(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が絶縁性を有する基板を備えた固体電解質集積素子であって、
前記基板はその一方の面に、第１主面と、前記第１主面の裏面側に設けられた第２主面とを有し、前記第１主面と前記第２主面との間を貫通する第１、第２の２つの貫通孔が設けられており、
前記固体電解質集積素子は、
前記第１貫通孔の前記第１主面側における第１開口部の一部を被覆する又は縁どるように前記第１主面上に設けられた、導電性を有する第１下部電極層と、
前記第１下部電極層上に電気的に接続された、第１固体電解質層と、
前記第１主面側に設けられ、前記第１固体電解質層を介し、且つ前記第１下部電極層と離間し、且つ前記第１固体電解質層と電気的に接続された第１上部電極層と、
前記第２貫通孔の前記第１主面側における第２開口部の一部を被覆する又は縁どるように前記第１主面上に設けられた、導電性を有する第２下部電極層と、
前記第２下部電極層上に、前記第１固体電解質層と離間して設けられ、且つ前記第２下部電極層に電気的に接続された第２固体電解質層と、
前記第１主面側に設けられ、前記第２固体電解質層を介して前記第２下部電極層と離間し、且つ前記第２固体電解質層と電気的に接続された、第２上部電極層と、を備え、
前記第１下部電極層と前記第２上部電極層とが、前記第１主面側で電気的に接続され、
前記第１上部電極層、第１下部電極層、第２上部電極層、及び第２下部電極層は、いずれも、イオンを透過する又は／及びイオン酸化還元能を有するものであって、且つ、金属もしくは金属酸化物のいずれか、またはその両方を含むものであり、さらに通気する通気部を有するものであり、
前記第１下部電極層には、上下方向に貫通し且つ前記基板の前記第１貫通孔に連通する第３貫通孔が設けられ、
前記第２下部電極層には、上下方向に貫通し且つ前記基板の前記第２貫通孔に連通する第４貫通孔が設けられている
固体電解質集積素子。
【請求項２】
前記第１下部電極層は、前記第１固体電解質層により被覆された第１領域と、前記第１固体電解質層により被覆されていない第２領域と、を有し、
前記第１下部電極層の前記第２領域が、前記第２上部電極層に電気的接続されている
請求項１に記載の固体電解質集積素子。
【請求項３】
前記第１下部電極層の前記第２領域を含む前記部分が、前記第２上部電極層により被覆されている請求項２に記載の固体電解質集積素子。
【請求項４】
前記第２固体電解質層は、側面の一部が前記第２上部電極層により被覆されている請求項２に記載の固体電解質集積素子。
【請求項５】
前記第１固体電解質層と前記第２固体電解質層とは、前記第１下部電極層及び前記第２上部電極層を介して、電気的に直列に接続され、
前記第２上部電極層は、前記第２固体電解質層の一端上から前記第１下部電極層の一端上に亘って延在している
請求項１に記載の固体電解質集積素子。
【請求項６】
前記第１貫通孔内の前記第１開口部の近傍に設けられ、且つ前記第１下部電極層と電気的に接続された第１追加電極層と、
前記第２貫通孔内の前記第２開口部の近傍に設けられ、且つ前記第２下部電極層と電気的に接続された第２追加電極層と、をさらに備える
請求項１に記載の固体電解質集積素子。
【請求項７】
前記第１下部電極層の前記第３貫通孔内には、前記第１固体電解質層の一部が充填され、
前記第２下部電極層の前記第４貫通孔内には、前記第２固体電解質層の一部が充填されている
請求項１に記載の固体電解質集積素子。
【請求項８】
前記第１上部電極層には、上下方向に貫通し、且つ前記第１下部電極層の前記第３貫通孔を通る前記第１主面に垂直な法線が通る第５の貫通孔が設けられ、
前記第２上部電極層には、上下方向に貫通し、且つ前記第２下部電極層の前記第４貫通孔を通る前記第１主面に垂直な法線が通る第６の貫通孔が設けられている
請求項１に記載の固体電解質集積素子。
【請求項９】
前記第１固体電解質層は、前記第１下部電極層の上面から側面の一部に亘って被覆しており、
前記第２固体電解質層は、前記第２下部電極層の上面から側面の一部に亘って被覆している
請求項１に記載の固体電解質集積素子。
【請求項１０】
前記第１上部電極層は、前記第１固体電解質層の上面から側面の一部に亘って被覆しており、
前記第２上部電極層は、前記第２固体電解質層の上面から側面の一部に亘って被覆している
請求項９に記載の固体電解質集積素子。
【請求項１１】
前記基板は、ガラスで構成されている請求項１に記載の固体電解質集積素子。
【請求項１２】
前記基板は、シリコン酸化物を外表面に備えたシリコン基板である請求項１に記載の固体電解質集積素子。
【請求項１３】
複数の固体電解質層を集積させた固体電解質集積素子の製造方法であって、
第１主面と、前記第１主面と反対側の第２主面とを有し、表面が絶縁性を有する基板を、準備する第１工程と、
前記基板の前記第１主面上に、導電性を有する第１下部電極層及び第２下部電極層を形成する第２工程と、
前記第１下部電極層上に設けられ、前記第１下部電極層に電気的に接続され、イオン伝導性を有する第１固体電解質層を形成するとともに、前記第２下部電極層上に、前記第１固体電解質層と離間するように、前記第２下部電極層に電気的に接続され、イオン伝導性を有する第２固体電解質層を形成する第３工程と、
前記第１固体電解質層を介して前記第１下部電極層と離間して前記第１主面側に、前記第１固体電解質層と電気的に接続され、導電性を有する第１上部電極層を形成するとともに、前記第２固体電解質層を介して前記第２下部電極層と離間して前記第１主面側に、前記第２固体電解質層と電気的に接続され、導電性を有する第２上部電極層を形成する第４工程と、
前記第１主面と前記第２主面との間を貫通する第１及び第２貫通孔を形成し、更に前記第１貫通孔から連続的に前記第１下部電極層を貫通する第３貫通孔、及び前記第２貫通孔から連続的に前記第２下部電極層を貫通する第４貫通孔を前記基板の前記第２主面側から形成する工程であって、前記第１下部電極層が、前記第１貫通孔の前記第１主面側の開口部を縁どるように開口されるとともに、前記第２下部電極層が、前記第２貫通孔の前記第１主面側の開口部を縁どるように開口される第５の工程と、をこの順に備え、
前記第１下部電極層と前記第２上部電極層とが、前記第１主面側で電気的に接続されている
固体電解質集積素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質集積素子、固体電解質集積素子の製造方法、及び、固体電解質素子に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、固体電解質素子は、酸素センサや酸素濃縮器などに用いられている。【０００３】
そして、固体電解質素子の集積効率の向上と低電流化のために、複数の固体電解質素子を直列に接続して集積した固体電解質集積素子が提案されている（例えば、特許文献１ないし３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３１５８８４号公報
【特許文献２】特開２００７−１００１１６号公報
【特許文献３】特開２０１５−２２２７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、上記特許文献１では、固体電解質層に貫通孔を形成し、当該貫通孔を介して複数の電極を直列に接続する構造が開示されている。しかしながら、この構造においては、貫通孔が設けられた固体電解質層に応力がかかり、固体電解質集積素子が崩壊してしまう問題がある。【０００６】
