专利名称：气体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及安装在内燃机的排气系统中以控制内燃机的燃烧的气体传感器。
背景技术：
用于控制内燃机的燃烧的现有气体传感器包括一个圆柱形壳体、设置在壳体中的气体感测元件、设置在壳体基端的大气侧盖以及设置在壳体末端的被测气体侧盖。
气体感测元件的前端(即，末端)被容纳在被测气体侧盖中并且暴露在被测气体中。气体感测元件的末端被大气侧盖封闭。气体感测元件的输出端子从基端侧从气体传感器伸出。
密封部件、绝缘体、填料等设置在气体感测元件和壳体之间的间隙中以气密地封闭该间隙。
换句话说，设置在气体感测元件和壳体之间的密封部件起一个分隔物的作用，用于使大气侧盖中的空气环境与被测气体侧盖中的被测气体环境分隔开。如果被测气体从被测气体环境泄露到空气环境中，气体浓度的测量精确度将受到影响。因此，理想的是使气体感测元件与壳体之间保持高度气密性。
但是，被测气体可能包含汽油或者其它液化成分。由于其液体特性，汽油或者其它液化成分能够顺利地渗透到密封部件中(更具体地，渗透到位于密封部件中的微孔和间隙中)。因此，汽油(液态或气态形式)可能泄露到空气环境中。汽油或者其它液化成分的这种泄露在测量气体浓度时也降低了精确度。
发明内容
鉴于上述现有技术的问题，本发明的目的是提供一种气体传感器，该气体传感器具有良好的密封特性，以防止包含在被测气体中的汽油或者其它液化成分穿国密封部件泄露到空气环境中。
作为研究开发的结果，本发明人发现了将要实现的目标并且本发明就是用于实现该目标。
更具体地，当粉末填料包含大量的排除以下将描述的具体范围的细颗粒时，甚至在粉末填料在施加到粉末填料上的压力作用下塞满填料空间之后，相对大量的空气可能位于颗粒之间的间隙中。粉末填料的比重不能增大很多。
另一方面，当粉末填料包含大量的排除以下将描述的具体范围的粗颗粒时，粗颗粒不能充分地塌陷，所施加的压力相应地不能均匀地施加到粉末填料中的每个颗粒上。因此，粉末填料的比重不能局部地增大。气体感测元件可能损坏。
为了实现上述或者其它相关目的，本发明提供一种第一气体传感器，它包括壳体；设置在壳体中的气体感测元件；以及填塞在形成于壳体与气体感测元件之间的填料空间中以气密地密封壳体与气体感测元件之间间隙的粉末填料。粉末填料包含在被填塞到填料空间之前测量时其直径在80μm到5,000μm范围内的颗粒；以及直径为80μm到5,000μm的颗粒的重量百分比相对于粉末填料的总重量等于或者大于80％。
本发明的第一气体传感器具有形成在壳体和气体感测元件之间的填料空间。填料空间填充有包含其尺寸在上述具体范围内的相对大的颗粒。
主要由相对大直径的颗粒组成的粉末填料在其内部不包含太多的残余空气。这种粉末填料的比重可以通过在将粉末填料填塞在填料空间中时简单地增大作用在粉末填料上的压力来很容易地增大。这样，在已经被填塞在填料空间中之后，粉末填料具有高的密度和更高的比重，因此粉末填料能够确保更高的密封性能。
而且，第一气体传感器的粉末填料不包含十分大的颗粒。在填塞粉末填料时不需要在粉末填料上增加非常大的压力。
总之，粉末填料颗粒之间的间隙体积随着粉末填料密度的增大以及比重的增大而减小。高度密集的粉末填料有效地抑制由毛细管作用导致的液体浸入。
本发明提供一种第二气体传感器，它包括壳体；设置在壳体中的气体感测元件；以及填塞在形成于壳体与气体感测元件之间的填料空间中以气密地密封壳体与气体感测元件之间间隙的粉末填料。第二气体传感器的粉末填料包含在粉末填料被填塞到填料空间之前经受分级以去除细颗粒的颗粒。
第二气体传感器的粉末填料的特征在于，具有十分小的直径的细颗粒预先通过分级被去除。
总之，在将粉末填料填塞在填料空间的过程中，粉末填料变形或者塌陷，而在颗粒之间形成间隙。当粉末填料由相对大的颗粒模制时，间隙没有直地或者依次地布置以形成从被测气体环境到空气环境穿过粉末填料的浸入通道。这有效地阻止了包含在被测气体中的汽油或者其它液体泄露到空气环境中。即使间隙串联连接以形成一个曲径，通道的总长度将足够的长以抑制汽油或者其它液体泄露到空气环境中。
但是，如果粉末填料包含具有十分小的直径的细颗粒，细颗粒将沿着大颗粒的接触表面扩散。这有可能损害颗粒之间的接触或结合，并可能形成容易使汽油或其它液体穿过粉末填料的浸入通道。
而且，细颗粒可能局部地集中。在这种情况下，细颗粒将形成不利的捷径，这将破坏曲径并减短曲径的整个长度。阻止液体浸入的能力受到损害。
因此，第二气体传感器使用包含经受分级以去除不利细颗粒的颗粒的粉末填料，因此可以有效地阻止汽油或者其它液体泄露到空气环境中。结果，本发明的第二气体传感器确保了良好密封性能。
本发明提供一种第三气体传感器，它包括壳体；设置在壳体中的气体感测元件；以及填塞在形成于壳体与气体感测元件之间的填料空间中以气密地密封壳体与气体感测元件之间间隙的粉末填料。第三气体传感器的粉末填料包含在粉末填料被填塞到填料空间之前经受分级以去除粗颗粒的颗粒。
第三气体传感器的粉末填料的特征在于，具有十分大的直径的粗颗粒预先通过分级被去除。
在将粉末填料填塞在填料空间的过程中，粉末填料在施加到粉末填料上的压力作用下变形或者塌陷。十分粗的颗粒不容易塌陷。压力不是均匀地施加到填塞在填料空间中的每个颗粒上。这将局部地形成一个具有非常小的比重的部分，该部分可能变成或者发展成使汽油或其它液体穿过粉末填料的浸入通道。
而且，当粉末填料包含十分粗的颗粒时，需要大的压力将粉末填料填塞到填料空间中。这将损坏气体感测元件或其它传感器元件。
从上述可知，本发明的第三气体传感器确保了良好密封性能。
本发明提供一种第四气体传感器，它包括壳体；设置在壳体中的气体感测元件；以及填塞在形成于壳体与气体感测元件之间的填料空间中以气密地密封壳体与气体感测元件之间间隙的粉末填料。第四气体传感器的粉末填料包含辅助填充剂。
根据本发明的第四气体传感器，辅助填充剂被添加到粉末填料中。
辅助填充剂实际上填盖或者填充(即，消除)粉末填料颗粒之间的间隙和颗粒的接触表面。这增大了粉末填料的密度并且提高了颗粒的可结合程度，因此增大了气体传感器的密封性能。
而且，通过添加辅助填充剂基本上消除了粉末填料颗粒之间的间隙可以有效地抑制由毛细管作用导致的液体浸入。
本发明提供一种第五气体传感器，它包括壳体；设置在壳体中的气体感测元件；以及填塞在形成于壳体与气体感测元件之间的填料空间中以气密地密封壳体与气体感测元件之间间隙的粉末填料。不平坦表面层和电极保护层的至少之一设置在气体感测元件的表面上；以及不平坦表面层和电极保护层的至少之一的基端等于填料空间的基端或者相对于填料空间的基端向着气体传感器的末端侧偏移。
按照本发明的第五气体传感器，不平坦表面层或电极保护层设置在气体感测元件的表面上。这些层在气体感测元件的表面上形成粗糙表面结构。当粉末填料填塞在填料空间中时，曲径可沿着不平坦表面或者就在表面层上形成。形成曲径是不利的，因为由毛细管作用导致的液体浸入不能被有效地抑制。
电极保护层一般是由多孔材料形成，因此，被探测的气体能够扩散并且平滑地到达感测电极。多孔层不能抑制由毛细管作用导致的液体浸入。
按照本发明的第五气体传感器，不平坦表面层或电极保护层的基端等于填料空间的基端或者向着气体传感器的末端侧偏移。因此，填塞在填料空间中的粉末填料能够有效地阻止经曲径进入的液体浸入。
本发明提供一种第六气体传感器，它包括壳体；设置在壳体中的气体感测元件；以及填塞在形成于壳体与气体感测元件之间的填料空间中以气密地密封壳体与气体感测元件之间间隙的粉末填料。第六气体传感器的粉末填料包含在粉末填料被填塞到填料空间之前经受分级以去除细和粗颗粒的颗粒。
按照第六气体传感器，十分细和粗的颗粒预先从粉末填料中被去除。因此，在粉末填料被填塞在填料空间中时，压力能够均匀地施加到粉末填料上。粉末填料颗粒均匀地塌陷并且填盖或填充颗粒之间的间隙。
而且，即使在粉末填料中形成有曲径，曲径的总长度足够的长，以阻止汽油或者其它液体浸入空气环境。
所需的压力能够被抑制到相当低的水平。气体感测元件或者其它传感器元件不会被损坏。
因此，第六气体传感器确保了良好密封性能。
本发明提供一种第七气体传感器，它包括壳体；设置在壳体中的气体感测元件；以及填塞在形成于壳体与气体感测元件之间的填料空间中以气密地密封壳体与气体感测元件之间间隙的粉末填料。粉末填料包含在被填塞到填料空间之前测量时其直径在80μm到5,000μm范围内的颗粒；以及直径为80μm到5,000μm的颗粒的重量百分比相对于粉末填料的总重量等于或者大于80％。
