CN113597551A - 气体传感器的传感器元件 - Google Patents

Abstract

传感器元件的元件基体在内部具有自一个端部所设置的气体导入口开始沿着长度方向而连通的气体流通部，末端保护层具备：内侧层，其设置成将基体端部和与该基体端部连续的元件基体的4个侧面覆盖；以及外侧层，其设置成将内侧层覆盖，且气孔率小于内侧层的气孔率，将至少包含气体流通部的起点位置、中间位置及最里端的位置在内的多个厚度评价位置的各位置处的末端保护层的总厚度的平均值定义为总厚度代表值，并将总厚度代表值设为100时的、多个厚度评价位置的各位置处的总厚度的最大值与最小值之差相对于总厚度代表值的比值定义为膜厚偏差度，此时，总厚度代表值为250μm以上，膜厚偏差度为20以下。

Description

气体传感器的传感器元件

技术领域

本发明涉及气体传感器的传感器元件，特别涉及其表面保护层。

背景技术

以往，作为用于获知来自内燃机的废气等被测定气体中含有的期望气体成分的浓度的气体传感器，众所周知如下气体传感器，该气体传感器具有由氧化锆(ZrO₂)等具有氧离子传导性的固体电解质构成、且在表面、内部具备若干电极的传感器元件。作为这种传感器元件，众所周知，具有长条板状的元件形状，并且在具备将被测定气体导入的部分的那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)。

在传感器元件的表面设置保护层的目的在于确保使用气体传感器时的传感器元件的耐浸水性。具体而言，其目的在于防止浸水开裂，该浸水开裂是指：因来自附着在传感器元件表面的水滴的热(冷源热)引起的热冲击作用于传感器元件而导致传感器元件开裂。

另外，作为传感器元件的耐浸水性试验的一个方法，还众所周知以下方法，即，将组装有传感器元件的气体传感器安装于模拟实车的试验装置(浸水量测定装置)的排气管(Pipe)，根据在使得含水的试验用气体以规定的条件向排气管内流动时是否发生浸水开裂而对该传感器元件的耐浸水性进行评价(例如参见专利文献2)。

水滴在传感器元件表面的附着是有可能在局部发生的现象，因此，可以认为：即便保护层的平均厚度(膜厚)能充分抑制浸水开裂，如果厚度的均匀性不充分，则在厚度较小的部位附着有水滴而在该部位发生热冲击的情况下，发生浸水开裂的可能性也较高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第5344375号公报

专利文献2：日本特许第5997833号公报

发明内容

本发明是鉴于上述课题而实施的，其目的在于，提供通过确保保护层的耐热冲击性的均匀性而更可靠地抑制浸水开裂的发生的气体传感器的传感器元件。

为了解决上述课题，本发明的第一方案是一种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、且在内部具有自所述气体导入口开始沿着长度方向而连通的气体流通部的陶瓷结构体，含有测定对象气体成分的被测定气体经过所述气体导入口而导入至所述气体流通部，所述测定对象气体成分由所述气体流通部内设置的监测部进行监测；以及末端保护层，该末端保护层为在所述元件基体中的起始自所述一个端部的规定范围的外周部设置的多孔质层，所述末端保护层包括：内侧末端保护层，该内侧末端保护层设置成将所述端部和与所述端部连续的所述元件基体的4个侧面覆盖；以及外侧末端保护层，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，将至少包含设置有所述气体导入口的所述气体流通部的起点位置即第一位置、所述气体流通部的中间位置即第二位置以及所述气体流通部的相对于所述气体导入口的最里端的位置即第三位置在内的多个厚度评价位置的各位置处的所述末端保护层的总厚度的平均值定义为总厚度代表值，并将所述总厚度代表值设为100时的、所述多个厚度评价位置的各位置处的所述末端保护层的总厚度的最大值与最小值之差相对于所述总厚度代表值的比值定义为膜厚偏差度，此时所述总厚度代表值为250μm以上，所述膜厚偏差度为20以下。