また、特許文献２では、複数の固体電解質素子を位置決め突起に固定し、直列に接合させる電気化学セルの構造が開示されている。これにより、各電気化学セル間に接続配線のためのクリアランスを設ける必要がなくなり、よって、コンパクト化が図れる。しかしながら、この特許文献２に記載の構造では、突起と固体電解質素子との接合の際に応力がかかり、固体電解質素子を破損する問題がある。【０００７】
また、上記特許文献３では、ダミーのシリコン基板上に電極/固体電解質/電極を積層した積層体に上部基板を陽極接合し、ダミーのシリコン基板をウェットエッチングで除去し、次いで下部基板を陽極接合することにより、２枚の基板で固体電解質の薄膜（固体電解質層）を挟持した素子を製造する方法が開示されている。
しかしながら、この特許文献３に記載の構造では、固体電解質層に下部基板を接合する際に、固体電解質層に応力がかかるため、当該固体電解質層が損傷する問題がある。【０００８】
上述のように、従来の固体電解質集積素子では、固体電解質層に応力が印加されて固体電解質集積素子が損傷し、崩壊する問題がある。【０００９】
そこで、本発明では、低電流化しつつ、固体電解質層に印加される応力を低減することが可能な固体電解質集積素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係る実施形態に従った固体電解質集積素子は、表面が絶縁性を有する基板を備えた固体電解質集積素子であって、基板はその一方の面側に、第１主面と、前記第１主面の裏面側に設けられた第２主面とを有し、前記第１主面と前記第２主面との間を貫通する第１、第２の２つの貫通孔が設けられており、前記固体電解質集積素子は、前記第１貫通孔の前記第１主面側における第１開口部の一部を被覆する又は縁どるように前記第１主面上に設けられた、導電性を有する第１下部電極層と、前記第１下部電極層上に電気的に接続された、第１固体電解質層と、前記第１主面側に設けられ、前記第１固体電解質層を介し、且つ前記第１下部電極層と離間し、前記第１固体電解質層と電気的に接続された第１上部電極層と、前記第２貫通孔の前記第１主面側における第２開口部の一部を被覆する又は縁どるように前記第１主面上に設けられた、導電性を有する第２下部電極層と、前記第２下部電極層上に、前記第１固体電解質層と離間して設けられ、且つ前記第２下部電極層に電気的に接続された第２固体電解質層と、前記第１主面側に設けられ、前記第２固体電解質層を介して前記第２下部電極層と離間し、且つ前記第２固体電解質層と電気的に接続された、第２上部電極層と、を備え、前記第１下部電極層と前記第２上部電極層とが、前記第１主面側で電気的に接続され、前記第１上部電極層、前記第１下部電極層、前記第２上部電極層、及び前記第２下部電極層は、いずれも、イオンを透過する又は／及びイオン酸化還元能を有するものであって、且つ、金属もしくは金属酸化物のいずれか、またはその両方を含むものであり、さらに通気する通気部を有するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様に係る固体電解質集積素子、固体電解質集積素子の製造方法、及び、固体電解質素子は、固体電解質層に印加される機械的応力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、第１実施形態に係る固体電解質集積素子１００の一例を示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示す固体電解質集積素子１００の基板１０の第１主面１０ａに沿った平面近傍の構成を下方から見た平面図である。
【図３】図３は、複数の固体電解質集積素子を直列に接続した固体電解質集積素子の構成の一例を示す平面図である。
【図４】図４は、複数の固体電解質集積素子を直列に接続した固体電解質集積素子の構成の他の例を示す平面図である。
【図５】図５は、複数の固体電解質集積素子を直列に接続した固体電解質集積素子の構成のさらに他の例を示す平面図である。
【図６】図６は、変形例１に係る固体電解質集積素子１００の一例を示す断面図である。
【図７】図７は、図６に示す固体電解質集積素子１００の基板１０の第１主面１０ａに沿った平面近傍の構成を下方から見た平面図である。
【図８】図８は、変形例２に係る固体電解質集積素子１００の一例を示す断面図である。
【図９】図９は、図８に示す固体電解質集積素子１００の基板１０の第１主面１０ａに沿った平面近傍の構成を下方から見た平面図である。
【図１０】図１０は、変形例３に係る固体電解質集積素子１００の一例を示す断面図である。
【図１１】図１１は、図１０に示す固体電解質集積素子１００の基板１０の第１主面１０ａに沿った平面近傍の構成を下方から見た平面図である。
【図１２】図１２は、図６に示す変形例１の固体電解質集積素子１００の製造方法の工程の一例を示す断面図である。
【図１３】図１３は、図１２に続く固体電解質集積素子１００の製造方法の工程を示す断面図である。
【図１４】図１４は、図１３に続く固体電解質集積素子１００の製造方法の工程を示す断面図である。
【図１５】図１５は、図１４に続く固体電解質集積素子１００の製造方法の工程を示す断面図である。
【図１６】図１６は、図１５に続く固体電解質集積素子１００の製造方法の工程を示す断面図である。
【図１７】図１７は、図６に示す変形例１の固体電解質集積素子１００の製造方法の工程の他の例を示す断面図である。
【図１８】図１８は、図１７に続く固体電解質集積素子１００の製造方法の工程を示す断面図である。
【図１９】図１９は、図１８に続く固体電解質集積素子１００の製造方法の工程を示す断面図である。
【図２０】図２０は、図１９に続く固体電解質集積素子１００の製造方法の工程を示す断面図である。
【図２１】図２１は、図２０に続く固体電解質集積素子１００の製造方法の工程を示す断面図である。
【図２２】図２２は、図２１に続く固体電解質集積素子１００の製造方法の工程を示す断面図である。
【図２３】図２３は、図２２に続く固体電解質集積素子１００の製造方法の工程を示す断面図である。
【図２４】図２４は、図２３に続く固体電解質集積素子１００の製造方法の工程を示す断面図である。
【図２５】図２５は、第２実施形態に係る固体電解質集積素子１００の一例を示す断面図である。
【図２６】図２６は、図２５に示す第２実施形態に係る固体電解質集積素子１００の製造方法の工程の一例を示す断面図である。
【図２７】図２７は、図２６に続く固体電解質集積素子１００の製造方法の工程を示す断面図である。
【図２８】図２８は、図２７に続く固体電解質集積素子１００の製造方法の工程を示す断面図である。
【図２９】図２９は、図２８に続く固体電解質集積素子１００の製造方法の工程を示す断面図である。
【図３０】図３０は、図２９に続く固体電解質集積素子１００の製造方法の工程を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施形態について図面に基づいて説明する。
【第１実施形態】
【００１４】
図１は、第１実施形態に係る固体電解質集積素子１００の一例を示す断面図である。また、図２は、図１に示す固体電解質集積素子１００の基板１０の第１主面１０ａに沿った平面近傍の構成を下方から見た平面図である。なお、図１の断面は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面に対応する。
なお、各図面に基づいた説明においては、固体電解質集積素子１００の基板１０の位置を基準として、当該基板１０の第２主面１０ｂから第１主面１０ａへの向きを上方向とし、第１主面１０ａから第２主面１０ｂへの向きを下方向としている。そして、当該基板１０の第１主面１０ａ側を上側（上方）とし、当該基板１０の第２主面１０ｂ側を下側（下方）としている。
【００１５】
