JPH0720085A - 限界電流式酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 限界電流特性が揃ったものとして製造するこ
とが容易で、しかも大量生産に向いた構造とする。 【構成】 ポーラスなアルミナなどにより構成された気
体透過性基板１と、該基板の一表面上に、ポーラス性を
持つようにして一様に形成された櫛形パターンのアノー
ド電極薄膜２と、このアノード電極薄膜２上に形成され
た安定化ジルコニアなどのイオン伝導体薄膜３と、さら
にこのイオン伝導体薄膜３上に形成された櫛形パターン
のカソード電極薄膜４と、このカソード電極薄膜４及び
イオン伝導体薄膜３上に形成されたポーラス層５と、さ
らにこのポーラス層５を、その一部である拡散律速層６
を除いて、すべて覆ってしまう、結晶化ガラスなどによ
り形成された封止層７とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、イオン伝導体を用い
た限界電流式酸素センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】限界電流式酸素センサは、イオン伝導体
に導入される酸素量と、イオン伝導体中の酸素イオンを
キャリアとする電流とが対応することを利用して酸素濃
度を検出するものである。すなわち、イオン伝導体の両
面に電極を設けて、それら電極間に電圧を印加すると、
イオン伝導体中の酸素イオンをキャリアとする電流が流
れる。イオン伝導体に導入される時間当たりの酸素量を
絞っておくと、上記の電極間に印加する電圧を上げても
電流は一定値以上に増えない。この電流値は限界電流と
呼ばれ、イオン伝導体に導入される時間当たりの酸素量
に対応したものとなり、この電流値から周囲の雰囲気中
の酸素濃度を知ることができる。

【０００３】このイオン伝導体に導入する時間当たりの
酸素量を絞る構造としては、イオン伝導体の一面を気密
に覆うキャップを設け、このキャップに小孔を設けると
いうものが一般的であるが、センサの薄膜化、製造の容
易化などを図るため、ポーラスな基板を用い、その基板
の気体透過性を利用したものも考えられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来
の、薄膜化を図った構造の限界電流式酸素センサでは、
電極における気体透過性に問題があったり、限界電流特
性が揃ったものを大量に製造することが容易でないなど
の問題があった。

【０００５】この発明は、上記に鑑み、限界電流特性が
揃ったものとして製造することが容易で、大量生産に適
した構造の、限界電流式酸素センサを提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明による限界電流式酸素センサにおいては、
気体透過性を持つポーラスな基板と、該基板の一表面上
にポーラス性を持つようにして一様に形成されたアノー
ド電極薄膜と、このアノード電極薄膜上に形成されたイ
オン伝導体薄膜と、さらにこのイオン伝導体薄膜上に形
成された櫛形パターンのカソード電極薄膜と、このカソ
ード電極薄膜及びイオン伝導体薄膜上に形成されたポー
ラス層と、さらにこのポーラス層を、その一部を除いて
覆う封止層とを有することが特徴となっている。

【０００７】

【作用】イオン伝導体薄膜は、アノード電極薄膜とカソ
ード電極薄膜とにより挾まれる構造となっているが、ア
ノード電極薄膜はポーラスな基板の上に形成されてお
り、その基板の表面状態を反映させてポーラスなものと
し、気体透過性を持たせることは容易である。他方、カ
ソード電極薄膜は緻密な表面となっているイオン伝導体
薄膜上に形成されるため、ポーラスなものとすることは
できない。そこで、カソード電極薄膜については櫛形パ
ターンとして、そのパターンの隙間において気体の流通
を確保する。カソード電極薄膜及びイオン伝導体薄膜上
に形成されたポーラス層は、その一部を除いて封止層に
より覆われているが、その覆われていない部分（つまり
露出部）から酸素が入り込んでポーラス層の全体に拡散
し、イオン伝導体中に導かれる。そのため、この露出部
が拡散律速層として機能することになり、この露出部の
形状等により時間当りのイオン伝導体への導入酸素量を
定めることができる。ポーラス層のポーラス度つまり空
気透過度はコントロール容易であり、露出部の形状等は
再現性高く製造できるので、限界電流特性を揃えること
は容易である。

【０００８】

【実施例】以下、この発明の好ましい一実施例について
図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、この発明
にかかる限界電流式酸素センサのチップの平面図であ
り、図２は図１のＡＡ線断面図である。これらの図に示
すように、気体透過性の基板１上に、アノード電極薄膜
２がポーラス性を持つようにして一様に形成されてい
る。その上にイオン伝導体薄膜３が形成され、さらにそ
のイオン伝導体薄膜３の上に、上記のアノード電極薄膜
２と同様に、櫛形パターンのカソード電極薄膜４が形成
されている。このイオン伝導体薄膜３はたとえばスパッ
タあるいは蒸着により形成される。そして、このカソー
ド電極薄膜４及びイオン伝導体薄膜３を覆うように、気
体透過性を有するポーラス層５が形成されている。この
ポーラス層５は細い引き出し部６を有するようなパター
ンに形成されている。この引き出し部６は後に述べるよ
うに拡散律速層として機能する。さらにこの拡散律速層
（引き出し部）６の先端を除いてポーラス層５のすべて
を覆うように結晶化ガラス等からなる封止層７が形成さ
れている。

【０００９】このような構造の限界電流式酸素センサは
具体的には、たとえばつぎのようにして製造される。ま
ず、気体透過性基板１として、たとえばアルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）材料などで構成されたポーラス性の基板の表面を
機械加工して平坦にしたものを用いる。そしてその上
に、白金をターゲットとしてスパッタリングしてアノー
ド電極薄膜２を形成する。こうして基板１の表面のほぼ
全面を覆うような一様なアノード電極薄膜２を作る。つ
ぎに安定化ジルコニア（ＺｒＯ₂−８ｍｏｌ％Ｙ₂Ｏ₃）
のターゲットを用いてイオン伝導体薄膜３を設け、さら
にその上に、アノード電極薄膜２と同様にしてスパッタ
リングにより櫛形パターンのカソード電極薄膜４を形成
する。このカソード電極薄膜４及びイオン伝導体薄膜３
の上のポーラス層５は、ステアタイトセラミック粉を５
０ｗｔ％添加した結晶化ガラスペーストを印刷（塗布）
することにより形成している。その印刷の際に引き出し
部６が図示のようなパターンに形成されるようにしてい
る。さらにそのポーラス層５を引き出し部６を除いて覆
う封止層７は、結晶化ガラスを印刷（塗布）した後１０
００℃の温度で１０分間焼成することによって形成す
る。最後に、図示しないが、白金ペーストを印刷するこ
とにより封止層７上にヒーターを形成して完成する。な
おこのヒーターは基板１の裏面側に設けてもよいが、イ
オン伝導体薄膜３に近くて加熱効率が高いという点か
ら、封止層７上の方が好ましい。

【００１０】こうして得られた限界電流式酸素センサを
実際に測定してみたところ、図３に示すような電圧−電
流特性を得ることができた。この測定は２００℃の大気
雰囲気中で行なったが、図３に示すように非常に良好な
限界電流特性が得られたことが判明した。

【００１１】一般的には、上記のようにスパッタ等によ
り電極薄膜２、４を形成すると、形成された電極薄膜
２、４は緻密な構造となり易く、ガス交換のための気体
透過性という点では難点があるのであるが、アノード電
極薄膜２については、それがポーラス性基板１の表面に
形成されていることからポーラスなものとすることがで
きる。すなわち、ポーラス性の基板１上にスパッタによ
ってアノード電極薄膜２を形成すると、その基板１の表
面状態を反映してポーラス状となっている電極薄膜２を
得ることができ、全面に一様に形成されたものとなって
いても気体の透過性を確保できる。

【００１２】これに対して、カソード電極薄膜４はイオ
ン伝導体薄膜３上に設けられ、このイオン伝導体薄膜３
の表面は非常に密な状態になっているため、電極薄膜４
は非常に緻密な膜となり気体透過性は得られない。そこ
で、この電極薄膜４については上記の通り櫛形パターン
とすることにより表面積を少なくし、イオン伝導体薄膜
３に対する空気の出入りを確保するようにしている。

【００１３】酸素はポーラス層５の引き出し部６の先端
の、封止層７から露出している部分より流入し、ポーラ
ス層５の全体に広がり、イオン伝導体薄膜３の表面に導
入されて酸素イオンとなる。この酸素イオンはアノード
電極薄膜２側に移動してアノード電極薄膜２とカソード
電極薄膜４との間に電流が流れる。そしてイオン伝導体
薄膜３の裏面で発生した酸素はポーラスな基板１を透過
して裏面側に出ていく。

【００１４】したがって、イオン伝導体薄膜３に導入さ
れる酸素量は、ポーラス層５の単位面積当りの透過空気
量と、細い引き出し部６の断面積と、その長さとによっ
て定められることになる。すなわち、この引き出し部６
が拡散律速層として機能させられる。このポーラス層５
におけるポーラス度つまり空気の透過性のコントロール
は容易であるため、限界電流特性が揃った限界電流式酸
素センサを容易に製造できる。これに対して基板１の気
体透過性を拡散律速性として利用した場合には、その気
体透過性はコントロールが難しいため限界電流特性を揃
えることが困難である。そのため、この限界電流式酸素
センサは特性の揃ったものを大量生産するのに適した構
造であると言える。

【００１５】

【発明の効果】以上実施例について説明したように、こ
の発明の限界電流式酸素センサによれば、大量生産して
も限界電流特性の揃ったものを容易に得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例にかかる限界電流式酸素セ
ンサの平面図。

【図２】図１のＡＡ線断面図。

【図３】同実施例の電圧−電流特性を表わすグラフ。

【符号の説明】

１ 気体透過性基板 ２ 一様なアノード電極薄膜 ３ イオン伝導体薄膜 ４ 櫛形パターンのカソード電極薄膜 ５ ポーラス層 ６ 拡散律速層 ７ 封止層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石橋 功成 東京都江東区木場１丁目５番１号株式会社 フジクラ内 (72)発明者 加藤 嘉則 東京都江東区木場１丁目５番１号株式会社 フジクラ内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気体透過性を持つポーラスな基板と、該
   基板の一表面上にポーラス性を持つようにして一様に形
   成されたアノード電極薄膜と、このアノード電極薄膜上
   に形成されたイオン伝導体薄膜と、さらにこのイオン伝
   導体薄膜上に形成された櫛形パターンのカソード電極薄
   膜と、このカソード電極薄膜及びイオン伝導体薄膜上に
   形成されたポーラス層と、さらにこのポーラス層を、そ
   の一部を除いて覆う封止層とを有することを特徴とする
   限界電流式酸素センサ。