JPH0735726A - 気体成分検出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加熱空気のように酸素濃度が減少した場合に
も補正を必要とせず、またその形状を小形化することに
より精度の高い、かつ安定性良好な気体成分検出素子を
得るとともに、始動から動作が安定するまでの時間を短
縮し、さらにその気体成分検出素子を簡単な工程と装置
により製造できるようにする。 【構成】 絶縁物又は半導体からなる基板１と、この基
板１上に形成された第１の絶縁層３と、この絶縁層の上
に形成されたヒータ層４と、このヒータ層の上に形成さ
れた第２の絶縁層５と、この第２の絶縁層５の上に形成
された安定化ジルコニア層６と、この安定化ジルコニア
層６の両端に電気的に接続した貴金属の電極７ａ、７ｂ
と、この電極７ａ、７ｂと安定化ジルコニア層６上に形
成された第３の絶縁層９とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、気体の酸素および湿
度を検出するのに適した気体成分検出素子に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】図９および図１０は限界電流式ジルコニ
ア酸素検出素子の原理を示す構成図、図１１は図９およ
び図１０の構成における電圧と電流との関係を示す特性
図、図１２は印加電圧と限界電流との関係を示す特性
図、図１３は湿った空気と乾燥した空気における印加電
圧と限界電流との関係を示す特性図、図１４は水蒸気圧
と電流との関係を示す特性図である。まず、限界電流式
ジルコニア酸素検出素子の原理について説明する。固体
電解質であるＺｒＯ２すなわちジルコニア素子１は、摂
氏数百度に加熱すると、内部をＯ２−イオンを通過させ
ることができる。図９に示すように、このＺｒＯ２の両
側に電極７ａ、７ｂを設け、電源８により電圧を印加す
ると、カソード側からアノード側にＯ２−イオンを運ぶ
ことができる。これを酸素ポンプ作用と呼ぶ。

【０００３】さらに図１０に示すように、カソード側の
電極４に小さな孔１１の開いた、カバー１２を設け、ガ
スの流入を制限する。

【０００４】すると、図１１に示すように、印加電圧を
上昇させても、電流値は、ある一定値で平衡に達し、そ
れ以上増加しない現象が現われる。これを限界電流とい
う。これを第１限界電流ＩＬ１とする。これは、ガスの
流入が小さな孔６により制限されるためで、この限界電
流値は、雰囲気のＯ２濃度に比例する。

【０００５】このセンサを水蒸気を含んだ雰囲気中に入
れ、印加電圧をさらに増やしてゆくと、図１２のような
第２番目の限界電流すなわち第２限界電流ＩＬ２が現わ
れる。これは空気中の水分子がカソード側で水分解さ
れ、Ｏ２−イオンとなるために電流が増加するものであ
る。すなわち カソード側では Ｈ２Ｏ＋２ｅ− → Ｈ２＋Ｏ２− アノード側では Ｏ２− →１／２Ｏ２＋２ｅ− この場合も限界電流値は、雰囲気の水蒸気圧に比例す
る。

【０００６】次にこの検出素子を用いた水蒸気の検出方
法について説明する。すなわち、図１２の特性において
水蒸気量が上昇すると、図１３に示すように、第１限界
電流ＩＬ１は減少し、逆に第２限界電流ＩＬ２は増加す
る。第１限界電流ＩＬ１が減少するのは、水蒸気により
酸素量すなわち酸素の比率が減少するためで、第２限界
電流ＩＬ２が増加するのは、水蒸気が電気分解されるた
めである。なお、第１限界電流ＩＬ１、第２限界電流Ｉ
Ｌ２いずれでも水蒸気量は測定できるが、水蒸気のみの
選択性を考えると、第２限界電流ＩＬ２を利用するほう
がよい。さらに、第１限界電流ＩＬ１は他のガスが混入
しても下がり、水蒸気のみとは限らない。

【０００７】水蒸気圧と第１限界電流ＩＬ１、第２限界
電流ＩＬ２の関係を示すと図１４のようになる。すなわ
ち、第１限界電流ＩＬ１、第２限界電流ＩＬ２ともに水
蒸気圧に対して直線性があるが、第２限界電流ＩＬ２は
第１限界電流ＩＬ１に比べ感度においても数倍あり、選
択性、分解能ともによいことが判る。