本发明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，所述内侧末端保护层的气孔率为40％～80％，所述外侧末端保护层的气孔率为10％～40％。

根据本发明的第一及第二方案，能够实现末端保护层均匀地具备优异的耐热冲击性从而能够适当地确保耐浸水性的传感器元件。

附图说明

图1是传感器元件10的概要的外观立体图。

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的结构的概要图。

图3是表示制作传感器元件10时的处理流程的图。

具体实施方式

＜传感器元件及气体传感器的概况＞

图1是本发明的实施方式所涉及的传感器元件(气体传感器元件)10的概要的外观立体图。另外，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的结构的概要图。传感器元件10是对被测定气体中的规定气体成分进行监测且测定其浓度的气体传感器100的、作为主要结构要素的陶瓷结构体。传感器元件10是所谓的极限电流型的气体传感器元件。传感器元件10是所谓的极限电流型的气体传感器元件。

除了传感器元件10以外，气体传感器100主要具备泵单元电源30、加热器电源40以及控制器50。

如图1所示，概要而言，传感器元件10具有长条板状的元件基体1的一个端部侧由多孔质的末端保护层2覆盖的结构。

概要而言，如图2所示，元件基体1以长条板状的陶瓷体101为主要结构体、且在该陶瓷体101的2个主面上具备主面保护层170，此外，在传感器元件10、且在一个末端部侧的端面(陶瓷体101的末端面101e)及4个侧面的外侧设置有末端保护层2。应予说明，下文中，将传感器元件10(或元件基体1、陶瓷体101)的长度方向上的除了两个端面以外的4个侧面简称为传感器元件10(或元件基体1、陶瓷体101)的侧面。

陶瓷体101由以作为氧离子传导性固体电解质的氧化锆(钇稳定氧化锆)为主成分的陶瓷构成。另外，在上述陶瓷体101的外部及内部设置有传感器元件10的各种结构要素。具有上述结构的陶瓷体101是致密且气密的陶瓷体。应予说明，图2所示的传感器元件10的结构不过是示例而已，传感器元件10的具体结构并不局限于此。

图2所示的传感器元件10是在陶瓷体101的内部具有第一内部空腔102、第二内部空腔103以及第三内部空腔104的、所谓的串联三腔结构型的气体传感器元件。即，概要而言，在传感器元件10中，第一内部空腔102通过第一扩散速度控制部110、第二扩散速度控制部120而与在陶瓷体101的一个端部E1侧相对于外部而开口的(严格而言，借助末端保护层2而与外部连通的)气体导入口105连通，第二内部空腔103通过第三扩散速度控制部130而与第一内部空腔102连通，第三内部空腔104通过第四扩散速度控制部140而与第二内部空腔103连通。应予说明，还将从气体导入口105至第三内部空腔104的路径称为气体流通部。在本实施方式所涉及的传感器元件10中，上述流通部沿着陶瓷体101的长度方向而设置成一条直线状。

第一扩散速度控制部110、第二扩散速度控制部120、第三扩散速度控制部130以及第四扩散速度控制部140均在附图中设置成上下2个狭缝。第一扩散速度控制部110、第二扩散速度控制部120、第三扩散速度控制部130以及第四扩散速度控制部140对通过的被测定气体施加规定的扩散阻力。应予说明，在第一扩散速度控制部110与第二扩散速度控制部120之间设置有具有使得被测定气体的脉动缓和的效果的缓冲空间115。

另外，在陶瓷体101的外表面具备外部泵电极141，在第一内部空腔102具备内部泵电极142。此外，在第二内部空腔103具备辅助泵电极143，在第三内部空腔104具备作为测定对象气体成分的直接监测部的测定电极145。此外，在陶瓷体101的另一个端部E2侧具备与外部连通、且将基准气体导入的基准气体导入口106，在该基准气体导入口106内设置有基准电极147。