例えば、図１、図２に示すように、本実施形態に係る複数の固体電解質層（固体電解質の層）を集積させた固体電解質集積素子１００は、基板１０と、第１下部電極層Ｄ１Ｙと、第１固体電解質層Ｓ１と、第１上部電極層Ｄ１Ｘと、第１追加電極層Ｄ１Ａと、第２下部電極層Ｄ２Ｙと、第２固体電解質層Ｓ２と、第２上部電極層Ｄ２Ｘと、第２追加電極層Ｄ２Ａと、を備える。なお、固体電解質集積素子１００の第１（第２）固体電解質層Ｓ１（Ｓ２）の位置を基準として、当該第１（第２）固体電解質層Ｓ１（Ｓ２）の上面に接続された電極を第１（第２）上部電極層Ｄ１Ｘ（Ｄ２Ｘ）とし、当該第１（第２）固体電解質層Ｓ１（Ｓ２）の下面に接続された電極を第１（第２）下部電極層Ｄ１Ｙ（Ｄ２Ｙ）としている。
【００１６】
この固体電解質集積素子１００は、例えば、酸素濃縮器又は水素製造器に適用される。
【００１７】
なお、基板１０と、第１下部電極層Ｄ１Ｙと、第１固体電解質層Ｓ１と、第１上部電極層Ｄ１Ｘとにより、１個の固体電解質素子が構成される。そして、このような固体電解質素子が電気的に複数個直列（図１の例では最小単位の２個に注目して図示している）に接続されることで、上記固体電解質集積素子１００が構成される。
以下、固体電解質集積素子１００の各構成について説明する。
【００１８】
（基板１０）
ここで、例えば、図１、図２に示すように、基板１０は、一方の面に第１主面１０ａと、この第１主面１０ａの裏面側の第２主面１０ｂとを有する。この基板１０は、第１主面１０ａと第２主面１０ｂとの間を貫通する第１貫通孔Ｐ１及び第２貫通孔Ｐ２が設けられている。この基板１０の第１貫通孔Ｐ１及び第２貫通孔Ｐ２は、第１主面１０ａと第２主面１０ｂとの間で気体を通気可能にするものである。
【００１９】
さらに、基板１０は、表面が絶縁性を有する。例えば、基板１０は、ガラスで構成されている。また、基板１０は、シリコン酸化物を外表面に備えたシリコン基板であってもよい。
ここで、基板１０の外表面とは、基板１０の第１、第２主面１０ａ、１０ｂおよび側面を含む概念である。当該基板１０自体に電流が流れないように、基板１０は外表面に絶縁性を有する。
【００２０】
より詳しくは、この基板１０の材料としては、耐熱性や電気絶縁性に優れるものとして、ガラス、酸化物が被覆されたシリコン、酸化物被覆金属（Ｔｉ、Ｎｉや合金系）、酸化物セラミックス(Ａｌ２Ｏ３、ジルコニア、マグネシア、ランタンクロマイト系など）が選択されてもよい。
そして、開口加工が容易な材料として、より好ましくは、ガラス、酸化物が被覆されたシリコンが選択される。
また、材料価格および製造コストにおいて優位な材料として、より好ましくは、酸化物が被覆されたシリコンが選択される。
【００２１】
なお、図１、図２の例では、第１貫通孔Ｐ１及び第２貫通孔Ｐ２がそれぞれ４個の場合を示しているが、第１貫通孔Ｐ１及び第２貫通孔Ｐ２がそれぞれ１個ないし３個、又は、５個以上であってもよい。
【００２２】
また、この基板１０は、その上部に形成する各層を支持する点と、貫通孔を容易に形成できる点から、その厚さが、例えば、５０μｍ〜３０００μｍの範囲であるのが好ましい。
【００２３】
そして、基板１０の第１及び第２貫通孔Ｐ１、Ｐ２は、例えば、第１主面の側から見て円形の形状を有する。この場合、この第１及び第２貫通孔Ｐ１、Ｐ２の円形の形状の直径は、例えば、０.０１ｍｍ〜３０ｍｍの範囲である。
なお、基板１０の第１及び第２貫通孔Ｐ１、Ｐ２は、例えば、第１主面の側から見て、円形以外の長方形や、六角形等の多角形の形状を有していてもよい。
【００２４】
（第１下部電極層Ｄ１Ｙ）
また、第１下部電極層Ｄ１Ｙは、例えば、図１に示すように、第１貫通孔Ｐ１の第１主面１０ａ側における第１開口部Ｐ１ａの一部を被覆するように第１主面１０ａ上に設けられている。この第１下部電極層Ｄ１Ｙが第１開口部Ｐ１ａの一部を被覆することで、第１開口部Ｐ１ａの電位を所定値に制御することができるようになっている。
【００２５】
この第１下部電極層Ｄ１Ｙは、導電性を有する。特に、この第１下部電極層Ｄ１Ｙは、イオンを透過し又は／及びイオン酸化還元能を有する。
【００２６】
なお、後述の第２実施形態のように、第１下部電極層Ｄ１Ｙは、第１貫通孔Ｐ１の第１主面１０ａ側における第１開口部Ｐ１ａの一部を縁どるように第１主面１０ａ上に設けられていてもよい。
【００２７】
この第１下部電極層Ｄ１Ｙには、例えば、図１に示すように、当該第１下部電極層Ｄ１Ｙを上下方向に貫通し且つ基板１０の第１貫通孔Ｐ１に連通する第３貫通孔Ｄ１ＹＰが設けられている。
そして、この第１下部電極層Ｄ１Ｙの第３貫通孔Ｄ１ＹＰ内には、第１固体電解質層Ｓ１の一部Ｓ１Ｐが充填されている。これにより、第１固体電解質層Ｓ１自体の抵抗値を下げるとともに、この第１固体電解質層Ｓ１と第１下部電極層Ｄ１Ｙとの間の電気的な接触抵抗を低減することができる。
【００２８】
また、この第１下部電極層Ｄ１Ｙは、例えば、金属もしくは金属酸化物のいずれか、またはその両方を含むものであり、通気する通気部（図示せず）を有していてもよい。この通気部は、例えば、第１下部電極層Ｄ１Ｙの第１貫通孔Ｐ１側の気体が第１固体電解質層Ｓ１との界面まで通気可能な形状を有する。この通気部は、例えば、メッシュ状又は多孔質の形状であってもよい。
【００２９】
そして、この第１下部電極層Ｄ１Ｙは、厚さが０.０１〜１０００μｍの範囲であることが好ましい。
【００３０】
（第１固体電解質層Ｓ１）
また、第１固体電解質層Ｓ１は、例えば、図１に示すように、第１下部電極層Ｄ１Ｙ上に設けられている。そして、この第１固体電解質層Ｓ１は、第１下部電極層Ｄ１Ｙに電気的に接続されている。なお、この第１固体電解質層Ｓ１と第１下部電極層Ｄ１Ｙとの間にイオン伝導性を有する中間層（図示せず）が設けられていてもよい。
【００３１】
特に、第１固体電解質層Ｓ１は、第１下部電極層Ｄ１Ｙの上面Ｄ１Ｙａから側面Ｄ１Ｙｂの一部に亘って被覆している。これにより、第１固体電解質層Ｓ１と第１下部電極層Ｄ１Ｙとの間の接触抵抗が低減されるようになっている。
【００３２】
さらに、第１固体電解質層Ｓ１は、その側面Ｓ１Ｘの一部が第１上部電極層Ｄ１Ｘにより被覆されている。特に、第１上部電極層Ｄ１Ｘは、例えば、図１に示すように、第１固体電解質層Ｓ１の上面Ｓ１ａから側面Ｓ１Ｘの一部に亘って被覆している。これにより、この第１固体電解質層Ｓ１は、第１上部電極層Ｄ１Ｘに電気的に接続され、第１固体電解質層Ｓ１と第１上部電極層Ｄ１Ｘとの間の接触抵抗が低減されるようになっている。なお、この第１固体電解質層Ｓ１と第１上部電極層Ｄ１Ｘとの間に電子-イオン伝導性を有する中間層（図示せず）が設けられていてもよい。
【００３３】
また、この第１固体電解質層Ｓ１は、イオン伝導性し、例えば、プロトン伝導性、炭酸イオン伝導性、又は、酸化物イオン伝導性を有する。特に、固体電解質集積素子１００が酸素濃縮器に適用される場合には、第１固体電解質層Ｓ１は、酸化物イオン伝導性を有する。この場合、第１固体電解質層Ｓ１は、例えば、６００°の雰囲気で、１．０×１０-３Ｓ／ｃｍの酸化物イオン伝導性を有する。
【００３４】
また、第１固体電解質層Ｓ１は、第１下部電極層Ｄ１Ｙ上における厚さが０.０５μｍ〜３００μｍの範囲であることが好ましい。
【００３５】
（第１上部電極層Ｄ１Ｘ）
また、第１上部電極層Ｄ１Ｘは、第１固体電解質層Ｓ１を介して第１下部電極層Ｄ１Ｙと離間して第１主面１０ａ側に設けられている。この第１上部電極層Ｄ１Ｘは、第１固体電解質層Ｓ１と電気的に接続され、導電性を有する。
【００３６】
この第１上部電極層Ｄ１Ｘは、イオンを透過し又は／及びイオン酸化還元能を有する。
【００３７】
