專利名稱：氣體傳感器元件和氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測測量氣體內(nèi)的特定氣體的濃度的氣體傳感器元件以及包括該氣體傳感器元件的氣體傳感器。
背景技術(shù)：
氣體傳感器被廣泛地用于檢測用作燃料的可燃氣體的泄漏以及檢測包含在廢氣中的氣體。為了測量廢氣中的氧氣濃度，從過去到現(xiàn)在一直使用固體電解質(zhì)傳感器，該固體電解質(zhì)傳感器檢測歸因于特定氣體的電動勢，并且在該固體電解質(zhì)傳感器中，電池是由離子導(dǎo)電體構(gòu)成的。例如，日本未審查的專利公開H08-8044公開了一種包含在氣體傳感器中的如圖 1中所示的氣體傳感器元件。如圖1所示，氣體傳感器元件91包括固體電解質(zhì)主體97，其具有氧離子導(dǎo)電性；配線層92，其形成于固體電解質(zhì)主體97的兩個主表面上；以及絕緣層 93，其被分層于固體電解質(zhì)主體97的一個主表面970上。用于連接到外部設(shè)備的電極端子94形成于絕緣層93的表面上。中間層95被插入在電極端子94與配線層92之間。通孔96形成于絕緣層93中，并且金屬連接部件96a 被設(shè)置在通孔96內(nèi)。電極端子94和配線層92是通過連接部件96a和中間層95來電連接的。氣體傳感器元件91包括用于對固體電解質(zhì)主體97進行加熱的加熱器部980。加熱器部980包括配線層92、絕緣層93、加熱器連接部件911、中間層95、連接部件96a和電極端子94。加熱器連接部件911被插入在配線層92與中間層95之間。此外，加熱元件(未示出)被連接到配線層92。氣體傳感器元件91是在由加熱器部980加熱的狀態(tài)下使用的。因此，因為整個部分(配線層92、中間層95、連接部件96a、電極端子94和加熱器連接部件911)是由主要成分為鉬的金屬材料構(gòu)成的，因此氣體傳感器元件91能夠經(jīng)受高溫環(huán)境。然而，因為傳統(tǒng)氣體傳感器元件91中的加熱器部980是由主要成分為鉬的金屬材料構(gòu)成的，因此制造成本高。因此，期望能夠以低成本來制造的氣體傳感器元件91。如圖2所示，已經(jīng)嘗試通過用比鉬(Pt)便宜的鈀來形成配線層92，從而降低氣體傳感器元件91的制造成本。當(dāng)制造氣體傳感器元件91時，如圖2所示，絕緣層93、配線層 92、固體電解質(zhì)主體97等被堆疊并且接著被燒制。因為配線層92(鈀)和中間層95(鉬) 是由不同的材料構(gòu)成的，因此當(dāng)被燒制時，在配線層92與中間層95之間的界面99上形成鈀和鉬合金。伴隨著形成合金，外圍中的金屬向界面99移動。因為鈀具有比鉬低的熔點， 因此當(dāng)被燒制時，鈀在鉬之前移動到界面99，如圖3所示。因此，在配線層92中形成空隙 90，從而在一些情況下導(dǎo)致配線層92斷開。電極端子94與配線層92之間的電阻變高。因此，氣體傳感器元件91中的溫度上升變得不足，并且氣體傳感器中的電阻增加。因此，氣體傳感器元件91的檢測準確度下降?；蛘?，氣體傳感器元件91變得不能執(zhí)行檢測。此外，電極端子94和配線層92是在一個寬溫度范圍內(nèi)使用的，例如，從-40°C到使用具有不同的熱膨脹系數(shù)的金屬材料來形成電極端子94和配線層92 時，由于熱膨脹的差別導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力，并且在配線層92中可能發(fā)生斷開。電極端子94與配線層92之間的電阻變高。因此，如上所述，氣體傳感器元件91的檢測準確度下降?；蛘撸?氣體傳感器元件91變得不能執(zhí)行檢測。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，已經(jīng)實現(xiàn)了本發(fā)明。本發(fā)明的目的是提供一種具有高檢測準確度和在配線層與電極端子之間具有高連接可靠性的氣體傳感器以及包括該氣體傳感器元件的氣體傳感器。