专利名称：气体传感器元件和气体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体传感器元件和具有该气体传感器元件的气体传感器。
背景技术：
下文中，为了说明的目的，相对于气体传感器的轴线方向或气体传感器的固体电解质层的长度方向来使用术语“前”和“后”。这些术语仅是说明性的，并不试图限制本发明的范围。已经使用用于内燃机的燃烧控制的气体传感器。气体传感器包括传感器元件，该传感器元件能够响应于待测气体、即流过内燃机的排气管的排放气体(exhaust gas)中的 特定气体成分的浓度而输出检测信号。日本特开2010-38904号公报公开了ー种这样类型的传感器元件，该传感器元件具有主要由氧化锆形成的板状的固体电解质层、配置于固体电解质层的前侧的ー对电极、形成于固体电解质层的后侧的绝缘层、以及配置于相应的绝缘层且连接到相应的电极的ー对引线，以根据由排放气体和基准气体(空气)在电极之间形成的电位差、响应于排放气体中的特定气体成分(例如，氧气)的浓度而产生检测信号，并且将检测信号输出到外部控制装置。在该气体传感器元件中，需要使各电极具有多孔质结构，以吸入排放气体以及允许排放气体的扩散；而优选各引线具有致密的(dense)结构，以显示出用于电极和外部控制装置之间的信号传输的低电阻。
发明内容
在上述传统类型的传感器元件中，引线的前端部和电极的后端部彼此重叠在固体电解质层上，以提高电极和引线之间的电连接的可靠性。即，引线的前端部直接位于固体电解质层上或者经由电极位于固体电解质层上。(固体电解质层的与引线的前端部和电极的后端部之间的重叠部位置对应的部分被称为“重叠部”)。当通过引线在电极之间供给电流吋，电流也通过固体电解质层的重叠部在引线的前端部之间(或者在电极的后端部之间)流动。然而，在电极的后端部重叠并覆盖引线的前端部的情况下，由于电极与重叠部之间致密的引线的存在，排放气体被带入电极的后端部，而不太可能到达重叠部。在引线的前端部重叠并覆盖电极的后端部的情况下，由于致密的引线的存在，排放气体不会被带入电极的后端部，从而不太可能到达重叠部。也就是说，在两种情况下排放气体均不太可能到达重叠部。因此，特定气体成分的离解离子(例如，氧离子)在重叠部中几乎不传递(transfer)。该现象往往使得传感器元件(固体电解质层)易损坏，并且往往导致在传感器元件中发生裂纹。结果，气体传感器的检测精度可能劣化。上述问题不限于上面示出的氧气传感器元件，而是对于电极的后端部和引线的前端部在固体电解质层上彼此重叠的所有气体传感器元件是共有的。因此，本发明的目的是提供具有电极和引线的气体传感器元件，其中，引线比电极致密，以限制气体传感器元件中发生裂纹,并且确保气体传感器元件的检测精度。此外,本发明的目的是提供使用该气体传感器元件的气体传感器。
根据本发明的ー个方面，提供一种气体传感器元件，其用于检测待测气体中的特定气体成分的浓度，该气体传感器元件包括板状的固体电解质层，该固体电解质层在其长度方向上延伸；一对传感器电极，该对传感器电极配置于所述固体电解质层的前侧；ー对传感器引线，该对传感器引线配置于所述固体电解质层的后侧并且被电连接到相应的传感器电极；和绝缘层，其中ー个绝缘层配置在所述ー对传感器引线中的一根传感器引线和所述固体电解质层之间，其中另ー个绝缘层配置在另ー根传感器引线和所述固体电解质层之间，其中，所述传感器电极的后端部均位于相应的绝缘层上并且与相应的传感器引线的前端部重叠，所述传感器引线比相应的传感器电极致密，并且所述传感器引线的前端均位于与相应的绝缘层的前端相同的位置或者位于相应的绝缘层的前端的后方位置。在该气体传感器元件中，传感器电极的后端部可以优选地位于传感器引线的前端部上。 根据本发明的另一方面，提供ー种气体传感器，其包括所述气体传感器兀件；和壳体，在该壳体中保持所述气体传感器元件。应该注意的是，本发明可以以各种形式实现，例如，不仅可以是上述气体传感器元件和气体传感器，也可以是气体传感器元件或气体传感器的制造方法、气体传感器安装于待测气体的通路的车辆等。通过下面的说明，本发明的其它目的和特征也将变得容易理解。
图I是具有根据本发明的第一实施方式的气体传感器元件的气体传感器的截面图。图2是根据本发明的第一实施方式的气体传感器元件的分解立体图。图3的(A)是根据本发明的第一实施方式的气体传感器元件的平面图。图3的⑶是沿图3的㈧的线A-A截取的气体传感器元件的截面图。图4是示出根据本发明的第一实施方式的气体传感器元件的制造过程的ー个示例的示意图。图5是根据本发明的第二实施方式的气体传感器元件的示意图。
