CN103018308A - 气体传感器元件、气体传感器及其制造方法 - Google Patents

气体传感器元件、气体传感器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气体传感器元件、气体传感器及其制造方法。气体传感器元件包括绝缘陶瓷基底、固体电解质体和加热元件。所述固体电解质体设置在所述绝缘陶瓷基底的开口中，并且具有粘附至其主表面之一的测量电极和粘附至其另一主表面的基准电极。所述测量电极暴露于待测量的气体。所述基准电极暴露于基准气体。所述加热元件用于激活所述固体电解质体，并且安装在与其上设置有所述基准电极的所述固体电解质体的表面在同一侧上的所述绝缘陶瓷基底的相对的表面之一上。具体而言，所述绝缘陶瓷基底设置在所述固体电解质体与所述加热元件之间，从而确保了所述加热元件与所述基准电极之间的期望的电绝缘程度。

Description

气体传感器元件、气体传感器及其制造方法
技术领域
本公开内容大体上涉及一种气体传感器元件，其可以安装在内燃机的排气管内以测量发动机的废气排放物的指定成分的浓度，更具体地涉及一种配备有固体电解质体的气体传感器，其至少呈现出氧离子传导性（conductivity）并且具有形成在其相对表面上的电极层对以及电激活加热器。本公开内容还涉及配备有上述类型的气体传感器元件的气体传感器及其制造方法。
背景技术
已知的气体传感器元件设置在从诸如汽车发动机等内燃机延伸的排气通路内，以测量废气排放物的指定气体成分，诸如氧气、氮氧化物（NOx）、氨，或氢等，从而控制发动机中燃料的燃烧或废气排放物控制系统的操作。
日本专利特开（first publication）No.H01-253649公开了上述类型的气体传感器元件，其配备有固体电解质体以及堆叠在固体电解质体上的加热元件。固体电解质体具有测量气体暴露（gas-exposed）电极和基准气体暴露电极。测量气体暴露电极形成在固体电解质体的表面上以暴露于待测量的气体（以下将称为测量气体）。基准气体接触电极也形成在固体电解质体的另一表面上以暴露于填充有基准气体的基准气体腔室。通过烧制传感器层和加热器层以制作固体电解质体和加热元件的叠置体来制造气体传感器元件。加热元件用于快速加热整个固体电解质体来将其激活。这种类型的气体传感器元件通常称为平面型气体传感器元件。
日本专利特开No.2002-228626公开了一种固体电解质氧传感器元件，其由感测部、绝缘层以及通过绝缘层堆叠在感测部上的加热部的叠置体构成。加热部配备有加热元件，加热元件用于激活感测部来正确地测量氧气的浓度。绝缘层避免从加热元件至感测部的电流泄漏。
日本专利特表（second publication）No.06-048258公开了一种氧气浓度传感器，其配备有中空绝缘陶瓷圆筒状物、氧气浓度测量装置、片状组件以及绝缘保护层。绝缘陶瓷圆筒状物具有封闭端和开口端。绝缘陶瓷圆筒状物在其中限定了通向开口端的基准气体腔室。绝缘陶瓷圆筒状物也具有形成在其外周壁中、与基准气体腔室连通的开口。氧气浓度测量装置装配在绝缘陶瓷圆筒状物的开口中并配备有粘附至其相对表面的电极。一个电极面向绝缘陶瓷圆筒状物外，而另一电极面向绝缘陶瓷圆筒状物内。片状组件由绝缘片以及粘附至绝缘片的加热器引线和电极引线构成。加热器引线和电极引线由金属膜形成。绝缘片也具有开口。片状组件缠绕（wraparound）绝缘陶瓷圆筒状物的外周，且开口面向氧气浓度测量装置。保护层是多孔的并且设置在封闭端和绝缘陶瓷圆筒状物的开口上。绝缘陶瓷圆筒状物和片状组件烧制在一起。氧气浓度测量装置的相对表面之一暴露于基准气体腔室，而另一表面通过保护层暴露于待测量的气体。
类似于日本专利特开No.H01-253649，图8（a）、8（b）和8（c）示出了气体传感器元件10g。稍后还将会描述气体传感器元件10g作为第1比较例。
气体传感器元件10z是平面型的，并且包括加热元件140z、固体电解质层100和形成在加热元件140z与固体电解质层100之间的基准气体腔室130z。允许高度电绝缘的空气进入到基准气体腔室130z中。基准气体腔室130z中的空气阻碍由加热元件140z所产生的热量传递至固体电解质层100z，从而导致激活固体电解质层100z以正确测量气体中的滞后。
气体传感器元件10z是平板形式的，其通常容易遭受热应力所引起的破裂。因此，需要增加绝缘层150z和160z的厚度，以便改善气体传感器元件10z的耐久度。然而，这导致了气体传感器元件10z的整体尺寸的增大，这又导致了热效率的下降和激活气体传感器元件10z中的滞后的增大。
上述日本专利特开No.2002-228626中所教导的氧气传感器具有在感测部与加热部之间的绝缘层。通过烧制印刷电路基板（green sheet）或使用丝网印刷技术来形成绝缘层。
其制造工艺中的减薄绝缘层可能导致诸如针孔（pinhole）等有待完善的缺陷。从而，测量气体穿过针孔到达加热元件。加热元件可以与测量气体中的污染物反应，然后升华，从而导致其劣化。增加绝缘层的厚度以便增大加热元件对氧化的抵抗从而确保其所要求的寿命将会导致氧气传感器的整体尺寸的增大。因此，需要大量的热能来加热绝缘层。换句话说，消耗了大量时间来加热并激活固体电解质层。
上述日本专利特表No.06-048258中所教导的氧气浓度传感器配备有具有形成在其外周壁中的开口的绝缘陶瓷圆筒状物。开口具有用作底座（seat）的内台肩（inner shoulder），由固体电解质体制成的氧气浓度测量装置装配在所述底座上。氧气浓度测量装置具有粘附至其相对表面的电极。氧气浓度测量装置的这种配置导致电极引线布局的复杂性，当烧制时电极引线布局的复杂性可能会导致电极引线、绝缘陶瓷圆筒状物和固体电解质体的破裂。
日本专利特表No.06-048258也教导了由两个分立片构成的绝缘片，所述两个分立片：一个是其上形成加热元件的加热器载体片，另一个是其上形成加热器引线和电极引线的电极载体片。加热器载体片和电极载体片分开地粘附至绝缘陶瓷圆筒状物，从而导致将由加热元件所产生的热能传递至电极载体片的缺乏。这导致了激活氧气浓度传感器中的滞后。此外，还需要将加热器载体片和电极载体片粘附至绝缘陶瓷圆筒状物，以便不相互重叠。这造成了氧气浓度传感器的制造中的不便。
发明内容
因此，本公开内容的一个目的是提供一种气体传感器元件，其用于测量气体的指定成分，并且设计成具有可快速激活的/易于制造的结构和/或呈现出增大的耐久度程度。
本公开内容的另一目的是提供一种配备有上述类型的气体传感器元件的气体传感器以及气体传感器元件的制造方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种气体传感器元件，其可以用于汽车车辆中，来测量从内燃机排出的废气中的氧气（O2）的比例，从而控制发动机中的空气-燃料比。
气体传感器元件包括：（a）绝缘陶瓷构件，其具有彼此相对的表面和形成在其中的通孔；（b）固体电解质体，其设置在所述绝缘陶瓷构件的所述孔中，并且用于传导至少一种给定离子，所述固体电解质体具有第一主表面和第二主表面；（c）测量电极，其设置在所述固体电解质体的所述第一主表面上，以暴露于所述气体；（d）基准电极，其设置在所述固体电解质体的所述第二主表面上，以暴露于基准气体，以及（e）加热元件，其设置在与所述固体电解质体的所述第二主表面在同一侧上的所述绝缘陶瓷构件的相对表面之一上，所述加热元件用于激活所述固体电解质体。
具体而言，高度电绝缘的所述绝缘陶瓷构件设置在所述固体电解质体与所述加热元件之间，从而确保所述加热元件与所述基准电极之间的期望的电绝缘程度。这使得从所述加热元件至所述基准电极的电流泄漏最小化，从而确保所述气体传感器元件的操作中的稳定性。
当启动所述加热元件时，由所述加热元件产生的热能通过具有高热导率的所述绝缘陶瓷构件传递到所述固体电解质体，从而加速了所述固体电解质体的激活并且快速建立了所述气体传感器元件的操作中的稳定性。
所述加热元件设置在与所述固体电解质体的所述第二主表面在同一侧上的所述绝缘陶瓷构件的表面上。因此，所述绝缘陶瓷构件用作所述加热元件和保护或屏蔽构件的机械支撑，从而使所述加热元件与所述气体隔离。这种结构改善了所述加热元件的使用寿命，并且使得所述气体传感器元件的整体尺寸减小。
在本实施例的优选模式中，所述气体传感器元件还可以包括：中空圆筒状陶瓷构件，其具有封闭端并且在其中限定了基准气体腔室，允许所述基准气体进入到所述基准气体腔室中，所述中空圆筒状陶瓷构件在其外周表面中还形成有与所述基准气体腔室连通的窗口。所述绝缘陶瓷构件堆叠在所述中空圆筒状构件上，且所述固体电解质体通过所述窗口暴露于所述基准气体腔室。所述加热构件插置在所述中空圆筒状陶瓷构件与所述绝缘陶瓷构件之间。
换句话说，所述加热元件覆盖有所述绝缘陶瓷构件和所述圆筒状陶瓷构件，从而使其免受所述气体和所述基准气体的影响，从而增强了所述气体传感器元件的操作中的稳定性。此外，使用所述圆筒状陶瓷构件也改善了所述气体传感器元件的机械强度以及对例如由溅水所产生的热应力破损的抵抗。