本發(fā)明的第一方面是氣體傳感器元件，該氣體傳感器元件檢測測量氣體內(nèi)的特定氣體的濃度，該氣體傳感器元件包括配線層，其形成于傳感器的內(nèi)部；絕緣層，其覆蓋所述配線層的前表面；電極端子，其被設(shè)置在所述絕緣層的與所述配線層相對一側(cè)的所述絕緣層的主表面上并且電連接到所述配線層；以及中間層，其被插入在所述電極端子與所述配線層之間，并且將所述電極端子與所述配線層進行電連接；其中所述電極端子是由第一金屬材料構(gòu)成的，所述配線層是由第二金屬材料構(gòu)成的，并且所述中間層是由所述第一金屬材料和所述第二金屬材料中的具有較低熔點的金屬材料構(gòu)成的。在本發(fā)明中，電極端子是由第一金屬材料構(gòu)成的，配線層是由第二金屬材料構(gòu)成的，并且中間層是由第一金屬材料和第二金屬材料中的具有較低熔點的金屬材料構(gòu)成的。 在氣體傳感器元件的制造過程中，當(dāng)執(zhí)行燒制過程時，形成中間層的金屬材料和與中間層合金的金屬材料不同的金屬材料相接觸。中間層的外圍部分中的具有低熔點的金屬材料可以移動，從而在中間層的外圍部分中形成空隙。然而，因為中間層的外圍部分不會直接促成電連接，因此即使在空隙形成時，諸如電阻增加等缺陷也不容易出現(xiàn)。此外，當(dāng)電極端子和配線層是由具有不同的熱膨脹系數(shù)的金屬材料構(gòu)成時，歸因于使用環(huán)境中的熱膨脹差異的應(yīng)力可能出現(xiàn)。同樣地在該情況下，諸如配線層中的斷開等缺陷也不容易出現(xiàn)，這是因為形成了中間層。因此，增加了電極端子與配線層之間的連接可靠性。此外，氣體傳感器元件對設(shè)置在加熱器一側(cè)上的配線層(加熱器配線)與電極端子之間的電阻的增加進行抑制。因此，充足的電流可以發(fā)送通過加熱器配線，并且可以充分增加氣體傳感器元件的溫度。因此，可以增加氣體傳感器元件的檢測準確度。本發(fā)明的第二方面是包括上述氣體傳感器元件的氣體傳感器。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，因為包括了所述氣體傳感器元件，因此可以實現(xiàn)在配線層與電極端子之間具有高連接可靠性并且具有高檢測準確度的氣體傳感器。


將參照附圖來更具體地描述本發(fā)明，在附圖中圖1是傳統(tǒng)的示例中的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖2是傳統(tǒng)的示例中的氣體傳感器的橫截面圖并且示出了在燒制之前的狀態(tài)，在該示例中，只有配線層是由不同的金屬材料構(gòu)成的；圖3是圖2中所示的氣體傳感器的橫截面圖并且示出了燒制之后的狀態(tài)；
圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的在燒制之前的氣體傳感器元件的橫截面圖，并且圖4是沿著與打印有圖6的紙張平行的線進行截取所獲得的如圖6所示的第一傳感器元件40a的橫截面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的在燒制之前的氣體傳感器元件的橫截面圖，并且圖5是沿著與打印有圖6的紙張平行的線進行截取所獲得的如圖6所示的第二傳感器元件40b的橫截面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的氣體傳感器元件的分解透視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的氣體傳感器的末端(tip end)部的橫截面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的在燒制之后的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖9是示例1中的本發(fā)明的氣體傳感器的顯微鏡照片；圖10是圖7中的主要部分的放大照片；圖11是比較示例中的氣體傳感器的顯微鏡照片；圖12是圖11中的主要部分的放大照片；圖13是示出了示例1中的冷卻循環(huán)的數(shù)量與傳感器輸出之間的關(guān)系的曲線圖；圖14是對示例1中的電阻值進行比較的曲線圖；圖15是對示例1中的傳感器輸出值進行比較的曲線圖；圖16是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的在燒制之前的通過第一傳感器電極40a的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖17是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的在燒制之前的通過第二傳感器電極40b的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖18是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的在燒制之前的通過第一傳感器電極40a的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖19是根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的在燒制之前的通過第一傳感器電極40a的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖20是根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的在燒制之前的通過第一傳感器電極40a的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖21是根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的在燒制之前的通過第一傳感器電極40a的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖22是根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的在燒制之前的通過第一傳感器電極40a的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖23是根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的在燒制之前的通過第一傳感器電極40a的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖M是根據(jù)本發(fā)明的第九實施例的在燒制之前的通過第一傳感器電極40a的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖25是根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的在燒制之前的通過第一傳感器電極40a的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖沈是根據(jù)本發(fā)明的第十一實施例的在燒制之前的通過第一傳感器電極40a的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖27是根據(jù)本發(fā)明的第十二實施例的在燒制之前的通過第一傳感器電極40a的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖觀是根據(jù)本發(fā)明的第十三實施例的在燒制之前的通過第一傳感器電極40a的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖四是根據(jù)本發(fā)明的第十三實施例的在燒制之前的通過第二傳感器電極40b的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖30是根據(jù)本發(fā)明的第十四實施例的在燒制之前的通過第一傳感器電極40a的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖31是根據(jù)本發(fā)明的第十五實施例的在燒制之前的通過第一傳感器電極40a的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖32是根據(jù)本發(fā)明的第十六實施例的在燒制之前的通過第一傳感器電極40a的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖33是根據(jù)本發(fā)明的第十七實施例的在燒制之前的通過第一傳感器電極40a的