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1. WO2018190205 - SOLID-ELECTROLYTE INTEGRATED ELEMENT, METHOD FOR MANUFACTURING SOLID-ELECTROLYTE INTEGRATED ELEMENT, AND SOLID-ELECTROLYTE ELEMENT

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明 細 書

発明の名称 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

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の開示

発明が解決しようとする課題

0005   0006   0007   0008   0009  

課題を解決するための手段

0010  

発明の効果

0011  

図面の簡単な説明

0012  

発明を実施するための最良の形態

0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111   0112   0113   0114   0115   0116   0117   0118   0119   0120   0121   0122   0123   0124   0125   0126   0127   0128   0129   0130   0131   0132   0133   0134   0135   0136   0137   0138   0139   0140   0141   0142   0143   0144   0145   0146   0147   0148   0149   0150   0151   0152   0153   0154   0155   0156  

符号の説明

0157  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22   23   24   25   26   27   28   29   30  

明 細 書

発明の名称 : 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

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(Al 、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(RE 23x(SiO 26(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、Y 、Sc 、Yb 等により安定化された安定化ジルコニア、LaGaO 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(BaCeO )、酸化ストロンチウムセリア(SrCeO )、酸化ストロンチウムジルコニア(SrZrO )、酸化カルシウムジルコニア(CaZrO )、酸化ストロンチウムチタニア(SrTiO )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

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
 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7に記載の固体電解質集積素子。
[請求項9]
 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7に記載の固体電解質集積素子。
[請求項10]
 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11]
 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10に記載の固体電解質集積素子。
[請求項12]
 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13]
 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14]
 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た第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た第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貫通孔及び第2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主面側の第1開口部の一部を被覆するとともに、前記第2下部電極層が、前記第2貫通孔の前記第1主面側の第2開口部の一部を被覆している第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、
 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、イオンを透過する又は/及びイオン酸化還元能を有し、
 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、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、且つ通気する通気部を有する
 固体電解質集積素子の製造方法。
[請求項15]
 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。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]

[ 図 14]

[ 図 15]

[ 図 16]

[ 図 17]

[ 図 18]

[ 図 19]

[ 図 20]

[ 図 21]

[ 図 22]

[ 図 23]

[ 図 24]

[ 図 25]

[ 図 26]

[ 図 27]

[ 図 28]

[ 図 29]

[ 図 30]