具体实施例方式下面将借助于下述实施方式详细地说明本发明，其中，相同的部件和部分用相同的附图标记表示，以省略重复的说明。第一实施方式根据本发明的第一实施方式的气体传感器I是安装于内燃机的排气管的、用于内燃机的空燃比反馈控制的全量程空燃比传感器形式。这里，气体传感器I的轴线方向上的前侧和后侧分别对应于图I中的下侧和上側。如图I所示，气体传感器I包括沿轴线方向延伸的板状的传感器元件10 ;筒状的金属壳(作为壳体)11，在该金属壳11中以传感器兀件10的前端部从金属壳11的前端突出、后端部从金属壳11的后端突出的方式保持传感器元件10 ;以及形成于传感器元件10的前端部的多孔质的保护层19。
如下面将详细说明的那样，传感器元件10适于响应于待测气体、即流过内燃机的排气管的排放气体中的特定气体成分(例如，氧气)的浓度而将检测信号输出到外部控制装置。在第一实施方式中，传感器元件10的从金属壳11的前端伸出并且被多孔质的保护层19覆盖的前端部实质上用作气体感测区域。金属壳11包围传感器元件10，并且金属壳11具有形成于其径向外侧的螺纹部Ila和形成于其径向内侧的台阶部11b，其中，螺纹部Ila用于将气体传感器I固定到排气管，台阶部Ilb用于限定相对于与轴线方向垂直的平面倾斜的锥面。如图I所示，气体传感器I还包括环状的陶瓷保持件12、粉末填充层13和14(也称为“滑石环”)、陶瓷套筒15、金属保持件16、密封件17、保护器20、外筒26、垫圈29、筒状的绝缘接触构件31和保持构件32。金属保持件16被台阶部IIb保持在金属壳11中，以在该金属保持件16中保持传 感器元件10。陶瓷保持件12以及滑石环13和14以包围传感器元件10的方式从前侧依次布置在金属壳11中。陶瓷保持件12和滑石环13布置在金属保持件16中。滑石环13被压缩到金属保持件16中，使得金属壳11的前端被陶瓷保持件12密封。陶瓷套筒15以包围传感器元件10的方式被配置于金属売11内的滑石环14的后侧。此外，密封件17被配置于陶瓷套筒15的台阶状的后端部。金属壳11的后端被弯折(crimp)，以经由密封件17朝向前方推陶瓷套筒15，由此金属壳11的后端被陶瓷套筒15和密封件17密封。保护器20由具有多个气孔的诸如不锈钢等金属形成，并且该保护器20通过例如焊接以包围传感器元件10的前端部的方式被接合到金属壳11的前端。在第一实施方式中，保护器20具有由筒状的外侧保护构件21和筒状的内侧保护构件22构成的双重结构。当气体传感器I的前端部(包括保护器20)暴露于排放气体时，排放气体经由气孔被导入到保护器20的内部并且被供给到传感器元件10的前端部(气体感测区域)，使得传感器元件10进行其气体浓度检测操作以输出检测信号。外筒26包围传感器元件10的后端部并且被固定到金属壳11的后端。绝缘接触构件31被配置在外筒26的后端部内，并且该绝缘接触构件31具有形成于径向外侧的突出部31b ;和沿轴线方向贯穿绝缘接触构件31而形成的插孔31a，以便包围传感器元件10的后端部。连接端子27设置在插孔31a中，并且连接端子27压靠并连接到传感器元件10的端子41和42。保持构件32被配置在绝缘接触构件31和外筒26之间，以通过使绝缘接触构件31的突出部31b与保持构件32接合而将绝缘接触构件31保持在外筒26中。垫圈29被装配在外筒26的后开ロ端，使得外筒26的后开ロ端被垫圈29封闭。这里，贯穿垫圈29形成五个通孔29a ;五根引线28被插入穿过相应的通孔29a并且部分位于气体传感器I的内部。(为了清楚起见，图I中仅示出了一个通孔29a并且仅示出了三根引线28。)各引线28的前端被连接到连接端子27，各引线28的后端被连接到外部控制装置，用于气体传感器I和外部控制装置之间的电连接。如图2所示，传感器元件10具有板状的感测部件100和板状的加热部件(加热器)160。这里，轴线方向上的前侧和后侧分别对应于图2中的左侧和右側。(为了清楚起见，图2中省略了保护层19。)感测部件100和加热部件160 二者都在气体传感器I的轴线方向上延伸并且层叠在一起形成一个组件。感测部件100具有依次层叠在一起的氧气浓度检测单元110、层间调整层120、氧气抽吸单元130和表面保护层140。在层间调整层120中限定检测室120c。端子41 (也称为“感测部件侧端子”)被配置于保护层140的与氧气抽吸単元130所在侧相反一侧的表面。氧气浓度检测单元110具有板状的第一固体电解质层115，该第一固体电解质层115以其长度方向与气体传感器I的轴线方向一致的方式配置；第ー电极112和第二电极118这ー对电极,这对电极之间夹着第一固体电解质层115 ;第ー引线113和第二引线119这ー对引线，这对引线被分别地连接到第一电极112和第二电极118并且在第一固体电解质层115的长度方向上延伸；第一绝缘层114，该第一绝缘层114被配置在第一固体电解质 层115和第一引线113之间；以及第ニ绝缘层116，该第二绝缘层116被配置在第一固体电解质层115和第二引线119之间。在氧气浓度检测单元110中，第一电极112用作氧气基准电极(也称为“基准氧气室”)，其中，通过使恒定电流在第一电极112和第二电极118之间流动而将基准氧气室的氧气浓度保持为恒定水平。第一电极112形成为例如大致矩形形状并且位于第一固体电解质层115的ー个主表面(图2中的下侧的主表面)的前侧。第一电极112具有一定程度的孔隙(孔)，以吸入