例如，在上述传感器元件10的测定对象为被测定气体中的NOx的情况下，通过如下过程对被测定气体中的NOx气体浓度进行计算。

首先，对于导入至第一内部空腔102的被测定气体，通过主泵单元P1的泵送作用(氧的吸入或吸出)而将氧浓度调整为大致恒定，然后，将该被测定气体向第二内部空腔103导入。主泵单元P1是构成为包括外部泵电极141、内部泵电极142、以及作为存在于这两个电极之间的陶瓷体101的部分的陶瓷层101a的电化学泵单元。在第二内部空腔103，通过同为电化学泵单元的辅助泵单元P2的泵送作用而将被测定气体中的氧向元件外部吸出，使得被测定气体形成为足够低的氧分压状态。辅助泵单元P2构成为包括外部泵电极141、辅助泵电极143、以及作为存在于这两个电极之间的陶瓷体101的部分的陶瓷层101b。

外部泵电极141、内部泵电极142以及辅助泵电极143形成为多孔质金属陶瓷电极(例如，含有1％的Au的Pt与ZrO₂的金属陶瓷电极)。应予说明，与被测定气体接触的内部泵电极142及辅助泵电极143利用能减弱针对被测定气体中的NOx成分的还原能力、或者不具有还原能力的材料而形成。

利用辅助泵单元P2而形成为低氧分压状态的被测定气体中的NOx向第三内部空腔104导入，并在设置于第三内部空腔104的测定电极145被还原或分解。测定电极145是还作为对第三内部空腔104内的气氛中存在的NOx进行还原的NOx还原催化剂而发挥作用的多孔质金属陶瓷电极。在上述还原或分解时，测定电极145与基准电极147之间的电位差保持恒定。然后，利用测定用泵单元P3将通过上述还原或分解而产生的氧离子向元件外部吸出。测定用泵单元P3构成为包括外部泵电极141、测定电极145、以及作为存在于这两个电极之间的陶瓷体101的部分的陶瓷层101c。测定用泵单元P3是将测定电极145周围的气氛中的NOx分解而产生的氧吸出的电化学泵单元。

主泵单元P1、辅助泵单元P2以及测定用泵单元P3中的泵送(氧的吸入或吸出)通过如下方式而实现：在控制器50的控制下，利用泵单元电源(可变电源)30对各泵单元所具备的电极之间施加泵送所需的电压。在测定用泵单元P3的情况下，以使得测定电极145与基准电极147之间的电位差保持为规定值的方式对外部泵电极141与测定电极145之间施加电压。泵单元电源30通常针对各泵单元而设置。

控制器50根据由测定用泵单元P3吸出的氧的量而对测定电极145与外部泵电极141之间流通的泵电流Ip2进行检测，并基于该泵电流Ip2的电流值(NOx信号)与分解的NOx的浓度之间所具有的线性关系而对被测定气体中的NOx浓度进行计算。

应予说明，优选地，气体传感器100具备对各泵电极与基准电极147之间的电位差进行监测的、未图示的多个电化学传感器单元，基于这些传感器单元的检测信号并利用控制器50对各泵单元进行控制。

另外，在传感器元件10、且在陶瓷体101的内部埋设有加热器150。加热器150在气体流通部的图2中的附图下方设置于从一个端部E1附近至少到达测定电极145及基准电极147的形成位置的整个范围。设置加热器150的主要目的在于，在使用传感器元件10时对传感器元件10进行加热，以便提高构成陶瓷体101的固体电解质的氧离子传导性。更详细而言，加热器150以其周围由绝缘层151围绕的方式而设置。

加热器150例如是由铂等构成的电阻发热体。在控制器50的控制下，从加热器电源40供电而使得加热器150发热。

在使用本实施方式所涉及的传感器元件10时，利用加热器150至少将第一内部空腔102至第二内部空腔103的范围加热至500℃以上的温度。此外，还有时将气体导入口105至第三内部空腔104的整个气体流通部加热至500℃以上。这是为了提高构成各泵单元的固体电解质的氧离子传导性而适当地发挥各泵单元的能力。在这种情况下，温度最高的第一内部空腔102附近的温度达到700℃～800℃左右。

