專利名稱：疊層型氣體傳感器元件和氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本分明涉及疊層型氣體傳感器元件和氣體傳感器，特別涉及在元件本體與水滴接觸時(shí)較不容易損壞的疊層型氣體傳感器元件，通過用陶瓷加熱器加熱它形成測定部分的早期活化(activation)。本分明也涉及包括這種疊層型氣體傳感器元件的氣體傳感器。
背景技術(shù)：
包括疊層型氣體傳感器元件的氣體傳感器已知是，能夠測定在內(nèi)燃機(jī)排放的廢氣中氧、一氧化碳、各種碳?xì)浠衔?、氧化?NOx)等或測量它們的濃度的氣體傳感器。氧氣傳感器的疊層型氣體傳感器元件(疊層型氧氣傳感器元件)具有通過層疊以下各層獲得的元件體1)陶瓷加熱器，所述陶瓷加熱器包括陶瓷層和在陶瓷層中嵌入的加熱器元件，和2)固體電解質(zhì)層，它具有夾著其部分的一對電極。夾在所述一對電極之間的固體電解質(zhì)層部分起氧濃度電池(oxygenconcentration cell)作用，成為測定氧濃度的測定部分。這樣的疊層型氧氣傳感器元件直到固體電解質(zhì)層達(dá)到預(yù)定高溫才活化。因此，提出了這樣的技術(shù)從內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)時(shí)間開始用加熱器元件加熱固體電解質(zhì)層以活化傳感器和確保早期氧氣濃度的測定。
另一方面，在內(nèi)燃機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)間廢氣管中的溫度(廢氣管壁的溫度)低時(shí)的條件下，冷凝水常在廢氣管壁上析出。因此，如果為了將測定部分加熱到高溫，向加熱器元件供電，由于水冷凝引起的熱沖擊可能會(huì)損壞疊層型氣體傳感器元件(元件體)。因此，迄今用具有通氣孔的金屬保護(hù)器保護(hù)氣體傳感器元件的測定部分。但是，即使使用這樣的保護(hù)器，水也可能通過保護(hù)器的通氣孔進(jìn)入元件，并損壞元件體，如在元件體中產(chǎn)生裂紋，不能充分保護(hù)元件。為了確保足夠的廢氣流量和足夠的氣體測定性能，不能夠?qū)⑼饪鬃龅阶銐蛐∫韵搿?br> 為了解決上述問題，提出了疊層型氣體傳感器元件，其中能夠被損壞的元件體的部分用抑制水滴等與元件體直接接觸的空隙層覆蓋。例如，見JP-A-2001-281210。在JP-A-2001-281210介紹的氣體傳感器元件中，如果水滴析出在空隙層上，在滲透到測定部分前通過加熱氣體傳感器元件能夠使得水滴蒸發(fā)。結(jié)果，由于大量的熱沖擊不可能達(dá)到元件體，能夠抑制對元件體的損壞。
但是，存在著這樣的可能夠性，即JP-A-2001-281210中介紹的結(jié)構(gòu)不能夠滿足近來提出的測定部分足夠早的活化的要求。也就是說，在JP-A-2001-281210中的元件體必須形成賦予防水性的足夠厚的空隙層。然而，在空隙層形成的較厚時(shí)，包圍含有空隙層的測定部分的體積增加。結(jié)果，為了用陶瓷加熱器將測定部分加熱到活化溫度要用較長的時(shí)間。另外，形成氣體傳感器元件的元件體的每個(gè)角部由于熱沖擊易于損壞等，并且需要足夠的防止損壞的措施，但是JP-A-2001-28120中介紹的氣體傳感器未涉及這個(gè)問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本分明的目的是提供一種疊層型氣體傳感器元件，它抑制水滴等的析出引起的元件損壞，特別是對測定部分和它的周邊的損壞，并且它促進(jìn)測定部分的早期活化，并且提供一種包括所述疊層型氣體傳感器元件的氣體傳感器。
為此，本發(fā)明提供一種疊層型傳感器元件，包括元件體，它具有包括兩個(gè)側(cè)面的前部和后部，所述元件體包括陶瓷加熱器，它包括陶瓷層和在所述陶瓷層中嵌入的加熱器元件；包括測定部分的固體電解質(zhì)層。所述測定部分由一對電極覆蓋，并且所述固體電解質(zhì)層與所述陶瓷加熱器疊層。另外，包括測定部分的元件體的前部具有比所述元件體的后部小的寬度。元件體的前部的至少兩側(cè)面用空隙層覆蓋。
根據(jù)本發(fā)明的疊層型氣體傳感器元件，用空隙層覆蓋所述元件體的前部的至少兩個(gè)側(cè)面(即，相對的側(cè)邊面)。其上露出疊層界面的所述元件體的前部的兩個(gè)側(cè)面也暴露到要測量的氣體中。因此，如果水滴接觸所述側(cè)面之一或兩個(gè)，則元件體可能被損壞。但是，在本發(fā)明中，用空隙層覆蓋兩個(gè)側(cè)面，防止漂浮的水滴在側(cè)面上析出或直接冷凝。
在空隙層上析出的水滴通過空隙層大量的孔緩慢滲透。因此，在水滴達(dá)到在空隙層內(nèi)的元件體前能夠分散。因此，元件體的減小的溫度梯度能夠有效地抑制熱沖擊。因此，能夠防止由析出水滴引起的對元件體的損壞(在測定部分附近)。在操作疊層型氣體傳感器元件時(shí)，用加熱器元件將其加熱到高溫，因此通過空隙層滲透的水滴被加熱的氣體傳感器元件的熱蒸發(fā)。在第一例子中也能夠利用其他措施使得水滴保持離開元件體。
