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JPH0795058B2 - Limiting current type oxygen sensor - Google Patents
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JPH0795058B2 - Limiting current type oxygen sensor - Google Patents

Limiting current type oxygen sensor

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JPH0795058B2
JPH0795058B2 JP4275547A JP27554792A JPH0795058B2 JP H0795058 B2 JPH0795058 B2 JP H0795058B2 JP 4275547 A JP4275547 A JP 4275547A JP 27554792 A JP27554792 A JP 27554792A JP H0795058 B2 JPH0795058 B2 JP H0795058B2
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oxygen sensor
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克明 中村
功成 石橋
嘉則 加藤
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Fujikura Ltd
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Fujikura Ltd
Research Institute of Innovative Technology for the Earth RITE
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、酸化物イオン伝導体を
用いた酸素センサに係り、特に薄膜型の限界電流式酸素
センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxygen sensor using an oxide ion conductor, and more particularly to a thin film type limiting current type oxygen sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】ジルコニア等の酸化物イオン伝導体を用
いた酸素センサのうち、電極への酸素ガス供給量を制限
して得られる限界電流特性を利用したものが、いわゆる
限界電流式酸素センサである。従来知られている限界電
流式酸素センサには、図3(a)〜(d) に示すような構造
がある。これらのうち、図3(a) 〜(c) は、バルク型
(厚膜型)と呼ばれるものである。図3(a) では、イオ
ン伝導性を示すZrO2 −Y23 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Z
rO2 −Y23 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3(b) では、図3(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3
(c) は、図3(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。
2. Description of the Related Art Among oxygen sensors using an oxide ion conductor such as zirconia, a so-called limiting current type oxygen sensor utilizes a limiting current characteristic obtained by limiting the supply amount of oxygen gas to electrodes. is there. A conventionally known limiting current type oxygen sensor has a structure as shown in FIGS. 3 (a) to 3 (d). Of these, FIGS. 3 (a) to 3 (c) are called bulk type (thick film type). In FIG. 3A, the Pt cathode electrode 2 and the anode electrode 3 are formed on both surfaces of the ZrO 2 —Y 2 O 3 sintered body substrate 1 having ionic conductivity by a printing method.
The element chip on which is formed is supported on the support base 4 by the glass material 5 with a predetermined space. Support base 4
A small gas diffusion hole 6 is formed in the
A heater 7 for activating the rO 2 —Y 2 O 3 sintered body substrate 1 is provided. In FIG. 3B, contrary to FIG. 3A, the gas diffusion hole 6 is formed on the element chip side. Figure 3
FIG. 3C is an example in which the supporting gas 4 and the glass material 5 in FIG. 3B are integrally molded.

