JPH0820408B2 - Limiting current type oxygen sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
Limiting current type oxygen sensor and manufacturing method thereofInfo
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- JPH0820408B2 JPH0820408B2 JP4335238A JP33523892A JPH0820408B2 JP H0820408 B2 JPH0820408 B2 JP H0820408B2 JP 4335238 A JP4335238 A JP 4335238A JP 33523892 A JP33523892 A JP 33523892A JP H0820408 B2 JPH0820408 B2 JP H0820408B2
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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
とその製造方法に係り、特にイオン伝導体膜や電極を薄
膜技術により形成した薄膜型の限界電流式酸素センサと
その製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a limiting current type oxygen sensor and a method for producing the same, and more particularly to a thin film type limiting current type oxygen sensor in which an ion conductor film and electrodes are formed by a thin film technique and a method for producing the same.
【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(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 O3 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。2. Description of the Related Art A ceramic oxygen sensor using yttrium (Y) -stabilized zirconium oxide (ZrO2 --Y2 O3) as an ion conductor (solid electrolyte) has been known. In the bulk type ceramic oxygen sensor, a ZrO2 --Y2 O3 ionic conductor bulk is obtained by press molding and firing, and a Pt electrode having a catalytic action is formed by printing and firing a Pt paste.
【0003】このようなバルク型セラミック酸素センサ
に対して、最近、素子の小形化,微細化,量産化のため
に、ZrO2 −Y2 O3 イオン伝導体および電極を薄膜
技術により形成する薄膜型の限界電流式酸素センサが提
案されている。この種の薄膜型のセラミック酸素センサ
は、例えば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順次積層形成して得られる。こ
の薄膜型セラミック酸素センサで基板側を酸素ガス供給
側として限界電流特性を得るためには、基板として、酸
素分子の拡散律速性を有する気体透過性基板が必要であ
る。この様な気体透過性基板として、例えばZrO2 −
BNがある。In contrast to such a bulk type ceramic oxygen sensor, recently, in order to miniaturize, miniaturize, and mass-produce elements, a thin film type limit for forming a ZrO2 --Y2 O3 ionic conductor and an electrode by a thin film technique is applied. Current oxygen sensors have been proposed. This type of thin film type ceramic oxygen sensor is obtained, for example, by sequentially stacking a cathode electrode, an oxide ion conductor film, and an anode electrode on a substrate. In order to obtain the limiting current characteristic with the substrate side as the oxygen gas supply side in this thin film type ceramic oxygen sensor, a gas permeable substrate having a diffusion rate control of oxygen molecules is required as the substrate. As such a gas permeable substrate, for example, ZrO2
There is BN.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】上述のような気体透過
性基板は、ポアサイズが0.1〜0.2μm 程度と大き
く、この基板上にスパッタ法等により均一性に優れた薄
膜を形成することが難しい。したがって均一性に優れた
薄膜を形成するためには、緻密性基板を用いることが望
ましい。しかし、緻密性基板を用いて薄膜型の限界電流
式酸素センサを形成した場合に、良好な限界電流特性を
得るためには、カソード電極とイオン伝導体の界面に拡
散律速性をもって気体を供給できる気体拡散層を如何に
形成するかが問題になる。本発明は、この様な事情を考
慮してなされたもので、優れた限界電流特性を得ること
ができる薄膜型の限界電流式酸素センサとその製造方法
を提供することを目的とする。The gas permeable substrate as described above has a large pore size of about 0.1 to 0.2 μm, and a thin film having excellent uniformity should be formed on this substrate by a sputtering method or the like. Is difficult. Therefore, in order to form a thin film having excellent uniformity, it is desirable to use a dense substrate. However, when a thin film type limiting current type oxygen sensor is formed using a dense substrate, in order to obtain good limiting current characteristics, gas can be supplied to the interface between the cathode electrode and the ionic conductor with diffusion rate control. The problem is how to form the gas diffusion layer. The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a thin film type limiting current type oxygen sensor capable of obtaining excellent limiting current characteristics and a method for manufacturing the same.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明は、緻密性基板上
にカソード電極が形成され、このカソード電極を覆うよ
うに酸化物イオン伝導体膜が形成され、このイオン伝導
体膜上にアノード電極が形成された構造の限界電流式酸
素センサにおいて、前記酸化物イオン伝導体膜が、カソ
ード電極側壁に沿って気体拡散孔となる空隙が設けられ
た状態で形成されていることを特徴とする。According to the present invention, a cathode electrode is formed on a dense substrate, an oxide ion conductor film is formed so as to cover the cathode electrode, and an anode electrode is formed on the ion conductor film. In the limiting current type oxygen sensor having the structure described above, the oxide ion conductor film is formed in a state in which voids serving as gas diffusion holes are provided along the side wall of the cathode electrode.
【0006】本発明はまた、上述のような薄膜型の限界
電流式酸素センサを製造するに当たって、酸化物イオン
伝導体膜を斜めスパッタまたは斜め蒸着により形成し
て、カソード電極側壁に沿って気体拡散孔となる空隙を
形成することを特徴とする。The present invention also manufactures a thin film type limiting current type oxygen sensor as described above, by forming an oxide ion conductor film by oblique sputtering or oblique deposition, and by gas diffusion along the side wall of the cathode electrode. It is characterized by forming voids that become holes.
【0007】[0007]
【作用】本発明によると、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した構造に
おいて、カソード電極に沿ってミクロな気体拡散孔を形
成することにより、緻密性基板を用いて格別の気体拡散
層を用いることなく、優れた限界電流特性を得ることが
できる。また本発明の製造方法によれば、酸化物イオン
伝導体膜の形成工程で斜めスパッタまたは斜め蒸着を利
用することにより、自動的に気体拡散孔を得ることがで
き、薄膜型の限界電流式酸素センサの量産性が向上す
る。According to the present invention, in a structure in which a cathode electrode, an oxide ion conductor film and an anode electrode are laminated on a substrate, a dense substrate is used by forming micro gas diffusion holes along the cathode electrode. Therefore, excellent limiting current characteristics can be obtained without using a special gas diffusion layer. Further, according to the manufacturing method of the present invention, gas diffusion holes can be automatically obtained by utilizing oblique sputtering or oblique deposition in the step of forming the oxide ion conductor film. Mass productivity of the sensor is improved.
【0008】[0008]
【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薄
膜型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。緻密性基板としてこの実施例では、切削加工
ができるセラミック基板1を用いている。基板1の表面
は鏡面加工されている。この基板1上に櫛歯状のPtカ
ソード電極2が形成され、このカソード電極2を覆うよ
うに酸化物イオン伝導体膜であるZrO2 −8mol% Y2
O3 膜(以下、単にZrO2 −Y2 O3 膜という)3が
形成され、更にこの上にカソード電極2に重なるように
櫛歯状のPtアノード電極4が形成されている。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 thin film type limiting current type oxygen sensor according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, a ceramic substrate 1 which can be cut is used as the dense substrate. The surface of the substrate 1 is mirror-finished. A comb-teeth-shaped Pt cathode electrode 2 is formed on this substrate 1, and an oxide ion conductor film of ZrO 2 -8 mol% Y 2 is formed so as to cover the cathode electrode 2.
An O3 film (hereinafter simply referred to as a ZrO2-Y2O3 film) 3 is formed, and a Pt anode electrode 4 having a comb-teeth shape is formed thereon so as to overlap the cathode electrode 2.
【0009】ZrO2 −Y2 O3 膜3は、図1(b) に示
すように、カソード電極2の上面および左側面には密着
しているが、右側面には密着していない。このカソード
電極2の右側側面に沿って形成された空隙5が気体拡散
孔となっている。As shown in FIG. 1 (b), the ZrO2-Y2O3 film 3 is in close contact with the upper surface and the left side surface of the cathode electrode 2, but not in the right side surface. The void 5 formed along the right side surface of the cathode electrode 2 serves as a gas diffusion hole.
【0010】この様な構造を得るための製造工程を次に
説明する。まず基板1上にメタルマスクを用いたスパッ
タ等によりPtカソード電極2を形成する。次に、Zr
O2−Y2 O3 セラミックターゲットを用いたスパッタ
法により、ZrO2 −Y2 O3 膜3を形成する。この
時、基板をターゲットからたたき出される粒子に対して
例えば45°傾けた状態でスパッタを行う。これによ
り、カソード電極2の片側が影になって、図1(b) に示
すような空隙5が形成される。その後通常のスパッタ工
程でPtアノード電極4を形成する。A manufacturing process for obtaining such a structure will be described below. First, the Pt cathode electrode 2 is formed on the substrate 1 by sputtering using a metal mask. Next, Zr
The ZrO2-Y2O3 film 3 is formed by the sputtering method using the O2-Y2O3 ceramic target. At this time, the sputtering is performed in a state where the substrate is tilted at 45 ° with respect to the particles knocked out from the target. As a result, one side of the cathode electrode 2 is shaded to form the void 5 as shown in FIG. 1 (b). After that, the Pt anode electrode 4 is formed by a normal sputtering process.
【0011】Ptカソード電極2とPtアノード電極4
は、この実施例では、それぞれの櫛歯が、図示のように
ZrO2 −Y2 O3 膜3を挟んで上下に対向するように
配置されている。しかし、Ptカソード電極2とアノー
ド電極4はこの様に上下で重なるようなパターン配置で
あることは必ずしも必要ではない。例えば、Ptカソー
ド電極2の櫛歯の間にPtアノード電極4の櫛歯が入る
ようなパターン配置としてもよい。Pt cathode electrode 2 and Pt anode electrode 4
In this embodiment, the comb teeth are arranged so as to face each other with the ZrO2-Y2O3 film 3 interposed therebetween as shown in the drawing. However, it is not always necessary that the Pt cathode electrode 2 and the anode electrode 4 have such a pattern arrangement that they vertically overlap. For example, the pattern arrangement may be such that the comb teeth of the Pt anode electrode 4 are inserted between the comb teeth of the Pt cathode electrode 2.
【0012】具体的な数値例を挙げる。セラミック基板
1は、5mm×5mm×0.2mmであり、Ptカソード電極
2およびPtアノード電極4は、膜厚0.2μm 、線
幅,線間隔共に75μm の20対の櫛歯パターンであ
る。ZrO2 −Y2 O3 膜3は、膜厚0.5μm であ
る。Specific numerical examples will be given. The ceramic substrate 1 is 5 mm × 5 mm × 0.2 mm, and the Pt cathode electrode 2 and the Pt anode electrode 4 are 20 pairs of comb teeth patterns having a film thickness of 0.2 μm and a line width and a line interval of 75 μm. The ZrO2 --Y2 O3 film 3 has a thickness of 0.5 .mu.m.
【0013】この実施例によると、基板1の表面が緻密
であるため、この上に形成されるPtカソード電極3お
よびZrO2 −Y2 O3 膜3が均一性がよいものとな
る。また、ZrO2 −Y2 O3 膜3の斜めスパッタによ
りカソード電極2の側壁に沿って形成された空隙5が、
拡散律速性を有する気体拡散孔となる。実際に得られた
素子を用いて、400℃の雰囲気で酸素ガス測定を行っ
た結果、非常にクリアな限界電流特性が得られた。According to this embodiment, since the surface of the substrate 1 is dense, the Pt cathode electrode 3 and the ZrO2-Y2O3 film 3 formed thereon have good uniformity. Further, the gap 5 formed along the side wall of the cathode electrode 2 by the oblique sputtering of the ZrO2 --Y2 O3 film 3
It becomes a gas diffusion hole having a diffusion rate controlling property. As a result of performing oxygen gas measurement in an atmosphere of 400 ° C. using the element actually obtained, a very clear limiting current characteristic was obtained.
【0014】本発明は、上記実施例に限られるものでは
ない。例えば実施例では、酸化物イオン伝導体としてZ
rO2 −Y2 O3 を用いたが、他の酸化物イオン伝導体
を用いた薄膜型の酸素センサにも本発明を適用すること
ができる。また、酸化物イオン伝導体膜の形成法とし
て、電子ビーム蒸着等による斜め蒸着を利用することも
でき、これによっても同様にカソード電極に沿って気体
拡散孔を形成することができる。The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the embodiment, Z is used as the oxide ion conductor.
Although rO2 --Y2 O3 is used, the present invention can be applied to a thin film type oxygen sensor using another oxide ion conductor. Further, as a method for forming the oxide ion conductor film, oblique vapor deposition such as electron beam vapor deposition can be used, and similarly, gas diffusion holes can be formed along the cathode electrode.
【0015】[0015]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、緻
密性基板を用いて、カソード電極と酸化物イオン伝導体
膜の界面部に沿ってミクロな気体拡散孔を形成すること
により、優れた限界電流特性を得ることができる薄膜型
の酸素センサを実現できる。As described above, according to the present invention, it is possible to form a fine gas diffusion hole along the interface between the cathode electrode and the oxide ion conductor film by using the dense substrate, which is excellent. It is possible to realize a thin film type oxygen sensor capable of obtaining the limiting current characteristic.
【図1】 本発明の一実施例の限界電流式酸素センサを
示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a limiting current type oxygen sensor according to an embodiment of the present invention.
1…セラミック基板、2…Ptカソード電極、3…Zr
O2 −Y2 O3 膜、5…Ptアノード電極、5…空隙
(気体拡散孔)。1 ... Ceramic substrate, 2 ... Pt cathode electrode, 3 ... Zr
O2-Y2O3 film, 5 ... Pt anode electrode, 5 ... Void (gas diffusion hole).
───────────────────────────────────────────────────── 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 株式会 社フジクラ内 (72)発明者 加藤 嘉則 東京都江東区木場1丁目5番1号 株式会 社フジクラ内 (56)参考文献 特開 平6−160341(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Issei Ishibashi 1-5-1 Kiba, Koto-ku, Tokyo Fujikura Ltd. (72) Inventor Yoshinori Kato 1-1-5 Kiba, Koto-ku, Tokyo Shares Fujikura in the company (56) Reference JP-A-6-160341 (JP, A)
Claims (2)
て気体拡散孔となる空隙が設けられた状態で形成された
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部分的に形成されたアノ
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 dense substrate, a cathode electrode partially formed on the substrate, and a void that covers the cathode electrode and serves as a gas diffusion hole along a side wall of the cathode electrode. Limiting-current-type oxygen sensor, comprising: the oxide ion conductor film formed as described above; and an anode electrode partially formed on the oxide ion conductor film.
形成する工程と、 前記カソード電極が形成された基板上に斜めスパッタま
たは斜め蒸着によって、前記カソード電極側壁に沿って
気体拡散孔となる空隙が設けられた状態で酸化物イオン
伝導体膜を形成する工程と、 前記酸化物イオン伝導体膜上に部分的にアノード電極を
形成する工程と、 を備えたことを特徴とする限界電流式酸素センサの製造
方法。2. A step of partially forming a cathode electrode on a dense substrate, and a gas diffusion hole is formed along the side wall of the cathode electrode by oblique sputtering or oblique deposition on the substrate on which the cathode electrode is formed. A limiting current formula characterized by comprising a step of forming an oxide ion conductor film in a state where a void is provided, and a step of partially forming an anode electrode on the oxide ion conductor film. Oxygen sensor manufacturing method.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP4335238A JPH0820408B2 (en) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | Limiting current type oxygen sensor and manufacturing method thereof |
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| JP4335238A JPH0820408B2 (en) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | Limiting current type oxygen sensor and manufacturing method thereof |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06160340A JPH06160340A (en) | 1994-06-07 |
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- 1992-11-20 JP JP4335238A patent/JPH0820408B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JPH06160340A (en) | 1994-06-07 |
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