本发明提供一种第八气体传感器，它包括壳体；设置在壳体中的气体感测元件；以及填塞在形成于壳体与气体感测元件之间的填料空间中以气密地密封壳体与气体感测元件之间间隙的粉末填料。第八气体传感器的粉末填料包含在被填塞到填料空间之前测量时其直径在80μm到5,000μm范围内的颗粒；直径为80μm到5,000μm的颗粒的重量百分比相对于粉末填料的总重量等于或者大于80％。不平坦表面层和电极保护层的至少之一设置在气体感测元件的表面上。以及，不平坦表面层和电极保护层的至少之一的基端等于填料空间的基端或者相对于填料空间的基端向着气体传感器的末端侧偏移。
本发明提供一种第九气体传感器，它包括壳体；设置在壳体中的气体感测元件；以及填塞在形成于壳体与气体感测元件之间的填料空间中以气密地密封壳体与气体感测元件之间间隙的粉末填料。不平坦表面层和电极保护层的至少之一设置在气体感测元件的表面上。以及，不平坦表面层和电极保护层的至少之一的基端等于填料空间的基端或者相对于填料空间的基端向着气体传感器的末端侧偏移。
本发明提供一种第十气体传感器，它包括壳体；设置在壳体中的气体感测元件；以及填塞在形成于壳体与气体感测元件之间的填料空间中以气密地密封壳体与气体感测元件之间间隙的粉末填料。粉末填料包含在被填塞到填料空间之前测量时其直径在80μm到5,000μm范围内的颗粒；直径为80μm到5,000μm的颗粒的重量百分比相对于粉末填料的总重量等于或者大于80％。不平坦表面层和电极保护层的至少之一设置在气体感测元件的表面上；以及不平坦表面层和电极保护层的至少之一的基端等于填料空间的基端或者相对于填料空间的基端向着气体传感器的末端侧偏移。
本发明提供一种第十一气体传感器，它包括壳体；设置在壳体中的气体感测元件；以及填塞在形成于壳体与气体感测元件之间的填料空间中以气密地密封壳体与气体感测元件之间间隙的粉末填料。辅助填充剂被添加到粉末填料中。第十一气体传感器的粉末填料包含在粉末填料被填塞到填料空间之前经受分级以去除细和粗颗粒的颗粒。
本发明提供一种第十二气体传感器，它包括壳体；设置在壳体中的气体感测元件；以及填塞在形成于壳体与气体感测元件之间的填料空间中以气密地密封壳体与气体感测元件之间间隙的粉末填料。辅助填充剂被添加到粉末填料中。粉末填料包含在粉末填料被填塞到填料空间之前经受分级以去除细和粗颗粒的颗粒。不平坦表面层和电极保护层的至少之一设置在气体感测元件的表面上。以及，不平坦表面层和电极保护层的至少之一的基端等于填料空间的基端或者相对于填料空间的基端向着气体传感器的末端侧偏移。
本发明提供一种第十三气体传感器，它包括壳体；设置在壳体中的气体感测元件；以及填塞在形成于壳体与气体感测元件之间的填料空间中以气密地密封壳体与气体感测元件之间间隙的粉末填料。第十三气体传感器的粉末填料包含在粉末填料被填塞到填料空间之前经受分级以去除细和粗颗粒的颗粒。不平坦表面层和电极保护层的至少之一设置在气体感测元件的表面上。以及，不平坦表面层和电极保护层的至少之一的基端等于填料空间的基端或者相对于填料空间的基端向着气体传感器的末端侧偏移。
在本发明的上述第一传感器中，如果直径为80μm到5,000μm的颗粒的重量百分比相对于粉末填料的总重量小于80％，由于大量小颗粒的存在，粉末填料中将包含大量的残余空气。难于增大粉末填料的密度。也难于获得高度密集的填料。
为了获得最佳的密封性能，理想的是，包含在粉末填料中的所有颗粒的尺寸在80μm到5,000μm的范围内。
如果粉末填料包含大量颗粒尺寸小于80μm的细颗粒，由于大量残余在其中的空气，粉末填料的比重将不会增大很多。这将有损密封性能。
在施加到粉末填料上的压力作用下将粉末填料填塞到填料空间的过程中，粉末颗粒变形或者部分地塌陷以填盖或者填充相对粗的粉末颗粒之间的间隙。如果粉末填料包含大量颗粒尺寸大于5,000μm的粗颗粒，需要十分大的压力以便将粉末填料填塞到填料空间中。使颗粒强制塌陷需要大的压力。这可能损坏或者毁坏气体感测元件或者其它传感器元件。
有关用于将使用在第二和第三气体传感器中的粉末填料的粉末颗粒进行分级的方法，本发明可以采用干筛分级、湿筛分级、利用气流的重力型干式分级、离心干式分级、旋转干式分级、利用液体的沉淀湿式分级、机械湿式分级、以及离心湿式分级。
本发明的气体感测元件包括固态电解体和设置在固态电解体上的一对电极。
一个电极暴露在被测气体环境中，另一个电极暴露在空气(即，参比气体)环境中。
填塞在填料空间中的粉末填料位于分隔分别形成在气体传感器中的被测气体环境和空气环境的一个部分上。
例如，本发明的气体感测元件具有杯形固态电解体、设置在固态电解体的外表面上的外侧电极、以及设置在固态电解体的内表面上的内侧电极。
替代地，本发明的气体感测元件能够形成一个多层结构，该多层结构由带有设置在其表面上的电极以及绝缘板的固态电解板组成。
除了粉末填料，理想地是采用玻璃密封材料或者任何其它密封部件以确保壳体和气体感测元件之间的密封性。
不用说，这种结构能够适用于包括多层气体传感器的任何其它气体传感器。
例如，本发明的气体感测元件用于测量包含在被测气体中的氧气浓度。当气体传感器被安装在机动车发动机的排气通道中时，本发明的气体感测元件是一个能够测量空气燃料比、或者废气中的NOX、CO、或HC的浓度的元件。
根据本发明的第一气体传感器，优选地是，粉末填料包含在被填塞到填料空间之前测量时其直径在100μm到1,000μm范围内的颗粒，并且直径为100μm到1,000μm的颗粒的重量百分比相对于粉末填料的总重量等于或者大于80％。
采用重量百分比等于或者大于80％、直径为100μm到1,000μm的颗粒，可以增大粉末填料的比重。因此，可以获得可靠的密封性能。
如果粉末填料包含大量颗粒尺寸小于100μm的颗粒，由于大量残余在其中的空气，粉末填料的比重将不会增大很多。这将有损密封性能。
而且，如果粉末填料包含大量颗粒尺寸大于1,000μm的颗粒，颗粒的填充状态将不均匀。当粉末填料被填塞到填料空间中时，难于对粉末填料的相应颗粒给予足够的压力。这将有损密封性能。
而且，为了获得更良好密封性能，优选地是，第一气体传感器的粉末填料包含在被填塞到填料空间之前测量时其直径在125μm到710μm范围内的颗粒；并且直径为125μm到710μm的颗粒的重量百分比相对于粉末填料的总重量等于或者大于80％。
采用相对更大的粉末颗粒能够有效地减少粉末填料中的残余空气。
而且，压力被均匀地施加到粉末填料的每一颗粒上。被模制的粉末填料的比重将均匀地增大。这将确保更高的密封性能。
而且，填塞粉末填料所需的压力相对较低。
而且，优选地，经受分级之后的第二气体传感器的粉末填料包含直径等于或者小于80μm的细颗粒按照重量百分比相对于粉末填料的总重量等于或者小于10％。
由于这种安排，十分细的颗粒通过分级被充分地去除。可以提高粉末颗粒的可粘合性。这消除了具有非常小的比重的部分，该部分可能变成或者发展成使汽油或者其它液体穿过粉末填料的浸入通道。
而且，优选地，经受分级之后的第二气体传感器的粉末填料包含直径等于或者小于100μm的细颗粒按照重量百分比相对于粉末填料的总重量等于或者小于10％。
由于这种安排，十分细的颗粒通过分级进一步被充分地去除。可以提高粉末颗粒的可粘合性。这肯定消除了具有非常小的比重的部分，该部分可能变成或者发展成使汽油或者其它液体穿过粉末填料的浸入通道。
而且，优选地，经受分级之后的第二气体传感器的粉末填料包含直径等于或者小于125μm的细颗粒按照重量百分比相对于粉末填料的总重量等于或者小于10％。
由于这种安排，十分细的颗粒通过分级进一步被充分地去除。可以提高粉末颗粒的可粘合性。这肯定消除了具有非常小的比重的部分，该部分可能变成或者发展成使汽油或者其它液体穿过粉末填料的浸入通道。
而且，经受分级之后的第三气体传感器的粉末填料包含直径等于或者大于5,000μm的粗颗粒按照重量百分比相对于粉末填料的总重量等于或者小于10％。
由于这种安排，当粉末填料填塞到填料空间中时施加到粉末填料上的压力能够被抑制到较低水平。不会对气体感测元件或者其它传感器元件造成损坏。具有该比粒度的颗粒变形或者充分塌陷以形成具有良好密封性能的粉末填料。这消除了使汽油或者其它液体穿过粉末填料的浸入通道。
而且，优选地，经受分级之后的第三气体传感器的粉末填料包含直径等于或者大于1,000μm的粗颗粒按照重量百分比相对于粉末填料的总重量等于或者小于10％。