なお、この第１上部電極層Ｄ１Ｘは、例えば、金属もしくは金属酸化物のいずれか、またはその両方を含むものであり、通気する通気部（図示せず）を有していてもよい。この通気部は、例えば、第１上部電極層Ｄ１Ｘの表面の気体が第１固体電解質層Ｓ１との界面まで通気可能な形状を有する。この通気部は、例えば、メッシュ状又は多孔質の形状であってもよい。
【００３８】
そして、この第１上部電極層Ｄ１Ｘは、第１固体電解質層Ｓ１上におけるその厚さが０.０１μｍ〜３００μｍの範囲であることが好ましい。
【００３９】
（第１追加電極層Ｄ１Ａ：任意層）
また、第１追加電極層Ｄ１Ａは、例えば、図１に示すように、第１貫通孔Ｐ１内の第１開口部Ｐ１ａの近傍に設けられ、且つ第１下部電極層Ｄ１Ｙと電気的に接続されている。この第１追加電極層Ｄ１Ａにより、当該第１追加電極層Ｄ１Ａに電気的に接続されている第１下部電極層Ｄ１Ｙを含めた抵抗値を下げるとともに、第１固体電解質層Ｓ１との間の電気的な接触抵抗を低減することができる。
【００４０】
この第１追加電極層Ｄ１Ａは、厚さが０.０１μｍ〜３００μｍの範囲であることが好ましい。
【００４１】
なお、この第１追加電極層Ｄ１Ａは設けられなくともよい。この場合、第１下部電極層Ｄ１Ｙの表面が第１貫通孔Ｐ１側に露出する状態になる。
【００４２】
（第２下部電極層Ｄ２Ｙ）
また、第２下部電極層Ｄ２Ｙは、第２貫通孔Ｐ２の第１主面１０ａ側における第２開口部Ｐ２ａの一部を被覆するように第１主面１０ａ上に設けられている。この第２下部電極層Ｄ２Ｙが第２開口部Ｐ２ａの一部を被覆することで、第２開口部Ｐ２ａの電位を所定値に制御することができる。
【００４３】
そして、この第２下部電極層Ｄ２Ｙは、導電性を有する。特に、この第２下部電極層Ｄ２Ｙは、イオンを透過し又は／及びイオン酸化還元能を有する。
【００４４】
なお、後述の第２実施形態のように、第２下部電極層Ｄ２Ｙは、第２貫通孔Ｐ２の第１主面１０ａ側における第２開口部Ｐ２ａの一部を縁どるように第１主面１０ａ上に設けられていてもよい。
【００４５】
この第２下部電極層Ｄ２Ｙには、例えば、図１に示すように、当該第２下部電極層Ｄ２Ｙを上下方向に貫通し且つ基板１０の第２貫通孔Ｐ２に連通する第４貫通孔Ｄ２ＹＰが設けられている。
さらに、この第２下部電極層Ｄ２Ｙの第４貫通孔Ｄ２ＹＰ内には、第２固体電解質層Ｓ２の一部Ｓ２Ｐが充填されている。これにより、第２固体電解質層Ｓ２自体の抵抗値を下げるとともに、この第２固体電解質層Ｓ２と第２下部電極層Ｄ２Ｙとの間の接触抵抗を低減することができる。
【００４６】
また、この第２下部電極層Ｄ２Ｙは、既述の第１下部電極層Ｄ１Ｙと同様の構成を有し、例えば、金属もしくは金属酸化物のいずれか、またはその両方を含むものであり、通気する通気部（図示せず）を有していてもよい。
【００４７】
そして、この第２下部電極層Ｄ２Ｙは、厚さが０.０１〜１０００μｍの範囲であることが好ましい。
【００４８】
なお、この第２下部電極層Ｄ２Ｙ及び既述の第１下部電極層Ｄ１Ｙに適用できる電極材料としては、電気伝導性を有する材料であれば特に制限なく使用することができ、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｎｉ等の金属、及びそれら金属含む合金、ステンレス等の金属系の電子伝導体材料、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、バリウムフェライト系、酸化コバルトマンガン、ランタンニッケレート等のセラミック系の酸素−電子混合伝導体、ＩＴＯやＦＴＯ等のスズ酸化物系やＡＺＯやＧＺＯ等の亜鉛酸化物系である透明電極材料、これら材料の混合物や担持物、上記した固体電解質と混合したサーメットなどが挙げられるがこれらに限定されるものではない。
【００４９】
（第２固体電解質層Ｓ２）
また、第２固体電解質層Ｓ２は、例えば、図１に示すように、第２下部電極層Ｄ２Ｙ上に、既述の第１固体電解質層Ｓ１と離間する（電気的に直接接続されない）ように、設けられている。そして、この第２固体電解質層Ｓ２は、第２下部電極層Ｄ２Ｙに電気的に接続されている。なお、この第２固体電解質層Ｓ２と第２下部電極層Ｄ２Ｙとの間に電子-イオン伝導性を有する中間層（図示せず）が設けられていてもよい。
【００５０】
特に、第２固体電解質層Ｓ２は、第２下部電極層Ｄ２Ｙの上面Ｄ２Ｙａから側面Ｄ２Ｙｂの一部に亘って被覆している。これにより、第２固体電解質層Ｓ２と第２下部電極層Ｄ２Ｙとの間の接触抵抗が低減されるようになっている。
【００５１】
さらに、第２固体電解質層Ｓ２は、その側面Ｓ２Ｘの一部が第２上部電極層Ｄ２Ｘに被覆されている。特に、第２上部電極層Ｄ２Ｘは、例えば、図１に示すように、第２固体電解質層Ｓ２の上面Ｓ２ａから側面Ｓ２Ｘの一部に亘って被覆している。これにより、この第２固体電解質層Ｓ２は、第２上部電極層Ｄ２Ｘに電気的に接続されており、このような構成により、第２固体電解質層Ｓ２と第１上部電極層Ｄ２Ｘとの間の接触抵抗が低減されるようになっている。なお、この第２固体電解質層Ｓ２と第２上部電極層Ｄ２Ｘとの間にイオン伝導性を有する中間層（図示せず）が設けられていてもよい。
【００５２】
この第２固体電解質層Ｓ２は、イオン伝導性を有し、例えば、プロトン伝導性、炭酸イオン伝導性、又は、酸化物イオン伝導性を有する。特に、固体電解質集積素子１００が酸素濃縮器に適用される場合には、第２固体電解質層Ｓ２は、酸化物イオン伝導性を有する。この場合、第２固体電解質層Ｓ２は、第１固体電解質層Ｓ１と同様の酸化物イオン伝導性を有する。
【００５３】
また、第２固体電解質層Ｓ２は、第２下部電極層Ｄ２Ｙ上における厚さが０.０５μｍ〜３００μｍの範囲であることが好ましい。
【００５４】
なお、この第２固体電解質層Ｓ２及び既述の第１固体電解質層Ｓ１に適用される固体電解質としては、酸化物イオン伝導体またはプロトン伝導体として知られている無機固体電解質を使用することができる。
【００５５】
例えば、酸化物イオン伝導体として知られる無機固体電解質としては、ランタンシリケートやセリウムシリケート等の（ＲＥ2Ｏ3）x（ＳｉＯ2）6（ＲＥはＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍから選択される元素であり、ｘは３．５＜ｘ＜６の条件を満たす。）で表されるアパタイト結晶構造を有する複合酸化物、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３等により安定化された安定化ジルコニア、ＬａＧａＯ３の基本組成を有するペロブスカイト構造を有しているＧａ系酸化物（ランタンガレート系酸化物）、ガドリニウム固溶セリア（ガドリアドープセリア）やサマリウム固溶セリア（サマリアドープセリア）等の希土類元素を固溶したセリウム酸化物等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、上記した酸化物イオン伝導体は、１種単独の化合物としてもよいし、複数の化合物が任意に混合された複合酸化物としてもよい。また、固体電解質層は、単層として用いる他、多層体として用いてもよい。
【００５６】
また、プロトン伝導体として知られている無機固体電解質としては、酸化バリウムセリア（ＢａＣｅＯ３）、酸化ストロンチウムセリア（ＳｒＣｅＯ３）、酸化ストロンチウムジルコニア（ＳｒＺｒＯ３）、酸化カルシウムジルコニア（ＣａＺｒＯ３）、酸化ストロンチウムチタニア（ＳｒＴｉＯ３）などの複合酸化物、ランタン−タングステン系複合酸化物等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、上記したプロトンイオン伝導体は１種単独で用いてもよいし、任意に混合して用いてもよい。
【００５７】
（第２上部電極層Ｄ２Ｘ）
