CN101561413B - 层叠式气体传感器元件和气体传感器 - Google Patents

Abstract

一种层叠式气体传感器元件，其沿着纵向方向延伸，具有检测部分，包括：板状元件主体，该板状元件主体具有嵌入式电阻加热体的加热层和具有层叠到该加热层的一对电极的检测层，该检测层具有沿着层叠方向延伸的竖直表面和垂直于层叠方向的水平表面；和覆盖元件主体的构成检测部分的竖直表面和水平表面的多孔保护层，其中在竖直表面上形成的保护层的厚度比在水平表面上形成的保护层的厚度厚。

Description

层叠式气体传感器元件和气体传感器

技术领域

本发明涉及一种层叠式气体传感器元件和一种结合该层叠式气体传感器元件的气体传感器。

背景技术

已知层叠式气体传感器元件是作为用于测量浓度或者检测在内燃机等的废气中包含的给定气体组分的气体传感器的元件。因为用于这种层叠式气体传感器元件中的固体电解质诸如氧化锆在300℃或者更高的高温下变成活性的，所以通常在利用被层叠到固体电解质的加热器加热的状态中使用固体电解质。结果，当在测量目标气体中的油滴或者水滴附着到气体传感器元件时，有时由于热冲击而破裂。为了解决这个问题，已知一项用于借助于多孔保护层而保护被暴露于测量目标气体的气体传感器元件的检测部分的技术。例如，已知一项用于通过在气体传感器元件的角部中加厚保护层而防止破裂发生的技术(专利参考文献1)。而且，已知一项用于通过使得气体传感器元件的具有检测部分的顶部的水平宽度尺寸小于另一部分的水平宽度尺寸并且沿着层叠方向的表面涂覆有保护层，从而抑制体积增加并且抑制热冲击的技术(专利参考文献2)。

[专利参考文献1]JP-A-2003-322632

[专利参考文献2]JP-A-2006-343297

发明内容

然而，上述技术具有几个缺点。即，本申请的发明人发现，破裂趋向于在构成气体传感器元件的层之间的边界部分处发生。具体地，当保护层未在边界部分处形成并且边界部分被暴露或者未在边界部分处设置具有足够厚度的保护层时，在测量目标气体中的油滴或者水滴附着到边界部分。结果，由于层相互之间的热收缩差异而产生热冲击，并且有时在层中发生破裂。另一方面，通过加厚保护层，能够抑制上述破裂。然而，这导致随着保护层的厚度增加而引起体积增加。因此，将传感器元件加热至使得固体电解质被激活的预定(激活)温度需要长的激活时间。即，更长的激活时间并且这成为抑制气体传感器快速起动的因素。

据此，本发明的一个目的在于解决上述相关技术的问题，并且抑制在边界部分处由于热冲击而发生破裂，同时限制由于在层叠式气体传感器元件中增加保护层的厚度而使得体积的增加。

根据第一方面(1)，本发明的目的通过提供一种层叠式气体传感器元件来实现，该层叠式气体传感器元件包括沿着纵向方向延伸的形状并且在层叠式气体传感器元件的前端侧中具有用于检测给定气体的检测部分，包括：长板形元件主体，该长板形元件主体包括具有嵌入式电阻加热体的加热层和具有层叠到该加热层的一对电极的检测层，并且所述检测层具有沿着层叠方向延伸的竖直表面和垂直于层叠方向的水平表面；和多孔保护层，该多孔保护层覆盖元件主体的构成该检测部分的竖直表面和水平表面，其中在竖直表面上形成的该保护层的厚度(t1)比在水平表面上形成的该保护层的厚度(t2)厚。

在根据第一方面的层叠式气体传感器元件(1)中，使得覆盖具有暴露边界部分的竖直表面的保护层比覆盖水平表面的保护层厚，该边界部分由于热冲击而易于破裂。以此方式，水滴比通过覆盖水平表面的更薄保护层更加缓慢地通过覆盖竖直表面的更厚保护层渗透，从而能够降低在竖直表面中发生的温度梯度并且能够抑制热冲击。而且，使得水平表面的保护层的厚度比竖直表面的厚度薄，并且由此，能够抑制由于保护层的增加而引起体积的增加，并且能够减少达到激活温度需要的时间。

如这里使用的，“竖直表面”指的是沿着长板形元件主体的层叠方向延伸的四个表面，“水平表面”指的是沿着垂直于长板形元件主体的层叠方向的方向的两个表面。

在优选实施例(2)中，在根据第一方面的层叠式气体传感器元件(1)中，该元件主体具有将竖直表面连接到水平表面的角部(ep)，检测部分的角部涂覆有保护层，并且在该角部上形成的保护层的厚度(t3)比在竖直表面上形成的保护层的厚度(t1)薄，并比在水平表面上形成的保护层的厚度(t2)厚。在该实施例中，使得与水平表面相比其中由于热冲击而趋向于破裂的角部处的保护层的厚度比水平表面的保护层的厚度厚。以此方式，也能够抑制施加到角部的热冲击。而且，角部比具有暴露边界部分的竖直表面更能够抵抗由于热冲击而发生的破裂，从而使得在角部处的保护层比竖直表面的保护层薄。因此，能够抑制由于保护层厚度的增加而引起的体积增加，并且也能够减少达到激活温度需要的时间。

