CN104101640B - λ传感器元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

λ传感器元件（1）包括由绝缘陶瓷制成的有底筒状的基体（10）、由固体电解质制成的电解质部（103）、以及一对电极（11，12）。电解质部（103）嵌入在基体（10）的侧壁（104）的至少一部分中。λ传感器元件（1）通过将棒形加热器（3）插入有底筒状的基体（10）而使用。基体（10）在基体（10）内的与加热器（3）的接触位置（109）处由绝缘陶瓷形成。在基体（10）的制造中，具有用于电解质部（103）的形成位置的空间的成型体通过使用基体形成用粘土而形成，并且然后成型体通过将电解质形成用粘土填充入该空间而成型。

Description

λ传感器元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及通过将加热器插入其中而使用的有底筒状λ传感器传感器元件，并且涉及其制造方法。
背景技术
用于车辆的λ传感器用于通过检测废气中的氧气浓度来执行空燃比控制。
作为用于机动车辆的示例，λ传感器是使用由于基准气体和作为输出的废气之间的氧气浓度差而在λ传感器的固体电解质中产生的电动势来检测废气中氧气浓度的产品，所述电动势在λ（理论空燃比）附近会突然变化。
单单元型的氧气传感器元件广泛地用于λ传感器元件。
通常，λ传感器元件由固体电解质（比如用氧化钇部分地稳定的氧化锆）、以及一对设置于固体电解质的两个表面上的铂电极所组成。
在λ传感器元件的该对电极中，在电极的暴露于废气中的表面上通常设置保护层。
由于必须借助于λ传感器元件中的固体电解质空间地分隔废气和作为基准氧气浓度的大气，使用了有底筒状或板形的λ传感器元件。
由于板形λ传感器元件的板能通过层压固体电解质层或绝缘层的片材而制造，其制造就容易。
另外，由于能层压地形成与固体电解质层一体的加热器以用于加热该元件，就易于加热固体电解质层。
然而，由于其板形的总体形状，在端部处形成角部，该元件在使用环境下或在排气管中被水覆盖时对热冲击的处理不佳，因此该元件就存在着受损的可能性。
另一方面，由于底部能形成于有底筒状λ传感器元件的弯曲表面中，热冲击就分散，因而有利的是能防止由于水等产生裂纹。
例如，已经开发了完全由固体电解质比如氧化锆设备制成的元件作为有底筒状的λ传感器元件（参见日本专利申请公开No.53-139595）。
然而，氧化锆的导热率低。
因此，如果整个λ传感器元件由氧化锆形成，在由插入并布置于有底筒状的λ传感器元件中的加热器来加热该元件时，充分地加热该元件所需的时间就很长。
于是，存在着不能执行λ传感器元件的快速活化的问题。
另外，近年来，部分稳定氧化锆（其中昂贵稀土比如氧化钇加入到氧化锆中）用作固体电解质。
然而，如果如常规技术那样整个元件由部分稳定氧化锆制成的固体电解质所形成，则稀土的量增大，从而制造成本增大。
发明内容
本发明是考虑到上述问题而做出的，其目标是提供一种能低成本制造并且能快速活化的λ传感器元件，及其制造方法。
在根据第一个方面的λ传感器元件中，λ传感器元件包括：由绝缘陶瓷制成的有底筒状的基体，其具有封闭的远端以及开口的后端；由固体电解质制成的电解质部；以及一对电极。
绝缘陶瓷由导热率高于固体电解质的材料制成。电解质部嵌入在基体的侧壁的至少一部分中以构成侧壁的一部分，并且这对电极分别形成于侧壁的内表面和外表面上，并且在夹持电解质部的位置处形成。
λ传感器元件通过将棒形加热器插入到有底筒状的基体而使用，并且基体在基体内的与加热器接触的接触位置处由绝缘陶瓷形成。
根据上述λ传感器元件，由固体电解质制成的电解质部嵌入在基体的侧壁的至少一部分中以构成侧壁的一部分。
因此，能减少要使用的固体电解质的量。于是，即使是将昂贵稀土比如氧化钇加入氧化锆中的部分稳定氧化锆（partially stabilized zirconia）作为固体电解质，例如，要使用的量也能减少。
因此，λ传感器元件能以低成本制造。
另外，通过用电解质构成侧壁的一部分，能减小λ传感器元件的尺寸。
从而，能快速地加热λ传感器元件，因而改进了快速活化。
另外，λ传感器元件通过将棒形加热器插入有底筒状的基体而使用，并且基体在基体内的与加热器接触的接触位置处由导热率高于固体电解质的绝缘陶瓷制成。
也就是，在基体中的与加热器接触的位置中不存在由导热率低的固体电解质制成的电解质部，而是存在导热率高的绝缘陶瓷。
因此，来自加热器的热立即传递至由导热率高的绝缘陶瓷制成的基体。
因此，加热所需的时间能缩短，因而能更快速地活化λ传感器元件。
另外，λ传感器元件具有有底圆筒状的基体。
因此，能避免形成在由水覆盖时热应力易于集中的角部或高度差，例如，类似于层叠板状λ传感器元件那样。
因此，能进一步避免由于应力集中引起的裂纹。
另外，能如上所述避免形成角部，就能防止元件在组装至另一部件时由于角部的碰撞而受损。因此，容易组装至另一部件。
在根据第二个方面的λ传感器元件中，其中，基体的侧壁的该部分由电解质部制成，并且侧壁的相对于电解质部在远端的一侧和后端的一侧由绝缘陶瓷形成。
在根据第三个方面的λ传感器元件中，其中，基体和电解质部之间的边界区域处的高度差为30μm或更小。
在根据第四个方面的λ传感器元件中，基体为有底圆筒状。
在根据第五个方面的λ传感器元件中，绝缘陶瓷为氧化铝（alumina）。
在根据第六个方面的λ传感器元件中，固体电解质是部分稳定氧化锆。
在根据第七个方面的λ传感器元件中，电解质部形成为尺寸是基体的体积的1/2或更小。
