專利名稱：：氣體傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及氣體傳感器，特別是在兼作加熱器用的電極線圈內(nèi)穿入中心電極后，埋在金屬氧化物半導(dǎo)體小珠中的氣體傳感器。本申請(qǐng)人曾提出過在兼作加熱器用的電極線圈內(nèi)穿入中心電極后，埋在金屬氧化物半導(dǎo)體小珠中，把中心電極的一端與線圈的兩端裝在支桿上，三點(diǎn)支撐的氣體傳感器方案(特開昭61-264264)。但這樣的傳感器由于是三點(diǎn)支撐機(jī)械強(qiáng)度不夠，中心電極相對(duì)于線圈定位困難。本發(fā)明的目的是提供一種機(jī)械強(qiáng)度高、傳感器電阻等特性的標(biāo)準(zhǔn)離差小的氣體傳感器及其制造方法。本發(fā)明中，線圈和中心電極都埋入金屬氧化物半導(dǎo)體小珠后，把金屬氧化物半導(dǎo)體放在基座凹陷部位的上面，線圈的兩端裝在基座上的三根引線中的兩根上。如能把中心電極定位在線圈的中心，就能減小氣體傳感器電阻值等的標(biāo)準(zhǔn)離差。而中心電極兩端可引到基座外，例如用夾頭等可以定位。同樣可用三根引線中剩余的中間的一根使中心電極的一端定位，使另一端在凹陷部位或基座外定位。因此能使氣體傳感器特性的標(biāo)準(zhǔn)離差小。中心電極一端用引線固定，另一端用基座表面或凹陷部位內(nèi)或另一引線固定。因此傳感器主體呈4點(diǎn)支撐，與3點(diǎn)支撐相比機(jī)械強(qiáng)度顯著增加。在基座成形時(shí)把三根引線做成板狀，在同一平面平行地貫通在基座內(nèi)，把中心的一根彎向凹陷部位相反一側(cè)，其他兩根彎向凹陷部位的話，容易把引線與有凹陷部位的基座結(jié)合成一體成形。并且能夠把基座的主要平面有效地分配給三根引線彎曲后放置的部位和凹陷部位，以使用小的基座。使凹陷部位延伸到基座側(cè)面，把中心電極的另一端裝在基座的底部的話，中心電極容易裝拆，可以搞成大的凹陷部位。另外由于中心電極在凹陷部位底部和線圈之間彎曲，長度上有富余，增加了對(duì)下落等沖擊的耐久性。要預(yù)先使中心電極留有余量，不僅僅限于把其一端裝在凹陷部位底部，也可以把彎曲設(shè)在安裝部位和線圈內(nèi)之間。本發(fā)明的氣體傳感器的制造方法，是把線圈的兩端裝在基座凹陷部位兩側(cè)的引線上，把中心電極穿入線圈內(nèi)相對(duì)于線圈定位，然后使小珠成形。因此減少中心電極和線圈間隔的偏差，能使傳感器特性均勻。而且因中心電極的兩端固定，傳感器主體成為4點(diǎn)支撐，機(jī)械強(qiáng)度增加。中心電極的定位例如可夾住中心電極兩端定位，或一端用引線定位，夾住另一端來定位。為減少電力消耗，中心電極要采用細(xì)絲，這樣的話一點(diǎn)缺陷沒有地切斷中心電極和把中心電極筆直地穿入線圈會(huì)很困難。采用把中心電極的細(xì)絲從毛細(xì)管中抽出，把毛細(xì)管向前送使細(xì)線穿入線圈內(nèi)，隨后抓住細(xì)絲的頭部再把毛細(xì)管退出，從毛細(xì)管中把細(xì)絲抽出。然后把細(xì)絲熔斷，熔斷部位變成小球，可以不彎曲而切斷。而且頭部為小球的不彎曲的、沒有缺陷的細(xì)絲容易筆直穿入線圈內(nèi)。這樣把中心電極的細(xì)絲穿入線圈內(nèi)，從毛細(xì)管中抽出，把頭部搞成小球。下面結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施例。