(57)【要約】【課題】過熱にともなう限界電流式酸素センサに含まれるヒータ板のマイグレーションを抑制し、長期にわたり安定的な検出精度が得られる限界電流式酸素センサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】限界電流式酸素センサに含まれる多孔質酸素ガス律速体基板４のうら面に成膜される薄膜状のヒータ板５の上面において、ランド部５１を除く部位には、過熱にともなうヒータ板５のマイグレーションを抑制するためのマイグレーション抑制膜が成膜される。したがって、過熱にともなうヒータ板５の劣化が抑制される。特に、このマイグレーション抑制膜はアルミナ等の高融点セラミックスからなる薄膜である。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質酸素ガス律速体基板のおもて面には、薄膜状の陰極板、薄板状の酸素イオン導電体、及び薄膜状の陽極板が順次積層され、多孔質酸素ガス律速体基板のうら面には、薄膜状のヒータ板が成膜される限界電流式酸素センサであって、
前記ヒータ板の上面の、過熱用電流を供給するリード線が接合されるランド部を除く部位には、過熱にともなう前記ヒータ板のマイグレーションを抑制するためのマイグレーション抑制膜が成膜される、
ことを特徴とする限界電流式酸素センサ。
【請求項２】
請求項１記載の限界電流式酸素センサにおいて、
前記ヒータ板は白金からなり、
前記マイグレーション抑制膜はアルミナ等の高融点セラミックスからなる薄膜である、
ことを特徴とする限界電流式酸素センサ。
【請求項３】
アルミナからなる多孔質酸素ガス律速体基板のおもて面には、薄膜状の陰極板、薄板状の酸素イオン導電体、及び薄膜状の陽極板が順次積層され、この多孔質酸素ガス律速体基板のうら面には、白金からなる薄膜状のヒータ板が形成される限界電流式酸素センサの製造方法であって、
前記多孔質酸素ガス律速体基板のうら面に対して、スパッタリングによって白金を成膜することにより前記ヒータ板を形成し、続いてこのヒータ板の上面の、過熱用電流を供給するリード線が接合されるランド部を除く部位に対して、スパッタリングによってアルミナ等の高融点セラミックスからなるマイグレーション抑制膜を成膜する、
ことを特徴とする限界電流式酸素センサの製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の限界電流式酸素センサの製造方法において、前記ランド部を除いて、前記マイグレーション抑制膜と前記ヒータ板とは重なりあうように成膜する、
ことを特徴とする限界電流式酸素センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は限界電流式酸素センサ及びその製造方法に関し、特に、この酸素センサに含まれる多孔質酸素ガス律速体基板のうら面に形成されるヒータ板のマイグレーションを抑制する限界電流式酸素センサ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の酸素センサは、例えば、特開昭５９−１６６８５４号公報にも開示されているが、検出時の過熱にともない、薄い白金からなるヒータ板のマイグレーションが進行していき、過熱性能が劣化するという問題があった。以下に、図４を用いて、この種の酸素センサの一例を示すと共に、この問題点について説明する。
【０００３】
図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）はそれぞれ、この種の限界電流式酸素センサの平面図、背面図、下側面図及び右側面図である。図４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、この種の限界電流式酸素センサは、多孔質アルミナ基板からなる多孔質酸素ガス律速体基板４のおもて面（基板４の一方の面）には、薄膜状のＰｔ（白金）からなる陰極板３、薄板状の酸素イオン導電体２、及び薄膜状のＰｔからなる陽極板１が順次積層され、この多孔質酸素ガス律速体基板４のうら面（基板４の他方の面）には、薄膜状のＰｔからなるヒータ板５が形成されている。
【０００４】
そして、上記構成の限界電流式酸素センサの陽極板１の出力端子部１１及び陰極板３の出力端子部３１間に流れるセンサ出力電流は、所定の印加電圧以上では略一定値となる。このときの電流値は限界電流とよばれ、この限界電流は酸素濃度に応じたものとなる。これを利用して酸素濃度が検出される。なお、酸素濃度検出に適した温度にこの酸素センサを保つために、ヒータ板５の両ランド部５１から過熱用電流が供給される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような構成の限界電流式酸素センサにおいては、その駆動時に、ヒータ板５に過熱用電流が供給されて７００℃近くまで昇温されて、このセンサ全体を過熱する。Ｐｔからなるヒータ板５では、その膜厚が通常２μｍ程度と非常に薄いため蒸散やマイグレーションが起きやすい状態にあり、上記のような過熱状態が継続すると、わずかながらではあるが、ヒータ板５にマイグレーションが進行する。そうすると、ヒータ板５に徐々に細りが生じて、これにともないヒータ板５の抵抗値が上昇することになる。この結果、検出動作に適した温度にこの酸素センサを維持することが困難になり、最終的には検出精度の低下をもたらすという問題があった。