所述加热元件可以位于距离所述固体电解质体和所述基准电极中的一者给定绝缘间隔处。换言之，所述加热元件远离所述基准电极以及所述固体电解质体，从而可以使所述固体电解质体快速激活而无需从所述加热元件牺牲电绝缘性。所述绝缘间隔可以限定为所述加热元件的外周边缘与所述固体电解质体的外周边缘之间的最小距离以及所述加热元件的外周边缘与所述基准电极的外周边缘之间的最小距离中的较短者，并且所述绝缘间隔大于或等于0.1mm且小于或等于3mm。
在绝缘间隔小于0.1mm的情况下，电流可能会从所述加热元件泄漏至所述固体电解质体和/或所述基准电极，这导致了所述气体传感器元件的操作中的不稳定性。或者，在绝缘间隔大于3.0mm的情况下，增大了气体传感器元件的整体尺寸。因此，耗费太多的时间来通过所述加热元件激活所述固体电解质体。
所述固体电解质体由部分稳定的氧化锆制成，从而增强了所述固体电解质体的快速激活并且改善了所述气体传感器元件的耐久度。
所述绝缘陶瓷构件由氧化铝制成。氧化铝的使用增强了电绝缘性和热导率，从而进一步增强所述固体电解质体的快速激活。
根据本实施例的第二方面，提供了一种用于测量气体的给定成分的气体传感器，包括：（1）气体传感器元件，包括（a）绝缘陶瓷构件，其具有彼此相对的表面和形成在其中的通孔，（b）固体电解质体，其设置在所述绝缘陶瓷构件的所述孔中，并且用于传导至少一种给定离子，所述固体电解质体具有第一主表面和第二主表面，（c）测量电极，其设置在所述固体电解质体的所述第一主表面上，以暴露于所述气体，（d）基准电极，其设置在所述固体电解质体的所述第二主表面上，以暴露于基准气体，以及（e）加热元件，其设置在与所述固体电解质体的所述第二主表面在同一侧上的所述绝缘陶瓷构件的相对表面之一上，所述加热元件用于激活所述固体电解质体；（2）第一和第二信号线，分别通向所述基准电极和所述测量电极，用于将传感器输出传送至外部检测电路；（3）第一和第二导体，通向所述加热元件，用于与外部电源控制电路建立电连接，以控制至所述加热元件的电力供应；以及（4）外壳，所述气体传感器元件、所述第一和第二信号线以及电源导体容纳在所述外壳中。所述外壳设计成保持所述气体传感器元件以使其暴露于所述气体。
上述结构的气体传感器能够快速激活气体传感器元件，并确保气体传感器元件的操作中的稳定性和机械耐久性。这种结构也易于组装，并且使得其尺寸减小。
根据本实施例的第三方面，提供了一种气体传感器元件的制造方法，包括：（a）形成绝缘陶瓷构件，所述绝缘陶瓷构件是平面的且由电绝缘陶瓷材料制成，所述绝缘陶瓷构件具有相对的表面和通孔；（b）在所述绝缘陶瓷构件的所述通孔中形成固体电解质体，所述固体电解质体由传导至少一种给定离子的陶瓷材料制成并且具有第一主表面和第二主表面；（c）形成测量电极，所述测量电极设置在所述固体电解质体的所述第一主表面上以暴露于所述气体；（d）形成基准电极，所述基准电极设置在所述固体电解质体的所述第二主表面上以暴露于基准气体；（e）布置加热元件，所述加热元件设置在与所述固体电解质体的所述第二主表面在同一侧上的所述绝缘陶瓷构件的所述相对的表面之一上，所述加热元件用于激活所述固体电解质体；（f）制备中空圆筒状陶瓷构件，所述中空圆筒状陶瓷构件由电绝缘陶瓷材料制成并且具有封闭端和开口端，所述中空圆筒状陶瓷构件还具有形成在其外周表面中的窗口；（g）使所述绝缘陶瓷构件缠绕所述中空圆筒状陶瓷构件，且所述基准电极面向所述中空圆筒状陶瓷构件的所述窗口；以及（h）烧制所述绝缘陶瓷构件所缠绕的所述中空圆筒状陶瓷构件。
上述制造方法实现了气体传感器元件的快速激活，并改善了其耐久度。
所述绝缘陶瓷构件和所述固体电解质体的所述形成步骤制备平面固体电解质材料和平面绝缘陶瓷材料的叠置体，并且对所述叠置体进行冲孔以制作所述绝缘陶瓷构件中的所述通孔和从所述平面固体电解质材料切出的所述固体电解质体，以使所述固体电解质体的尺寸基本上与所述通孔的尺寸相同，并且同时将所述固体电解质体放置在所述通孔中，从而简化了气体传感器元件的制造工艺。
附图说明
由以下给出的详细描述并且由本发明的优选实施例的附图，将会更充分地理解本发明，然而这些详细描述和附图不应当视为将本发明限制于特定实施例，其仅是出于解释和便于理解的目的。
在附图中：
图1（a）是示出根据实施例的气体传感器元件的局部纵截面图；
图1（b）是示出安装在图1（a）的气体传感器元件中的加热元件的透视图；
图1（c）是沿图1（a）中的线A-A截取的局部横截面图；
图1（d）表示图1（c）的气体传感器元件中的温度分布的示图；
图2是示出配备有图1（a）至1（d）的气体传感器元件的气体传感器的纵截面图；
图3（a-1）、3（b-1）、3（c-1）和3（d-1）是示出制造安装在图1（a）至1（d）的气体传感器元件中的绝缘陶瓷基底和固体电解质体的组件的冲孔步骤的顺序的局部纵截面图；
图3（a-2）、3（b-2）、3（c-2）和3（d-2）分别是示出如图3（a-1）、3（b-1）、3（c-1）和3（d-1）中所示的冲孔步骤中的产品的局部透视图；
图4是示出图1（a）至1（d）的气体传感器元件的分解透视图；
图5（a）示出其上设置测量电极的图1（a）至1（d）的气体传感器元件的绝缘陶瓷基底的表面的平面图；
图5（b）是图5（a）的纵截面图；
图5（c）是示出其上设置基准电极和加热元件的图1（a）至1（d）的气体传感器元件的绝缘陶瓷基底的表面的平面图；
图5（d）是示出如何使图5（a）至5（c）的绝缘陶瓷基底缠绕圆筒状陶瓷基底的截面图；
图6（a）是示出其上设置加热元件和基准电极的气体传感器元件的修改形式的绝缘陶瓷基底的表面的局部平面图；
图6（b）是图6（a）的局部纵截面图；
图6（c）是示出其上设置测量电极的图6（a）和6（b）的气体传感器元件的绝缘陶瓷基底的表面的局部平面图；
图6（d）是图6（a）至6（c）的气体传感器元件的局部横截面图；
图6（e）是示出缠绕圆筒状陶瓷基底的图6（a）至6（e）的绝缘陶瓷基底的局部横截面图；
图7（a）和7（b）是示出粘附至气体传感器元件的修改形式的绝缘陶瓷基底的引线的局部侧视图；
图7（c）是示出缠绕圆筒状陶瓷基底的绝缘陶瓷基底以及具有外部电源控制电路和外部检测器电路的电连接部的横截面图；
图7（d）是示出用于建立气体传感器元件与图7（c）的外部电源控制电路和外部检测器电路的电连接部的弹簧连接器的纵截面图；
图8（a）是示出气体传感器元件的第1比较例的分解透视图；
图8（b）是沿图8（a）中的线A-A截取的局部横截面图；
图8（c）是表示图8（a）和8（b）的气体传感器元件中的温度分布的局部横截面图；
图9（a）是示出气体传感器元件的第2比较例的分解透视图；
图9（b）是图9（a）的气体传感器元件的局部横截面图；
图9（c）是表示图9（a）和9（b）的气体传感器元件中的温度分布的局部横截面图；
图10（a）是示出气体传感器元件的第3比较例的分解透视图；
图10（b）是图10（a）的气体传感器元件的局部纵截面图；
图10（c）是图10（a）的气体传感器元件的横截面图；
图11（a）是示出气体传感器元件的第4比较例的分解透视图；
图11（b）是图11（a）的气体传感器元件的局部横截面图；
图12（a）是示出气体传感器元件的第5比较例的分解透视图；
图12（b）是图12（a）的气体传感器元件的局部横截面图；
图13（a）是示出气体传感器元件的第6比较例的分解透视图；
图13（b）是图13（a）的气体传感器元件的局部横截面图；
图14（a）是示出气体传感器元件的第7比较例的分解透视图；
图14（b）是图14（a）的气体传感器元件的局部横截面图；
具体实施方式
现在参照附图，在附图中类似的附图标记指代若干示图中的类似部分，具体地参照图1（a）至1（d），示出了根据第一实施例的气体传感器元件10。
气体传感器元件10可以安装在测量从内燃机排出的废气（以下将称为测量气体）中的氧气（O2）的比例的所谓的λ传感器中，或者安装在用于测量废气中所含有的氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、碳氢化物（HC）或一氧化碳（CO）的浓度从而控制发动机中的空气-燃料比的气体传感器中。
以下讨论将会涉及气体传感器元件10，其由安装在例如氧气传感器中的、具有氧气离子传导性的固体电解质材料制成。
如图1（a）和1（b）中所示，气体传感器元件10由传感器/加热器叠层片20和底部中空圆筒状陶瓷基底13构成。传感器/加热器叠层片20缠绕圆筒状陶瓷基底13，并且由固体电解质体100、测量电极110、测量电极引线111、测量电极端子112、基准电极120、基准电极引线121、基准电极端子122、加热元件140、加热器引线141和142、电源端子145和146、测量气体腔室170、扩散抵抗层180、倾斜测量气体入口表面181、屏蔽层190、缓冲层191和绝缘陶瓷基底200构成。圆筒状陶瓷基底13由基准气体腔室130、外周侧壁131、通孔132和封闭端133构成。
