气体传感器制造技术

气体传感器具备在外表面设有多孔质层的传感器元件体、和向传感器元件体中的发热体投入电力的电力供给装置。设在进行通过气体传感器的气体检测的稳定状态下由电力供给装置向发热体投入的投入电力量为P[W]，传感器元件体中的设有发热体的发热区域的长度范围的体积为V[mm

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】气体传感器相关申请的相互参照本申请基于2017年10月31日提出的日本专利申请第2017－210404号主张优先权，这里引用其全部内容。
本公开涉及被规定了覆盖传感器元件体的多孔质层的平均厚度与供给传感器元件体中的发热体的电力的关系的气体传感器。
技术介绍
气体传感器例如被用于检测从内燃机排气的废气中的氧浓度或特定气体成分浓度。在气体传感器中，多使用将设有检测电极及基准电极的固体电解质层和通过通电而发热的发热体一体化而成的层叠型的传感器元件体。此外，在传感器元件体中的固体电解质层的一方的主面，内部配置检测电极的检测气体室和用来将检测气体向检测气体室导入的扩散阻力层相邻地形成。此外，在传感器元件体，设有至少将扩散阻力层的露出表面覆盖或将包括扩散阻力层的露出表面的全周围覆盖的多孔质层。多孔质层被用作如下目的：将电极从有毒物质、水等保护；或者将传感器元件体从飞散的水保护。作为这样的相当于层叠型的传感器元件体的气体传感器元件，例如有在专利文献1、2中的记载。在专利文献1的气体传感器元件中，记载了通过表面保护层(多孔质层)在固体电解质层为活性的高温时具有疏水性，使表面保护层的厚度成为20～150μm的范围内。此外，在专利文献2的气体传感器元件中，记载了将多孔质保护层(多孔质层)形成在当通过加热器的温度控制时成为500℃以上的温度状态的层叠体的区域中。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2011－117935号公报专利文献2：日本特开2016－48230号公报
技术实现思路
在专利文献1、2等所记载的以往的气体传感器或气体传感器元件中，考虑到气体传感器元件的早期活性化、抑制因受水造成的裂纹的发生等，决定多孔质层的厚度。但是，在对气体传感器要求的本质性的性能中，有作为传感器输出特性的检测精度及响应性。该检测精度受到传感器元件体的包括各电极及被各电极夹着的固体电解质层的部分在内的检测部的温度带来的影响。并且，通常检测部的温度越高，检测部中的氧等的分解反应越被促进，有检测精度及响应性变高的趋势。检测部的温度相应于检测部的受热量和检测部的散热量的热收支而变化。检测部的受热量尤其受到由从发热体的发热部向检测部施加的投入电力密度带来的影响。投入电力密度被表示为将向发热体的投入电力量用传感器元件体中的设有发热体的发热区域的长度范围的体积除得到的值。另一方面，检测部的散热量尤其在覆盖检测部的多孔质层受水时，受到因附着在多孔质层的表面的水蒸发时的蒸发热(气化热)带来的影响。由于多孔质层的厚度越小则其热容越小，所以可以想到能够减小向用来使检测部的温度成为目标温度的发热体的投入电力量。另一方面，多孔质层的厚度越小，检测部越容易受到因蒸发热带来的影响，可以想到检测部的散热量变大。因此可以想到，多孔质层的厚度越小，越需要增大向用来将检测部的温度维持为目标温度的发热体的投入电力量。此外可以想到，因为多孔质层的厚度越大、检测气体越不易到达检测部的理由，气体传感器的响应性变差。所以，为了将气体传感器的响应性维持得较高，还希望尽可能减小多孔质层的厚度。但是，根据专利技术者们的研究的结果可知，如果使多孔质层的厚度过小，则难以使检测部的温度成为目标温度，气体传感器的检测精度变差。为了决定投入电力量的大小，需要考虑上述的热容与蒸发热相反的因素。并且，专利技术者们研究的结果发现，在投入电力量与多孔质层的厚度之间，有超过本领域技术人员能够预测之范围的复杂的关系。在以往的气体传感器或气体传感器元件中，在与投入电力量的关系方面，没有关于能够将多孔质层的厚度减小多少的认识。因而可知，为了适当地维持检测部的温度，为了将气体传感器的检测精度维持得较高，需要能够适当地决定投入电力量和多孔质层的厚度的指标。本公开的目的是提供一种能够将检测精度维持得较高、能够提供在与投入电力密度的关系中能够知道多孔质层的厚度的容许最小值的指标的气体传感器。本公开的一技术方案是一种气体传感器，具备：传感器元件体，具有固体电解质层、设在上述固体电解质层的第1主面的检测电极、设在上述固体电解质层的第2主面的基准电极、以邻接于上述固体电解质层的上述第1主面而在内部配置上述检测电极的方式形成的检测气体室、被层叠在上述固体电解质层并用来向上述检测气体室导入检测气体的扩散阻力层、层叠在上述固体电解质层的绝缘层、埋设在上述绝缘层内并通过通电而发热的发热体及至少将上述扩散阻力层的露出表面覆盖的多孔质层；以及电力供给装置，对上述发热体进行通电；当设在进行上述气体传感器的气体检测的稳定状态下由上述电力供给装置向上述发热体投入的投入电力量为P[W]、以及设上述传感器元件体中的设有上述发热体的发热区域的长度范围的体积为V[mm3]、将投入电力密度X[W/mm3]设为由X＝P/V表示的值时，上述投入电力密度X和上述多孔质层的平均厚度Y[μm]满足Y≥509.32－2884.89X+5014.12X2的关系式。在上述一技术方案的气体传感器中，提供如下指标，该指标是在与电力供给装置向发热体投入的投入电力密度X的关系中、多孔质层的平均厚度Y应该设为多少以上的指标。该指标通过投入电力密度X与多孔质层的平均厚度Y的关系式来表示。该关系式也考虑到了多孔质层受水的情况，是通过进行实验或模拟而得到的。此外，该关系式为了维持气体传感器的检测精度，在与投入电力密度X的关系中规定能够使多孔质层的平均厚度Y变小的极限值。通过使投入电力密度X和多孔质层的平均厚度Y满足上述关系式，能够适当地维持传感器元件体的、包括各电极及被各电极夹着的固体电解质层的部分在内的检测部的温度，能够将气体传感器的检测精度维持得较高。详细情况在后述的实施方式中表示，上述关系式并不简单。在该关系式中，混合存在投入电力密度X越小则需要的多孔质层的平均厚度Y越大的关系、和投入电力密度X越大则需要的多孔质层的平均厚度Y越大的关系。也确认了，为了适当地维持检测部的温度、使多孔质层的平均厚度Y变得更小，对于投入电力密度X而言有适当的值。根据上述一技术方案的气体传感器，能够将气体传感器的检测精度维持得较高，提供如下指标，该指标在与投入电力密度的关系中能够知道多孔质层的厚度的容许最小值。在由气体传感器进行的气体检测中，有利用检测电极和基准电极的氧浓度或特定气体成分浓度的差的各种用途。作为气体检测的用途的例子，例如有检测根据废气的组成求出的内燃机的空燃比相对于理论空燃比处于燃料浓侧还是处于燃料淡侧的用途、定量地检测根据废气求出的内燃机的空燃比的用途、求出废气中的NOx成分浓度的用途等。此外，进行气体检测的稳定状态，与在气体传感器的启动时传感器元件体中的检测部的温度从常温到成为活性温度的过渡状态不同，是指将检测部的温度维持为作为目标温度的活性温度的状态。换言之，稳定状态也可以是指检测部的温度与目标温度平衡时的状态。检测部的目标温度可以设为600～800℃。电力供给装置的投入电力量通过设投入电力密度，可以成为考虑到传感器元件体中的设有发热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体传感器(1)，具备：/n传感器元件体(2)，具有：固体电解质层(31、31A、31B)；检测电极(311)，设置在上述固体电解质层的第1主面(301)；基准电极(312)，设置在上述固体电解质层的第2主面(302)；检测气体室(35)，以与上述固体电解质层的上述第1主面相邻并在内部配置上述检测电极的方式而形成；扩散阻力层(32)，层叠在上述固体电解质层，用来向上述检测气体室导入检测气体(G)；绝缘层(33A、33B)，层叠在上述固体电解质层；发热体(34)，埋设在上述绝缘层内，通过通电而发热；以及多孔质层(37)，至少将上述扩散阻力层的露出表面(321)覆盖；以及/n电力供给装置(5)，对上述发热体进行通电；/n当设在进行通过上述气体传感器的气体检测的稳定状态下由上述电力供给装置向上述发热体投入的投入电力量为P瓦特即PW、以及上述传感器元件体中的设置有上述发热体的发热区域(340)的长度范围(La)的体积为V立方毫米即Vmm