在本發(fā)明的疊層型氣體傳感器元件中，用空隙層覆蓋的元件體的前部的寬度比元件體的后部的寬度小。因此，前部和覆蓋前部的相當(dāng)大的厚度的空隙層的總體積，相對于包括具有與后部相同寬度和由空隙層覆蓋的前部的常規(guī)元件體來說減小了。因此，由于元件體的前部和空隙層總體積的減小，盡管使用比常規(guī)元件體更厚的空隙層也能夠快速加熱前部(測定部分)并因此更快地活化，其中常規(guī)元件的前部的寬度與后部相同。在上面所述的元件體的“寬度”是在垂直于縱向和疊層(厚度)方向測量的。
不限制上述“陶瓷層”的成分，只要它們形成陶瓷燒制體。優(yōu)選的是，陶瓷層由氧化鋁、尖晶石、莫來石等制造，并且具有甚至在高溫保持的絕緣性能?？梢灾皇褂靡环N陶瓷，也可以結(jié)合地使用兩種或多種。
上述“加熱器元件”的材料不是特別限定的。例如，加熱器的元件可以由貴金屬、鎢或鉬制造。Pt，Au，Pd，Ir，Ru和Rh是貴金屬的例子?？梢詢H使用一種，或也可以一起使用兩種或多種。另外，如果使用兩種或多種，可以使用合金。而且，在貴金屬當(dāng)中，優(yōu)選的主要使用Pt，這是考慮耐熱、耐氧化等。除了貴金屬外，加熱器元件能夠含有陶瓷組分。陶瓷組分的種類沒有特別限制。優(yōu)選的是，陶瓷組分與形成接觸加熱器元件的陶瓷層的陶瓷組分相同，以提供強(qiáng)化的固定強(qiáng)度。
上述的“固體電解質(zhì)層”一般能夠由具有氧離子導(dǎo)電性的氧化鋯(ZrO2)制造。電解質(zhì)層能夠含有與陶瓷層的主陶瓷組分相同的組分。在固體電解質(zhì)層的質(zhì)量取為100％時(shí)，在固體電解質(zhì)層中的陶瓷組分的含量能夠?yàn)?0％到80％，優(yōu)選的是20％到70％。因此，在陶瓷層和固體電解質(zhì)層之間的熱膨脹的差別引起的應(yīng)力能夠減輕。
在固體電解質(zhì)層上布置的上述“電極”的材料不限制，但是貴金屬是優(yōu)選的。Pt是特別優(yōu)選的。電極可以由兩種或多種金屬制造。并且如果電極是由兩種或多種金屬制造，可以使用合金。例如，電極可以基本上由Pt與其中含有的Au，Ag，Pd，Ir，Ru，Rh等構(gòu)成，并且可以使用Pt和任何其他貴金屬的合金。特別是，Pt有效地與能夠抑制在高溫下Pt的揮發(fā)的Rh結(jié)合使用。
在上述的疊層型氣體傳感器元件中，后部包括在其外表面上的多個(gè)終端電極，所述終端電極電連接到電極對和加熱器元件。在優(yōu)選的實(shí)施例中，元件體還包括在前部和后部之間寬度從前部側(cè)向后部側(cè)逐漸增加的中間部。另外，空隙層覆蓋在前部和中間部之間的邊界部的側(cè)面(即，側(cè)邊面)。
在含有元件體的測定部分的前部的寬度小于后部的寬度的結(jié)構(gòu)例子是這樣的，寬度從元件體的前部側(cè)向元件體的后部側(cè)逐漸增加的中間部設(shè)在前部和后部之間。通過設(shè)置中間部，元件體能夠具有減小寬度的前部，同時(shí)保持它的強(qiáng)度。如果設(shè)置空隙層使得不覆蓋邊界部分的側(cè)面，則邊界部分直接暴露到能夠損壞邊界部分的水滴。
在本分明的疊層型氣體傳感器元件中，空隙層覆蓋前部的側(cè)邊面一直到結(jié)合中間部分和前部的邊界部的側(cè)邊面。因此，邊界部不受損壞。在構(gòu)成為具有中間部的疊層型氣體傳感器元件中，優(yōu)選的是，在邊界部的空隙層形成得比前部側(cè)面上的厚。因此，在元件體中最弱的邊界部由較厚的空隙層保護(hù)。因?yàn)樾纬煽障秾邮沟镁哂羞@樣的厚度關(guān)系，所以能夠進(jìn)一步抑制對元件體的損壞。
另外，在上述的疊層型氣體傳感器元件中，元件體的前部的寬度和覆蓋前部的兩個(gè)側(cè)面空隙層的厚度的總和等于或小于元件體的后部的最大寬度。
因此通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)前部的寬度和空隙層的厚度，使得元件體的前部和覆蓋前部兩個(gè)側(cè)面的空隙層的厚度總和等于或小于元件體的后部的最大寬度，形成疊層型氣體傳感器元件。結(jié)果，能夠用加熱器元件(陶瓷加熱器)快速加熱前部(即，測定部分)，使得促進(jìn)早期活化測定部分。
另外，在上述的疊層型的氣體傳感器元件中，優(yōu)選的是滿足關(guān)系A(chǔ)×0.60＜B＜A×0.98，這里A是元件體的前部的寬度(毫米)，B是在前部位置的加熱器元件的部分的最大寬度(毫米)。
構(gòu)成疊層型的氣體傳感器元件，使得在前部的位置的加熱器元件部分的最大寬度滿足基于元件體的前部的寬度的上述關(guān)系。這樣的話，加熱器元件能夠快速加熱前部(即測定部分)，促進(jìn)早期活化測定部分。