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖34是根據(jù)本發(fā)明的第十七實施例的在燒制之前的通過第二傳感器電極40b的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖35是根據(jù)本發(fā)明的第十八實施例的在燒制之前的通過第二傳感器電極40b的氣體傳感器元件的橫截面圖；圖36是根據(jù)本發(fā)明的第十九實施例的在燒制之前的通過第二傳感器電極40b的氣體傳感器元件的橫截面圖；以及圖37是根據(jù)本發(fā)明的第二十實施例的在燒制之前的通過第二傳感器電極40b的氣體傳感器元件的橫截面圖。
具體實施例方式將參照附圖使用每個實施例來描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的氣體傳感器元件。第一實施例(圖4至圖15以及表1至表5)將參照圖4至圖8以及示例1來描述根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的氣體傳感器元件。圖4是在燒制之前的氣體傳感器元件1的橫截面圖。如圖4所示，在氣體傳感器元件1中，配線層2被設(shè)置在傳感器部13內(nèi)，并且配線層2的表面由絕緣層3覆蓋。電極端子4被設(shè)置在所述絕緣層3的與所述配線層2相對一側(cè)的所述絕緣層3的主表面上。中間層5被插入在電極端子4與配線層2之間，并且電極端子4被電連接到配線層2。電極端子4是由第一金屬材料構(gòu)成的。配線層2是由第二金屬材料構(gòu)成的。中間層5是由第一金屬材料和第二金屬材料中的具有較低熔點的金屬材料構(gòu)成的。更具體地說，如圖6所示，氣體傳感器元件1是由傳感器部13和加熱器部14構(gòu)成的。傳感器部13是由正被堆疊的屏蔽層104、擴散阻擋層103、分隔層102、絕緣層3、 固體電解質(zhì)主體7和導(dǎo)管形成層10構(gòu)成的。配線層2 (測量氣體側(cè)的配線20和參考氣體側(cè)的配線21)被形成在固體電解質(zhì)主體7的兩個主表面上。中間層5被插入到配線層2與電極端子4之間。電極端子4是由第一傳感器電極40a和第二傳感器電極40b組成的。第一傳感器電極40a被連接到測量氣體側(cè)的配線20。第二傳感器電極40b被連接到參考氣體側(cè)的配線21。如圖6和圖7所示，用于引入測量氣體(例如，廢氣)的測量氣體室101形成于分隔層102和絕緣層3中。用于引入?yún)⒖細怏w(大氣)的參考氣體室100形成于導(dǎo)管形成層 10中。測量氣體側(cè)的電極200形成于測量氣體側(cè)的配線20的末端處。參考氣體側(cè)的電極210形成于參考氣體側(cè)的配線21的末端處。測量氣體側(cè)的電極200暴露在測量氣體室 101內(nèi)。參考氣體側(cè)的電極210暴露于參考氣體室100內(nèi)。固體電解質(zhì)主體7具有氧離子導(dǎo)電性。因此，當(dāng)將電壓施加到參考氣體側(cè)的電極 210與測量氣體側(cè)的電極200之間時，與參考氣體和測量氣體之間的氧氣濃度差對應(yīng)的電流在參考氣體側(cè)的電極210與測量氣體側(cè)的電極200之間流動。測量氣體內(nèi)的氧氣濃度是由正被測量的電流值來檢測的。加熱器部14包括加熱元件12、連接到該加熱元件12的配線層2 (加熱器配線22)、 兩個絕緣層3 (第一加熱器基板31a和第二加熱器基板31b)以及電極端子4 (加熱器電極 41)。中間層5被插入到兩個絕緣層3之間。如圖4所示，在根據(jù)第一實施例的氣體傳感器元件1的傳感器部13中，提供穿過絕緣層3的通孔6，并且通孔6連接中間層fe和電極端子4。通孔6具有比中間層fe小的外徑。金屬連接部件60a被設(shè)置在通孔6內(nèi)。在加熱器部14中，提供穿過第二加熱器基板31b的第一通孔6a，并且第一通孔6a 連接中間層恥和加熱器電極41。通孔6a具有比中間層恥小的外徑。金屬第一連接部件 60b被設(shè)置在通孔6a內(nèi)。此外，提供穿過第一加熱器基板31a的第二通孔6b，并且第二通孔6b連接配線層22和中間層恥。第二通孔6b具有比中間層恥小的外徑。金屬第二連接部件66被設(shè)置在第二通孔6b內(nèi)。