氧气并且被氧气填充。第一引线113位于第一固体电解质层115的所述ー个主表面的后侧，并且第一引线113的前端部被电连接到第一电极112的后端部。在第一实施方式中，使第一引线113比第一电极112致密。换句话说，第一引线113的孔隙率比第一电极112的孔隙率小(第一引线113的密度比第一电极112的密度大)。再换句话说，每单位体积的第一引线113的气体透过量比每单位体积的第一电极112的气体透过量小。已知在导电构件由相同材料或类似材料形成的情况下，较致密的导电构件通常比其它导电构件显不出低的电阻。由于在第一实施方式中第一引线113比第一电极112致密，因此，与第一引线113和第一电极112 —样致密的情况相比，第一实施方式中的第一引线113显示出较低的电阻并且能够进行良好的信号传输。第一绝缘层114以在第一固体电解质层115的长度方向上延伸的方式直接形成于第一固体电解质层115的所述ー个主表面的后侧。即，在第一实施方式中，第一引线113以将第一绝缘层114夹在第一引线113和第一固体电解质层115之间的方式形成于第一固体电解质层115。由于第一绝缘层114被配置在第一固体电解质层115和第一引线113之间，因此，由第一绝缘层114使第一固体电解质层115和第一引线113保持彼此绝缘。分别地贯穿第一绝缘层114、第一固体电解质层115、层间调整层120、第二固体电解质层135和表面保护层140而形成第一通孔114a、第二通孔115a、第三通孔120a、第六通孔135a和第八通孔140a，使得第一引线113的后端部经由通孔114a、115a、120a、135a和140a电连接到一个感测部件侧端子41。第二电极118形成为例如大致矩形形状并且位于第一固体电解质层115的另ー个主表面(图2中的上侧的主表面)的前侧。第二电极118具有一定程度的孔隙(孔)，以允许来自外部的排放气体扩散(流动)。第二引线119位于第一固体电解质层115的所述另ー个主表面的后侧，并且第二引线119的前端部被电连接到第二电极118的后端部。在第一实施方式中，如第一引线113的情况那样，使第二引线119比第二电极118致密。换句话说，第二引线119的孔隙率比第二电极118的孔隙率小(第二引线119的密度比第二电极118的密度太)。再换句话说，每单位体积的第二引线119的气体透过量比每单位体积的第二电极的气体透过量小。由于在第一实施方式中第二引线119比第二电极118致密，因此，与第二引线119和第二电极118 —样致密的情况相比，第一实施方式中的第ニ引线119显示出较低的电阻并且能够进行良好的信号传输。第二绝缘层116以在第一固体电解质层115的长度方向上延伸的方式直接形成于第一固体电解质层115的所述另ー个主表面的后侧。即，在第一实施方式中，第二引线119以将第二绝缘层116夹在第二引线119和第一固体电解质层115之间的方式形成于第一固体电解质层115。由于第二绝缘层116被配置在第一固体电解质层115和第二引线119之间，因此，由第二绝缘层116使第一固体电解质层115和第二引线119保持彼此绝缘。分别地贯穿层间调整层120、第三绝缘层134、第二固体电解质层135和表面保护层140而形成第四通孔120b、第五通孔134a、第七通孔135b、第九通孔140b，使得第二引线119的后端部经由通孔120b、134a、135b和140b电连接到另ー个感测部件侧端子41。氧气抽吸单元130具有板状的第二固体电解质层135，该第二固体电解质层135以其长度方向与气体传感器I的轴线方向一致的方式配置；第三电极132和第四电极138这ー对电极，这对电极之间夹着第二固体电解质层135 ;第三引线133和第四引线139这一对引线，这对引线被分别地连接到第三电极132和第四电极138并且在第二固体电解质层135的长度方向上延伸；第三绝缘层134，该第三绝缘层134被配置在第二固体电解质层135和第三引线133之间；以及第四绝缘层136，该第四绝缘层136被配置在第二固体电解质层135和第四引线139之间。氧气抽吸単元130通过对第三电极132和第四电极138之间的电流的控制而进行氧气抽吸动作，以将氧气抽到检测室120c中或者从检测室120c抽出氧气。第三电极132形成为例如大致矩形形状并且位于第二固体电解质层135的ー个主表面(图2中的下侧的主表面)的前侧。第三电极132具有一定程度的孔隙(孔)，以允许来自外部的排放气体的扩散(流动)。