JPH0820405B2 - 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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- JPH0820405B2 JPH0820405B2 JP4275546A JP27554692A JPH0820405B2 JP H0820405 B2 JPH0820405 B2 JP H0820405B2 JP 4275546 A JP4275546 A JP 4275546A JP 27554692 A JP27554692 A JP 27554692A JP H0820405 B2 JPH0820405 B2 JP H0820405B2
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- cathode electrode
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、限界電流式酸素センサ
に係り、特にイオン伝導体や電極を薄膜技術により形成
した薄膜型の限界電流式酸素センサに関する。
に係り、特にイオン伝導体や電極を薄膜技術により形成
した薄膜型の限界電流式酸素センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、イットリウム（Ｙ）で安定化
した酸化ジルコニウム、即ちジルコニア−イットリア
（ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 ）をイオン伝導体（固体電解質）
として用いたセラミック酸素センサが知られている。バ
ルク型のセラミック酸素センサでは、ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ
3 イオン伝導体バルクをプレス成形，焼成により得て、
これに触媒作用を有するＰｔ電極を、Ｐｔペーストの印
刷，焼成により形成している。その様な従来のバルク型
の限界電流式酸素センサを図４(a) 〜(c) に示す。図４
(a) では、イオン伝導性を示すＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 焼結
体基板１の両面に印刷法によってＰｔカソード電極２，
アノード電極３が形成された素子チップが、支持基体４
にガラス材５によって所定の間隔を保って支持されてい
る。支持基体４には小さい気体拡散孔６が形成され、ま
たその上にはＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 焼結体基板１を活性化
するためのヒータ７が配設されている。図４(b) では、
図４(a)とは逆に素子チップ側に気体拡散孔６が形成さ
れている。図４(c) は、図４(b)の支持気体４とガラス
材５の部分を一体に成型したものを用いた例である。
した酸化ジルコニウム、即ちジルコニア−イットリア
（ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 ）をイオン伝導体（固体電解質）
として用いたセラミック酸素センサが知られている。バ
ルク型のセラミック酸素センサでは、ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ
3 イオン伝導体バルクをプレス成形，焼成により得て、
これに触媒作用を有するＰｔ電極を、Ｐｔペーストの印
刷，焼成により形成している。その様な従来のバルク型
の限界電流式酸素センサを図４(a) 〜(c) に示す。図４
(a) では、イオン伝導性を示すＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 焼結
体基板１の両面に印刷法によってＰｔカソード電極２，
アノード電極３が形成された素子チップが、支持基体４
にガラス材５によって所定の間隔を保って支持されてい
る。支持基体４には小さい気体拡散孔６が形成され、ま
たその上にはＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 焼結体基板１を活性化
するためのヒータ７が配設されている。図４(b) では、
図４(a)とは逆に素子チップ側に気体拡散孔６が形成さ
れている。図４(c) は、図４(b)の支持気体４とガラス
材５の部分を一体に成型したものを用いた例である。
【０００３】これらのバルク型のセラミック酸素センサ
に対して、近年、素子の小型化，微細化，量産化等のた
めに、ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 イオン伝導体および電極を蒸
着やスパッタ等の薄膜技術により形成する薄膜型のセラ
ミック酸素センサが提案されている。図４(d) はその様
な薄膜型の限界電流式酸素センサである。これは、酸素
分子の拡散律速により限界電流特性を得るために気体透
過性絶縁基板８を用いて、この上にスパッタ法により、
Ｐｔカソード電極２′，ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜１′，Ｐ