固体电解质体100具有相对的主表面。待暴露于测量气体的测量电极110设置在固体电解质体100的主表面之一上。待暴露于允许进入到气体传感器元件10中作为基准气体的空气的基准电极120安装在固体电解质体100的另一主表面上。固体电解质体100、测量电极110和基准电极120构成感测机构，以下也将会称为感测部。
绝缘陶瓷基底200由具有电绝缘特性的、诸如氧化铝等的陶瓷材料制成。绝缘陶瓷基底200的厚度与固体电解质体100相同。固体电解质体100是以层的形式，并装配在形成在绝缘陶瓷基底200中的通孔（即，窗口）201中。固体电解质体100的主表面可以与绝缘陶瓷基底200的表面齐平、略微突起或者略微下沉。
圆筒状陶瓷基底13具有电绝缘特性的、诸如氧化铝等的陶瓷材料制成，并且具有封闭端133和与封闭端133相对的开口端134。圆筒状陶瓷基底13在其中限定了基准气体腔室130，允许空气进入到基准气体腔室130中作为基准气体。圆筒状陶瓷基底13还具有形成在侧壁131的部分中的通孔132，通孔132设置为距离封闭端133比距离开口端134更近。
绝缘陶瓷基底200缠绕圆筒状陶瓷基底13的外部外周。孔201和132相互重合。设置在固体电解质体100的表面上的基准电极120面向孔132，并且直接暴露于基准气体腔室130中的空气。
设置在固体电解质体100上的测量电极110面向测量气体腔室170。具体而言，测量气体腔室170围绕测量电极110的整个主表面。测量电极110直接暴露于基准气体腔室170中的基准气体。
测量电极110和基准电极120分别耦合至测量电极引线111和基准电极引线121，测量电极引线111和基准电极引线121与外部电源（未示出）和检测器电路或控制器（未示出）连接。
如在图4中清楚地示出，加热元件140基本上为C形，并且粘附至与固体电解质体100上的基准电极120齐平的绝缘陶瓷基底200的主表面。如在图1（c）中可以看出，加热元件140位于距离基准电极120电绝缘间隔d处，并且如图4所示，环绕测量电极110的外周。固体电解质体100的宽度可以大于气体传感器元件10的圆周方向上的基准电极120的宽度。在这种情况下，绝缘间隔d是加热元件140与固体电解质体100之间的距离。也就是说，绝缘间隔d是加热元件140的内边缘与基准电极120的外边缘之间的最小距离以及加热元件140的内边缘与固体电解质体100的外边缘之间的最小距离中的较短者。
加热元件140插置在圆筒状陶瓷基底13和绝缘陶瓷基底200的接合表面之间。
加热元件140在其端部连接至加热器引线141和142，加热器引线141和142通过加热器端子143和144接合至外部电源和通电控制器（未示出，且以下称为电源控制电路）。当通电时，加热元件140产生热能，以将感测机构（即，固体电解质体100、测量电极110和基准电极120）的温度提升至使感测机构处于期望的激活状态下的值。
扩散抵抗层180由具有给定扩散抵抗的多孔材料制成，并设置在整个测量气体腔室170上。粘附屏蔽层190，以覆盖除了倾斜测量气体入口表面181以外的扩散抵抗层180的整个外表面。
倾斜测量气体入口表面181由扩散抵抗层180的锥形端形成，倾斜测量气体入口表面181直接暴露在气体传感器元件外部，并且允许测量气体通过倾斜测量气体入口表面181进入到测量气体腔室170中。
屏蔽层190和缓冲层191用于使测量电极引线111与测量气体屏蔽，并且还用于避免了测量气体通过扩散抵抗层180流动至气体传感器元件10外部的泄漏。
如稍后将详细描述的那样进行测试，并发现了以下事实。
如上所述，固体电解质体100嵌入在绝缘陶瓷基底200中。加热元件140设置在与固体电解质体100上的基准电极120齐平的绝缘陶瓷基底200的主表面上，加热元件140的外周位于距离固体电解质体100的外周电绝缘间隔d（优选地大于或等于0.1mm且小于或等于3mm）处，并且加热元件140环绕固体电解质体100的外周。应当注意，当基准电极120在尺寸上大于固体电解质体100时，如上所述，绝缘间隔d是加热元件140与基准电极120之间的距离。当加热元件140通电时，如图1（c）中所示，固体电解质体100由通过绝缘陶瓷基底200传递的热能直接加热，并且被快速激活。
作为固体电解质体100的材料的部分稳定的氧化锆的热导率较低（即，2至3W/m·K）。通过在热导率较高（即，20至30W/m·K）的绝缘陶瓷基底200中嵌入固体电解质体100，来使测量电极110和基准电极120周围的热导率较低的范围最小化，从而导致整个气体传感器元件10的热导率的程度增大。这加速了气体传感器元件10的温度的上升。作为绝缘陶瓷基底200的材料的氧化铝的电绝缘性较高，用于在加热元件140通电时甚至在绝缘间隔d缩短时使电流至感测机构的泄漏保持较低。这使得加热元件140可以靠近固体电解质体100而设置，从而导致降低了激活固体电解质体100所需的时间。
如上所述，加热元件140插置在绝缘陶瓷基底200与圆筒状陶瓷基底13之间，换句话说，与测量气体屏蔽，从而避免了由测量气体中所含有的毒剂（poison）所引起的其劣化，并确保了气体传感器元件10的操作中的稳定性。
如果加热元件140粘附至与测量电极110齐平的绝缘陶瓷基底200的表面，这导致需要保护层来使加热元件140与测量气体隔离，这导致了气体传感器元件10的整体尺寸的增大。气体传感器元件10的上述结构消除了对这样的保护层的需要，从而使气体传感器元件10的尺寸减小。
陶瓷基底13的形状为圆筒状，从而比气体传感器元件10的形状为平面的常规结构的机械强度更大，从而呈现出大到足以经受溅水所产生的热冲击的耐久度。
气体传感器元件10已经描述为安装在设计为测量氧气的浓度（O2）的气体传感器内，但是气体传感器元件10也可以设计为测量另一种气体。气体传感器元件10可替代地通过使用具有质子传导性的、诸如SrZrO3或SrC3O3等ABO3型过渡金属氧化物作为固体电解质体100的材料，使用碳化钨、氮化硅或氧化钌作为加热元件的材料，或者使用二氧化钛或尖晶石作为绝缘陶瓷基底200的材料来制作。
气体传感器元件10的表面可以覆盖有多孔保护层，所述多孔保护层由使用浸渍或离子喷涂技术的耐热陶瓷颗粒所形成，从而使由溅水所致的破裂的风险以及由经受毒剂所致的恶化的风险最小化。
图2示出了其中安装有气体传感器元件10的气体传感器1。
如上所述，气体传感器元件10具有缠绕圆筒状陶瓷基底13的传感器/加热器叠层片20。在气体传感器1中，圆筒状陶瓷基底13具有封闭端133面向气体传感器1的顶端（即，头部）且开口端134面向气体传感器1的基端（即，如图2中所示的上端）的取向。圆筒状陶瓷基底13设置在中空圆筒状绝缘体41内部，中空圆筒状绝缘体41由诸如氧化铝等电绝缘陶瓷材料制成并且通过诸如陶瓷水泥或耐热玻璃等耐热接合物40而牢固地容纳于其中。陶瓷基底13和绝缘体41的组件（即，气体传感器元件10）设置在中空圆筒状形外壳30内。气体传感器元件10具有向外壳30外部突起的顶端部，并且暴露于测量气体。顶端部用于对测量气体敏感的感测部。
绝缘体41通过诸如滑石等密封剂42牢固地容纳在外壳30内。外壳30由诸如不锈钢等中空圆筒状金属构件制成。
外壳30具有的顶端和基端。杯状双层壁保护罩组件固定至外壳30的顶端。罩组件由底部内罩50和同轴地封闭内罩50的底部外罩60构成。内罩50和外罩60具有成形为凸缘51和61的基端。通过弹性弯曲或卷曲形成在外壳30的顶端的圆筒状延伸部35（以下称为卷曲部）以给外壳30制作罩组件的牢固接头，来牢固地夹持凸缘51和61。
气体传感器1还包括由诸如不锈钢等金属材料制成的中空圆筒状壳体47。壳体47装配在形成在外壳30的基端的凸起部（boss）31上，并且在其中保持信号线81和82以及电源线（以下还将称为电源导体）83和84通过绝缘体43而相互绝缘。信号线81和82以及电源线83和84还通过密封橡胶46、防水过滤器45和支撑部44而气密地容纳在壳体47中。防水过滤器45装配在支撑部44上。信号线81和82以及电源线83和84通过连接端子113、123、147和148以及金属连接器（例如，卷曲端子）114、124、149和150而分别电接合至从气体传感器元件10的基端延伸的测量电极端子112、基准电极端子122以及电源端子145和146。如上所述，信号线81和82用于将传感器输出传递至检测器电路。电源线83和84用于将电力从外部电源供应至加热元件140。
壳体47具有形成在其侧壁中的基准气体入口孔471。密封橡胶46具有贯穿其侧壁而形成的基准气体入口孔461。支撑部44还具有贯穿其侧壁而形成的基准气体入口孔441。基准气体入口孔471、461和441相互连通以限定基准气体入口路径，允许空气（即，基准气体）通过所述基准气体入口路径进入到基准气体腔室130中。防水过滤器45用于防止水或湿气进入到基准气体腔室130。
