Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JPS6255621B2 - - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JPS6255621B2 - - Google Patents

Info

Publication number
JPS6255621B2
JPS6255621B2 JP55048809A JP4880980A JPS6255621B2 JP S6255621 B2 JPS6255621 B2 JP S6255621B2 JP 55048809 A JP55048809 A JP 55048809A JP 4880980 A JP4880980 A JP 4880980A JP S6255621 B2 JPS6255621 B2 JP S6255621B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
platinum
sputtering
thimble
electrode
exhaust gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
JP55048809A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS55141667A (en
Inventor
Jee Goorudo Terii
Ui Uiruherumu Junya Rarufu
Eru Kenaado Saado Furederitsuku
Shii Kikuchi Hooru
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Motors Liquidation Co
Original Assignee
General Motors Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Motors Corp filed Critical General Motors Corp
Publication of JPS55141667A publication Critical patent/JPS55141667A/en
Publication of JPS6255621B2 publication Critical patent/JPS6255621B2/ja
Granted legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体電解質による電気化学的型式の排
気ガス酸素センサ(exhaust gas exygen
sensor)に関する。より詳しくは、この種のセン
サ用の熔化ジルコニア製シンブル(vitrified
zirconia thimble)上に白金排気電極(platinium
exhaust electrode)を析出(depositing)するた
めのスパツタリング法(sputtering process)に
関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention is an electrochemical type exhaust gas oxygen sensor with a solid electrolyte.
(sensor) related. For more information, please refer to the vitrified zirconia thimble for this type of sensor.
platinum exhaust electrode (zirconia thimble)
The present invention relates to a sputtering process for depositing an exhaust electrode.

典型的な自動車用固体電解質排気ガス酸素セン
サ(automotire−type solid electrolyte exhaust
gas oxygen sensor)はバーゲツト(Burgett)
らの米国特許第3844920号に開示されている。そ
れは、テーパつきシンブル(tapered thimble)
状のジルコニア製感知素子(zilconia sensing
element)を具備している。一端は開いていて円
周状フランジ(circumferential flange)を具備
している。他端は閉じていて素子の最も活性な部
分を形成している。シンブルの内部および外部
は、別箇の白金多孔質電極被膜を具備している。
照合電位(reference potential)を決定するため
に、内部電極は空気または混合金属酸化物の如き
酸素源にさらされている。この電極は一般に、ジ
ルコニア製シンブル上に白金インキの塗料を塗布
し、塗料を乾燥し、次に被覆されたシンブルを高
温において焼成してつくられた。
A typical automotive solid electrolyte exhaust gas oxygen sensor
gas oxygen sensor) is Burgett
No. 3,844,920 to et al. It is a tapered thimble.
zirconia sensing element
element). One end is open and includes a circumferential flange. The other end is closed and forms the most active part of the device. The interior and exterior of the thimble are provided with separate platinum porous electrode coatings.
To determine the reference potential, the internal electrodes are exposed to an oxygen source such as air or mixed metal oxides. The electrodes were generally made by coating a zirconia thimble with platinum ink, allowing the coating to dry, and then firing the coated thimble at a high temperature.