第三引线133位于第二固体电解质层135的所述ー个主表面的后侧，并且第三引线133的前端部被电连接到第三电极132的后端部。在第一实施方式中，也使第三引线133比第三电极132致密。换句话说，第三引线133的孔隙率比第三电极132的孔隙率小(第三引线133的密度比第三电极132的密度大)。再换句话说，每单位体积的第三引线133的气体透过量比每单位体积的第三电极132的气体透过量小。由于在第一实施方式中第三引线133比第三电极132致密，因此，与第三引线133和第三电极132 —样致密的情况相比，第一实施方式中的第三引线133显示出较低的电阻并且能够进行良好的信号传输。第三绝缘层134以在第二固体电解质层135的长度方向上延伸的方式直接形成于第二固体电解质层135的所述ー个主表面的后侧。S卩，在第一实施方式中，第三引线133以将第三绝缘层134夹在第三引线133和第二固体电解质层135之间的方式形成于第二固体电解质层135。由于第三绝缘层134被配置在第二固体电解质层135和第三引线133之间，因此，由第三绝缘层134使第二固体电解质层135和第三引线133保持彼此绝缘。此外，第三引线133的后端部经由第五通孔134a、第七通孔135b和第九通孔140b电连接到所述另ー个感测部件侧端子41。第二引线119和第三引线133经由通孔120b保持在同一电位。第四电极138形成为例如大致矩形形状并且位于第二固体电解质层135的另ー个主表面(图2中的上侧的主表面)的前侧。如第三电极132的情况那样，第四电极138具有一定程度的孔隙(孔)，以允许来自外部的排放气体扩散(流动)。第四引线139位于第二固体电解质层135的所述另ー个主表面 的后侧，并且第四引线139的前端部被电连接到第四电极138的后端部。在第一实施方式中，如第三引线133的情况那样，使第四引线139比第四电极138致密。换句话说，第四引线139的孔隙率比第四电极138的孔隙率小(第四引线139的密度比第四电极138的密度太)。再换句话说，每单位体积的第四引线139的气体透过量比每単位体积的第四电极138的气体透过量小。由于在第一实施方式中第四引线139比第四电极138致密，因此，与第四引线139和第四电极138 —样致密的情况相比，第一实施方式中的第四引线139显示出较低的电阻并且能够进行良好的信号传输。第四绝缘层136以在第二固体电解质层135的长度方向上延伸的方式直接形成于第二固体电解质层135的所述另ー个主表面的后侧。即，在第一实施方式中，第四引线139以将第四绝缘层136夹在第四引线139和第二固体电解质层135之间的方式形成于第二固体电解质层135。由于第四绝缘层136被配置在第二固体电解质层135和第四引线139之间，因此，由第四绝缘层136使第二固体电解质层135和第四引线139保持彼此绝缘。贯穿表面保护层140而形成第十通孔140c，使得第四引线139的后端部经由通孔140c电连接到剩下的一个感测部件侧端子41。在第一实施方式中，第一至第四电极112、118、132和138的结构密度(气密性)被设定为相同的水平；第一至第四引线113、119、133和139的结构密度(气密性)被设定为相同的水平。如上所述，层间调整层120层叠在氧气浓度检测单元110和氧气抽吸単元130之间。在层间调整层120中，检测室120c被限定在第二电极118和第三电极132之间的位置。扩散限制构件121被配置在检测室120c的在固体电解质层115、135的宽度方向上的两侧，使得检测室120c经由扩散限制构件121与外部连通。各扩散限制构件121均具有一定程度的孔隙，使得不考虑传感器元件10外部的排放气体的流速而以恒定受限的速率将排放气体导入到检测室120c中。表面保护层140以将第四电极138和第四引线139夹在表面保护层140和第二固体电解质层135之间的方式层叠在第二固体电解质层135的所述另ー个主表面。贯穿表面保护层140的与第四电极138重叠的部分而形成孔140d。电极保护构件141被装配在孔140d 中。另ー方面，加热部件160具有主要由氧化铝形成的第一基板161和第二基板167 ;以及配置在第一基板161和第二基板167之间的加热电阻器165。端子42 (也称为“加热部件侧端子”)被配置在第一基板161的与加热电阻器165所在侧相反ー侧的表面。加热电阻器165具有主要由钼形成的加热部163 ;和在基板161、167的长度方向上从加热部163延伸的一对加热器引线164。贯穿第一基板161而形成通孔169a和169b,使得加热器引线164的端部经由通孔169a和16%电连接到加热器侧端子42。作为參考，下面将说明如上构造的气体传感器I的通常操作(气体浓度检测操作)。在气体传感器I的通常操作中，在外部控制装置的加热器控制电路的控制下，使加热部件160通电，以将感测部件100加热到活化温度(例如，600°C或者更高)。