JPH0820408B2 - 限界電流式酸素センサおよびその製造方法 - Google Patents
限界電流式酸素センサおよびその製造方法Info
- Publication number
- 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】
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
示す図である。
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）。
Ｏ2 −Ｙ2 Ｏ3 膜、５…Ｐｔアノード電極、５…空隙
（気体拡散孔）。
───────────────────────────────────────────────────── 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)
Claims (2)
- 【請求項１】 緻密性基板と、 この基板上に部分的に形成されたカソード電極と、 このカソード電極を覆い、かつ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。 - 【請求項２】 緻密性基板上に部分的にカソード電極を
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4335238A JPH0820408B2 (ja) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | 限界電流式酸素センサおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4335238A JPH0820408B2 (ja) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | 限界電流式酸素センサおよびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06160340A JPH06160340A (ja) | 1994-06-07 |
| JPH0820408B2 true JPH0820408B2 (ja) | 1996-03-04 |
Family
ID=18286296
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4335238A Expired - Fee Related JPH0820408B2 (ja) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | 限界電流式酸素センサおよびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0820408B2 (ja) |
-
1992
- 1992-11-20 JP JP4335238A patent/JPH0820408B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06160340A (ja) | 1994-06-07 |
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