また、排気電極と名付けられている外部電極
は、排気ガス酸素濃度によつて決定される電位を
決定するために排気ガスにさらされる。外部電極
は、内部電極と同様に白金の多孔質の厚い膜であ
る。しかし、この外部電極が、蒸着
(evaporation)、スパツタリング(sput−
terring)、化学気相析出(Chemical vapor
deposition)またはその他の薄膜析出技術によつ
てつくられる薄膜であるのが好適である。他方、
薄膜電極における多孔性および電気的パラメータ
ー(electrical parameter)の如き所望の性質を
終始変ることなく再現することは困難であつた。
その結果、満足すべき電極性質を有する電極の収
率は制限されていて、収率を改善するために各種
の補助的な方法が開発された。たとえば、トツプ
(Topp)らの米国特許第3978006号は、電極析出
後、固体電解質体を加熱することによつて、もし
析出した電極被膜が多孔質でないならば、電極被
膜中に細孔を形成することを開示している。デー
ビス(Davis)らの米国特許第4136000号は感知
素子および電極を化学的かつ電解的に処理してセ
ンサ特性を向上することを開示している。さら
に、ジルコニア型排気ガス・センサ、特にスパツ
タリングによる排気電極を有するジルコニア型排
気ガス・センサは稼働時、短時間後に電気的特性
を変えるらしいことが知られている。一般に、切
換応答時間(switching response time)の減少
の如き改善である。従つて、この種のセンサを実
動系(actual working system)に取り付ける前
に、充分に安定するまで実際の排気ガス流または
類似排気ガス流中で機能的に運転することが提案
されていた。勿論、このような処理は製造費に加
算される。その上、高性能センサの収率は、矢張
り、元の析出電極膜の品質によつて内存的に制限
されている。本発明の方法は、析出した時に膜が
一定の多孔質であり、一定の高表面積を有してい
て、高品質センサの高収率に寄与する方法によつ
て、ジルコニア面に白金膜をスパツタリングする
ことを可能にする。低いリーン・ツウ・リツチ切
換応答時間(low lean−to−rich switching
response time)を有するセンサが、その後に化
学的および電解質的処理を行なうことなしに、製
造される。リツチ・ツウ・リーン切換応答時間
(rich−to−lean switching response time)
は、最初はリーン・ツウ・リツチ切換応答時間ほ
どに低くはない。しかし、短時間の実際条件また
は模擬条件における熟成に後には、採用可能な低
い水準に、リツチ・ツウ・リーン切換応答時間が
一般的に容易に減少する。それ故、著しく早く反
応するセンサの高収率を、センサのごく最小の実
際的熟成のみによつて得る。事実、本出願の同時
係属出願米国特許出願番号第030747号特開昭55−
141664号公報)に開示され、かつ特許請求されて
いる如く、本発明による排気電極を有するセンサ
は、簡単な炉処理(furnace treatment)による
熟成を受け易い。さらに、本発明による排気電極
を有するセンサのかなり大きなプロポーシヨン
(sizeable propor−tion)は、活性化または安定
化のためのいかなる熟成処理をも必要としない。
生成時のこれらの電気的性質は、センサの使用初
期においても十分以上であり、かつ本質的に安定
である。
Also, an external electrode, named exhaust electrode, is exposed to the exhaust gas to determine a potential determined by the exhaust gas oxygen concentration. The outer electrode, like the inner electrode, is a porous thick membrane of platinum. However, this external electrode is
terring), chemical vapor deposition
Preferably, it is a thin film produced by deposition or other thin film deposition techniques. On the other hand,
It has been difficult to consistently reproduce desired properties such as porosity and electrical parameters in thin film electrodes.
As a result, the yield of electrodes with satisfactory electrode properties has been limited, and various auxiliary methods have been developed to improve the yield. For example, U.S. Pat. No. 3,978,006 to Topp et al. discloses that by heating a solid electrolyte body after electrode deposition, pores are formed in the electrode coating if the deposited electrode coating is not porous. Discloses that. US Pat. No. 4,136,000 to Davis et al. discloses chemically and electrolytically treating sensing elements and electrodes to improve sensor properties. Furthermore, it is known that zirconia exhaust gas sensors, particularly those having sputtered exhaust electrodes, appear to change their electrical characteristics after a short period of time during operation. Generally, the improvement is such as a reduction in switching response time. It has therefore been proposed to operate a sensor of this type functionally in an actual or similar exhaust gas flow until it is sufficiently stable before installing it in an actual working system. Of course, such processing adds to manufacturing costs. Moreover, the yield of high performance sensors is inherently limited by the quality of the original deposited electrode film. The method of the present invention sputters a platinum film onto a zirconia surface by a method in which the film is porous and has a high surface area when deposited, contributing to a high yield of high quality sensors. make it possible to low lean-to-rich switching response time
response time) is produced without subsequent chemical and electrolyte treatment. rich-to-lean switching response time
is initially not as low as the lean-to-rich switching response time. However, after maturation in real or simulated conditions for a short period of time, rich-to-lean switching response times generally readily decrease to acceptable low levels. Therefore, high yields of extremely fast-reacting sensors are obtained with only minimal practical aging of the sensors. In fact, the co-pending application of this application is U.S. Patent Application No.
As disclosed and claimed in Publication No. 141664, sensors with exhaust electrodes according to the invention are amenable to aging by simple furnace treatment. Moreover, the sizeable proportion of the sensor with exhaust electrodes according to the invention does not require any aging treatment for activation or stabilization.
These electrical properties as generated are more than sufficient and essentially stable even during the initial use of the sensor.

本発明の目的は、電気化学的型式の排気ガス酸
素センサ用ジルコニア製固体電解質体上に白金排
気電極を析出するための改良されたスパツタリン
グ法を提供することである。
It is an object of the present invention to provide an improved sputtering method for depositing platinum exhaust electrodes on zirconia solid electrolyte bodies for electrochemical type exhaust gas oxygen sensors.

本発明は、白金ターゲツト(target)から広く
間隔をとつた熔化ジルコニア製固体電解質体上に
白金をスパツタリングすることを包含している。
好適な実施例においては、ターゲツトは被加工物
から3.7cm以上離れている。白金は、10ないし20
ミリ・トル(1.33322ないし2.66644パスカル)と
いう比較的高い圧力下において、ターゲツトの面
積について13ないし22ワツト/cm2のスパツタリン
グ電力で直流スパツタリング(直流電流によるス
パツタリング)される。
The invention involves sputtering platinum onto a solid electrolyte body of fused zirconia widely spaced from a platinum target.
In a preferred embodiment, the target is at least 3.7 cm away from the workpiece. Platinum is 10 to 20
Direct current sputtering (direct current sputtering) is performed under relatively high pressures of milliTorr (1.33322 to 2.66644 Pascals) and with a sputtering power of 13 to 22 Watts/cm 2 per target area.