ｔアノード電極３′を順次積層形成して得られる。
に対して、近年、素子の小型化，微細化，量産化等のた
めに、ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 イオン伝導体および電極を蒸
着やスパッタ等の薄膜技術により形成する薄膜型のセラ
ミック酸素センサが提案されている。図４(d) はその様
な薄膜型の限界電流式酸素センサである。これは、酸素
分子の拡散律速により限界電流特性を得るために気体透
過性絶縁基板８を用いて、この上にスパッタ法により、
Ｐｔカソード電極２′，ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜１′，Ｐ
ｔアノード電極３′を順次積層形成して得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】薄膜型の酸素センサ
は、小型化と同時に、消費電力の低減も当然に望まれ
る。特に、イオン伝導体膜を加熱するヒータをどの様に
配置して、如何に小さい電力所望の特性を得るかは重要
な問題である。また、出力電流が小さい小型の薄膜型酸
素センサで優れた限界電流特性を実現するためには、例
えばヒータをセンサ本体に一体化した場合にリーク電流
が流れるような事態は避けなければならない。従来、こ
の様な点に考慮を払って、優れた熱効率と優れた限界電
流特性を実現した薄膜型酸素センサは得られていない。
本発明はこの様な点に鑑みなされたもので、優れた熱効
率と優れた限界電流特性を実現した薄膜型の限界電流式
酸素センサを提供することを目的とする。
は、小型化と同時に、消費電力の低減も当然に望まれ
る。特に、イオン伝導体膜を加熱するヒータをどの様に
配置して、如何に小さい電力所望の特性を得るかは重要
な問題である。また、出力電流が小さい小型の薄膜型酸
素センサで優れた限界電流特性を実現するためには、例
えばヒータをセンサ本体に一体化した場合にリーク電流
が流れるような事態は避けなければならない。従来、こ
の様な点に考慮を払って、優れた熱効率と優れた限界電
流特性を実現した薄膜型酸素センサは得られていない。
本発明はこの様な点に鑑みなされたもので、優れた熱効
率と優れた限界電流特性を実現した薄膜型の限界電流式
酸素センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明に係る限界電流式
酸素センサは、基板上に、酸化物イオン伝導体膜と、こ
のイオン伝導体膜に接して同一平面上で対向する少なく
とも一対のカソード電極及びアノード電極と、前記イオ
ン伝導体膜を覆う絶縁膜とが形成され、前記基板と絶縁
膜の少なくとも一方が前記カソード電極に対する酸素ガ
ス拡散を制限する気体拡散層であり、前記絶縁膜上に前
記アノード電極とカソード電極の間隙部に沿ってヒータ
が配設されていることを特徴としている。
酸素センサは、基板上に、酸化物イオン伝導体膜と、こ
のイオン伝導体膜に接して同一平面上で対向する少なく
とも一対のカソード電極及びアノード電極と、前記イオ
ン伝導体膜を覆う絶縁膜とが形成され、前記基板と絶縁
膜の少なくとも一方が前記カソード電極に対する酸素ガ
ス拡散を制限する気体拡散層であり、前記絶縁膜上に前
記アノード電極とカソード電極の間隙部に沿ってヒータ
が配設されていることを特徴としている。
【０００６】
【作用】本発明による酸素センサは、カソード電極とア
ノード電極を同一平面上に配置したプレーナ構造とし
て、かつ実際にイオン電流が流れるカソード電極とアノ
ード電極の間に位置する酸化物イオン伝導体膜部分を加
熱するようにヒータを配設することによって、無駄なヒ
ータ電力を使うことなく、効率的にイオン伝導体膜を活
性化することができる。また、ヒータがカソード電極や
アノード電極と膜厚方向に直接対向しないようにレイア
ウトしているため、ヒータからのリーク電流の影響が小
さく抑えられる。更にカソード，アノード電極とヒータ
の間には絶縁膜が介在するから、カソード電極とアノー
ド電極の間の間隔を小さくすることができ、小型の素子
で大きなイオン電流を得ることができる。以上により優
れた熱効率で、クリアな限界電流特性を持つ小型の薄膜
型酸素センサを得ることができる。
ノード電極を同一平面上に配置したプレーナ構造とし
て、かつ実際にイオン電流が流れるカソード電極とアノ
ード電極の間に位置する酸化物イオン伝導体膜部分を加
熱するようにヒータを配設することによって、無駄なヒ
ータ電力を使うことなく、効率的にイオン伝導体膜を活
性化することができる。また、ヒータがカソード電極や
アノード電極と膜厚方向に直接対向しないようにレイア
ウトしているため、ヒータからのリーク電流の影響が小
さく抑えられる。更にカソード，アノード電極とヒータ
の間には絶縁膜が介在するから、カソード電極とアノー
ド電極の間の間隔を小さくすることができ、小型の素子
で大きなイオン電流を得ることができる。以上により優
れた熱効率で、クリアな限界電流特性を持つ小型の薄膜
型酸素センサを得ることができる。