由于这种安排，可以去除几乎所有的粗颗粒。当粉末填料填塞到填料空间中时施加到粉末填料上的压力能够被抑制到较低水平。不会对气体感测元件或者其它传感器元件造成损坏。具有该比粒度的颗粒变形或者充分塌陷以形成具有良好密封性能的粉末填料。这消除了使汽油或者其它液体穿过粉末填料的浸入通道。
而且，优选地，经受分级之后的第三气体传感器的粉末填料包含直径等于或者小于710μm的粗颗粒按照重量百分比相对于粉末填料的总重量等于或者小于10％。
由于这种安排，可以基本上去除几乎所有的粗颗粒。当粉末填料填塞到填料空间中时施加到粉末填料上的压力能够被抑制到较低水平。不会对气体感测元件或者其它传感器元件造成损坏。具有该比粒度的颗粒确定地变形或者充分塌陷以形成具有良好密封性能的粉末填料。这消除了使汽油或者其它液体穿过粉末填料的浸入通道。
根据本发明的第一到第三气体传感器，优选地是，填料空间的轴向长度在1.5mm到15mm的范围内。
这种结构使得良好的密封性能能够阻止经气体感测元件和粉末填料之间的界面或者壳体与粉末填料之间的界面进入的液体以及穿过粉末进入的液体的浸入。
如果粉末填料的轴向长度小于1.5mm，粉末填料将不能获得充足的强度。当气体传感器由于运行温度变化而经受巨大的热应力时，在变硬的填料中可能出现裂缝。所形成的裂缝将导致液体浸入。
如果粉末填料的轴向长度大于15mm，当粉末填料被填塞到填料空间中时，大的摩擦力将作用到粉末填料与气体感测元件之间的界面以及粉末填料与壳体之间的界面上。这使得难于均匀地将压力负载施加到粉末填料上。比重将局部地分散。具有相对低比重的部分难于阻止液体浸入。
填料空间的轴向长度定义为沿着气体感测元件的轴向方向从填料空间的末端到填料空间的基端的垂直(即，轴向)距离。
根据本发明的第一到第三气体传感器，优选地是粉末填料包含滑石和氮化硼中的至少一种按照重量百分比为50％或者更多。
采用上述的粉末填料的优点在于，当粉末填料填塞到填料空间中时，包含在粉末填料中的鳞片状颗粒形成层状结构。包含鳞片状颗粒的粉末填料的比重与包含球状颗粒的粉末填料的比重相比变高。这将有效地消除穿过粉末填料的渗透通道，从而阻止汽油或者其它液体的浸入。
而且，鳞片状颗粒能够密集地填充粉末填料与气体感测元件之间的间隙以及粉末填料与壳体之间的间隙。
尤其是，滑石粉是由鳞片状颗粒组成的层状化合物。当压力施加到滑石粉上时，滑石粉沿着分层方向裂开，而不会破坏滑石的鳞片状颗粒的层状结构。滑石粉是足够的软以填盖由裂开导致的间隙。更具体地，滑石的鳞片状颗粒掺杂并且密集地填充填料空间。比重能够被增大以确保良好密封性能。
如果滑石和氮化硼中的至少一种含量小于50％，鳞片状颗粒的层状结构将不会充分地变形。这将使得汽油或者其它液体能够容易地穿过粉末填料。
根据本发明的第四气体传感器，辅助填充剂被添加到粉末填料中。在这种情况下，也可以添加其它材料。
例如，少量的氧化铝粉被添加到粉末填料中。氧化铝粉填盖或者填充粉末填料颗粒之间的间隙。
也可以添加尖晶石、氧化锆、氧化钛和石英。
按照本发明的第四气体传感器，优选地是辅助填充剂是无机化合物水溶液，在室温(20℃)下是液态。
由于其液体特性，无机化合物水溶液能够流畅和有效地填盖或者填充粉末填料颗粒之间的间隙。粉末填料能够变得高度地稠密以获得良好密封性能。
在这种情况下，本发明第四气体传感器的液体辅助填充剂包括从一代磷酸铝水溶液、硅酸钠水溶液和硅酸钾水溶液组成的一组水溶液中选择的至少一种。
尤其是，为了获得良好密封性能，优选地是液体辅助填充剂包括一代磷酸铝水溶液。
而且，优选地是第四气体传感器的液体辅助填充剂(在室温20℃下是液态)的添加量相对于粉末填料的100个重量部分在从0.1到10个重量部分的范围内。
如果液体辅助填充剂的添加量小于0.1个重量部分，难于完全地填盖或者填充粉末填料颗粒之间的间隙。粉末填料的稠密度不能令人满意。
另一方面，如果液体辅助填充剂的添加量大于10个重量部分，由于大量液体的存在，难于将粉末填料的比重增大到所需水平。这将导致密封性能降低。
可替代地，优选地是第四气体传感器的辅助填充剂是可在600℃或者更低温度下液化的固态无机化合物。
在固态无机化合物被填塞到填料空间中之后，在运行过程中通过热处理或者当气体传感器被加热到该温度水平时，固态无机化合物被液化。液化的固态无机化合物流畅和有效地填盖或者填充粉末填料颗粒之间的间隙。粉末填料能够变得高度地稠密以获得良好密封性能。
在这种情况下，优选地本发明第四气体传感器的固态无机化合物包括从氢氧化钡、硼硅玻璃、铝硅玻璃、钠钙玻璃(soda-lime silicate glass)、硅酸铅玻璃、低熔点硼酸盐玻璃、钙铝类玻璃(lime-alumino group glass)、铝酸盐玻璃组成的一组物质中选择的至少一种。
上述材料在相对低的温度被液化。
因此，相对低温度的热处理被作用到粉末填料上以使固态无机化合物液化。对壳体、气体感测元件、和气体传感器的其它元件没有不利的热影响。
优选地，第四气体传感器的固态辅助填充剂的添加量相对于粉末填料的100个重量部分在从0.5到30个重量部分的范围内。
当固态辅助填充剂的添加量在上述范围内时，粉末填料能够被高度地密集。
如果固态辅助填充剂的添加量小于0.5个重量部分，难于完全地填盖或者填充粉末填料颗粒之间的间隙。在粉末填料中将形成一个浸入通道。包含在被测废气中的汽油或者其它液体将通过这样形成的浸入通道渗透到粉末填料中。
如果固态辅助填充剂的添加量大于30个重量部分，由于添加的辅助填充剂的剩余，粉末填料的稠密度将是相当地差。
本发明的第五气体传感器具有形成在气体感测元件的表面上的不平坦表面层和电极保护层的至少之一。
不平坦表面层设置在构成气体感测元件的固态电解体的表面上。电极保护层覆盖形成在固态电解体表面上的电极。
设置不平坦表面层可以有效地提高电极和电极保护层之间的附着性。电极保护层的功能是保护电极免受包含在被测气体中的有毒物质。
电极保护层是由多孔材料制成，它可以使被测气体穿过或者通过该层到达电极。
可以在气体感测元件上仅提供不平坦表面层和电极保护层之一。还可以在气体感测元件上提供不平坦表面层和电极保护层。
根据本发明的第五气体传感器，优选地是不平坦表面层和电极保护层的至少之一相对于填料空间的基端向着气体传感器的末端侧偏移0.5mm或者更多。
满足这个条件使得可以阻断位于填料空间基端侧的浸入通道。这样，包含在废气中的汽油或者其它液体能够确定地被阻止经浸入通道穿过粉末填料泄露到空气环境中。
如果偏移量小于0.5mm，密封性能将稍微降低。
偏移量的下限是0mm。
在第五气体传感器中优选地是，不平坦表面层和所述电极保护层的至少之一的基端等于填料空间的末端或者相对于填料空间的末端向着气体传感器的末端侧偏移。
满足这个条件将优选地消除粉末填料与气体感测元件之间的界面上的浸入通道。粉末填料的密封性能能够显著地提高。
通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述和其它目的、特征以及优点将变得更加明显，其中图1是一个垂直横截面图，显示了根据本发明一个优选实施例的气体传感器；图2是一个放大的垂直示意图，显示了根据本发明优选实施例的气体传感器的基本结构；图3A、3B和3C是解释用于测试汽油密封特性的方法的示意图；图4是一个时间图，显示了在汽油密封特性测试过程中传感器输出与监测时间之间的关系；图5是显示模制的粉末填料与颗粒大小类型之间的关系的图表；图6是一个显示根据本发明的气体传感器的填料空间的轴向长度L、填料空间中的不均匀表面层的轴向长度M、和电极保护层的轴向长度N之间的尺寸关系的示意图；图7是一个显示气体传感器的示意图，作为本发明的一个优选实施例，该气体传感器的尺寸特征在于M＝N＝0；
图8是一个显示气体传感器的示意图，作为本发明的一个优选实施例，该气体传感器的尺寸特征在于M＝N＝-1mm；图9是一个显示气体传感器的示意图，作为本发明的一个优选实施例，该气体传感器的尺寸特征在于N＝0；图10是一个显示气体传感器的示意图，作为本发明的一个优选实施例，该气体传感器的尺寸特征在于N＝0并L＝M；以及图11是一个显示气体传感器的示意图，作为本发明的一个优选实施例，该气体传感器没有不均匀的表面层并且其尺寸特征在于N＝0。
具体实施例方式
以下将参照附图详细描述本发明的优选实施例。所有附图中，相同的部件用同一标号表示。
