JPH0820405B2 - Limit current type oxygen sensor - Google Patents
Limit current type oxygen sensorInfo
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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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Description
【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a limiting current type oxygen sensor, and more particularly to a thin film type limiting current type oxygen sensor in which an ionic conductor and electrodes are formed by a thin film technique.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art Conventionally, zirconium oxide stabilized with yttrium (Y), that is, zirconia-yttria (ZrO 2 -Y 2 O 3 ) is used as an ion conductor (solid electrolyte).
A ceramic oxygen sensor used as is known. In the bulk type ceramic oxygen sensor, ZrO 2 —Y 2 O
3 Ionic conductor bulk is obtained by press molding and firing,
A Pt electrode having a catalytic function is formed by printing and firing a Pt paste. Such a conventional bulk type limiting current type oxygen sensor is shown in FIGS. 4 (a) to 4 (c). FIG.
In (a), a Pt cathode electrode 2 is formed on both surfaces of a ZrO 2 —Y 2 O 3 sintered body substrate 1 having ionic conductivity by a printing method.
The element chip on which the anode electrode 3 is formed is the support base 4
It is supported by the glass material 5 at a predetermined interval. A small gas diffusion hole 6 is formed in the support base 4, and a heater 7 for activating the ZrO 2 —Y 2 O 3 sintered body substrate 1 is arranged thereon. In Figure 4 (b),
Contrary to FIG. 4A, the gas diffusion hole 6 is formed on the element chip side. FIG. 4C is an example in which the supporting gas 4 and the glass material 5 of FIG. 4B are integrally molded.
【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。For these bulk type ceramic oxygen sensors, in recent years, in order to miniaturize, miniaturize, mass-produce elements, etc., ZrO 2 --Y 2 O 3 ion conductors and electrodes have been formed by vapor deposition or sputtering. A thin film type ceramic oxygen sensor formed by thin film technology has been proposed. FIG. 4 (d) shows such a thin film type limiting current type oxygen sensor. This is because a gas permeable insulating substrate 8 is used to obtain a limiting current characteristic by controlling the diffusion of oxygen molecules, and a gas permeable insulating substrate 8 is formed on the insulating substrate 8 by sputtering.
Pt cathode electrode 2 ', ZrO 2 -Y 2 O 3 film 1', P
It is obtained by sequentially stacking the t anode electrodes 3 '.
【０００４】[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。The thin-film oxygen sensor is naturally required to be downsized and at the same time be reduced in power consumption. In particular, how to arrange a heater for heating the ion conductor film and how to obtain a desired characteristic of small electric power is an important issue. Further, in order to realize an excellent limiting current characteristic with a small thin film type oxygen sensor having a small output current, it is necessary to avoid a situation where a leak current flows when a heater is integrated with the sensor body. Conventionally, in consideration of such points, a thin-film oxygen sensor that realizes excellent thermal efficiency and excellent limiting current characteristics has not been obtained.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a thin film type limiting current type oxygen sensor that realizes excellent thermal efficiency and excellent limiting current characteristics.
【０００５】[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。 Limiting current formula according to the present invention
The oxygen sensor includes, on a substrate, an oxide ion conductor film, at least a pair of cathode electrodes and anode electrodes that are in contact with the ion conductor film and face each other on the same plane, and the ion sensor.
An insulating film that covers the conductor film and forms an insulating film
At least one of the membranes is an oxygen gas for the cathode electrode.
It is a gas diffusion layer that restricts the diffusion of hydrogen, and is characterized in that a heater is arranged on the insulating film along the gap between the anode electrode and the cathode electrode.