【0003】これらに対して、図3(d) は、薄膜型と呼
ばれるもので、気体透過性基板8上にスパッタ等の薄膜
技術によりカソード電極2′、酸化物イオン伝導体膜
1′、アノード電極3′が順次形成されている。この構
造では、気体透過性基板8がカソード電極2′に対する
ガス供給量を制限する働きをする。図3(a) 〜(c) に示
すようなバルク型の限界電流式酸素センサは、加工プロ
セスが複雑であり、量産に向かない。量産性を考える
と、図3(d) のような薄膜型が優れている。
On the other hand, FIG. 3 (d) shows a so-called thin film type in which a cathode electrode 2 ', an oxide ion conductor film 1', and an anode are formed on a gas permeable substrate 8 by a thin film technique such as sputtering. The electrodes 3'are sequentially formed. In this structure, the gas permeable substrate 8 serves to limit the gas supply amount to the cathode electrode 2 '. The bulk type limiting current type oxygen sensor as shown in FIGS. 3 (a) to 3 (c) has a complicated processing process and is not suitable for mass production. Considering mass productivity, the thin film type as shown in Fig. 3 (d) is superior.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の薄膜型
の限界電流式酸素センサには次のような問題があった。
カソード電極,アノード電極は例えばPt電極であっ
て、前述のようにスパッタ法により形成されるが、図3
(d) のようにチップ全面に電極を形成すると、これらを
気体透過性とすること、即ちポーラスな膜とすることが
必要になる。なぜなら基板8から供給された酸素分子
は、カソード電極2′のイオン伝導体1′との界面部で
イオン化されて、イオン電流としてイオン伝導体膜1′
を流れ、アノード電極3′で再度酸素分子に変換されて
排出されるという流れが必要だからである。ポーラスな
Pt電極を形成することは、大気圧近くの圧力でスパッ
タすることにより可能であるが、ポーラスの度合いの制
御は簡単ではない。このため素子特性の再現性が低い。
また、ポーラスなPt電極は、十分なスパッタリングに
よらず、ソフトに物理的に堆積するだけであるので、電
極の接合特性が悪い。即ち良好な電圧電流特性が得られ
ず、また剥離が生じる等、信頼性が十分ではない。本発
明は、この様な点に鑑みてなされたもので、電極の接合
特性および素子特性の再現性の向上を可能とした薄膜型
の限界電流式酸素センサを提供することを目的とする。
However, the conventional thin film type limiting current type oxygen sensor has the following problems.
The cathode electrode and the anode electrode are, for example, Pt electrodes, which are formed by the sputtering method as described above.
When electrodes are formed on the entire surface of the chip as shown in (d), it is necessary to make them gas permeable, that is, to form a porous film. This is because the oxygen molecules supplied from the substrate 8 are ionized at the interface of the cathode electrode 2'with the ionic conductor 1 ', and as an ionic current, the ionic conductor film 1'.
This is because it is necessary to have a flow of flowing through the anode electrode 3 ', converted again into oxygen molecules at the anode electrode 3', and discharged. It is possible to form a porous Pt electrode by sputtering at a pressure near atmospheric pressure, but controlling the degree of porousness is not easy. Therefore, the reproducibility of element characteristics is low.
Further, the porous Pt electrode does not rely on sufficient sputtering and is only physically deposited on the surface of the Pt electrode, so that the bonding characteristics of the electrode are poor. That is, good voltage-current characteristics cannot be obtained, and peeling may occur, resulting in insufficient reliability. The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a thin film limiting current type oxygen sensor capable of improving the reproducibility of the electrode bonding characteristics and element characteristics.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は、気体透過性基
板上に、カソード電極,酸化物イオン伝導体膜およびア
ノード電極を積層形成してなる限界電流式酸素センサに
おいて、カソード電極とアノード電極が櫛形パターンで
あって、かつこれらが互いに180°位相がずれた状態
で形成されていることを特徴としている。
The present invention provides a limiting current type oxygen sensor comprising a cathode electrode, an oxide ion conductor film and an anode electrode laminated on a gas permeable substrate. Is a comb-shaped pattern, and these are formed in a state in which they are 180 ° out of phase with each other.

【0006】[0006]

【作用】本発明によると、カソード電極,アノード電極
をそれぞれ櫛形パターンとしてかつ180°位相シフト
した状態でイオン伝導体膜の上下に配置することによ
り、カソード電極,アノード電極とイオン伝導体膜との
接触面積を十分大きく確保することができる。しかも電
極は櫛形パターンであるから、その間隙部を通して酸素
をカソード電極とイオン伝導体膜との界面に供給するこ
とができる。従ってカソード電極,アノード電極共に、
一般的なスパッタ条件で緻密な膜として形成して、電気
的にも機械的にも優れた電極接合特性を維持しながら、
ポーラスな電極膜の場合と同様の電極機能を果たすこと
ができる。また機械的に強固な電極接合が得られるか
ら、信頼性の高いセンサとなる。同様の理由で素子特性
の再現性も優れたものとなる。
According to the present invention, the cathode electrode and the anode electrode are arranged above and below the ion conductor film in a comb pattern and 180 ° phase-shifted, so that the cathode electrode, the anode electrode and the ion conductor film are formed. It is possible to secure a sufficiently large contact area. Moreover, since the electrodes have a comb-shaped pattern, oxygen can be supplied to the interface between the cathode electrode and the ion conductor film through the gap. Therefore, both the cathode and anode electrodes
Formed as a dense film under general sputtering conditions, while maintaining excellent electrical and mechanical electrode bonding characteristics,
It can perform the same electrode function as in the case of a porous electrode film. Further, a mechanically strong electrode joint can be obtained, so that the sensor has high reliability. For the same reason, the reproducibility of element characteristics is also excellent.