另外，在上述疊層型氣體傳感器元件中，空隙層可以覆蓋包括整個(gè)前部外周區(qū)域的四周區(qū)域，并且優(yōu)選的是，包括覆蓋元件體前部至少兩個(gè)側(cè)邊面的第一空隙層和覆蓋第一空隙層的第二空隙層。
通過這樣構(gòu)成空隙層，能夠更有效地抑制覆蓋元件體或在元件體上注的水引起的損壞。即，在本分明的疊層型氣體傳感器元件中，沿元件體的疊層方向的截面形狀是大致呈四邊形的板形，因此元件體具有角部。如果水滴在任何角部析出，熱應(yīng)力容易集中在角部，并且在元件體中會(huì)容易發(fā)生裂紋。因此覆蓋前部的周圍區(qū)域的空隙層防止水滴直接在元件體的角部上析出，能夠有效地抑制覆蓋在元件體上或流注在其上的水引起元件體損壞。如果空隙層是單層，存在著增加其厚度的限制。因此，如上所述設(shè)置第二空隙層，從而能夠容易控制在前部的兩個(gè)側(cè)面上的空隙層的厚度。另外，空隙層的這樣的多層結(jié)構(gòu)增加設(shè)計(jì)的靈活性。
另外，在上述疊層型氣體傳感器元件中，可以這樣形成空隙層，使得覆蓋包含兩個(gè)側(cè)邊面的前部的周圍區(qū)域，并且從元件體的角部伸出的空隙層厚度可以是大于等于20μm。
因此，在空隙層覆蓋元件體的前部的周圍區(qū)域的同時(shí)，從元件體的角部伸出的空隙層厚度設(shè)定為大于等于20μm。這樣，能夠有效地防止由覆蓋其上或流注到其上的水引起的對元件體的損壞。為了更有效地防止水的損壞，優(yōu)選的是，從元件體的角部伸出的空隙層的厚度設(shè)定為30μm或更大(更優(yōu)選的為大于等于50μm)。在此所述的表述“從元件體的角部伸出的空隙層厚度為大于等于20μm”是指，在沿元件體的疊層(厚度)方向的截面中，空隙層在元件體的角部和空隙層的外表面之間占據(jù)直徑測量為20μm的設(shè)想圓。這里所述的術(shù)語“角部”是指板形元件體的在長度方向延伸的上面和下面之一與側(cè)面之一結(jié)合的隆起部分，該隆起部分不僅能夠構(gòu)成為頂點(diǎn)，而且還可以是作為圓形的連接兩個(gè)面的彎曲表面部分(如導(dǎo)角面)。
另外，在上述的疊層型氣體傳感器元件中，優(yōu)選的是，空隙層具有15％到65％的空隙率。如果空隙率小于15％，緩慢滲透水滴的空隙層分散水滴的能力可能不足。如果空隙率超過65％，在空隙層中水滴等的滲透度變高，水滴等容易與元件體接觸。因此，抑止覆蓋元件體上的水和流注到其上的水引起的對其損壞的效果可能不足。術(shù)語“空隙率”是通過在掃描電子顯微鏡下分析空隙層截面并得到單位面積的空隙區(qū)域的百分?jǐn)?shù)(％)測定的。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供的氣體傳感器包括上述的疊層型氣體傳感器元件和包圍所述疊層型氣體傳感器元件的圓周方向的圓柱形外殼，其中測定部分從所述圓柱形外殼的尖部突出。
使用疊層型氣體傳感器元件形成本發(fā)明的氣體傳感器，所述元件包括能夠抗水滴析出造成損壞的元件體。因此，所述氣體傳感器具有優(yōu)良的防水性能(耐水性)，是極可靠的。另外，由于使用所述疊層型氣體傳感器元件形成本發(fā)明的氣體傳感器，其中所述元件能夠使得測定部分早期活化，因此所述氣體傳感器能夠提供早期氣體測定，并且也能夠符合當(dāng)前的嚴(yán)格的排放控制標(biāo)準(zhǔn)。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的疊層型氧氣傳感器元件的透視圖；圖2是形成空隙保護(hù)層的圖1的疊層型氧氣傳感器元件的橫向剖視圖，該空隙層包括在含有測定部分的傳感器元件的前部上的第一空隙層和第二空隙層；圖3是本發(fā)明實(shí)施例的疊層型氧氣傳感器元件的分解透視圖；圖4是示出在未燒制的薄層疊層體中形成的通孔位置的俯視圖；圖5是沿圖4的線A-A’取的剖視圖；
圖6是說明填充工藝的示意圖；圖7是放大比例的圖6的未燒制的疊層體的通孔、脫模劑等的各部剖視圖；圖8是脫模劑的結(jié)構(gòu)示意剖視圖；圖9是俯視圖，示意示出未燒制疊層體如何形成將切割形成32個(gè)未燒制元件的件；圖10是本發(fā)明實(shí)施例氣體傳感器(氧氣傳感器)的結(jié)構(gòu)總示意剖視圖；圖11是改型的實(shí)施例疊層型氣體傳感器元件的外觀透視示意圖；圖12是從測定元件側(cè)面觀察改型實(shí)施例的疊層型氣體傳感器元件俯視圖；和圖13是改型實(shí)施例的氣體傳感器(氧氣傳感器)的結(jié)構(gòu)總剖視示意圖。
在附圖中用于表示各結(jié)構(gòu)元件的標(biāo)記如下1，20疊層型氣體傳感器元件(疊層型氧氣傳感器元件)11測定元件111固體電解質(zhì)層112測定電極113參考電極1141，1142信號輸出端焊盤116電極保護(hù)層12陶瓷加熱器121加熱器元件122第一氧化鋁層123第二氧化鋁層1241，1242加熱器供電端焊盤13空隙保護(hù)層(空隙層)131第一空隙層