【０００６】[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。The oxygen sensor according to the present invention has a planar structure in which a cathode electrode and an anode electrode are arranged on the same plane, and an oxide ion conductor membrane portion located between the cathode electrode and the anode electrode where an ionic current actually flows. by disposing the heater motor to heat the, without using unnecessary heater power can be efficiently activating ionic conductor membrane. Moreover, since the heating data is laid out so as not to face directly to the cathode electrode and the anode electrode and the film thickness direction, the effect of heating data or these leakage currents is suppressed. Furthermore, cathode, anode electrode and heater
Since there is an insulating film between them, the cathode electrode and
A small element that can reduce the distance between the electrodes.
Can obtain a large ion current. As described above, it is possible to obtain a small-sized thin film oxygen sensor having excellent thermal efficiency and a clear limiting current characteristic.
【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(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。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 (a) and 1 (b) are a plan view and a sectional view taken along the line AA 'of a limiting current type oxygen sensor according to an embodiment of the present invention. A silicon oxide film 12 of about 0.1 μm is formed on the silicon substrate 11 by the sputtering method or the thermal oxidation method,
On top of this, an oxide ion conductor film of about 0.5 μm Z
rO 2 −8 mol% Y 2 O 3 film (hereinafter simply referred to as ZrO 2 —Y 2 O
3 film) 13 is formed. This ZrO 2 −
The Y 2 O 3 film 13 is formed by, for example, reactive sputtering using a Zr—Y alloy target and oxygen gas as a carrier gas.
【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。On the ZrO 2 --Y 2 O 3 film 13, comb-shaped cathode electrodes 14 and anode electrodes 15 are formed facing each other at a predetermined interval and meshed with each other. The cathode electrode 14 and the anode electrode 15 are Pt films formed by sputtering using a metal mask, for example.
On the substrate on which the cathode electrode 14 and the anode electrode 15 are formed, as a gas diffusion layer necessary for controlling the diffusion of oxygen molecules to the cathode electrode 14 to obtain the limiting current characteristic,
A porous insulating film 16 is formed. This insulating film 1
Reference numeral 6 is, for example, alumina, which is also formed by sputtering using an alumina sintered body target. On the insulating film 16, heating data 1 7 is disposed. Heating data 1
In this embodiment, 7 is a Pt film formed by sputtering similarly to the cathode electrode 13 and the anode electrode 14, and as shown in the figure, it is arranged with a pattern that meanders along the gap between the cathode electrode 13 and the anode electrode 14. It is set up.
【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。[0009] thin film oxygen sensor of this embodiment, heater motor 1
7 is heated, the portion of the ZrO 2 —Y 2 O 3 film 13 where the ionic current actually flows, that is, the portion sandwiched between the cathode electrode 14 and the anode electrode 15 is heated, and this portion is effectively activated. Be converted. Therefore, it is possible to obtain a small-sized limiting current type oxygen sensor having high thermal efficiency without requiring wasteful heater power. Further, since the heater motor 1 7 does not face directly in the film thickness direction and the cathode electrode 14 and anode electrode 15, heater motor 1 7 and the cathode electrode 14 through the insulating film 16 is a gas diffusion layer, the leakage current between the anode electrode 15 Can be kept small. This greatly contributes to obtaining clear limiting current characteristics. Actually, the substrate 11 is 5 mm × 5 mm ×
A sensor with a size of 0.2 mm, in which the cathode electrode 14 and the anode electrode 15 are arranged in a comb pattern of 20 pairs facing each other with an electrode width of 75 μm and an electrode interval of 50 μm, a very clear limit with 0.7 W energization heating. The current characteristics were obtained.
【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。3 (a) and 3 (b) are sectional views corresponding to FIG. 1 (b) of a limiting current type oxygen sensor according to another embodiment of the present invention. In all of these examples, the substrate itself is made gas permeable, and this is used as a gas diffusion layer for limiting oxygen molecule diffusion. In FIG. 3A, a ZrO 2 —BN (BN 10%) substrate 21 is used as a gas-permeable insulating substrate. A comb-shaped cathode electrode 22 and an anode electrode 23 are formed on the substrate 21 in the same pattern as in the previous embodiment, and an oxide ion conductor film Z is formed to cover the comb-shaped cathode electrode 22 and the anode electrode 23.
