传感器元件制造技术

本发明专利技术的课题在于抑制Pt的扩散、以及因固体电解质层与绝缘层之间的热膨胀系数差而引起的裂纹以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：含有Pt的加热构件；以90～99.9wt％的重量比含有热膨胀系数与构成元件的基体部的固体电解质不同的绝缘材料的绝缘层；以及在传感器元件主面露出的加热器电极，加热器部的加热器电极以外的部分埋设于基体部，绝缘层具有气孔率为20～40％的多孔质部以及气孔率为4％以下的致密部，加热构件被致密部覆盖，绝缘层中的致密部以外的部分为多孔质部，加热构件上的多孔质部与致密部的层叠部分的总厚度为25～100μm，层叠部分的致密部的厚度为5μm以上，层叠部分的致密部的厚度相对于多孔质部的厚度的比值为0.05～2.0。

【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构成的传感器元件，特别是涉及其加热器的结构。
技术介绍
以往，作为对汽车的发动机等内燃机中的燃烧气体、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，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形成传感器元件。作为这种气体传感器的传感器元件(气体传感器元件)，具有承担对成为对象的气体成分的检测等的传感器部、以及具有加热器的加热器部层叠、一体化后的结构的传感器元件广为人知，其中，加热器用于对传感器部进行加热以使构成这样的传感器部的氧离子传导性固体电解质活化。具有这样的结构的传感器元件具备如下优点：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)。这种加热器通常构成为包括：加热构件(heaterelement)，其具有由Pt(铂)等金属构成的电阻发热部；以及绝缘层，其设置成包围加热构件以使该加热构件与周围电绝缘。作为构成绝缘层的绝缘材料，使用氧化铝、尖晶石等。如果持续地使用这种传感器元件，则反复进行使用时的加热和使用后的冷却这样的温度循环，每次都会在绝缘层因与周围的固体电解质层之间的热膨胀系数差而产生应力。已知如下传感器元件，该传感器元件为了抑制因这样的应力的作用导致在绝缘层产生裂纹而将这样的绝缘层设为多孔质构造(例如参照专利文献1)。另外，还已知如下传感器元件，该传感器元件对固体电解质层或绝缘层的热膨胀系数(热膨胀率)进行了调整以缓和因这样的热膨胀差而产生的应力(例如参照专利文献2及专利文献3)。专利文献2中公开了如下方案：将构成固体电解质层的氧化锆设为C相(立方相)与M相(单斜相)的混相，由此调整固体电解质层的热膨胀系数。另一方面，专利文献3中公开了如下方案：在构成绝缘层的氧化铝中添加稀土元素，由此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等同。此外，还已知如下传感器元件，该传感器元件仅使绝缘层中的、相对于固体电解质层的界面部分实现致密化，以确保绝缘层、和与该绝缘层接触的固体电解质层的密接性(例如参照专利文献4)。此外，还已知如下圆筒形的传感器元件，该传感器元件致密地形成有绝缘层，并且能抑制耐热冲击性的降低(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、各构成要素的材质、针对传感器元件所要求的性能等而适当地规定。但是，对于具有由Pt形成加热构件且使得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，与驱动温度低的情况相比，呈现出容易产生如下不良情况的趋势：加热器电阻值随时间而增大，传感器元件不久便无法使用。本专利技术的专利技术人进行了潜心研究而推断为：这样的加热器电阻值增大的原因在于，驱动时形成为高温状态的加热构件的Pt变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，要求抑制这种使用时的Pt扩散的结构，另一方面，需要与现有的传感器元件同样地还能够实现对因固体电解质层与绝缘层的热膨胀系数差而引起的裂纹的抑制。专利文献1至专利文献5的任意文献中，对于抑制传感器元件使用时的Pt的扩散，既未予以任何公开也未给出任何启示。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传感器元件，该传感器元件能兼顾对使用时的Pt扩散的抑制、以及抑制因固体电解质层与绝缘层的热膨胀系数差产生裂纹而实现长寿命化。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，该基体部含有氧离子传导性的固体电解质；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：含有Pt的加热构件，该加热构件被从外部供电而发热；绝缘层，该绝缘层以90wt％～99.9wt％的重量比而含有热膨胀系数与所述固体电解质的热膨胀系数不同的绝缘材料；以及加热器电极，该加热器电极配备成在所述传感器元件的主面露出，并与所述加热构件电连接，所述加热器部的除了所述加热器电极以外的部分埋设于所述基体部，所述绝缘层具有：气孔率为20％～40％的多孔质部；以及气孔率为4％以下的致密部，所述加热构件被所述致密部覆盖，所述绝缘层中除了所述致密部以外的部分为所述多孔质部，所述加热构件上的所述多孔质部与所述致密部的层叠部分的总厚度为25μm～100μm，所述层叠部分的所述致密部的厚度为5μm以上，所述层叠部分的、所述致密部的厚度相对于所述多孔质部的厚度的比值为0.05～2.0。