132第二空隙層2通孔3脫模劑4掩模5，50氣體傳感器(氧氣傳感器)51外圓柱511絕緣墊圈52外殼101前部103中間部105后部107邊界部61陶瓷保持器65保持器側(cè)面接合部具體實(shí)施方式
下面參照

本發(fā)明，其中包括實(shí)施例和其一個(gè)改型實(shí)施例。然而，不應(yīng)視為本發(fā)明限制于此。
實(shí)施例首先，參照圖10討論根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氣體傳感器5。如圖10所示，實(shí)施例的氣體傳感器5包括內(nèi)置的疊層型氣體傳感器元件1，它結(jié)合到內(nèi)燃機(jī)的廢氣管上。氣體傳感器用于測量在廢氣中的氧濃度。疊層型氣體傳感器元件1插入到在圓柱形外殼52內(nèi)的氣體傳感器5中。氣體傳感器元件1的測定部分從圓柱形外殼52尖端突出。疊層型氣體傳感器元件1用玻璃密封在外殼52中，從而它保持在外殼52的預(yù)定位置上。具有雙結(jié)構(gòu)的保護(hù)器53固定地固定到外殼52的尖端的外周，使得屏蔽在疊層型氣體傳感器元件的尖端上形成的測定部分。在圓柱形外殼52的尖端上和側(cè)外周表面上，形成保護(hù)器53，其中側(cè)外周表面帶有將流過廢氣管的廢氣引入到外殼52內(nèi)的通氣孔531。因此，在疊層型氣體傳感器元件中從外殼52的尖端突出的測定部分的尖端暴露到測定的氣體(廢氣)中?？障秾?3(下面說明)在兩側(cè)面和尖端面(即，垂至于長度方向的端面)覆蓋前部101，從而覆蓋側(cè)面和端面，前部101含有疊層型氣體傳感器元件1的測定部分。
另外，外殼52的后部插入到外圓柱51的前部內(nèi)，優(yōu)選地在外殼52的后部和外圓柱51的前部的重疊部分中在整個(gè)圓周上激光焊接，從而固定地固定外殼52和外圓柱51。外殼52的外周部分形成螺紋部分521，用于將氣體傳感器5結(jié)合到廢氣管上。另外，氣體傳感器5具有從外圓柱51的內(nèi)部向外引出的四個(gè)引線54(在圖10中僅示出2個(gè))。通過在外圓周51內(nèi)容納的中繼終端55，引線54電連接到疊層型氣體傳感器元件1。具體的是，引線54電連接到測定元件(如下述)11的測定電極112和參考電極113，并分開地連接到陶瓷加熱器12的加熱元件121的正電極和負(fù)電極。引線54穿過裝配到外圓周51的后端側(cè)的絕緣墊圈511的引線插入孔，伸向外部，電連接至外電路。
下面，詳細(xì)說明本發(fā)明的主要部分的疊層型氣體傳感器元件1。提供的實(shí)施例的疊層型氣體傳感器元件1用于測定在廢氣中的氧氣濃度，也稱為疊層型氧氣傳感器元件。
疊層型氣體傳感器元件1的結(jié)構(gòu)參照圖1到3說明疊層型氣體傳感器元件1的結(jié)構(gòu)。圖3是疊層型氣體傳感器元件1的分解透視圖。疊層型氣體傳感器1是通過層疊測定元件11和陶瓷加熱器12獲得的。在圖3中，未示出空隙保護(hù)層13。
測定元件11包括固體電解質(zhì)層111，它含有具有氧離子導(dǎo)電性的質(zhì)量為60％的部分穩(wěn)定的氧化鋯，其帶有作為穩(wěn)定劑溶解其中的預(yù)定量的氧化釔；和質(zhì)量為40％的氧化鋁。測定電極112形成在固體電解質(zhì)層111的尖端的表面上，參考電極113形成在固體電解質(zhì)層111的后面上的與測定電極112相應(yīng)的位置上。測定電極引導(dǎo)部1121和參考電極引導(dǎo)部1131分別從測定電極112和參考電極113伸出。在實(shí)施例中，在測定電極112和參考電極113之間夾著的固體電解質(zhì)層111的部分與“測定部分”相對應(yīng)。
通過穿過保護(hù)絕緣層115的通孔導(dǎo)體1152，測定電極引導(dǎo)部分1121的端部連接到信號輸出端焊盤1142，以便連接到中繼端55(圖10)。另外，通過穿過固體電解質(zhì)層111的通孔導(dǎo)體1111以及經(jīng)焊盤1143穿過保護(hù)絕緣層115的通孔導(dǎo)體1151，參考電極引導(dǎo)部分1132的端部連接到信號輸出端焊1141，以便連接到中繼端55。為了防止測定電極112的損壞，由空隙物質(zhì)制造的電極保護(hù)層116形成在其上形成測定電極112的固體電解質(zhì)層111的表面上。
陶瓷加熱器具有鉑制造的加熱器元件121，并且加熱器元件121夾在第一氧化鋁層122和第二氧化鋁層123之間，每個(gè)氧化鋁層基本由優(yōu)良絕緣性的氧化鋁構(gòu)成。引導(dǎo)部分1211從加熱器元件121伸出，并且引導(dǎo)部分1211的端部通過兩個(gè)穿過第一氧化鋁層122的通孔導(dǎo)體1221和1222電連接到加熱器供電端焊盤1241和1242。加熱器供電端焊盤1241和1242連接到中繼端55(圖10)。