在根据第八个方面的λ传感器元件中，该方法其包括：第一成型步骤，用于将包含绝缘陶瓷材料的基体形成用粘土成型为基体的形状，其中在形成电解质部的位置处形成空间；第二成型步骤，用于通过将包含固体电解质材料的电解质形成用粘土填充于所述空间中而成型；烧成（或称烧结）步骤，用于通过烧成来制造具有电解质部的基体；以及电极成型步骤，用于形成电极部。
λ传感器元件可通过执行第一成型步骤、第二成型步骤、烧成步骤以及电极成型步骤而制造。
在第一成型步骤中，包含绝缘陶瓷材料的基体形成用粘土成型为基体的形状，其中在形成电解质部的位置处形成空间。
在第一成型步骤中，能适当地调节用于形成电解质部的空间的尺寸，并且该空间的尺寸能根据需要减小。
因此，能减少在第一成型步骤后执行的第二成型步骤中填充的电解质形成用粘土的量。
于是，能降低λ传感器元件的制造成本。
另外，通过调节空间的形成位置，能在第一成型步骤中控制电解质部的形成位置。
于是，能形成用于电解质部在有底筒状的基体的侧壁的部分中的形成位置的空间。
因此，与加热器接触的接触位置能调节为使得接触位置能由绝缘陶瓷形成。
于是，能制造出能快速活化的λ传感器元件。
通过执行第一成型步骤和第二成型步骤，基体形成用粘土和电解质形成用粘土能一体地成型为有底筒状形状。
于是，通过执行烧成步骤，能获得有底筒状的基体，其具有由嵌入在侧壁的至少一部分中的固体电解质制成的电解质部。
在第二成型步骤中，电解质形成用粘土填充入在第一成型步骤中预先形成的空间中，并且如上所述一体地形成，因此，几乎能避免烧成后基体和电极之间的边界区域处的高度差。
因此，能抑制在热冲击（比如λ传感器元件在烧成中或者被水覆盖）期间基体和电极之间由于高度差而出现应力集中，并且能制造防止裂纹出现的λ传感器元件。
在根据第九个方面的制造λ传感器元件的方法中，在第一成型步骤和第二成型步骤中基体形成用粘土和电解质形成用粘土使用金属模具通过注射而成型。
在根据第十个方面的制造λ传感器元件的方法中，在第一成型步骤中，在模具的腔中的电解质部的形成位置由可动模具封闭的状态下，基体形成用粘土通过注射入模具的腔中而成型，并且在第二成型步骤中，电解质形成用粘土通过注射入所述空间而成型，所述空间通过打开由可动模具封闭的电解质部的形成位置而形成。
附图说明
在附图中：
图1示出第一实施例中的λ传感器元件的侧视图；
图2示出沿着图1中线II-II截取的剖面图；
图3示出沿着图1中线III-III截取的剖面图；
图4示出第一实施例中的其中电解质部形成于侧壁的一部分中的基体的侧视图；
图5是示出第一实施例中的模具的剖面结构的说明图，其中腔的一部分被可动模具封闭；
图6是示出第一实施例中的模具的剖面结构的说明图，其在腔被用于形成基体的粘土填充的状态下；
图7是示出第一实施例中的模具的剖面结构的说明图，在用于封闭的可动模具被去除状态下；
图8是示出第一实施例中的模具的剖面结构的说明图，该模具具有通过布置用于形成电解质部的可动模具而形成电解质部的腔；
图9是示出第一实施例中的模具在腔由用于形成电解质的粘土填充的状态下的剖面结构的说明图；
图10是示出第一实施例中的从模具去除成型体的方式的剖面说明图；
图11示出第一变型中的形成有与侧壁相对的一对电解质部的基体的侧视图；
图12示出基体在与图11中的平面平行的方向上的剖面图；
图13示出沿着图11中的线XIII-XIII截取的剖面图；
图14示出第二变型中的在侧壁的整个周边上形成有电解质部的基体的侧视图；
图15示出沿着图14中的线XV-XV截取的剖面图；
图16示出沿着图14中的线XVI-XVI截取的剖面图；
图17示出第三变型中的基体的侧视图，其中电解质部嵌入在侧壁的一部分中，并且基体具有垂直于侧壁的平底表面；
图18示出沿着图17中的线XVIII-XVIII截取的剖面图；并且
图19示出沿着图17中的线XIX-XIX截取的剖面图。
具体实施方式
λ传感器元件的优选实施例将在下面描述。
在λ传感器元件中，基体为有底管状空心形状且具有封闭远端和开口后端，并且λ传感器元件被称为所谓的杯形、筒形或填充远端形。
在本说明书中，将要插入到内燃发动机的排气管中的端部称为远端，从排气管暴露的相反端部称为后端。
λ传感器元件能使用由于基准气体和作为输出的废气之间的氧气浓度差而在元件的固体电解质中产生的电动势来检测废气中的氧气浓度，所述电动势在λ（理论空燃比）附近会突然变化。
λ传感器元件具有由绝缘陶瓷制成的有底筒状成型体，以及由与基体一体地形成的固体电解质制成的电解质部。
电解质部嵌入在有底筒状基体的侧壁的至少一部分中并且形成侧壁的一部分。
电解质部可与基体通过共同烧成（co-firing）而一体地形成。
在λ传感器元件中，通过将基体的侧壁的一部分或多个部分用固体电解质替换而形成电解质部。
通过在基体中插入棒形加热器（加热器棒）来使用λ传感器元件。
这样就能通过利用插入并布置于基体中的加热器来加热λ传感器元件来减少发生固体电解质阳离子传导所需的时间。
在基体内与加热器接触的位置处，基体由绝缘陶瓷制成，如上所述。
当由固体电解质制成的电解质部形成于接触位置处时，热从加热器通过具有低导热率的电解质部传递至基体，因此将λ传感器元件的温度升高至用作传感器所必须的预定温度所需要的时间较长。
换言之，λ传感器元件难以快速活化。
在λ传感器元件中，基体内的与加热器接触的位置能通过调节棒形加热器的外径或基体的内径，或者形成相对于基体侧壁的倾斜以使得其内径朝着远端变小，来调节。
优选地，基体的与加热器接触的位置可以处于比电解质部更远端侧的位置处。
更具体地，在比电解质部更远端侧的位置中，接触位置优选处于基体的侧壁或底部处。
更优选地，例如，加热器插入为使得棒形加热器轴向上的一端接触基体的底部。