また、第２上部電極層Ｄ２Ｘは、第２固体電解質層Ｓ２を介して第２下部電極層Ｄ２Ｙと離間して第１主面１０ａ側に設けられている。この第２上部電極層Ｄ２Ｘは、第２固体電解質層Ｓ２と電気的に接続され、導電性を有する。
【００５８】
この第２上部電極層Ｄ２Ｘは、イオンを透過し又は／及びイオン酸化還元能を有する。
【００５９】
なお、この第２上部電極層Ｄ２Ｘは、例えば、金属もしくは金属酸化物のいずれか、またはその両方を含むものであり、通気する通気部（図示せず）を有していてもよい。この通気部は、例えば、第２上部電極層Ｄ２Ｘの表面の気体が第２固体電解質層Ｓ２との界面まで通気可能な形状を有する。この通気部は、例えば、メッシュ状又は多孔質の形状であってもよい。
【００６０】
そして、この第２上部電極層Ｄ２Ｘは、第２固体電解質層Ｓ２上におけるその厚さが０.０１μｍ〜３００μｍの範囲であることが好ましい。
【００６１】
なお、この第２上部電極層Ｄ２Ｘ及び既述の第１上部電極層Ｄ１Ｘに適用できる電極材料としては、電気伝導性を有する材料であれば特に制限なく使用することができ、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｎｉ等の金属、及びそれら金属含む合金、ステンレス等の金属系の電子伝導体材料、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、バリウムフェライト系、酸化コバルトマンガン、ランタンニッケレート等のセラミック系の酸素−電子混合伝導体、ＩＴＯやＦＴＯ等のスズ酸化物系やＡＺＯやＧＺＯ等の亜鉛酸化物系である透明電極材料、これら材料の混合物や担持物、上記した固体電解質と混合したサーメットなどが挙げられるがこれらに限定されるものではない。
【００６２】
（第２追加電極層Ｄ２Ａ：任意層）
また、第２追加電極層Ｄ２Ａは、例えば、図１に示すように、第２貫通孔Ｐ２内の第２開口部Ｐ２ａの近傍に設けられ、且つ第２下部電極層Ｄ２Ｙと電気的に接続されている。この第２追加電極層Ｄ２Ａにより、当該第２追加電極層Ｄ２Ａに電気的に接続されている第２下部電極層Ｄ２Ｙを含めた抵抗値を下げるとともに、第２固体電解質層Ｓ２との間の電気的な接触抵抗を低減することができる。
【００６３】
この第２追加電極層Ｄ２Ａは、厚さが０.０１μｍ〜３００μｍの範囲であることが好ましい。
【００６４】
なお、この第２追加電極層Ｄ２Ａは、省略されていてもよい。この場合、第２下部電極層Ｄ２Ｙの表面が第２貫通孔Ｐ２側に露出する状態になる。
【００６５】
なお、この第２追加電極層Ｄ２Ａ及び既述の第１追加電極層Ｄ１Ａは、既述の電極材料のうち、触媒能（酸素吸着能、解離作用等）に優れたものを使用することができ、具体的には、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉ等の金属や、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、バリウムフェライト系、酸化コバルトマンガン、ランタンニッケレート等のセラミック系の酸素−電子混合伝導体、これら材料の混合物や担持物、上記した固体電解質と混合したサーメットなどが挙げられる。
【００６６】
（直列接続の構造）
ここで、既述の第１固体電解質層Ｓ１と第２固体電解質層Ｓ２とが直列に接続される部分の構成に注目して、説明する。
【００６７】
例えば、図１、図２に示すように、第１下部電極層Ｄ１Ｙは、第１固体電解質層Ｓ１に被覆された第１領域Ｅ１と、第１固体電解質層Ｓ１に被覆されていない第２領域Ｅ２と、を有する。
【００６８】
そして、第１下部電極層Ｄ１Ｙの第２領域Ｅ２の一部が、第２上部電極層Ｄ２Ｘにより被覆されている。これにより、この第１下部電極層Ｄ１Ｙが、第２上部電極層Ｄ２Ｘに電気的接続されている。
【００６９】
さらに、第２固体電解質層Ｓ２は、その側面Ｓ２Ｘの一部が第２上部電極層Ｄ２Ｘに被覆されている。特に、第２上部電極層Ｄ２Ｘは、例えば、図１に示すように、第２固体電解質層Ｓ２の上面Ｓ２ａから側面Ｓ２Ｘの一部に亘って被覆している。より詳しくは、第２上部電極層Ｄ２Ｘは、第２固体電解質層Ｓ２の一端上から第１下部電極層Ｄ１Ｙの一端上に亘って延在している。
【００７０】
上記直列接続の構造により、この第２固体電解質層Ｓ２は、第２下部電極層Ｄ２Ｙに電気的に接続されている。
【００７１】
すなわち、上述のような構造により、第１下部電極層Ｄ１Ｙと第２上部電極層Ｄ２Ｘとが、第１主面１０ａ側で電気的に接続されている。すなわち、第１固体電解質層Ｓ１と第２固体電解質層Ｓ２とは、第１下部電極層Ｄ１Ｙ及び第２上部電極層Ｄ２Ｘを介して、電気的に直列に接続されている。
【００７２】
なお、第１上部電極層Ｄ１Ｘは、第１電位に接続され第２下部電極層Ｄ２Ｙは、第１電位と異なる第２電位に接続される。より具体的には、第１上部電極層Ｄ１Ｘが直流電源の正極又は負極の何れか一方に電気的に接続され、第２下部電極層Ｄ２Ｙが直流電源の正極又は負極の残りの他方に電気的に接続される。
【００７３】
ここで、直列接続の具体例として、固体電解質集積素子１００に、直流電源Ｖを接続する場合について説明する。図３は、複数の固体電解質集積素子を直列に接続した固体電解質集積素子の構成の一例を示す平面図である。また、図４は、複数の固体電解質集積素子を直列に接続した固体電解質集積素子の構成の他の例を示す平面図である。また、図５は、複数の固体電解質集積素子を直列に接続した固体電解質集積素子の構成のさらに他の例を示す平面図である。
【００７４】
この図３ないし図５の例では、第１上部電極層Ｄ１Ｘが直流電源Ｖの負極に電気的に接続され、第２下部電極層Ｄ２Ｙが直流電源Ｖの正極に電気的に接続されている。
【００７５】
そして、例えば、図３に示す固体電解質集積素子では、第１、第２固体電解質層Ｓ１、Ｓ２を含む複数（ここでは１２個）の固体電解質素子からなるユニットが全て直列接続された構造を有する。この図３に示す構成は、回路として引き回しできる利点がある。
【００７６】
また、図４に示す固体電解質集積素子では、第１、第２固体電解質層Ｓ１、Ｓ２を含む複数（ここでは５個）の固体電解質素子が直列に接続されたユニットＵ１、Ｕ２が並列接続された構造を有する。この図４に示す構造は、一方のユニット内に欠陥がある場合にも、他方のユニットが正常に動作することで、所望の機能を発揮することができる利点がある。
【００７７】
また、図５に示す固体電解質集積素子では、第１、第２固体電解質層Ｓ１、Ｓ２を含む複数（ここでは２個）の固体電解質素子が並列接続された複数（３個）のユニットＵ３〜Ｕ５同士を直列接続した構造を有する。１個のユニット内の一方の固体電解質素子に欠陥がある場合も、当該ユニットの残りの固体電解質素子が正常に動作することで、所望の機能を発揮することができる利点がある。
【００７８】
ここで、例えば、固体電解質集積素子１００が酸素濃縮器のように、ガスを陰イオンとして固体電解質層内を通過させる装置に適用される場合、図３ないし図５の例のように第１上部電極層Ｄ１Ｘが直流電源Ｖの負極に電気的に接続され、第２下部電極層Ｄ２Ｙが直流電源Ｖの正極に電気的に接続されているときには、基板１０の第１主面１０ａ側の空間内の酸素が酸素イオンとなって、固体電解質集積素子１００を透過し、基板１０の第２主面１０ｂ側の空間内に酸素が濃縮されるようになっている。これにより、各空間内の酸素濃度を制御することができる。
【００７９】
また、例えば、固体電解質集積素子１００が水素製造器のように、ガスを陽イオンとして固体電解質層内を通過させる装置に適用される場合には、第１上部電極層Ｄ１Ｘが直流電源Ｖの正極に電気的に接続され、第２下部電極層Ｄ２Ｙが直流電源Ｖの負極に電気的に接続されているときには、基板１０の第１主面１０ａ側の、例えば水蒸気中の水素が、固体電解質集積素子１００をプロトンとして透過し、基板１０の第２主面１０ｂ側の空間内に水素を供給できるようになっている。