如上所述，内罩和外罩50和60的形状为杯形，并分别具有底表面54和64（即，图2中的顶端表面）。内罩和外罩50和60相互同轴地布置，以形成双层壁保护罩组件。内罩50具有形成在侧表面53和底表面54中的气体入口孔52和55。类似地，外罩60具有形成在侧表面63和底表面64中的气体入口孔62和65。气体入口孔52、55、62和65用于控制测量气体流入或流出内罩和外罩50和60的罩组件的速率。气体传感器元件10的顶端部（即，感测部）暴露于罩组件内的测量气体，以产生作为测量气体（例如，O2）的浓度的函数的输出。
外壳30具有形成在其顶端部的外螺纹34。螺纹34紧固到气流管70（即，从内燃机延伸的排气管）的壁中，以使得气体传感器元件10的感测部暴露于测量气体700。
绝缘体41、外壳30、壳体47以及内罩和外罩50和60并不限于上述结构，而是可以分别设计为具有另外的已知结构。
在气体传感器1的操作中，当通过外部电源控制电路供应电力时，加热元件140产生热量，所述热量转而通过绝缘陶瓷基底200传递至固体电解质体100，从而激活了固体电解质体100。在激活固体电解质体100后，在测量电极110与基准电极120之间将会出现电势差，其作为通过扩散抵抗层180引入到测量气体腔室170中的测量气体与引入到基准气体腔室130中的基准气体（即，空气）之间的氧气（O2）浓度差的函数。电势差通过信号线81和82输出至检测器电路（未示出），作为表示测量气体中的氧气浓度。或者，检测器电路可以应用测量电极110与基准电极120之间的电压，并且监测流过固体电解质体100的产生的电流来作为测量气体中的氧气浓度的函数。
以下将会参照图3（a-1）至5（d）描述气体传感器元件10的制造方法。
制备由绝缘陶瓷片制成的绝缘陶瓷基底200。在绝缘陶瓷基底200中钻出窗口以制作孔201。固体电解质体100嵌入或装配在孔201中。测量电极110和基准电极140粘附至固体电解质体100的相对主表面。传感器/加热器叠层片20配备有绝缘陶瓷基底200和粘附至与基准电极120齐平的绝缘陶瓷基底200的表面的加热元件140，传感器/加热器叠层片20粘合至其中形成基准气体腔室130的圆筒状陶瓷基底13的外周。由以上讨论可知，传感器/加热器叠层片20配备有传感器功能和加热器功能，并且至少包括固体电解质体100、测量电极110、基准电极120、加热元件140和绝缘陶瓷基底200。具体而言，由至少两片（即，绝缘陶瓷基底200和屏蔽层190）所形成的传感器/加热器叠层片20粘接至圆筒状陶瓷基底13，然后对其进行烧制以制作气体传感器元件10。传感器/加热器叠层片20替代地可以由单片形成。这是通过以下步骤来完成的：使其中装配有固体电解质体100的绝缘陶瓷基底200的片缠绕圆筒状陶瓷基底13，并且然后在不使用屏蔽层190的情况下使用涂覆、镀覆或热喷涂技术在绝缘陶瓷基底200上形成加热元件140、测量电极110、基准电极120、测量气体腔室170等。
电极图案（即，测量电极110、基准电极120、加热元件140等）形成在平面陶瓷片（即，绝缘陶瓷基底200）上，从而使其电断开或接合缺陷的概率最小化。这改善了气体传感器元件10的操作中的可靠性。
以下还将会更详细地描述气体传感器元件10的制造方法。
例如，固体电解质体100由含有氧化锆的主要成分（即，二氧化锆ZrO2）和氧化钇的添加剂（例如，Y2O3，4-8mol％）的固体电解质材料制成。
固体电解质材料还可以含有氧化铝、氧化硅、氧化镁和/或氧化钙。这些辅助剂用于改善氧化锆的烧结性能，使固体电解质材料的收缩度（也称为收缩率）或热膨胀系数与绝缘陶瓷基底200的材料的收缩度或热膨胀系数一致，或者增大固体电解质体100、绝缘陶瓷基底200、圆筒状陶瓷基底13、测量电极110和基准电极120之间的粘附强度。
绝缘陶瓷基底200由绝缘陶瓷材料制成，例如，其优选地包括热导率和电绝缘性较高的90重量％或更大的氧化铝（即，氧化铝Al2O3）的主要成分。氧化铝可以包括氧化锆、氧化钇、氧化镁、氧化钙和/或氧化硅。这些辅助剂用于改善氧化铝的烧结性能，使氧化铝的收缩度或热膨胀系数与固体电解质体100的材料的收缩度或热膨胀系数一致，或者增大绝缘陶瓷基底200、圆筒状陶瓷基底13、固体电解质体100、测量电极110、测量电极引线111、测量电极端子112、基准电极120、基准电极引线121和基准电极端子122之间的粘附强度。
首先，制造将会作为绝缘陶瓷基底200的未烧制的陶瓷片SH200（即，未烧制的氧化铝片）。未烧制的陶瓷片SH200以下也将称为平面绝缘陶瓷材料或氧化铝片。
通过使氧化铝粉末与诸如氧化镁粉末等烧结添加剂、诸如丁醛树脂等粘合剂和诸如BBP（邻苯二甲酸丁苄酯）等增塑剂混合或结合来制作氧化铝浆料，使用刮片（doctor blade）来使氧化铝浆料成形为片状，然后从中挥发有机溶剂，来形成氧化铝片SH200。
其中待装配固体电解质体100的孔201形成在氧化铝片SH200中。还在氧化铝片SH200中钻出通孔202、203和204来制作过孔导体144、122和143。如上所述，过孔导体122是基准电极端子，以下也将会称为基准电极过孔导体。
制造将会是固体电解质体100的未烧制的固体电解质片SH100（即，未烧制的氧化锆片）。未烧制的固体电解质片SH100以下也将称为平面固体电解质材料或氧化锆片。
通过使氧化锆粉末与氧化钇粉末、诸如丁醛树脂等粘合剂和诸如BBP（邻苯二甲酸丁苄酯）等增塑剂混合或结合并且将其与有机溶剂混合来制成氧化锆浆料，使用刮片来使氧化锆浆料成形为片状，然后从中挥发有机溶剂，来形成氧化锆片SH100。
氧化铝片SH200和氧化锆片SH100的厚度互相相同（例如，烧制后的厚度为200μm）。将氧化铝片SH200和氧化锆片SH100的晶粒尺寸分布和混合比调节为当对它们进行烧制时其收缩率互相匹配。
氧化锆片SH100冲出成尺寸和形状（例如，矩形形状）与形成在氧化铝片SH200中的通孔201的尺寸和形状相同。氧化锆片SH100的冲出部嵌入在孔201中。
以下将会参照图3（a-1）至3（d-2）详细描述如何将氧化锆片SH100的冲出部嵌入在氧化铝片SH200的孔201中。
如图3（a-1）和3（a-2）中所示，氧化锆片SH100和氧化铝片SH200互相重叠，然后将其放置在配备有上模DUP、上冲头PUP、下模DLO、下冲头PLO和基座BS的冲床中。
如图3（b-1）和3（b-2）中所示，上模DUP向下移动以在氧化铝片SH200中冲出孔201，与此同时，冲出氧化锆片SH100的部分的形状与孔201轮廓一致。在烧制之后，氧化锆片SH200的冲出部将会是固体电解质体100。当上模DUP进一步向下移动，氧化锆片SH100的冲出部由下冲头PLo按压至孔201中。
从氧化铝片SH200切出材料的块WST200，使孔201迎着由上弹簧SPUP向下推压的上冲头PUP而抬升，并弹入到上模DUP中。
氧化锆片SH100的剩余的框状部迎着下弹簧S PLO向下推压下模DLO。
然后，如图3（c-1）和3（c-2）中所示，上模DUP向上移动，从氧化锆片SH100切出了已经嵌入在氧化铝片SH200中的且将会是固体电解质体100的氧化锆片SH100的部分，氧化锆片SH100的剩余的框状部由下模DLO抬升。从氧化铝片SH200切出的且迫使进入上模DUP中的材料的块WST200由向下移动的上冲头PUP弹出上模DUP。
如图3（d-1）和3（d-2）中所示，以如上所述的方式制造了固体电解质体/氧化铝片20'，固体电解质体/氧化铝片20'是氧化铝片SH200和氧化锆片SH100的冲出部的组件，且在烧制之后成为传感器/加热器叠层片20。
从图3（a-1）至3（d-1）中可以看出，使用结构简单的冲床按压互相重叠的氧化铝片SH200和氧化锆片SH100来在氧化铝片SH200中制作孔201，并同时将氧化锆片SH100的冲出部嵌入在孔201中来制作固体电解质体/氧化铝片20'。然而，可以通过将氧化锆浆料放置在孔201中并从中挥发有机溶剂而在氧化铝片SH200的孔201中模制在烧制之后成为固体电解质体100的氧化锆片，从而制作固体电解质体/氧化铝片20'。
然而，在干燥之后，在孔201中模制的氧化锆片通常会收缩，使得其中心部变薄。因此，必须利用氧化锆浆料的表面张力制作中心厚度大于其余部分的厚度的氧化锆片，使得烧制之后的氧化锆片的厚度恒定。
可以通过制备形状与孔201类似但在尺寸上略微小于孔201的矩形氧化锆片、将其放置在孔201中、并将由有机溶剂稀释的氧化锆浆料和氧化铝浆料的混合物装填到孔201与放置在孔201中的氧化锆片之间的间隙中作为粘接剂，来可替代地制作固体电解质体/氧化铝片20'。
在以如上所述的方式制造了固体电解质体/氧化铝薄片20'之后，如图4和5（d）中所示，例如通过使用已知的厚膜印刷技术，在固体电解质体/氧化铝片材20'上形成测量电极110、测量电极引线111、测量电极端子112、基准电极120、基准电极引线121、基准电极过孔导体122、基准电极端子123、加热元件140、加热引线141和142、加热器过孔导体143和144、电源端子145和146、测量气体腔室170、扩散抵抗层180、屏蔽层190以及缓冲层191，从而制作传感器/加热器叠层片20。