另外，在沿疊層方向截取疊層型氣體傳感器元件的剖面使得含有測定部分時(shí)，如圖2所示，由測定元件11和陶瓷加熱器12構(gòu)成的元件體的整個(gè)外圍，由第一空隙層132和第二空隙層132形成的空隙保護(hù)層13覆蓋。疊層型氣體傳感器元件1的元件體的尖端面也由空隙保護(hù)層13覆蓋，如圖10所示。空隙保護(hù)層13的厚度在元件體的角部是200μm。
除了空隙層13外實(shí)施例的疊層型氣體傳感器元件1的部分尺寸是這樣的長度(沿長度方向的尺寸)是40mm，寬度(垂直于長度方向和疊層方向的尺寸)是3mm，厚度(沿疊層方向的尺寸)是2mm。如圖3稍放大所示，元件體的含有測定部分的前部101的寬度小于后部的寬度。具體的是，元件體的前部101的寬度是2.7mm，后部的寬度是3.0mm，在與測定部分相應(yīng)的部分，寬度減小300μm(在寬度方向每側(cè)150μm)。這樣形成空隙保護(hù)層13，使得覆蓋具有比后部寬度小的前部101的至少兩個(gè)側(cè)邊(見圖10，在此空隙層13覆蓋兩個(gè)側(cè)邊面和尖端面，而不是前部101的整個(gè)外圍)。在實(shí)施例中，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)加熱器元件121等的寬度，使得A×0.90＝B，在此A是前部101的寬度(單位mm)，B是在前部101上的加熱器元件121部分地最大寬度(單位mm)。
疊層型氣體傳感器的制造下面說明根據(jù)實(shí)施例的疊層型氣體傳感器元件1的制造方法。
在制造疊層型氣體傳感器元件1中，在制備未燒制的疊層體后依序進(jìn)行通孔形成工藝、填充工藝、切割工藝和燒制工藝。在燒制工藝后，進(jìn)行涂層工藝，從而形成第二空隙層132。
(1)未燒制的測定元件的制備用有機(jī)粘結(jié)劑、有機(jī)溶劑等，濕法混合用氧化釔部分穩(wěn)定化的質(zhì)量60％氧化鋯粉末和質(zhì)量40％的氧化鋁粉末，制備將成為固體電解質(zhì)層111的未燒制薄片。未燒制的薄片的大小為容納切成方塊的32個(gè)未燒制氣體傳感器元件，并且在預(yù)定位置上，形成和32個(gè)元件一樣多的通孔。另外，32個(gè)未燒制氣體傳感器元件彼此分開預(yù)定距離(間隙)。接著，基本由鉑構(gòu)成的導(dǎo)電膏的預(yù)定圖形被印制在未燒制的薄片的正面和背面的預(yù)定位置，并且干燥形成將成為測定電極112、參考電極113、引導(dǎo)部分1122和1131的電極圖形，和將成為通孔導(dǎo)電體111的未燒制的導(dǎo)電體。
(2)制備未燒制加熱器使用將氧化鋁粉末與有機(jī)粘結(jié)劑、有機(jī)溶劑等濕法混合形成的膏，形成將成為第一氧化鋁層122的未燒制的氧化鋁薄片，并且形成和32個(gè)元件一樣多的通孔。然后，像上面(1)中所述的導(dǎo)電膏的預(yù)定圖形印制在將成為第一氧化鋁層的未燒制薄片的一側(cè)上的預(yù)定位置上，并且干燥形成將成為加熱器元件122的加熱器元件圖形和從其伸出的引導(dǎo)部分1211，和將成為通孔導(dǎo)電體1221和1222的未燒制導(dǎo)電體。使用在(1)中所述的導(dǎo)電膏，在將成為第一氧化鋁層122的未燒制氧化鋁薄片的相反側(cè)的預(yù)定位置上印制將成為加熱器供電端焊盤1241和1242的預(yù)定終端圖形，并干燥。接著，通過與第一氧化鋁層122相似的方法制備將成為第二氧化鋁層123的未燒制的氧化鋁薄片并干燥。然后，將成為第二氧化鋁層123的未燒制的氧化鋁薄片的一側(cè)與第一氧化鋁層122在印制有加熱器元件圖形的側(cè)面上層疊，并且在減壓(reduced pressure)下按壓層122和123。這樣制備未燒制的加熱器。每個(gè)未燒制的氧化鋁薄片也具有容納切割成方塊的32個(gè)第一氧化鋁層122或32個(gè)第二氧化鋁層123的大小，各件彼此分開預(yù)定距離。
(3)形成未燒制的疊層體這樣疊層在(1)中制備的測定元件的未燒制的薄片和在(2)中制備的未燒制的加熱器，使得在(1)中制備的測定元件的未燒制薄片的側(cè)面(其上形成將成為參考電極113和引導(dǎo)部分1131的電極圖形)和與在(2)中制備的未燒制的加熱器圖形相反的將成為第二氧化鋁層123的未燒制的氧化鋁薄片的側(cè)面彼此面對。這樣制備了未燒制的疊層體。
(4)印制工藝用于形成將成為第一空隙層131部的未燒制的第一空隙層的第一空隙層膏，被網(wǎng)印在未燒制的加熱器的背面上，其尖部含有在(3)(即，與將成為第一氧化鋁層122的未燒制的氧化鋁薄片的加熱器元件圖形相反的側(cè)面)中形成的未燒制的疊層體的測定部分，并且形成厚度約30μm的涂層膜。然后，該涂層膜在95度干燥兩分鐘。通過將質(zhì)量100份的氧化鋁粉末、作為有機(jī)粘結(jié)劑的15.5份聚乙烯醇縮丁醛、作為有機(jī)溶劑的42份的丁基卡必醇、作為孔隙劑的顆粒直徑為5到20μm的65份的碳粉末混合，制備用于印制的第一空隙層膏。