【０００８】このタイプの検出素子は、特性が原理的に
雰囲気の水蒸気圧に対してリニアであり、耐熱性に優れ
たＺｒＯ２セラミックを数百度に常時加熱して使用する
ため、室温雰囲気から１００℃以上の高温で水蒸気量を
測定するのに適している。

【０００９】従来、第２限界電流ＩＬ２を検出すること
により気体成分検出素子を構成し、これをバーナー式加
熱炉等に使用した場合、バーナー等で加熱した空気に含
まれている湿度を検出しようとしたとき、その加熱空気
中の酸素の割合が通常の空気よりも少なくなり、その湿
度検出に誤差を生じている。他の原理の気体成分検出素
子の場合にも同様の現象が起きる。このためその酸素濃
度に関する補正を行なう必要がある。

【００１０】また従来、限界電流式又は濃淡電池式のジ
ルコニアを使用した気体成分検出素子は、ジルコニアを
通常のセラミックと同じ粉末燒結体により製造している
ため、小形化が図れず、形状や厚さが大きいので、ヒー
タの加熱に時間がかかり、測定できる状態に至るのに数
分から数十分必要である。さらに工程が複雑であり、様
々な設備が必要となる。すなわちジルコニアの粉末化お
よび燒結のための加熱焼成炉や、ジルコニア上への電極
取付けおよびヒータの作成のための印刷機や焼成炉ある
いは各センサ素子への切り離しおよび電極ワイヤ取付け
のためのカッターやワイヤボンディング等の各種の工程
とそれらの装置を必要とする。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の気
体成分検出素子においては、加熱空気中における酸素濃
度の減少により湿度検出に誤差が生じ、また他のガスが
存在する場合、酸素濃度が変わり、これが測定誤差とな
る。また測定に当り、ヒータが十分加熱されるまでに時
間がかかり、したがって測定状態に至る迄に多くの時間
を必要とする。さらに検出素子の製造工程が複雑であ
り、様々な設備が必要となる等の問題点があった。

【００１２】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、加熱空気のように酸素濃度が減
少した場合にも補正を必要とせず、またその形状を小形
化することにより精度の高い、かつ安定性良好な素子を
得るとともに、始動から動作が安定するまでの時間を短
縮し、さらに薄膜製造技術を用いた簡単な工程と装置に
より製造できることを目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明に係る気体成分
検出素子は、絶縁物又は半導体からなる基板と、この基
板上に形成された第１の絶縁層と、この絶縁層の上に形
成されたヒータ層と、このヒータ層の上に形成された第
２の絶縁層と、この第２の絶縁層の上に形成された安定
化ジルコニア層と、この安定化ジルコニア層の両端に電
気的に接続した貴金属電極と、この貴金属電極と安定化
ジルコニア層上に形成された第３の絶縁層とを有する。

【００１４】

【作用】この発明における気体成分検出素子は、薄膜製
造技術を用いて構成され、全体として層形状を成すこと
から素子そのものが薄形となる。この気体成分検出素子
に１．４Ｖ以下の電圧を印加すると酸素センサとして、
また１．４Ｖ以上の電圧を印加すると湿度センサとして
使用される。したがって２つの素子を並設し、たがいに
異なる２つの電圧をそれぞれ印加するとの同一場所にお
いて、酸素と湿度とが同時に計測される。この気体成分
検出素子を酸素や水蒸気中に置くとそれらの気体の検出
出力は濃度に比例した値となる。