下文中，在陶瓷体101的2个主面中，有时将图2中位于附图上方的、主要具备主泵单元P1、辅助泵单元P2以及测定用泵单元P3的那侧的主面(或者具备该主面的传感器元件10的外表面)称为泵面，并将图2中位于附图下方的、具备加热器150的那侧的主面(或者具备该主面的传感器元件10的外表面)称为加热器面。换言之，泵面是比加热器150更接近气体导入口105、3个内部空腔以及各泵单元的那侧的主面，加热器面是比气体导入口105、3个内部空腔以及各泵单元更接近加热器150的那侧的主面。

在陶瓷体101的各主面上的另一个端部E2侧形成有用于实现传感器元件10与外部之间的电连接的多个电极端子160。这些电极端子160通过陶瓷体101的内部所具备的未图示的导线并按照规定的对应关系而将上述的5个电极、加热器150的两端、以及未图示的加热器电阻检测用的导线电连接。因而，通过电极端子160而实现了从泵单元电源30对传感器元件10的各泵单元的电压的施加、从加热器电源40供电而对加热器150的加热。

此外，在传感器元件10、且在陶瓷体101的泵面及加热器面具备上述主面保护层170(170a、170b)。主面保护层170是由氧化铝形成的、厚度为5μm～30μm左右且气孔以20％～40％左右的气孔率而存在的层，设置该主面保护层170的目的在于，防止异物、中毒物质附着于陶瓷体101的主面(泵面及加热器面)、在泵面侧具备的外部泵电极141。因此，泵面侧的主面保护层170a还作为对外部泵电极141予以保护的泵电极保护层而发挥作用。

应予说明，本实施方式中，通过对评价对象物的SEM(扫描电子显微镜)图像应用公知的图像处理方法(二值化处理等)而求解气孔率。

图2中，除了使电极端子160的一部分露出以外，在泵面及加热器面的大致整面设置有主面保护层170，不过，这不过是示例而已，与图2所示的情况相比，主面保护层170可以设置成偏向一个端部E1侧的外部泵电极141附近。

＜末端保护层的详细情况＞

在传感器元件10、且在起始自具有如上所述结构的元件基体1的一个端部E1的规定范围的最外周部设置有末端保护层2。

设置末端保护层2的目的在于，通过围绕元件基体1中的使用气体传感器100时达到高温(最高为700℃～800℃左右)的部分而确保该部分的耐浸水性，并抑制因该部分直接浸水导致的局部温度降低引起热冲击而在元件基体1产生裂纹(浸水开裂)。

此外，设置末端保护层2的目的还在于，防止Mg等中毒物质进入传感器元件10的内部、即确保耐中毒性。

如图2所示，本实施方式所涉及的传感器元件10中，末端保护层2由内侧末端保护层22和外侧末端保护层23这2层构成。另外，在末端保护层2(内侧末端保护层22)与元件基体1之间设置有基底层3。

基底层3是为了确保与在其上形成的内侧末端保护层22(以及外侧末端保护层23)之间的粘接性(密接性)而设置的层。基底层3至少设置在元件基体1的泵面侧及加热器面侧的2个主面上。即，基底层3具备：泵面侧的基底层3a和加热器面侧的基底层3b。不过，基底层3未设置于陶瓷体101的(元件基体1的)末端面101e侧。

基底层3由氧化铝形成为具有30％～60％的气孔率及15μm～50μm的厚度。应予说明，如后所述，基底层3与内侧末端保护层22及外侧末端保护层23不同，在元件基体1的制作过程中，与元件基体1一同形成。

内侧末端保护层22和外侧末端保护层23以将元件基体1的一个端部E1侧的末端面101e和4个侧面覆盖的方式(在元件基体1的一个端部E1侧的外周)自内侧开始依次设置。内侧末端保护层22中，将末端面101e侧的部分特别称为末端部221，将泵面侧和加热器面侧的部分特别称为主面部222。同样地，外侧末端保护层23中，将末端面101e侧的部分特别称为末端部231，将泵面侧和加热器面侧的部分特别称为主面部232。内侧末端保护层22的主面部222与基底层3相邻。

内侧末端保护层22由氧化铝设置成具有40％～80％的气孔率且具有300μm～800μm的厚度。另外，外侧末端保护层23由氧化铝设置成具有比内侧末端保护层22小的10％～40％的气孔率且具有50μm～300μm的厚度。据此，末端保护层2构成为：导热率比外侧末端保护层23小的内侧末端保护层22由气孔率比该内侧末端保护层22小的外侧末端保护层23覆盖。内侧末端保护层22通过设置成低导热率的层而具有抑制从外部向元件基体1的热传导的功能。

内侧末端保护层22和外侧末端保护层23是通过针对在表面形成有基底层3的元件基体1依次喷镀(等离子喷镀)各自的构成材料而形成的。这是为了使在制作元件基体1的同时预先形成的基底层3与内侧末端保护层22之间表现出锚固效应而确保内侧末端保护层22相对于基底层3(也包括在外侧形成的外侧末端保护层23在内)的粘接性(密接性)。换言之，这意味着：基底层3具有确保与内侧末端保护层22之间的粘接性(密接性)的功能。

其中，在本实施方式，末端保护层2设置成：总厚度代表值为250μm以上，且膜厚偏差度为20以下。

此处，总厚度代表值定义为：传感器元件10的宽度方向中央的沿着元件长度方向的垂直截面(厚度方向截面)中的、末端保护层2的泵面上或加热器面上的不同的多个厚度评价位置的各位置处的末端保护层2的总厚度的平均值。另外，膜厚偏差度定义为：总厚度代表值设为100时的、各厚度评价位置处的总厚度的最大值与最小值之差(最大膜厚差)相对于总厚度代表值的比值。

其中，多个厚度评价位置至少包括设置有气体导入口105的气体流通部的起点位置即陶瓷体101的末端面101e的位置(Pos.1)、气体流通部的中间位置(Pos.2)以及气体流通部的最里部(相对于气体导入口105的最远部)即第三内部空腔104的最里端的位置(Pos.3)。图2中，将这3个位置处的末端保护层2的总厚度分别示为T1、T2、T3。

例如，可以根据传感器元件10的沿着元件长度方向的垂直截面(厚度方向截面)的拍摄图像求出各厚度评价位置处的末端保护层2的总厚度。应予说明，末端保护层2的总厚度即便最大也不过为内侧末端保护层22的厚度的最大值与外侧末端保护层23的厚度的最大值的总和的1300μm。

膜厚偏差度是作为末端保护层2的泵面上或加热器面上的总厚度均匀性的指标的值，该值越小，可以评价为末端保护层2以越接近均匀的厚度而形成。

此处，使厚度评价位置至少包含Pos.1～Pos.3是因为：Pos.1相当于与陶瓷体101的末端面101e侧之间的边界位置，另外，Pos.3接近末端保护层2的另一个端部E2侧的端部，因此，利用上述方法在这两个位置同时形成末端保护层2时，厚度容易产生偏差，另一方面，由于Pos.2为气体流通部上的末端保护层2的代表性的位置，在该位置附近比较容易以目标厚度而形成末端保护层2，因此，若评价末端保护层2的厚度均匀性程度，则可以认为以最低限度考虑上述Pos.1～Pos.3处的测定值较为妥当。当然，厚度评价位置越多，膜厚偏差度的值越能适当地反映出末端保护层2的实际的厚度均匀性。

本实施方式所涉及的气体传感器100中，如上所述，末端保护层2设置成：总厚度代表值为250μm以上，且膜厚偏差度为20以下，由此可确保末端保护层2的厚度均匀性。并且，这样以均匀的厚度具备末端保护层2，使得末端保护层2均匀地具备优异的耐热冲击性。由此，能够适当地抑制末端保护层2中厚度在局部较小的部位附着有水滴而产生热冲击进且作为其结果而进一步导致传感器元件10发生浸水开裂。即，本实施方式所涉及的气体传感器100中，传感器元件10的耐浸水性得到提高。