【０００７】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。図１(a) (b) は、本発明の一実施例に係る限
界電流式酸素センサの平面図とそのＡ―Ａ′断面図であ
る。シリコン基板１１上にスパッタ法または熱酸化法に
より０．１μm 程度のシリコン酸化膜１２が形成され、
この上に酸化物イオン伝導体膜として約０．５μm のＺ
ｒＯ2 −8mol％Ｙ2 Ｏ3 膜（以下単にＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ
3 膜と称する）１３が形成されている。このＺｒＯ2 −
Ｙ2 Ｏ3 膜１３は例えば、Ｚｒ−Ｙ合金ターゲットを用
い酸素ガスをキャリアガスとして用いた反応性スパッタ
により形成される。
説明する。図１(a) (b) は、本発明の一実施例に係る限
界電流式酸素センサの平面図とそのＡ―Ａ′断面図であ
る。シリコン基板１１上にスパッタ法または熱酸化法に
より０．１μm 程度のシリコン酸化膜１２が形成され、
この上に酸化物イオン伝導体膜として約０．５μm のＺ
ｒＯ2 −8mol％Ｙ2 Ｏ3 膜（以下単にＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ
3 膜と称する）１３が形成されている。このＺｒＯ2 −
Ｙ2 Ｏ3 膜１３は例えば、Ｚｒ−Ｙ合金ターゲットを用
い酸素ガスをキャリアガスとして用いた反応性スパッタ
により形成される。
【０００８】ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜１３上には、所定間
隔をおいて対向する，互いに噛み合う櫛形のカソード電
極１４とアノード電極１５が形成されている。カソード
電極１４とアノード電極１５は、例えばメタルマスクを
用いてスパッタリングにより形成されたＰｔ膜である。
カソード電極１４とアノード電極１５が形成された基板
上には、カソード電極１４への酸素分子の拡散を律速し
て限界電流特性を得るために必要な気体拡散層として、
ポーラスな絶縁膜１６が形成されている。この絶縁膜１
６は例えばアルミナであって、これもアルミナ焼結体タ
ーゲットを用いたスパッタリングにより形成される。絶
縁膜１６上に、ヒータ１７が配設されている。ヒータ１
７はこの実施例では、カソード電極１３，アノード電極
１４と同様、スパッタによるＰｔ膜であって、図から明
らかなように、カソード電極１３とアノード電極１４の
間隙部に沿って蛇行するパターンをもって配設されてい
る。
隔をおいて対向する，互いに噛み合う櫛形のカソード電
極１４とアノード電極１５が形成されている。カソード
電極１４とアノード電極１５は、例えばメタルマスクを
用いてスパッタリングにより形成されたＰｔ膜である。
カソード電極１４とアノード電極１５が形成された基板
上には、カソード電極１４への酸素分子の拡散を律速し
て限界電流特性を得るために必要な気体拡散層として、
ポーラスな絶縁膜１６が形成されている。この絶縁膜１
６は例えばアルミナであって、これもアルミナ焼結体タ
ーゲットを用いたスパッタリングにより形成される。絶
縁膜１６上に、ヒータ１７が配設されている。ヒータ１
７はこの実施例では、カソード電極１３，アノード電極
１４と同様、スパッタによるＰｔ膜であって、図から明
らかなように、カソード電極１３とアノード電極１４の
間隙部に沿って蛇行するパターンをもって配設されてい
る。
【０００９】この実施例の薄膜酸素センサは、ヒータ１
７に通電した時、ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜１３のなかの実
際にイオン電流が流れる部分、即ちカソード電極１４と
アノード電極１５に挟まれた部分が加熱され、この部分
が効果的に活性化される。従って無駄なヒータ電力を要
せず、熱効率の高い小型の限界電流式酸素センサが得ら
れる。また、ヒータ１７がカソード電極１４やアノード
電極１５と膜厚方向に直接対向しないから、気体拡散層
である絶縁膜１６を通してのヒータ１７とカソード電極
１４，アノード電極１５とのリーク電流が小さく抑えら
れる。このことは、クリアな限界電流特性を得ることに
大きく寄与している。実際に、基板１１を５mm×５mm×
０．２mmの大きさとし、カソード電極１４とアノード電
極１５を、電極幅７５μm ，電極間隔５０μm で対向す
る２０対の櫛形パターンとして配設したセンサにおい
て、０．７Ｗの通電加熱で非常にクリアな限界電流特性
が得られた。
７に通電した時、ＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜１３のなかの実
際にイオン電流が流れる部分、即ちカソード電極１４と
アノード電極１５に挟まれた部分が加熱され、この部分
が効果的に活性化される。従って無駄なヒータ電力を要
せず、熱効率の高い小型の限界電流式酸素センサが得ら
れる。また、ヒータ１７がカソード電極１４やアノード
電極１５と膜厚方向に直接対向しないから、気体拡散層
である絶縁膜１６を通してのヒータ１７とカソード電極
１４，アノード電極１５とのリーク電流が小さく抑えら
れる。このことは、クリアな限界電流特性を得ることに