The rO 2 —Y 2 O 3 film 24 is formed. ZrO 2 −
On the Y 2 O 3 film 24, for example, a silicon oxide film is formed as a dense insulating encapsulating material film 25 that does not show electron conductivity or ionic conductivity, and does not have gas permeability. heater motor 2 6 in the same pattern as in the example are formed.
3 (b) shows the Z formed on the entire surface in FIG. 3 (a).
This is an example in which the rO 2 —Y 2 O 3 film 24 is selectively disposed only between the cathode electrode 22 and the anode electrode 23.
In each of these embodiments, the ion conductor film is efficiently heated as in the embodiment of FIG. 1, and therefore the same effect as that of the embodiment of FIG. 1 is obtained.
【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。The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the embodiment, ZrO 2 —Y 2 is used as the oxide ion conductor film.
Although the O 3 film is used, the present invention is also effective when an ion conductor film made of another material is used. The present invention is similarly effective when another material is used for the gas diffusion layer or the electrode for obtaining the limiting current characteristic.
【００１２】[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。According to the present invention described above, according to the present invention, the limiting current type oxygen sensor of planar structure a and a thin-film, located between the cathode electrode and the anode electrode flows actually ion current heating data oxide By arranging so as to heat the product ion conductor portion, it is possible to obtain an oxygen sensor having excellent thermal efficiency and a clear limiting current characteristic.
【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。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.
【図２】 同実施例の酸素センサの特性を示す図であ
る。FIG. 2 is a diagram showing characteristics of the oxygen sensor of the example.
【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。FIG. 3 is a sectional view of a limiting current type oxygen sensor according to another embodiment.
【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。FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a conventional ceramic oxygen sensor.
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。11 ... Silicon substrate, 12 ... Silicon oxide film, 13 ... Z
rO 2 -Y 2 O 3 film, 14 ... Pt cathode electrode, 15 ...
Pt anode electrode, 16 ... Gas diffusion insulating film, 17 ... Heater electrode, 21 ... Gas permeable insulating substrate, 22 ... Pt cathode electrode, 23 ... Pt anode electrode, 24 ... ZrO 2 -Y
2 O 3 film, 25 ... Insulating sealing material film, 26 ... Heater 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) 特開 昭53−74495（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−124943（ＪＰ，Ａ) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Issei Ishibashi 1-5-1, Kiba, Koto-ku, Tokyo Within Fujikura Electric Wire Co., Ltd. (72) Inventor Yoshinori Kato 1-1-5, Kiba, Koto-ku, Tokyo (56) Reference JP 62-198748 (JP, A) JP 53-74495 (JP, A) JP 58-124943 (JP, A)
Claims (1)
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。To 1. A substrate, an oxide ion conductor layer, and at least one pair of cathode and anode electrodes facing on the same plane in contact with the ion conductor layer, the ion
An insulating film covering the conductive film is formed, and at least one of the substrate and the insulating film is the cathode electrode.
Is a gas diffusion layer for limiting diffusion of oxygen gas with respect to the oxygen sensor , and a heater is disposed on the insulating film along the gap between the anode electrode and the cathode electrode.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4275546A JPH0820405B2 (en) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | Limit current type oxygen sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP4275546A JPH0820405B2 (en) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | Limit current type oxygen sensor |
Publications (2)
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|---|---|
| JPH06102234A JPH06102234A (en) | 1994-04-15 |
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Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| JPS5374495A (en) * | 1976-12-14 | 1978-07-01 | Marukon Denshi Kk | Gas responsive element |
| JPS62198748A (en) * | 1986-02-26 | 1987-09-02 | Sharp Corp | Oxygen sensor |
-
1992
- 1992-09-18 JP JP4275546A patent/JPH0820405B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JPH06102234A (en) | 1994-04-15 |
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