傳感器部13的第一傳感器電極40a和連接部件60a是由第一金屬材料構(gòu)成的。中間層如和恥、測量氣體側(cè)的配線20以及參考氣體側(cè)的配線21是由具有比第一金屬材料的熔點低的熔點的第二金屬材料構(gòu)成的。加熱器部的加熱器電極41和第一連接部件60b是由第一金屬材料構(gòu)成的。加熱器配線22、第二連接部件66和中間層恥是由第二金屬材料構(gòu)成的。第一金屬材料和第二金屬材料包含從以下各種材料中選擇出的至少一種材料 Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、In、Sn、W、Re、Qs、Ir、 Pt、Au和此。第一金屬材料和第二金屬材料還包含諸如氧化鋁、氧化鋯和氧化釔等至少一種類型的陶瓷。由于通過這種方式將陶瓷添加到第一金屬材料和第二金屬材料上，因此可以增大絕緣層3、固體電解質(zhì)主體7等與第一金屬材料和第二金屬材料之間的結(jié)合。第一金屬材料和第二金屬材料中的陶瓷/金屬的重量比是wt至25% Wt0更優(yōu)選地，第一金屬材料和第二金屬材料包含Pt和Pd中的至少一種以及諸如氧化鋁、氧化鋯和氧化釔等至少一種類型的陶瓷。第一金屬材料和第二金屬材料中的陶瓷/ 金屬的重量比優(yōu)選地是Wt至25% Wt。由于諸如這樣的組合，因此第一金屬和第二金屬的熔點變?yōu)?500°C或者更高。因此，即使當(dāng)在制造期間以高的溫度(例如1450士50°C )對氣體傳感器元件1進行燒制，金屬材料熔化的風(fēng)險也降低了。此外，第一金屬材料和第二金屬材料的熱膨脹系數(shù)變?yōu)榻咏诠腆w電解質(zhì)主體7的熱膨脹系數(shù)9. 2X10_6/°C。因此，可以對在燒制期間在金屬材料與固體電解質(zhì)主體7之間出現(xiàn)的大的熱應(yīng)力進行抑制。此外，如圖5所示，通孔650形成于固體電解質(zhì)主體7中。金屬傳感器側(cè)的第二連接部件65被設(shè)置在通孔650內(nèi)。連接層250是由構(gòu)成測量氣體側(cè)的配線20的配線層2形成的。第二傳感器電極40b和參考氣體側(cè)的配線21是通過連接層250、相鄰的中間層5c和傳感器側(cè)的第二連接部件65以及與中間層5c相鄰的傳感器側(cè)的第一連接部件60c來電連接的。這里，第二傳感器電極40b和傳感器側(cè)的第一連接部件60c是由第一金屬材料構(gòu)成的。中間層5c、連接層250、傳感器側(cè)的第二連接部件65以及參考氣體側(cè)的配線21是由具有比第一金屬材料的熔點低的熔點的第二金屬材料構(gòu)成的。當(dāng)從軸線方向上觀察時，中間層5和通孔6具有圓形的形狀。通孔6的外徑A(參照圖4)為0. Olmm^ A ^ 1. 315mm。中間層5的外徑B為0. 02mm ^ B ^ 2. 63謹。在通孔6的外徑A與中間層5的外徑B之間建立關(guān)系B/A彡2。中間層5的厚度d為0. Olmm彡d彡0. 1mm。通孔6的外徑A被設(shè)置為0.01mm或者更大，這是因為當(dāng)外徑A小于0.01mm時不能充分保證氣體傳感器的檢測準確度。中間層5的外徑B被設(shè)置為2. 63mm或者更小，這是因為當(dāng)中間層5的外徑B超出 2. 63mm時，由于傳感器元件的寬度為5. 28mm,因此相鄰的中間層5相互連接并且發(fā)生短路。 導(dǎo)電性不能被保證，并且氣體傳感器元件1的檢測準確度下降。由于建立了關(guān)系B/A彡2，因此通孔6的外徑A的上限值被設(shè)置為與中間層5的外徑B的上限值(2. 63mm)相差1. 315mm。中間層5的外徑B的下限值被設(shè)置為與通孔6的外徑A的下限值(0. Olmm)相差0. 02mm。中間層5的厚度d被設(shè)置為0. Olmm或者更大，這是因為當(dāng)厚度d小于0. Olmm時， 在除了中間層5的外圍以外的區(qū)域中形成了空隙。另一方面，當(dāng)中間層5的厚度d超出 0. Imm時，就制造氣體傳感器元件1而言，由于中間層5的厚度使得氣體傳感器元件1的形狀變得有缺陷。不能保證導(dǎo)電性，并且不能執(zhí)行傳感器檢測。通過這種方式，在通孔6的外徑A與中間層5的外徑B之間建立了關(guān)系B/A彡2。 此外，中間層5的厚度d為0. Olmm或者更大。