予め析出された内部白金電極を具備している熔
化ジルコニア製シンブルは、本発明によつてそれ
に外部電極を加えることができる。これらのシン
ブルは約3ないし5cmの長さであり、約4ないし
8モル・パーセントのイツトリア(yttria)の混
在によつて立方晶に部分的に、または完全に安定
化されているジルコニアによりつくられている。
各シンブルはその外面上に約3度38分の傾斜
(taper)を有している。特定の実施例において
は、シンブルは3.66cmの軸長を有している。その
広い方の端部は円周状の肩を具備し、肩のすぐ下
の直径は0.82cmである。狭い方の端部は閉じてい
て丸く、外球の曲率半径は3mmである。丸い端部
に隣接する直径は0.4cmである。丸い先端の上お
よびその付近への析出を制禦することは重要であ
ると信じられている。これが感知素子の最も重要
な部分であることを示している。内部電極がシン
ブル上に最初に形成される、好適には白金インキ
としてジルコニア面上に厚い膜を焼成する。次
に、本発明による薄膜外部排気電極を受けるよう
にシンブルを洗浄する。
A fused zirconia thimble with a predeposited internal platinum electrode can have an external electrode added thereto according to the present invention. These thimbles are approximately 3 to 5 cm long and are made of zirconia that is partially or fully stabilized in the cubic crystalline system with approximately 4 to 8 mole percent yttria. ing.
Each thimble has a taper of approximately 3 degrees and 38 minutes on its outer surface. In a particular embodiment, the thimble has an axial length of 3.66 cm. Its wide end has a circumferential shoulder and the diameter just below the shoulder is 0.82 cm. The narrow end is closed and rounded, and the radius of curvature of the outer sphere is 3 mm. The diameter adjacent to the rounded end is 0.4 cm. It is believed to be important to control precipitation on and near the rounded tip. This shows that this is the most important part of the sensing element. The internal electrodes are first formed on the thimble, preferably as platinum ink, by firing a thick film onto the zirconia surface. The thimble is then cleaned to receive the thin film external exhaust electrode according to the present invention.