(5)通孔形成工藝如圖4和5所示，該未燒制疊層體形成有通孔2，每個(gè)通孔具有大致像U形的平面形狀，寬度為500μm。因此，通孔2在前部101的兩個(gè)側(cè)面和尖端側(cè)面的三個(gè)側(cè)面同時(shí)形成，前部101含有形成測定部分的未燒制的疊層體部。即，通孔2是沿著未燒制的疊層體的疊層方向形成，由此形成通孔2的部形成窄前部101。通過沖孔，一個(gè)未燒制的疊層體形成有與32個(gè)元件一樣多的通孔2。通孔2具有500μm寬度，形成有跨過在未燒制疊層體的件之間的間隔的部分(在圖4中，虛線包圍的每部表示在下面的工藝中切成片的每個(gè)未燒制元件的大小)。
(6)填充工藝每個(gè)通孔2填充第一空隙層膏，用刮板形成在如下狀態(tài)的未燒制空隙層131’，所述狀態(tài)為脫模劑3置于未燒制疊層體的下面，并且掩模4排列在頂面，如圖6和7所示。然后，填充的膏在60℃干燥180分鐘。用于填充的第一空隙層膏與在上述印制工藝(4)中用的相同，它具有的粘度使得它容易填充到通孔2中，并且在填充后不流失。用作脫模劑3的是防水紙，它表面上具有坑和突起，在所述坑和突起之間的高度差為約10μm，如圖8所示。用作掩模4的是具有厚度120μm的金屬材料，每個(gè)掩?？?1具有900μm的寬度，比通孔2(500μm)寬出400μm。因此，制備了用未燒制的第一空隙層131’填充的未燒制疊層體。
(7)相對未燒制疊層體壓制保護(hù)層的未燒制薄片和保護(hù)絕緣層的未燒制薄片用漿料形成將成為電極保護(hù)層116的保護(hù)層的未燒制薄片，所述漿料通過濕法混合預(yù)定量的氧化鋁粉末、碳粉末、粘結(jié)劑、有機(jī)溶劑等形成。接著，使用與將成為第一和第二氧化鋁層122和123的未燒制氧化鋁薄片相同的成份的未燒制氧化鋁薄片形成將成為保護(hù)絕緣層115的保護(hù)絕緣層的未燒制薄片。然后，保護(hù)絕緣層的未燒制薄片形成有未燒制導(dǎo)電體和終端圖形，未燒制導(dǎo)電體將成為通孔導(dǎo)電體1151和1152，終端圖形將成為信號輸出端焊盤1141和1142。在經(jīng)受形成將成為測定電極112的電極圖形的上述(6)的填充工藝后，在未燒制疊層體的側(cè)面上，適當(dāng)層疊保護(hù)層的未燒制薄片和保護(hù)絕緣層的未燒制薄片，并且在減壓下壓制該兩個(gè)未燒制薄片。
(8)分開工藝沿虛線用割刀順序?qū)D9所示的疊層體割成片，提供總數(shù)32個(gè)未燒制元件，圖9所示的疊層體具有在(6)中填充了第一空隙層膏的通孔2和在(7)在未燒制疊層體上進(jìn)一步層疊的保護(hù)層的未燒制薄片和保護(hù)絕緣層的未燒制薄片。這樣切割未燒制元件，使得在未燒制疊層薄片體的側(cè)面和由第一空隙層膏制造的未燒制第一空隙層131’的側(cè)面之間不產(chǎn)生任何臺階。這樣切片每個(gè)未燒制元件，使得切后，在未燒制元件中，在前部的兩個(gè)側(cè)邊面和在尖端端面上的未燒制第一空隙層131’的厚度為180μm。
(9)燒制工藝在(8)中提供的每個(gè)未燒制元件在大氣中在脫脂爐中以20℃/小時(shí)從室溫加熱到450℃，并且在450℃熱處理一小時(shí)脫脂(除粘結(jié)劑處理)。然后，在脫脂爐中以200℃/小時(shí)的速度加熱，在最高1500℃的溫度燒制一小時(shí)。在燒制時(shí)，在未燒制層131’中含有的孔隙劑燒掉，產(chǎn)生空隙，形成第一空隙層131。
(10)第二空隙層的形成工藝含有氧化鋁粉末、粘結(jié)劑(聚乙烯醇縮丁醛)、有機(jī)溶劑和作為空隙劑的碳粉的膏，被印制在元件體的含有測定部分的尖側(cè)面的整個(gè)外圍區(qū)域上，所述元件體形成有第一空隙層131，使得在燒制后，在元件體的角部空隙保護(hù)層13的厚度將成為250μm，并將所述膏干燥。然后在這狀態(tài)的元件體在大氣下以10℃/小時(shí)的速度加熱，在最高溫度900℃熱處理一小時(shí)，形成第二空隙層132，空隙保護(hù)層13的延伸。因此，獲得了用空隙保護(hù)層13覆蓋前部101的疊層型氣體傳感器元件1，它具有比后部形成得窄的元件體的前部101。
(改型實(shí)施例)下面，參照圖11-13說明根據(jù)改型實(shí)施例的疊層型氣體傳感器元件20和含有所述的疊層型氣體傳感器元件20的氣體傳感器50。圖11是根據(jù)改型實(shí)施例的疊層型氣體傳感器元件20透視圖。圖12是該疊層型氣體傳感器元件20的俯視圖(從圖11的頂部觀察)。