【０００６】
よって本発明は、上述した現状に鑑み、過熱にともなう限界電流式酸素センサに含まれるヒータ板のマイグレーションを抑制し、長期にわたり安定的な検出精度が得られる限界電流式酸素センサ及びその製造方法を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の限界電流式酸素センサは、多孔質酸素ガス律速体基板４のおもて面には、薄膜状の陰極板３、薄板状の酸素イオン導電体２、及び薄膜状の陽極板１が順次積層され、多孔質酸素ガス律速体基板４のうら面には、薄膜状のヒータ板５が成膜される限界電流式酸素センサであって、前記ヒータ板５の上面の、過熱用電流を供給するリード線８が接合されるランド部５１を除く部位には、過熱にともなう前記ヒータ板５のマイグレーションを抑制するためのマイグレーション抑制膜が成膜される、ことを特徴とする。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、酸素センサに含まれる多孔質酸素ガス律速体基板４のうら面に成膜される薄膜状のヒータ板５の上面において、ランド部５１を除く部位には、過熱にともなうヒータ板５のマイグレーションを抑制するためのマイグレーション抑制膜が成膜される。したがって、過熱にともなうヒータ板５の劣化が抑制される。
【０００９】
上記課題を解決するためになされた請求項２記載の限界電流式酸素センサは、請求項１記載の限界電流式酸素センサにおいて、前記ヒータ板５は白金からなり、前記マイグレーション抑制膜はアルミナ等の高融点セラミックスからなる薄膜である、ことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、マイグレーション抑制膜はアルミナ等の高融点セラミックスからなる薄膜であるので、より効果的にマイグレーションが抑制される。
【００１１】
上記課題を解決するためになされた請求項３記載の限界電流式酸素センサの製造方法は、アルミナからなる多孔質酸素ガス律速体基板４のおもて面には、薄膜状の陰極板３、薄板状の酸素イオン導電体２、及び薄膜状の陽極板１が順次積層され、この多孔質酸素ガス律速体基板４のうら面には、白金からなる薄膜状のヒータ板５が形成される限界電流式酸素センサの製造方法であって、前記多孔質酸素ガス律速体基板４のうら面に対して、スパッタリングによって白金を成膜することにより前記ヒータ板５を形成し、続いてこのヒータ板５の上面の、過熱用電流を供給するリード線８が接合されるランド部５１を除く部位に対して、スパッタリングによってアルミナ等の高融点セラミックスからなるマイグレーション抑制膜を成膜する、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明によれば、多孔質酸素ガス律速体基板４のうら面に対してスパッタリングによって白金を成膜することによりヒータ板５を形成し、続いてこのヒータ板５の上面のランド部５１を除く部位に対してスパッタリングによってアルミナ等の高融点セラミックスからなるマイグレーション抑制膜を成膜するようにしているので、複雑な工程を付加することなく、ヒータ板５のマイグレーションを抑制して長期にわたり安定的な検出精度を有する限界電流式酸素センサが得られる。
【００１３】
上記課題を解決するためになされた請求項４記載の限界電流式酸素センサの製造方法は、請求項３記載の限界電流式酸素センサの製造方法において、前記ランド部５１を除いて、前記マイグレーション抑制膜と前記ヒータ板５とは重なりあうように成膜する、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明によれば、ランド部５１を除いて、マイグレーション抑制膜とヒータ板５とは重なりあうように成膜するので、多孔質酸素ガス律速体基板４の酸素ガス通気体としての機能を損なうことなく、ヒータ板５のマイグレーションが抑制される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、本発明の限界電流式酸素センサの一実施形態を示す斜視図及び背面からの斜視図である。図２は、本発明の限界電流式酸素センサの一実施形態を示す組立図である。図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）はそれぞれ、本発明の限界電流式酸素センサの一実施形態を示す平面図、背面図、下側面図及び右側面図である。