如这里使用的，“在角部上形成的保护层的厚度”指的是在截取元件主体层叠方向的截面的情形中在保护层的表面和元件主体的角部之间的内接虚圆的直径。而且，“角部”指的是用于将竖直表面连接到水平表面的部分。该“角部”不限于两个表面在此处交叉的线性部分(即，边缘)，并且还包括其中两个表面例如以R形状结合的、具有曲面形状的部分。

在另一优选实施例(3)中，在根据上述(1)或(2)的层叠式气体传感器元件中，覆盖元件主体的竖直表面(vf)的保护层的厚度(1)在300μm到500μm的范围内，并且覆盖元件主体的水平表面(hf)的保护层的厚度(t2)在150μm到250μm的范围内。在此实施例中，在竖直表面的保护层中，水滴在保护层的气孔内部扩散时能够缓慢地渗透，从而能够抑制施加到竖直表面的热冲击。而且，能够抑制施加到水平表面的热冲击同时抑制体积的增加。另外，当覆盖该元件的竖直表面的保护层的厚度小于300μm时，存在其中不能充分地抑制施加到竖直表面的热冲击的情形。而且，当该厚度大于500μm时，存在其中由于体积增加而使得激活时间被延迟的情形。另一方面，当覆盖该元件的水平表面的保护层的厚度小于150μm时，存在其中不能充分地抑制施加到水平表面的热冲击的情形。

在优选实施例(4)中，在根据上述(1)或(2)的层叠式气体传感器元件中，该元件主体具有非多孔部分和在检测部分的水平表面处暴露的多孔部分，其中覆盖多孔部分的保护层的厚度(t4)比覆盖非多孔部分的保护层的厚度(t4)厚，并且覆盖多孔部分的所述厚度的保护层被设置成跨越在多孔部分和非多孔部分之间的边界。当多孔部分和非多孔部分被置于水平表面上时，在多孔部分中或者在多孔部分和非多孔部分之间的边界部分处，由于热冲击而趋向于破裂。然而，因为使得覆盖多孔部分或者边界部分的保护层比非多孔部分的保护层厚，所以在与非多孔部分的保护层中相比，水滴在更厚保护层的气孔内部扩散时能够更加缓慢地渗透。因此，能够降低在多孔部分或者边界部分中发生的温度梯度并且能够抑制热冲击。

在又一实施例(5)中，在根据上述(4)的层叠式气体传感器元件中，覆盖元件主体的多孔部分的保护层的厚度(t4)和覆盖元件主体的竖直表面(vf)的保护层的厚度(t1)在300μm到500μm的范围内。而且，覆盖元件主体的非多孔部分的保护层的厚度(t2)在150μm到250μm的范围内。在此实施例中，在竖直表面的保护层中，水滴在更厚保护层的气孔内部扩散时缓慢地渗透，从而能够抑制施加到竖直表面的热冲击。而且，在水平表面中，能够抑制热冲击同时抑制体积的增加。另外，当覆盖元件主体的多孔部分和竖直表面的保护层的厚度小于300μm时，存在其中施加到竖直表面的热冲击不能被充分地抑制的情形。而且，当该厚度大于500μm时，存在其中由于体积增加而使得激活时间被延迟的情形。在另一方面，当覆盖元件主体的非多孔部分的保护层的厚度小于150μm时，存在其中施加到水平表面的热冲击不能被充分抑制的情形。

在又一优选实施例(6)中，在根据(1)至(5)中任一项的层叠式气体传感器元件中，保护层包括覆盖竖直表面(vf)的第一层和具有比第一保护层的孔隙率高的孔隙率的第二层，第二保护层覆盖第一保护层和水平表面(hf)。在此情形中，使用具有比覆盖水平表面的第二保护层的孔隙率低的孔隙率的第一保护层覆盖竖直表面。以此方式，水滴比通过第二保护层更缓慢地通过第一保护层的气孔而渗透，从而能够降低在竖直表面中发生的温度梯度并且能够进一步地抑制热冲击。

在又一优选实施例(7)中，在根据上述(6)的层叠式气体传感器元件中，覆盖第一保护层的第二保护层的厚度(t2a)等于覆盖水平表面(hf)的第二保护层的厚度(t1a)。在此实施例中，能够利用均匀厚度的第二保护层容易地抑制由于热冲击而发生破裂。

在又一优选实施例(8)中，在根据上述(6)或(7)的层叠式气体传感器元件中，第一保护层的孔隙率在30％到40％的范围内，并且第二保护层的孔隙率在40％到60％的范围内。在此实施例中，水滴比通过第二保护层更缓慢地通过第一保护层的气孔而渗透，从而能够抑制热冲击。另外，当第一保护层的孔隙率小于30％时，存在其中第一保护层变得抵抗经过其的测量气体情形，并且不能以高准确度检测气体。而且，当第一保护层的孔隙率大于40％时，存在其中水滴趋向于通过保护层并且不能充分地抑制施加到水平表面的热冲击的情形。此外，当第二保护层的孔隙率大于60％时，存在其中水滴趋向于通过保护层并且不能充分地抑制施加到竖直表面的热冲击的情形。根据本发明的孔隙率由在通过引用并入于此的美国专利7,329,844中描述的技术来测量。

根据第二方面(9)，本发明的上述目的通过提供一种层叠式气体传感器元件来实现，该层叠式气体传感器元件沿着纵向方向延伸，在层叠式气体传感器元件的前端侧中具有用于检测给定气体的检测部分，包括：长板形元件主体，其包括具有嵌入式电阻加热体的加热层和具有层叠到加热层的一对电极的检测层，检测层具有沿着层叠方向延伸的竖直表面(vf)和垂直于层叠方向的水平表面(hf)；和覆盖元件主体构成检测部分的所述部分的竖直表面(vf)和水平表面(hf)的多孔保护层，其中该保护层包括覆盖竖直表面的第一保护层和具有比第一保护层的孔隙率高的孔隙率的第二保护层，该第二多孔层覆盖水平表面(hf)。

在根据第二方面的层叠式气体传感器元件(9)中，使用具有低于覆盖水平表面的第二保护层的孔隙率的孔隙率的第一保护层覆盖具有暴露的边界部分的竖直表面，该边界部分由于热冲击而易于破裂。因此，水滴比通过水平表面的保护层更缓慢地通过抵抗的第一保护层的气孔而渗透。结果，能够降低在竖直表面中发生的温度梯度并且能够抑制热冲击。

在优选实施例(10)中，在根据第二方面的层叠式气体传感器元件(9)中，该元件主体具有非多孔部分和在检测部分的水平表面(hf)处暴露的多孔部分，并且多孔部分的顶部涂覆有具有与第一保护层的孔隙率相等的孔隙率的第三保护层，并且其中第三保护层被设置成跨越在多孔部分和非多孔部分之间的边界。当多孔部分和非多孔部分被置于水平表面上时，在多孔部分中或者在多孔部分和非多孔部分之间的边界处，由于热冲击而趋向于发生破裂。然而，因为具有比第二保护层的孔隙率低的孔隙率的第三保护层被设置成跨越该边界部分，所以水滴比通过第二保护层更缓慢地通过第三保护层的气孔而渗透，从而能够抑制热冲击。

在又一实施例(11)中，在根据第二方面的(9)或(10)的层叠式气体传感器元件中，第一保护层和第三保护层的孔隙率在30％到40％的范围内，并且第二保护层的孔隙率在40％到60％的范围内。在此情形中，在中，水滴比通过第二保护层更缓慢地通过第一保护层或者第三保护层的气孔而渗透，从而能够抑制热冲击。另外，当第一保护层或者第三保护层的孔隙率小于30％时，存在其中这些层变得抵抗经过其的测量气体的情形，并且不能以高准确度检测气体。而且，当第一保护层或者第三保护层的孔隙率大于40％时，存在其中水滴趋向于通过保护层20并且不能抑制在水平表面中的热冲击的情形。此外，当第二保护层的孔隙率大于60％时，存在其中水滴趋向于通过保护层并且不能充分地抑制施加到竖直表面的热冲击的情形。

在又一优选实施例(12)中，在根据第二方面的(9)或(10)的层叠式气体传感器元件中，第一保护层、第二保护层和第三保护层的厚度各具有在150μm到250μm的范围内的厚度。在此情形中，在保护层中，水滴在相应保护层的气孔内部扩散时缓慢地渗透，从而能够抑制热冲击。

本发明能够在除了上述方面之外的不同方面中实现，并且能够以例如这样一种气体传感器的形式实现，该气体传感器包括：通过层叠具有嵌入式电阻加热体的基础材料和具有一对电极的检测层而以长板形状形成的用于检测测量目标气体的元件主体，以及用于支撑气体传感器元件主体的壳体。

附图说明

将参考下图详细地描述本发明的说明性的方面，其中：

图1是示出根据本发明第一示例性实施例的空气-燃料比传感器10的构造的说明图；

图2是示出根据本发明第一示例性实施例的气体传感器元件100的构造的说明图；

图3是示出气体传感器元件的外观的直观图；

图4是示出具有涂层的检测部分11的气体传感器元件的外观的直观图；

图5是示意沿着图4中的线5-5的截面视图的说明图；

图6是示意沿着图4中的线6-6的截面视图的说明图；

图7是示意在根据第二示例性实施例的气体传感器元件中沿着线5-5的截面视图的说明图；

图8是示意在根据第二示例性实施例的气体传感器元件中沿着线6-6的截面视图的说明图；

图9是示意在根据第三示例性实施例的气体传感器元件中沿着线5-5的截面视图的说明图；并且

图10是示意在根据第三示例性实施例的气体传感器元件中沿着线6-6的截面视图的说明图。

具体实施方式

将在下文中参考附图基于示例性实施例描述根据本发明的层叠式气体传感器元件和空气-燃料比传感器的构造，该空气-燃料比传感器是一种结合所述层叠式气体传感器元件的气体传感器。然而，本发明不限于如这里限定的那样构造。

A.第一示例性实施例

A1.空气-燃料比传感器的构造：

图1是示出作为本发明的第一示例性实施例的空气-燃料比传感器10的构造的说明图。空气-燃料比传感器10被附接到各种内燃机或汽车的排气管，并检测排气(测量目标气体)中的给定气体组分。空气-燃料比传感器10用于通过检测给定气体而在各种内燃机中执行空气-燃料比反馈控制。空气-燃料比传感器10包括气体传感器元件100、金属外壳200、连接端子300和外管400。将在下面详细地描述气体传感器元件100。