测量电极110、测量电极引线111、测量电极端子112、基准电极120、基准电极引线121、基准电极过孔导体122、基准电极端子123、加热引线141和142、加热器过孔导体143和144、电源端子145和146可以由诸如金、铂、铑、钯、钌或其合金等已知的导电材料制成。导电材料可以包括作为固体电解质体100的主要成分的氧化锆或者作为绝缘陶瓷基座200的主要成分的氧化铝。
加热元件140可以由诸如铂、铑、钨、铼或其合金等电阻加热材料制成。电阻加热材料可以包括作为绝缘陶瓷基座200的主要成分的氧化铝。
如图4、5（a）和5（b）中所示，测量电极110的形状基本上为矩形，并且印刷在固体电解质体100的主表面之一的整个上。
测量电极引线111连接至测量电极110面向气体传感器元件10的基端的一端，并且在绝缘陶瓷基底200（即，气体传感器元件10）的长度方向上延伸。测量电极引线111印刷在绝缘陶瓷基底200与测量电极110齐平的一个主表面上。
如图4、图5（b）和5（c）中所示，基准电极120的形状基本上为矩形，并且印刷在固体电解质体100的另一主表面的整个上。换句话说，基准电极120、固体电解质体100和测量电极110在其厚度方向上相互重叠地放置。
基准电极引线121连接至基准电极120面向气体传感器元件10的基端的一端，并且在绝缘陶瓷基底200（即，气体传感器元件10）的长度方向上延伸。测量电极引线111印刷在绝缘陶瓷基底200与测量电极110齐平的一个主表面上。
使用已知的真空印刷技术，在绝缘陶瓷基底200的孔203的内部形成过孔导体122。孔203延伸贯穿其上分别设置有测量电极110和基准电极120的绝缘陶瓷基底200的相对主表面。过孔导体122电耦合至基准电极引线121的基端。
基准电极端子123印刷在绝缘陶瓷基底200与测量电极110齐平的主表面上。基准电极端子123电连接至过孔导体122。
与其上设置有测量电极110的固体电解质体100的表面在同一侧上的绝缘陶瓷基底200的表面以下也将称为测量电极侧表面。类似地，与其上设置有基准电极120的固体电解质体100的表面在同一侧上的绝缘陶瓷基底200的表面以下也将称为基准电极侧表面。在图5（c）中清楚地示出，加热元件140印刷在基准电极侧表面上。加热元件140由基本上为C形的导体制成，所述C形的导体以距离固体电解质体100和/或基准电极120的恒定间隔d环绕基准电极120的四条边中的至少三条边。间隔d大于或等于0.1mm或小于或等于3mm。
加热器引线141和142印刷在绝缘陶瓷基底200的基准电极侧表面上与加热元件140的端部电连接。
使用已知的真空印刷技术，在绝缘陶瓷基底200的孔202和204的内部形成过孔导体143和144。孔202和204延伸贯穿绝缘陶瓷基底200的测量电极侧表面和基准电极侧表面。过孔导体143和144分别电耦合至加热器引线141和142的基端。
加热器端子145和146（也称为电源端子）印刷在绝缘陶瓷基底200的测量电极侧表面的基端部上。加热器端子145和146分别电连接至过孔导体143和144。
如图4、5（b）和5（d）中所示，测量气体腔室170的形状基本上为矩形，并且覆盖了测量电极110的整个表面。通过在测量电极110上施加由结合剂和有机溶剂的混合物制成的膏剂并且当以如稍后所述的方式烧制传感器/加热器叠层片20时烧尽所述膏剂来形成测量气体腔室170。
扩散抵抗层180由烧制后成为多孔层的制作扩散层的膏剂制成。制作扩散层的膏剂通过互相混合氧化铝粉末、树脂粉末和粘合剂并将其与有机溶剂混合来制作。选择这种组合物的比例，使得多孔层具有给定的扩散抵抗程度。将制作扩散层的膏剂印刷在测量气体腔室170的整个表面上，使其延伸直至绝缘陶瓷基底200的顶端的边缘（即，图4中所示的左端）。
如图4、图5（a）和图5（b）中所示，对扩散抵抗层180的端部进行切割或研磨，以形成锥形表面（即，倾斜测量气体入口表面181），所述锥形表面未覆盖有屏蔽层190，并且测量气体通过所述锥形表面而引入到扩散抵抗层180中。
倾斜测量气体入口表面181以给定角度向气体传感器元件10的长度倾斜以限定入口开口，所述入口开口有利于允许基本上垂直于气体传感器元件10移动的测量气流进入到扩散抵抗层180中，并且随后进入到扩散抵抗比扩散抵抗层180低的测量气体腔室170中。
可以在传感器/加热器叠层片20缠绕圆筒状陶瓷基底13之前或之后或者是在烧制传感器/加热器叠层片20和圆筒状陶瓷基底13的组件之后，形成倾斜测量气体入口表面181。
如图4、5（a）和5（b）中所示，使用诸如氧化铝等绝缘膏剂来在扩散抵抗层180和缓冲层191上印刷屏蔽层190。屏蔽层190不覆盖端子145、112、123和146。使用诸如氧化铝等绝缘膏剂来在绝缘陶瓷层200的测量电极侧表面上印刷缓冲层191，缓冲层191在气体传感器元件10的长度方向上与扩散抵抗层180对准。
可以使用氧化铝片SH200制作屏蔽层190。
以如上所述的方式制造了平面传感器/加热器叠层片20，其是固体电解质体100、测量电极110、基准电极120、加热元件140、测量气体腔室170、扩散抵抗层180、屏蔽层190、绝缘陶瓷层200等的叠置体。
由诸如氧化铝等绝缘陶瓷材料制成的中空陶瓷圆柱体形成圆筒状陶瓷基底13。可以使用公知的挤出成型、注射成型、CIP（冷等静压）或HIP（热等静压）技术来制作中空陶瓷圆柱体。圆筒状陶瓷基底13可以成形为2.5mm的外径、2.1mm的内径和50mm的长度。圆筒状陶瓷基底13具有封闭端133和开口端134，封闭端133是气体传感器元件10的顶端，开口端134面向气体传感器1的基端。圆筒状陶瓷基底13在其中限定了圆筒状基准气体室130，允许空气进入到圆筒状基准气体室130作为基准气体。圆筒状陶瓷基底13还具有贯穿侧壁131的矩形孔或窗口132。窗口132设置为距离封闭端比距离开口端134更近。
通过将氧化铝粉末与粘合剂、分离剂（也称为做脱模剂）和去离子水混合以制造生坯，将生坯挤出为中空陶瓷圆柱体，将中空陶瓷圆柱体切割成给定长度，使用类似的生坯封闭中空陶瓷圆柱体的一个开口端，对中空陶瓷圆柱体进行干燥以具有增大的机械强度，以及钻出侧窗口132，来完成使用挤出工艺的圆筒状陶瓷基底13的制造。
通过使用一组模具和芯来完成使用注射、CIP或HIP工艺的圆筒状陶瓷基底13的制造。模具和芯的使用使得可以同时形成基准气体腔室130、侧壁131、侧窗口132和封闭端133。
在以如上所述的方式制造了传感器/加热器叠层片20和圆筒状陶瓷基底13之后，如图5（d）中所述，传感器/加热器叠层片20盘绕或缠绕圆筒状陶瓷基底13的外周壁，然后在给定的温度下对其进行烧制。例如，在大气中以400℃（摄氏度）对这种组件加热四小时以将其脱脂，然后在约1500℃下烧制两小时来完成气体传感器元件10。
当传感器/加热器叠层片20缠绕圆筒状陶瓷基底13时，从图1（c）中可以看出，基准电极110设置为在其半径方向上与圆筒状陶瓷基底13的侧窗口132重合。
在陶瓷基底缠绕工艺中，可取的做法是将接合膏剂施加至除基准电极120以外的绝缘陶瓷基底200的基准电极侧表面来将传感器/加热器的叠层片20粘合至圆筒状陶瓷基底200。可以通过在有机溶剂中分散氧化铝和粘合剂来制作接合膏剂。
可以在对圆筒状陶瓷基底13进行干燥之后、在从圆筒状陶瓷基底13去除粘合剂之后、或者在临时或完全地烧制圆筒状陶瓷基底13之后，实现传感器/加热器叠层片20对圆筒状陶瓷基底13的缠绕。圆筒状陶瓷基底13的干燥导致机械强度增大，从而有利于传感器/加热器叠层片20缠绕圆筒状陶瓷基底13。
在从圆筒状陶瓷基底13去除粘合剂之后，圆筒状陶瓷基底13成为多孔的，从而浸透有接合膏剂，由此导致圆筒状陶瓷基底13与传感器/加热器叠层片20的牢固连接。这使得圆筒状陶瓷基底13与传感器/加热器叠层片20剥离的风险最小化。
当以低于烧制圆筒状陶瓷基底13和传感器/加热器叠层片20的组件的温度临时烧制圆筒状陶瓷基底13时，会引起圆筒状陶瓷基底13中的氧化铝颗粒之间的颈部生长，从而导致圆筒状陶瓷基底13的机械强度增大。这使得传感器/加热器叠层片20所缠绕的圆筒状陶瓷基底13破裂的概率最小化。
圆筒状陶瓷基底13的烧制将会导致其机械强度增大，从而有利于传感器/加热器的叠层片20缠绕圆筒状陶瓷基底13。
圆筒状陶瓷基底13的烧制还会导致当烧制以完成的气体传感器元件10时圆筒状陶瓷基底13和传感器/加热器叠层片20的组件的收缩度降低。因此，作用于传感器/加热器叠层片20的热应力将会较小，从而减小了传感器/加热器叠层片20从圆筒状陶瓷基底13上剥离的概率。然而，应当注意不要过度烧制圆筒状陶瓷基底13。
图6（a）至7（d）示出了气体传感器元件10的修改。
