JPH0830691B2 - Limit current type oxygen sensor - Google Patents
Limit current type oxygen sensorInfo
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- JPH0830691B2 JPH0830691B2 JP4335242A JP33524292A JPH0830691B2 JP H0830691 B2 JPH0830691 B2 JP H0830691B2 JP 4335242 A JP4335242 A JP 4335242A JP 33524292 A JP33524292 A JP 33524292A JP H0830691 B2 JPH0830691 B2 JP H0830691B2
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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 ion conductor film 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(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】しかし、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、したが
って均一な膜形成が難しく、また良好な拡散律速性を持
たせることも難しい。そこで、緻密性基板を用いて、上
述の素子とはアノード,カソード電極を上下逆にして、
カソード電極を覆うように気体拡散層を薄膜技術により
形成することも考えられる。However, the gas permeable substrate as described above is
Since the pore size is as large as 0.1 to 0.2 μm, it is difficult to form a uniform film, and it is also difficult to provide a good diffusion rate controlling property. Therefore, using a dense substrate, the anode and cathode electrodes are turned upside down from the above-mentioned element,
It is also conceivable to form the gas diffusion layer by thin film technology so as to cover the cathode electrode.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかし、緻密性基板を
用いて、アノード電極,酸化物イオン伝導体膜およびカ
ソード電極をこの順に積層形成する構造とした場合、イ
オン電流が流れてアノード電極で生成される酸素ガスを
確実に排気する排出経路を確保しなければ、良好な限界
電流特性を得ることができない。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を提供す
ることを目的とする。However, when a dense substrate is used and an anode electrode, an oxide ion conductor film, and a cathode electrode are laminated in this order, an ionic current flows to generate the anode electrode. Unless a discharge path for surely discharging the generated oxygen gas is secured, good limiting current characteristics cannot be obtained. The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a thin film type limiting current type oxygen sensor capable of obtaining excellent limiting current characteristics.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明にかかる限界電流
式酸素センサは、基板上全面にアノード電極が形成さ
れ、このアノード電極上に所定パターンをもって酸化物
イオン伝導体膜が形成され、この酸化物イオン伝導体膜
上に酸化物イオン伝導体膜周辺の表面が露出する状態で
カソード電極が重ねて形成され、気体拡散層がカソード
電極の上面および側面を覆い、かつ酸化物イオン伝導体
膜の側面を露出させた状態で形成されていることを特徴
とする。In a limiting current type oxygen sensor according to the present invention, an anode electrode is formed on the entire surface of a substrate, and an oxide ion conductor film having a predetermined pattern is formed on the anode electrode. A cathode electrode is overlaid on the product ion conductor film in a state where the surface around the oxide ion conductor film is exposed, a gas diffusion layer covers the upper surface and the side surface of the cathode electrode, and It is characterized in that it is formed with its side surface exposed.
【0007】[0007]
【作用】本発明による薄膜型の酸素センサは、カソード
側,アノード側共に、三相界面、即ちイオン伝導体と電
極と大気とが接する界面が十分大きく確保された構造と
なっている。したがって酸素センサの動作に寄与する電
極反応はカソード側,アノード側ともに十分に進む。ア
ノード,カソード電極がイオン伝導体膜を上下に挟んで
形成されているから、イオン電流に対する電気抵抗も小
さい。そして、アノード電極は基板全面に形成されてい
るから、アノード電極で生成された酸素ガスは酸化物イ
オン伝導体膜が形成されていないアノード電極部分から
確実に排出される。以上により、比較的低温で動作する
高速応答性に優れた限界電流式酸素センサが得られる。The thin-film oxygen sensor according to the present invention has a structure in which the three-phase interface, that is, the interface between the ionic conductor, the electrode, and the atmosphere is sufficiently large on both the cathode side and the anode side. Therefore, the electrode reactions that contribute to the operation of the oxygen sensor proceed sufficiently on both the cathode and anode sides. Since the anode and cathode electrodes are formed by sandwiching the ion conductor film above and below, the electric resistance to the ionic current is also small. Since the anode electrode is formed on the entire surface of the substrate, the oxygen gas generated in the anode electrode is reliably discharged from the anode electrode portion where the oxide ion conductor film is not formed. From the above, a limiting current type oxygen sensor that operates at a relatively low temperature and is excellent in high-speed response can be obtained.
【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。この実施例では、緻密性絶縁基板1として、
切削加工ができるセラミック基板を用いている。絶縁基
板1の表面は鏡面加工されている。この基板1上にはま
ず、Ptアノード電極2が全面に形成されている。アノ
ード電極2の上には、酸化物イオン伝導体膜であるZr
O2 −8mol% Y2 O3 膜(以下、単にZrO2 −Y2 O
3 膜という)3が櫛形パターンをもって形成されてい
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, as the dense insulating substrate 1,
It uses a ceramic substrate that can be cut. The surface of the insulating substrate 1 is mirror-finished. First, the Pt anode electrode 2 is formed on the entire surface of the substrate 1. Zr, which is an oxide ion conductor film, is formed on the anode electrode 2.
O2-8mol% Y2O3 film (hereinafter referred to simply as ZrO2-Y2O
3 film 3) is formed in a comb pattern.
【0009】ZrO2 −Y2 O3 膜3上には重ねて、Z
rO2 −Y2 O3 膜3のパターンをを縮小した櫛形パタ
ーンをもってPtカソード電極4が形成されている。即
ち、カソード電極4の周囲には、ZrO2 −Y2 O3 膜
3の周辺表面が露出した状態となるように、カソード電
極4がパターン形成されている。更に、カソード電極4
の上面および側面を覆うように気体拡散層5が、ほぼZ
rO2 −Y2 O3 膜3と同じ櫛形パターンで形成されて
いる。ZrO2 −Y2 O3 膜3の側面は、露出したまま
の状態に保たれている。ZrO2 --Y2 O3 film 3 is overlaid with Z
The Pt cathode electrode 4 is formed in a comb pattern in which the pattern of the rO2 -Y2 O3 film 3 is reduced. That is, the cathode electrode 4 is patterned around the cathode electrode 4 so that the peripheral surface of the ZrO2 --Y2 O3 film 3 is exposed. Furthermore, the cathode electrode 4
Of the gas diffusion layer 5 so as to cover the upper surface and side surfaces of the
It is formed in the same comb pattern as the rO2 -Y2 O3 film 3. The side surface of the ZrO2-Y2O3 film 3 is kept exposed.
【0010】この様な構造を得るための製造工程を具体
的に説明する。まず緻密性基板1上全面にスパッタ法に
よってPtアノード電極2を形成する。次いで、ZrO
2 −Y2 O3 セラミックターゲットを用いたスパッタ法
により、メタルマスクを利用して櫛形パターンのZrO
2 −Y2 O3 膜3を形成する。次いで上のメタルマスク
より窓の小さいメタルマスクを用いたスパッタ法によ
り、ZrO2 −Y2 O3膜3上に重ねてPtカソード電
極4を形成する。A manufacturing process for obtaining such a structure will be specifically described. First, the Pt anode electrode 2 is formed on the entire surface of the dense substrate 1 by the sputtering method. Then ZrO
Comb-shaped ZrO 2 pattern using metal mask by sputtering method using 2-Y 2 O 3 ceramic target.
A 2-Y2 O3 film 3 is formed. Then, a Pt cathode electrode 4 is formed on the ZrO2 --Y2 O3 film 3 by a sputtering method using a metal mask having a window smaller than the upper metal mask.
【0011】次に、カソード電極4をカバーするよう
に、スクリーン印刷と焼成によって気体拡散層5を形成
する。スクリーン印刷のマスクは、ZrO2 −Y2 O3
膜3のパターン形成マスクとほぼ同じとする。具体的に
この実施例では、無機高分子であるポリシラザンにステ
アタイトセラミック粉を約20wt%混合したペーストを
用いてこれをスクリーン印刷し、窒素ガス雰囲気中で6
00℃以上,10分の焼成を行って、気体拡散層5を形
成する。なお気体拡散層5の材料としては、無機高分子
の代りにポリイミド等の有機高分子や結晶化ガラス等を
用いることができ、またセラミック粉として窒化珪素等
を用いることもできる。また図では、気体拡散層5がカ
ソード電極4の全面を覆っているが、カソード電極4の
端子取出し部(図示しない)では当然ながら、カソード
電極4を露出させる。Next, a gas diffusion layer 5 is formed by screen printing and firing so as to cover the cathode electrode 4. The screen printing mask is ZrO2-Y2O3
It is almost the same as the patterning mask of the film 3. Specifically, in this example, a paste obtained by mixing about 20 wt% of steatite ceramic powder with polysilazane, which is an inorganic polymer, was screen-printed, and the paste was mixed in a nitrogen gas atmosphere at 6
The gas diffusion layer 5 is formed by baking at 00 ° C. or higher for 10 minutes. As the material of the gas diffusion layer 5, an organic polymer such as polyimide or crystallized glass may be used instead of the inorganic polymer, and silicon nitride or the like may be used as the ceramic powder. Further, in the figure, the gas diffusion layer 5 covers the entire surface of the cathode electrode 4, but the cathode electrode 4 is naturally exposed at the terminal lead-out portion (not shown) of the cathode electrode 4.
【0012】この実施例の素子構造では、ZrO2 −Y
2 O3 膜3を上下から電極で挟んでいるから、イオン電
流に対する電気抵抗は十分に低い。また、カソード電極
4に対してはその上面および側面に気体拡散層4を通し
て拡散律速された酸素ガスが供給される。更にアノード
電極3は、基板全面に形成されていて、ZrO2 −Y2
O3 膜3にも大気にも十分に接している。これらの理由
により、この実施例の酸素センサは、高速応答性に優
れ、比較的低温で良好な限界電流特性を得ることができ
る。実際に試作した素子を用いて大気雰囲気中で酸素ガ
ス測定を行った結果、300℃で立上がりの急峻なクリ
アな限界電流特性が得られた。In the device structure of this embodiment, ZrO 2 --Y
Since the 2 O 3 film 3 is sandwiched by the electrodes from above and below, the electric resistance to the ionic current is sufficiently low. Further, oxygen gas whose diffusion rate is controlled is supplied to the upper surface and the side surface of the cathode electrode 4 through the gas diffusion layer 4. Further, the anode electrode 3 is formed on the entire surface of the substrate and is made of ZrO2 --Y2
It is in good contact with both the O3 film 3 and the atmosphere. For these reasons, the oxygen sensor of this example is excellent in high-speed response and can obtain good limiting current characteristics at a relatively low temperature. As a result of performing oxygen gas measurement in an air atmosphere using a device that was actually prototyped, a clear limiting current characteristic with a sharp rise at 300 ° C. was obtained.
【0013】[0013]
【発明の効果】以上のように本発明による薄膜型酸素セ
ンサは、アノード電極が基板全面に形成され、この上に
酸化物イオン伝導体膜,カソード電極および気体拡散層
が所定パターンをもって重ねられて、アノード,カソー
ドの三相界面が増強された構成となっており、比較的低
温で高速応答性に優れた限界電流特性を得ることができ
る。As described above, in the thin film oxygen sensor according to the present invention, the anode electrode is formed on the entire surface of the substrate, and the oxide ion conductor film, the cathode electrode and the gas diffusion layer are laminated on the anode electrode in a predetermined pattern. The three-phase interface of the anode and the cathode is reinforced so that the limiting current characteristic with excellent high-speed response can be obtained at a relatively low temperature.
【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…緻密性基板、2…Ptアノード電極、3…ZrO2
−Y2 O3 膜、4…Ptカソード電極、5…気体拡散
層。1 ... Dense substrate, 2 ... Pt anode electrode, 3 ... ZrO2
-Y2O3 film, 4 ... Pt cathode electrode, 5 ... Gas diffusion layer.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 克明 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 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 昭63−259459(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Katsuaki Nakamura 1-5-1 Kiba, Koto-ku, Tokyo Fujikura Ltd. (72) Inventor Issei Ishibashi 1-1-5 Kiba, Koto-ku, Tokyo Shares In Fujikura, Ltd. (72) Inventor Yoshinori Kato, 1-5-1, Kiba, Koto-ku, Tokyo In Fujikura, Ltd. (56) Reference JP-A-63-259459 (JP, A)
Claims (1)
酸化物イオン伝導体膜と、 この酸化物イオン伝導体膜に酸化物イオン伝導体膜周辺
の表面を露出させた状態で重ねて形成されたカソード電
極と、 このカソード電極が形成された酸化物イオン伝導体膜上
にカソード電極の上面および側面を覆い、かつ酸化物イ
オン伝導体膜側面を露出させた状態で形成された気体拡
散層と、 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, an anode electrode formed on the entire surface of the substrate, an oxide ion conductor film formed in a comb pattern on the anode electrode, and an oxide ion conductor film oxidized to the oxide ion conductor film. A cathode electrode formed so as to overlap the surface around the ion-ion conductor film, and an oxide ion conductor film on which the cathode electrode is formed, covering the upper surface and the side surface of the cathode electrode, and forming an oxide. A limiting current type oxygen sensor, comprising: a gas diffusion layer formed with the side surface of the ionic conductor film exposed.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4335242A JPH0830691B2 (en) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | Limit current type oxygen sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4335242A JPH0830691B2 (en) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | Limit current type oxygen sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06160336A JPH06160336A (en) | 1994-06-07 |
| JPH0830691B2 true JPH0830691B2 (en) | 1996-03-27 |
Family
ID=18286338
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4335242A Expired - Fee Related JPH0830691B2 (en) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | Limit current type oxygen sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0830691B2 (en) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63259459A (en) * | 1987-04-17 | 1988-10-26 | Toshiba Corp | Limiting current type gas sensor |
-
1992
- 1992-11-20 JP JP4335242A patent/JPH0830691B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06160336A (en) | 1994-06-07 |
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