大きく寄与している。実際に、基板１１を５mm×５mm×
０．２mmの大きさとし、カソード電極１４とアノード電
極１５を、電極幅７５μm ，電極間隔５０μm で対向す
る２０対の櫛形パターンとして配設したセンサにおい
て、０．７Ｗの通電加熱で非常にクリアな限界電流特性
が得られた。
【００１０】図３(a) ，(b) は、本発明の他の実施例の
限界電流式酸素センサの図１(b) に対応する断面図であ
る。これらの実施例はいずれも、基板自体を気体透過性
として、これを酸素分子拡散を制限する気体拡散層とし
て用いた実施例である。図３(a) は、気体透過性絶縁基
板として、ＺｒＯ2 −ＢＮ（ＢＮ１０％）基板２１を用
いている。この基板２１上に先の実施例と同様のパター
ンで櫛形のカソード電極２２とアノード電極２３が形成
され、これを覆うように酸化物イオン伝導体膜であるＺ
ｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜２４が形成されている。ＺｒＯ2 −
Ｙ2 Ｏ3膜２４上は、電子伝導性やイオン伝導性を示さ
ず、また気体透過性もない緻密な絶縁性封止材膜２５と
して例えばシリコン酸化膜が形成され、この上に先の実
施例と同様のパターンでヒータ２６が形成されている。
図３(b) は、図３(a) において全面に形成されているＺ
ｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜２４を、カソード電極２２とアノー
ド電極２３の間にのみ選択的に配設した実施例である。
これらの各実施例でも、図１の実施例と同様に効率的に
イオン伝導体膜が加熱され、従って図１の実施例と同様
の効果が得られる。
限界電流式酸素センサの図１(b) に対応する断面図であ
る。これらの実施例はいずれも、基板自体を気体透過性
として、これを酸素分子拡散を制限する気体拡散層とし
て用いた実施例である。図３(a) は、気体透過性絶縁基
板として、ＺｒＯ2 −ＢＮ（ＢＮ１０％）基板２１を用
いている。この基板２１上に先の実施例と同様のパター
ンで櫛形のカソード電極２２とアノード電極２３が形成
され、これを覆うように酸化物イオン伝導体膜であるＺ
ｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜２４が形成されている。ＺｒＯ2 −
Ｙ2 Ｏ3膜２４上は、電子伝導性やイオン伝導性を示さ
ず、また気体透過性もない緻密な絶縁性封止材膜２５と
して例えばシリコン酸化膜が形成され、この上に先の実
施例と同様のパターンでヒータ２６が形成されている。
図３(b) は、図３(a) において全面に形成されているＺ
ｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜２４を、カソード電極２２とアノー
ド電極２３の間にのみ選択的に配設した実施例である。
これらの各実施例でも、図１の実施例と同様に効率的に
イオン伝導体膜が加熱され、従って図１の実施例と同様
の効果が得られる。
【００１１】本発明は上記実施例に限られない。例えば
実施例では酸化物イオン伝導体膜としてＺｒＯ2 −Ｙ2
Ｏ3 膜を用いたが、他の材料系のイオン伝導体膜を用い
た場合にも本発明は有効である。限界電流特性を得るた
めの気体拡散層や電極に他の材料を用いた場合にも、同
様に本発明は有効である。
実施例では酸化物イオン伝導体膜としてＺｒＯ2 −Ｙ2
Ｏ3 膜を用いたが、他の材料系のイオン伝導体膜を用い
た場合にも本発明は有効である。限界電流特性を得るた
めの気体拡散層や電極に他の材料を用いた場合にも、同
様に本発明は有効である。
【００１２】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、プ
レーナ構造でかつ薄膜型の限界電流式酸素センサにおい
て、ヒータを実際にイオン電流が流れるカソード電極と
アノード電極の間に位置する酸化物イオン伝導体部分を
加熱するように配設することによって、優れた熱効率
で、クリアな限界電流特性を持つ酸素センサを得ること
ができる。
レーナ構造でかつ薄膜型の限界電流式酸素センサにおい
て、ヒータを実際にイオン電流が流れるカソード電極と
アノード電極の間に位置する酸化物イオン伝導体部分を
加熱するように配設することによって、優れた熱効率
で、クリアな限界電流特性を持つ酸素センサを得ること
ができる。
【図１】 本発明の一実施例に係る限界電流式酸素セン
サの平面図とそのＡ―Ａ′断面図である。
サの平面図とそのＡ―Ａ′断面図である。
【図２】 同実施例の酸素センサの特性を示す図であ
る。
る。
【図３】 他の実施例の限界電流式酸素センサの断面図
である。
である。
【図４】 従来のセラミック酸素センサの構成例を示す
図である。
図である。
１１…シリコン基板、１２…シリコン酸化膜、１３…Ｚ
ｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜、１４…Ｐｔカソード電極、１５…
Ｐｔアノード電極、１６…気体拡散絶縁膜、１７…ヒー
タ電極、２１…気体透過性絶縁基板、２２…Ｐｔカソー
ド電極、２３…Ｐｔアノード電極、２４…ＺｒＯ2 −Ｙ