附圖中圖1表示實(shí)施例的氣體傳感器的主要部件的平面圖；圖2表示實(shí)施例的氣體傳感器的主要部件的側(cè)視圖；圖3表示凹陷部位上的傳感器主體的剖面圖；圖4表示凹陷部位上的傳感器主體的側(cè)視圖；圖5表示中心電極夾頭的平面圖；圖6是傳感器主體變形例的剖面圖；圖7是基座變形例的平面圖；圖8表示最佳實(shí)施例的氣體傳感器的平面圖；圖9是圖8的氣體傳感器Ⅸ-Ⅸ方向主要部件的剖面圖；圖10是圖8的氣體傳感器Ⅹ-Ⅹ方向主要部件的剖面圖；圖11是最佳實(shí)施例的氣體傳感器的制造工序圖；圖12是圖11以后的制造工序。圖1～圖5表示實(shí)施例，圖1為氣體傳感器主要部件的平面圖，圖2為側(cè)視圖。2為氣體傳感器，4為傳感器主體，傳感器主體是在兼作加熱器用的電極線圈6的中心部位穿入中心電極8，然后把線圈6和中心電極8埋入SnO2等隨氣體不同電阻值發(fā)生變化的金屬氧化物半導(dǎo)體小珠10中。金屬氧化物半導(dǎo)體不僅限于SnO2，ZnO、In2O3、WO3等都可以。此外線圈6和中心電極8的材質(zhì)希望采用導(dǎo)熱率高而電力消耗大但容易焊接的Pt和導(dǎo)熱率低而電力消耗小的貴金屬合金絲，例如Pt-W、Pt-Cr、Pt-Au、Au-Pd-Mo、Pt-ZGS(利用氧化鋯使Pt的晶界穩(wěn)定化的合金)。12為基座，在此表示使用合成樹脂基座的例子，也可以使用玻璃基座。14、15、16為至少三根金屬引線，最好是板狀，在基座12內(nèi)看幾乎在同一平面平行布置，它們的腿部24、25、26穿過基座12，在基座12成形時(shí)搞成一體。如圖2所示，三根腿部24～26一起平行放在同一平面內(nèi)，成形時(shí)平行放在金屬模中做成基座12。18為凹陷部位，在基座成形時(shí)，例如其尺寸可搞成寬1mm×長2mm×深1mm。三根引線14～16底部要與基座12的表面相接，其中把中間的引線15彎向與凹陷部位18相反的一側(cè)，兩側(cè)的引線14、16彎向與中間引線15相反的方向，其邊緣與凹陷部位18平行，這樣做可以有效利用基座12直徑方向上的長度，可采用小的基座。20～23為線圈6和中心電極8的連接部位，其中20～22一般用并行間隙焊接把線圈6的兩端附近和中心電極8一端附近裝在引線14～16上。23是利用并行間隙焊接的熱量加在中心電極8另一端附近使周圍的基座熔化，把中心電極8的另一端粘在基座上的。以此把小珠10支撐在凹陷部位18上。再有中心電極8另一端附近也可以在上述三根引線的基礎(chǔ)上再加裝另一根引線。安裝也未必使用焊接，例如也可以使用超聲波熱壓粘接等，在連接部位23也可以使用粘接劑安裝。圖1中省略了帽，實(shí)際使用時(shí)要用圖2虛線表示的帽30。32是開口，在此部分設(shè)有防爆用金屬網(wǎng)等。如圖3所示，在連接部位20、21把線圈6兩端附近裝在引線14，16上，把小珠10支撐在凹陷部位18上。因在基座上設(shè)有凹陷部位18，使線圈6能保持在基座表面上低的位置。而且在線圈內(nèi)穿入中心電極8的話，能把中心電極放置在基座表面附近的高度，可以把中心電極靠向基座安裝。如圖4所示，小珠10內(nèi)，也就是線圈6內(nèi)，把中心電極8僅向上吊起距基座12表面大約H的高度。因此使中心電極8處于無約束狀態(tài)，把中心電極8與它的兩端相比，從基座表面看，在線圈6內(nèi)保持在高度僅為H的位置。用圖5說明傳感器2的制造方法。首先在同一平面內(nèi)平行布置三根引線14～16，把它的三根腿24～26連接在圖中未表示的連桿上，使用圖5左和右的金屬模和為設(shè)置凹陷部位18的金屬模共三塊金屬模，用樹脂等把基座12和引線14～16做成一體。