气体传感器、气体传感器元件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及对被测定气体进行检测的气体传感器元件、具有这种气体传感器元件的气体传感器、以及气体传感器元件的制造方法。
【背景技术】
[0002]关于气体传感器元件，例如，在专利文献1中公开有如下的气体传感器元件:具有在一个层内存在固体电解质体(后述的电解质部)和绝缘部件(后述的绝缘部)的复合层。在该专利文献1中，使固体电解质体的厚度尺寸与绝缘部件的厚度尺寸之间的尺寸差成为电极(导体层)的厚度尺寸以下。由此，电极中的层压在固体电解质体上的部分与层压在绝缘部件上的部分，成为至少一部分彼此接触的状态，能够防止电极在固体电解质体与绝缘部件的边界部分中断线。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献1:日本特开2007-278941号公报
[0005]但是，在该专利文献1的气体传感器元件中，由于在固体电解质体(电解质部)与绝缘部件(绝缘部)的边界上产生阶梯状的高度差，因此在横跨它们形成的电极(导体层)中，在该边界部分上容易产生裂纹和断线。
【发明内容】
[0006]本发明是鉴于上述问题而完成的，提供如下的气体传感器元件和具有这种气体传感器元件的气体传感器:具有复合陶瓷层，该复合陶瓷层具有电解质部和绝缘部，具有横跨电解质部和绝缘部而形成的导体层，并且在它们的边界上在导体层上很难产生裂纹和断线，可靠性高。另外，提供这种气体传感器元件的制造方法。
[0007]本发明的一方式提供一种气体传感器元件，具有复合陶瓷层和第1导体层，上述复合陶瓷层具有:板状的绝缘部，由形成有在厚度方向上贯通的贯通孔的绝缘性陶瓷构成；以及板状的电解质部，配置在上述贯通孔内，并且由固体电解质陶瓷构成，上述第1导体层横跨上述绝缘部的与上述厚度方向交叉的第1绝缘主表面以及上述电解质部的与上述厚度方向交叉的第1电解质主表面而形成，所述气体传感器元件的特征在于，上述电解质部的厚度比上述绝缘部的厚度薄，上述电解质部的上述第1电解质主表面比上述绝缘部的上述第1绝缘主表面更位于厚度方向内侧，上述绝缘部在其上述第1绝缘主表面侧具有突出部，该突出部与上述电解质部的上述第1电解质主表面重叠，并朝向上述贯通孔的内侧突出，上述突出部具有如下形态:越靠上述贯通孔的上述内侧厚度越薄，上述突出部的上述厚度方向外侧的突出面越靠上述贯通孔的上述内侧越位于上述厚度方向内侧，上述第1导体层横跨上述突出面和上述第1电解质主表面而形成。
[0008]在上述的气体传感器元件的复合陶瓷层中，电解质部的第1电解质主表面比绝缘部的第1绝缘主表面更位于厚度方向内侧。而且，绝缘部在其第1绝缘主表面侧具有突出部，该突出部与电解质部的第1电解质主表面重叠，越向贯通孔的内侧厚度越薄的突出面位于厚度方向内侧。即，绝缘部的第1绝缘主表面与电解质部的第1电解质主表面之间的高度差在突出部中缓和。
[0009]因此，横跨第1绝缘主表面中的突出部上的部位和第1电解质主表面上的部位而形成的第1导体层，在第1绝缘主表面中的突出部上与第1电解质主表面上之间的边界上难以产生裂纹和断线，成为可靠性高的气体传感器元件。
[0010]另外，气体传感器元件具有复合陶瓷层和第1导体层。在该气体传感器元件中，除了复合陶瓷层以外，还能够包含其他绝缘陶瓷层、在元件内形成了构成空间的贯通孔或切口或槽的间隔用绝缘陶瓷层、其他的复合陶瓷层、层压了导体层等的形态的气体传感器元件。
[0011]另外，作为气体传感器元件，除了在与第1导体层之间隔着电解质部将构成电池元件或栗元件的第2导体层形成在电解质部中的与第1电解质主表面相反的第2电解质主表面的形态以外，还能够例举形成在第1电解质主表面上的形态、即在第1电解质主表面上形成第1导体层和第2导体层的形态。
[0012]而且在复合陶瓷层中，电解质部的第2电解质主表面比绝缘部的第2绝缘主表面更位于厚度方向外侧，即，也可以是突出的形态。另外，虽然可以是电解质部的第2电解质主表面比绝缘部中的与第1绝缘主表面相反的第2绝缘主表面更位于厚度方向内侧、即凹陷的形态，但是如下所述，也可以是电解质部的第2电解质主表面与绝缘部的第2绝缘主表面处于同一平面的形态。
[0013]绝缘部的突出部虽然可以形成在贯通孔的全周上，但是也可以仅形成在贯通孔的周方向一部分上。