此外，通过使小电流(例如，15μΑ)经由端子41流过氧气浓度检测单元110而使第一电极112致动以用作氧气基准电极(基准氧气室)。在该状态下，当气体检测室120c的大气维持在理论空燃比时，在第一电极112 (基准氧气室的氧气浓度被保持在恒定的水平时)和第二电极118之间产生例如大约450mV的电压。由此，以将氧气浓度检测单元110的电压Vs调整为大约450mV并且将气体检测室120c的大气维持在理论空燃比的方式适当地控制流过氧 气抽吸単元130的电流Ip的流量和流动方向。气体传感器I输出作为检测信号的电流值Ip，从而基于电流输出Ip能够确定排放气体的氧气浓度。在上述电流控制下，氧气(氧气分子)被各电极112、118、132、138离解。由此产生的氧离子在固体电解质层115、135的厚度方向上传递通过固体电解质层115、135。下文中，第一固体电解质层115和第二固体电解质层135统称为“固体电解质层201” ；第一至第四绝缘层114、116、134和136统称为“绝缘层202” ;第一至第四电极112、118,132和138统称为“传感器电极204”;第一至第四引线113、119、133和139统称为“传感器引线205”。在第一实施方式中，如图3的(A)和图3的(B)所示，传感器元件10具有绝缘层202、传感器电极204和传感器引线205层叠于固体电解质层201的特定的层叠结构。在图3的(A)和图3的⑶中，作为典型示例示出了绝缘层116、第二电极118和第二引线119层叠在第一固体电解质层115上的层叠结构。更具体地，绝缘层202直接形成于固体电解质层201。传感器引线205直接形成于绝缘层202但不直接形成于固体电解质层201。此外，传感器引线205的前端205Y位于绝缘层202的前端202Y的在固体电解质层201的长度方向(图2中的水平方向)上的后方位置。传感器电极204的前端部204Y直接形成于固体电解质层201，传感器电极204的后端部204W(作为连接部)直接重叠并且覆盖传感器引线205的前端部，以在传感器电极204的后端部204W和传感器引线205之间建立重叠部300。中间部204P在前端部204Y和后端部204W之间延伸。换句话说，传感器电极204的后端部204W以将绝缘层202和传感器引线205夹在传感器电极204的后端部204W和固体电解质层201之间的方式位于固体电解质层201上。再换句话说，传感器电极204的前端部204Y与固体电解质层201的表面直接接触，传感器电极204的后端部204W与传感器引线205的表面直接接触；传感器电极204的中间部204P从固体电解质层201升高到绝缘层202。在传感器电极204和传感器引线205的最小厚度比较中，传感器引线205的厚度小于传感器电极204的厚度。此外，如上所述，使传感器引线205比传感器电极204致密。虽然图3的㈧和图3的⑶中未示出，但是，传感器引线205的后端在固体电解质层201的长度方向上位于绝缘层202的后端的前方位置。在上述层叠结构中，在传感器元件10中，传感器引线205位于绝缘层202上而不与固体电解质层201直接接触。即，由绝缘层202使传感器引线205和固体电解质层201保持绝缘，使得在电流经由传感器引线205流过传感器电极204之间的过程中，不会经由固体电解质层201在传感器引线205的整个长度之间产生电流。结果，仅在固体电解质层201的与传感器电极204(不包括传感器电极204的位于绝缘层202上的部分)位置对应的部分中发生氧离子的传递，而在固体电解质层201的与传感器引线205位置对应的部分中不发生氧离子的传递。这使得能够保护固体电解质层201不变黒，由此能够防止固体电解质层201变得易损坏。由此，能够有效地防止传感器元件10中发生裂纹，从而不会引起气体传感器I的检测精度的劣化。此外，由于传感器引线205比传感器电极204致密并且传感器引线205的电阻比传感器电极204的电阻小，因此，能够有利地进行传感器元件10 (传感器电极204)与外部控制装置之间的信号传输。如图4所示，可以通过如下エ序制造上述传感器元件10 :形成生坯(未烧结的)结构部件(步骤S10);使生坯结构部件彼此层叠(步骤S20);以给定压力将层叠的生坯结构 部件按压在一起(步骤S30);然后，对层叠的生坯结构部件进行树脂去除(有时也称为“粘接剂去除”)和烧结(步骤S40)。下面将更详细地说明传感器元件10的制造步骤。应该注意，在下面的说明中，为了方便起见，烧结前后的各结构部件用相同的附图标记表示。通过如下过程制作处于生坯(未烧结的)状态的第一基板161和第二基板167 (步骤S10)。首先，通过湿混由97质量％的氧化铝粉末和3质量％的ニ氧化硅构成的混和粉末、粘接剂以及增塑剂来制备浆体。