如上所述，加热元件140为围绕基准电极120的C形，但是如图6（a）中所示，加热元件140可以以波纹管140a的形式印刷。
由其锥形端部表面限定用作气体入口开口的扩散抵抗层180的倾斜测量气体入口表面181，然而，如图6（b）、6（c）、6（d）和6（e）中所示，扩散抵抗层180的侧表面替代地可以是锥形的以形成气体入口开口，允许测量气体通过所述气体入口开口进入到扩散抵抗层180中。锥形侧表面在绝缘陶瓷基底200的长度方向上延伸。气体入口开口具有基本上垂直于气体传感器元件10的长度的取向。
如图2中所示，测量电极端子112、基准电极端子123以及加热器端子145和146聚集在绝缘陶瓷基底200的表面区域上，所述表面区域占据了绝缘陶瓷基底200的圆周的一部分、与感测机构（换句话说，扩散抵抗层180的长度）对准、并且设置为距离圆筒状陶瓷基底13的基端比距离其顶端更近，但是可以如图7（a）至7（c）中的附图标记112b、123b、145b和146b所表示的，在绝缘陶瓷基底200（即，圆筒状陶瓷基底13）的圆周方向上规则地或者等间隔地距离彼此而排列，并且设置为距离绝缘陶瓷基底200的基端比距离其顶端更近。在这种情况下，如图7（c）和7（d）中所示，端子112b、123b、145b和146b可以通过如图7（d）中所示的基本上为U形的弹簧连接器连接至如上所述的电源控制电路和检测器电路。弹簧连接器分别配备有接触部113b和端子114b、接触部124b和端子125b、接触部147b和端子149b、接触部148b的和端子150b的组。弹性地设置分别与绝缘陶瓷基底200上的端子112b、123b、145b和146b电接触的接触部113b、124b、147b和148b。这种结构有利于气体传感器元件10安装在气体传感器1中并且改善抵抗外部机械振动的、端子112b、123b、145b和146b与接触部113b、124b、147b和148b的电连接中的稳定性。
如图7（c）中可以看出，加热器端子145b和146b分别通过端子149b和150b以及导线电连接至电源控制电路。电源控制电路用于控制电力至加热元件140的供应，并且配备有诸如MOSFET、SCR、或IGBT等半导体开关SW和驱动器DRV。半导体开关SW用于选择性地建立或阻止从蓄电池BATT至加热器端子145b和146b的电力供应。驱动器DRV用于控制在PWM控制模式或切换开/关控制模式下半导体开关SW的操作。
测量电极110和基准电极120分别通过端子114b和125b以及导线电连接至检测器电路DTC。检测器电路DTC用于气体浓度确定电路以监测测量电极110与基准电极120之间的电动势的差或者在测量电极110与基准电极120之间流动的电流，并且确定测量气体中所含有的指定成分（例如，O2）的浓度作为所监测的差或电流的函数。
以下将会参照图8（a）至13（b）描述配备有常规结构的气体传感器元件10z、10g和10f以及对于如气体传感器元件10所提供的有益效果具有技术限制的气体传感器元件10c、10d和10e的缺点。
作为第1比较例，图8（a）、8（b）和8（c）示出了如在本申请的引言部分中所讨论的日本专利特开No.H01-253649中所教导的具有典型平面结构的气体传感器元件10z。
在图8（a）至8（c）中，如以上所使用的，带有后缀“z”的相同附图标记指的是相似或相同的部分，并且在这里将省略其详细解释。
平面固体电解质体100z具有两个相对主表面。测量电极110z、测量电极引线111z、测量气体腔室170z、扩散抵抗层180z、屏蔽层190z、缓冲层191z和基准电极端子123z形成在一个主表面上。基准电极120z和基准电极引线121z形成在另一主表面上。固体电解质体100z具有形成在其中的孔101z，过孔导体122z形成在孔101z中以在基准电极引线121z的端部与基准电极端子123z之间连接。
基准气体腔室层131z堆叠在固体电解质体100z上。平面绝缘层150z也堆叠在基准气体的腔室层131z上，以限定沿基准气体腔室层131z的基准气体腔室130z。其上形成有加热元件140z和加热器引线141z、142z的加热器载体层160z粘附至绝缘层150z。加热器载体层160z具有形成在其中的孔161z和162z，过孔导体144z和143z形成孔161z和162z中以分别连接加热器引线141z和142z与加热器端子145z和146z。
屏蔽层181z具有形成在其侧面的倾斜测量气体入口表面181z。
如图8（c）中所示，当激活加热元件140z时，由加热元件140z所产生的热能热量加热允许通过绝缘层150z进入到基准气体腔室130z中的空气，并还通过空气和基准气体腔室层131z传递至固体电解质体100z。
空气以层的形式存在于基准气体腔室130z中。这种空气层的热绝缘性高且热导率低（0.15至0.25W/m·k）。
由加热元件140z所产生的热能通过由热导率较高的（20至30W/m·k）氧化铝制成的绝缘层150z和基准气体腔室层131z部分地传递至固体电解质体100z。因此，通过由热导率较低的（2至3W/m·k）氧化锆制成的固体电解质体100z所传递的热能来加热由测量电极100z、基准电极120z等构成的感测机构。
由加热元件140z产生的大部分热能首先消耗在加热基准气体腔室130z中的空气中。随着空气的温度升高，然后传递以加热固体电解质体100z。
来自加热元件140z的辐射热也直接传递至固体电解质体100z。通常用作固体电解质体100z的材料的氧化钇稳定的氧化锆的颜色是白色的，从而反射大部分辐射热。因此，由加热元件140所产生的热能不用于在加热元件140通电之后立即激活固体电解质体100z，从而导致了在使气体传感器元件10z达到正确测量气体的浓度的条件中的延迟。
如上所述，加热元件140z介于绝缘层150z与加热器载体层160z之间以制作加热机构。感测机构（即，固体电解质体100z、测量电极110z、基准电极120z和基准气体腔室130z）和加热机构（即，加热元件140z、绝缘层150z和加热器载体层160z）位于基准气体腔室130z的相对侧上。因此，加热机构的温度升高得比感测机构多。这将使得加热机构的热膨胀程度比感测机构大，从而导致了作用于加热机构外表面上的拉伸应力，这可能导致绝缘层150z和加热器载体层160z中的破裂。
为了使这种破裂的风险最小化，可以加厚绝缘层150z和加热器载体层160z以吸收热应力，但是这导致了气体传感器元件10z的整体尺寸的增大，换言之，待加热的气体传感器元件10z的体积增大。这也导致了激活气体传感器元件10z中的延迟。
如图8（a）中所示，固体电解质体100z是完全平面的且具有导电性。测量电极引线111z、基准电极引线121z、测量电极端子112z、过孔导体122z和基准电极端子123z形成在固体电解质体100z上。因此，将电压施加在测量电极端子112z与基准电极端子123z之间使得电流流过固体电解质体100z，这导致了测量气体浓度的精度的降低。
作为第2比较例，图9（a）、9（b）和9（c）示出了在结构上类似于本申请的引言部分中所讨论的日本专利特开No.H01-253649中所教导的气体传感器元件的气体传感器元件10g。
在图9（a）至9（c）中，如以上所使用的，带有或不带有后缀“g”的相同附图标记指的是相似或相同的部分，并且在这里将省略其详细解释。
如图4中所示，该实施例的气体传感器元件10的固体电解质体100嵌入在绝缘陶瓷基底200中，而气体传感器元件10g的固体电解质体100g是平面的并且直接缠绕圆筒状绝缘基座13。具体而言，固体电解质体100g具有粘附在其相对主表面上的测量电极110g、测量电极引线111g、测量电极端子112g、基准电极120g、基准电极引线121g、过孔导体122g和基准电极端子123g。固体电解质体100g缠绕圆筒状绝缘基底13b且基准电极120g面向孔132g。加热元件140g、加热器引线141g和142g以及加热器端子145g和146g通过绝缘层150g设置在测量电极110g周围的固体电解质体100的区域上。开口151g形成在绝缘层150与测量电极110g重合的部分中。如图9（b）中所示，开口151g限定了测量气体腔室170g。扩散抵抗层180g设置在绝缘层150g上，以覆盖暴露于开口151g的测量电极110g。屏蔽层190g设置在扩散抵抗层180g上。这些布置使得测量电极100g与加热元件140的内缘之间的间隔（即，绝缘间隔d）缩短，以加快固体电解质体100g的激活，但是确保加热元件140g与固体电解质体100g之间的期望的电绝缘程度需要增大绝缘层150g的厚度t150，以设定大于或等于例如100μm的绝缘间隔d。
固体电解质体100g缠绕圆筒状陶瓷基底13的整个圆周。换言之，在绝缘层150g缠绕圆筒状陶瓷基底13的整个圆周。屏蔽层190g覆盖绝缘层150g的整个圆周。因此，倾斜测量气体入口表面181g不可避免地形成在扩散抵抗层180g的顶端上。