另外，在第一示例性实施例中，通过将图1的纸面下侧设为“前端侧”并且将图1的纸面上侧设为“后端侧”而进行说明。

金属外壳200支撑气体传感器元件100并保护气体传感器元件100不受外部冲击的影响并且将气体传感器元件100固定在预定位置中。金属外壳200具有管状形状并且在外表面中形成用于固定到内燃机的排气管的螺丝部分210，并且金属外壳200还包括开口部分220，在金属外壳200中超过螺丝部分210的前端侧中，开口部分220的内径是最小的。气体传感器元件100布置为穿过金属外壳200的管的内部，同时使得在下面描述的检测部分11超过开口部分220地突出。另外，金属外壳200对应于权利要求中的“壳体”。

为了定位气体传感器元件100，在金属外壳200和气体传感器元件100之间从前端侧顺序地层叠环形陶瓷保持器231、第一填充粉末232、第二填充粉末233和陶瓷套筒234。此外，在陶瓷套筒234和金属外壳200之间布置填料235，并且在陶瓷保持器231和金属外壳200之间布置金属保持器236。在金属外壳200的后端237中，陶瓷套筒234经由填料235阻塞。

通过焊接等将用于覆盖气体传感器元件100的检测部分11的内部保护器241和用于覆盖内部保护器241的外表面的至少一个部分的外部保护器242结合到金属外壳200的开口部分220。内部保护器241和外部保护器242由包括多个孔部243的金属诸如不锈钢形成。测量目标气体被从内部保护器241和外部保护器242的孔部243引导至保护器的内部，从而与气体传感器元件100形成接触。而且，通过在内部保护器241和外部保护器242中移动孔部的位置，减轻了其中水滴或者固体与气体传感器元件100形成直接接触的状况。

连接端子300被电连接到在下面描述的气体传感器元件100的第一电极端子部分119c、第二电极端子部分119d、第三电极端子部分119e和加热器侧电极端子部分124。连接端子300被连接到导线310，并且连接端子300通过导线310将利用气体检测由气体传感器元件100产生的电信号传输至控制器(未示出)。

外管400具有管形状。前端部分被固定到金属外壳200的外表面，并且利用外管400覆盖在气体传感器元件100和连接端子300之间的连接部分。在外管的内部布置管状绝缘接触构件410，并且在绝缘接触构件410的内部进行连接端子300和气体传感器元件1 00之间的连接。在绝缘接触构件410和外管400之间具有环形保持构件420，并且通过保持构件420将绝缘接触构件410固定在外管400的内部。在外管400的后端侧中布置用于密封外管400的开口的护孔圈430。通过护孔圈430将导线310连接到控制器。

A2.气体传感器元件的构造：

图2是示出作为第一示例性实施例的气体传感器元件100的构造的说明图。通过层叠检测元件110和加热器120而将气体传感器元件100形成为长板形状。另外，在图2中，在气体传感器元件100中的检测元件110被表示为“上侧”并且加热器120被表示为“下侧”。而且，图2中的纸面左侧被表示为“前端侧”并且纸面右侧被表示为“后端侧”。通过层叠氧浓度检测电池110a和氧泵电池110b，使得氧泵电池110b位于上侧，从而形成检测元件110，并且在前端侧中形成检测部分11。气体传感器元件100对应于这里所要求的元件主体，检测元件110对应于检测层并且加热器120对应于加热层。

氧浓度检测电池110a包括第一固体电解质层112、第一电极111a和第二电极113a。通过第一固体电解质层112的前端侧，第一电极111a被布置成与第二电极113a相对。第一固体电解质层112的后端侧包括第一通孔112c。而且，第一电极110a被布置在第一固体电解质层112的后表面112b(下侧)中从而被在下面描述的第一衬底121覆盖。在另一方面，第二电极113a被布置在第一固体电解质层112的前表面112a(上侧)中从而被暴露于在下面描述的测量腔室114a。另外，第一电极111a和第二电极113a被分别地连接到朝向后端侧延伸的第一引线部分111b和第二引线部分113b。氧浓度检测电池110a，作为氧浓度蓄电池元件，根据在第一电极111a和第二电极113a中的氧浓度之间的差异而产生电压。

氧泵电池110b包括第二固体电解质层116、第三电极115a和第四电极117a。第三电极115a被布置成通过第二固体电解质层116的前端侧而与第四电极117a相对。第二固体电解质层116的后端侧包括第四通孔116c和第五通孔116d。而且，第三电极115a被布置在第二固体电解质层116的后表面116b(下侧)中从而被暴露于在下面描述的测量腔室114a。在另一方面，第四电极117a被布置在第二固体电解质层116的前表面116a(上侧)中从而被在下面描述的多孔部分118b覆盖。另外，第三电极115a和第四电极117a被分别地连接到朝向后端侧延伸的第三引线部分115b和第四引线部分117b。当电势差施加在第四电极117a和第三电极115a之间时，氧泵电池110b移动在第二固体电解质层116内部的氧。具体地，氧泵电池110b通过移动氧而泵送氧进出测量腔室114a从而由氧浓度检测电池110a产生的电动势变得恒定(例如，450mV)。然后，检测元件110使用氧泵电池110b泵送氧进出测量腔室114a所需要的电流的数值(电流数值)作为指标而输出空气-燃料比的信息。

第一固体电解质层112和第二固体电解质层116由通过向氧化锆(ZrO2)添加作为稳定剂的氧化钇(Y2O3)或者氧化钙(CaO)而制成的局部稳定氧化锆烧结主体制造。

而且，第一电极111a、第二电极113a、第三电极115a、第四电极117a、第一引线部分111b、第二引线部分113b、第三引线部分115b和第四引线部分117b可以分别由铂系元素形成，优选地，由Pt、Rh、或Pd形成。此外，上述电极111a、113a、115a、117a中的每一个和引线部分111b、113b、115b、117b中的每一个均可以由一种材料形成或者可以由两种或者更多种材料形成。

此外，通过绝缘层114层叠氧浓度检测电池110a和氧泵电池110b并通过在氧泵电池110b的上表面上设置保护层118，由此制成检测元件110。

绝缘层114包括布置在第一固体电解质层112和第二固体电解质层116之间的测量腔室114a，并且还包括用于扩散和限制来自气体传感器元件100外部的测量目标气体并且允许测量目标气体流入测量腔室114a中的限制扩散层114b。此外，绝缘层114的后端包括第二通孔114c和第三通孔114d。绝缘层114不受具体限制，只要该层是具有绝缘性质的陶瓷烧结主体即可，并且此绝缘层114能够由诸如氧化铝或多铝红柱石的氧化物系陶瓷形成。而且，限制扩散层114b不受具体限制，只要该层是一种多孔体即可，并且该限制扩散层114b能够利用由例如氧化铝制成的多孔体形成。

保护层118包括主体部分118a、多孔部分118b、第六通孔118c、第七通孔118d和第八通孔118e。多孔部分118b被布置在置于第四电极117a的上表面的主体部分118a中的孔部中，气体传感器元件100外部的气体能够通过该多孔部分118b与第四电极117a形成接触。第六通孔118c、第七通孔118d和第八通孔118e被布置在保护层118的主体部分118a的后端中，并且第一电极端子部分119c、第二电极端子部分119d和第三电极端子部分119e被布置在每个通孔的上表面上从而覆盖每个通孔。上述电极端子部分119c、119d、以及119e能够由铂系元素形成，优选地，由Pt、Rh、或Pd形成。上述电极端子部分119c、119d、119e可以由一种材料形成或者可以由两种或者更多种材料形成。

另外，第一引线部分111b通过第一通孔112c、第二通孔114c、第四通孔116c和第六通孔118c而被连接到第一电极端子部分119c，而且，第二引线部分113b通过第三通孔114d、第五通孔116d和第七通孔118d而被连接到第二电极端子部分119d。第三引线部分115b通过第五通孔116d和第七通孔118d而被连接到第二电极端子部分119d。第四引线部分117b通过第八通孔118e而被连接到第三电极端子部分119e。

加热器120包括第一衬底121、第二衬底123和电阻加热体122。第一衬底121和第二衬底123由使用氧化铝作为主体的板形构件形成，从而夹持电阻加热体122，同时第一衬底121被翻到上侧。第二衬底123的后端侧包括加热器侧通孔123c，并且加热器侧通孔123c的下表面包括加热器侧电极端子部分124。电阻加热体122包括布置在顶端的加热部分122d，和从加热部分122d延伸到气体传感器元件100的后端侧的一对加热器引线部分122c。加热器引线部分122c通过置于第二衬底123中的加热器侧通孔123c而被连接到加热器侧电极端子部分124。

电阻加热体122和加热器侧电极端子部分124能够由铂系元素形成，优选地，由Pt、Rh、或Pd形成。电阻加热体122和加热器侧电极端子部分124可以由一种材料形成或者可以由两种或者更多种材料形成。

另外，第一电极111a、第二电极113a、第三电极115a、第四电极117a、第一引线部分111b、第二引线部分113b、第三引线部分115b和第四引线部分117b、第一电极端子部分119c、第二电极端子部分119d和第三电极端子部分119e、电阻加热体122和加热器侧电极端子部分124优选地以Pt作为主要组分地形成，从而提供耐热性和抗氧化性。此外，优选的是，除了主要组分的铂系元素以外，还含有陶瓷组分。陶瓷组分优选地是类似于用作层叠侧主体的材料(例如，用作第一固体电解质层112、第二固体电解质层116、保护层118的主体部分118a、第二衬底123的主体的材料)的组分，从而给予良好的固定特性。

A3.涂覆气体传感器元件：

图3是示出气体传感器元件的外观的直观图。气体传感器元件100的外表面包括竖直表面vf、水平表面hf和角部ep。竖直表面vf是沿着在气体传感器元件100的部件中的层叠检测元件110和加热器120的层叠方向延伸的表面。水平表面hf是在气体传感器元件100的部件中的检测元件110的最高表面和加热器120的最低表面。角部ep连接竖直表面和水平表面，并且被形成为线形形状或者表面形状。气体传感器元件100的前端侧用作用于通过限制扩散层114b将测量目标气体引入测量腔室114a中并且检测给定气体诸如氧气的检测部分11。

在操作中，检测部分11被加热器120加热并且处于300℃或者更高的高温状态中。作为其结果，当测量目标气体中的油滴或者水滴附着时，可以由于热冲击而发生破裂。在另一方面，在气体传感器元件100中，在检测部分11附近的竖直表面vf、水平表面hf和角部ep涂覆有涂层部分130。图4是示出检测部分11的外观的直观图，其中气体传感器元件被涂覆。另外，涂层部分130对应于如这里要求的保护层。