通过使用刮刀装置进行片材成形处理而将所制备的浆体形成为片状(板状)。将所得到的片状材料切成预定尺寸并且用作未烧结的基板161和167。在给定位置贯穿未烧结的第一基板161而形成通孔169a和169b。通过制备含有钼作为主要成分的糊剂(步骤S10)并且将该糊剂丝网印刷到未烧结的第一基板161 (步骤S20)而制作处于生坯(未烧结的)状态的加热电阻器165。通过如下过程来制作处于生坯(未烧结的)状态的层间调整层120 (步骤S10):制备与第一基板161和第二基板167的片材相同的片材；将所制备的片材切成预定尺寸；并且在给定位置贯穿切割后的片材而形成检测室120c以及通孔120a和120b。通过湿混氧化铝粉末、碳粉末、粘接剂以及增塑剂并且将所得到的浆体涂布到层间调整层120来制作处于生坯(未烧结的)状态的扩散限制构件121。通过如下过程制作处于生坯(未烧结的)状态的表面保护层140 (步骤S10):制备与第一基板161和第二基板167的片材相同的片材；将所制备的片材切成预定尺寸；并且在给定位置于切割后的片材上形成通孔140a、140b和140c以及孔140d。此外，通过湿混由63质量％的氧化铝粉末、3质量％的ニ氧化硅和34质量％的碳粉末构成的混和粉末、粘接剂以及增塑剂并且将所得到的浆体涂布到表面保护层140来制作处于生坯(未烧结的)状态的电极保护构件141。通过如下过程制作处于生坯(未烧结的)状态的固体电解质层201 (步骤S10)。首先，通过湿混由97质量％的氧化锆粉末和3质量％的ニ氧化硅构成的混和粉末、粘接剂和增塑剂来制备浆体。将所制备的浆体形成为片状(板状)。将所得到的片材切成预定尺寸并且用作未烧结的固体电解质层201。在给定位置贯穿未烧结的固体电解质层201而形成通孔135a和135b。通过如下过程制作处于生坯(未烧结的)状态的绝缘层202 (步骤S10)。首先，假设氧化铝粉末和ニ氧化硅粉末的总量为100质量％，制备含有97质量％的氧化铝粉末和3质量％的ニ氧化硅粉末的浆体。此外，通过混和粘接剂、增塑剂和丙酮来制备粘接剂溶液。此外，制备有机溶剤。通过将粘接剂溶液和有机溶剂添加到所制备的浆体中、然后在使丙酮蒸发的状态下混炼(knead)所得到的混和物来制备绝缘层形成用糊剂。通过例如丝网印刷将所制备的糊剂作为未烧结的绝缘层202涂布到固体电解质层201的后侧。通过如下过程制作处于生坯(未烧结的)状态的传感器引线205 (步骤S10)。由导电材料(诸如钼、金等贵金属)、氧化锆粉末和氧化铝粉末来制备浆体。在第一实施方式中，钼颗粒用作导电材料。此外，制备有机溶剂以及由粘接剂、增塑剂和丙酮制成的溶液。通过将粘接剂溶液和有机溶剂添加到所制备的浆体、然后在使丙酮蒸发的状态下混炼所得到的混和物来制备引线形成用糊剂。通过例如丝网印刷将所制备的糊剂作为未烧结的传感器引线205涂布到绝缘层202。 通过如下过程制作处于生坯(未烧结的)状态的传感器电极204(步骤S10)。由导电材料(诸如钼、金等贵金属)和氧化锆粉末来制备浆体。在第一实施方式中，钼颗粒用作导电材料。此外，制备有机溶剂以及由粘接剂、增塑剂和丙酮制成的溶液。通过将粘接剂溶液和有机溶剂添加到所制备的浆体、然后在使丙酮蒸发的状态下混炼所得到的混和物来制备电极形成用糊剂。通过例如丝网印刷将所制备的糊剂作为未烧结的传感器电极204涂布到固体电解质层201的前侧和传感器引线205的前端部。在该阶段，传感器电极204和传感器引线205彼此连接。在形成传感器电极204和传感器引线205吋，以如下方式丝网印刷电极形成用糊剂和引线形成用糊剂在烧结之后，传感器引线205的厚度小于传感器电极204的厚度。此外，以如下方式形成传感器电极204和传感器引线205 :在烧结之后，传感器引线205比传感器电极204致密。可行的是，通过例如调整引线形成用糊剂中的粘接剂的量和电极形成用糊剂中的粘接剂的量而使传感器引线205比传感器电极204致密。更具体地，将引线形成用糊剂中的粘接剂的量设定为小于电极形成用糊剂中的粘接剂的量。由于在烧结过程中粘接剂被燃烧并且被去除，因此，在如此控制粘接剂量的情况下，使传感器引线205比传感器电极204致密。作为可选方案，可行的是，通过使引线形成用糊剂所用的导电材料的熔点比电极形成用糊剂所用的导电材料的熔点低而使传感器引线205比传感器电极204致密。由于在烧结过程中导电材料熔化，因此，通过如此地选择导电材料，使传感器引线205比传感器电极204致密。此外，作为可选方案，可行的是，通过使引线形成用糊剂所用的导电材料的粒径比电极形成用糊剂所用的导电材料的粒径小或者使引线形成用糊剂所用的导电材料的颗粒形状比电极形成用糊剂所用的导电材料的颗粒形状圆而使传感器引线205比传感器电极204致密。