应予说明，内侧末端保护层22和外侧末端保护层23以使基底层3中的传感器元件10的长度方向上的一个端部E1侧的相反侧的端部露出的方式形成，并未设置成将基底层3(3a、3b)的整体覆盖。这是为了更可靠地确保内侧末端保护层22相对于基底层3(也包括在外侧形成的外侧末端保护层23在内)的粘接性(密接性)。

此外，图2所示的传感器元件10中，外侧末端保护层23以使内侧末端保护层22的一个端部E1侧的相反侧的端部露出的方式形成，但这并非必须方案，外侧末端保护层23也可以形成为将内侧末端保护层22的该端部覆盖。

如以上说明，本实施方式所涉及的传感器元件10中，将末端保护层2设为内侧末端保护层22和外侧末端保护层23这2层结构，并采用以气孔率较小的外侧末端保护层23将气孔率满足40％～80％的范围的低导热率的内侧末端保护层22包围的结构，此外，将末端保护层2设置成总厚度代表值为250μm以上且膜厚偏差度为20以下，由此，使得末端保护层2均匀地具备优异的耐热冲击性。因具有这样的结构而在传感器元件10中能够适当地确保耐浸水性。

＜传感器元件的制造工艺＞

接下来，对制造具有如上所述的结构及特征的传感器元件10的工艺的一例进行说明。图3是表示制作传感器元件10时的处理流程的图。

在制作元件基体1时，首先，准备多个半成品片材(省略图示)，该半成品片材是含有氧化锆等氧离子传导性固体电解质作为陶瓷成分、且未形成图案的生片(步骤S1)。

在半成品片材设置用于印刷时、层叠时的定位的多个片材孔。在形成图案之前的半成品片材的阶段利用冲压装置进行冲切处理等而预先形成上述片材孔。应予说明，在陶瓷体101的对应部分形成有内部空间的生片的情况下，还通过同样的冲切处理等而预先设置与该内部空间对应的贯通部。另外，各半成品片材的厚度无需全部都相同，厚度可以根据最终形成的元件基体1的各自的对应部分而不同。

若准备好与各层对应的半成品片材，则针对各半成品片材进行图案印刷、干燥处理(步骤S2)。具体而言，形成各种电极的图案、加热器150及绝缘层151的图案、电极端子160的图案、主面保护层170的图案、以及省略图示的内部配线的图案等。另外，在上述图案印刷的定时，还一并进行用于形成第一扩散速度控制部110、第二扩散速度控制部120、第三扩散速度控制部130以及第四扩散速度控制部140的升华性材料(消失材料)的涂敷或配置。此外，还针对层叠后变为最上层及最下层的半成品片材进行用于形成基底层3(3a、3b)的图案的印刷(步骤S2a)。

以如下方式进行各图案的印刷：利用公知的丝网印刷技术，将根据各形成对象要求的特性而准备的图案形成用浆糊涂敷于半成品片材。例如，在形成基底层3时，使用在最终获得的传感器元件10中能够形成期望的气孔率及厚度的基底层3的氧化铝浆糊。关于印刷后的干燥处理，也可以利用公知的干燥方法。

若针对各半成品片材的图案印刷结束，则进行用于对生片彼此进行层叠、粘接的粘接用浆糊的印刷、干燥处理(步骤S3)。对于粘接用浆糊的印刷可以利用公知的丝网印刷技术，关于印刷后的干燥处理，也可以利用公知的干燥方法。

接下来，进行如下压接处理，即，按照规定的顺序对涂敷有粘接剂的生片进行堆叠，并施加规定的温度、压力条件对其进行压接而制成一个层叠体(步骤S4)。具体而言，利用片材孔对作为层叠对象的生片进行定位并将其堆叠保持于未图示的规定的层叠夹具，利用公知的液压机等层叠机针对每个层叠夹具进行加热、加压。关于进行加热、加压的压力、温度、时间，还取决于使用的层叠机，不过，只要规定适当的条件能实现良好的层叠即可。应予说明，也可以是对通过上述方式获得的层叠体进行用于形成基底层3的图案的形成的方式。