然后把中間的引線15彎向與凹陷部位18相反的一側(cè)，兩側(cè)的引線14、16彎向與中間的引線15相反的方向，各引線的底面大體與基座12表面相接。再有彎曲引線14～16既可在成形前，也可在成形后，怎樣做都可以。接著在連接部位20和21用并行間隙焊接把線圈6裝在引線14和16上。再把中心電極8穿入線圈6的中心部位，從基座12外的兩側(cè)用夾頭34、35夾住定位，用并行間隙焊接裝在連接部位22、23。其后使小珠10成形、燒結(jié)。或者反過來，也可以在用夾頭34、35夾住中心電極8的狀態(tài)下使小珠10成形，然后裝在連接部位22、23上。本發(fā)明的傳感器制造方法中，因引線和基座可一體成形，能降低基座制作成本。再有因能有效利用基座表面，所以可以使用小的基座。因從兩側(cè)夾住中心電極8，位置可以微調(diào)，所以中心電極容易定位，能把中心電極8設(shè)置在線圈6的中心。圖6表示傳感器主體的變形例。因在線圈6和連接部位20、21之間產(chǎn)生自然彎曲部分，它能吸收振動(dòng)和沖擊，幾乎不存在線圈6斷絲的情況。與此相反，斷絲集中發(fā)生在中心電極8上。因此如圖6所示，從線圈6引到連接部位20、21的引出件36、37也可用大體為直線的材料。圖7表示基座的變形例。在此變形例中，在樹脂制的基座40上釘入三根金屬支桿42～44，同樣設(shè)有凹陷部位18，其他與上述實(shí)施例相同。但是與圖1～圖5的基座12相比，僅從需要釘入支桿42～44來說要增加成本。下面是本發(fā)明的試驗(yàn)例。為了研究傳感器2的強(qiáng)度，進(jìn)行了下落試驗(yàn)。使用的傳感器為線圈6的內(nèi)徑150μm，線圈的長度也為150μm，小珠10大體為球狀，直徑約為250μm。如圖5所示，在線圈6的中心穿入的中心電極8被夾住后，裝在連接部位22～23上。如上所述使中心電極8吊起在比基座僅高H的高度，處于無約束的狀態(tài)。安裝中心電極8后，作為小珠10是把SnO2粉末搞成糊狀，涂覆、干燥，在600-750℃燒結(jié)。中心電極8和線圈6均為直徑15μm的Pt-W絲。這樣制作的氣體傳感器2穩(wěn)定在500℃加熱時(shí)的電力消耗約為60mW。如不把連接部位23裝在基座上，而是裝在金屬上的話，電力消耗約增加3mW。但是這是由于中心電極8使用導(dǎo)熱率小的Pt-W絲，在使用同樣直徑Pt絲作中心電極情況下，把連接部位23裝在金屬上的話，電力消耗約增加10mW。象這樣把連接部位23裝在樹脂制的基座上，可減少加熱器逸散的熱量，能減少傳感器電力消耗。下落試驗(yàn)中各12個(gè)傳感器2蓋上金屬帽，進(jìn)行從高度1m掉在混凝土地面上30次的試驗(yàn)。然后檢查下落試驗(yàn)后的傳感器，統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)中心電極8斷絲、線圈6變形、小珠10出現(xiàn)缺損的數(shù)量。下落試驗(yàn)的結(jié)果示于表1。其中對(duì)比例1為不裝連接部位23，以三點(diǎn)支撐的情況。對(duì)比例2同樣省掉連接部位23，使線圈6內(nèi)中心電極的位置與引線15上的中心電極的高度一致。表1下落試驗(yàn)<tablesid="table1"num="001"><table>試樣線圈變形小珠缺陷中心電極切斷實(shí)施例(4點(diǎn)支撐)110對(duì)比例1(3點(diǎn)支撐)840對(duì)比例2(3點(diǎn)支撐而且不吊起中心電極)732</table></tables>*試樣數(shù)都是12個(gè)，中心電極／線圈都是Pt-W15μm，從高度1m把帶有帽的氣體傳感器向混凝土地面下落30次。