这里，可以利用例如氦泄漏检测器(He leak detector)(由Vacuum Instrument Corporation制造的“MS-5O”)通过所谓的“泄漏测试”来确定传感器电极204的结构密度(气密性)和传感器引线205的结构密度(气密性)。此外，通过如下过程制作处于生坯(未烧结的)状态的端子41和42 :制备氧化锆粉末和钼粉末构成的糊剂(步骤S10);将所制备的糊剂丝网印刷到对应基板上的适当通孔中并且干燥所制备的糊剂(步骤S20)。在生坯(未烧结的)结构部件彼此层叠(S20)之后，以给定压カ将层叠的生坯结构部件按压在一起(步骤S30)，然后，对生坯结构部件进行树脂去除和烧结(步骤S40)。由此，完成传感器元件10。通常，在以两个层部分地彼此重叠的方式通过例如丝网印刷形成所述两个层的情况下，当两个层中的较厚的那个层位于另ー个(较薄)层上时，在这两个层中不太可能发生裂纹。在第一实施方式中，如图3的(B)所示，传感器电极204和传感器引线205通过重叠部300而电连接，在重叠部300处，厚度较大的传感器电极204的后端部204W位于厚度较小的传感器引线205的前端部上并且覆盖传感器引线205的前端部。这使得与厚度较小的传感器引线205的前端部位于厚度较大的传感器电极204的后端部204W上并且覆盖后端部204W的情况相比能够更有效地防止在传感器电极204和传感器引线205中发生裂纹。由此，能够稳定地維持传感器电极204和传感器引线205的电连接(导通)。另外，由于使沿长度方向延伸的传感器引线205的厚度小于传感器电极204的厚度，因此，能够减少传感器引线205的原材料(特别是导电材料)的量，从而減少了传感器元件10的制造成本。第二实施方式 根据第二实施方式的传感器元件IOa在结构上与根据第一实施方式的传感器元件10类似，除了传感器元件IOa具有由绝缘层202a、传感器电极204a和传感器引线205a层叠于固体电解质层201a构成的不同的层叠结构(更具体地，传感器电极204a和传感器引线205a的位置/尺寸关系不同)之外。传感器元件IOa的其它构造与传感器元件10的构造相同，由此这里将被省略。如第一实施方式那样，传感器元件IOa被设计为气体传感器I的结构元件。在第二实施方式中，如第一实施方式那样，传感器引线205a以将绝缘层202a夹在传感器引线205a和固体电解质层201a之间的方式形成于固体电解质层201a。此外，传感器引线205a的前端205Ya位于绝缘层202a的前端202Ya的后方位置，并且传感器引线205a的后端位于绝缘层202a的后端的前方位置。由此，绝缘层202a必定位于固体电解质层201a和传感器引线205a之间。传感器电极204a的前端部204Ya直接形成于固体电解质层201a，并且传感器电极204a的后端部204Wa (作为连接部)直接形成于绝缘层202a并且被夹在绝缘层202a和传感器引线205a之间，以在传感器电极204a和传感器引线205a之间建立重叠部300a。在第二实施方式中，传感器引线205a的厚度等于传感器电极204a的厚度。如上所述，传感器引线205a位于绝缘层202a上而不与固体电解质层201a直接接触。由于不会经由固体电解质层201a在传感器引线205a之间产生电流，因此，如第一实施方式那样，在固体电解质层201a的与传感器引线205a位置对应的部分不会产生氧离子的传递。这使得能够保护固体电解质层201a不变黒，由此能够防止固体电解质层201a变得易损坏。由此，能够有效地防止传感器元件IOa中发生裂纹，从而不会引起气体传感器I的检测精度的劣化。在第二实施方式中可以采用如下过程制造传感器元件10a。通过制备原材料浆体、将原材料浆体形成为片状并且将片材切为预定尺寸来制作处于生坯(未烧结的)状态的固体电解质层201a。通过制备绝缘层形成用糊剂并且将所制备的糊剂丝网印刷到未烧结的固体电解质层201a来制作处于生坯(未烧结的)状态的绝缘层202a。通过制备电极形成用糊剂并且将所制备的糊剂丝网印刷到固体电解质层201a的前侧和绝缘层202a的前端部来制作处于生坯(未烧结的)状态的传感器电极204a。通过制备引线形成用糊剂并且将所制备的糊剂丝网印刷到固体电解质层201a的后侧和传感器电极204a的后端部204Wa来制作处于生还(未烧结的)状态的传感器引线205a。将如此获得的感测部件100进ー步与其它结构部件层叠在一起。在给定温度下对所得到的未烧结的传感器元件IOa进行按压，然后，对该未烧结的传感器元件IOa进行树脂去除和烧结。日本专利申请No. 2011-041209 (2011年2月28日提交)的全部内容通过引用包含于此。虽然上面參照具体的示例性实施方式已经说明了本发明，但是，本发明不限于上述示例性实施方式。根据上述示教，本领域技术人员将容易想到上述实施方式的各种变型和变化。例如，下面的变型是可以的。第一夺型例