根據(jù)改型實(shí)施例的疊層型氣體傳感器元件20與上述實(shí)施例的疊層型氣體傳感器元件1的顯著不同之處在于，在具有彼此層疊的測定元件11和陶瓷加熱器12的元件體中，在含有測定部分的前部101和形成有信號輸出端1141和1142和加熱供電端焊盤(未示出)的后部之間排列中間部分103，它的寬度從前部101向后部105逐漸增加。另外，空隙保護(hù)層13除了覆蓋傳感器元件20的前部101的兩個(gè)側(cè)邊面外，還覆蓋從傳感器元件20的尖端邊到邊界部分107，所述邊界部分結(jié)合沿疊層方向中間部分103的側(cè)邊面和前部101的側(cè)邊面。因此，在此不再說明與上述的實(shí)施例的疊層型氣體元件1相似的，根據(jù)改型實(shí)施例的疊層型氣體傳感器元件20的各部分。
根據(jù)改型實(shí)施例的疊層型氣體傳感器元件20具有元件體，它具有彼此層疊的測定部分11和陶瓷加熱器12，并且所述元件20具有從前部101到后部105寬度逐漸增加的中間部103，如上所述。如圖11和12所示，沿著疊層型氣體傳感器元件20的元件體的疊層方向，從前部101尖端部到中間部103的中途位置形成兩個(gè)側(cè)邊面的空隙保護(hù)層13。與前實(shí)施例相同，空隙層13具有包括第一空隙層131和第二空隙層132的兩層結(jié)構(gòu)。除了圖12示出的外，空隙保護(hù)層13也形成在元件體的正面和背面和尖端端面上。因此，在沿含有測定部分的前部101的疊層方向取疊層氣體傳感器元件20的剖視圖時(shí)，獲得與圖2示出的實(shí)施例中的剖視結(jié)構(gòu)相似的剖視結(jié)構(gòu)。但是，如圖12所示，在改型實(shí)施例中，元件體的前部101的寬度和覆蓋前部101的兩個(gè)側(cè)邊面的空隙保護(hù)層13的厚度的尺寸之和C，小于元件體的后部的最大寬度(即，后部105的寬度)D。
根據(jù)改型實(shí)施例的疊層型氣體傳感器元件20具有覆蓋邊界部107的空隙保護(hù)層13，所述邊界部107結(jié)合元件體的前部101的側(cè)邊面和中間部103的側(cè)邊面(見圖12)。在空隙保護(hù)層13中，在邊界部107的厚度E大于在前部101的側(cè)邊面的厚度F。
能夠使用與前實(shí)施例的元件1相似的制造工藝，制備根據(jù)改型實(shí)施例疊層型氣體傳感器元件20。但是，在(6)的通孔形成工藝中的通孔形狀，在(8)分開工藝中的切割圖形等適當(dāng)改變，使得符合根據(jù)改型實(shí)施例的疊層型氣體傳感器元件20。在制造根據(jù)改型實(shí)施例的疊層型氣體傳感器元件時(shí)，適當(dāng)改變第二空隙層的(10)形成工藝，使得元件體的前部101的寬度和空隙保護(hù)層13的厚度之和C小于元件體的后部105的寬度D。具體是，在第二空隙層的形成工藝中，預(yù)先調(diào)整(施加)形成第二空隙層132的膏的厚度，或在形成第二空隙層后進(jìn)行適當(dāng)?shù)难心?，從而適當(dāng)調(diào)整空隙層13的厚度。
下面說明根據(jù)本發(fā)明改型實(shí)施例的結(jié)合有疊層型氣體傳感器元件20的氣體傳感器50。在根據(jù)改型實(shí)施例的氣體傳感器50中，在疊層型氣體傳感器元件20中的元件體的中間部103的兩側(cè)面接合在安裝在外殼52內(nèi)的陶瓷保持器61的保持器側(cè)面接合部65中，從而疊層型氣體傳感器元件20位于陶瓷保持器61的內(nèi)部，如圖13所示。在外殼52的外殼側(cè)面接合部526中接合陶瓷保持器61，從而疊層型氣體傳感器元件20位于外殼內(nèi)，使得含有測定部分的前部101從外殼突出。即，在改型的實(shí)施例的氣體傳感器50中，使用與在前實(shí)施例的氣體傳感器5不同的陶瓷保持器61，定位疊層型氣體傳感器20，其中在前實(shí)施例，由于在外殼52中用玻璃密封，疊層型氣體傳感器元件1保持在外殼52的預(yù)定位置中。在陶瓷保持器61后和外殼52內(nèi)提供基本由玻璃陶瓷構(gòu)成的填充層63。外圓柱51和引線54的結(jié)構(gòu)與根據(jù)前實(shí)施例的氣體傳感器5的那些相似。
這樣，根據(jù)改型實(shí)施例的氣體傳感器50采用的結(jié)構(gòu)是，如上所述，在疊層型氣體傳感器元件20中的元件體的中間部103的兩個(gè)側(cè)邊面接合在保持器側(cè)面接合部65中。因此，雖然在疊層型氣體傳感器元件20中的空隙保護(hù)層13覆蓋結(jié)合元件體的前部101的側(cè)邊面和中間部103的側(cè)面的邊界部107，但是形成空隙保護(hù)層13使得離開保持器側(cè)面接合部65。這意味著，在疊層型氣體傳感器元件20中，在元件體的中間部103的兩個(gè)側(cè)邊面上，未被空隙保護(hù)層13覆蓋的部分接合在陶瓷保持器61的保持器側(cè)面接合部65中。由于在元件體的中間部103的兩個(gè)側(cè)邊面上的空隙保護(hù)層13沒有與保持器側(cè)面接合部65重疊，因此能夠使得疊層型氣體傳感器元件20的外面和陶瓷保持器61的內(nèi)面(保持器側(cè)面接合部65的內(nèi)面)彼此緊密接觸。因此，能夠容易地抑制在外殼51中的廢氣和水滴通過空隙保護(hù)層13的內(nèi)部進(jìn)入，提供極為可靠的氣體傳感器50。