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，所述氧离子传导性的固体电解质为氧化锆，所述绝缘材料为α－氧化铝。本专利技术的第三方案在第一方案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个端部；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，该电化学泵单元包括外侧泵电极、内侧泵电极以及所述固体电解质，并在所述至少1个内部空腔与外部之间进行氧的吸入及吸出，其中，所述外侧泵电极设置于所述基体部的外表面，所述内侧泵电极设置成面对所述至少1个内部空腔，所述固体电解质存在于所述外侧泵电极与至少1个所述内侧泵电极之间，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个内部空腔的气体流通部的下方位置处因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而配置。根据本专利技术的第一方案至第三方案，持续使用传感器元件且反复进行使用时的加热和使用后的冷却这样的温度循环的情况下的、Pt的扩散以及因固体电解质层与加热器绝缘层之间的热膨胀系数差而产生的裂纹得到了适当的抑制，因此，实现了平板状的传感器元件的长寿命化。附图说明图1是包含传感器元件101的沿着长度方向的垂直剖视图的、概要地示出气体传感器100的结构的一例的图。图2是图1中的A－A’位置处的传感器元件101的与长度方向垂直的截面的概要图。图3是示出加热器部70的主要部分的概要的平面配置的图。图4是现有的传感器元件101的、与图1中的A－A’位置相当的位置处的截面的概要图。图5是示出制作传感器元件101时的处理流程的图。图6是更详细地示出加热构件72和加热器绝缘层74的形成所涉及的次序的图。附图标记说明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…第一扩散速度限制部；12…缓冲空间；13…第二扩散速度限制部；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…第三扩散速度限制部；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…测定电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种传感器元件，其是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的、平板状的传感器元件，所述传感器元件的特征在于，具备：基体部，该基体部含有氧离子传导性的固体电解质；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：含有Pt的加热构件，该加热构件被从外部供电而发热；绝缘层，该绝缘层以90wt％～99.9wt％的重量比而含有热膨胀系数与所述固体电解质的热膨胀系数不同的绝缘材料；以及加热器电极，该加热器电极配备成在所述传感器元件的主面露出，并与所述加热构件电连接，所述加热器部的除了所述加热器电极以外的部分埋设于所述基体部，所述绝缘层具有：气孔率为20％～40％的多孔质部；以及气孔率为4％以下的致密部，所述加热构件被所述致密部覆盖，所述绝缘层中的除了所述致密部以外的部分为所述多孔质部，所述加热构件上的所述多孔质部与所述致密部的层叠部分的总厚度为25μm～100μm，所述层叠部分的所述致密部的厚度为5μm以上，所述层叠部分的、所述致密部的厚度相对于所述多孔质部的厚度的比值为0.05～2.0。

【技术特征摘要】
2017.03.31 JP 2017-0722261.一种传感器元件，其是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的、平板状的传感器元件，所述传感器元件的特征在于，具备：基体部，该基体部含有氧离子传导性的固体电解质；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：含有Pt的加热构件，该加热构件被从外部供电而发热；绝缘层，该绝缘层以90wt％～99.9wt％的重量比而含有热膨胀系数与所述固体电解质的热膨胀系数不同的绝缘材料；以及加热器电极，该加热器电极配备成在所述传感器元件的主面露出，并与所述加热构件电连接，所述加热器部的除了所述加热器电极以外的部分埋设于所述基体部，所述绝缘层具有：气孔率为20％～40％的多孔质部；以及气孔率为4％以下的致密部，所述加热构件被所述致密部覆盖，所述绝缘层中的除了所述致密部以外的部分为所述多孔质部，所述加热构件上的所述多孔质部与所述致密部的层叠部分的总厚度为25μm～100μm，所述层叠部分的所...

【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