【００１６】
本限界電流式酸素センサは、図１〜図３に示すように、陽極板１、酸素イオン導電体２、陰極板３、多孔質酸素ガス律速体基板４、ヒータ板５及び上面アルミナスパッタ膜６を含んで構成される。多孔質酸素ガス律速体基板４のおもて面には、図１（Ａ）に示すように、薄膜状の陰極板３、薄板状の酸素イオン導電体２、及び薄膜状の陽極板１が順次積層される。陽極板１及び陰極板３の出力端子部１１及び３１には、酸素ガス濃度を検出する濃度検出部（不図示）に至るリード線７が接続される。この部分はプレート部とよばれ、酸素ガスを検知する役割をする。
【００１７】
一方、多孔質酸素ガス律速体基板４のうら面には、図１（Ｂ）に示すように、薄膜状のヒータ板５及び薄膜状の上面アルミナスパッタ膜６が形成される。このヒータ板５のランド部５１には、ヒータ板５を過熱させるための電流を供給する電源（不図示）に至るリード線８が接続される。この部分はヒータ部とよばれ、この酸素センサを酸素検出に適した温度に保つ役割をする。
【００１８】
陽極板１はＰｔからなり、図１（Ａ）、図２、並びに図３（Ａ）、（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、略正方形板状の主電極部１０と、リード線７が接続される、下向きにやや折れ曲がった細長い鉤型板状の出力端子部１１とから基本的に構成される。固体電解質膜２は、例えば、安定化ジルコニアの酸素イオン導電体の薄膜である。この固体電解質膜２は、上記主電極部１０より広い略正方形板状をしている。陰極板３もＰｔからなり、上記主電極部１０と同様の正方形板状の主電極部３０と、リード線７が接続される細長い鉤型板状の出力端子部３１とから基本的に構成される。
【００１９】
また、多孔質酸素ガス律速体基板４は、例えば、多孔質アルミナ基板からなる一辺３〜４ｍｍの四角形板状に構成される。この多孔質酸素ガス律速体基板４は、通常、多孔質酸素ガス律速体からなる一枚の被成膜マスタ基板が複数個分、均等に分割されて取得される。
【００２０】
この多孔質酸素ガス律速体基板４のうら面には、図１（Ｂ）、図２、並びに図３（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、上記プレート部を加熱するための発熱体であるＰｔからなるヒータ板５及びこの上面に薄膜状の上面アルミナスパッタ膜６が形成される。ヒータ板５は所定幅の帯状のジグザグ部５０と、その両端にそれぞれ形成されたリード線８が接続されるランド部５１とから基本的に構成される。ランド部５１を除くヒータ板５の上面（基板４に接する面と逆の面）には、このヒータ板５に覆い重なるように上面アルミナスパッタ膜６が形成される。上面アルミナスパッタ膜６は、過熱にともなうヒータ板５のマイグレーションを抑制するためのマイグレーション抑制膜である。例えば、ヒータ板５の膜厚は約２μｍとし、上面アルミナスパッタ膜６の膜厚は約０．３μｍとする。
【００２１】
そして、上記構成の限界電流式酸素センサの陽極板１の出力端子部１１及び陰極板３の出力端子部３１間に流れるセンサ出力電流に基づいて酸素濃度が検出される。このとき、酸素濃度検出に適した温度にこの酸素センサを保つために、ランド部５１を介して過熱用電流が供給され、ヒータ板５が７００℃近くまで昇温される。
【００２２】
このような限界電流式酸素センサを製造する際には、まず、多孔質アルミナ基板からなる多孔質酸素ガス律速体の被成膜マスタ基板（例えば、４１．５ｍｍ×３８．５ｍｍ×０．３ｍｍ程度）をアセトン中にて超音波洗浄後、約１０００℃にて加熱処理を行う。なお、上記マスタ基板は、例えば、その縦辺を１０、横辺を１１に均等分割されて、１枚のマスタ基板から計１１０個の多孔質酸素ガス律速体基板４が取得されることになる。これにともない、後述する陽極板１、陰極板３、ヒータ板５、上面アルミナスパッタ膜６等もそれぞれ１１０個分成膜される。
【００２３】
次に、このマスタ基板のうら面を所定の金属マスクで覆い、ＲＦスパッタリング装置にて、スパッタリングによって約２μｍのＰｔを成膜する。すなわち、マスタ基板のうら面を所定の金属マスクで覆い、ＲＦスパッタリング装置にてＰｔからなる複数のヒータ板５を成膜する。続いて、各ヒータ板５の上面のランド部５１を除く部位に対して、スパッタリングによってアルミナ等の高融点セラミックスからなる約０．３μｍの複数のアルミナスパッタ膜６を成膜する。この後、ヒータ板５の安定化を目的として、大気中にて焼成処理を施す。
【００２４】
上記アルミナスパッタ膜６により、過熱によるヒータ板５の蒸散やマイグレーションが抑制され、長期にわたり安定的な検出精度が得られるようになる。また、その膜厚は、ヒータ板５の膜厚が２μｍと想定すると、蒸散やマイグレーションが抑制するためには、少なくとも、０．３μｍ程度あることが望ましい。更に、ランド部５１を除いて、アルミナスパッタ膜６とヒータ板５とは重なりあうように成膜することにより、多孔質酸素ガス律速体基板４の酸素ガス通気体としての機能を損なうことなく、ヒータ板５のマイグレーションを効果的に抑制して長期にわたりより安定的な検出精度を維持できる。