因此，因為中間層5的外徑A足夠大并且中間層5的厚度d足夠厚，因此可以僅在中間層5的外圍部分50中形成空隙V。因此，消除了在中間層5與連接部件60之間的界面500中形成空隙V，并且可以抑制電極端子4與配線層2之間的電阻的增加。此外，如圖7所示，屏蔽層104、擴散阻擋層103和分隔層102的側(cè)面被形成為具有錐形。擴散阻擋層103是由允許測量氣體通過擴散阻擋層103的多孔體構(gòu)成。因此，擴散阻擋層103的側(cè)面用作引入測量氣體的進氣口 105。測量氣體從進氣口 105進入擴散阻擋層103并且被引入到測量氣體室101中。下面將描述根據(jù)第一實施例的氣體傳感器元件2的操作效果。在根據(jù)第一實施例的氣體傳感器元件1中，如圖4所示，電極端子4是由第一金屬材料構(gòu)成的。配線層2是由第二金屬材料構(gòu)成的。中間層5是由具有比第一金屬材料的熔點低的熔點的第二金屬材料構(gòu)成的。因此，當(dāng)在氣體傳感器元件1的制造過程中執(zhí)行燒制時，如圖8所示，構(gòu)成中間層5的第二金屬材料和與中間層5接觸的第一金屬材料變?yōu)楹辖?。在金屬材料形成合金的過程中，由具有低熔點的第二金屬材料構(gòu)成的中間層5的外圍部分50的金屬材料移動，從而在中間層5的外圍部分50中形成空隙。換言之，由于不同的金屬材料開始接觸的界面是在陶瓷燒制期間通過加熱形成合金的，因此形成了空隙。金屬原子從外圍向界面移動，從而形成空隙。然而，中間層5的其中形成空隙的外圍部分50是電流不流動并且不會直接有助于電連接的區(qū)域。因此，即使當(dāng)在中間層5的外圍部分50中形成空隙V時，電極端子4與配線層2之間的電阻也不會明顯改變。由于通過這種方式有意識地使中間層5的外圍部分50的金屬原子移動以在中間層5的外圍部分50中形成空隙，因此可以對連接部件和配線層2的金屬原子的移動進行抑制。因為連接部件和配線層2是直接有助于電連接的部分，因此通過防止形成空隙而抑制了電阻的增加。改進了電極端子4與配線層2之間的連接可靠性。此外，在根據(jù)第一實施例的氣體傳感器元件1中，可以抑制加熱器配線22與加熱器電極41之間的電阻的增加。因此，可以向加熱器配線22傳送充足的電流。由于充分地增加了氣體傳感器元件1的溫度，因此可以提高氣體傳感器元件1的檢測準確度。在根據(jù)第一實施例的氣體傳感器元件1中，如圖4所示，因為電極端子4和中間層 5是通過具有比中間層5的外徑小的外徑的連接部件60a連接的，因此連接部件60a不會與中間層5的外圍部分50接觸。因此，當(dāng)進行燒制時，由于中間層5是由具有低熔點的材料構(gòu)成的，因此如圖8所示，促進了中間層5的外圍部分50的金屬材料向中間部分(與連接部件60a接觸的部分)的移動。因此，由于在作為界面500(即，在該界面處，中間層5與連接部件60a接觸)的外圍的中間層5的外圍部分50中形成空隙，因此改進了電極端子4與配線層2之間的連接可靠性。此外，在根據(jù)第一實施例的氣體傳感器元件1中，如圖4所示，在加熱器部14中， 配線層22和電極端子41是通過具有比中間層恥的外徑小的外徑的第一連接部件60b和第二連接部件66來連接的。因此，因為具有比中間層恥的外徑小的外徑的第一連接部件 60b和第二連接部件66被連接到中間層5b，因此第一連接部件60b和第二連接部件66不會與中間層恥的外圍部分50接觸。因為中間層恥是由具有低熔點的金屬材料構(gòu)成的，因此當(dāng)進行燒制時，如圖8所示，促進了中間層恥的外圍部分50的金屬材料向中心的移動。 因此，在中間層恥的外圍部分50中形成空隙。在這里，外圍部分50表示中間層恥的、除了中間層恥與連接部件60b和66接觸的界面500以外的部分。因此，改進了電極端子41 和配線層23之間的連接可靠性，并且提高了氣體傳感器元件1的檢測準確度。如上所述，根據(jù)第一實施例，可以獲得具有高檢測準確度以及在配線層與電極端子之間具有高連接可靠性的氣體傳感器元件。在下文中，使用示例1進行試驗以證明本發(fā)明的氣體傳感器元件的效果。(示例 1)在示例1中，通過堆疊電極端子4、絕緣層3、中間層5等來制造具有與根據(jù)第一實施例(圖4和圖幻的氣體傳感器元件1相同的構(gòu)造的樣品。在這里，傳感器電極40、加熱器電極41和連接部件60a和60b是使用第一金屬材料形成的。