如表1所示，對(duì)比例1、2出現(xiàn)多個(gè)線圈變形和小珠缺損，對(duì)比例2還發(fā)生中心電極切斷。與此相反，用本發(fā)明的實(shí)施例線圈變形以及小珠缺損都極少，未發(fā)生中心電極切斷。下面是本發(fā)明的最佳實(shí)施例。圖8～圖12表示最佳實(shí)施例。圖8～圖10表示制成的氣體傳感器3的結(jié)構(gòu)，除特指的點(diǎn)以外與圖1～圖5的實(shí)施例相同。再有與圖1～圖5實(shí)施例同一標(biāo)號(hào)表示同一部件。4為傳感器主體，10為小珠，6為線圈，8為中心電極。小珠10例如為直徑300μm的球形，或短軸直徑300μm左右，長軸直徑400μm左右的蛋殼形等。線圈6和中心電極8的材料使用絲徑為15～20μm左右的Pt或Pt-W、Pt-Cr等。54為樹脂制的基座，14～16為金屬引線。例如用并行間隙焊接把線圈6的兩端在連接部位20、21焊在引線14、16上。中心電極8的頭部有預(yù)先用熔斷的方法做成的小球50，與它相比靠近小珠10一側(cè)通過連接部位22裝在引線15上。中心電極8與引線15的連接例如可用并行間隙焊接等。在小球50和連接部位22之間也可以把中心電極8切斷。51是設(shè)在基座54上的凹陷部位，小珠10在此凹陷部位51上，中心電極8的另一端彎向凹陷部位51的底部，在凹陷部位51的底部固定在連接部位52上。圖9是表示沿圖8的Ⅸ-Ⅸ方向剖面的小珠10。線圈6兩端的高度大體相同，由于線圈6成圈部分的頭和尾的彈性，通過引線14、16的表面，線圈6的上部以微微向上浮動(dòng)的狀態(tài)被固定。因此把中心電極8穿入線圈6的中心的話，中心電極8剛好露在引線15的表面。此外如圖9所示，中心電極8的另一端彎向連接部位52一側(cè)。圖10表示圖8的Ⅹ-Ⅹ方向剖面。中心電極8穿入線圈6的中央，使其彎向連接部位52一側(cè)后固定。圖11、圖12表示實(shí)施例的氣體傳感器3的制造工序。圖11、圖12表示的是模式圖，所以尺寸與實(shí)際尺寸不成比例。在連接部位20、21把線圈6的兩端焊在引線14，16上。隨后把預(yù)先在頭部形成小球50的絲62從毛細(xì)管60中抽出，把毛細(xì)管60向線圈6的方向送，這樣小球50就穿入線圈6內(nèi)，在小球50的稍稍靠近內(nèi)側(cè)的位置，例如用并行間隙焊接把絲62焊在引線15上。然后使毛細(xì)管60后退，在連接部位22連接，抽出絲62。此后用熔斷機(jī)64把絲62熔斷。這樣形成一對(duì)小球50a、50b，小球50b成了后續(xù)絲的頭部的小球。再有熔斷的部位僅僅是使絲62穿過線圈6所需要的長度，是在從毛細(xì)管60頭部抽出的位置。然后例如用夾頭66夾住小球50a一側(cè)，使小珠10成形、干燥。在靠近小珠10內(nèi)的中心電極8的位置被固定，用夾頭66把小球50a一側(cè)向下彎到凹陷部位的底面，給絲通電使絲發(fā)熱，把基座樹脂熔化，或用粘接劑等使其固定在連接部位52上。而且需要的話可在小球52a和連接部位22之間把中心電極切斷。這以后燒結(jié)小珠10，制得傳感器3。在連接部位22把中心電極8固定在引線15上以后，用夾頭66夾住另一端，也可夾住兩端，然后進(jìn)行小珠50a、50b的形成、以及小珠的形成和干燥等。小珠10的燒結(jié)在其干燥后任何時(shí)候都可以。再有線圈6和中心電極8不限于使用并行間隙焊接，使用任何焊接方法都能連接在引線上。