优选地，基体的侧壁的一部分由电解质部构成，并且基体的电解质部的远端侧和后端侧由绝缘陶瓷构成。
在此情况下，例如，通过将棒形加热器插入布置于基体中并且让加热器的一端接触基体的底部或者在比电解质部更远端侧的位置与侧壁相接触，就能容易地实现上述构造，其中基体的与加热器接触的位置是具有高导热率的绝缘陶瓷。
另外，在此情况下由于能减小由昂贵固体电解质制成的电解质部的尺寸，因此能降低λ传感器元件的制造成本。
另外，优选地，在λ传感器元件中，基体和电解质部之间的边界区域处的高度差是30μm或更小。
在此情况下，在高度差（level difference，或称水平差、段差）中在热冲击期间产生的应力集中可以减少，因此防止了裂纹的发生。
为了避免进一步开裂，边界区域处的高度差优选地是10μm或更小，并且更优选地5μm或更小。
如果尖锐部分（角部）或高度差存在于λ传感器元件中基体的外表面上，就存在在热冲击期间在角部或高度差处发生应力集中的可能性，并且可能会导致裂纹。
为了防止裂纹发生，基体优选地形成为有底筒状。
从相同的视角，在具有有底筒状形状的基体中，侧壁和底部之间的边界优选地形成为弯曲表面。
基体可由各种绝缘陶瓷组成。
绝缘陶瓷可例如采用从比如氧化铝、氧化锆、氧化钇、氧化镁、氧化钙、二氧化硅等材料中选择的单个材料或者两个或更多材料的混合物。
优选地，绝缘陶瓷是氧化铝。
在此情况下，就能改进基体的导热率和电绝缘性。
应当说明，氧化铝指的是主要成分为三氧化二铝（Al2O3）的材料。
绝缘陶瓷中三氧化二铝的含量优选地为90%重量或更多。
除了氧化铝外，绝缘陶瓷可包括从比如氧化锆、氧化钇、氧化镁、氧化钙、二氧化硅等材料中选择的单个材料或者两个或更多材料的混合物。
另外，固体电解质优选地是部分稳定氧化锆。
在此情况下，能改进λ传感器元件的检测灵敏性。
部分稳定氧化锆由作为主要成分的氧化锆（二氧化锆，ZrO2）组成，并且加入了相对于氧化锆为例如4-8%摩尔比的氧化钇（Y2O3）。
另外，除了氧化钇和氧化锆外，部分稳定氧化锆可包含从氧化铝、氧化镁、氧化钙、二氧化硅等材料中选择的单个材料或者两个或更多材料的混合物。
另外，在λ传感器元件，电解质部优选地形成为大小是基体体积的1/2或更少。
在此情况下，由于能可靠地减小由相对昂贵固体电解质制成的电解质部的大小，就能降低λ传感器元件的制造成本。
另外，在此情况下，由于能减小由导热率比绝缘陶瓷低的固体电解质制成的电解质部的大小，就易于在加热期间使λ传感器元件升温，λ传感器元件的快速活化能进一步得到改进。
从相同的视角，电解质部优选地形成为大小为基体体积的1/5或更小，并且更优选地，1/10或更小。
另外，如果基体的内径太小，就难以确保基体中测量所必须的足够量的基准气体，并且存在着传感器性能退化的可能性。
另一方面，如果基体的内径太大，λ传感器元件的尺寸增大，就存在着在加热时活化该元件所需的时间增大的可能性。
从这些角度说，基体的内径优选地为1-10mm，并且更优选地，1-4mm。
也能采用内径变化的基体，通过形成相对于基体侧壁的倾斜。
具体地，倾斜可相对于侧壁形成以使得基体的内径从后端朝着远端变小。
在此情况下，优选地至少基体的开口的内径在上述范围内。
另外，λ传感器元件可设有用于覆盖其外表面的元件罩。
λ传感器元件的强度能由元件罩增强，然而，在基体的厚度太小时，λ传感器元件的强度变弱，并且存在着元件易破碎的可能性。
因而，基体的厚度优选地至少为0.1mm或更大，并且更优选地，0.3mm或更大。
另一方面，如果基体的厚度太大，就存在着加热时元件活化所需的时间增大的可能性。
因而，基体的厚度优选地为5mm或更小，并且甚至更优选地，3mm或更小。
另外，λ传感器元件具有一对分别形成于侧壁的内和外表面上的电极部。
这对电极部形成于夹持被嵌在基体侧壁中的电解质部的位置处。
例如，被测气体侧电极可形成于基体的外表面上，并且基准气体侧电极可形成于基体的内表面上。
这对电极部可由贵金属比如铂形成。优选地，电极部由铂形成。
另外，当电极部的厚度太大时，特别是在用作被测气体侧电极的电极部中，电解质部（固体电解质）、电极部（贵金属）和废气这三个部分重叠的地方减少，因而存在着传感器性能退化的可能性。
因此，电极部的厚度优选地为5μm或更小，并且更优选地，3μm或更小。
另一方面，当电极部的厚度太小时，并且如果电极由金属部件比如Pt（铂）制成，金属部件的间隙增大，因而存在着电极部的导电性退化的可能性。
因此，电极部的厚度优选地为0.3μm或更大。
另外，电极部优选地是电镀电极。
在此情况下，就能形成具有高导电率的电极部，并且特别是在用作被测气体侧电极的电极部中，就存在着易于增大电解质部、电极部和废气这三个部分重叠的部分的趋势。
相比之下，在通过印刷导电膏材料或溅射形成的电极部中，例如，在制动期间会发生导电金属部件的颗粒增长，从而存在着金属部件以岛状形状聚集的可能性。
因此，为了避免颗粒增长，必须将导电金属颗粒比如Pt之外的其它金属或陶瓷颗粒进一步加入电极材料。
于是，获得导电率所需的电极部厚度不可避免地变大，并且存在着电极部中的反应性降低的趋势。
另外，与电解质部具有相同尺寸的电极部（被测气体侧电极）可形成于电解质部上，例如，在基体的外表面上。
另外，从被测气体侧电极延伸至基体后端侧的电极引线部可形成于基体的外表面上。
电极引线部电连接至形成于电解质部上的被测气体侧电极，并且用于输出由电解质部和电极部形成的电化学电池。
电极引线部可由例如类似于电极部的贵金属形成。
另外，电极引线部优选地布置为不形成于电解质部上。
换言之，优选地，基体的外表面上的电解质部完全由电极部（被测气体侧电极）覆盖。