第一实施例图1和2显示了根据本发明第一实施例的气体传感器1。传感器1包括壳体10、设置在壳体10内侧空间中的气体感测元件2、以及限定在壳体10和气体感测元件2之间的填料空间14。填料空间14中装填有粉末填料，粉末填料气密地密封壳体10与气体感测元件2之间的环形间隙。
在被填塞在填料空间之前测量时，粉末填料包括直径(即，颗粒大小)在从80μm到1,000μm范围内的颗粒。直径为80～1,000μm的颗粒的重量百分比相对于粉末填料的总重量等于或大于80％。
根据本发明第一实施例的气体传感器是一个空气燃料比传感器，它安装在机动车发动机的排气通道中以控制发动机的燃烧。
示于图1中的壳体10是金属圆柱形壳体。气体感测元件2插入壳体10的内侧空间中。被测气体侧盖11安装到壳体10的末端。大气侧盖12设置在壳体10的基端。在图1中，气体传感器1的下侧称作末端侧，气体传感器1的上侧称作基端侧。
被测气体侧盖11由内侧盖111和外侧盖112组成，内侧盖111和外侧盖112相互配合形成双层结构。内侧盖111和外侧盖112分别设置有多个气体引入孔119。被测气体经气体引入孔119从气体传感器1外侧被引入被测气体侧盖11中，以形成被测气体环境110。
外侧盖121设置在大气侧盖12的基端侧。疏水填料122位于外侧盖121和大气侧盖12之间，大气侧盖12和外侧盖121在面对疏水填料122的部分设置有多个空气引入孔129。空气经空气引入孔129被引入到大气侧盖12中以形成空气环境120。
气体感测元件2包括一个杯形固态电解体20。尽管未显示在附图中，一对外侧和内侧电极分别设置在固态电解体20的外内表面上。在固态电解体20中设置有一个大气室200。大气室200与空气环境120连通。
固态电解体20具有如图2所示的不平坦或者不规则的表面层203。而且，设置有防止扩散层(未示出)和电极保护层205以覆盖形成在固态电解体20上的外侧电极(未示出)。
气体感测元件2的固态电解体20包括从其外表面沿着径向向外的方向凸出的凸出部分201。壳体10具有从其内表面沿着径向向内的方向凸出的接收部分101。固态电解体20的凸出部分201被壳体10的接收部分101所接收。金属衬垫13设置在凸出部分201的下部表面和接收部分101之间。换句话说，固态电解体20在凸出部分201的下部表面处通过金属衬垫13安装在壳体10的接收部分101上。
填料空间14形成在固态电解体20的凸出部分210的上部表面和壳体10的内表面之间。填料空间14填充有包含辅助填充剂的粉末填料。绝缘体15设置在固态电解体20的外表面与壳体10的内表面之间的环形间隙中。绝缘体15位于填塞在填料空间14中的粉末填料上。
堵缝金属环161设置在绝缘体15的上端。壳体10的基(即，上)端102沿着堵缝金属环161被径向向内地填堵。绝缘体15因此通过壳体10的上部被牢固地固定，从而塞住填塞在填料空间14中的粉末填料。
而且，气体感测元件2的端子211在大气侧盖12中延伸。端子211通过金属连接器212连接到引线213上。金属连接器212设置在大气侧盖12中。引线213从气体传感器1伸出。大气侧绝缘体221设置在大气侧盖12内的中间部分。弹性绝缘部件222设置在大气侧盖12内的基端。加热器29设置在杯形固态电解体20的大气室200中。
上述粉末填料是滑石粉。滑石是一种粘土矿物，其天然原料主要包含Mg3Si4O10(OH)2。使用在该实施例中的滑石粉包含颗粒大小在80μm至1,000μm范围内的颗粒的重量百分比为80％或者更多。
该实施例的填料空间14按照如下方式制造。
首先，将金属衬垫13和气体感测元件2依次放入壳体10的内部空间中并且放置在如图所示的位置上。同时，滑石粉末填料被预先模制成环形形状。
接着，滑石粉末填料被放入气体感测元件2与壳体10之间的环形间隙中。
随后，预定压力从气体传感器1的基端侧(即，上端侧)沿着轴向方向被施加到滑石粉末填料上，直到滑石粉末填料在填料空间14中变硬。
接着，绝缘体15和堵缝金属环161从气体传感器1的基端侧(即，上端侧)被依次放置在变硬的粉末填料上。然后，壳体10的基(即，上)端102沿着堵缝金属环161被径向向内地填堵。
有关获得环形形状的滑石粉的预先模制作业，在滑石粉被放置在环形模之间之前，合适量的水被加入到滑石粉中以提高模制填料的形状可保持性。一个压床通过模将压力施加到滑石粉上，以便将滑石粉模制成环形粉末填料。
如果需要，优选地可以在完成预先模制作业之后或者在将模制粉末填料安装在壳体10中之后干燥包含在粉末填料中的水分。
有关将滑石粉末填料安装在壳体10中，也可以通过跳过预先模制作业直接地将滑石粉供给到壳体10中。
如图2所示，不平坦表面层203形成在气体感测元件2的固态电解体20上。不平坦表面层203从固态电解体20的末端延伸到固态电解体20的凸出部分201。设置有外侧电极(未示出)以覆盖不平坦表面层203。
填料空间14的轴向长度L和不平坦表面层203的轴向长度M按照如下方式调整。
填料空间14的轴向长度L定义为沿着气体感测元件2的轴向方向从填料空间14的末端到填料空间14的基端的垂直(即，轴向)距离。
不平坦表面层203的轴向长度M定义为从不平坦表面层203的基端(即，上端)到填料空间14的末端(即，下端)的垂直(即，轴向)距离。
按照图2所示实施例，L是3.5mm，M是2.5mm。
根据本发明第一实施例的气体传感器具有如下功能和效果。
该实施例的气体传感器1具有限定在壳体10与气体感测元件2之间的填料空间14。填料空间14填充有粉末填料，粉末填料包含其大小在上述具体范围内的相对大的颗粒。
主要由大直径颗粒组成的粉末填料在其内部不包含很多空气。粉末填料的比重可以通过在将粉末填料填塞在填料空间14中时简单地增加作用在粉末填料上的压力来很容易地增大。因此，在已经被填塞在填料空间14中之后，粉末填料具有高密度和更高的比重，粉末填料因而具有更高的密封性能。
通常，粉末填料颗粒之间的间隙(体积)随着粉末填料密度的增大以及随着比重的增大而减小。高度密集的粉末填料有效地抑制了由毛细管作用引起的液体浸入。
液体组分不能渗透或者通过壳体10与气体感测元件2之间的间隙。该实施例的气体传感器1具有良好的气密性。
该实施例的气体传感器被安装在机动车发动机的排气通道中以控制发动机的燃烧。从发动机排出的被测气体包含汽油。由于高度密集的粉末填料填塞在填料空间14中，该实施例的气体传感器阻止汽油经过填料空间14泄露到空气环境20中。
粉末填料是由滑石制成。滑石粉是由鳞片状的颗粒构成的层状化合物。当压力施加到滑石粉上时，滑石粉沿着分层方向裂开，而不会破坏滑石鳞片状颗粒的层状结构。滑石粉是足够的软从而能够填盖裂开所导致的间隙。更具体地，滑石鳞片状颗粒掺杂并密集地填充填料空间。比重能够被增大以确保良好的密封性能。
而且，优选地向粉末填料添加辅助填充剂。添加的辅助填充剂流畅地进入粉末填料颗粒之间的间隙中并且有效地填盖或者填充间隙。填料空间14中的粉末填料密度优选地被增大。
例如，辅助填充剂是一代磷酸铝(aluminum primary phosphate)，它是包含晶态水的液态化合物。当压力施加到粉末填料上时，一代磷酸铝流畅地进入粉末填料颗粒之间的间隙中并且沿着粉末填料的颗粒延伸。因此，一代磷酸铝有效地填盖或者填充粉末填料颗粒之间的间隙。因而，可以增大填料空间14中的粉末填料密度。
有关滑石粉与辅助填充剂的混合，混合作业按照如下方式进行。
滑石粉和辅助填充剂分别被称重。将辅助填充剂添加到滑石粉中。合适量的水也被添加到滑石粉中。随后，滑石粉和辅助填充剂在旋转混合机中以合适速度被均匀地混合，以便不会破坏滑石粉颗粒。随后，滑石粉如上所述地被模制成环形填料。
可替代地，可预先将合适量的水加到辅助填充剂中。随后，当滑石粉在旋转混合机中被转动时，加水的辅助填充剂被喷到滑石粉上。加水的辅助填充剂与滑石粉按照这种方式的混合是很有效的，以便能够快速地完成滑石粉与辅助填充剂的混合作业，而不会破坏滑石粉颗粒。
按照上述实施例的粉末填料的密封性能的测量按照如下方式被检测。
首先，如图3A所示，气体传感器1被保持直立，使气体传感器1的基端朝下。接着，被测气体侧盖的外表面被密封胶带41所隐蔽。
随后，如图3B所示，通过采用合适的注射器42将少量(0.5cc)的汽油注射到被测气体侧盖中。在完成汽油的注射之后，气体传感器1被放置预定时间。随后，取下密封胶带41。剩余汽油被从被测气体侧盖排出，如图3C所示。
在这种状态下，13.5V的电压被施加到气体传感器1中的加热器上两个小时，以监测气体传感器1的输出变化。