【００２５】
また、アルミナスパッタ膜６は、アルミナ等の高融点セラミックスからなる薄膜が好適である。すなわち、センサ動作時には、センサ全体を７００℃とするために、Ｐｔ（融点１７００℃）からなるヒータ板５は局所的に９００℃近くまで上昇する場合があるが、このような高温を想定して空気中でより安定的なアルミナ（融点２０００℃）等の高融点セラミックスを選定することが好ましい。また、アルミナは、基板４自体の材料としても使用されており、Ｐｔとの親和性が十分に補償される点でも有利である。
なお、アルミナに替えて、高融点貴金属であるＲｈ（ロジウム）も同様の効果が期待できる。
【００２６】
一方、このマスタ基板のおもて面も同様に金属マスクで覆い、Ｐｔからなる上記形状の複数の陰極板３をＲＦスパッタリング装置にて形成し、順次、安定化ジルコニアからなる複数の固体電解質膜２を形成する。その後、安定化ジルコニアの酸化を目的として、大気中にて焼成処理を施す。更に、陰極板３と同様の方法で、Ｐｔからなる複数の陽極板１を形成し、これら成膜後のマスタ基板をダイサーにて分割して複数個（例えば、１１０個）のセンサチップとする。そして、チップ化された各限界電流式酸素センサの陽極板１の出力端子部１１、陰極板３の出力端子部３１及びヒータ板５のランド部５１に、Ｐｔからなるリード線７及び８をそれぞれボンディングする。このようにして、ヒータ板５が剥離することなく、限界電流式酸素センサが製造される。
【００２７】
このように、本実施形態によると、過熱にともなうヒータ板のマイグレーションを抑制して、長期にわたり安定的な検出精度を維持することができる限界電流式酸素センサ及びその製造方法が提供される。
【００２８】
なお、上記実施形態では、１枚のマスタ基板から１１０個のセンサチップを製造する例を挙げたが、本発明はこれに限定されるものではない。また、上記実施形態中のヒータ板の形状等も適宜変更可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、酸素センサに含まれる多孔質酸素ガス律速体基板４のうら面に成膜される薄膜状のヒータ板５の上面において、ランド部５１を除く部位には、過熱にともなうヒータ板５のマイグレーションを抑制するためのマイグレーション抑制膜が成膜される。したがって、過熱にともなうヒータ板５の劣化が抑制され、長期にわたり安定的な検出精度が得られる。
【００３０】
請求項２記載の発明によれば、マイグレーション抑制膜はアルミナ等の高融点セラミックスからなる薄膜であるので、より効果的にマイグレーションを抑制できる。したがって、長期にわたりより安定的な検出精度が得られる。
【００３１】
請求項３記載の発明によれば、多孔質酸素ガス律速体基板４のうら面に対してスパッタリングによって白金を成膜することによりヒータ板５を形成し、続いてこのヒータ板５の上面のランド部５１を除く部位に対してスパッタリングによってアルミナ等の高融点セラミックスからなるマイグレーション抑制膜を成膜するようにしているので、複雑な工程を付加することなく、ヒータ板５のマイグレーションを抑制して長期にわたり安定的な検出精度を有する限界電流式酸素センサが得られる。
【００３２】
請求項４記載の発明によれば、ランド部５１を除いて、マイグレーション抑制膜とヒータ板５とは重なりあうように成膜するので、多孔質酸素ガス律速体基板４の酸素ガス通気体としての機能を損なうことなく、ヒータ板５のマイグレーションを抑制して長期にわたり安定的な検出精度を有する限界電流式酸素センサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、本発明の限界電流式酸素センサの一実施形態を示す斜視図及び背面からの斜視図である。
【図２】本発明の限界電流式酸素センサの一実施形態を示す組立図である。
【図３】図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）はそれぞれ、本発明の限界電流式酸素センサの一実施形態を示す平面図、背面図、下側面図及び右側面図である。
【図４】図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）はそれぞれ、この種の限界電流式酸素センサの平面図、背面図、下側面図及び右側面図である。
【符号の説明】
１　陽極板
２　固体電解質膜（酸素イオン導電体）
３　陰極板
４　多孔質酸素ガス律速体基板
５　ヒータ板
６　上面アルミナスパッタ膜（マイグレーション抑制膜）
７、８　リード線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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