【００８０】
このような本実施形態に係る固体電解質集積素子１００は、第１、第２固体電解質層Ｓ１、Ｓ２を含む複数の固体電解質層を直列に電気的に接続することにより、より低い電流値で、所望の機能を発揮することができる。
【００８１】
そして、本実施形態に係る固体電解質集積素子１００の直列に電気的に接続された第１、第２固体電解質層Ｓ１、Ｓ２は、所定の剛性を有するガラス等の基板１０の第１主面１０ａ上（第１、第２下部電極層Ｄ１Ｙ、Ｄ２Ｙ）に設けられているため、第１、第２固体電解質層Ｓ１、Ｓ２に印加される応力を低減することができる。
【００８２】
すなわち、本実施形態に係る固体電解質集積素子によれば、複数の固体電解質層を直列に接続して低電流化しつつ、固体電解質層に印加される応力を低減することができる。
【００８３】
ここで、固体電解質集積素子１００は、既述の図１、図２に示す構成に限定されるものではなく、以下の図６ないし図１１に示す変形例１ないし３に示すような構成であってもよい。
【００８４】
（変形例１）
図６は、変形例１に係る固体電解質集積素子１００の一例を示す断面図である。また、図７は、図６に示す固体電解質集積素子１００の基板１０を第１主面１０ａ側から見た平面図である。なお、図６の断面は、図７のＡ−Ａ線に沿った断面に対応する。
【００８５】
この図６、図７に示すように、第１上部電極層Ｄ１Ｘを、上下方向に貫通し且つ第１主面１０ａに垂直な法線Ｎ１と同一の方向に第５の貫通孔Ｄ１ＸＰが設けられているようにしてもよい。
【００８６】
同様に、第２上部電極層Ｄ２Ｘには、上下方向に貫通し且つ第２下部電極層Ｄ２Ｙの第４貫通孔Ｄ２ＹＰを通る第１主面１０ａに垂直な法線Ｎ２が通る第６の貫通孔Ｄ２ＸＰが設けられているようにしてもよい。
【００８７】
なお、この変形例１では、基板１０の第１及び第２貫通孔Ｐ１、Ｐ２は、その断面が長方形（多角形）の形状を有している。
【００８８】
この変形例１に係る固体電解質集積素子１００のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００８９】
（変形例２）
図８は、変形例２に係る固体電解質集積素子１００の一例を示す断面図である。また、図９は、図８に示す固体電解質集積素子１００の基板１０を第１主面１０ａの側から見た平面図である。なお、図８の断面は、図９のＡ−Ａ線に沿った断面に対応する。
【００９０】
この図８、図９に示すように、第１下部電極層Ｄ１Ｙは、第１貫通孔Ｐ１の第１主面１０ａ側における第１開口部Ｐ１ａの全体を被覆するように第１主面１０ａ上に設けられていてもよい。
【００９１】
同様に、第２下部電極層Ｄ２Ｙは、第２貫通孔Ｐ２の第１主面１０ａ側における第２開口部Ｐ２ａの全体を被覆するように第１主面１０ａ上に設けられていてもよい。
【００９２】
この変形例２に係る固体電解質集積素子１００のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００９３】
（変形例３）
図１０は、変形例３に係る固体電解質集積素子１００の一例を示す断面図である。また、図１１は、図１０に示す固体電解質集積素子１００の基板１０の第１主面１０ａに沿った平面近傍の構成を下方から見た平面図である。なお、図１０の断面は、図１１のＡ−Ａ線に沿った断面に対応する。
【００９４】
この図１０、図１１に示すように、第１上部電極層Ｄ１Ｘは、第１貫通孔Ｐ１を通る第１主面１０ａに垂直な法線Ｎ１が通る第１固体電解質層Ｓ１上に延在しているようにしてもよい。
【００９５】
同様に、第２上部電極層Ｄ２Ｘは、第２貫通孔Ｐ２を通る第１主面１０ａに垂直な法線Ｎ２が通る第２固体電解質層Ｓ２上に延在しているようにしてもよい。
【００９６】
この変形例３に係る固体電解質集積素子１００のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００９７】
次に、以上のような構成を有する複数の固体電解質層を集積させた固体電解質集積素子１００の製造方法について、既述の図６に示す変形例１の構成を一例として、説明する。なお、第１実施形態、他の変形例についても同様に説明される。
【００９８】
図１２ないし図１６は、図６に示す変形例１の固体電解質集積素子１００の製造方法の各工程の一例を示す断面図である。
【００９９】
先ず、図１２に示すように、第１主面１０ａと、第１主面１０ａと反対側の第２主面１０ｂとを有し、表面が絶縁性を有する基板１０を準備する（第１工程）。
【０１００】
次に、図１３に示すように、基板１０の第１主面１０ａ上に、導電性を有する第１下部電極層Ｄ１Ｙ及び第２下部電極層Ｄ２Ｙを形成する（第２工程）。
【０１０１】
例えば、メタルインクを含むペーストパターンを基板１０の第１主面１０ａ上に印刷し、当該印刷されたペーストパターンを焼成することにより、基板１０の第１主面１０ａ上に第１下部電極層Ｄ１Ｙ及び第２下部電極層Ｄ２Ｙを選択的に形成することができる。
【０１０２】
なお、マスクレジストを基板１０の第１主面１０ａ上に選択的に形成してマスキングした後、スパッタや印刷等によりメタルを含有する薄膜を形成し、その後、マスクレジストを剥離して、基板１０の第１主面１０ａ上に残存する当該薄膜を焼成することによっても、基板１０の第１主面１０ａ上に第１下部電極層Ｄ１Ｙ及び第２下部電極層Ｄ２Ｙを選択的に形成することができる。
【０１０３】
次に、図１４に示すように、第１下部電極層Ｄ１Ｙ上に設けられ、第１下部電極層Ｄ１Ｙに電気的に接続され、イオン伝導性を有する第１固体電解質層Ｓ１を形成するとともに、第２下部電極層Ｄ２Ｙ上に、第１固体電解質層Ｓ１と離間するように、第２下部電極層Ｄ２Ｙに電気的に接続され、イオン伝導性を有する第２固体電解質層Ｓ２を形成する（第３工程）。
【０１０４】
例えば、リソグラフィ技術を用いて、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）スパッタにより、固体電解質を選択的に成膜し、焼成することで、第１固体電解質層Ｓ１及び第２固体電解質層Ｓ２を形成することができる。
【０１０５】
次に、図１５に示すように、第１固体電解質層Ｓ１を介して第１下部電極層Ｄ１Ｙと離間して第１主面１０ａ側に、第１上部電極層Ｄ１Ｘを形成する（第４工程）。
さらに、この第４工程において、第２固体電解質層Ｓ２を介して第２下部電極層Ｄ２Ｙと離間して第１主面１０ａ側に、第２上部電極層Ｄ２Ｘを形成する。
【０１０６】
例えば、メタルインクを含むペーストパターンを、第１固体電解質層Ｓ１を介して第１下部電極層Ｄ１Ｙと離間して第１主面１０ａ側に印刷するとともに第２固体電解質層Ｓ２を介して第２下部電極層Ｄ２Ｙと離間して第１主面１０ａ側に印刷する。
そして、当該印刷されたペーストパターンを焼成することにより、第１固体電解質層Ｓ１と電気的に接続された第１上部電極層Ｄ１Ｘ、及び第２固体電解質層Ｓ２と電気的に接続された第２上部電極層Ｄ２Ｘを選択的に形成することができる。
【０１０７】
なお、マスクレジストを基板１０の第１主面１０ａ側に選択的に形成してマスキングした後、スパッタや印刷等によりメタルを含有する薄膜を形成し、その後、マスクレジストを剥離して、基板１０の第１主面１０ａ側に残存する当該薄膜を焼成することによっても、基板１０の第１主面１０ａ側に第１下部電極層Ｄ１Ｙ及び第２下部電極層Ｄ２Ｙを選択的に形成することができる。
【０１０８】
なお、この図１５に示す工程により、第１下部電極層Ｄ１Ｙと第２上部電極層Ｄ２Ｘとが、第１主面１０ａ側で電気的に接続されることとなる。
