限界電流式酸素センサ

【目的】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。
【構成】シリコン基板１１上にシリコン酸化膜１２を介してＺｒＯ₂ −Ｙ₂ Ｏ₃膜１３が形成され、この上に櫛形パターンをもって互いに噛み合うカソード電極１４とアノード電極１５が形成され、この上に気体拡散層１６が形成され、更にこの上にヒータ電極１７が配設されている。ヒータ電極１７は、カソード電極１４とアノード電極１５の間隙部を覆うように蛇行パターンをもって形成されて、ＺｒＯ₂ −Ｙ₂ Ｏ₃ 膜１３のうち実際にイオン伝導が生じるカソード電極１４とアノード電極１５の間に位置する部分が効果的に加熱される。

【発明の詳細な説明】
【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。
【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 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。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。
【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′，Ｐｔアノード電極３′を順次積層形成して得られる。
【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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、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およびアノード電極とが形成され、かつ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を有する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上の前記カソード電極とアノード電極の間隙部に沿ってヒータ電極が配設されていることを特徴としている。
【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電極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、ヒータ電極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、ヒータ電極からのリーク電流の影響が小さく抑えられる。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。
【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ＺｒＯ₂ −8mol％Ｙ₂ Ｏ₃ 膜（以下単にＺｒＯ₂ −Ｙ₂ Ｏ₃ 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。
【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１６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、ヒータ電極１７が配設されている。ヒータ電極１７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。
【０００９】この実施例の薄膜酸素センサは、ヒータ電極１７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、ヒータ電極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を通してのヒータ電極１７とカソード電極１４，アノード電極１５との間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。
【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ＺｒＯ₂ −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電極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ＺｒＯ₂ −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。
【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。
【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、ヒータ電極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膜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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【図２】同実施例の酸素センサの特性を示す図である。
【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。
【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。
【符号の説明】
１１…シリコン基板、１２…シリコン酸化膜、１３…ＺｒＯ₂ −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 −Ｙ₂ Ｏ₃ 膜、２５…絶縁封止材膜、２６…ヒータ電極。

【特許請求の範囲】
【請求項１】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およびアノード電極とが形成され、かつ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を有する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上の前記カソード電極とアノード電極の間隙部に沿ってヒータ電極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。

【図２】