標(biāo)號(hào)表2、3氣體傳感器4傳感器主體6線圈8中心電極10小珠12、40、54基座14、15、16引線18、51凹陷部位20～23、52連接部位24、25、26腿30帽32開口34、35夾頭36、37引出部件42、43、44支桿50小球60毛細(xì)管62絲64熔斷機(jī)權(quán)利要求1．一種氣體傳感器，其特征為該傳感器具有的傳感器主體是在兼作加熱器用的線圈中穿入中心電極，把上述線圈和中心電極埋入金屬氧化物半導(dǎo)體小珠內(nèi)制成的，該氣體傳感器包括有至少三根引線和凹陷部位的基座，上述線圈的兩端附近和上述中心電極的一端附近被裝在上述三根引線上，上述小珠支撐在上述凹陷部位，而且上述中心電極的另一端附近被裝在基座或另外的引線上。2．如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征為上述至少3根引線為板狀，在基座內(nèi)大體在同一平面平行貫通，在基座上中間的引線彎向上述凹陷部位相反的一側(cè)，兩側(cè)的引線彎向與中間引線相反的方向。3．如權(quán)利要求2所述的氣體傳感器，其特征為上述三根引線和凹陷部位暴露在上述基座的一個(gè)主面，而且上述基座在上述一個(gè)主面的周圍有側(cè)面，上述凹陷部位在上述中間引線的相反一側(cè)擴(kuò)展到上述側(cè)面，在上述側(cè)面形成開口。4．如權(quán)利要求3所述的氣體傳感器，其特征為上述中心電極的另一端裝在上述凹陷部位的底部。5．如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征為上述中心電極在其至少一邊的安裝部位和上述線圈的內(nèi)部之間是彎曲的。6．一種氣體傳感器的制造方法，其中，傳感器主體是在兼作加熱器用的電極線圈中穿入中心電極，把上述線圈和上述中心電極埋入金屬氧化物半導(dǎo)體的小珠中形成的，該氣體傳感器的制作方法包括步驟設(shè)置在一個(gè)主面上有凹陷部位和至少三根引線的基座，上述三根引線中的兩根布置在凹陷部位的兩側(cè)，一根放在上述兩根引線之間，處于凹陷部位的外側(cè)；把上述線圈的兩端裝在上述兩根引線上；把上述中心電極穿入上述線圈中；使上述中心電極相對(duì)于上述線圈定位；為埋入上述線圈和上述中心電極而使金屬氧化物半導(dǎo)體小珠成形；以此順序進(jìn)行，而且把中心電極的一端接在一根引線上，另一端接在上述基座或另一根引線上制成氣體傳感器。7．如權(quán)利要求6所述的氣體傳感器的制造方法，其特征為在上述中心電極定位的步驟中，夾住中心電極的至少一端進(jìn)行定位。8．如權(quán)利要求6所述的氣體傳感器的制造方法，其特征為使上述中心電極穿入上述線圈的步驟包括把從毛細(xì)管抽出的絲的頭部搞成小球，通過把毛細(xì)管向上述線圈方向送，把上述的絲穿入線圈內(nèi)；保持住穿入線圈內(nèi)的中心電極的狀態(tài)下，通過使毛細(xì)管后退，把絲從毛細(xì)管中抽出；以及上述的小球從線圈方向看在相反一側(cè)熔斷絲形成新的小球。全文摘要本發(fā)明公開的是氣體傳感器及其制造方法。其中,在基座上設(shè)有凹陷部位和三根引線,中間的引線彎向凹陷部位相反的一側(cè),其他的引線彎向凹陷部位。把傳感器主體的中心電極安裝在中間的引線和凹陷部位的底部,兼作加熱器用的電極裝在引線上,在小的基座上使傳感器主體用四點(diǎn)支撐。文檔編號(hào)G01N27/12GK1295251SQ00133439公開日2001年5月16日申請(qǐng)日期2000年11月1日優(yōu)先權(quán)日1999年11月2日發(fā)明者野村徹,吉村知子,田尻裕一朗,大越秀樹,岸本讓申請(qǐng)人:費(fèi)加羅技研株式會(huì)社