【０１０９】
次に、図１６に示すように、第１主面１０ａと第２主面１０ｂとの間を貫通する第１貫通孔Ｐ１及び第２貫通孔Ｐ２を、基板１０の第２主面１０ｂ側から形成する（第５の工程）。
【０１１０】
例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、第２主面１０ｂ側から基板１０を選択的にエッチングすることにより、第１貫通孔Ｐ１及び第２貫通孔Ｐ２を形成することができる。
【０１１１】
特に、第１貫通孔Ｐ１は、第１下部電極層Ｄ１Ｙが第１貫通孔Ｐ１の第１主面１０ａ側の第１開口部Ｐ１ａの一部を被覆するように、形成される。同様に、第２貫通孔Ｐ２は、第２下部電極層Ｄ２Ｙが第２貫通孔Ｐ２の第１主面１０ａ側の第２開口部Ｐ２ａの一部を被覆するように、形成される。
【０１１２】
次に、上記図１６に示す第５の工程の後、第１貫通孔Ｐ１内の第１開口部Ｐ１ａの近傍に、第１下部電極層Ｄ１Ｙと電気的に接続された第１追加電極層Ｄ１Ａを形成する。さらに、第２貫通孔Ｐ２内の第２開口部Ｐ２ａの近傍に、第２下部電極層Ｄ２Ｙと電気的に接続された第２追加電極層Ｄ２Ａを形成する（第６の工程）。
【０１１３】
例えば、メタルインクを含むペーストパターンを、第２主面１０ｂ側から第１貫通孔Ｐ１内の第１開口部Ｐ１ａの近傍及び第２貫通孔Ｐ２内の第２開口部Ｐ２ａの近傍に印刷して、当該印刷されたペーストパターンを焼成する。これにより、第１追加電極層Ｄ１Ａ及び第２追加電極層Ｄ２Ａを選択的に形成することができる。
【０１１４】
なお、マスクレジストを基板１０の第２主面１０ｂ側に選択的に形成してマスキングした後、スパッタや印刷等によりメタルを含有する薄膜を形成し、その後、マスクレジストを剥離して、第１貫通孔Ｐ１内の第１開口部Ｐ１ａの近傍及び第２貫通孔Ｐ２内の第２開口部Ｐ２ａの近傍に残存する当該薄膜を焼成するようにしてもよい。これにより、第１追加電極層Ｄ１Ａ及び第２追加電極層Ｄ２Ａを選択的に形成することができる。
【０１１５】
以上の工程により、図６に示す変形例１の固体電解質集積素子１００が完成することとなる。
【０１１６】
特に、上記製造方法によれば、第１、第２固体電解質層Ｓ１、Ｓ２は、所定の剛性を有する基板１０の第１主面１０ａ上（第１、第２下部電極層Ｄ１Ｙ、Ｄ２Ｙ）に形成されるため（図１４の第３工程）、製造時における第１、第２固体電解質層Ｓ１、Ｓ２に印加される機械的な応力を低減することができる。
【０１１７】
ここで、既述の図１２ないし図１６に示す製造方法では、基板の貫通孔を、固体電解質集積素子の各構成を形成した後に形成していたが、基板の貫通孔を、固体電解質集積素子の各構成を形成する前に予備的に形成するようにしてもよい。    
【０１１８】
そこで、基板の貫通孔を固体電解質集積素子の各構成を形成する前に予備的に形成する固体電解質集積素子１００の製造方法の他の例について、既述の図６に示す変形例１の構成を一例として、説明する。なお、第１実施形態、他の変形例についても同様に説明される。
【０１１９】
図１７ないし図２４は、図６に示す変形例１の固体電解質集積素子１００の製造方法の各工程の他の例を示す断面図である。
【０１２０】
先ず、図１７に示すように、既述の第１工程と同様に、第１主面１０ａと、第１主面１０ａと反対側の第２主面１０ｂとを有し、表面が絶縁性を有する基板１０を準備する。
【０１２１】
次に、図１８に示すように、例えば、反応性イオンエッチングにより、第１主面１０ａと第２主面１０ｂとの間を貫通する第１貫通孔Ｐ１及び第２貫通孔Ｐ２を形成する。
【０１２２】
次に、図１９に示すように、例えば、めっき法により、銅などの金属Ｚ（仮充填体）を第１貫通孔Ｐ１及び第２貫通孔Ｐ２内に充填するように形成する。この場合、この図１９に示すように、第１主面１０ａと第２主面１０ｂにも、金属Ｚが成膜される。
【０１２３】
次に、図２０に示すように、例えば、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により、基板１０の第１主面１０ａと第２主面１０ｂ上の金属Ｚの膜を研磨して除去する。
【０１２４】
次に、図２１に示すように、既述の第２工程と同様に、基板１０の第１主面１０ａ（第１、第２貫通孔Ｐ１、Ｐ２内の金属Ｚの第１主面１０ａ側の表面を含む面）上に、導電性を有する第１下部電極層Ｄ１Ｙ及び第２下部電極層Ｄ２Ｙを形成する。
【０１２５】
次に、図２２に示すように、既述の第３工程と同様に、第１下部電極層Ｄ１Ｙ上に設けられ、第１下部電極層Ｄ１Ｙに電気的に接続された第１固体電解質層Ｓ１を形成する。さらに、第２下部電極層Ｄ２Ｙ上に、第１固体電解質層Ｓ１と離間するように、第２下部電極層Ｄ２Ｙに電気的に接続された第２固体電解質層Ｓ２を形成する。
【０１２６】
次に、図２３に示すように、既述の第４工程と同様に、第１固体電解質層Ｓ１を介して第１下部電極層Ｄ１Ｙと離間して第１主面１０ａ側に、第１固体電解質層Ｓ１と電気的に接続され、導電性を有する第１上部電極層Ｄ１Ｘを形成する。さらに、第２固体電解質層Ｓ２を介して第２下部電極層Ｄ２Ｙと離間して第１主面１０ａ側に、第２固体電解質層Ｓ２と電気的に接続され、導電性を有する第２上部電極層Ｄ２Ｘを形成する。
【０１２７】
なお、この図２３に示す工程により、第１下部電極層Ｄ１Ｙと第２上部電極層Ｄ２Ｘとが、第１主面１０ａ側で電気的に接続されることとなる。
【０１２８】
次に、図２４に示すように、既述の第５の工程と同様に、第１主面１０ａと第２主面１０ｂとの間を貫通する第１貫通孔Ｐ１及び第２貫通孔Ｐ２を、基板１０の第２主面１０ｂ側から形成する。
【０１２９】
ここでは、例えば、ウェットエッチングにより、第２主面１０ｂ側から第１、第２貫通孔Ｐ１、Ｐ２内の金属Ｚ（仮充填体）を選択的にエッチングすることにより、第１貫通孔Ｐ１及び第２貫通孔Ｐ２を形成することができる。
【０１３０】
次に、上記図２４に示す工程の後、既述の第６の工程と同様に、第１貫通孔Ｐ１内の第１開口部Ｐ１ａの近傍に、第１下部電極層Ｄ１Ｙと電気的に接続された第１追加電極層Ｄ１Ａを形成する。さらに、第２貫通孔Ｐ２内の第２開口部Ｐ２ａの近傍に、第２下部電極層Ｄ２Ｙと電気的に接続された第２追加電極層Ｄ２Ａを形成する。
【０１３１】
以上の工程により、図６に示す変形例１に係る固体電解質集積素子１００を製造することができる。
【第２実施形態】
【０１３２】
既述の第１実施形態では、下部電極層は、基板の貫通孔の第１主面側における開口部の一部を被覆するように第１主面上に設けられた構成について説明した。
【０１３３】
しかしながら、既述のように、下部電極層は、基板の貫通孔の第１主面側における開口部の一部を縁どるように第１主面上に設けられていても、固体電解質集積素子のイオン透過性の機能を発揮することが可能である。
【０１３４】
そこで、本第２実施形態では、下部電極層は、基板の貫通孔の第１主面側における開口部の一部を縁どるように第１主面上に設けられた固体電解質集積素子の例について説明する。
【０１３５】
図２５は、第２実施形態に係る固体電解質集積素子１００の一例を示す断面図である。なお、図２５の例では、１個の固体電解質層（１個のユニット）に対して貫通孔が１個である場合について示している。また、この図２５において、図１の符号と同じ符号は、第１実施形態と同様の構成を示し、その説明を省略する。
【０１３６】
例えば、図２５に示すように、第２実施形態に係る複数の固体電解質層（固体電解質の層）を集積させた固体電解質集積素子１００は、基板１０と、第１下部電極層Ｄ１Ｙと、第１固体電解質層Ｓ１と、第１上部電極層Ｄ１Ｘと、第２下部電極層Ｄ２Ｙと、第２固体電解質層Ｓ２と、第２上部電極層Ｄ２Ｘと、を備える。このように、第２実施形態に係る固体電解質集積素子１００は、第１実施形態と比較して、第１、第２追加電極層Ｄ１Ａ、Ｄ２Ａが省略されている。