2 Ｏ3 膜、２５…絶縁封止材膜、２６…ヒータ電極。
ｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜、１４…Ｐｔカソード電極、１５…
Ｐｔアノード電極、１６…気体拡散絶縁膜、１７…ヒー
タ電極、２１…気体透過性絶縁基板、２２…Ｐｔカソー
ド電極、２３…Ｐｔアノード電極、２４…ＺｒＯ2 −Ｙ
2 Ｏ3 膜、２５…絶縁封止材膜、２６…ヒータ電極。
───────────────────────────────────────────────────── 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 藤倉電 線株式会社内 (72)発明者 加藤 嘉則 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉電 線株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−198748（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−74495（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−124943（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】 基板上に、酸化物イオン伝導体膜と、こ
のイオン伝導体膜に接して同一平面上で対向する少なく
とも一対のカソード電極及びアノード電極と、前記イオ
ン伝導体膜を覆う絶縁膜とが形成され、 前記基板と絶縁膜の少なくとも一方が前記カソード電極
に対する酸素ガス拡散を制限する気体拡散層であり、 前記絶縁膜上に 前記アノード電極とカソード電極の間隙
部に沿ってヒータが配設されている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 |
|---|---|---|---|
| JP4275546A JPH0820405B2 (ja) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | 限界電流式酸素センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4275546A JPH0820405B2 (ja) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | 限界電流式酸素センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06102234A JPH06102234A (ja) | 1994-04-15 |
| JPH0820405B2 true JPH0820405B2 (ja) | 1996-03-04 |
Family
ID=17556960
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4275546A Expired - Fee Related JPH0820405B2 (ja) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | 限界電流式酸素センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0820405B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7201831B2 (en) | 2002-02-22 | 2007-04-10 | Water Security And Technology, Inc. | Impurity detection device |
| GB0204186D0 (en) * | 2002-02-22 | 2002-04-10 | Siemens Plc | Ammonia sensor |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5374495A (en) * | 1976-12-14 | 1978-07-01 | Marukon Denshi Kk | Gas responsive element |
| JPS62198748A (ja) * | 1986-02-26 | 1987-09-02 | Sharp Corp | 酸素センサ |
-
1992
- 1992-09-18 JP JP4275546A patent/JPH0820405B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06102234A (ja) | 1994-04-15 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313532 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
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