图4是一个时间图，显示了在两个小时的监测过程中气体传感器1的被测输出。
正如从图4中所理解的，传感器输出在两个小时监测的开始是固定的。但是，在两个小时监测的大约三分之一(约40分钟)过去之后，传感器输出突然地下降。随后，传感器输出保持在相当低的水平一段时间。接着，在相当一段时间过去之后(即，在对应于两个小时监测的大约三分之二的时间时)，传感器输出恢复到初始水平。
在图4中，“x”表示传感器输出低于初始水平一个量“z”的点，而“y”表示点“x”被测量时的时间。
在随后的气体传感器样品评价中，◎表示已经导致小于0.05V的输出损失的气体传感器样品，○表示已经导致在0.05V到0).1V范围内的输出损失的气体传感器样品，×表示已经导致大于0.1V的输出损失的气体传感器样品。
具有所示小的输出损失的气体传感器样品被认为在它们的粉末填料处对汽油具有良好密封性能。相反，已经导致大的传感器输出损失的气体传感器样品被认为在它们的粉末填料处对汽油具有较差密封性能。
总共准备了25个样品，样品#1至样品#25来评价根据本发明上述实施例的气体传感器的性能。
表1和表2显示了包含在每个样品的粉末填料中的颗粒直径的分布。附属于某些粉末填料的标号P1至P11表示颗粒大小分布的类型。
类型P1和P2的颗粒尺寸太小。另一方面，类型10的颗粒尺寸太大。换句话说，类型P1、P2和P3并不满足粉末填料包含直径为80～5,000μm的颗粒的重量百分比为80％或者更多这个条件。
类型P11具有从小颗粒尺寸到大颗粒尺寸的广泛排列的颗粒尺寸分布。类型P11满足粉末填料包含直径为80～5,000μm的颗粒的重量百分比为80％或者更多这个条件。
气体传感器样品#18至#25的粉末填料被分成类型P6。气体传感器样品#1至#23的粉末填料是由滑石制成。气体传感器样品#24和#25的粉末填料是由滑石与矾土的混合物制成。
表2总结了显示在表1中的气体传感器样品#1至#25的测量结果。
从表1和2可以看出，气体传感器样品#1和#2被分成具有太小颗粒尺寸的类型P1和P2。气体传感器样品#1和#2在设置于填料空间中的粉末填料处具有较差的汽油密封性能，因此导致较大的传感器输出减小。而且，气体传感器样品#16被分成具有太大颗粒尺寸的类型P10。气体传感器样品#16在设置于填料空间中的粉末填料处具有较差的汽油密封性能，因此导致较大的传感器输出减小。
从以上描述可以证实，当粉末填料包含的颗粒其尺寸(即，直径)在被填塞在填料空间之前测量时在80μm至5,000μm的范围内、并且颗粒尺寸为80～5,000μm的颗粒相对于粉末填料的总重量的重量百分比为80％或者更多时，可以确保气体传感器具有良好密封性能。
而且，类型P4到P7(从气体传感器样品#4到#13)的特征在于，粉末填料包含的颗粒其尺寸(即，直径)在被填塞在填料空间之前测量时在100μm至1,000μm的范围内，并且颗粒尺寸为100～1,000μm的颗粒相对于粉末填料的总重量的重量百分比为80％或者更多。被分成类型P4至P7的气体传感器样品被评价为在它们的粉末填料处具有良好汽油密封性能(在表2中由◎表示)。
而且，气体传感器样品#18至#25被分成类型P6。气体传感器样品#18的填料空间的轴向长度较短(1mm)。气体传感器样品#18已经显示具有相对大的传感器输出减小，尽管评价不是很差(○)。
气体传感器样品#19至#22已经显示了良好的汽油密封性能(◎)，尽管它们在填料空间的轴向长度上相互不同。
气体传感器样品#23的粉末填料是由氮化硼制成。气体传感器样品#23已经显示了良好的汽油密封性能(◎)。气体传感器样品#24和#25的粉末填料分别是由滑石和矾土的混合物制成。气体传感器样品#25已经显示具有相对大的传感器输出减小。
从上述测量结果可以证实，传感器输出多少受到填料空间的轴向长度以及粉末填料的原料的影响。由滑石或者氮化硼制成的粉末填料给气体传感器带来良好的汽油密封性能。
表1
表2
接着，通过按照如下方式评价几个气体传感器样品来检测从粉末填料中去除细颗粒的影响。
气体传感器样品#99具有包括许多颗粒的粉末填料，颗粒尺寸从“小于80μm”到“大于5,000μm”。气体传感器样品#99不受任何分级。
气体传感器样品#100至#103具有经受干筛分级的粉末填料，其中，对于相应的样品#100至#103网目尺寸设定为40μm、80μm、100μm和125μm。通过筛分，细颗粒被从相应粉末填料中去除。结果，气体传感器样品#100至#103包含的细颗粒的重量百分比小于气体传感器样品#99的细颗粒的重量百分比。
气体传感器样品#104具有经受离心气流分级以去除80μm或者更小细颗粒的粉末填料。
气体传感器样品#105具有经受离心湿式分级以去除80μm或者更小细颗粒的粉末填料。
表3显示了相应测试的气体传感器样品#99至#105的颗粒分布、分级方法、评价结果、以及颗粒尺寸分布类型。
由于大量细颗粒的存在，气体传感器样品#99具有较差的汽油密封性能，因此导致大的传感器输出损失。
其它的气体传感器样品#100至#105具有相对好的汽油密封性能(评价为○或者◎)。从这个事实可以证实，去除细颗粒可以有效地获得具有良好汽油密封性能的粉末填料。
从气体传感器样品#100与其它样品#101至#105的比较可以看出，去除颗粒尺寸为80μm或者更小的细颗粒可以非常有效地提高汽油密封性能。
表3
接着，通过按照如下方式评价几个气体传感器样品来检测从粉末填料中去除粗颗粒的影响。
气体传感器样品#106具有包括许多颗粒的粉末填料，颗粒尺寸从“小于80μm”到“大于5,000μm”。气体传感器样品#106不受任何分级。
气体传感器样品#107至#109具有经受干筛分级的粉末填料，其中，对于相应的样品#107至#109网目尺寸设定为5,000μm、1,000μm、和710μm。通过筛分，粗颗粒被从相应粉末填料中去除。结果，气体传感器样品#107至#109包含的粗颗粒的重量百分比小于气体传感器样品#1069的粗颗粒的重量百分比。
气体传感器样品#110具有经受离心气流分级以去除810μm或者更大粗颗粒的粉末填料。
气体传感器样品#111具有经受离心湿式分级以去除1,000μm或者更大粗颗粒的粉末填料。
表4显示了相应测试的气体传感器样品#106至#110的颗粒分布、分级方法、评价结果、以及颗粒尺寸分布类型。
由于大量粗颗粒的存在，气体传感器样品#106具有较差的汽油密封性能，因此导致大的传感器输出损失。
其它的气体传感器样品#107至#111具有相对好的汽油密封性能(评价为○或者◎)。从这个事实可以证实，去除粗颗粒可以有效地获得具有良好汽油密封性能的粉末填料。
从气体传感器样品#107与其它样品#108至#111的比较可以看出，去除颗粒尺寸为5,000μm或者更大的粗颗粒可以非常有效地提高汽油密封性能。
表4
按照如下方式来评价几种辅助填充剂。
如表5所示，使用在性能测试中的粉末填料是滑石粉。对于气体传感器样品#26至#32来说，辅助填充剂是一代磷酸铝水溶液。对于气体传感器样品#33至#37来说，辅助填充剂是硅酸钠水溶液。对于气体传感器样品#38至#42来说，辅助填充剂是硅酸钾水溶液。对于气体传感器样品#43来说，辅助填充剂是一代磷酸铝水溶液和硅酸钠水溶液的混合物。对于气体传感器样品#44来说，辅助填充剂是一代磷酸铝水溶液和硅酸钾水溶液的混合物。所有被测试的辅助填充剂是无机化合物水溶液，在室温(20℃)下是液态。
在该表中，每种辅助填充剂的添加量按照相对于粉末填料的100个重量部分的重量部分来表示。
从表5可以看出，在采用一代磷酸铝水溶液的气体传感器样品#26至#32中，气体传感器样品#27至#31由于各自显示了一个小的传感器输出减小而评价为优良(◎)。气体传感器样品#26和#32显示了一个相对大的传感器输出减小，尽管评价不是较差(○)。
在采用硅酸钠水溶液的气体传感器样品#33至#37中，气体传感器样品#35和#36由于各自显示了一个小的传感器输出减小而评价为优良(◎)。气体传感器样品#34也显示了良好性能，尽管它比气体传感器样品#35和#36差。其余的气体传感器样品#33和#37显示了一个相对大的传感器输出减小，尽管评价不是较差(○)。
在采用硅酸钾水溶液的气体传感器样品#38至#43中，气体传感器样品#40和#41由于各自显示了一个小的传感器输出减小而评价为优良(◎)。气体传感器样品#39也显示了良好性能，尽管它比气体传感器样品#40和#41差。其余的气体传感器样品#38和#42显示了一个相对大的传感器输出减小，尽管评价不是较差(○)。