因此，气体传感器元件10g的外径增大，从而导致气体传感器元件10g的全部热容量的增大。
从图9（c）可以看出，加热元件140g在固体电解质体100g的圆周方向上从外部加热固体电解质体100g。因此，类似于第1比较例，由加热元件140g所产生的热能通过热导率较低的固体电解质体100g，然后到达感测机构的两侧。
加热元件140g靠近气体传感器元件10g的外部外周设置，使得大量热能扩散至气体传感器元件10g周围的测量气体，从而导致缺乏热能来加热基准气体腔室130中的空气。
因此，第2比较例的结构能效低，且需要时间来完全激活感测机构。
作为第3比较例，图10（a）、10（b）和10（c）示出了气体传感器元件10f。在图10（a）至10（c）中，如以上所使用的，带有或不带有后缀“f”的相同附图标记指的是相似或相同的部分，并且在这里将省略其详细解释。
气体传感器元件10f类似于气体传感器元件10在于：固体电解质体100嵌入在绝缘陶瓷基底200f中，加热元件140f位于其上设置有基准电极120的绝缘陶瓷基底200f的表面上，但是，基准气体腔室130f由C形基准气体腔室层131f和平面绝缘层150f的叠置体限定而未使用圆筒状陶瓷基底13。
因此，如图10（b）中可以看出，气体传感器元件10f在纵截面上与气体传感器元件10相同，但是如图10（c）中可以看出，在横截面上与气体传感器元件10不同。因此，类似于气体传感器元件10，通过在绝缘陶瓷基底200f的与基准电极120的同一侧上安装加热元件140，通过热导率较高的陶瓷基底200f，认为实现了固体电解质体100的快速热激活。
然而，因为加热元件140在平面的绝缘陶瓷基底200f上的基准电极120f的侧面的外部延伸，所以气体传感器元件10f具有增大的宽度。这导致了气体传感器元件10f对热应力的灵敏度增大，所述热应力例如由会降低气体传感器元件10f的耐久度的溅水所引起。
作为第4比较例，图11（a）、11（b）和11（c）示出了气体传感器元件10c。在图11（a）至11（c）中，如以上所使用的，带有或不带有后缀“c”的相同附图标记指的是相似或相同的部分，并且在这里将省略其详细解释。
气体传感器元件10f不同于图1的气体传感器元件10仅在于：固体电解质体100的边缘与加热元件140c之间的绝缘间隔d小于气体传感器元件10中的绝缘间隔d的设定范围内的下限0.1mm。
气体传感器元件10c的结构在快速激活感测机构的效果上与气体传感器元件10的结构相同，但是减小的绝缘间隔d导致在通电时电流从加热元件140c的泄漏，从而导致气体传感器元件10c的操作中的不稳定性。
作为第5比较例，图12（a）、12（b）和12（c）示出了气体传感器元件10d。在图12（a）至12（c）中，如以上所使用的，带有或不带有后缀“d”的相同附图标记指的是相似或相同的部分，并且在这里将省略其详细解释。
气体传感器元件10d的结构类似于图1的气体传感器元件10在于：固体电解质体100嵌入在具有粘附至其相对主表面的测量电极110和基准电极120的绝缘陶瓷基底200中并且缠绕圆筒状陶瓷基底13，但不同之处在于：加热元件140d设置在与测量电极110在同一侧上的绝缘陶瓷基底200的表面上，并且绝缘层192d和193d印刷在加热元件140d上作为保护层，其使加热元件140d与测量气体隔离。绝缘层192d和193d的厚度为20μm。
因此，通过缩短测量电极110与加热元件140d之间的绝缘间隔，认为实现了固体电解质体100的快速热激活，但是印刷来覆盖加热元件140d的绝缘层192d和193d较薄，因此导致了与由于绝缘层192d和193d中具有穿透针孔而暴露于测量气体中的毒剂所致的加热元件140d的操作的劣化有关的更多关注。
类似于第2比较例，加热元件140d靠近气体传感器元件10d的外部外周设置，使得由加热元件140d所产生的大量热能扩散至气体传感器元件10d周围的测量气体，从而导致缺乏热能来加热基准气体腔室130中的空气。
作为第6比较例，图13（a）、13（B）和13（c）示出了气体传感器元件10e。在图13（a）至13（c）中，如以上所使用的，带有或不带有后缀“e”的相同附图标记指的是相似或相同的部分，并且在这里将省略其详细解释。
气体传感器元件10e的结构类似于图1的气体传感器元件10在于：固体电解质体100嵌入在具有粘附至其相对主表面的测量电极110和基准电极120的绝缘陶瓷基底200中并且缠绕圆筒状陶瓷基底13，但不同之处在于：加热元件140e设置在与测量电极110在同一侧上的绝缘陶瓷基底200的表面上，并且绝缘层192e和193e印刷在加热元件140d上作为保护层，其使加热元件140d与测量气体隔离。绝缘层192e和193e由刮片技术形成以具有220μm的厚度。因此，通过缩短测量电极110与加热元件140e之间的绝缘间隔，认为实现了固体电解质体100的快速热激活。此外，绝缘层192e和193e比第5比较例中的绝缘层192d和193要厚，从而使由于绝缘层192e和193e中具有穿透针孔而暴露于测量气体中的毒剂所致的加热元件140d的操作的劣化的风险最小化。然而，类似于第2和第5比较例，加热元件140d靠近气体传感器元件10e的外部外周设置，使得由加热元件140e所产生的大量热能扩散至气体传感器元件10e周围的测量气体，从而导致缺乏热能来加热基准气体腔室130中的空气。
然而，绝缘层192e和193e的厚度的增大不期望地吸收了由加热元件140e所产生的热能，从而导致了激活气体传感器元件10e中的延迟。
作为第7比较例，图14（a）、14（b）和14（c）示出了气体传感器元件10h。在图14（a）至14（c）中，如以上所使用的，带有或不带有后缀“h”的相同附图标记指的是相似或相同的部分，并且在这里将省略其详细解释。
气体传感器元件10h不同于图1（a）至1（c）的气体传感器元件10仅在于：固体电解质体100的边缘与加热元件140h之间的绝缘间隔d为3.5mm，这比气体传感器元件10中的绝缘间隔d的设定范围的上限大0.5mm。
增大的绝缘间隔d导致完全激活气体传感器元件10h所需的时间增大。
我们进行了如下所讨论的测试来评估气体传感器元件10的结构所提供的有益效果。
我们准备了在结构上与气体传感器元件10和比较例1至6（即，气体传感器元件10z、10g、10f、10c、10d和10e）相同的测试样品，并且分析了三个测试项：1）激活测试所需的时间的激活时间，2）加热器耐久度，以及3）热应力破裂。
激活时间
我们对每个测试样品的加热元件施加6.5V电压，还在测量电极与基准电极之间施加0.4V电压，并测量在流过测量和基准电极所产生的电流值落在常数的±2%以内或者稳定电流之前所经过的时间。我们发现小于6秒是可接受的。
加热器耐久度
我们对加热元件施加6.5V电压1000小时，然后测量加热元件的电阻的变化。我们确定电阻不变的加热元件是可接受的。
热应力破裂
我们对加热元件进行通电并对每个测试样品施加水滴。我们测量所施加的水的总体积直到测试样品破裂。我们限定施加至第1比较例（即，气体传感器元件10z）的测试样品的水的总体积作为基准体积单位10，并且计算相对于基准体积单位10的施加至每个测试样品的水的总体积。应当注意，每个试验样品的机械强度越高，则水的总体积将越大。
我们在下面的页中出现的表1中示出了以上测试的结果。
我们发现，对于本实施例的气体传感器元件10的测试样品而言，激活时间是四秒，在1000小时的耐久度测试之前或之后加热元件的电阻值为1.9Ω，并且所施加的水的总体积远小于基准单位10。因此，发现气体传感器元件10在加热器的耐久度程度方面基本上与第1比较例相同，但是在激活时间和抵抗热应力破裂方面优异。我们在表1中对气体传感器元件10给出了良好的整体评级“○”。
第1比较例
第1比较例（即，气体传感器元件10z）的激活时间是十秒钟。然而，我们评估激活所需的小于10秒的时间是可接受的。在1000小时的耐久度测试之前或之后加热元件的电阻值是2.0Ω。
第2比较例
第2比较例（即，气体传感器元件10g）的激活时间是六秒钟，其小于第1比较例的激活时间，但是长于气体传感器元件10的激活时间。在1000小时的耐久度测试之前和之后加热元件的电阻值分别为1.9Ω和2.0Ω，其与气体传感器元件10的电阻值几乎相同。即使外径大于气体传感器元件10的外径，所施加的水的总体积也小于气体传感器元件10的所施加的水的总体积。这是因为加热元件更靠近气体传感器元件10g的外表面设置，使得外表面的温度升高，从而导致当溅水时作用于气体传感器元件10g的表面的热应力增大。我们发现与前一比较例相比，改善了第2比较例的激活时间，但是对热应力破裂的抵抗低于第1比较例，因此在表1中对其给出了差的整体评级“×”。
第3比较例
第3比较例（即，气体传感器元件10f）的激活时间是四秒钟，其与气体传感器元件10大致相同。在1000小时的耐久度测试之前和之后加热元件的电阻值分别为1.9Ω和2.0Ω，其与气体传感器元件10的电阻值几乎相同。所施加的水的总体积大致为第1比较例的一半。这是因为气体传感器元件10f是平面且宽的，从而对热应力的抵抗较低。