任意の薄膜析出法を用いることができるので、
本発明により白金電極を析出する以前に、ジルコ
ニア面はよく洗浄しておかなければならない。任
意の通常の、かつ高品質の洗浄方法を使用するこ
とが期待される。使用しうる1つの洗浄方法は、
フレオン(Freon)によるジルコニアの超音波脱
脂、脱脂されたシンブルの約600℃、空気中にお
ける約1時間の加熱を包含している。次に、ジル
コニア製シンブルをステンレス鋼製パレツト
(pallet)上に置き、そのパレツトを真空室に入
れる。次に真空室を約100ミリトル(13.3322パル
カル)の圧にまで真空ポンプで下げる。この低
圧、またはそれ以下において、ジルコニア製シン
ブルを再び加熱し、約200℃の温度に約10ないし
15分間加熱する。ジルコニア製シンブルがまだ暖
い間に、真空室を乾燥窒素によつて、1トル
(133.322パルカル)以上の圧力に、約1秒間で逆
充填(backfill)する。次に、真空室を、直ちに
ポンプで2×10-6トル(266.644×10-6パスカ
ル)以下の圧力まで下げる。次に、ポンプの運転
を続けながら、真空室を介して、毎分、75ないし
100c.c.のアルゴン流を流し始める。アルゴン流と
ポンプ排気とを続け、真空バルブを調節して、真
空室内の圧力を10ないし20ミリトル(1.33322な
いし2.66644パルカル)にまでする。同様に、こ
のアルゴン圧を、スパツタリング工程中、動的に
維持する。かくして、真空室中の雰囲気は、スパ
ツタリング中、連続的に新鮮に保たられる。本発
明の方法において、このようなジルコン製シンブ
ルの200個以上の群の如き、大群に同時に電極膜
をスパツタリングすることも可能である。そのシ
ンブル用パレツトを水平・平面鋼製パレツト・キ
ヤリヤ(pallet carrier)上に直接的に載せる。
シンブルの軸は互に平行であつて、垂直方向であ
る。開放端をパレツト上に載せる。パレツト・キ
ヤリヤを陽極上0.5ないし1.5cmの所に置く。しか
し、何等かの隔離が必要であるかということにつ
いては全く伴つていない。シンブルの密閉端は陰
極の平ら白金ターゲツト面へ向つて上向きに面し
ていて、ターゲツト面はシンブルの密閉端上に
3.8cmの間隔をとつている。スパツタリング・タ
ーゲツトは、支持銅裏打ち板(supporting
copper backing plate)に結合している白金シ
ート(sheet)である。ターゲツトは水冷装置お
よびマグネツト・アレイ(magnet array)を包
含する陰極によつて組み立てられている。10ない
し20ミリ・トル(1.33322ないし2.66644パスカ
ル)のアルゴン圧は、スパツタリング室中に動的
に維持される。約500ないし800ボルトの直流電圧
をターゲツトと陽極との間に印加する。供給スパ
ツタリング電力を、ターゲツトと陽極との間に、
ターゲツトの面積について約13ないし22ワツト/
cm2の直流電力を提給するように調節する。パレツ
ト、パレツトキヤリヤまたは陽極に、スパツタリ
ング中シンブルを加熱または冷却するために、何
等特別の装置は用いられていない。
Since any thin film deposition method can be used,
Prior to depositing a platinum electrode according to the present invention, the zirconia surface must be thoroughly cleaned. It is expected that any conventional and high quality cleaning method will be used. One cleaning method that can be used is
It involves ultrasonic degreasing of zirconia with Freon and heating the degreased thimble at about 600° C. in air for about 1 hour. The zirconia thimble is then placed on a stainless steel pallet and the pallet is placed in a vacuum chamber. The vacuum chamber is then lowered to a pressure of approximately 100 millitorr (13.3322 palcal) using a vacuum pump. At or below this low pressure, the zirconia thimble is heated again to a temperature of about 200°C for about 10 to 20 minutes.
Heat for 15 minutes. While the zirconia thimble is still warm, the vacuum chamber is backfilled with dry nitrogen to a pressure of greater than 1 Torr (133.322 Parkal) for about 1 second. The vacuum chamber is then immediately pumped down to a pressure below 2 x 10 -6 Torr (266.644 x 10 -6 Pascals). Then, while the pump continues to run, it is pumped through the vacuum chamber at 75 or
Begin flowing 100 c.c. of argon. Continue the argon flow and pump down and adjust the vacuum valve to bring the pressure in the vacuum chamber to 10 to 20 millitorr (1.33322 to 2.66644 parkals). Similarly, this argon pressure is maintained dynamically during the sputtering process. Thus, the atmosphere in the vacuum chamber is kept continuously fresh during sputtering. In the method of the present invention, it is also possible to sputter electrode films simultaneously onto large groups, such as groups of 200 or more such zircon thimbles. The thimble pallet is placed directly onto a horizontal, flat steel pallet carrier.
The axes of the thimble are parallel and perpendicular to each other. Place the open end on the pallet. Place the pallet carrier 0.5 to 1.5 cm above the anode. However, there is no question as to whether some kind of isolation is necessary. The sealed end of the thimble faces upward toward the flat platinum target face of the cathode, and the target face is placed on the sealed end of the thimble.
They are spaced 3.8cm apart. The sputtering target has a supporting copper backing plate.
A platinum sheet bonded to a copper backing plate. The target is assembled with a water cooler and a cathode containing a magnet array. An argon pressure of 10 to 20 millitorr (1.33322 to 2.66644 Pascal) is dynamically maintained in the sputtering chamber. A DC voltage of about 500 to 800 volts is applied between the target and the anode. The supplied sputtering power is applied between the target and the anode.
Approximately 13 to 22 watts per target area
Adjust to provide DC power of cm2 . No special equipment is used on the pallet, pallet carrier or anode to heat or cool the thimble during sputtering.