在此情况下，就能改进λ传感器元件的检测准确性。
如果电极引线部形成于电解质部上，氧离子导电反应也发生于电极引线部上，因而存在着λ传感器的检测准确性降低的可能性。
另一方面，至少覆盖电解质部的电极部（基准气体侧电极）可形成于基体的内表面上。
基准气体侧电极也可形成于基体的整个内表面上。
电极部（被测气体侧电极）在基体外表面上的形成面积优选地为基体外表面的面积的1/5或更小。
在此情况下，在形成如下所述覆盖电极部的多孔保护层时能减少多孔保护层的形成区域从而提高λ传感器元件的生产率
另外，在通过热喷射（thermal spraying）形成多孔保护层时，因为处理面积减少，那么喷射所需的时间减少，从而大大了提高了生产率。
另外，减少多孔保护层的形成区域使得λ传感器元件的尺寸减小。
于是，能进一步改进加热期间元件的快速活化。
另外，在λ传感器元件中多孔保护层可形成于基体的外表面上以至少覆盖电极部（被测气体侧电极）。
就能避免由于多孔保护层而使被测气体侧电极中毒。
多孔保护层可由耐热金属氧化物比如MgO·Al2O3尖晶石（spinel）的多孔体构成。
另外，如果多孔保护层的厚度太薄的话，电极的保护就不足，并且如果厚度太大的话，元件体尺寸增大，并且可能会不利地影响元件的快速活化。
因此，多孔保护层的厚度优选地等于或大于50μm并小于500μm，并且更优选地等于或大于50μm并且小于300μm。
λ传感器元件可通过执行第一成型步骤、第二成型步骤、烧成步骤、以及电极成型步骤而制造。
在第一成型步骤中，包含绝缘陶瓷材料的基体形成用粘土成型为基体的形状，其中在形成电解质部的位置中形成有空间。
氧化铝粉末，例如，可用作绝缘陶瓷材料。
氧化铝可用作绝缘陶瓷材料的主要成分，并且还可使用例如从比如氧化锆、氧化钇、氧化镁、氧化钙、二氧化硅等材料中选择的单个材料或两个或更多材料的混合物。
基体形成用粘土可通过将绝缘陶瓷材料、有机粘合剂、分散剂、水等混合而获得。
在第二成型步骤中，包含固体电解质材料的电解质形成用粘土通过填充于上述空间中而成型。
在烧成之后产生固体电解质的生片料可用作固体电解质材料。
具体地，氧化锆粉末、氧化钇粉末等可用作固体电解质材料。
除此之外，包含从比如氧化铝粉末、二氧化硅粉末、氧化镁粉末、氧化钙粉末等中选择的单个材料或者两个或更多材料的混合物的材料可用作固体电解质材料。
电解质形成用粘土可通过将固体电解质材料、有机粘合剂、分散剂、水等混合而获得。
第一成型步骤和第二成型步骤可使用金属模具通过注射成型（injectionmolding）方法，或者使用石膏/树脂模具通过浇注成型（cast molding）方法来执行。
优选地，电解质形成用粘土和基体形成用粘土在第一成型步骤和第二成型步骤中使用金属模具通过注射而成型。
在此情况下，在基体和电解质部之间的边界中具有小高度差的λ传感器元件能被容易地生产。
优选地，在第一步骤中在电解质部在模具的腔中的形成位置被可动模具封闭的状态下，基体形成用粘土通过注射入模具的腔而成型，并且在第二步骤中电解质形成用粘土通过注射入通过打开电解质部由可动模具所封闭的形成位置而形成的空间来成型。
在此情况下，能容易地形成由绝缘陶瓷制成的有底筒状的基体，其中一端封闭并且另一端开口，并且电解质部嵌在基体的侧壁的至少一部分中以构成侧壁的一部分。
在烧成（firing）步骤中，对通过执行第一成型步骤和第二成型步骤获得的成型体进行烧成。
烧成温度可根据绝缘陶瓷和固体电解质的成分适当地确定。
另外，优选地，在执行烧成步骤之前执行给成型体脱脂的脱脂步骤。
包含于成型体中的有机成分比如粘结剂能在烧成之前通过执行脱脂步骤而去除。
在电极成型步骤中，一对电极部分别形成于基体的内表面和外表面上。
这对电极部形成于在基体的侧壁中至少夹持电解质部的位置处。
在电极成型步骤中，优选地通过电镀形成电极部。
形成电极部的加热温度优选地为1200摄氏度或更低。
[实施例]
（第一实施例）
下面将描述λ传感器元件的一个实施例。
如图1至图4所示，本实施例的λ传感器元件1具有由绝缘陶瓷制成的有底筒状的基体10（其中远端101封闭并且后端102开口）、由固体电解质制成的电解质部103、以及一对电极部11、12。
电解质部103嵌入在基体10的侧壁104的至少一部分中以构成基体10的侧壁104的一部分（参见图2至图4）。
该对电极部11、12分别形成于侧壁104的内表面106和外表面107上，并且形成于夹持电解质部103的位置处。
尽管为了方便说明，在图1中λ传感器元件1示出为没有多孔保护层，但实际上，本实施例的λ传感器元件1具有覆盖基体10的外表面107的多孔保护层13（参见图2和3）。
下面，本实施例的λ传感器元件1将参照图1至图4详细描述。
如图1至图4所示，本实施例的λ传感器元件1具有由绝缘陶瓷制成的有底筒状的基体10。
如图2所示，基体10的侧壁104和底部108之间的边界具有弯曲表面，并且整个底面是弯曲表面。基体10具有1mm的均一厚度。
如图2至图4所示，基体10的结构为，侧壁104的一部分由固体电解质替换，并且由固体电解质制成的电解质部103形成于基体10的侧壁104上。
也就是，在λ传感器元件1中，由固体电解质制成的电解质部103嵌入在由绝缘陶瓷制成的基体10的侧壁104的至少一部分中以构成基体10的侧壁104的一部分。
电解质部103形成于基体10的侧壁104的封闭侧的端部上，即更靠近远端101。
基体10的侧壁104的一部分由固体电解质制成的电解质部103形成，并且基体10的电解质部103的远端101一侧和后端102一侧都由绝缘陶瓷制成。
电解质部103相对于基体10足够小，并且电解质部103形成为大小为基体10的总体积的1/30。