从显示在表5中的评价结果可以看出，一代磷酸铝、硅酸钠和硅酸钾是能够使粉末填料具有良好汽油密封性能的优选辅助填充剂。在压力施加到粉末填料上时，液态辅助填充剂能够流畅地进入颗粒间隙以获得高度密集的填料。
而且，从表5中可以明显看出，辅助填充剂的优选添加范围在从0.1到10个重量部分的范围内。
气体传感器样品#43的辅助填充剂包含按照1∶1的重量部分比的一代磷酸铝水溶液和硅酸钠水溶液。气体传感器样品#44的辅助填充剂包含按照1∶1的重量部分比的一代磷酸铝水溶液和硅酸钾水溶液。气体传感器样品#43和#44都显示了良好性能。
这样，优选地使用不同类型的添加剂的混合物作为粉末填料的辅助填充剂。
表5
类似地，按照如下方式来评价其它几种辅助填充剂。
如表6所示，使用在性能测试中的粉末填料是滑石粉。对于气体传感器样品#45至#49来说，辅助填充剂是氢氧化钡。对于气体传感器样品#50来说，辅助填充剂是硼硅玻璃。对于气体传感器样品#51来说，辅助填充剂是铝硅玻璃。对于气体传感器样品#52来说，辅助填充剂是钠钙玻璃。对于气体传感器样品#53来说，辅助填充剂是硅酸铅玻璃。对于气体传感器样品#54来说，辅助填充剂是低熔点硼酸盐玻璃。对于气体传感器样品#55来说，辅助填充剂是钙铝类玻璃。对于气体传感器样品#56来说，辅助填充剂是铝酸盐玻璃。所有被测试的辅助填充剂是固态无机化合物，在600℃或者更低的温度下可液化。
在该表中，每种辅助填充剂的添加量按照相对于粉末填料的100个重量部分的重量部分来表示。
从表6可以看出，在采用氢氧化钡的气体传感器样品#45至#49中，气体传感器样品#46至#48由于各自显示了一个小的传感器输出减小并因此具有良好的汽油密封性能而特别地评价为优良(◎)。气体传感器样品#45和#49显示了一个相对大的传感器输出减小，尽管评价不是较差(○)。换句话说，添加太多或者太少的辅助填充剂不能优选地获得良好性能。
而且，采用不同的无机化合物的其余气体传感器样品#50至#57由于各自显示了一个小的传感器输出减小并因此具有良好的汽油密封性能而特别地评价为优良(◎)。
表6
图5显示了通过增大作用到粉末原料上的压力模制的被测试粉末填料的比重分布。
从上述表1可以明显看出，类型P1表示主要集中在非常小的直径上的颗粒尺寸分布。与其它类型相比，类型P1的粉末填料具有较小的比重。相应地，如果类型P1的粉末填料被填塞在填料空间中时，气体传感器将具有较差的汽油密封性能。相反，分成类型P3、P6和P7的粉末填料具有更高的比重。如果类型P3、P6和P7的粉末填料被填塞在填料空间中时(参照表1和2)，气体传感器将具有良好的汽油密封性能。
图6至11是解释填料空间14的轴向长度与不平坦表面层203或者电极保护层205之间的位置关系的示意图。
如图6至11所示，不平坦表面层203设置在固态电解体20的外表面上。结果图中没有示出，广泛地设置有外侧电极以覆盖不平坦表面层203。图11显示了没有不平坦表面层的气体传感器。
在图6至11的每一个图中，填料空间14设置在固态电解体20与壳体20之间。长度L表示填料空间14的轴向长度，它沿着轴向方向从末端(即，下端)141延伸到基端(即，上端)142。
长度M表示在填料空间14中的不平坦表面层203的轴向长度。长度M定义为从不平坦表面层203的基端(即，上端)到填料空间14的末端(即，下端)141的垂直(即，轴向)距离。
类似地，N表示表示在填料空间14中的电极保护层205的轴向长度。长度N定义为从电极保护层205的基端(即，上端)到填料空间14的末端(即，下端)141的垂直(即，轴向)距离。
图6显示了尺寸特征为L＞M＞N的气体传感器。
图7显示了尺寸特征为M＝N＝0并且L＝4mm的气体传感器。不平坦表面层203的基端(即，上端)和电极保护层205的基端(即，上端)与填料空间14的末端(即，下端)相同。
图8显示了尺寸特征为M＝N＝-1并且L＝4mm的气体传感器。在这种情况下，不平坦表面层203的基端(即，上端)和电极保护层205的基端(即，上端)低于填料空间14的末端(即，下端)141偏移1mm。如图8所示，填料空间14的末端141在高度方向上是起点。基端侧(即，上侧)相对于起点表示为正(+)值，而末端侧(即，下侧)相对于起点表示为负(-)值。
图9显示了尺寸特征为N＝0mm、L＝4mm并且M＝3.5mm的气体传感器。不平坦表面层203的基端(即，上端)低于填料空间14的基端(即，上端)142偏移距离P为0.5mm。
图10显示了尺寸特征为N＝0mm并且L＝M＝4mm的气体传感器。不平坦表面层203完全延伸到填料空间14的基端(即，上端)142。
图11显示了没有不平坦表面层并且尺寸特征为L＝4mm、N＝0mm的气体传感器。电极保护层205的基端(即，上端)与填料空间14的末端(即，下端)141相同。
气体传感器的性能与不平坦表面层和电极保护层的轴向长度的关系被评价。
如表7所示，所有被测试的气体传感器样品#57至#70在不平坦表面层和电极保护层的尺寸上不同，尽管这些样品#57至#70具有同样轴向长度4mm。
气体传感器样品#60、#64和#67被评价为具有差的性能。
气体传感器样品#60具有5mm的不平坦表面层，它从填料空间的基端(即，上端)向上凸出。在这种情况下，由于表面粗糙度，不平坦表面层起着浸入通道的作用(主要是由微孔和间隙组成)，它使液体(汽油)穿过粉末填料进入空气环境。
气体传感器样品#64具有6mm的电极保护层，它从填料空间的基端(即，上端)向上凸出。在这种情况下，电极保护层具有不平坦表面。电极保护层起着浸入通道的作用(主要是由微孔和间隙组成)，它使液体(汽油)穿过粉末填料进入空气环境。
气体传感器样品#67具有5mm的不平坦表面层和5mm的电极保护层，它们从填料空间的基端(即，上端)向上凸出，并相应地起着浸入通道的作用(主要是由微孔和间隙组成)，它使液体穿过粉末填料进入空气环境。
表7
气体传感器的性能与包含在粉末填料中的细或粗颗粒的存在的关系被评价。
如表8和9所示，气体传感器样品#113、#121和#125具有包括许多颗粒的粉末填料，颗粒尺寸从“小于80μm”到“大于5,000μm”。气体传感器样品#113、#121和#125不受任何分级。
气体传感器样品#114至#120具有经受干筛分级以便从气体传感器样品#113的粉末填料中去除细和粗颗粒的粉末填料。气体传感器样品#114的粉末填料经受干筛分级，其中，网目尺寸设定为40μm以去除细颗粒以及设定为5,000μm以去除粗颗粒。气体传感器样品#115的粉末填料经受干筛分级，其中，网目尺寸设定为80μm以去除细颗粒以及设定为5,000μm以去除粗颗粒。气体传感器样品#116的粉末填料经受干筛分级，其中，网目尺寸设定为80μm以去除细颗粒以及设定为1,000μm以去除粗颗粒。气体传感器样品#117的粉末填料经受干筛分级，其中，网目尺寸设定为80μm以去除细颗粒以及设定为710μm以去除粗颗粒。气体传感器样品#118的粉末填料经受干筛分级，其中，网目尺寸设定为100μm以去除细颗粒以及设定为1,000μm以去除粗颗粒。气体传感器样品#119的粉末填料经受干筛分级，其中，网目尺寸设定为125μm以去除细颗粒以及设定为5,000μm以去除粗颗粒。以及，气体传感器样品#120的粉末填料经受干筛分级，其中，网目尺寸设定为125μm以去除细颗粒以及设定为710μm以去除粗颗粒。
气体传感器样品#122至#124具有经受干筛分级以便从气体传感器样品#121的粉末填料中去除细和粗颗粒的粉末填料。气体传感器样品#122的粉末填料经受干筛分级，其中，网目尺寸设定为40μm以去除细颗粒以及设定为5,000μm以去除粗颗粒。气体传感器样品#123的粉末填料经受干筛分级，其中，网目尺寸设定为100μm以去除细颗粒以及设定为1,000μm以去除粗颗粒。以及，气体传感器样品#124的粉末填料经受干筛分级，其中，网目尺寸设定为125μm以去除细颗粒以及设定为710μm以去除粗颗粒。
气体传感器样品#126至#128具有经受干筛分级以便从气体传感器样品#125的粉末填料中去除细和粗颗粒的粉末填料。气体传感器样品#126的粉末填料经受干筛分级，其中，网目尺寸设定为40μm以去除细颗粒以及设定为5,000μm以去除粗颗粒。气体传感器样品#127的粉末填料经受干筛分级，其中，网目尺寸设定为100μm以去除细颗粒以及设定为1,000μm以去除粗颗粒。以及，气体传感器样品#128的粉末填料经受干筛分级，其中，网目尺寸设定为125μm以去除细颗粒以及设定为710μm以去除粗颗粒。