通过制造由尖晶石粉末、氧化钛和氧化铝溶胶制成的浆液而形成涂层部分130。该浆液被涂覆到气体传感器元件100的检测部分的附近，并且在1000℃的煅烧温度下进行3个小时(煅烧时间)的热处理。在施加浆液中，除了涂覆，可以使用喷射等来形成涂层。

图5是示意沿着图4的线5-5的截面视图的说明图。图6是示意沿着图4的线6-6的截面视图的说明图。涂层部分130形成为使得在竖直表面vf上的涂层厚度t1变得比在水平表面hf上的涂层厚度t2厚。而且，涂层部分130形成为使得在角部ep上的涂层厚度t3变得比t1薄并且变得比t2厚。此外，涂层部分130形成为使得在多孔部分118b上的涂层厚度t4变得比在水平表面hf上的涂层厚度t2厚，并且此外，具有涂层厚度t4的涂层部分130形成为跨越在多孔部分118b和主体部分118a之间的边界。例如，通过改变在气体传感器元件上涂覆浆液的次数来形成具有不同涂层厚度的涂层部分。进一步，通过改变喷射的时间来形成具有不同涂层厚度的涂层部分。

涂层部分130在竖直表面vf上的涂层厚度t1在300μm到500μm的范围内。涂层部分130在水平表面hf上的涂层厚度t2在150μm到250μm的范围内。涂层部分130在角部ep上的涂层厚度t3在150μm到500μm的范围内。涂层部分130在多孔部分118b的上表面附近的涂层厚度t4在300μm到500μm的范围内。另外，涂层部分130的孔隙率在40％到60％的范围内。

根据上述第一示例性实施例的层叠式气体传感器元件，使得涂层部分130在其中由于热冲击而趋向于发生破裂的竖直表面vf上的涂层厚度t1比在水平表面hf上的涂层厚度t2厚。以此方式，水滴比通过在水平表面hf上的涂层部分130更缓慢地通过在竖直表面上的涂层部分的气孔而渗透。进一步，能够降低在竖直表面中发生的温度梯度并且能够进一步抑制在竖直表面vf中的热冲击。而且，使得水平表面hf的涂层部分130的厚度比竖直表面vf的厚度薄。因此，在抑制施加到水平表面hf的热冲击的同时，能够抑制由于涂层而使得气体传感器元件的体积增加。同样，能够抑制将气体传感器元件的检测部分加热至激活温度所必要的时间的增加。

此外，根据第一示例性实施例的层叠式气体传感器元件，使得涂层部分130在其中由于热冲击而趋向于发生破裂的角部ep上的涂层厚度t3比在水平表面hf上的涂层厚度t2厚。以此方式，能够进一步地抑制施加到角部ep的热冲击。而且，使得水平表面hf的涂层部分130的厚度比角部ep的厚度薄。因此，在抑制施加到水平表面hf的热冲击的同时，能够抑制气体传感器元件的体积的增加。

根据第一示例性实施例的层叠式气体传感器元件，使得涂层部分130在多孔部分118b上的涂层厚度t4比在水平表面hf上的涂层厚度t2厚。进一步，利用具有涂层厚度t4的涂层部分130覆盖在多孔部分118b和主体部分118a之间的边界。因此，能够进一步抑制施加到多孔部分118b中或者多孔部分118b和主体部分118a之间的边界处的热冲击。而且，使得主体部分118a的水平表面hf的涂层部分130的厚度比多孔部分118b的厚度薄。因此，在抑制施加到水平表面hf的热冲击的同时，能够抑制气体传感器元件的体积的增加。

B.第二示例性实施例

将在第二示例性实施例中描述气体传感器元件100，其中使用具有不同孔隙率的涂层部分而改变在检测部分附近的涂层厚度。根据第二示例性实施例的气体传感器元件100的外观类似于图4所示的气体传感器元件100。在第二示例性实施例中，向其分配与第一示例性实施例的附图标识相同的附图标识的构件具有与第一示例性实施例的构件的功能相同的功能。例如，通过使用具有不同粒子直径的材料(浆液等)来形成具有不同孔隙率的涂层部分。进一步，在利用喷射涂覆传感器元件中，通过改变包括在该材料中升华材料的含量来形成具有不同孔隙度的涂层部分。进一步，通过改变喷射的时间或通过改变喷雾和气体传感器元件之间的距离来形成具有不同孔隙率的涂层部分。

图7是示意在根据第二示例性实施例的气体传感器元件中沿着线5-5的截面视图的说明图。图8是示意在根据第二示例性实施例的气体传感器元件中沿着线6-6的截面视图的说明图。在第二示例性实施例中，涂层部分130由具有不同孔隙率的第一涂层部分131、第二涂层部分132和第三涂层部分133构成。另外，第一涂层部分131和第三涂层部分133可以具有相同的孔隙率。在气体传感器元件100中，在检测部分附近的竖直表面vf涂覆有第一涂层部分131。而且，在气体传感器元件100中，多孔部分118b涂覆有第三涂层部分133，并且此第三涂层部分133被设置成跨越在主体部分118a和多孔部分118b之间的边界。此外，在气体传感器元件100中，在检测部分附近的第一涂层部分131、第三涂层部分133、角部ep和水平表面hf涂覆有第二涂层部分132。以类似于第一实施例的涂层部分130的方式，第二涂层部分132的孔隙率在40％到60％的范围内。第一涂层部分131和第三涂层部分133是多孔的，并且第一涂层部分131和第三涂层部分133的孔隙率低于第二涂层部分132的孔隙率并且在30％到40％的范围内。另外，在第二示例性实施例中，第一涂层部分131对应于第一保护层，第二涂层部分132对应于第二保护层，并且第三涂层部分133对应于第三保护层。