【0007】[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。気体
透過性基板としてこの実施例では、ZrO2 −BN(B
N10 %)基板11を用いており、この上にPtカソー
ド電極12、酸化物イオン伝導体膜としてZrO2 −8m
ol%Y23 膜13(以下単に、ZrO2 −Y23
と称する)、およびPtアノード電極14が順に積層形
成されている。図1(a) に示すように、カソード電極1
2およびアノード電極14は櫛形パターンであり、これ
らは互いに180°位相がずれた状態で重ねられてい
る。カソード電極12,ZrO2 −Y23 膜13およ
びアノード電極14はいずれも、減圧下でスパッタ法に
より形成されたものである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view and an AA ′ sectional view of a limiting current type oxygen sensor according to an embodiment of the present invention. In this example, as a gas permeable substrate, ZrO 2 -BN (B
N10%) substrate 11 on which a Pt cathode electrode 12 and an oxide ion conductor film of ZrO 2 -8 m are used.
The ol% Y 2 O 3 film 13 (hereinafter, simply referred to as ZrO 2 —Y 2 O 3 film) and the Pt anode electrode 14 are sequentially stacked. As shown in FIG. 1 (a), the cathode electrode 1
2 and the anode electrode 14 have a comb-shaped pattern, and they are stacked 180 degrees out of phase with each other. The cathode electrode 12, the ZrO 2 —Y 2 O 3 film 13 and the anode electrode 14 are all formed by sputtering under reduced pressure.

【0008】なお、ZrO2 −Y23 膜13の形成法
は例えば、Zr−8mol%Y合金ターゲットを用いた、ア
ルゴンと酸素の混合ガスをキャリアガスとする反応性ス
パッタ法による。ZrとYのスパッタ速度はほぼ同等で
あるため、ターゲットとこれからスパッタにより形成さ
れた膜との間で組成変化は殆どない。また予めZrO2
−Y23 セラミックターゲットを作成しておき、これ
をスパッタする方法もある。いずれの方法も用いること
ができる。
The ZrO 2 --Y 2 O 3 film 13 is formed by, for example, a reactive sputtering method using a Zr-8 mol% Y alloy target and a mixed gas of argon and oxygen as a carrier gas. Since the sputtering rates of Zr and Y are almost the same, there is almost no change in composition between the target and the film formed by sputtering. In addition, ZrO 2
-Y 2 O 3 in advance to create a ceramic target, a method of sputtering this is. Either method can be used.

【0009】具体的なデータを次に説明する。ZrO2
−BN基板11は、厚み0.2mm、カソード電極12お
よびアノード電極14の厚みは共に、0.3μm 、Zr
2−Y23 膜13の厚みは0.6μm とした。セン
サチップの大きさは、5mm×5mmであり、カソード電極
12およびアノード電極14の櫛歯の部分は、共に幅7
5μm ,ピッチ75μm の33本、即ち33対とした。
この様な条件で得られた素子の限界電流特性を図2に示
す。図示のように、電圧電流特性の立上がりは急峻であ
り、カソード電極12,アノード電極14のZrO2
23 膜13に対する接合特性が良好であることを示
している。またクリアな限界電流特性が得られている。
Specific data will be described below. ZrO 2
-BN substrate 11 has a thickness of 0.2 mm, and cathode electrode 12 and anode electrode 14 both have a thickness of 0.3 μm and Zr.
The thickness of the O 2 —Y 2 O 3 film 13 was 0.6 μm. The size of the sensor chip is 5 mm × 5 mm, and the comb teeth of the cathode electrode 12 and the anode electrode 14 have a width of 7 mm.
There are 33 lines with a pitch of 5 μm and a pitch of 75 μm, that is, 33 pairs.
The limiting current characteristics of the device obtained under such conditions are shown in FIG. As shown in the figure, the rise of the voltage-current characteristic is steep, and the ZrO 2 − of the cathode electrode 12 and the anode electrode 14 −
It is shown that the bonding characteristics with respect to the Y 2 O 3 film 13 are good. Also, clear limiting current characteristics are obtained.