中間層fe和恥、配線層 20,21和22以及第二連接部件66是使用具有比第一金屬材料的熔點低的熔點的第二金屬材料形成的。具體地說，以下材料被用作第一金屬材料。該材料包含100% Pt作為金屬成分并且具有1774°C的熔點和9. 1X10_6/°C的線性膨脹系數(shù)。該材料將氧化鋁用作陶瓷。鋁/Pt的重量比為10wt%。以下材料用作第二金屬材料。該材料包含100% Pd作為金屬成分并且具有1555°C的熔點和1. 176X10_5/°C的線性膨脹系數(shù)。該材料將氧化鋁用作陶瓷。鋁/ Pd的重量比為10wt%。在下文中所描述的實施例中也使用類似的材料。各個尺寸如下。電極端子4(40和41)的厚度為0. 02mm。連接部件60的高度為 0.16mm。中間層和釙的厚度d為0. 03mm。配線層20、21和22的各自厚度為0. 01mm、 0.018mm和0.03mm。連接部件60的外徑A和A'為0. 248mm。中間層的外徑B為0. 6mm。 中間層恥的外徑B'為0. 5mm。傳感器部13的絕緣層3的厚度為0. 2mm。第一加熱器基板 31a的厚度為0. 19mm。第二加熱器基板31b的厚度為0. 19mm。作為結(jié)果，獲得燒制前的本發(fā)明的氣體傳感器元件1的樣品1。制造燒制之前的樣品2來作為比較示例(參見圖3)，其中，傳感器電極40、加熱器電極41、連接部件60a和60b、中間層如和恥以及第二連接部件66是由第一金屬材料構(gòu)成的。配線層20、21和22是由第二金屬材料構(gòu)成的。其它構(gòu)造與樣品1的構(gòu)造類似。接下來，以1450士50°C將樣品1和樣品2燒制120分鐘。從加熱器配線22到加熱器電極41拍攝所獲取的燒制樣品1和樣品2的顯微鏡照片。樣品1的顯微鏡照片如圖 9和圖10所示。樣品2的顯微鏡照片如圖11和圖12所示。如圖9和圖10所示，在樣品1中，中間層5的外圍部分50的金屬材料移動，并且空隙V形成于外圍部分50中。相反地，如圖11和圖12所示，在比較示例的樣品2中，空隙 V形成于加熱器配線22中。接下來，通過使用樣品1和樣品2來進行冷卻循環(huán)測試，其中，重復(fù)地在25°C與 1000°C之間進行溫度變化。測量加熱器配線22與加熱器電極41之間的電阻的變化。此外， 對在加熱器配線22與加熱器電極41之間、在測量氣體配線20與電極端子40a之間以及在參考氣體側(cè)的配線層21與電極端子40b之間是否形成裂縫進行評估。在冷卻循環(huán)測試中，單個循環(huán)是在溫度已經(jīng)從25°C上升到1000°C以后溫度返回至25°C的一個過程。對于每個樣品1和樣品2而言，執(zhí)行多個循環(huán)的冷卻循環(huán)測試，如圖13 所示，并且測量加熱器配線22與加熱器電極41之間的電阻。在圖13中，水平軸表示“循環(huán)的數(shù)量”。在垂直軸上，加熱器配線22與加熱器電極41之間的電阻的測量值除以測量初始值所得到的值是由“電阻(_)”來表示的。當(dāng)電阻㈠突然增加時，作出已經(jīng)形成裂縫的判斷。當(dāng)電阻(_)未改變時，作出未形成裂縫的判斷。這些結(jié)果如表1所示。未形成裂縫的例子是由ο來表示的。已經(jīng)形成裂縫的例子是由X來表示的。表 125 0C O 1000°C冷卻循環(huán)的測試
權(quán)利要求
1.一種氣體傳感器元件，其檢測測量氣體內(nèi)的特定氣體的濃度，所述氣體傳感器元件包括配線層，其形成于傳感器的內(nèi)部； 絕緣層，其覆蓋所述配線層的前表面；電極端子，其被設(shè)置在所述絕緣層的與所述配線層相對一側(cè)的所述絕緣層的主表面上并且電連接到所述配線層；以及中間層，其被插入在所述電極端子與所述配線層之間并且將所述電極端子與所述配線層進行電連接，其中所述電極端子是由第一金屬材料構(gòu)成的，所述配線層是由第二金屬材料構(gòu)成的，并且所述中間層是由所述第一金屬材料和所述第二金屬材料中的具有較低熔點的金屬材料構(gòu)成的。