基体10和电极103之间的边界区域105处几乎没有高度差（level difference），在本实施例中，甚至在基体10的内表面106和外表面107的任何一个中，基体10和电极103之间的边界区域105处的高度差都不超过3μm（参见图2至4）。
在本实施例中，绝缘陶瓷由导热率为40W/m·K的氧化铝制成。固体电解质由导热率为15W/m·K的部分稳定氧化锆制成。部分稳定氧化锆具有作为主要成分的氧化锆，并且包括4-8%（摩尔比）的氧化钇。
另外，如图1至图3所示，本实施例的λ传感器元件1通过将棒形加热器3插入基体10中而使用。
如图2和3所示，在基体10内与加热器3接触的位置109处，基体10由导热率比固体电解质高的绝缘陶瓷构成。
也就是，在基体的与加热器3相接触的接触位置109中不存在由具有低导热率的固体电解质制成的电解质部103，而是存在具有高导热率的绝缘陶瓷。
在本实施例中，基体10的后端102的内径，即开口端部的内径，为3mm，并且插入基体10中的加热器3的直径为1.5mm。
因此，在加热器3插入基体10时，加热器3轴向上的一端31接触基体的底部108，并且底部108由绝缘陶瓷构成。
另外，如图1至图3所示，夹持电解质部103的这对电极部11、12形成于基体10的内表面106和外表面107上。
这对电极部11、12由铂制成并且形成为厚度为1μm。电极部11、12是电镀电极。
在本实施例中，基准气体侧电极11和被测气体侧电极12形成为电极部11、12。
也就是，基准气体侧电极11形成于基体10的内表面106上，并且被测气体侧电极12形成于基体10的外表面107上。
在λ传感器元件1中，电化学电池由电解质部103以及夹持电解质部103的这对电极部11、12形成。
在本实施例中，基准气体侧电极11形成为覆盖基体10的内表面106的整个表面。
另一方面，被测气体侧电极12形成于基体10的外表面107上与电解质部103重叠的区域中。
另外，从被测气体侧电极12朝着基体10的后端102一侧延伸的电极引线部121形成于基体10的外表面107上。
电极引线部121形成于由绝缘陶瓷制成的基体10的外表面107上，而不是形成于由固体电解质制成的电解质部103上。
另外，包围基体10的外周边的环形电极取出部122形成于基体10的后端102一侧中，并且电极取出部122连接至电极引线部121并且电导通。
类似于电极部11、12，电极引线部121和电极取出部122由铂（Pt）制成，并且形成为与电极部具有相同的厚度。
如图2和3所示，为了避免被测气体侧电极12中毒，覆盖所述元件1的外表面107的多孔保护层13形成于本实施例的λ传感器元件中。
多孔保护层13是由MgO·Al2O3尖晶石制成的多孔层，并且形成为厚度为200μm（最大厚度）。
在本实施例中，多孔保护层13覆盖基体10的整个外表面107，基体10的后端102一侧除外。
至少电极取出部122没有被多孔保护层13所覆盖，并且因此暴露于基体10的外表面107。
本实施例的λ传感器元件1通过将远端101一侧插入排气管而使用（参见图1至图4）。
在λ传感器元件1中，远端101一侧的外表面107暴露于被测气体（废气）。
另一方面，内表面106暴露于基准气体（空气）。
在λ传感器元件1中，电解质部103、以及分别形成于电解质部103的相反表面上的基准气体侧电极11和被测气体侧电极12，形成电化学电池。
当电极11、12每个分别暴露于基准气体和被测气体时，由于这些气体的氧气浓度差而在电极11和12之间产生电势差，并且能从电势差的值检测空燃比。
下面，将描述本实施例的λ传感器元件1的制造方法。
在本实施例中，λ传感器元件1通过执行第一成型步骤、第二成型步骤、脱脂步骤、烧成步骤以及电极成型步骤而制造。
在第一成型步骤中，包含绝缘陶瓷材料的基体形成用粘土18成型成基体10的形状（有底筒状），其中在形成电解质部的位置处形成空间201（参见图6至图8）。
在第二成型步骤中，包含固体电解质材料的电解质形成用粘土19通过填充于上述空间201中而成型（参见图8和图9）。
在脱脂步骤中，将在第一成型步骤和第二成型步骤之后获得的成型体100（参见图10）脱脂。
在烧成步骤中，成型体100被烧成。
另外，在电极成型步骤中，电极部11、12，电极引线部121，以及电极取出部122形成于在烧成之后获得的基体10上（参见图1至图3）。
下面，将详细描述本实施例的λ传感器元件1的制造方法。
首先，通过将氧化铝粉末、石蜡（paraffin）树脂、苯乙烯-丁二烯（styrene-butadiene）共聚树脂、以及硬脂酸（stearic acid）相配，并且在将纯水加入混合物后再混合并加热而获得基体形成用粘土。
然后，如图5所示，准备模具2（金属模具），其形成有基体形状（有底筒状）的腔20。
如图5所示，在本实施例中，模具2由三个主要部件组成，也就是，上模具21、中模具22以及下模具23。上模具21、中模具22以及下模具23彼此可分开。
用于将材料供给入由上模具21、中模具22以及下模具23形成的腔20的粘土入口211形成于上模具21中。
另外，封闭所述腔20的一部分的可动模具231设置于下模具23中。
可动模具231设置为封闭电解质部103在腔20中的形成位置（参见图2）。
接着，如图5和6所示，基体形成用粘土18通过粘土入口211填充入模具2的腔20以执行注射成型（第一成型步骤）。
注射成型在电解质在模具2的腔20中的形成位置被可动模具231封闭的状态下执行。
接着，通过将氧化锆粉末、氧化钇粉末、石蜡树脂、苯乙烯-丁二烯共聚树脂、以及硬脂酸相配，并且在将纯水加入混合物后再混合并加热而获得电解质形成用粘土。