气体传感器样品#129的粉末填料经受离心气流分级以便去除80μm或者更小的细颗粒以及5,000μm或者更大的粗颗粒。气体传感器样品#130的粉末填料经受离心湿式分级以便去除80μm或者更小的细颗粒以及5,000μm或者更大的粗颗粒。
由于存在大量的细和粗颗粒，气体传感器样品#113、#121和#125具有较差汽油密封性能并因此导致大的传感器输出损失。其它气体传感器样品#114～#120、#122～#124和#126～#128具有相对好的汽油密封性能(评价为○或者◎)。从这个事实可以证实，去除细和粗颗粒能够有效地获得具有良好汽油密封性能的粉末填料。
气体传感器样品#114、#122和#126的性能比其它气体传感器样品#115～#120、#123、#124、#127和#128差，因为这些气体传感器样品#114、#122和#126包含相对大量的细和粗颗粒。
表8
表9
气体传感器的性能与粉末填料中的颗粒尺寸分布类型以及与辅助填充剂的添加量的关系被评价。
如表10所示，所有是被测气体传感器样品#71～#77和#131#～#136在颗粒尺寸分布类型以及辅助填充剂的添加量方面不同，尽管这些气体传感器样品#71～#77和#131#～#136具有相同的粉末填料(滑石)并且使用相同的辅助填充剂(一代磷酸铝水溶液)。
气体传感器样品#72～#76、#132、#134和#136被评价为具有良好的汽油密封性能(◎)。
气体传感器样品#71的粉末填料包含大量的细颗粒(类型P1)，尽管评价不是较差(○)。另一方面，气体传感器样品#77的粉末填料包含大量的粗颗粒(类型P10)，尽管评价不是较差(○)。气体传感器样品#71和#77已经显示汽油密封性能比气体传感器样品#72～#76的汽油密封性能差。
气体传感器样品#131的粉末填料包含大量的细和粗颗粒(类型P16)，尽管评价不是较差(○)。气体传感器样品#133的粉末填料包含大量的细颗粒(类型P18)，尽管评价不是较差(○)。
气体传感器样品#135的粉末填料包含大量的粗颗粒(类型P20)，尽管评价不是较差(○)。显然从表10的评价结果可以看出，包含在粉末填料中的细和粗颗粒显著地影响气体传感器的汽油密封性能。
表10
气体传感器的性能与粉末填料中的颗粒尺寸分布类型以及与不平坦表面层和电极保护层的轴向长度的关系被评价。
如表11所示，所有被测气体传感器样品#78～#84和#137#～#142在颗粒尺寸分布类型以及在不平坦表面层和电极保护层的尺寸方面不同，尽管这些气体传感器样品#78～#84和#137#～#142具有相同的粉末填料(滑石)。
气体传感器样品#79～#83、#138、#140和#142被评价为具有良好的汽油密封性能(◎)。
气体传感器样品#78的汽油密封性能不是良好，因为粉末填料包含大量的细颗粒(类型P1)。气体传感器样品#84的汽油密封性能也不是良好，因为粉末填料包含大量的粗颗粒(类型P10)。气体传感器样品#137的汽油密封性能不是良好，因为粉末填料包含大量的细和粗颗粒(类型P16)。气体传感器样品#139的汽油密封性能不是良好，因为粉末填料包含大量的粗颗粒(类型P18)。而且，气体传感器样品#141的汽油密封性能不是良好，因为粉末填料包含大量的粗颗粒(类型P20)。
所有气体传感器样品#78、#84、#137#、#139和#141具有与填料空间轴向长度相同的不平坦表面层和电极保护层轴向长度。这种尺寸关系对汽油密封性能具有不利影响。
表11
气体传感器的性能与辅助填充剂的添加量以及与不平坦表面层和电极保护层的轴向长度的关系被评价。
如表12所示，所有被测气体传感器样品#85～#91在辅助填充剂的添加量以及在不平坦表面层和电极保护层的尺寸方面不同，尽管这些气体传感器样品#85～#91具有相同的粉末填料(滑石)并且使用相同的辅助填充剂(一代磷酸铝水溶液)。
气体传感器样品#86～#90被评价为具有良好的汽油密封性能(◎)。
气体传感器样品#85在汽油密封性能方面比气体传感器样品#86～#90差，因为辅助填充剂的添加量较小而且也因为不平坦表面层和电极保护层的轴向长度与填料空间的轴向长度相同。
气体传感器样品#91在汽油密封性能方面比气体传感器样品#86～#90差，因为辅助填充剂的添加量较大而且也因为不平坦表面层和电极保护层的轴向长度与填料空间的轴向长度相同。
表12
气体传感器的性能与粉末填料中的颗粒尺寸分布类型、辅助填充剂的添加量以及与不平坦表面层和电极保护层的轴向长度的关系被评价。
如表13所示，所有被测气体传感器样品#92～#98在尺寸分布类型、辅助填充剂的添加量以及在不平坦表面层和电极保护层的尺寸方面不同，尽管这些气体传感器样品#92～#98具有相同的粉末填料(滑石)并且使用相同的辅助填充剂(一代磷酸铝水溶液)。
气体传感器样品#93～#97被评价为具有良好的汽油密封性能(◎)。
气体传感器样品#92在汽油密封性能方面比气体传感器样品#93～#97差，因为粉末填料包含大量的小颗粒(类型P1)、辅助填充剂的添加量较小而且也因为不平坦表面层和电极保护层的轴向长度与填料空间的轴向长度相同。
气体传感器样品#98在汽油密封性能方面比气体传感器样品#93～#97差，因为粉末填料包含大量的大颗粒(类型P10)、辅助填充剂的添加量较小而且也因为不平坦表面层和电极保护层的轴向长度与填料空间的轴向长度相同。
表13
在不脱离基本特征的范围情况下，本发明可以多种方式实施。上述实施例仅是为了说明目的而不构成对本发明的限制，因为本发明的范围是由权利要求书而不是由上述描述来限定。所有落入在权利要求范围内的修改或者权利要求的等同替换也都将包含在权利要求限定的范围内。
权利要求
1.一种气体传感器，包括壳体(10)；设置在所述壳体中的气体感测元件(2)；以及填塞在形成于所述壳体与所述气体感测元件之间的填料空间(14)中以气密地密封所述壳体与所述气体感测元件之间间隙的粉末填料；其特征在于所述粉末填料包含在被填塞到所述填料空间之前测量时其直径在80μm到5,000μm范围内的颗粒；以及直径为80μm到5,000μm的所述颗粒的重量百分比相对于所述粉末填料的总重量等于或者大于80％。
2.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述粉末填料包含在被填塞到所述填料空间之前测量时其直径在100μm到1,000μm范围内的颗粒；以及直径为100μm到1,000μm的所述颗粒的重量百分比相对于所述粉末填料的总重量等于或者大于80％。
3.如权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，所述粉末填料包含在被填塞到所述填料空间之前测量时其直径在125μm到710μm范围内的颗粒；以及直径为125μm到710μm的所述颗粒的重量百分比相对于所述粉末填料的总重量等于或者大于80％。
4.一种气体传感器，包括壳体(10)；设置在所述壳体中的气体感测元件(2)；以及填塞在形成于所述壳体与所述气体感测元件之间的填料空间(14)中以气密地密封所述壳体与所述气体感测元件之间间隙的粉末填料；其特征在于所述粉末填料包含在所述粉末填料被填塞到所述填料空间之前经受分级以去除细颗粒的颗粒。
5.如权利要求4所述的气体传感器，其特征在于，经受分级之后的所述粉末填料包含直径等于或者小于80μm的细颗粒按照重量百分比相对于所述粉末填料的总重量等于或者小于10％。
6.如权利要求4或5所述的气体传感器，其特征在于，经受分级之后的所述粉末填料包含直径等于或者小于100μm的细颗粒按照重量百分比相对于所述粉末填料的总重量等于或者小于10％。
7.如权利要求4至6任一所述的气体传感器，其特征在于，经受分级之后的所述粉末填料包含直径等于或者小于125μm的细颗粒按照重量百分比相对于所述粉末填料的总重量等于或者小于10％。
8.一种气体传感器，包括壳体(10)；设置在所述壳体中的气体感测元件(2)；以及填塞在形成于所述壳体与所述气体感测元件之间的填料空间(14)中以气密地密封所述壳体与所述气体感测元件之间间隙的粉末填料；其特征在于所述粉末填料包含在所述粉末填料被填塞到所述填料空间之前经受分级以去除粗颗粒的颗粒。