[0014]另外，作为第1导体层，例如，可以例举包含形成在第1电解质主表面上的第1电极层、从该第1电极层在第1绝缘主表面上延伸的第1延伸层的形态。其中，第1电极层可以是其周缘全体比绝缘部的(包含突出面)第1绝缘主表面的内周缘更向贯通孔的内侧退避的形状。另外，也可以是第1电极部的周缘的一部分或全部达到第1绝缘主表面的内周缘。另外，作为第1延伸层，例如可以例举如下的方式:具有比第1电极层的宽度尺寸小的宽度尺寸的带状的引线层等，从第1电极层的外周缘的一部分向贯通孔的外侧延伸而在第1绝缘主表面上延伸。除此以外，还可以例举第1电极层在全周上扩散到第1绝缘主表面上的形态、即从第1电极层的全周缘向贯通孔的外侧在第1绝缘主表面上延伸且包围第1电极层的形态。
[0015]在上述的气体传感器元件中，所述第1电解质主表面中的由所述突出部从所述厚度方向外侧重叠的重叠面，具有越靠所述贯通孔的所述外侧越位于所述厚度方向内侧的形
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[0016]在该气体传感器元件中，具有电解质部的第1电解质主表面的重叠面比贯通孔的外侧更位于厚度方向内侧的形态、即比贯通孔外侧更靠近第2电解质主表面的形态。因此，能够抑制以重叠面的任意一个部位为起点在突出部内产生裂纹。
[0017]另外，作为重叠面比贯通孔的外侧更位于厚度方向内侧的形态、S卩比贯通孔的外侧更靠近第2电解质主表面的形态，例如，可以例举重叠面的截面构成向贯通孔的外侧且厚度方向外侧的斜外侧凸的圆弧的形状。另外，重叠面的截面还包含在向外侧凸的圆弧的一部分上具有直线的形态、全体成为直线的形态。
[0018]而且，上述的气体传感器元件可以是，所述电解质部对包含所述固体电解质陶瓷的电解质坯片进行了烧结的气体传感器元件。
[0019]电解质部的厚度对由电解质部、第1导体层等构成的电池元件和栗元件等的元件的特性产生很大的影响。相对于此，在上述的气体传感器元件中，电解质部是对容易控制片制造时(烧结前)和烧结后的厚度的电解质坯片(具体地讲，由此构成的未烧结电解质部)进行烧结而成，因此容易使电解质部的厚度一致，能够使由该电解质部和第1电极层构成的氧浓度电池的特性在气体传感器元件彼此之间一致。
[0020]而且，电解质部比绝缘部薄，因此即使在制造时为了进行层压等而对未烧结的复合陶瓷层在厚度方向上施加了压力的情况下，由电解质部构成的未烧结电解质部上也很难施加压力，很难产成由压缩引起的电解质部的厚度的变动。因此，能够减小气体传感器元件彼此之间的特性的变动。
[0021]而且，在上述的任意一个气体传感器元件中，所述气体传感器元件具有第2导体层，该第2导体层横跨所述绝缘部中的与所述第1绝缘主表面相反一侧的第2绝缘主表面以及所述电解质部中的与所述第1电解质主表面相反一侧的第2电解质主表面而形成，上述第2绝缘主表面与上述第2电解质主表面处于同一平面。
[0022]在上述的气体传感器元件中，电解质部的第2电解质主表面与绝缘部的第2绝缘主表面处于同一平面。因此，横跨第2电解质主表面和第2绝缘主表面而形成的第2导体层，在第2电解质主表面与第2绝缘主表面的边界上上很难产生裂纹和断线，成为可靠性高的气体传感器元件。
[0023]另外，第2导体层虽然其一部分形成在第2电解质主表面上即可，但是优选配置在隔着电解质部与第1导体层的一部分相对的位置。当夹着由固体电解质陶瓷构成的电解质部，使第1导体层的一部分(上述的第1电极部)与第2导体层的一部分(后述的第2电极部)，以电极间距离小且大的电极面积相对时，能够构成特性良好的氧浓度电池等电池元件和进行氧气抽气等的栗元件等元件。
[0024]另外，第2导体层横跨第2电解质主表面和第2绝缘主表面而形成。S卩，第2导体层可以横跨整个贯通孔的全周，也可以仅横跨周方向一部分。作为第2导体层，例如可以例举具有形成在第2电解质主表面上的第2电极层、从该第2电极层在第2绝缘主表面上延伸的第2延伸层的形态。其中，第2电极层可以是其周缘全体比电解质部的第2电解质主表面的外周缘更向贯通孔的内侧退避的形状，也可以是其周缘的一部分或全部到达第2电解质主表面的外周缘(绝缘部的第2绝缘主表面)。另外，作为第2延伸层，例如可以例举如下形态:具有比第2电极层的宽度尺寸小的宽度尺寸的带状的引线层等，从第2电极层的周缘的一部分向贯通孔的外侧延伸到第2绝缘主表面上。除此以外，还可以例举第2电极层在全周上扩散到第2绝缘主表面上的形态、即从第2电极层的全周缘向贯通孔的外侧在第2绝缘主表面上延伸并包围第2电极层的形态。
[0025]而且，在上述的气体传感器元件中，所述第1导体层包含形成在所述第1电解质主表面上的第1电极层，所述第2导体层包含形成在所述第2电解质主表面上的第2电极层，上述第2导体层是对电极浆料进行丝网印刷之后烧结而成，上述气体传感器元件构成为在使用时，上述第1电极层与基准气体接触，上述第2电极层与被测定气体接触。
[0026]在气体传感器元件中，在通过两个电极层和夹在其间的电解质部构成氧浓度电池，使被测定气体接触一个电极层并使基准气体接触另一个电极层的元件中，可知接触被测定气体的电极层(一个电极层)的厚度，相比于接触基准气体的电极层(另一个电极层)的厚度，对该元件的特性产生很大的影响。
[0027]在上述的气体传感器元件中，第1电极层形成在比第1绝缘主表面更位于厚度方向内侧的第1电解质主表面上。因此，在将电极浆料丝网印刷到未烧结或烧结完的电解质部的第1电解质主表面之后进行烧结而形成第1电极层时，对比周围的第1绝缘主表面低位的第1电解质主表面进行丝网印刷，因此很难对其厚度进行控制，容易在其厚度上产生偏差。
[0028]另一方面，上述的气体传感器元件的第2电极层形成在第2电解质主表面上，该第2电解质主表面与第2绝缘主表面处于同一平面。因此，在进行丝网印刷时，容易控制第2绝缘主表面上的电极浆料的厚度和第2电解质主表面上的电极浆料的厚度。因此，能够适当地控制烧结后的第2电极层的厚度。因此，在使基准气体接触第1电极层而另一方面使被测定气体接触通过丝网印刷形成的第2电极层的上述的气体传感器元件中，能够使氧浓度电池的特性在元件彼此间一致。
[0029]另外，对于这种气体传感器元件，可以例举具有一个氧浓度电池的气体传感器元件、具有传感器单元和栗单元这两个氧浓度电池的气体传感器元件、具有三个氧浓度电池(两个传感器单元和一个栗单元)的气体传感器元件等。另外，对于第2电极层，包含将电极浆料丝网印刷到未烧结的复合陶瓷层的电解质部上并进行烧结(同时烧结(共烧))而形成的层、将电极浆料丝网印刷到烧结完的复合陶瓷层的电解质部上并进行烧结(后焙烧)而形成的层。
[0030]另外，在作为基准气体，例如使用了氧离子传导性的固体电解质陶瓷(例如氧化锆)时，可以例举外部气体(大气)或蓄积在基准室中的氧气气体。
[0031]或者，在前2项的气体传感器元件中，所述气体传感器元件具有:外部气体导入路径构成材料，构成将外部气体导入到所述第1电极层的外部气体导入路径；以及气体导入路径构成材料，构成将被测定气体导入到所述第2电极层的气体导入路径。
[0032]在上述的气体传感器元件中，通过气体导入路径导入的被测定气体接触到第2电极层，而另一方面，通过外部气体导入路径导入的外部气体接触到第1电极层。由此，由第1电极层、第2电极层以及电解质部构成氧浓度电池元件，在第1电极层与第2电极层之间产生与接触到第2电极层的被测定气体和接触到第1电极层的外部气体之间的氧气浓度差对应的电动势。因此，能够在被测定气体中的氧气的有无和氧气浓度的检测以及含有NOx、CO等氧气原子的含氧气体的浓度的检测中利用该氧浓度电池元件的输出。
[0033]另外，气体导入路径是使外部的被测定气体通过气体传感器元件内导入到第2电极层的被测定气体的通气路径。具体地讲，例如可以例举，仅由中空的通气路径构成的气体导入路径、用气体能够流通的多孔质体堵住通气路径的中途的形态的气体导入路径，用气体能够流通的多孔质体构成通气路径全体的形态的气体导入路径。另外，在气体导入路径构成材料中，包含仅由自身或由自身与复合陶瓷层构成中空的气体导入路径(通气路径)的气密性(致密质)的绝缘陶瓷层等壁材，以及堵住通气路径的一部分或全部的、由气体能够流通的多孔质陶瓷体构成的多孔质体。
[0034]另外，外部气体导入路径是使外部气体通过气体传感器元件内而导入到第1电极层的外部气体(大气)的通气路径。具体地讲，例如，除了仅由中空的通气路径构成的外部气体导入路径以外，还能够例举如下形态的外部气体导入路径:由外部气体能够流通的多孔质的金属体构成，通过由外部气体能够流通的金属和陶瓷构成的多孔质体堵住兼用与第1电极层连接的第1延伸层的通气路径兼用第1延伸层等通气路径的一部分或全部。另夕卜，在外部气体导入路径构成材料中包含仅由自身或由自身与复合陶瓷层构成中空的外部气体导入路径(通气路径)的气密性(致密质)的绝缘陶瓷层等的壁材，以及堵住通气路径的一部分或全部且外部气体能够流通的多孔质金属体、外部气体能够流通的多孔质陶瓷体等的多孔质体。
[0035]而且，本发明的另一方式提供气体传感器，该气体传感器具有上述的任意一个气体传感器元件。
[0036]上述的气体传感器具有上述的气体传感器元件，因此在第1绝缘主表面与第1电解质主表面之间，很难在第1导体层上产生裂纹和断线，能