アルゴン圧を前記の10ないし20ミリトル
(1.33322ないし2.66644パスカル)に維持しなが
ら、10mgの白金が各素子上に析出するまで、上記
の条件下でスパツタリングを続ける。これは、丸
い端部上に1.0ないし1.5マイクロメートルの厚
さ、丸い先端から約0.5cmの所に0.65ないし1.0マ
イクロメートルの厚さ、そうして丸い先から約2
cmの所に0.3ないし0.75マイクロメートルの厚さ
の多孔質結晶性白金析出物をつくる。このような
厚さの被膜は、上記条件下で3ないし5分間のス
パツタリングによつて得られる。電極の多孔性お
よび恐らくは表面積と、得られるセンサの電気的
特性とは電極の厚さの関数であると信じられてい
る。また、析出中のセラミツクの自己加熱による
温度も重要である。本発明の技術は、見掛電極表
面に、少くともその幾何学的面積の2倍の面積を
提供しなけれだならない。見掛表面積は、慣用の
ガス吸収法によつて測定される素子の被膜部分に
おける表面積を意味する。幾何学的表面積は、素
子の図から測定される表面積を意味している。多
くの例において、本発明の方法は、ジルコニア面
の表面積の測定が特に粗くなければ、下層のジル
コニア表面上に析出する見掛表面積において4倍
の増加を提供する。その下層のジルコニア面に対
するスパツタリング膜の接着は、電極素子を空気
中で約1時間、800℃に加熱することによつて増
加することができる。このような加熱は、見掛表
面積の著しい減少を来たし、膜上に巾0.5ないし
5マイクロ・メートルのいくつかの大きな穴を明
けることがある。これらの開口の数と大きさと
は、加熱の時間と温度および膜の厚さによつて左
右される。この加熱中の見掛表面積の減少は、セ
ンサ性能に著しく有害であるようではなかつた。
他方、膜は析出物として高多孔性と高表面積とを
有していることが重要と思われる。そうでなけれ
ば、センサ性能は、この加熱によつて悪影響を受
ける。
Sputtering is continued under the above conditions until 10 mg of platinum has been deposited on each element while maintaining the argon pressure between 10 and 20 mTorr (1.33322 to 2.66644 Pascals). This is 1.0 to 1.5 micrometers thick on the rounded end, 0.65 to 1.0 micrometers about 0.5 cm from the round tip, and about 2
A porous crystalline platinum deposit with a thickness of 0.3 to 0.75 micrometers is created at cm. Coatings of such thickness can be obtained by sputtering for 3 to 5 minutes under the above conditions. It is believed that the porosity and possibly surface area of the electrode and the resulting electrical properties of the sensor are a function of the electrode thickness. Also important is the temperature due to self-heating of the ceramic during precipitation. The technique of the present invention must provide an apparent electrode surface with an area at least twice its geometric area. Apparent surface area refers to the surface area of the coated portion of the device as measured by conventional gas absorption methods. Geometric surface area means the surface area measured from the diagram of the device. In many instances, the method of the present invention provides a four-fold increase in the apparent surface area deposited on the underlying zirconia surface, provided the surface area measurements of the zirconia surface are not particularly rough. Adhesion of the sputtered film to its underlying zirconia surface can be increased by heating the electrode element to 800° C. for about 1 hour in air. Such heating results in a significant reduction in the apparent surface area and can create several large holes, 0.5 to 5 micrometers wide, on the membrane. The number and size of these openings depends on the time and temperature of heating and the thickness of the film. This reduction in apparent surface area during heating did not appear to be significantly detrimental to sensor performance.
On the other hand, it seems important that the membrane has high porosity and high surface area as a precipitate. Otherwise, sensor performance will be adversely affected by this heating.

次に、好適には、電極膜に、電気的接触を行な
うべき場所を除いてその他の全部分上に多孔質セ
ラミツク塗料(ceramic coating)を施す。得ら
れるセンサに著しい初期運転の影響がなければ、
多孔質セラミツク塗料は触媒的でも非触媒的でも
構わない。たとえば、米国特許第4116883号〔ロ
ーデス(Rodes)〕に開示されている如きに製造
され、塗布されるガンマー・アルミナ(gamma
alumina)塗料を使うことができる。しかし、電
極の接着の増加のための加熱処理の後に、電極膜
上にアルミン酸マグネシウム・スピネル
(magnesium aluminate spinel)を火炎溶射
(flame spray)するのが好済である。火炎溶射
による多孔質上塗り塗料の塗布が、電極膜を、外
観上、著しく、物理的に変化することが認められ
ている。しかし、電極膜の本質的な機能特性は、
火炎溶射によつても実質的に変らないままに残つ
ていることが明らかである。従つて、電極膜の析
出物としての特性は基本的に矢張り重要である。
The electrode membrane is then preferably provided with a porous ceramic coating on all other parts except where electrical contact is to be made. If the resulting sensor has no significant initial operation effects,
Porous ceramic coatings can be catalytic or non-catalytic. For example, gamma alumina manufactured and applied as disclosed in U.S. Pat. No. 4,116,883 (Rodes).
alumina) paint can be used. However, it is advantageous to flame spray a magnesium aluminate spinel onto the electrode membrane after heat treatment to increase electrode adhesion. It has been observed that the application of a porous topcoat by flame spraying significantly alters the appearance and physical appearance of the electrode membrane. However, the essential functional properties of the electrode membrane are
It is clear that it remains essentially unchanged even after flame spraying. Therefore, the characteristics of the electrode film as a precipitate are fundamentally important.

