传感器元件制造技术

本发明专利技术抑制Pt的扩散以及由固体电解质层与绝缘层之间的热膨胀系数差所引起的开裂，从而使传感器元件长寿命化。平板状传感器元件的加热器部具有：加热器部件，其包含有Pt；绝缘层，其覆盖加热器部件；以及加热器电极，其暴露在传感器元件主面，且加热器部除了加热器电极以外的部分埋设于包含固体电解质的基体部，绝缘层以合计97～100wt％的重量比至少包含MgO、MgAl2O4以及Mg4Nb2O9，MgO、MgAl2O4以及Mg4Nb2O9的重量比分别为30～60wt％、30～60wt％、0.5～15wt％，绝缘层的气孔率为4％以下。

【技术实现步骤摘要】
传感器元件
本专利技术涉及使用氧离子传导性固体电解质而构成的传感器元件，特别涉及其加热器的结构。
技术介绍
以往，有这样一种装置：对汽车的发动机等内燃机的燃烧气体、或尾气等被测定气体中的规定气体成分(例如O2、NOx、HC、CO等)的浓度进行测定的装置，作为该装置，公知如下气体传感器，该气体传感器使用氧化锆(ZrO2)等氧离子传导性固体电解质而形成传感器元件。作为该气体传感器的传感器元件(气体传感器元件)，众所周知，其具有：将承担着作为对象的气体成分的检测等的传感器部和具有加热器的加热器部进行层叠而成一体化的结构，其中，所述加热器用于为了使构成所述传感器部的氧离子传导性固体电解质活化而对传感器部进行加热。具有该结构的传感器元件具有如下优点：在气体传感器的驱动开始时，能够将传感器元件(传感器部)提前加热至所期望的驱动温度(或者活化温度)。该加热器通常构成为包括：加热器部件，其具有包含Pt(铂)等金属的电阻发热部；以及绝缘层，其设置成包围加热器部件，以使得该加热器部件与周围电绝缘。作为构成绝缘层的绝缘材料，使用氧化铝、尖晶石等。如果持续地使用该传感器元件，则使用时的加热和使用后的冷却这种温度循环就会反复进行，但是，在绝缘层会随时产生：由绝缘层与周围的固体电解质层之间的热膨胀系数差所引起的应力。已公知如下传感器元件，该传感器元件为了抑制因该应力的作用而在绝缘层发生开裂，使该绝缘层为多孔质构造(例如参照专利文献1)。另外，还已公知如下传感器元件，该传感器元件为了缓和因该热膨胀差而产生的应力，对固体电解质层或绝缘层的热膨胀系数(热膨胀率)进行了调整(例如参照专利文献2及专利文献3)。专利文献2中公开如下方案，即，通过使构成固体电解质层的氧化锆为C相(立方相)与M相(单斜相)的混相，从而调整固体电解质层的热膨胀系数。另一方面，专利文献3中公开如下方案，即，通过在构成绝缘层的氧化铝中添加稀土元素，从而将绝缘层的热膨胀系数调整为与固体电解质层的热膨胀系数同等。此外，还已公知如下传感器元件，该传感器元件为了确保绝缘层和与该绝缘层相接触的固体电解质层的紧密接触性，使绝缘层中的仅与固体电解质层之间的界面部分致密化(例如参照专利文献4)。此外，还已公知如下圆筒形的传感器元件，该传感器元件致密地形成了绝缘层，并且，抑制了耐热冲击性的降低(例如参见专利文献5)。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特许第3668050号公报专利文献2：日本特许第3873302号公报专利文献3：日本特许第4980996号公报专利文献4：日本特许第3096281号公报专利文献5：日本特许第4573939号公报
技术实现思路
驱动传感器元件时的驱动温度(加热器的加热温度)可以根据传感器元件的结构、各构成部件的材质、针对传感器元件的要求性能等来适当确定。但是，对于具有以Pt来形成加热器部件且将绝缘层形成为多孔质的加热器的现有的传感器元件，在将驱动温度设定为850℃左右的比较高的温度而持续使用的情况下，与驱动温度较低的情形相比，具有容易产生如下不良情况的倾向，即，加热器电阻值随时间推移而增大，传感器元件不久就会不能使用。本专利技术的专利技术人进行了潜心研究，结果推测该加热器电阻值增大的原因在于：在驱动时成为高温状态的加热器部件的Pt成为气相而在多孔质的绝缘层内扩散。为了传感器元件的长寿命化，要求构成为能够抑制这样的使用时的Pt扩散，另一方面，需要与现有的传感器元件同样地还能够实现抑制由固体电解质层与绝缘层之间的热膨胀系数差所引起的开裂。专利文献1至专利文献5中，对于抑制传感器元件使用时的Pt扩散，均没有作出任何公开和暗示。本专利技术是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种：通过能够抑制使用时的Pt扩散同时还能够抑制由固体电解质层与绝缘层之间的热膨胀系数差所引起的开裂的发生从而实现长寿命化的传感器元件。为了解决上述课题，本专利技术的第一方案为平板状的传感器元件，其配备于对被测定气体中的规定气体成分进行检测的气体传感器，其特征在于，具备：基体部，该基体部包含作为氧离子传导性的固体电解质的氧化锆；以及加热器部，该加热器部对所述传感器元件进行加热，所述加热器部具有：包含有Pt的加热器部件，该加热器部件通过从外部被供电而发热；绝缘层，该绝缘层覆盖所述加热器部件；以及加热器电极，该加热器电极配备成暴露在所述传感器元件的主面，并与所述加热器部件电连接，所述加热器部除了所述加热器电极以外的部分埋设于所述基体部，所述绝缘层以合计97wt％～100wt％的重量比至少包含MgO、MgAl2O4以及Mg4Nb2O9，MgO的重量比为30wt％～60wt％，MgAl2O4的重量比为30wt％～60wt％，Mg4Nb2O9的重量比为0.5wt％～15wt％，所述绝缘层的气孔率为4％以下。