然后，如图7至图9所示，将电解质形成用粘土19填充入通过打开被可动模具231封闭的电解质部的形成位置而形成的空间201中以执行注射成型。
具体地，如图7所示，封闭电解质部的形成位置的可动模具231在基体形成用粘土18（参见图6）的注射成型之后被去除，然后，如图8所示，由在电解质部的形成位置中形成有另一腔（空间201）的另一可动模具232取代。
用于将材料供给入所述空间201的另一粘土入口233形成于可动模具232中。
然后，如图9所示，电解质形成用粘土19通过设置于可动模具232中的粘土入口233填充入空间201以执行注射成型（第二成型步骤）。
接着，如图10所示，在注射成型之后，上模具21、中模具22以及下模具23顺序地从成型体100去除，并且获得有底筒状的成型体100。
成型体100的侧壁的一部分由电解质形成用粘土19制成，并且其余部分由基体形成用粘土18制成。
接着，在将成型体100脱脂（脱脂步骤）之后，成型体100被烧成（烧成步骤）。
从而，如图4所示，获得了由绝缘陶瓷制成的有底筒状的基体10，其中由固体电解质制成的电解质部103嵌入在侧壁104的一部分中。
然后，如图1至图3所示，铂通过无电镀沉积于基体10的内表面106和外表面107上，并且通过以1000摄氏度的温度对基体10进行热处理，形成基准气体侧电极11和被测气体侧电极12（电极成型步骤）。
在本实施例中，基准气体侧电极11形成于基体10的整个内表面106上，并且被测气体侧电极12形成为与电解质部103具有相同尺寸。
另外，从被测气体侧电极12朝着基体10的后端102一侧延伸的电极引线部121以及包围形成于基体10的后端102一侧中的基体10的外周的环形电极取出部122形成于基体的外表面107上（参见图1至3）。
类似于基准气体侧电极11和被测气体侧电极12，电极引线部121和电极取出部122也使用铂通过无电镀形成。
然后，由MgO·Al2O3尖晶石制成的多孔保护层14形成为至少完全地覆盖被测气体侧电极12。多孔保护层14通过等离子喷涂而形成。
以上述方式，如图1至3所示，获得了λ传感器元件1，其具有由绝缘陶瓷制成的有底筒状的基体10、由固体电解质制成的电解质部103、以及一对电极11、12。
在本实施例的λ传感器元件1中，如图2至图4所示，由固体电解质制成的电解质部103嵌入在由绝缘陶瓷制成的基体10的侧壁104的至少一部分中以构成侧壁104的一部分。
因此，能减少要使用的固体电解质的量。因此，即使在部分稳定氧化锆中加入昂贵的稀土比如氧化钇，例如，所使用的量也能减少。
因此，λ传感器元件1能以低成本制造。
另外，通过用电解质部103构成侧壁104的该部分，能减小λ传感器元件1的尺寸。
从而，能快速地加热λ传感器元件1，因而改进了快速活化。
另外，如图1至图3所示，本实施例的λ传感器元件1通过将棒形加热器3插入在有底筒状的基体10中而使用。
基体10内与加热器3接触的接触位置109由导热率高于固体电解质的绝缘陶瓷构成。
也就是，由导热率低的固体电解质制成的电解质部103没有在与加热器103接触的位置109处存在于基体10中，而是存在导热率高的绝缘陶瓷。
因此，来自加热器3的热立即传递至由导热率高的绝缘陶瓷制成的基体10。
因此，加热所需的时间能缩短，从而λ传感器元件1能更快速地活化。
另外，基体10的侧壁104的该部分由电解质部103制成，并且从侧壁104的电解质部103的远端101一侧和后端102一侧由绝缘陶瓷制成。
因此，在本实施例的λ传感器元件1中，加热器3插入到有底筒状的基体10中，并且加热器3的端部31与基体10的底面相接触。
因而，能易于实现基体10的与加热器3接触的接触位置109为导热率高的绝缘陶瓷的上述构造。
另外，在本实施例中，基体10与基体10的内表面106一侧和外表面107一侧的电解质部103之间的边界区域处的高度差由激光位移计来测量。
测量以非接触测量方式执行。于是，高度差最多为大约3μm。因而，在本实施例的λ传感器元件1中，在基体10和电极103之间边界区域105处的高度差非常小。
因此，能抑制在热冲击比如烧成基体10或者λ传感器元件1被水覆盖期间基体10和电极103之间的边界区域105处由于高度差而出现应力集中。
于是，能防止λ传感器元件1中出现裂纹。
另外，λ传感器元件1具有有底圆筒状的基体10。
因此，能避免当被水覆盖时在热应力易于集中之处形成角部或高度差，例如比如板状λ传感器元件。
因此，能进一步避免由于应力集中引起的裂纹。
另外，如上所述能避免角部的形成，能防止元件在组装至另一部件时由于角部的碰撞而受损。因此，与其它部件的组装变得容易。
另外，在本实施例的λ传感器元件1中，基体10的侧壁104和底部108之间的边界具有弯曲表面。
因此，能防止在侧壁104和底部108之间的边界区域中出现热应力集中。因此，能更加可靠地防止裂纹的出现。
在本实施例中，氧化铝是基体10的绝缘陶瓷的主要成分。因此，能提高基体10的电绝缘性和导热率。
另外，部分稳定氧化锆是电解质部103的固体电解质的主要成分。因此，λ传感器元件1能产生极好的灵敏性。
另外，在本实施例中，λ传感器元件1通过执行第一成型步骤、第二成型步骤、烧成步骤、以及电极成型步骤而生产。
在第一成型步骤中，基体形成用粘土18成型成基体10的形状，其中在形成电解质部的位置处形成空间201，并且在第二成型步骤中，电解质形成用粘土19通过填充于上述空间201中而成型（参见图5至图10）。
从而，基体形成用粘土18和电解质形成用粘土19能一体地成型为有底圆筒状（参见图10）。