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171031 JP 2017-2104041.一种气体传感器(1)，具备：
传感器元件体(2)，具有：固体电解质层(31、31A、31B)；检测电极(311)，设置在上述固体电解质层的第1主面(301)；基准电极(312)，设置在上述固体电解质层的第2主面(302)；检测气体室(35)，以与上述固体电解质层的上述第1主面相邻并在内部配置上述检测电极的方式而形成；扩散阻力层(32)，层叠在上述固体电解质层，用来向上述检测气体室导入检测气体(G)；绝缘层(33A、33B)，层叠在上述固体电解质层；发热体(34)，埋设在上述绝缘层内，通过通电而发热；以及多孔质层(37)，至少将上述扩散阻力层的露出表面(321)覆盖；以及
电力供给装置(5)，对上述发热体进行通电；
当设在进行通过上述气体传感器的气体检测的稳定状态下由上述电力供给装置向上述发热体投入的投入电力量为P瓦特即PW、以及上述传感器元件体中的设置有上述发热体的发热区域(340)的长度范围(La)的体积为V立方毫米即Vmm3、投入电力密度X瓦特每立方毫米即XW/mm3为由X＝P/V表示的值时，
上述投入电力密度X和上述多孔质层的平均厚度Y微米即Yμm满足
Y≥509.32－2884.89X+5014.12X2
的关...

【专利技术属性】
技术研发人员：竹内亨，毛利友隆，今田将太，西岛大贵，三宅庆治，近藤春树，平田泰，
申请(专利权)人：株式会社电装，丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP