气体传感器的传感器元件制造技术

本发明专利技术提供气体传感器的传感器元件，即便在持续使用的情况下在内部空腔配备的电极的剥离也得到与以往相比更好的抑制。极限电流型的气体传感器的传感器元件具备：基体部，以氧离子传导性的固体电解质为构成材料；至少1个内部空腔，供被测定气体导入；至少1个泵单元，构成为包括面对内部空腔配置的内部空腔电极、在内部空腔以外的部位配置的空腔外泵电极、基体部中的存在于内部空腔电极与空腔外泵电极之间的部分，内部空腔电极包括贵金属、固体电解质及气孔，内部空腔电极中的包括基体部或与基体部连续的固体电解质的第一区域与贵金属及气孔占据的第二区域的边界的长度相对于固体电解质与内部空腔电极的边界的长度的比值即边界线长度比为1.1以上。即边界线长度比为1.1以上。即边界线长度比为1.1以上。

Sensor element of gas sensor

【技术实现步骤摘要】
气体传感器的传感器元件


[0001]本专利技术涉及极限电流型的气体传感器的传感器元件，特别涉及在传感器元件的内部空腔所配备的电极的构成。

技术介绍

[0002]以往，作为对汽车的发动机等内燃机中的燃烧气体、废气等被测定气体中的NOx的浓度进行测定的装置，众所周知将氧化锆(ZrO2)等氧离子传导性固体电解质陶瓷用于基体而形成传感器元件的NOx传感器(例如参见专利文献1及专利文献2)。
[0003]上述NOx传感器的传感器元件(NOx传感器元件)具备多种电极(泵电极、测定电极、基准电极等)。这些电极是：由成为催化剂的贵金属与作为电解质的氧化锆的复合材料形成且具有包含大量气孔的多孔质结构的、多孔质金属陶瓷电极。催化剂贵金属使用Pt及在Pt中添加微量的其他物质(例如Rh等贵金属等)得到的物质。NOx传感器元件利用其动作时电极所使用的催化剂贵金属的催化反应及基体所使用的氧化锆的氧离子传导性，因此，以加热到比较高温(600℃～900℃)的传感器元件驱动温度的状态进行使用。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1：日本特许第2885336号公报
[0007]专利文献2：国际公开第2019/188613号

技术实现思路

[0008]NOx传感器元件在使用时被加热到元件驱动温度，在不使用时成为常温。因此，越持续使用，越反复进行常温与元件驱动温度之间的升降温。此时，在元件所配备的电极中，因作为主要构成材料的金属(贵金属)成分与形成该电极的基底的固体电解质之间的热膨胀系数差而产生热应力。
[0009]在元件内部所设置的泵电极中，上述热应力能够成为该电极剥离的主要原因之一。如果电极剥离，则各泵单元中的泵电流产生异常。
[0010]实际上，通过将各电极构成为贵金属与固体电解质的金属陶瓷，使得上述剥离得到一定程度的抑制，但是，即使没有明显地发生剥离，有时泵电流也产生异常，认为这是由微观水平的剥离导致的。
[0011]本专利技术是鉴于上述课题而实施的，其目的在于，提供即便持续使用的情况下、在内部空腔所配备的电极的剥离也得到与以往相比更好的抑制的气体传感器的传感器元件。
[0012]为了解决上述课题，本专利技术的第一方案是极限电流型的气体传感器的传感器元件，其特征在于，具备：基体部，该基体部以氧离子传导性的固体电解质为构成材料；至少1个内部空腔，该至少1个内部空腔供被测定气体导入；至少1个泵单元，该至少1个泵单元构成为包括面对所述至少1个内部空腔而配置的内部空腔电极、在所述至少1个内部空腔以外的部位所配置的空腔外泵电极、以及所述基体部中的存在于所述内部空腔电极与所述空腔
外泵电极之间的部分，所述内部空腔电极包括贵金属、所述固体电解质以及气孔，所述内部空腔电极中的、包括所述基体部或与所述基体部连续的所述固体电解质的第一区域与所述贵金属及气孔所占据的第二区域的边界的长度相对于所述固体电解质与所述内部空腔电极的边界的长度的比值、即边界线长度比为1.1以上。
[0013]本专利技术的第二方案在第一方案所涉及的气体传感器的传感器元件的基础上，其特征在于，所述内部空腔电极具备：上侧层，该上侧层包括所述贵金属、所述固体电解质以及气孔；和下侧层，该下侧层包括所述贵金属及所述固体电解质，所述上侧层中的所述固体电解质的体积比为20％～40％，所述下侧层中的所述固体电解质的体积比为50％～60％。
[0014]本专利技术的第三方案在第一或第二方案所涉及的气体传感器的传感器元件的基础上，其特征在于，所述至少1个内部空腔具备氧浓度调整内部空腔，该氧浓度调整内部空腔用于对所述被测定气体的氧浓度进行调整，在所述氧浓度调整内部空腔所配置的所述内部空腔电极为氧浓度调整用的空腔内泵电极，所述至少1个泵单元具备氧浓度调整用泵单元，该氧浓度调整用泵单元构成为包括所述氧浓度调整用的空腔内泵电极、所述空腔外泵电极、以及所述基体部中的存在于所述氧浓度调整用的空腔内泵电极与所述空腔外泵电极之间的部分。
[0015]本专利技术的第四方案在第三方案所涉及的气体传感器的传感器元件的基础上，其特征在于，所述至少1个内部空腔还具备测定用内部空腔，该测定用内部空腔供预先被调整了氧浓度的所述被测定气体导入，在所述测定用内部空腔所配置的所述内部空腔电极为测定电极，所述至少1个泵单元具备测定泵单元，该测定泵单元构成为包括所述测定电极、所述空腔外泵电极、以及所述基体部中的存在于所述测定电极与所述空腔外泵电极之间的部分。
[0016]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气体传感器的传感器元件的基础上，其特征在于，所述边界线长度比为3.0以下。
[0017]专利技术效果
[0018]根据本专利技术的第一至第五方案，可实现即便持续使用、内部空腔电极的剥离也得到很好的抑制的气体传感器的传感器元件。
附图说明
[0019]图1是概要性地表示气体传感器100的构成的一例的图。
[0020]图2是表示沿着元件厚度方向的内侧泵电极22的部分截面的示意图。
[0021]图3是将图2所示的内侧泵电极22的部分截面的示意图中的第一区域RE1与第二区域RE2的边界BL1进一步明确化的图。
[0022]图4是以图3为对象用于说明第一区域RE1与第二区域RE2的边界BL1的长度的评价方法的图。
[0023]图5是内侧泵电极22Z的部分截面的示意图。
[0024]图6是将图5所示的内侧泵电极22Z的部分截面的示意图中的第一区域RE1与第二区域RE2的边界BL2进一步明确化的图。
[0025]图7是表示制作传感器元件101时的处理流程的图。
[0026]图8是表示最终成为内部空腔电极的图案的形成顺序的图。
[0027]图9是表示以实施例1～实施例6及现有例所涉及的气体传感器100为对象的加速剥离试验中的、以初始值为基准的主泵单元21的泵电压Vp0的变化率的图表。
[0028]符号说明
[0029]1～3
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第一～第三基板层、4
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第一固体电解质层、5
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隔离层、6
…
第二固体电解质层、10
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气体导入口、11
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第一扩散速度控制部、12
…
缓冲空间、13
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第二扩散速度控制部、20
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第一内部空腔、21
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主泵单元、22
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内侧泵电极、22L
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(内侧泵电极的)下侧层、22U
…
(内侧泵电极的)上侧层、23
…
外侧泵电极、30
…
第三扩散速度控制部、40
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第二内部空腔、41
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测定泵单元、42
…
基准电极、44
…
测定电极、50
…
辅助泵单元、51
…
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体传感器的传感器元件，其是极限电流型的气体传感器的传感器元件，所述气体传感器的传感器元件的特征在于，具备：基体部，该基体部以氧离子传导性的固体电解质为构成材料；至少1个内部空腔，该至少1个内部空腔供被测定气体导入；至少1个泵单元，该至少1个泵单元构成为包括面对所述至少1个内部空腔而配置的内部空腔电极、在所述至少1个内部空腔以外的部位所配置的空腔外泵电极、以及所述基体部中的存在于所述内部空腔电极与所述空腔外泵电极之间的部分，所述内部空腔电极包括贵金属、所述固体电解质以及气孔，所述内部空腔电极中的、包括所述基体部或与所述基体部连续的所述固体电解质的第一区域与所述贵金属及气孔所占据的第二区域的边界的长度相对于所述固体电解质与所述内部空腔电极的边界的长度的比值、即边界线长度比为1.1以上。2.根据权利要求1所述的气体传感器的传感器元件，其特征在于，所述内部空腔电极具备：上侧层，该上侧层包括所述贵金属、所述固体电解质以及气孔；和下侧层，该下侧层包括所述贵金属及所述固体电解质，所述上侧层中的所述固体电解质的体积比为20％～40％，所述下侧层中的所述固体电...

【专利技术属性】
技术研发人员：关谷高幸，渡边悠介，岩井志帆，
申请(专利权)人：日本碍子株式会社，
类型：发明
国别省市：