我们发现与第1比较例相比，极大地改善了第3比较例的激活时间，但是对热应力破裂的抵抗比第1比较例低得多，因此在表1中对其给出了差的整体评级“×”。
第4比较例
第4比较例（即，气体传感器元件10c）的激活时间是四秒钟，其与气体传感器元件10大致相同，但是我们观察到以显著电噪声形式的从加热元件的电流泄漏。电流输出未保持在稳定电流的±2％内。在1000小时的耐久度测试之前或之后加热元件的电阻值为1.9Ω。所施加的水的总体积与气体传感器元件10的大致相同。
我们发现，极大地改善了激活时间和对热应力破裂的抵抗，但噪声极大，并且气体传感器元件10c的操作中的可靠性是不可接受的。因此，我们在表1中对其给出了差的总体评级“×”。
第5比较例
第5比较例（即，气体传感器元件10d）的激活时间是四秒钟，其与气体传感器元件10大致相同，但是在1000小时的耐久度测试之后，加热元件的电阻值从2.0Ω极大地变为了28Ω。这是因为保护层192d和193d较薄，这加速了加热元件140d的劣化。对热应力破裂的抵抗与气体传感器元件10大致相同。
我们发现，极大地改善了第5比较例的激活时间和对热应力破裂的抵抗，但是加热器耐久度较低，因此在表1中对其给出了差的总体评级“×”。
第6比较例
第6比较例（即，气体传感器元件10e）的激活时间是六秒钟，其长于气体传感器元件10的激活时间。这是因为加热元件140e更靠近气体传感器元件10e的外表面而设置，使得由加热元件140e所产生的热能由保护层192e、193d吸收。在1000小时的耐久度测试之前和之后加热元件的电阻值分别为1.9Ω和2.0Ω，其与气体传感器元件10的电阻值几乎相同。对热应力破裂的抵抗与气体传感器元件10大致相同。
我们发现，对于第6比较例而言，极大地改善了对热应力破裂的抵抗，轻微地改善了激活时间，并且加热器耐久度是可接受的，因此在表1中对其给出了平均的总体评级“Δ”。
第7比较例
第7比较例（即，气体传感器元件10h）的激活时间是六秒钟，其长于气体传感器元件10的激活时间。这是因为加热元件140h远离固体电解质体而设置。
气体传感器元件10h的形状为圆筒状。因此，绝缘间隔d的轻微增大导致了气体传感器元件10h的一部分的体积的增大，由加热元件140h所产生的热能通过所述一部分传递至固体电解质体100。认为这样的体积增大促使了激活时间的增大。
在1000小时的耐久度测试之前和之后加热元件的电阻值分别为1.9Ω和2.0Ω，其与气体传感器元件10的电阻值几乎相同。对热应力破裂的抵抗与气体传感器元件10大致相同。
我们发现，对于第7比较例而言，与第1比较例相比极大地改善了对热应力破裂的抵抗，轻微地改善了激活时间，并且加热器耐久度是可接受的，因此在表1中对其给出了平均的总体评级“Δ”。
从以上讨论可知，本实施例的气体传感器元件10由圆筒状陶瓷基底13和堆叠在圆筒状陶瓷基底13上的传感器/加热器叠层片20构成。传感器/加热器叠层片20具有设置在绝缘陶瓷基底200中的固体电解质体100。固体电解质体100用于传导气体的至少一种给定离子（例如，氧离子）。圆筒状陶瓷基底13具有开口端134（即，空气的入口）和封闭端133。圆筒状陶瓷基底13在其中限定了基准气体腔室130，并且在其中形成了窗口132，粘附至固体电解质体100的主表面之一的基准电极120暴露于窗口132。测量电极110粘附至固体电解质体100的另一主表面，并且暴露于测量气体。加热元件140设置在与其上安装有基准电极120的固体电解质体100的表面在同一侧上的绝缘陶瓷基底200的表面上。加热元件140用于激活固体电解质体100，以产生作为测量气体的给定成分的浓度的函数的信号。加热元件140靠近气体传感器元件10的纵向中心而设置。这实现了气体传感器元件10的快速激活，并确保了其所需的耐久度程度。如上所述，绝缘间隔d是加热元件140的内边缘与基准电极120的外边缘之间的最小距离以及加热元件140的内边缘与固体电解质体100的外边缘之间的最小距离中的较短者，并且绝缘间隔d选择为大于或等于0.1mm之间且小于或等于3mm。
表1
Figure BDA00002212909300321
虽然已经以优选实施例的方式公开了本发明，以便有利于更好地理解本发明，但是应当理解，可以在不脱离本发明的原理的情况下以各种方式来体现本发明。因此，本发明应当理解为包括可以在不脱离如所附权利要求所阐述的本发明的原理的情况下而体现的、所有可能的实施例以及对所示实施例的修改。

Claims (8)

1.一种对气体的给定成分敏感的气体传感器元件，包括：
绝缘陶瓷构件，其具有彼此相对的表面和形成在其中的通孔；
固体电解质体，其设置在所述绝缘陶瓷构件的所述孔中，并且用于传导至少一种给定离子，所述固体电解质体具有第一主表面和第二主表面；
测量电极，其设置在所述固体电解质体的所述第一主表面上，以暴露于所述气体；
基准电极，其设置在所述固体电解质体的所述第二主表面上，以暴露于基准气体；以及
加热元件，其设置在与所述固体电解质体的所述第二主表面在同一侧上的所述绝缘陶瓷构件的相对表面之一上，所述加热元件用于激活所述固体电解质体。
2.根据权利要求1所述的气体传感器元件，还包括：中空圆筒状陶瓷构件，其具有封闭端并且在其中限定了基准气体腔室，允许所述基准气体进入到所述基准气体腔室中，所述中空圆筒状陶瓷构件在其外周表面中还形成有与所述基准气体腔室连通的窗口，其中所述绝缘陶瓷构件堆叠在所述中空圆筒状构件上，且所述固体电解质体通过所述窗口暴露于所述基准气体腔室，并且其中所述加热构件插置在所述中空圆筒状陶瓷构件与所述绝缘陶瓷构件之间。
3.根据权利要求1所述的气体传感器元件，其中，所述加热元件位于距离所述固体电解质体和所述基准电极中的一者给定绝缘间隔处，所述绝缘间隔是所述加热元件的外周边缘与所述固体电解质体的外周边缘之间的最小距离以及所述加热元件的外周边缘与所述基准电极的外周边缘之间的最小距离中的较短者，并且所述绝缘间隔大于或等于0.1mm且小于或等于3mm。
4.根据权利要求1所述的气体传感器元件，其中，所述固体电解质体由部分稳定的氧化锆制成。
5.根据权利要求1所述的气体传感器元件，其中，所述绝缘陶瓷构件由氧化铝制成。
6.一种用于测量气体的给定成分的气体传感器，包括：
气体传感器元件，包括（a）绝缘陶瓷构件，其具有彼此相对的表面和形成在其中的通孔，（b）固体电解质体，其设置在所述绝缘陶瓷构件的所述孔中，并且用于传导至少一种给定离子，所述固体电解质体具有第一主表面和第二主表面，（c）测量电极，其设置在所述固体电解质体的所述第一主表面上，以暴露于所述气体，（d）基准电极，其设置在所述固体电解质体的所述第二主表面上，以暴露于基准气体，以及（e）加热元件，其设置在与所述固体电解质体的所述第二主表面在同一侧上的所述绝缘陶瓷构件的相对表面之一上，所述加热元件用于激活所述固体电解质体；
第一和第二信号线，分别通向所述基准电极和所述测量电极，用于将传感器的输出传送至外部检测电路；
第一和第二导体，通向所述加热元件，用于与外部电源控制电路建立电连接，以控制至所述加热元件的电力供应；以及
外壳，所述气体传感器元件、所述第一和第二信号线以及电源导体容纳在所述外壳中，所述外壳设计成保持所述气体传感器元件以使其暴露于所述气体。
7.一种气体传感器元件的制造方法，包括：
形成绝缘陶瓷构件，所述绝缘陶瓷构件是平面的且由电绝缘陶瓷材料制成，所述绝缘陶瓷构件具有相对的表面和通孔；
在所述绝缘陶瓷构件的所述通孔中形成固体电解质体，所述固体电解质体由传导至少一种给定离子的陶瓷材料制成并且具有第一主表面和第二主表面；
形成测量电极，所述测量电极设置在所述固体电解质体的所述第一主表面上以暴露于所述气体；
形成基准电极，所述基准电极设置在所述固体电解质体的所述第二主表面上以暴露于基准气体；
布置加热元件，所述加热元件设置在与所述固体电解质体的所述第二主表面在同一侧上的所述绝缘陶瓷构件的所述相对的表面之一上，所述加热元件用于激活所述固体电解质体；
制备中空圆筒状陶瓷构件，所述中空圆筒状陶瓷构件由电绝缘陶瓷材料制成并且具有封闭端和开口端，所述中空圆筒状陶瓷构件还具有形成在其外周表面中的窗口；
使所述绝缘陶瓷构件缠绕所述中空圆筒状陶瓷构件，且所述基准电极面向所述中空圆筒状陶瓷构件的所述窗口；以及
烧制所述绝缘陶瓷构件所缠绕的所述中空圆筒状陶瓷构件。
8.根据权利要求7所述的气体传感器元件的制造方法，其中，所述绝缘陶瓷构件和所述固体电解质体的所述形成步骤制备平面固体电解质材料和平面绝缘陶瓷材料的叠置体，并且对所述叠置体进行冲孔，以制作在所述绝缘陶瓷构件中的所述通孔和从所述平面固体电解质材料切出的所述固体电解质体，以使所述固体电解质体的尺寸基本上与所述通孔的尺寸相同，并且同时将所述固体电解质体放置在所述通孔中。
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