若以上述方式获得层叠体，则接下来在多处部位将上述层叠体切断，并切割为最终分别成为单独的元件基体1的单元体(步骤S5)。

接下来，以1300℃～1500℃左右的烧成温度对获得的单元体进行烧成(步骤S6)。由此，制作在两个主面具备基底层3的元件基体1。即，通过对由固体电解质形成的陶瓷体101、各电极以及主面保护层170与基底层3一同进行一体烧成而形成元件基体1。应予说明，通过以上述方式进行一体烧成而使得元件基体1的各电极具有足够的密接强度。

若以上述方式制作成元件基体1，则接下来针对上述元件基体1而形成内侧末端保护层22和外侧末端保护层23。以如下方式形成内侧末端保护层22，即，与目标形成厚度相应地将预先准备的内侧末端保护层形成用的粉末(氧化铝粉末)喷镀于元件基体1的内侧末端保护层22的形成对象位置(步骤S7)，然后，对以上述方式形成有涂敷膜的元件基体1进行烧成(步骤S8)。内侧末端保护层形成用的氧化铝粉末中以与期望的气孔率对应的比例而含有具有规定的粒度分布的氧化铝粉末和造孔材料，喷镀后对元件基体1进行烧成而使得上述造孔材料热分解，由此适当地形成40％～80％的高气孔率的内侧末端保护层22。此外，对于喷镀及烧成可以应用公知的技术。

当形成内侧末端保护层22时，接下来与目标形成厚度相应地将同样预先准备的含有具有规定的粒度分布的氧化铝粉末的外侧末端保护层形成用的粉末(氧化铝粉末)喷镀于元件基体1的外侧末端保护层23的形成对象位置(步骤S9)，由此形成期望的气孔率的外侧末端保护层23。外侧末端保护层形成用的氧化铝粉末中不含有造孔材料。关于上述喷镀也可以应用公知的技术。

此外，出于提高末端保护层2的厚度均匀性的目的，可以在内侧末端保护层22的形成后和/或外侧末端保护层23的形成后，对各层进行研磨。研磨的方法并未特别限定。应予说明，使用研磨纸(砂纸)的情况下，优选使用#150以下的研磨纸。

通过以上次序能够获得传感器元件10。将获得的传感器元件10收纳于规定的外壳并组装于气体传感器100的主体(未图示)。

＜变形例＞

在上述实施方式中，将具备3个内部空腔的传感器元件设为对象，不过，传感器元件并非必须设为3腔结构。即，传感器元件也可以是具备2个或1个内部空腔的方式。

另外，在上述实施方式中，在步骤S7中喷镀内侧末端保护层形成用的粉末之后，在步骤S8中进行烧成，在此基础上，在步骤S9中喷镀外侧末端保护层形成用的粉末，不过，步骤S8的烧成和步骤S9的喷镀的顺序可以调换。

另外，在上述实施方式中，利用氧化铝设置内侧末端保护层22及外侧末端保护层23，作为形成这两层时的喷镀材料而使用氧化铝粉末，不过，这并非必须方案。也可以是使用氧化锆(ZrO₂)、尖晶石(MgAl₂O₄)、多铝红柱石(Al₆O1₃Si₂)等金属氧化物代替氧化铝而设置内侧末端保护层22及外侧末端保护层23的方案。在这种情况下，采用这些金属氧化物的粉末作为喷镀材料即可。

实施例

制作传感器元件10的末端保护层2的总厚度各不相同的12种气体传感器100(试样No.1～No.12)。

针对各气体传感器100，进行耐浸水性的评价(耐浸水性试验)。按照专利文献2中公开的方法并利用模拟实车的试验装置而进行耐浸水性试验。

具体而言，作为试验装置而准备了如下试验装置，即，以150°的角度将2根管连接，借助切换阀而将送风机与一侧的管连接，并将气体传感器配置于另一侧的管的中途。在管的接缝部分预先储存100mL的水，并在空气气氛中利用加热器150进行加热，在使得传感器元件10的温度稳定而达到850℃之后，从送风机向安装有气体传感器100的管以约50m/s的风速进行3秒钟的送风，由此使水朝向气体传感器100飞散。然后，确认送风后的传感器元件10是否产生了裂纹。更详细而言，以如下方式进行针对安装有气体传感器100的管的送风，即，与专利文献2的方法同样地对切换阀进行操作，将预先在切换阀与旁路连接的状态下准备的风速约50m/s的大气流朝向安装有气体传感器100的管进行切换。

具体确定末端保护层2中总厚度在局部较小的位置并不容易，此时，根据上述方法，如果在末端保护层2的某处发生浸水开裂，则能够监测到该位置，因此，能够确定末端保护层2中的厚度偏差的大小与浸水开裂之间的关系。

应予说明，作为耐浸水性的评价方法，已知如下方法，即，针对末端保护层2断续地滴加等量的水滴而将未发生浸水开裂的范围的最大滴加水量设为耐浸水性的指标，不过，关于该方法，即便确定多个滴加部位也未必能够评价末端保护层2的厚度在局部较小的位置的耐浸水性，因此，作为确认本发明的作用效果的方法未必合适。

另外，针对各传感器元件10，根据截面SEM图像，求出加热器面侧的Pos.1、Pos.2及Pos.3处的末端保护层2的总厚度，利用获得的值而计算出总厚度代表值、最大膜厚差、膜厚偏差度。

表1中一览地示出了各气体传感器100的、Pos.1、Pos.2及Pos.3处的末端保护层2的总厚度(表1中记载为“保护层总膜厚”、它们的总厚度代表值(表1中记载为“Ave.”)及最大膜厚差、根据两者的值计算出的膜厚偏差度、以及耐浸水性的评价结果。

[表1]

表1中，针对在耐浸水性试验结束时未产生裂纹的试样，评价为耐浸水性良好，在“耐浸水性”栏中标记“〇”(圆圈符号)，针对在耐浸水性试验结束时产生了裂纹的试样，在“耐浸水性”栏中标记“×”(叉号)。

如表1所示，除了膜厚偏差度超过20的No.3及No.4的试样、总厚度代表值低于250μm的No.5的试样以外，所有试样均未产生裂纹，耐浸水性良好。

上述结果表明：通过将末端保护层2设置成总厚度代表值为250μm以上且膜厚偏差度为20以下，能够抑制因存在厚度在局部较小的部位而导致传感器元件10发生浸水开裂，对于传感器元件10能够适当地确保耐浸水性。

Claims (2)

1.一种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、且在内部具有自所述气体导入口开始沿着长度方向而连通的气体流通部的陶瓷结构体，含有测定对象气体成分的被测定气体经过所述气体导入口而导入至所述气体流通部，所述测定对象气体成分由所述气体流通部内设置的监测部进行监测；以及

末端保护层，该末端保护层为在所述元件基体中的起始自所述一个端部的规定范围的外周部设置的多孔质层，

所述末端保护层包括：

内侧末端保护层，该内侧末端保护层设置成将所述端部和与所述端部连续的所述元件基体的4个侧面覆盖；以及

外侧末端保护层，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，

将至少包含设置有所述气体导入口的所述气体流通部的起点位置即第一位置、所述气体流通部的中间位置即第二位置以及所述气体流通部的相对于所述气体导入口的最里端的位置即第三位置在内的多个厚度评价位置的各位置处的所述末端保护层的总厚度的平均值定义为总厚度代表值，并将所述总厚度代表值设为100时的、所述多个厚度评价位置的各位置处的所述末端保护层的总厚度的最大值与最小值之差相对于所述总厚度代表值的比值定义为膜厚偏差度，此时，

所述总厚度代表值为250μm以上，所述膜厚偏差度为20以下。

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，

所述内侧末端保护层的气孔率为40％～80％，

所述外侧末端保护层的气孔率为10％～40％。

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