第二涂层部分132被形成为使得在竖直表面vf上的涂层厚度t1a、在水平表面hf上的涂层厚度t2a和在多孔部分118b上的涂层厚度t4a分别具有相同的厚度。而且，第二涂层部分132和第一涂层部分131被形成为使得在竖直表面vf上第一涂层部分131的涂层厚度t1b和第二涂层部分132的涂层厚度t1a的总和变得比在水平表面hf上第二涂层部分132的涂层厚度t2a厚。此外，第二涂层部分132和第一涂层部分131被形成为使得在角部ep上第二涂层部分132的涂层厚度t3a变得比在竖直表面vf上第一涂层部分131的涂层厚度t1b和第二涂层部分132的涂层厚度t1a的总和薄并且变得比在水平表面hf上第二涂层部分132的涂层厚度t2a厚。此外，第二涂层部分132和第三涂层部分133被形成为使得在多孔部分118b上第三涂层部分133的涂层厚度t4b和第二涂层部分132的涂层厚度t4a的总和变得比在水平表面hf上第二涂层部分132的涂层厚度t2a厚。

第二涂层部分132在竖直表面vf上的涂层厚度t1a、在水平表面hf上的涂层厚度t2a和在多孔部分118b的上表面附近的涂层厚度t4a在150μm到250μm的范围内。

在竖直表面vf上第一涂层部分131的涂层厚度t1b和第二涂层部分132的涂层厚度t1a的总和在300μm到500μm的范围内。第二涂层部分132在角部ep上的涂层厚度t3a在150μm到500μm的范围内。在多孔部分118b的上表面附近第三涂层部分133的涂层厚度t4b和第二涂层部分132的涂层厚度t4a的总和在300μm到500μm的范围内。

根据如上所述的第二示例性实施例的层叠式气体传感器元件，在气体传感器元件100中，竖直表面vf涂覆有第一涂层部分131，从而能够抑制施加到竖直表面vf的热冲击。此外，根据第二示例性实施例的层叠式气体传感器元件，在气体传感器元件100中，多孔部分118b涂覆有第三涂层部分133，并且第三涂层部分133被形成为跨越主体部分118a和多孔部分118b。以此方式，抑制施加到多孔部分118b和在多孔部分118b和主体部分118a之间的边界处的热冲击。

根据第二示例性实施例的层叠式气体传感器元件，不必要改变在第一涂层部分131和第二涂层部分132中的涂层厚度，从而易于形成并且能够容易地抑制由于热冲击而导致的破裂。

C.第三示例性实施例

将在第三实施例中描述气体传感器元件100，其中在检测部分的附近使用具有不同孔隙率的涂层部分进行涂覆。根据第三示例性实施例的气体传感器元件100的外观类似于图4所示的气体传感器元件100的外观。在第三示例性实施例中，向其分配与第一和第二示例性实施例的附图标识相同的附图标识的构件具有与第一和第二实施例的构件的功能相同的功能。

图9是示意在根据第三示例性实施例的气体传感器元件中沿着线5-5的截面视图的说明图。图10是示意在根据第三示例性实施例的气体传感器元件中沿着线6-6的截面视图的说明图。在气体传感器元件100中，在检测部分附近的竖直表面vf涂覆有第一涂层部分131。而且，在气体传感器元件100中，多孔部分118b涂覆有第三涂层部分133，并且此第三涂层部分133被形成为跨越在主体部分118a和多孔部分118b之间的边界。此外，在气体传感器元件100中，在检测部分附近的角部ep和水平表面hf涂覆有第二涂层部分132。

第一涂层部分131、第二涂层部分132和第三涂层部分133被形成为使得涂层厚度变得相同。第二涂层部分132被形成为使得各具有相同的厚度。第一涂层部分131被形成为使得在竖直表面vf上的涂层厚度t1c变得等于第二涂层部分132在水平表面hf上的涂层厚度t2c。而且，第三涂层部分133被形成为使得在多孔部分118b上的涂层厚度t4c变得等于第二涂层部分132在水平表面hf上的涂层厚度t2c。另外，第一涂层部分131、第二涂层部分132和第三涂层部分133的的涂层厚度在150μm到250μm的范围内。

根据上述第三示例性实施例的层叠式气体传感器元件，在气体传感器元件100中，利用具有低于第二涂层部分132孔隙率的孔隙率的第一涂层部分131或者第三涂层部分133涂覆其中由于热冲击而趋向于发生破裂的区域。结果，能够进一步地抑制对其中趋向于发生破裂的区域的热冲击而不改变涂层厚度。而且，能够抑制施加到每个区域的热冲击，同时抑制气体传感器元件的体积的增加。

D.修改实例

在不偏离本发明主旨的情况下，该层叠式气体传感器能够实现为各种修改实施例。

D1.修改实施例1：

在第一示例性实施例中，涂层部分130在水平表面hf上的涂层厚度t2在检测元件110的最高表面和加热器120的最低表面中是相等的，但是该涂层厚度可以是不同的。

D2.修改实施例2：

在第一示例性实施例中，涂层部分130被表示成使得在竖直表面vf上的涂层厚度t1和在多孔部分118b的上表面附近的涂层厚度t4是相同的，但是该厚度可以是不同的。

D3.修改实施例3：

在第二示例性实施例中，在检测部分附近的竖直表面vf涂覆有第一涂层部分131，并且多孔部分118b的上表面的附近全部涂覆有第三涂层部分133。然而，可以仅涂覆在检测部分附近的多孔部分118b和竖直表面vf的一部分。例如，仅在作为不同种类的部件的结合面的叠层界面的附近涂覆有第一涂层部分131，而其它部分涂覆有第二涂层部分132。

D4.修改实施例4：

在以上示例性实施例中，气体传感器元件100的角部ep被构造成表面，但可以是被构造成连接竖直表面vf和水平表面hf的部分的线条。在此情形中，在角部ep上的涂层厚度t3能够被设为例如在竖直表面vf和水平表面hf之间的角平分线上的涂层厚度。

D5.修改实施例5：

在示例性实施例中，气体传感器元件100的检测元件110通过层叠氧浓度检测电池110a和氧泵电池110b而形成。然而，本发明不限于此。例如，检测元件110可以仅由氧泵电池构成。

除了上述实施例和修改实施例以外，本发明能够以各种模式实现，并且能够被实现为例如一种层叠式气体传感器元件的制造方法，该层叠式气体传感器元件具有通过层叠具有嵌入式电阻加热体的基础材料和具有一对电极的检测层而以长板形状形成的元件主体。

对本领域的技术人员而言显而易见的是，可以作出如上所示出和描述的在本发明的形式和细节上的各种改变。意图在于这种改变包括在所附权利要求的精神和范围内。

此申请基于2008年4月14日提交的日本专利公开No.2008-104394，其公开内容通过引用整个并入于此。

Claims (8)

1.一种层叠式气体传感器元件，沿着纵向方向延伸，在所述层叠式气体传感器元件的前端侧具有用于检测给定气体的检测部分，所述层叠式气体传感器元件包括： 

板状元件主体，所述板状元件主体包括具有嵌入式电阻加热体的加热层和具有被层叠到所述加热层的一对电极的检测层，所述检测层具有沿着层叠方向延伸的竖直表面(vf)和垂直于所述层叠方向的水平表面(hf)；和 

多孔保护层，所述多孔保护层覆盖所述元件主体的构成所述检测部分的那一部分的竖直表面和水平表面， 

其中，在所述竖直表面上形成的保护层的厚度(t1)比在所述水平表面上形成的保护层的厚度(t2)厚， 

其中，所述元件主体具有连接所述竖直表面和所述水平表面的角部(ep)，所述检测部分的所述角部涂覆有所述保护层，并且，在所述角部上形成的保护层的厚度(t3)比在所述竖直表面上形成的保护层的厚度(t1)薄，但比在所述水平表面上形成的保护层的厚度(t2)厚。 

2.根据权利要求1所述的层叠式气体传感器元件， 

其中覆盖所述元件主体的所述竖直表面(vf)的保护层的厚度(t1)在300μm到500μm的范围内，并且覆盖所述元件主体的所述水平表面(hf)的保护层的厚度(t2)在150μm到250μm的范围内。 

3.根据权利要求1所述的层叠式气体传感器元件， 

其中所述元件主体具有非多孔部分和在所述检测部分的所述水平表面处暴露的多孔部分，并且 

其中，覆盖所述多孔部分的保护层的厚度(t4)比覆盖所述非多孔部分的保护层的厚度(t2)厚，并且覆盖所述多孔部分的保护层被设置成跨越所述多孔部分和所述非多孔部分之间的边界。 

4.根据权利要求3所述的层叠式气体传感器元件， 

其中覆盖所述元件主体的所述多孔部分的保护层的厚度(t4)和覆盖所述元件主体的所述竖直表面(vf)的保护层的厚度(t1)在300μm到500μm的范围内，并且 

其中覆盖所述元件主体的所述非多孔部分的保护层的厚度(t2)在150μm到250μm的范围内。 

5.根据权利要求1所述的层叠式气体传感器元件， 

其中所述保护层包括覆盖所述竖直表面(vf)的第一保护层和具有比第一保护层的孔隙率高的孔隙率的第二保护层，第二保护层覆盖所述第一保护层和所述水平表面(hf)。 

6.根据权利要求5所述的层叠式气体传感器元件， 

其中覆盖所述第一保护层的第二保护层的厚度(t2a)等于涂覆所述水平表面(hf)的第二保护层的厚度(t1a)。 

7.根据权利要求5所述的层叠式气体传感器元件， 

其中所述第一保护层的孔隙率在30％到40％的范围内，并且所述第二保护层的孔隙率在40％到60％的范围内。 

8.一种气体传感器，包括： 

用于检测测量目标气体的气体传感器元件；和 

用于支撑所述气体传感器元件的壳体， 

其中，所述气体传感器元件是根据权利要求1所述的层叠式气体传感器元件。 

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