【００１５】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の第１の実施例を図によって
説明する。図１はこの発明における気体成分検出素子の
縦断面図、図２は同平面図である。図８は酸素センサと
湿度検出センサとをとを１つの基板上に形成した気体成
分検出素子の平面図である。図において、１は基板で、
この基板はシリコン等の半導体により形成される。この
基板１の一部には薄肉部２が設けられている。この薄肉
部２は熱容量を小さくし、電源投入時から動作安定時間
での時間を短縮し、高速化を図るためのものである。な
お、基板１の熱容量が全体として十分小さい場合にはと
くに薄肉部２を設ける必要はない。４はこの第１の絶縁
層３の上に形成されたヒータ層で、このヒータ層４は白
金や金等の貴金属により形成され、その製法にはスパッ
タやフォトリソグラフィ等の方法が用いられる。このヒ
ータ層４の上面には第２の絶縁層５が形成される。この
第２の絶縁層５の上面にはポーラス性を有する安定化ジ
ルコニア層６がスパッタ、電子ビーム蒸着法等やフォト
リソグラフィ等の半導体薄膜作成方法により形成され
る。この安定化ジルコニア層６の上面の両端には貴金属
製の電極７ａ、７ｂが安定化ジルコニア層６の形成方法
と同様の方法すなわちスパッタ、電子ビーム蒸着法等や
フォトリソグラフィ等の方法により形成され、かつ安定
化ジルコニア層６に電気的に接続される。このとき、一
方の電極７ａすなわちカソード側の電極の長さＬ１は他
方の電極７ｂすなわちアノード側電極の長さＬ２に比し
短く（Ｌ１＜Ｌ２）形成される。あるいは一方の電極７
ａの安定化ジルコニア層６に対する接触面積Ｓ１を他方
の電極７ｂの安定化ジルコニア層６に対する接触面積Ｓ
２に比し狭く（Ｓ１＜Ｓ２）設定される。なお、両電極
７ａ、７ｂはポーラス性を有する。また両電極７ａ、７
ｂは図２に示すように、電源８間に接続される。これら
の電極７ａ、７ｂと安定化ジルコニア層６上面には第３
の絶縁層９が形成され、この第３の絶縁層９によって安
定化ジルコニア層６、両電極７ａ、７ｂが汚れや湿度あ
るいは多の腐食性ガス等から保護される。これによって
気体成分検出素子１０が構成される。

【００１６】上記構成を有する気体成分検出素子１０を
数百度℃に加熱された気体中に置くと、電極７ａ、７ｂ
と安定化ジルコニア層６はそのポーラス性により酸素イ
オンを透過させる。この状態で、気体成分検出素子１０
に１．４Ｖ以下の電圧を印加すると、図１２に示す１番
目の限界電流ＩＬ１が流れ、気体中の酸素濃度が測定さ
れる。なお、酸素ガスの透過量は一方の電極７ａ側のポ
ーラス性によって制限される。

【００１７】さらにこの状態で、気体成分検出素子１０
に１．４Ｖ以上の電圧を印加すると、図１２に示す２番
目の限界電流ＩＬ２が流れ、気体中の湿度が測定され
る。これは空気中の水分子が電極上で分解され、酸素イ
オンとなるために、電流が増加することによる。この第
２番目の限界電流値は酸素濃度と水蒸気圧に比例する。
なお、水蒸気の透過量も一方の電極７ａ側のポーラス性
によって制限される。

【００１８】実施例２．次にこの発明の第２の実施例に
ついて図３によって説明する。図３はこの発明の第２の
実施例を示す縦断面図である。図１および図２の構成に
おいては、基板１を半導体により構成したものについて
説明したがこの基板１を絶縁物例えばセラミックや石英
およびサファイアなどで構成する場合には基板１が図１
に示す第１の絶縁層３を兼ねる。この場合には図３に示
すように基板１上にヒータ層４を直接形成する。その他
の構成は図１および図２に示すものと同一であるのでそ
の説明を省略する。

【００１９】実施例３．次にこの発明の第３の実施例に
ついて図４および図５によって説明する。図４はこの発
明における第３の実施例を示す縦断面図、図５は同平面
図である。図において、基板１、第１の絶縁層３、ヒー
タ層４、第２の絶縁層５、安定化ジルコニア層６、貴金
属電極７ａ、７ｂ、第３の絶縁層９についてはその構成
および製造方法ともに図１および図２に示すものと同一
であるので、その説明を省略する。図４および図５にお
いて図１および図２と異なる点は第２の絶縁層５と第３
の絶縁層９との間に安定化ジルコニア層６を大気と連通
させる気体導入口１１が形成されていることである。こ
の気体導入口１１は薄膜の微細加工技術を利用して高精
度に形成される。例えばポリシリコン等で薄膜を形成
し、第３の絶縁層９を形成後水酸化ナトリウム（ＮａＯ
Ｈ）等でエッチングすることにより形成される。またこ
の気体導入口１１の面積はアノード側電極７ａの面積よ
りも小さく形成され、これによって実施例１および実施
例２の電極のポーラス性と同等の特性を持たせ、気体の
拡散速度を律速させることにより、気体の濃度に比例し
た拡散速度になるように設定される。

【００２０】図４および図５における基本的な動作は図
１および図２に示すものと同一である。ただ図１および
図２に示すものと異なる点は電極７ａ、７ｂのポーラス
性を利用していないことである。したがって酸素イオン
および水蒸気の水分解された酸素イオンは直接安定化ジ
ルコニア層６を透過する。

【００２１】実施例４．次にこの発明の第４の実施例に
ついて図６によって説明する。図６はこの発明における
気体成分検出装置の第４の実施例を示す平面図で、基板
１上の電極構造のみが示されている。図において一方の
電極７ａすなわちアノード側の電極を円板上に形成し、
また他方の電極７ｂすなわちカソード側の電極を一方の
電極を囲むように同心円状の帯により形成したもので、
これによって図２に示すものと同様に、一方の電極７ａ
の安定化ジルコニア層６と接する面積Ｓ１を他方の電極
７ｂの安定化ジルコニア層６と接する面積Ｓ２に比し狭
くしたものである。

【００２２】実施例５．次にこの発明の第５の実施例に
ついて図７によって説明する。図７はこの発明における
気体成分検出装置の第５の実施例を示す平面図である。
図において一方の電極７ａすなわちカソード側の電極お
よび他方の電極７ｂすなわちアノード側の電極はともに
櫛形に形成され、刃の部分がたがいに食い込むように配
設されている。この図においては一方の電極７ａが２個
の刃により構成され、また他方の電極７ｂが２個の刃の
周囲を囲むように構成され、これによって図２および図
６に示すものと同様に、一方の電極７ａの安定化ジルコ
ニア層６と接する面積Ｓ１を他方の電極７ｂの安定化ジ
ルコニア層６と接する面積Ｓ２に比し狭くしたものであ
る。

【００２３】実施例６．次にこの発明の第６の実施例に
ついて図８によって説明する。図８はこの発明における
気体成分検出装置の第６の実施例を示す平面図である。
図において気体成分検出素子１０は１つの基板１上に２
個配設される。一方の気体成分検出素子１０ａは１．４
Ｖ以下に設定された一方の電源８ａに接続されて、酸素
センサとして用いられる。また他方の気体成分検出素子
１０ｂは１．４Ｖ以上の電圧に設定された他方の電源８
ｂに接続されて、湿度センサとして用いられる。

【００２４】図８において、一方の気体成分検出素子１
０ａによって気体中の酸素濃度が検出される。また他方
の気体成分検出素子１０ｂによって気体中の水蒸気量が
検出される。すなわちこれらの気体成分検出素子１０
ａ、１０ｂは同一気体中で、かつ実質的に同一地点にお
いて、その気体の酸素濃度と水蒸気量を検出する。

【００２５】なお、この発明は次の実施態様により適宜
実施される。 （１）上記第２の絶縁層５と第３の絶縁層９との間に気
体導入口１１を設けた請求項１または請求項２の気体成
分検出素子。 （２）上記安定化ジルコニア層６のカソード側に接続さ
れる一方の電極７ａの長さＬ１を、他方の電極７ｂの長
さＬ２に比し、短くするか、または上記安定化ジルコニ
ア層６のカソード側に接続される一方の電極７ａと安定
化ジルコニア層６と接する面積Ｓ１を、他方の電極７ｂ
と上記安定化ジルコニア層６と接する面積Ｓ２に比し、
狭くした請求項１の気体成分検出素子。 （３）上記安定化ジルコニア層６のカソード側に接続さ
れる一方の電極７ａと上記安定化ジルコニア層６のアノ
ード側に接続される他方の電極７ｂをたがいに同心円上
に形成し、上記一方の電極７ａの上記安定化ジルコニア
層６と接する面積を他方の電極７ｂと上記安定化ジルコ
ニア層６と接する面積Ｓ２に比し、狭くした請求項１の
気体成分検出素子。 （４）上記安定化ジルコニア層６のカソード側に接続さ
れる一方の電極７ａと上記安定化ジルコニア層６のアノ
ード側に接続される他方の電極７ｂをたがいに櫛形に形
成し、それぞれの歯がたがいに組み合うように配設し、
上記一方の電極７ａの上記安定化ジルコニア層６と接す
る面積を他方の電極７ｂと上記安定化ジルコニア層６と
接する面積Ｓ２に比し、狭くした請求項１の気体成分検
出素子。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明における
気体成分検出素子によれば、半導体からなる基板と、こ
の基板上に形成された第１の絶縁層と、この絶縁層の上
に形成されたヒータ層と、このヒータ層の上に形成され
た第２の絶縁層と、この第２の絶縁層の上に形成された
安定化ジルコニア層と、この安定化ジルコニア層の両端
に電気的に接続した貴金属の電極と、この電極と安定化
ジルコニア層上に形成された第３の絶縁層とを備えてい
るので、半導体の薄膜技術により構成することができ、
したがって製造工程が簡単となり、さらに小形にするこ
とができる。その上、特性の均一な、かつ信頼性の高
い、しかも歩留まりの高い素子を得ることができ、また
量産化を図ることができるなどの効果がある。