【０１３７】
そして、第１下部電極層Ｄ１Ｙは、第１貫通孔Ｐ１の第１主面１０ａ側における第１開口部Ｐ１ａの一部を縁どるように第１主面１０ａ上に設けられている。
【０１３８】
さらに、第２下部電極層Ｄ２Ｙは、第２貫通孔Ｐ２の第１主面１０ａ側における第２開口部Ｐ２ａの一部を縁どるように第１主面１０ａ上に設けられている。
【０１３９】
この第２実施形態に係る固体電解質集積素子１００のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
【０１４０】
すなわち、第１実施形態と同様に、第２実施形態に係る固体電解質集積素子１００は、第１、第２固体電解質層Ｓ１、Ｓ２を含む複数の固体電解質層を直列に電気的に接続することにより、より低い電流値で、所望の機能を発揮することができる。
【０１４１】
そして、第２実施形態に係る固体電解質集積素子１００の直列に電気的に接続された第１、第２固体電解質層Ｓ１、Ｓ２は、所定の剛性を有するガラス等の基板１０の第１主面１０ａ上（第１、第２下部電極層Ｄ１Ｙ、Ｄ２Ｙ）に設けられている。このため、第１、第２固体電解質層Ｓ１、Ｓ２に印加される応力を低減することができる。
【０１４２】
すなわち、本実施形態に係る固体電解質集積素子によれば、複数の固体電解質層を直列に接続して低電流化しつつ、固体電解質層に印加される応力を低減することができる。
【０１４３】
次に、以上のような構成を有する第２実施形態に係る固体電解質集積素子１００の製造方法について、既述の図２５に示す構成を一例として、説明する。
【０１４４】
図２６ないし図３０は、図２５に示す第２実施形態に係る固体電解質集積素子１００の製造方法の各工程の一例を示す断面図である。
【０１４５】
先ず、図２６に示すように、既述の第１工程と同様に、第１主面１０ａと、第１主面１０ａと反対側の第２主面１０ｂとを有し、表面が絶縁性を有する基板１０を準備する。
【０１４６】
次に、図２７に示すように、既述の第２工程と同様に、基板１０の第１主面１０ａ（第１、第２貫通孔Ｐ１、Ｐ２内の金属Ｚの第１主面１０ａ側の表面を含む面）上に、導電性を有する第１下部電極層Ｄ１Ｙ及び第２下部電極層Ｄ２Ｙを形成する。
【０１４７】
次に、図２８に示すように、既述の第３工程と同様に、第１下部電極層Ｄ１Ｙ上に設けられ、第１下部電極層Ｄ１Ｙに電気的に接続され、イオン伝導性を有する第１固体電解質層Ｓ１を形成する。さらに、第２下部電極層Ｄ２Ｙ上に、第１固体電解質層Ｓ１と離間するように、第２下部電極層Ｄ２Ｙに電気的に接続され、イオン伝導性を有する第２固体電解質層Ｓ２を形成する。
【０１４８】
次に、図２９に示すように、既述の第４工程と同様に、第１固体電解質層Ｓ１を介して第１下部電極層Ｄ１Ｙと離間して第１主面１０ａ側に、第１固体電解質層Ｓ１と電気的に接続され、導電性を有する第１上部電極層Ｄ１Ｘを形成する。さらに、第２固体電解質層Ｓ２を介して第２下部電極層Ｄ２Ｙと離間して第１主面１０ａ側に、第２固体電解質層Ｓ２と電気的に接続され、導電性を有する第２上部電極層Ｄ２Ｘを形成する。
【０１４９】
なお、この図２９に示す工程により、第１下部電極層Ｄ１Ｙと第２上部電極層Ｄ２Ｘとが、第１主面１０ａ側で電気的に接続されることとなる。
【０１５０】
次に、図３０に示すように、既述の第５の工程と同様に、第１主面１０ａと第２主面１０ｂとの間を貫通する第１貫通孔Ｐ１及び第２貫通孔Ｐ２を、基板１０の第２主面１０ｂ側から形成する。
【０１５１】
次に、第１主面１０ａと第２主面１０ｂとの間を貫通する第１及び第２貫通孔Ｐ１、Ｐ２を形成し、更に第１貫通孔Ｐ１から連続的に第１下部電極層Ｄ１Ｙを貫通する第３貫通孔Ｄ１ＹＰ及び第２貫通孔Ｐ２から連続的に第２下部電極層Ｄ２Ｙを貫通する第４貫通孔Ｄ２ＹＰを基板１０の第２主面１０ｂ側から形成する。
特に、第１下部電極層Ｄ１Ｙが、第１貫通孔Ｐ１の第１主面１０ａ側の第１開口部Ｐ１ａを縁どるように開口されるとともに、第２下部電極層Ｄ２Ｙが、第２貫通孔Ｐ２の第１主面１０ａ側の第２開口部Ｐ２ａを縁どるように開口される。
【０１５２】
ここでは、既述のように、反応性イオンエッチングにより、第２主面１０ｂ側から基板１０を選択的にエッチングすることにより、第１貫通孔Ｐ１及び第２貫通孔Ｐ２を形成することができる。さらに、異なる条件の反応性イオンエッチングにより、第２主面１０ｂ側から第１、第２下部電極層Ｄ１Ｙ、Ｄ２Ｙを当該第１貫通孔Ｐ１及び第２貫通孔Ｐ２を介して選択的にエッチングすることにより、第３貫通孔Ｄ１ＹＰ及び第４貫通孔Ｄ２ＹＰを形成することができる。
【０１５３】
以上の工程により、図２５に示す第２実施形態に係る固体電解質集積素子１００を製造することができる。
【０１５４】
なお、第１、第２下部電極層Ｄ１Ｙ、Ｄ２Ｙの形成の際（図２７に示す工程）若しくはその後に第３、第４貫通孔Ｄ１ＹＰ、Ｄ２ＹＰを予め形成し、その後、第３貫通孔Ｄ１ＹＰに連続的に繋がるように第１貫通孔Ｐ１、及び、第４貫通孔Ｄ２ＹＰに連続的に繋がるように第２貫通孔Ｐ２を、基板１０の第２主面１０ｂ側から形成するようにしてもよい。
【０１５５】
また、第１、第２固体電解質層Ｓ１、Ｓ２及び第１、第２上部電極層Ｄ１Ｘ、Ｄ２Ｘの構造は、第１実施形態、変形例１ないし３と同様にしてもよい。
【０１５６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１５７】
１００  固体電解質集積素子
１０  基板
１０ａ  第１主面
１０ｂ  第２主面
Ｄ１Ｙ  第１下部電極層
Ｓ１  第１固体電解質層
Ｄ１Ｘ  第１上部電極層
Ｄ１Ａ  第１追加電極層
Ｄ２Ｙ  第２下部電極層
Ｓ２  第２固体電解質層
Ｄ２Ｘ  第２上部電極層
Ｄ２Ａ  第２追加電極層
Ｐ１  第１貫通孔
Ｐ２  第２貫通孔
【要約】
表面が絶縁性を有する基板を備えた固体電解質集積素子において、第１下部電極層と第２上部電極層とが、第１主面側で電気的に接続され、第１上部電極層、前記第１下部電極層、前記第２上部電極層、及び第２下部電極層は、いずれも、イオンを透過する又は／及びイオン酸化還元能を有するものであり、且つ、金属もしくは金属酸化物のいずれか、またはその両方を含むものであり、さらに通気する通気部を有するものである。【図１】
0006435442.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006435442.tif 000008
【図８】
0006435442.tif 000009
【図９】
0006435442.tif 000010
【図１０】
0006435442.tif 000011
【図１１】
0006435442.tif 000012
【図１２】
0006435442.tif 000013
【図１３】
0006435442.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
0006435442.tif 000019
【図１９】
0006435442.tif 000020
【図２０】
0006435442.tif 000021
【図２１】
0006435442.tif 000022
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
0006435442.tif 000029
【図２９】
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【図３０】
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