2.一種氣體傳感器元件，其檢測測量氣體內(nèi)的特定氣體的濃度，所述氣體傳感器元件包括配線層，其形成于傳感器的內(nèi)部； 絕緣層，其覆蓋所述配線層的前表面；電極端子，其被設(shè)置在所述絕緣層的與所述配線層相對一側(cè)的所述絕緣層的主表面上并且電連接到所述配線層；中間層，其被插入在所述電極端子與所述配線層之間并且將所述電極端子與所述配線層進行電連接；以及通孔，其穿過所述絕緣層，具有設(shè)置在該通孔內(nèi)的金屬連接部件，具有比所述中間層小的外徑，并且連接所述中間層與所述電極端子，其中所述連接部件和所述電極端子是由第一金屬材料構(gòu)成的，所述配線層和所述中間層是由第二金屬材料構(gòu)成的，并且所述第二金屬材料具有比所述第一金屬材料低的熔點。
3.一種氣體傳感器元件，其檢測測量氣體內(nèi)的特定氣體的濃度，所述氣體傳感器元件包括配線層，其形成于傳感器的內(nèi)部； 絕緣層，其覆蓋所述配線層的前表面；電極端子，其被設(shè)置在所述絕緣層的與所述配線層相對一側(cè)的所述絕緣層的主表面上并且電連接到所述配線層；中間層，其被插入在所述電極端子與所述配線層之間并且將所述電極端子與所述配線層進行電連接；第一通孔，其穿過所述絕緣層，具有設(shè)置在該第一通孔內(nèi)的金屬第一連接部件，具有比所述中間層小的外徑，并且連接所述中間層與所述電極端子；以及第二通孔，其穿過所述絕緣層，具有設(shè)置在該第二通孔內(nèi)的金屬第二連接部件，具有比所述中間層小的外徑，并且連接所述配線層與所述中間層，其中所述第一連接部件和所述電極端子是由第一金屬材料構(gòu)成的，所述配線層和所述第二連接部件是由所述第二金屬材料構(gòu)成的，并且所述中間層是由所述第一金屬材料和所述第二金屬材料中的具有較低熔點的金屬材料構(gòu)成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體傳感器元件，其中空隙形成于所述中間層的外圍部分中，所述外圍部分是所述中間層的與所述連接部件接觸的界面的外圍，所述連接部件是由與所述中間層的金屬材料不同的金屬材料構(gòu)成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體傳感器元件，其中在所述通孔的外徑A與所述中間層的外徑B之間建立關(guān)系2，并且所述中間層的厚度d為0.01mm或者更大。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣體傳感器元件，其中空隙形成于所述中間層的外圍部分中，所述外圍部分是所述中間層的與所述連接部件接觸的界面的外圍，所述連接部件是由與所述中間層的金屬材料不同的金屬材料構(gòu)成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣體傳感器元件，其中在所述第一通孔的外徑A與所述中間層的外徑B之間建立關(guān)系B/A ^ 2， 在所述第二通孔的外徑A與所述中間層的外徑B之間建立關(guān)系B/A ^ 2，以及所述中間層的厚度d為0. Olmm或更大。
8.一種氣體傳感器，其包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器元件。
9.一種氣體傳感器，其包括根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體傳感器元件。
10.一種氣體傳感器，其包括根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣體傳感器元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及氣體傳感器元件和氣體傳感器。本發(fā)明的氣體傳感器元件檢測測量氣體內(nèi)的特定氣體的濃度。氣體傳感器元件包括配線層，其形成于傳感器的內(nèi)部；絕緣層，其覆蓋配線層的前表面；電極端子，其被設(shè)置在所述絕緣層的與所述配線層相對一側(cè)的所述絕緣層的主表面上并且電連接到所述配線層；以及中間層，其被插入在電極端子與配線層之間并且將電極端子與配線層進行電連接。電極端子是由第一金屬材料構(gòu)成的。配線層是由第二金屬材料構(gòu)成的。所述中間層是由第一金屬材料和第二金屬材料中的具有較低熔點的金屬材料構(gòu)成的。
文檔編號G01N27/00GK102313762SQ20111019856
公開日2012年1月11日 申請日期2011年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者梶山理一 申請人:株式會社電裝