于是，通过执行烧成步骤，能获得具有由嵌入在侧壁104的至少一部分中的固体电解质制成的电解质部13的有底圆筒状的基体10。
在第二成型步骤中，电解质形成用粘土19填充入预先在第一成型步骤中形成的空间201，并且如上所述一体地形成。
因此，如上所述，几乎能避免烧成后在基体10和电极103之间的边界区域105处的高度差。
在本实施例的第一成型步骤和第二成型步骤中，基体形成用粘土18和电解质形成用粘土19使用金属模具2通过注射而成型（参见图5至10）。
尤其，在第一成型步骤中，在模具2的腔20中的电解质部形成位置由可动模具231封闭的状态下，基体形成用粘土18通过注射入模具2的腔20而成型，并且在第二成型步骤中，电解质形成用粘土19通过注射入通过打开由可动模具231封闭的电解质部形成位置而形成空间201而成型。
因此，能容易地制造如上所述在基体10和电极103之间的边界区域105处几乎没有高度差的λ传感器元件1（参见图1至图3）。
（第一比较实施例）
本比较实施例是其中整个有底圆筒状的基体由固体电解质形成的λ传感器元件的示例。
具体地，例如，在日本专利申请公开No.53-139595的图3中公开了这种λ传感器元件的一种氧气浓度传感器。
在比较实施例中，即使在基体形成为与第一实施例中具有相同的尺寸，其中整个基体由固体电解质（部分稳定氧化锆）构成的λ传感器元件需要20倍于第一实施例的昂贵氧化锆。
另外，由于整个基体由导热率低的固体电解质制成，即使由加热器加热，对于典型的比较实施例，与第一实施例的传感器相比，需要四倍的时间来达到可测量的预定温度。
另外，与第一实施例相比，λ=1附近的波形稍微变宽，表征为λ传感器元件的性能退化。
（第二比较实施例）
本比较实施例是其中在其前表面和后表面上具有一对电极的固体电解质层包绕在由氧化铝制成的棒形芯部周围的λ传感器元件的示例。
具体地，例如，在日本专利申请公开No.61-272649的第一实施例（图1至图3）中公开了这种λ传感器元件的一种氧气传感器。
在比较实施例的λ传感器元件中，在其生产中，需要将成为固体电解质层的生片（green sheet）包绕在芯部周围的步骤。
因此，芯部和生片需要一定程度的强度，因而需要增大生片的厚度。
于是，具有低导热率的固体电解质层的尺寸增大，并且不大容易被加热器所加热。
相比之下，在上述第一实施例的λ传感器元件中，由于固体电解质部103嵌入在侧壁104的该部分中，元件1的尺寸可减小（参见图1至图4）。
另外，在第一实施例的λ传感器元件1中，基体10中的与加热器3的接触位置105由具有高导热率的绝缘陶瓷制成（参见图1至图3）。
因此，与具有第二比较实施例的结构的元件相比，第一实施例的λ传感器元件1能快速地活化。
实际上，与第一实施例相比，具有第二比较实施例的结构的λ传感器元件需要两倍长的时间达到可测量的预定温度。
（变型）
尽管在上述第一实施例中由固体电解质制成的电解质部形成于由绝缘陶瓷制成的有底圆筒状基体的侧壁的至少一部分中，但是电解质部也能形成于基体的侧壁的多个部分中。
基体的电解质部的形成图案和基体的形状相对于第一实施例发生改变的基体的示例在以下变型中解释。
以下变型1-3所涉及的图11至19示出了基体的形状以及电解质部在基体上的形成位置，并且λ传感器元件的其它部件（比如电极部、多孔保护层或加热器）的构造省略。
然而，在图12、图15和图18的剖面图中，插入到基体中的加热器用虚线指示，以便于解释基体和稍后描述的加热器之间的位置关系。（第一变型）
本变型是其中彼此相对的一对电解质部形成于侧壁的远端侧中的基体的示例。
如图11至13所示，本变型中的基体40为有底圆筒状，并且具有一对在侧壁404中彼此相对的位置中的电解质部403a、403b。
电解质部403a、403b形成于侧壁404的远端401附近，并且嵌入在侧壁404中以形成侧壁404的部分。
基体40的侧壁404的这些部分由固体电解质制成的电解质部403a、403b所形成，并且远端401一侧和后端402一侧除电解质部403a、403b之外的整个其余表面由绝缘陶瓷形成。
于是，以与第一实施例相同的方式，电极部（未示出）也形成于本变型的基体40的内表面406和外表面407上，并且通过在外表面407上形成多孔保护层（未示出）来制备λ传感器元件。
当加热器3（图12中由虚线示出）插入并布置入基体40直到底部408时，例如，基体40内的与加热器3接触的接触位置409由绝缘陶瓷构成（参见图12）。
（第二变型）
本变型是其中圆筒形电解质部形成于侧壁的远端侧的整个外周周围的基体的示例。
如图14至16所示，本变型中的基体50为有底圆筒状，并且具有形成于侧壁504的远端501一侧的整个外周周围的圆筒形电解质部503。
电解质部503嵌入在侧壁504中以形成侧壁504的一部分。
基体50的侧壁504的这个部分由固体电解质制成的电解质部503所形成，并且远端501一侧和后端502一侧中除了电解质部503之外的整个其余表面由绝缘陶瓷形成。
于是，以与第一实施例相同的方式，电极部（未示出）也形成于本变型的基体50的内表面506和外表面507上，并且通过在外表面507上形成多孔保护层（未示出）来制备λ传感器元件。
当加热器3（图15中由虚线示出）插入并布置入基体50直到底部508时，例如，基体50内的与加热器3接触的接触位置509由绝缘陶瓷构成（参见图15）。
（第三变型）
本变型是其中侧壁和底部之间的边界不形成为弯曲表面而是底部相对于侧壁形成为直角的基体的示例。
如图17至19所示，本变型中的基体60为有底圆筒状，并且类似于第一实施例，具有形成于侧壁604的远端601一侧中的电解质部603。