雖然根據(jù)上述實(shí)施例和改型實(shí)施例說明了本發(fā)明，但是應(yīng)理解，本發(fā)明不限于這些特定實(shí)施例，在不偏離本分明的精神和范圍下可以適當(dāng)修改和變型。
例如，在上述實(shí)施例中，說明了氧氣傳感器和與氧氣傳感器結(jié)合使用的疊層型氣體傳感器元件，但是本發(fā)明也可以用于除氧氣傳感器外的氣體傳感器，如一氧化碳傳感器或NOx傳感器，和與這樣的氣體傳感器結(jié)合使用的疊層型氣體傳感器元件。
在上述實(shí)施例中，疊層型氣體傳感器元件形成有第一和第二空隙層，但是也可以僅形成有第一空隙層。另外，為了形成第二空隙層，盡管在上述實(shí)施例中，使用將成為第二空隙層的膏，進(jìn)行熱處理來形成第二空隙層。然而，第二空隙層也可以通過熱噴涂形成有第一空隙層的元件體的一個(gè)端部的整個(gè)外周區(qū)域形成。
本申請基于2005年6月10日提交的日本專利申請2005-171754和2004年1月8日提交的日本專利申請2004-3502，本申請參引其全部內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種氣體傳感器元件，包括元件體，所述元件體具有包括兩個(gè)側(cè)面的前部和后部，所述元件體包括陶瓷加熱器，它包括陶瓷層和在所述陶瓷層中嵌入的加熱器元件；固體電解質(zhì)層，它包括測定部分，所述測定部分由電極對覆蓋，并且所述固體電解質(zhì)層與所述陶瓷加熱器疊層，其中包括所述測定部分的元件體的前部具有比元件體的后部小的寬度，并且所述元件體的前部的至少兩個(gè)側(cè)面由空隙層覆蓋。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器元件，所述的后部包括在其外表面上的多個(gè)終端電極，所述終端電極電連接到所述電極對和所述加熱器元件，其中，所述元件體還包括在所述前部和后部中間設(shè)置的具有相對側(cè)面的中間部，所述中間部的寬度從前部側(cè)向后部側(cè)逐漸增加，并且所述空隙層覆蓋在所述前部和中間部之間的邊界部的側(cè)邊面。
3.如權(quán)利要求2所述的氣體傳感器元件，其中，在所述邊界部的側(cè)面上設(shè)置的空隙層比在前部的側(cè)面上設(shè)置的空隙層厚。
4.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器元件，其中，所述元件體的前部的寬度和在前部的兩個(gè)側(cè)面上設(shè)置的空隙層的厚度的和等于或小于所述元件體的后部的最大寬度。
5.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器元件，其滿足如下關(guān)系A(chǔ)×0.60＜B＜A×0.98，這里A是所述元件體的前部的寬度(mm)，B是在所述前部設(shè)置的加熱器元件的部分的最大寬度(mm)。
6.如權(quán)利要求1的氣體傳感器元件，其中，所述多孔層覆蓋所述前部的外周，所述空隙層包括覆蓋元件體的前部的至少兩個(gè)側(cè)面的第一空隙層和覆蓋第一空隙層的第二空隙層。
7.如權(quán)利要求1的氣體傳感器元件，其中，所述空隙層覆蓋包括前部的兩個(gè)側(cè)面的所述前部的外周，并且在所述元件體的角部的空隙層具有20μm或更大的厚度。
8.如權(quán)利要求1的氣體傳感器元件，其中，所述空隙層具有15％到65％的空隙度。
9.一種氣體傳感器，包括如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器元件；和圓柱形外殼，它包括包圍所述氣體傳感器元件的尖端，所述測定部分從所述外殼的尖端突出。
10.一種氣體傳感器，包括如權(quán)利要求2所述的氣體傳感器元件；圓柱形外殼，它包括包圍所述氣體傳感器元件的尖端，所述測定部分從所述外殼的尖端突出；絕緣陶瓷保持器，它設(shè)置在所述氣體傳感器元件和所述外殼之間，所述絕緣陶瓷保持器包括接合部；其中在所述中間部的后部中的相對側(cè)面接合在所述絕緣陶瓷保持器的接合部中，與空隙層的后端分開。
全文摘要
一種氣體傳感器元件，具有元件體，元件體包括陶瓷加熱器，它具有陶瓷層和在陶瓷層中嵌入的加熱器元件；固體電解質(zhì)層，它包括由電極對覆蓋的測定部分，所述固體電解質(zhì)層與所述陶瓷加熱器疊層在一起。另外，所述元件體在包括測定部分的前部上的寬度比后部的寬度小，并且元件體的前部的至少兩個(gè)側(cè)邊面用空隙層覆蓋。
文檔編號G01N27/28GK1892209SQ20051008321
公開日2007年1月10日 申請日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者粟野真也, 牧野圭祐, 黑木義昭, 小島孝夫, 安藤雅史 申請人:日本特殊陶業(yè)株式會(huì)社