【００２７】また請求項２の発明における気体成分検出
素子によれば、絶縁物からなる基板と、この基板上に形
成されたヒータ層と、このヒータ層の上に形成された第
１の絶縁層と、この第１の絶縁層の上に形成された安定
化ジルコニア層と、この安定化ジルコニア層の両端に電
気的に接続した貴金属の電極と、この電極と安定化ジル
コニア層上に形成された第２の絶縁層とを備えているの
で、請求項１の発明と同様に製造工程が簡単で、特性の
均一な、かつ信頼性の高い、しかも歩留まりの高い素子
を得ることができるのみでなく、さらに絶縁層の少ない
検出素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明における気体成分検出素子の第１の実
施例を示す縦断面図である。

【図２】図１の気体成分検出素子の平面図である。

【図３】この発明における気体成分検出素子の第２の実
施例を示す縦断面図である。

【図４】この発明における気体成分検出素子の第３の実
施例を示す縦断面図である。

【図５】図４の気体成分検出素子の平面図である。

【図６】この発明における気体成分検出素子の第５の実
施例を示す平面図である。

【図７】この発明における気体成分検出素子の第５の実
施例を示す平面図である。

【図８】この発明における気体成分検出素子の第６の実
施例を示す平面図である。

【図９】限界電流式ジルコニア酸素検出素子の原理を示
す構成図である。

【図１０】図９の限界電流式ジルコニア酸素検出素子の
原理において、カバーを設けた状態の構成図である。

【図１１】図９および図１０の構成における電圧と電流
との関係を示す特性図である。

【図１２】印加電圧と限界電流との関係を示す特性図で
ある。

【図１３】湿った空気と乾燥した空気における印加電圧
と限界電流との関係を示す特性図である。

【図１４】水蒸気圧と限界電流との関係を示す特性図で
ある。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 薄肉部 ３ 第１の絶縁層 ４ ヒータ層 ５ 第２の絶縁層 ６ 安定化ジルコニア層 ７ａ、７ｂ 電極 ８ 電源 ９ 第３の絶縁層９ １０ 気体成分検出素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体からなる基板１と、この基板上１
   に形成された第１の絶縁層３と、この絶縁層３の上に形
   成されたヒータ層４と、このヒータ層４の上に形成され
   た第２の絶縁層５と、この第２の絶縁層５の上に形成さ
   れた安定化ジルコニア層６と、この安定化ジルコニア層
   ６の両端に電気的に接続した貴金属の電極７ａ、７ｂ
   と、この電極７ａ、７ｂと上記安定化ジルコニア層６上
   に形成された第３の絶縁層９とを備えた気体成分検出素
   子。
2. 【請求項２】 絶縁物からなり、実質的に第１の絶縁層
   ３を形成する基板１と、この基板１上に形成されたヒー
   タ層４と、このヒータ層４の上に形成された第２の絶縁
   層５と、この第２の絶縁層５の上に形成された安定化ジ
   ルコニア層６と、この安定化ジルコニア層６の両端に電
   気的に接続した貴金属の電極７ａ、７ｂと、この電極７
   ａ、７ｂと上記安定化ジルコニア層６上に形成された第
   ３の絶縁層９とを備えた気体成分検出素子。