侧壁604为圆筒形，并且底部608提供为在与侧壁604垂直的方向上。侧壁604和底部608之间的角度为直角。
本变型的基体60由固体电解质制成的电解质部603所形成，并且远端601一侧和后端602一侧中除了电解质部603之外的整个其余表面由绝缘陶瓷形成。
于是，以与第一实施例相同的方式，电极部（未示出）也形成于本变型的基体60的内表面606和外表面607上，并且通过在外表面607上形成多孔保护层（未示出）来制备λ传感器元件。
当加热器3（图18中由虚线示出）插入并布置入基体60直到底部608时，例如，基体60内的与加热器3接触的接触位置609由绝缘陶瓷构成（参见图18）。
上述第一和第二变型中的基体40、50可通过与第一实施例相同的方式制造，即，执行第一成型步骤、第二成型步骤、以及烧成步骤，除了被电解质形成用粘土填充的空间的形状将根据电解质部403a、403b、503的形状而改变之外（参见图11至图16）。
另外，第三变型的基体60可通过与第一实施例相同的方式制造，即，执行第一成型步骤、第二成型步骤、以及烧成步骤，除了所使用的模具的腔形成为使得底部608形成为相对于侧壁604成直角之外（参见图17至图19）。
因此，如同第一实施例，即使在每个变型的基体40、50、60中，也能基本上避免由绝缘陶瓷制成的基体40、50、60与电解质部403a、403b、503、603之间的边界区域405a、405b、505、605中的任何高度差。
另外，在使用第一至第三变型的基体40、50、60形成λ传感器元件时，电极部可根据电解质部403a、403b、503、603的形成位置和形状适当地形成以构成电化学电池。
多孔保护层可形成于基体40、50、60的外表面上以至少覆盖电解质部403a、403b、503、603。
通过形成电极部和多孔保护层，即使在每个变型中，也能以与第一实施例相同的方式构造λ传感器元件，并且每个变型中的λ传感器元件执行与第一实施例相同的功能和效果。

Claims (6)

1.一种λ传感器元件(1)，其包括：
由绝缘陶瓷制成的有底筒状的基体(10，40，50，60)，其具有封闭的远端(101，401，501，601)以及开口的后端(102，402，502，602)；
由固体电解质制成的电解质部(103，403a，403b，503，603)；以及
一对电极(11，12)；
其中，所述绝缘陶瓷由导热率高于所述固体电解质的材料制成；
所述电解质部(103，403a，403b，503，603)嵌入在所述基体(10，40，50，60)的侧壁(104，404，504，604)的至少一部分中以构成所述侧壁(104，404，504，604)的一部分；
该对电极(11，12)分别形成于所述侧壁(104，404，504，604)的内表面(106，406，506，606)和外表面(107，407，507，607)上，并且形成于夹持所述电解质部(103，403a，403b，503，603)的位置处；
所述λ传感器元件(1)通过将棒形加热器(3)插入所述有底筒状的基体(10，40，50，60)而使用；并且
所述基体(10，40，50，60)在所述基体(10，40，50，60)内的与加热器(3)接触的接触位置(109，409，509，609)处由所述绝缘陶瓷形成，
其中，所述基体和所述电解质部之间的边界区域处的高度差为10μm或更小。
2.根据权利要求1的λ传感器元件(1)，
其中，所述基体(10，40，50，60)的所述侧壁(104，404，504，604)的该部分由所述电解质部(103，403a，403b，503，603)制成，并且从所述侧壁(104，404，504，604)的相对于所述电解质部(103，403a，403b，503，603)在远端(101，401，501，601)的一侧和后端(102，402，502，602)的一侧由所述绝缘陶瓷形成。
3.根据权利要求1至2任一项所述的λ传感器元件(1)，
所述绝缘陶瓷为氧化铝。
4.根据权利要求1至2任一项所述的λ传感器元件(1)，
所述固体电解质是部分稳定氧化锆。
5.根据权利要求1至2任一项所述的λ传感器元件(1)，
所述电解质部(103，403a，403b，503，603)形成为尺寸是所述基体(10，40，50，60)的体积的1/2或更小。
6.一种制造根据权利要求1至5任一项所述的λ传感器元件(1)的方法，其包括：
第一成型步骤，用于将包含所述绝缘陶瓷材料的基体形成用粘土(18)成型为基体(10，40，50，60)的形状，其中在形成所述电解质部(103，403a，403b，503，603)的位置处形成空间(201)，其中，在所述第一成型步骤中，在模具(2，21，22，23)的腔(20)中的所述电解质部(103，403a，403b，503，603)的形成位置由可动模具(2，231)封闭的状态下，所述基体形成用粘土(18)通过注射入所述模具(2，21，22，23)的所述腔(20)中而成型；
第二成型步骤，用于通过将包含固体电解质材料的电解质形成用粘土(19)填充于所述空间(201)中而成型，在所述第二成型步骤中，所述电解质形成用粘土(19)通过注射入通过打开由所述可动模具(2，231)封闭的所述电解质部(103，403a，403b，503，603)的形成位置而形成的所述空间(201)而成型；
烧成步骤，用于通过烧成来制造具有所述电解质部(103，403a，403b，503，603)的所述基体(10，40，50，60)；以及
电极成型步骤，用于形成所述电极部(11，12)。
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