9.如权利要求8所述的气体传感器，其特征在于，经受分级之后的所述粉末填料包含直径等于或者大于5,000μm的粗颗粒按照重量百分比相对于所述粉末填料的总重量等于或者小于10％。
10.如权利要求8或9所述的气体传感器，其特征在于，经受分级之后的所述粉末填料包含直径等于或者大于1,000μm的粗颗粒按照重量百分比相对于所述粉末填料的总重量等于或者小于10％。
11.如权利要求8至10任一所述的气体传感器，其特征在于，经受分级之后的所述粉末填料包含直径等于或者小于710μm的粗颗粒按照重量百分比相对于所述粉末填料的总重量等于或者小于10％。
12.如权利要求1至11任一所述的气体传感器，其特征在于，所述填料空间的轴向长度在从1.5mm到15mm的范围内。
13.如权利要求1至12任一所述的气体传感器，其特征在于，所述粉末填料包含滑石和氮化硼中的至少一种按照重量百分比为50％或者更多。
14.一种气体传感器，包括壳体(10)；设置在所述壳体中的气体感测元件(2)；以及填塞在形成于所述壳体与所述气体感测元件之间的填料空间(14)中以气密地密封所述壳体与所述气体感测元件之间间隙的粉末填料；其特征在于辅助填充剂被添加到所述粉末填料中。
15.如权利要求14所述的气体传感器，其特征在于，所述辅助填充剂是无机化合物水溶液，在室温(20℃)下是液态。
16.如权利要求15所述的气体传感器，其特征在于，所述无机化合物水溶液包括从一代磷酸铝水溶液、硅酸钠水溶液和硅酸钾水溶液组成的一组水溶液中选择的至少一种。
17.如权利要求15或16所述的气体传感器，其特征在于，所述辅助填充剂的添加量相对于所述粉末填料的100个重量部分在从0.1到10个重量部分的范围内。
18.如权利要求14所述的气体传感器，其特征在于，所述辅助填充剂是可在600℃或者更低温度下液化的固态无机化合物。
19.如权利要求18所述的气体传感器，其特征在于，所述固态无机化合物包括从氢氧化钡、硼硅玻璃、铝硅玻璃、钠钙玻璃、硅酸铅玻璃、低熔点硼酸盐玻璃、钙铝类玻璃、铝酸盐玻璃组成的一组物质中选择的至少一种。
20.如权利要求18或19所述的气体传感器，其特征在于，所述辅助填充剂的添加量相对于所述粉末填料的100个重量部分在从0.5到30个重量部分的范围内。
21.一种气体传感器，包括壳体(10)；设置在所述壳体中的气体感测元件(2)；以及填塞在形成于所述壳体与所述气体感测元件之间的填料空间(14)中以气密地密封所述壳体与所述气体感测元件之间间隙的粉末填料；其特征在于不平坦表面层(203)和电极保护层(205)的至少之一设置在所述气体感测元件的表面上；以及不平坦表面层和电极保护层的所述至少之一的基端等于所述填料空间的基端或者相对于所述填料空间的所述基端向着所述气体传感器的末端侧偏移。
22.如权利要求21所述的气体传感器，其特征在于，所述不平坦表面层和所述电极保护层的所述至少之一相对于所述填料空间的基端向着所述气体传感器的末端侧偏移0.5mm或者更多。
23.如权利要求21或22所述的气体传感器，其特征在于，所述不平坦表面层和所述电极保护层的所述至少之一的基端等于所述填料空间的末端或者相对于所述填料空间的所述末端向着所述气体传感器的末端侧偏移。
24.一种气体传感器，包括壳体(10)；设置在所述壳体中的气体感测元件(2)；以及填塞在形成于所述壳体与所述气体感测元件之间的填料空间(14)中以气密地密封所述壳体与所述气体感测元件之间间隙的粉末填料；其特征在于所述粉末填料包含在所述粉末填料被填塞到所述填料空间之前经受分级以去除细和粗颗粒的颗粒。
25.一种气体传感器，包括壳体(10)；设置在所述壳体中的气体感测元件(2)；以及填塞在形成于所述壳体与所述气体感测元件之间的填料空间(14)中以气密地密封所述壳体与所述气体感测元件之间间隙的粉末填料；其特征在于辅助填充剂被添加到所述粉末填料中；所述粉末填料包含在被填塞到所述填料空间之前测量时其直径在80μm到5,000μm范围内的颗粒；以及直径为80μm到5,000μm的所述颗粒的重量百分比相对于所述粉末填料的总重量等于或者大于80％。
26.一种气体传感器，包括壳体(10)；设置在所述壳体中的气体感测元件(2)；以及填塞在形成于所述壳体与所述气体感测元件之间的填料空间(14)中以气密地密封所述壳体与所述气体感测元件之间间隙的粉末填料；其特征在于所述粉末填料包含在被填塞到所述填料空间之前测量时其直径在80μm到5,000μm范围内的颗粒；直径为80μm到5,000μm的所述颗粒的重量百分比相对于所述粉末填料的总重量等于或者大于80％；不平坦表面层(203)和电极保护层(205)的至少之一设置在所述气体感测元件的表面上；以及不平坦表面层和电极保护层的所述至少之一的基端等于所述填料空间的基端或者相对于所述填料空间的所述基端向着所述气体传感器的末端侧偏移。
27.一种气体传感器，包括壳体(10)；设置在所述壳体中的气体感测元件(2)；以及填塞在形成于所述壳体与所述气体感测元件之间的填料空间(14)中以气密地密封所述壳体与所述气体感测元件之间间隙的粉末填料；其特征在于辅助填充剂被添加到所述粉末填料中；不平坦表面层(203)和电极保护层(205)的至少之一设置在所述气体感测元件的表面上；以及不平坦表面层和电极保护层的所述至少之一的基端等于所述填料空间的基端或者相对于所述填料空间的所述基端向着所述气体传感器的末端侧偏移。
28.一种气体传感器，包括壳体(10)；设置在所述壳体中的气体感测元件(2)；以及填塞在形成于所述壳体与所述气体感测元件之间的填料空间(14)中以气密地密封所述壳体与所述气体感测元件之间间隙的粉末填料；其特征在于辅助填充剂被添加到所述粉末填料中；所述粉末填料包含在被填塞到所述填料空间之前测量时其直径在80μm到5,000μm范围内的颗粒；直径为80μm到5,000μm的所述颗粒的重量百分比相对于所述粉末填料的总重量等于或者大于80％；不平坦表面层(203)和电极保护层(205)的至少之一设置在所述气体感测元件的表面上；以及不平坦表面层和电极保护层的所述至少之一的基端等于所述填料空间的基端或者相对于所述填料空间的所述基端向着所述气体传感器的末端侧偏移。
29.一种气体传感器，包括壳体(10)；设置在所述壳体中的气体感测元件(2)；以及填塞在形成于所述壳体与所述气体感测元件之间的填料空间(14)中以气密地密封所述壳体与所述气体感测元件之间间隙的粉末填料；其特征在于辅助填充剂被添加到所述粉末填料中；以及所述粉末填料包含在所述粉末填料被填塞到所述填料空间之前经受分级以去除细和粗颗粒的颗粒。
30.一种气体传感器，包括壳体(10)；设置在所述壳体中的气体感测元件(2)；以及填塞在形成于所述壳体与所述气体感测元件之间的填料空间(14)中以气密地密封所述壳体与所述气体感测元件之间间隙的粉末填料；其特征在于辅助填充剂被添加到所述粉末填料中；所述粉末填料包含在所述粉末填料被填塞到所述填料空间之前经受分级以去除细和粗颗粒的颗粒；不平坦表面层(203)和电极保护层(205)的至少之一设置在所述气体感测元件的表面上；以及不平坦表面层和电极保护层的所述至少之一的基端等于所述填料空间的基端或者相对于所述填料空间的所述基端向着所述气体传感器的末端侧偏移。
31.一种气体传感器，包括壳体(10)；设置在所述壳体中的气体感测元件(2)；以及填塞在形成于所述壳体与所述气体感测元件之间的填料空间(14)中以气密地密封所述壳体与所述气体感测元件之间间隙的粉末填料；其特征在于所述粉末填料包含在所述粉末填料被填塞到所述填料空间之前经受分级以去除细和粗颗粒的颗粒；不平坦表面层(203)和电极保护层(205)的至少之一设置在所述气体感测元件的表面上；以及不平坦表面层和电极保护层的所述至少之一的基端等于所述填料空间的基端或者相对于所述填料空间的所述基端向着所述气体传感器的末端侧偏移。
全文摘要
粉末填料被填塞到形成于壳体(10)与气体感测元件(2)之间的填料空间(14)中以气密地密封所述壳体(10)与所述气体感测元件(2)之间间隙。粉末填料包含在被填塞到所述填料空间(14)之前测量时其直径在80μm到5,000μm范围内的颗粒。直径为80μm到5,000μm的所述颗粒的重量百分比相对于所述粉末填料的总重量等于或者大于80％。
文档编号G01N27/409GK1400463SQ02127208
公开日2003年3月5日 申请日期2002年7月30日 优先权日2001年7月31日
发明者佐藤元昭, 小林清美, 山内政伸, 藤井並次 申请人:株式会社电装