气体传感器的传感器元件及朝向传感器元件的保护层形成方法技术

传感器元件在自元件基体的一个端部起算为规定范围的外周部具备末端保护层，该元件基体在该一个端部设置有气体导入口，且被测定气体经过气体导入口而向内部导入，末端保护层具有内侧末端保护层和外侧末端保护层层叠而成的结构，该内侧末端保护层在以分别设置有气孔径为10nm以上且小于1μm的细孔的多孔质单片构成骨架结构的基质区域内存在1μm以上的尺寸的粗大空隙，该外侧末端保护层设置成将内侧末端保护层覆盖，且气孔率小于内侧末端保护层的气孔率，内侧末端保护层中，整体气孔率为40％以上90％以下，粗大空隙率为1％以上55％以下。以下。以下。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】气体传感器的传感器元件及朝向传感器元件的保护层形成方法


[0001]本专利技术涉及气体传感器的传感器元件，特别涉及其表面保护层。

技术介绍

[0002]以往，作为用于获知来自内燃机的废气等被测定气体中包含的所期望气体成分的浓度的气体传感器，众所周知有在由氧化锆(ZrO2)等具有氧离子传导性的固体电解质形成的基体的表面或内部具备若干电极的传感器元件(气体传感器元件)。作为该传感器元件，众所周知在具有长条板状的形状的基体的供被测定气体导入的部分所在侧的端部设置有由多孔质体形成的保护层(多孔质保护层)(例如参见专利文献1)。
[0003]在传感器元件的表面设置保护层的目的在于：确保气体传感器使用时的传感器元件的耐被水性。具体而言，其目的在于防止被水开裂，该被水开裂是指：由来自在传感器元件的表面所附着的水滴的热(冷热)所引起的热冲击作用于传感器元件，使得传感器元件的表面产生裂纹，进而导致传感器元件开裂。
[0004]另外，还已知隔热性能优异的多孔质材料，其中，作为骨架，具有氧化锆粒子和存在于氧化锆粒子表面的异种材料，且具有气孔径为纳米级的大量细孔(例如参见专利文献2)。
[0005]专利文献1中所公开那样的、以往的传感器元件的保护层中，通常，粒径为亚微米至微米级的大量陶瓷粒子三维随机地连续(连接)，由此构成骨架结构，在这些陶瓷粒子彼此之间形成的空隙作为气孔发挥作用。
[0006]从抑制被水开裂的观点出发，优选保护层的隔热性优异(热传导率较小)，但是，设置专利文献1所公开那样的构成的保护层的情况下，为了降低热传导率，不得不提高气孔率。但是，提高了保护层的气孔率的情况下，产生保护层本身的强度不足的问题。
[0007]还考虑通过将保护层形成得较厚来抑制热冲击到达元件基体且确保保护层的强度的对策，但是，保护层的厚度增大使传感器元件的比热(热容量)增大，甚至导致元件升温时间增加，所以不理想。
[0008]另外，虽然具有在保护层内形成的空隙的尺寸越大，传感器元件的比热(热容量)越小，元件升温时间越缩短的效果，但是，专利文献1所公开那样的保护层从其材质及制法上考虑难以形成大尺寸的空隙。
[0009]现有技术文献
[0010]专利文献
[0011]专利文献1：日本特开2014－98590号公报
[0012]专利文献2：日本特许第6407887号公报

技术实现思路

[0013]本专利技术是鉴于上述课题而实施的，其目的在于，提供具备优异的耐被水性、且保护
层的热传导率得以降低的气体传感器的传感器元件。
[0014]为了解决上述课题，本专利技术的第一方案是气体传感器的传感器元件，其特征在于，具备：元件基体，该元件基体为在一个端部设置有气体导入口且在内部具有沿着长度方向与所述气体导入口连通的气体流通部的陶瓷结构体，包含测定对象气体成分的被测定气体经过所述气体导入口而向所述气体流通部导入，所述测定对象气体成分通过在所述气体流通部内所设置的监测部而被监测；以及末端保护层，该末端保护层设置于自所述元件基体的所述一个端部起算为规定范围的外周部，所述末端保护层具有内侧末端保护层和外侧末端保护层层叠而成的结构，该内侧末端保护层在以分别设置有气孔径为10nm以上且小于1μm的细孔的多孔质单片构成骨架结构的基质区域内存在1μm以上的尺寸的粗大空隙，该外侧末端保护层设置成将所述内侧末端保护层覆盖，且气孔率小于所述内侧末端保护层的气孔率，所述内侧末端保护层中，整体气孔率为40％以上90％以下，与所述粗大空隙的气孔率相当的粗大空隙率为1％以上55％以下。
[0015]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，所述整体气孔率为50％以上90％以下。
[0016]本专利技术的第三方案在第二方案所涉及的传感器元件的基础上，其特征在于，所述整体气孔率为60％以上90％以下，所述粗大空隙率为10％以上55％以下。
[0017]本专利技术的第四方案在第一至第三方案中的任一方案所涉及的传感器元件的基础上，其特征在于，所述内侧末端保护层与所述元件基体的接触面积为所述元件基体中的由所述内侧末端保护层围绕的部分的全部面积的10％以上。
[0018]本专利技术的第五方案在第一至第四方案中的任一方案所涉及的传感器元件的基础上，其特征在于，在所述元件基体的由所述内侧末端保护层围绕的全部范围中的所述内侧末端保护层接触的部分，所述内侧末端保护层的厚度为50μm以上1000μm以下。
[0019]本专利技术的第六方案在第一至第五方案中的任一方案所涉及的传感器元件的基础上，其特征在于，将所述内侧末端保护层在厚度方向上虚拟地分为靠近表面的表面侧区域和靠近所述元件基体的基体侧区域的情况下，将仅所述表面侧区域中的粗大空隙率设为表面侧粗大空隙率x1，将仅所述基体侧区域中的粗大空隙率设为基体侧粗大空隙率x2时，粗大空隙率比x2/x1大于1。
[0020]本专利技术的第七方案在第六方案所涉及的传感器元件的基础上，其特征在于，x2/x1≥2.4。
[0021]本专利技术的第八方案是在气体传感器的传感器元件形成保护层的方法，其特征在于，包括：准备工序，该工序中，准备元件基体，该元件基体为在一个端部设置有气体导入口且在内部具有沿着长度方向与所述气体导入口连通的气体流通部的陶瓷结构体，包含测定对象气体成分的被测定气体经过所述气体导入口而向所述气体流通部导入，所述测定对象气体成分通过在所述气体流通部内所设置的监测部而被监测；第一形成工序，该工序中，在自所述元件基体的所述一个端部起算为规定范围的外周部形成内侧末端保护层；以及第二形成工序，该工序中，以将所述内侧末端保护层覆盖的方式形成气孔率比所述内侧末端保护层的气孔率小的外侧末端保护层，所述第一形成工序中，将所述元件基体浸渍于包含分别设置有气孔径为10nm以上且小于1μm的细孔的多孔质单片的浆料中，由此使所述浆料附着于所述内侧末端保护层的形成范围，从而形成所述内侧末端保护层，所述内侧末端保护
层在以所述多孔质单片构成骨架结构的基质区域内存在1μm以上的尺寸的粗大空隙，整体气孔率为40％以上90％以下，与所述粗大空隙的气孔率相当的粗大空隙率为1％以上55％以下。
[0022]根据本专利技术的第一至第八方案，传感器元件中能够得到20μL以上的至少为以往同等以上的耐被水性，且能够确保层本身的强度，并且，使内侧末端保护层的热容量降低。
[0023]特别是，根据第二、第三及第七方案，能够得到30μL以上的与以往相比足够大的值的耐被水性。
附图说明
[0024]图1是传感器元件(气体传感器元件)10的概要的外观立体图。
[0025]图2是包括传感器元件10的沿着长度方向的截面图在内的气体传感器100的构成的概要图。
[0026]图3是用于说明内侧末端保护层21的详细构成的示意图。
[0027]图4是某个内侧末端保护层21的一部分的截面SEM图像及其局部高倍率图像。
[0028]图5是表示利用压汞法(压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种传感器元件，其是气体传感器的传感器元件，所述传感器元件的特征在于，具备：元件基体，该元件基体为在一个端部设置有气体导入口且在内部具有沿着长度方向与所述气体导入口连通的气体流通部的陶瓷结构体，包含测定对象气体成分的被测定气体经过所述气体导入口而向所述气体流通部导入，所述测定对象气体成分通过在所述气体流通部内所设置的监测部而被监测；以及末端保护层，该末端保护层设置于自所述元件基体的所述一个端部起算为规定范围的外周部，所述末端保护层具有内侧末端保护层和外侧末端保护层层叠而成的结构，该内侧末端保护层在以分别设置有气孔径为10nm以上且小于1μm的细孔的多孔质单片构成骨架结构的基质区域内存在1μm以上的尺寸的粗大空隙，该外侧末端保护层设置成将所述内侧末端保护层覆盖，且气孔率小于所述内侧末端保护层的气孔率，所述内侧末端保护层中，整体气孔率为40％以上90％以下，与所述粗大空隙的气孔率相当的粗大空隙率为1％以上55％以下。2.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，所述整体气孔率为50％以上90％以下。3.根据权利要求2所述的传感器元件，其特征在于，所述整体气孔率为60％以上90％以下，所述粗大空隙率为10％以上55％以下。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的传感器元件，其特征在于，所述内侧末端保护层与所述元件基体的接触面积为所述元件基体中的由所述内侧末端保护层围绕的部分的全部面积的10％以上。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的传感器元件，其特征在于，在所述元件基体的由所述内侧末端保护层围绕的全部范围中的所述内侧末端保护层接触的部分，所述内侧末端保护层的厚度为50μm以上1000μm...

【专利技术属性】
技术研发人员：小木曾裕佑，近藤好正，上西克尚，
申请(专利权)人：日本碍子株式会社，
类型：发明
国别省市：