在第一实施方式中，传感器引线205的厚度小于传感器电极204的厚度。另一方面，在第二实施方式中，传感器引线205a的厚度等于传感器电极204a的厚度。然而,传感器电极204、204a与传感器引线205、205a的厚度关系不限于此，而是可以被适当地设定。只要传感器引线205、205a以将绝缘层202、202a夹在传感器弓丨线205、205a与固体电解质层201、201a之间的方式形成于绝缘层202、202a，就能够防止固体电解质层201、201a由于流过固体电解质层201、201a的与传感器引线205、205a位置对应的部分的电流而变得易损坏，由此能够防止传感器元件10、10a中发生裂纹。第二变型例在上述实施方式中，传感器引线205、205a的前端205Y、205Ya位于绝缘层202、202a的前端202Y、202Ya的后方。然而，传感器引线205、205a的前端205Y、205Ya与绝缘层202,202a的前端202Y、202Ya的位置关系不限于此。作为可选方案，在固体电解质层201、201a的长度方向上，传感器引线205、205a的前端205Y、205Ya可以位于与绝缘层202、202a的前端202Y、202Ya相同的位置。即使这样的位置关系也能够防止固体电解质层201、201a由于流过固体电解质层201、20Ia的与传感器弓丨线205、205a位置对应的部分的电流而变得易损坏，由此能够防止传感器元件10、IOa中发生裂纹。第三变型例此外，如在图2和图3的⑷中看到的那样，在上述实施方式中，传感器电极204、204a的后端部204W、204Wa的宽度小于传感器引线205、205a的前端205Y、205Ya的宽度。然而，传感器电极204、204a的后端部204W、204ffa与传感器弓丨线205、205a的前端205Y、205Ya的宽度关系不限于此，而是也可以被适当地设定。作为可选方案，传感器电极204、204a的后端部204W、204Wa的宽度可以等于或大于传感器引线205、205a的前端205Y、205Ya的宽度，并且传感器电极204、204a的后端部204W、204Wa的宽度可以等于传感器电极204、204a的前端部204Y、204Ya的宽度。第四变型例虽然在上述实施方式中传感器电极204、204a通常为矩形形状，但是，电极204、204a不限于该矩形形状，作为可选方案，电极204、204a可以形成为诸如多边形形状和圆形形状等各种形状。第五变型例传感器元件10、10a不限于上述氧气传感器元件，而是可适用于用于检测待测气体中的特定气体成分或者測量待测气体中的特定气体成分的浓度的各种形式。例如，传感 器元件10、10a可以被设计用于NOx传感器。參照所附的权利要求书来限定本发明的范围。
权利要求
1.一种气体传感器元件，其用于检测待测气体中的特定气体成分的浓度，该气体传感器元件包括 板状的固体电解质层，该固体电解质层在其长度方向上延伸； 一对传感器电极，该对传感器电极配置于所述固体电解质层的前侧； 一对传感器引线，该对传感器引线配置于所述固体电解质层的后侧并且被电连接到相应的传感器电极；和 绝缘层，其中ー个绝缘层配置在所述ー对传感器引线中的一根传感器引线和所述固体电解质层之间，其中另ー个绝缘层配置在另ー根传感器引线和所述固体电解质层之间， 其中，所述传感器电极的后端部均位于相应的绝缘层上并且与相应的传感器引线的前端部重叠， 所述传感器引线比相应的传感器电极致密，并且所述传感器引线的前端均位干与相应的绝缘层的前端相同的位置或者位于相应的绝缘层的前端的后方位置。
2.根据权利要求I所述的气体传感器元件，其特征在于，所述传感器电极的后端部位于所述传感器弓I线的前端部上。
3.ー种气体传感器,其包括 权利要求I所述的气体传感器元件；和 壳体，在该壳体中保持所述气体传感器元件。
全文摘要
提供气体传感器元件和具有该气体传感器元件的气体传感器。该气体传感器元件包括固体电解质层；一对传感器电极，该对传感器电极配置于固体电解质层的前侧；一对传感器引线，该对传感器引线配置于固体电解质层的后侧并且被电连接到相应的传感器电极；和绝缘层，其中一个绝缘层配置在一根传感器引线和固体电解质层之间，其中另一个绝缘层配置在另一根传感器引线和固体电解质层之间。传感器电极的后端部位于相应的绝缘层上并且与相应的传感器引线的前端部重叠。传感器引线比相应的传感器电极致密，并且传感器引线的前端位于与相应的绝缘层的前端相同的位置或者位于相应的绝缘层的前端的后方位置。
文档编号G01N27/407GK102650611SQ20121004822
公开日2012年8月29日 申请日期2012年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者林裕之, 水谷正树, 鬼头隆行 申请人:日本特殊陶业株式会社