前記の如く、白金ターゲツトまたは陰極は、ジ
ルコニア製シンブルの密閉端上、少くとも3.5な
いし4.0cm、好適には約3.8cmの間隔をとり、陽極
上には約7.6cmの距離を取る。通常の間隔よりも
大きいこの間隔が、改良された電極多孔性とより
良い工程可制禦性とを提供すると信じられる。上
記間隔は臨界的なようである。もし、ジルコニア
の密閉端とターゲツトとの間の間隔を3.0cmより
近くすると、得られる膜の多孔性が明らかに減少
する。4.5cm以上の間隔は不必要であり、かつ反
対すべきである。満足すべき被覆速度を得るため
には、高い電力設定と高いアルゴン圧とが必要で
ある。装置の不要部分への白金の析出が起こり易
いようである。なおまた、電極膜の特性の再現性
が少いようである。白金ターゲツトの性質が、本
発明については、他の白金スパツタリングよりも
臨界的でない。ターゲツトは任意の工業的製造業
者から入手可能であり、好適には高純度白金面を
提供する。しかし、いくつかの例においては、純
白金の白金ターゲツト内に少量の他の金属、たと
えば数パーセント、5パーセントまでのパラジウ
ムおよび/またはロジウムを含有することが望ま
しいことが認められる。価格の関係上、白金ター
ゲツトは、白金または白金合金が表面被覆のみで
あるのが好適である。
As mentioned above, the platinum target or cathode is spaced at least 3.5 to 4.0 cm above the closed end of the zirconia thimble, preferably about 3.8 cm, and about 7.6 cm above the anode. It is believed that this spacing, which is larger than normal spacing, provides improved electrode porosity and better process controllability. The above interval appears to be critical. If the distance between the closed end of the zirconia and the target is closer than 3.0 cm, the porosity of the resulting membrane is obviously reduced. Spacing greater than 4.5 cm is unnecessary and should be opposed. High power settings and high argon pressures are required to obtain satisfactory coating speeds. It appears that platinum deposits tend to occur in unnecessary parts of the device. Furthermore, the reproducibility of the characteristics of the electrode film seems to be low. The nature of the platinum target is less critical for the present invention than for other platinum sputterings. Targets are available from any commercial manufacturer and preferably provide a high purity platinum surface. However, it is recognized that in some instances it may be desirable to include small amounts of other metals within the pure platinum platinum target, such as several percent, up to 5 percent, of palladium and/or rhodium. For reasons of cost, it is preferable that the platinum target has only a surface coating of platinum or a platinum alloy.

ターゲツト面には少くとも13ワツト/cm2の電力
設定が必要である。少ない電力は、著しい多孔性
と表面積とを得るためには余りにも遅い析出速度
しか生じない。逆に、22ワツト/cm2以上の電力設
定は系の構成成分に対して過酷であるらしい。ま
た、高い電力設定は、真空室内の不要領域への白
金析出を生じる。いずれにしても、ターゲツト面
について13ワツト/cm2以下では、センサ性能の再
現性が乏しい。10ないし20ミリトル(1.33322な
いし2.66644パスカル)の圧力が好適である。た
とえ高い電力設定が用いられたとしても、この高
圧の範囲が好適である。10ミリトル(1.33322パ
スカル)以下の圧力においては、多分析出速度が
余りに遅いために、被膜は多孔性に乏しいようで
ある。20ミリトル(2.66644パスカル)以上の圧
力においても析出速度が減少する。また、真空室
内の不要領域への析出が起こり始まる。
A power setting of at least 13 watts/cm 2 is required on the target surface. Low power produces too slow a deposition rate to obtain significant porosity and surface area. Conversely, power settings of 22 watts/cm 2 or higher seem to be harsh on the system components. Also, high power settings result in platinum deposition in unwanted areas within the vacuum chamber. In any case, the reproducibility of sensor performance is poor below 13 watts/cm 2 on the target surface. A pressure of 10 to 20 millitorr (1.33322 to 2.66644 Pascal) is preferred. This high voltage range is preferred even if high power settings are used. At pressures below 10 mTorr (1.33322 Pascals), the coating appears to be less porous because the polyanalyte extraction rate is too slow. The precipitation rate also decreases at pressures above 20 mTorr (2.66644 Pascals). Also, precipitation begins to occur in unnecessary areas within the vacuum chamber.

本発明のスパツタリング技術は析出物としての
改良電極を提供する。たとえば、600ミリ秒以下
のリーン・ツウ・リツチ切換応答時間を、工業的
な製造条件下において、終始変ることなく製造す
ることが出来る。1200ミリ秒以下のリツチ・ツ
ウ・リーン切換応答時間を析出物として終始変る
ことなく製造される。しかし、1時間程度の比較
的短い排気ガス中における稼働後に、リツチ・ツ
ウ・リーン切換応答時間が、常に600ミリ秒以下
に低下する。可制禦性(controllability)は、約
15部の空気対1部の燃料、すなわち、リーン側
(lean side)で約0.5の空/燃比についてであ
る。それ故、たとえセンサが成形物としては高速
応答でなくても、一定の稼働的熟成により高速応
答センサ(fast acting sensor)を提供する。さ
らに、本発明により製造された電極を用いて得ら
れるセンサ特性は再現性に優れている。高速応答
センサ(fast acting sensor)の高収率は、稼働
的熟成によつて得られる。
The sputtering technique of the present invention provides an improved electrode as a deposit. For example, lean-to-rich switching response times of less than 600 milliseconds can be consistently produced under industrial manufacturing conditions. Manufactured as a precipitate with a constant rich-to-lean switching response time of less than 1200 milliseconds. However, after relatively short periods of operation in exhaust gases, on the order of one hour, the rich-to-lean switching response time consistently drops below 600 milliseconds. Controllability is approximately
For an air/fuel ratio of 15 parts air to 1 part fuel, or about 0.5 on the lean side. Therefore, even if the sensor is not fast acting as a molded article, certain operational aging provides a fast acting sensor. Furthermore, the sensor characteristics obtained using the electrodes manufactured according to the present invention are highly reproducible. High yields of fast acting sensors are obtained by operational ripening.

さらに、本発明の電極を有するセンサを簡単
な、窒素中の炉処理によつて人工的に熟成可能で
あることが発見された。炉処理は前記の併合出
願、米国特許出願通し番号第030747号に記載さ
れ、かつ特許請求されている。直流マグネトロン
スパツタリング(DC magnetron sputtering)
をここに開示する。しかし、本発明は原理は通常
の直流スパツタリングおよび高周波スパツタリン
グにも適用可能である。さらにまた、本発明の電
極は、もし白金セルメツト・ストライプ
(cermet stripe)を最初にジルコニアの外面に塗
布して焼成しておけば、より耐久性である。もし
狭ければ、ストライプは多孔質である必要はな
く、焼成された時にジルコニアによく接着し、そ
の上に析出するスパツタリングされた白金が接着
する任意の市販の白金インキを使用できる。
Furthermore, it has been discovered that sensors with electrodes according to the invention can be artificially aged by a simple furnace treatment in nitrogen. Furnace processing is described and claimed in the aforementioned combined application, US Patent Application Serial No. 030,747. DC magnetron sputtering
is disclosed here. However, the principles of the present invention are also applicable to normal DC sputtering and high frequency sputtering. Furthermore, the electrodes of the present invention are more durable if a platinum cermet stripe is first applied to the outer surface of the zirconia and fired. If narrow, the stripes need not be porous and any commercially available platinum ink can be used that adheres well to the zirconia when fired and to which the sputtered platinum deposited adheres.

また、本発明の上記の特定の実施例においては
アルゴン雰囲気下で白金をスパツタリングした事
に注意しなければならない。しかし、本発明の同
時係属出願米国特許出願番号第030748号(特開昭
55−141666号公報)において明らかな如く、主に
窒素および/または酸素の10ないし20ミリトル
(1.33322ないし2.66644パスカル)の雰囲気も使
用可能である。この同時係属出願米国特許出願
は、このような雰囲気が、本発明の白金スパツタ
リングの時に、アルゴンよりも優れた、著しく改
良された結果を提供することを開示している。67
ないし75パーセントの窒素と残りはアルゴンとの
雰囲気が好適である。
It should also be noted that in the specific embodiments of the invention described above, the platinum was sputtered under an argon atmosphere. However, the present invention is co-pending US Patent Application No. 030748 (Japanese Patent Application Publication No.
55-141666), an atmosphere of 10 to 20 mTorr (1.33322 to 2.66644 Pascal) mainly of nitrogen and/or oxygen can also be used. This co-pending US patent application discloses that such an atmosphere provides significantly improved results over argon during platinum sputtering of the present invention. 67
An atmosphere of between 75% nitrogen and the balance argon is preferred.

最近の試験は、本発明の方法が、基本的にパラ
ジウムより成る電極を製造するのにも有効である
ことを示す。しかし、主に窒素および/または酸
素スパツタリング雰囲気は、この種の電極をスパ
ツタリングするのには好適でなく、望ましくさえ
ない。
Recent tests have shown that the method of the invention is also effective for producing electrodes consisting essentially of palladium. However, primarily nitrogen and/or oxygen sputtering atmospheres are not suitable or even desirable for sputtering this type of electrode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 電気化学的型式の排気ガス酸素センサ用熔化
ジルコニア製固体電解質体上に白金排気ガス電極
をスパツタリングする方法において、少なくとも
本体から3.0cm離れている白金ターゲツトをスパ
ツタリングに使用し、10乃至20ミリトル
(1.33322乃至2.66644パルカル)の圧において白
金をスパツタリングし、ターゲツトの面積につい
て13乃至22ワツト/cm2のスパツタリング電力を使
用して、白金電極を、膜が載つているジルコニア
表面の幾可学的面積の少なくとも2倍の見掛表面
積を有する多孔質膜として析出することを特徴と
するスパツタリング法。 2 電気化学的型式の排気ガス酸素センサ用シン
ブル型の熔化ジルコニア製固体電解質体上に白金
排気ガス電極をスパツタリングする方法におい
て、白金ターゲツトはジルコニア製シンブルの軸
に垂直に向いているほぼ平らな白金ターゲツトで
あつて、シンブルの密閉端から3.0乃至4.5cm離れ
ていて、それによつて白金電極は析出物として終
始変わることなく、再現性よく多孔質であり、析
出物として、その幾何学的表面積の少なくとも4
倍の見掛表面積を有していることを特徴とする特
許請求の範囲第1項記載のスパツタリング法。 3 電気化学的型式の排気ガス酸素センサ用熔化
ジルコニア製シンブル上に白金排気ガス電極をス
パツタリングする方法において、シンブルは3乃
至5cmの長さであり、ほぼ平らな白金ターゲツト
がシンブルに対し垂直に向いていて、シンブル上
の密閉端から3.5乃至4.0cm離れていて、厚さが上
記端部上において0.65マイクロ・メートル以上で
あり、且つシンブルの側壁上において0.3乃至0.5
マイクロ・メートルであり、析出物としてその幾
何学的面積の少なくとも4倍の見掛表面積を有す
る白金電極を製造するに充分な時間の間、白金を
直流マグネトロン・スパツタリングすることを特
徴とする特許請求の範囲第2項記載のスパツタリ
ング法。
[Claims] 1. In a method of sputtering a platinum exhaust gas electrode on a solid electrolyte body made of fused zirconia for an electrochemical type exhaust gas oxygen sensor, a platinum target that is at least 3.0 cm away from the main body is used for sputtering. , sputtering platinum at a pressure of 10 to 20 millitorr (1.33322 to 2.66644 palcal) and using a sputtering power of 13 to 22 watts/cm 2 for the target area, the platinum electrode was placed on the zirconia surface on which the membrane rests. A sputtering process characterized in that it is deposited as a porous film having an apparent surface area at least twice the geometric area. 2. In a method of sputtering a platinum exhaust gas electrode onto a thimble-type fused zirconia solid electrolyte body for an electrochemical type exhaust gas oxygen sensor, the platinum target is a substantially flat platinum electrode oriented perpendicular to the axis of the zirconia thimble. The target is located 3.0 to 4.5 cm away from the closed end of the thimble, so that the platinum electrode remains unchanged as a precipitate, is reproducibly porous, and as a precipitate, its geometric surface area at least 4
The sputtering method according to claim 1, wherein the sputtering method has double the apparent surface area. 3. A method of sputtering a platinum exhaust gas electrode onto a fused zirconia thimble for an electrochemical type exhaust gas oxygen sensor, in which the thimble is 3 to 5 cm long and the approximately flat platinum target is oriented perpendicular to the thimble. 3.5 to 4.0 cm away from the sealed end on the thimble, with a thickness of 0.65 micrometers or more on said end, and 0.3 to 0.5 micrometers on the side wall of the thimble.
Claims characterized in that direct current magnetron sputtering of platinum for a time sufficient to produce a platinum electrode having an apparent surface area of micrometers and having as a deposit at least four times its geometric area. The sputtering method according to item 2.
JP4880980A 1979-04-17 1980-04-15 Producing waste gas electrode for waste gas oxygen sensor Granted JPS55141667A (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US3077579A 1979-04-17 1979-04-17

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS55141667A JPS55141667A (en) 1980-11-05
JPS6255621B2 true JPS6255621B2 (en) 1987-11-20

Family

ID=21855955

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP4880980A Granted JPS55141667A (en) 1979-04-17 1980-04-15 Producing waste gas electrode for waste gas oxygen sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPS55141667A (en)

Also Published As

Publication number Publication date
JPS55141667A (en) 1980-11-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4253931A (en) Electrode sputtering process for exhaust gas oxygen sensor
US4345985A (en) Method of producing solid electrolyte oxygen-sensing element of laminated structure
US4244798A (en) Exhaust electrode process for exhaust gas oxygen sensor
JP3643224B2 (en) Sensor element electrode forming method
US4253934A (en) Aging treatment for exhaust gas oxygen sensor
US4372824A (en) Method of manufacturing oxygen sensor
GB2081908A (en) Method of producing solid electrolyte oxygen-sensing element of laminated structure with measuring electrode partially deposited from vapor phase
US4400255A (en) Control of electron bombardment of the exhaust oxygen sensor during electrode sputtering
JPS6255621B2 (en)
WO2005070045A2 (en) Thin film mixed potential sensors
JPH0467626B2 (en)
JP2001099806A (en) Method for manufacturing oxygen sensor element
CA1124678A (en) Exhaust electrode process for exhaust gas oxygen sensor
JPH06265522A (en) Method for activating zirconia oxygen sensor
US4303490A (en) Exhaust electrode process for exhaust gas oxygen sensor
CA1124679A (en) Electrode sputtering process for exhaust gas oxygen sensor
JP2957542B1 (en) Gas sensor element and manufacturing method thereof
KR101570281B1 (en) Manufacturing method for oxygen sensor
JPH065219B2 (en) Electrode forming method
JP2625922B2 (en) Manufacturing method of oxygen concentration sensor
JPS6255620B2 (en)
KR950003455B1 (en) Electrode manufacturing method of oxygen sensor
JPH065220B2 (en) Oxygen concentration detector
SU1728769A1 (en) Method of controlling porosity of metal-based coats
JPS62217153A (en) Capacity type thin film humidity sensor and its manufacture