】従来の酸素センサＢを示す正断面図。

【図７】従来の酸素センサＣを示す正断面図。

【図８】従来の酸素センサＤを示す正断面図。

【符号の説明】

Ｅ……酸素センサ、Ｆ……酸素センサ、２０……シリコ
ンウエハ、２１……絶縁被膜、２２……固体電解質層、
２３・２４……電極層、２５……気体拡散層、３０……
固体電解質層、３１・３２……電極層、３３……気体拡
散層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加藤嘉則東京都江東区木場一丁目５番１号藤倉電線株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコンウエハの表面に形成されたシリ
コン酸化物からなる絶縁被膜と、この絶縁被膜上に積層された固体電解質層と、この固体電解質層上に積層され、センサ監視電圧がそれ
ぞれ印加される一対の電極層と、これら電極層の全体を覆うように設けられて、外気を一
部透過させる気体拡散機能を有する気体拡散層とから構
成されてなり、前記電極層は、前記絶縁被膜上に一定の間隔をおいて配
置されていることを特徴とする酸素センサ。