【0010】センサのサイズを小さくした素子を作っ
た。即ちセンサチップの大きさを、2.5mm×2.5mm
とし、カソード電極,アノード電極は幅50μm ,ピッ
チ50μm として22対とした他、各部の厚みは上の実
施例と同様とした素子を試作した。この場合も上の実施
例と同様の優れた特性が得られた。
An element was made with a reduced sensor size. That is, the size of the sensor chip is 2.5mm x 2.5mm
The cathode electrode and the anode electrode had a width of 50 .mu.m and a pitch of 50 .mu.m, and there were 22 pairs. In this case as well, excellent characteristics similar to those of the above-described examples were obtained.

【0011】実施例では、酸化物イオン伝導体として安
定化ジルコニアの一つZrO2 −Y23 を用いたが、
他の金属酸化物セラミックスを用いることができる。例
えば、Y23 の代わりに、Yb23 等を置換固溶し
た安定化ジルコニア等を用いた場合にも本発明は有効で
ある。
In the examples, one of the stabilized zirconia ZrO 2 --Y 2 O 3 was used as the oxide ion conductor.
Other metal oxide ceramics can be used. For example, the present invention is effective when a stabilized zirconia in which Yb 2 O 3 or the like is substituted and dissolved is used instead of Y 2 O 3 .

【0012】[0012]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、酸
化物イオン伝導体膜を挟むカソード電極とアノード電極
を所定パターンの櫛形として配設することにより、優れ
た素子特性を持つ薄膜型の限界電流式酸素センサを得る
ことができる。
As described above, according to the present invention, by arranging the cathode electrode and the anode electrode sandwiching the oxide ion conductor film in a comb shape of a predetermined pattern, a thin film type having excellent device characteristics can be obtained. A limiting current type oxygen sensor can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の一実施例に係る限界電流式酸素セン
サの構造を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a structure of a limiting current type oxygen sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】 同実施例のセンサの限界電流特性を示す図で
ある。
FIG. 2 is a diagram showing a limiting current characteristic of the sensor of the example.

【図3】 従来の限界電流式酸素センサの構成例を示す
図である。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a conventional limiting current type oxygen sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…ZrO2 −BN基板、12…Ptカソード電極、
13…ZrO2 −Y23 膜、14…Ptアノード電
極。
11 ... ZrO 2 -BN substrate, 12 ... Pt cathode electrode,
13 ... ZrO 2 —Y 2 O 3 film, 14 ... Pt anode electrode.

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)Continued Front Page (72) Inventor Issei Ishibashi 1-5-1, Kiba, Koto-ku, Tokyo Fujikura Electric Line Co., Ltd. (72) Yoshinori Kato 1-1-5, Kiba, Koto-ku, Tokyo Fujikura Electric Line Incorporated (56) References JP-A-62-198748 (JP, A)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 気体透過性基板と、 この基板上に形成された櫛形パターンのカソード電極
と、 このカソード電極が形成された基板上に形成された酸化
物イオン伝導体膜と、 この酸化物イオン伝導体膜上に形成された、前記カソー
ド電極とは180°位相がずれた櫛形パターンのアノー
ド電極と、を備えたことを特徴とする限界電流式酸素セ
ンサ。
1. A gas-permeable substrate, a comb-shaped cathode electrode formed on the substrate, an oxide ion conductor film formed on the substrate on which the cathode electrode is formed, and the oxide ion. A limiting current type oxygen sensor, comprising: an anode electrode formed on a conductor film and having a comb pattern that is 180 ° out of phase with the cathode electrode.
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