本专利技术的第二方案在第一方案所涉及的传感器元件的基础上，其特征在于，所述绝缘层的至少900℃下的热膨胀系数为10.3～12.3(×10－6/℃)。本专利技术的第三方案在第一或第二方案所涉及的传感器元件的基础上，其特征在于，具备：气体导入口，该气体导入口设置于所述基体部的一方端部；至少1个内部空腔，该内部空腔设置于所述基体部的内部，并在规定的扩散阻力下与所述气体导入口连通；以及至少1个电化学泵单元，该电化学泵单元包含设置于所述基体部的外表面的外侧泵电极、面向所述至少1个内部空腔而设置的内侧泵电极、以及存在于所述外侧泵电极与所述至少1个内侧泵电极之间的所述固体电解质，并在所述至少1个内部空腔与外部之间进行氧的汲入及汲出，除了所述加热器电极以外的所述加热器部在从所述气体导入口至所述至少1个内部空腔为止的气体流通部的下方位置，通过所述固体电解质而与所述气体流通部隔离，并且，沿着所述气体流通部的延伸方向被配置。根据本专利技术的第一至第三方案，适当地抑制了下述情况下的Pt扩散、以及由固体电解质层与加热器绝缘层之间的热膨胀系数差所引起的开裂的发生，因此，实现了平板状的传感器元件的长寿命化，所述情况是指：在持续使用传感器元件且反复进行所谓使用时的加热和使用后的冷却这种温度循环。附图说明图1是概略性地表示气体传感器100的包含传感器元件101的沿着长度方向的垂直截面图在内的结构之一例的图。图2是图1的A－A’位置上的传感器元件101的与长度方向垂直的截面的概略图。图3是表示加热器部70的主要部分的概略的平面配置的图。图4是表示制作传感器元件101时的处理流程的图。图5是更详细地表示加热器部件72和加热器绝缘层74的形成所涉及的顺序的图。符号说明1…第一基板层；2…第二基板层；3…第三基板层；4…第一固体电解质层；5…隔离层；6…第二固体电解质层；10…气体导入口；11…第一扩散速度控制部；12…缓冲空间；13…第二扩散速度控制部；20…第一内部空腔；21…主泵单元；22…内侧泵电极；23…外侧泵电极；30…第三扩散速度控制部；40…第二内部空腔；41…测定用泵单元；42…基准电极；43…基准气体导入空间；44…测定电极；45…第四扩散速度控制部；48…大气导入层；50…辅助泵单元；51…辅助泵电极；70…加热器部；71(71a、71b、71c)…加热器电极；72…加热器部件；72a(72a1、72a2)…加热器导线；72b…电阻检测导线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种传感器元件，其是平板状的传感器元件，该传感器元件配备于对被测定气体中的规定气体成分进行检测的气体传感器，所述传感器元件的特征在于，具备：基体部，该基体部包含作为氧离子传导性的固体电解质的氧化锆；以及加热器部，该加热器部对所述传感器元件进行加热，所述加热器部具有：加热器部件，其包含有Pt，且该加热器部件通过从外部被供电而发热；绝缘层，该绝缘层覆盖所述加热器部件；以及加热器电极，该加热器电极配备成暴露在所述传感器元件的主面，并与所述加热器部件电连接，所述加热器部除了所述加热器电极以外的部分埋设于所述基体部，所述绝缘层以合计97wt％～100wt％的重量比至少包含MgO、MgAl2O4以及Mg4Nb2O9，MgO的重量比为30wt％～60wt％，MgAl2O4的重量比为30wt％～60wt％，Mg4Nb2O9的重量比为0.5wt％～15wt％，所述绝缘层的气孔率为4％以下。

【技术特征摘要】
2017.03.31 JP 2017-0720461.一种传感器元件，其是平板状的传感器元件，该传感器元件配备于对被测定气体中的规定气体成分进行检测的气体传感器，所述传感器元件的特征在于，具备：基体部，该基体部包含作为氧离子传导性的固体电解质的氧化锆；以及加热器部，该加热器部对所述传感器元件进行加热，所述加热器部具有：加热器部件，其包含有Pt，且该加热器部件通过从外部被供电而发热；绝缘层，该绝缘层覆盖所述加热器部件；以及加热器电极，该加热器电极配备成暴露在所述传感器元件的主面，并与所述加热器部件电连接，所述加热器部除了所述加热器电极以外的部分埋设于所述基体部，所述绝缘层以合计97wt％～100wt％的重量比至少包含MgO、MgAl2O4以及Mg4Nb2O9，MgO的重量比为30wt％～60wt％，MgAl2O4的重量比为30wt％～60wt％，Mg4Nb2O9的重量...

【专利技术属性】
技术研发人员：氏原浩佑，早濑徹，森本健司，
申请(专利权)人：日本碍子株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP