CN1841057A - 气体传感器元件及其制造方法、以及气体传感器 - Google Patents

Abstract

一种气体传感器元件及其制造方法、以及气体传感器，该气体传感器元件(300)包括板状第二固体电解质构件(109)、形成在第二固体电解质构件上的第四电极(110)、以及包括具有插入孔(112a)的加强构件(112)和设置在插入孔内的用于保护第四电极不被污染的多孔电极保护构件(113a)的保护层(111)。本方法包括：压制步骤，在将未烧结电极保护构件设置在未烧结加强构件的插入孔内之后，压制未烧结加强构件和未烧结电极保护构件中的至少一个，以形成未烧结保护层；层叠成形步骤，将未烧结保护层和未烧结固体电解质构件层叠布置以形成层叠体，该层叠体经过烧结将变成气体传感器元件；以及烧结层叠体的烧结步骤。

Description

气体传感器元件及其制造方法、以及气体传感器

技术领域

本发明涉及一种气体传感器元件、制造该气体传感器元件的方法及气体传感器。

背景技术

一种传统的气体传感器被公开在专利文件1中。该气体传感器包括用于探测在其前端部的被测气体的轴向延伸的气体传感器元件、用于激活该气体传感器元件的加热器、以及用于支撑该气体传感器元件的金属壳。

该气体传感器元件和加热器具有如图11所示的结构。图11是该气体传感器元件和加热器的分解透视图。具体地，该结构是多层结构，其中主要地，第一基体101、加热构件102、第二基体103、第一电极104、第一固体电解质构件105、第二电极106、绝缘层107、第三电极108、第二固体电解质构件109、第四电极110、以及保护层111被依次层叠布置。保护层111包括具有沿层叠方向延伸的插入孔112a的加强构件112，和被插入到插入孔112a中的电极保护构件113a。加强构件112防止气体传感器元件300和加热器200翘曲并提高其强度。电极保护构件113a是多孔构件，其在保持第四电极110和空气之间气体连通的同时，保护第四电极110(明确地，第四电极部110a)不被污染。

气体传感器如下制造。首先，未烧结电极保护构件113a被插入到未烧结加强构件112的插入孔112a中，其中，未烧结电极保护构件113a是烧结之前的电极保护构件113a，未烧结加强构件112是烧结之前的加强构件112。如此形成未烧结保护层111，该未烧结保护层111是烧结之前的保护层111。随后，第一未烧结基体101，即烧结之前的第一基体101、第一未烧结固体电解质构件105，即烧结之前的第一固体电解质构件105、第二未烧结固体电解质构件109，即烧结之前的第二固体电解质构件109等与未烧结保护层111一起层叠布置，从而生成层叠体。接着，使该层叠体经过除树脂烧结，然后进行主烧结，由此以一体方式获得气体传感器元件300和加热器200。然后，气体传感器元件300和加热器200被安装到金属壳等上，从而生成气体传感器。

如此获得的气体传感器被安装到例如，诸如发动机排气管的排气系统，并被用于探测包含在废气中的被测气体。

[专利文件1]日本专利申请公报No.2003-294687

上述传统气体传感器在各个传感器之间有气体探测能力差异变大的危险。因此，在某些情况下，生产率不足。

具体地，如图13所示，本发明人已经发现在气体传感器元件中，裂纹CR往往是在第二固体电解质构件109中产生，该第二固体电解质构件109由第二未烧结固体电解质构件109通过烧结形成。具有裂纹CR的气体传感器在各个传感器之间有气体探测能力差异变大的危险。因此，在某些情况下，产品生产率不足。这是因为，即使在满足其它要求的情况下，裂纹CR的产生使由被测气体形成的电极间电位减小。

本发明者发现在第二固体电解质构件109中的裂纹CR是由保护层111内的加强构件112和电极保护构件113a之间的缝隙G产生；更准确地，是由未烧结保护层111内的未烧结加强构件112和未烧结电极保护构件113a之间的缝隙G产生。换句话说，当在烧结阶段(尤其是在除树脂的时候)，在未烧结电极保护构件113a和未烧结加强构件112的插入孔112a的壁面之间产生缝隙G，在烧结时，应力很可能就集中在第二未烧结固体电解质构件内的缝隙G的周围。这是由第二未烧结固体电解质构件109的收缩率与未烧结加强构件112以及未烧结电极保护构件113a的收缩率之间的不同造成的。结果，裂纹CR在第二固体电解质构件109内在缝隙G的周围产生。基于这个发现，本发明人完成了本发明。

发明内容

本发明是考虑到前述内容完成的，而且本发明的一个目的是减小气体传感器之间气体探测能力的差异，并且能够以高生产率生产气体传感器。

本发明提供了一种制造气体传感器元件的方法，该气体传感器元件包括固体电解质构件、形成在固体电解质构件上的电极、以及包括具有插入孔的加强构件和被设置在插入孔内并适于保护电极不被污染的多孔电极保护构件的保护层。该方法包括：压制步骤，在将未烧结电极保护构件设置在未烧结加强构件的插入孔内之后，压制未烧结加强构件和未烧结电极保护构件中的至少一个，以形成未烧结保护层；层叠成形步骤，将未烧结保护层和未烧结固体电解质构件层叠布置，以形成层叠体，该层叠体在烧结之后变成气体传感器元件；以及烧结步骤，烧结该层叠体。

在本发明的制造方法中，在压制步骤过程中，未烧结加强构件和未烧结电极保护构件中的至少一个被压制。因而，未烧结加强构件或者未烧结电极保护构件被压入未烧结保护构件和插入孔壁面之间的缝隙中。在合成的层叠体中，在未烧结加强构件和未烧结电极保护构件之间不太可能产生缝隙，从而提供了增强的附着力。所以，当层叠体被烧结时，未烧结固体电解质构件到固体电解质构件的热收缩不太可能受空气影响，而该空气会存在于在传统的制造方法中出现的缝隙中。因而，固体电解质构件不太可能出现裂纹。

所以，如此获得的气体传感器不会使由被测气体产生的电极之间的电位降低，并且呈现出各个传感器之间的气体探测能力差异的减小。此外，可以高生产率生产呈现出上述特性的气体传感器。

所以，本发明的制造气体传感器元件的方法可减小各个气体传感器之间的气体探测能力差异，可以高生产率生产这种气体传感器。

优选地，在本发明的制造方法中，压制步骤在室温(20℃)或更高的温度下进行，优选在40℃或者更高。这提高了未烧结保护层的未烧结加强构件和未烧结电极保护构件的流动性，从而未烧结加强构件和/或未烧结电极保护构件可被更容易地压入到缝隙中。因此，缝隙可被更可靠地填充，压制的时间可被缩短，而且提供的压力可被减小。

优选地，在本发明的制造方法中，未烧结电极保护构件被压制。通常，由于未烧结电极保护构件在垂直于层叠方向的面积比未烧结加强构件小，未烧结电极保护构件更有可能在压力下向外展开。同样，因为未烧结电极保护构件通过施加压力向外展开以配合尺寸是固定的未烧结加强构件的插入孔，可确保尺寸精度。

优选地，在未烧结电极保护构件被压制的情况下，在压制步骤进行之前，未烧结电极保护构件比未烧结加强构件厚。这允许未烧结电极保护构件在压力下很容易地向外展开而不影响未烧结加强构件。在这种情况下，优选地，当完成压制步骤之后，未烧结加强构件和未烧结电极保护构件具有基本相同的厚度。在烧结之前，未烧结加强构件和未烧结电极保护构件的厚度差最好控制在25μm或者更小。

优选地，在本发明的制造方法中，即使当未烧结电极保护构件在层叠方向上比未烧结加强构件厚时，或者未烧结加强构件在层叠方向上比未烧结电极保护构件厚时，在烧结之后，加强构件和电极保护构件具有基本相同的厚度。未烧结加强构件和未烧结电极保护构件经过烧结之后的厚度差最好控制在20μm或者更小。这是因为，如果加强构件和电极保护构件不具有基本相同的厚度，由被测量的气体产生的电极之间的电位被减小。结果，气体传感器之间的气体探测能力可能出现差异。

优选地，在本发明的制造方法中，从平面看插入孔没有尖角。明确地，具有圆角优选具有0.5mm或者更大的曲率半径的圆角的多边形、圆形等是优选的。这种形状的应用使得减小了在未烧结加强构件和未烧结电极保护构件之间产生缝隙的倾向。尤其是，当在被无缝隙地装配在插入孔的同时通过烧结形成的电极保护构件从层叠方向看没有尖角时，热强度和机械强度被提高了。

本发明的气体传感器元件包括：具有板状形状的固体电解质构件；形成在固体电解质构件上的电极；和包括具有插入孔的加强构件和被布置在插入孔内并用来保护电极不被污染的多孔电极保护构件的保护层。在该气体传感器元件中，在插入孔的内周面和电极保护构件的外周面之间不存在尺寸超过电极保护构件内的孔的平均直径的缝隙。

当在插入孔的内周面和电极保护构件的外周面之间的缝隙不比电极保护构件内的孔的平均直径大时，可防止固体电解质构件中的初始裂纹。令人信服地，原因如下。如果插入孔的壁面和未烧结保护构件之间不可能产生缝隙，未烧结保护构件是在烧结之前的电极保护构件，在烧结步骤中，未烧结固体电解质构件(将形成固体电解质构件)在烧结过程的热收缩不太可能受空气影响，而该空气会存在于在传统的制造方法中产生的缝隙中。

因而，采用本发明的气体传感器元件的气体传感器展示出各个传感器之间的气体探测能力差异的减小，而且可被以高生产率制造。

本发明的气体传感器包括用于探测被检测气体的气体传感器元件和用于支撑气体传感器元件的金属壳。气体传感器使用上述气体传感器元件。

气体传感器展示出各个传感器之间的气体探测能力差异的减小，并可被以高生产率生产。

本发明提供了一种气体传感器元件的制造方法，该气体传感器元件包括：具有板状形状的固体电解质构件、形成在固定电解质构件上的电极、以及包括具有插入孔的加强构件和被设置在插入孔内并适于保护电极不被污染的多孔电极保护构件的保护层。该制造方法包括插入孔成形步骤，在第一未烧结陶瓷片上冲裁出插入孔以形成具有插入孔的未烧结加强构件；裁下步骤，即从被放置在未烧结加强构件上的第二未烧结陶瓷片上裁下坯料，以将该坯料作为未烧结电极保护构件布置在未烧结加强构件的插入孔内；以及烧结步骤，烧结未烧结加强构件和未烧结电极保护构件，以形成加强构件和电极保护构件。

如上所述，从第二未烧结陶瓷片上裁下的坯料作为未烧结电极保护构件被设置在未烧结加强构件的插入孔内，从而防止在未烧结电极保护构件和插入孔的壁面之间形成裂纹的可能性。此外，从第二未烧结陶瓷片上裁下未烧结电极保护构件的步骤和将获得的未烧结电极保护构件设置在插入孔的步骤可同时进行，从而减少了加工步骤数量。

优选地，本发明的制造方法进一步包括压制步骤，在裁下步骤之后，压制未烧结加强构件和未烧结电极保护构件中的至少一个，以形成未烧结保护层。这样的压制使被压制的未烧结加强构件或者被压制的未烧结电极保护构件变形以填充未烧结电极保护构件和插入孔壁面之间的缝隙，从而提高了二者之间的附着力。所以，当合成的层叠体被烧结时，未烧结固体电解质构件的热收缩不可能受空气影响，而该空气会存在于在传统制造方法中产生的缝隙中，从而固体电解质构件不太可能裂纹。

附图说明

图1是关于实施例1的示意性放大截面图，示出了用于穿过未烧结加强构件切出插入孔的成形模。

图2是关于实施例1的示意性放大截面图，示出了图1所示的成形模闭合的情形。

图3是关于实施例1的平面图，示出了包括未烧结加强构件和未烧结电极保护构件的未烧结保护层。

图4是关于实施例1的示意性放大截面图，示出了用于将未烧结电极保护构件插入到未烧结加强构件的插入孔内的成形模。

图5是关于实施例1的示意性放大截面图，示出了图4所示的成形模闭合的情形。

图6是关于实施例1的示意性放大截面图，示出了用于压制未烧结保护构件的成形模。

图7是关于实施例1的示意性放大截面图，示出了图6所示的成形模闭合的情形。

图8是根据实施例1的气体传感器元件的示意性放大截面图。

图9是根据实施例1和2的气体传感器的截面图。

图10是关于修改实施例的平面图，示出了包括未烧结加强构件和未烧结电极保护构件的未烧结保护层。

图11是关于实施例1和传统设计的气体传感器元件和加热器的示意性分解透视图。

图12是根据实施例2的气体传感器元件和加热器的示意性分解透视图。

图13是传统的气体传感器元件的示意性放大截面图。

附图标记说明：

在图中用于区分不同结构特征的附图标记包括如下。

109：第二固体电解质构件，第二未烧结固体电解质构件

405：第二固体电解质构件

111：保护层，未烧结保护层

407：保护层

110：第四电极，第四未烧结电极

406：第四电极

300、600：气体传感器元件

112a：插入孔

112：加强构件，未烧结加强构件

113：第二未烧结陶瓷片

117：第一未烧结陶瓷片

408：加强构件

113a：电极保护构件，未烧结电极保护构件

409a：电极保护构件

G：缝隙

23：金属壳

具体实施方式

以下将参照附图说明本发明的实施例1和实施例2。然而，对本发明的解释不限于此。

实施例1：

首先，将说明实施例1的气体传感器。

如图9所示，气体传感器包括气体传感器元件300、层叠在气体传感器元件300上的加热器200、其内保持气体传感器元件300等的金属壳23、以及安装到金属壳23的前端部的保护器24。气体传感器元件300和加热器200被布置为沿着轴线L方向延伸。

如图11所示，加热器200包括第一基体101、第二基体103、以及加热构件102。第一和第二基体101和103主要包括氧化铝。加热构件102包括位于其前端侧的加热部102a和一对加热器引线部102b。加热器引线部102b的端部通过形成在第一基体101上的对应通孔101a与对应的加热器侧贴片120电连接。

气体传感器元件300包括氧浓度探测单元130和氧泵单元140。氧浓度探测单元130包括第一固体电解质构件105、第一电极104、以及第二电极106。第一和第二电极104和106形成在第一固体电解质构件105的对应相反侧。第一电极104包括第一电极部104a和第一引线部104b。第二电极106包括第二电极部106a和第二引线部106b。

第一引线部104b的一端通过通孔105a、通孔107a、通孔109a、以及通孔111a与对应的气体传感器元件侧贴片121电连接。第二引线部106b的一端通过通孔107b、通孔109b、以及通孔111b与对应的气体传感器元件侧贴片121电连接。

氧泵单元140包括第二固体电解质构件109、第三电极108、以及第四电极110。第三和第四电极108和110形成在第二固体电解质构件109的对应相反侧。第三电极108包括第三电极部108a和第三引线部108b。第四电极110包括第四电极部110a和第四引线部110b。

第三引线部108b的一端通过通孔109b和通孔111b与对应的气体传感器元件侧贴片121电连接。第四引线部110b的一端通过通孔111c与对应的气体传感器元件侧贴片121电连接。第二引线部106b和第三引线部108b通过通孔107b具有相同的电位。

第一固体电解质构件105和第二固体电解质构件109由部分稳定的氧化锆烧结体制成，该部分稳定的氧化锆烧结体通过向氧化锆(ZrO₂)添加用作稳定剂的氧化钇(Y₂O₃)或氧化钙(CaO)而形成。

加热构件102、第一电极104、第二电极106、第三电极108、第四电极110、加热器侧贴片120、以及气体传感器元件侧贴片121可由铂族元素形成。用于形成这些构件的优选铂族元素包括Pt、Rh和Pd。这些元素可被单独或组合使用。

更优选地，考虑到耐热和抗氧化，Pt主要用于形成加热构件102、第一电极104、第二电极106、第三电极108、第四电极110、加热器侧贴片120、以及气体传感器元件侧贴片121。进一步优选地，加热构件102、第一电极104、第二电极106、第三电极108、第四电极110、加热器侧贴片120、以及气体传感器元件侧贴片121除了包含铂族元素(主要成分)，还包含陶瓷成分。优选地，为了提高附着力，陶瓷成分与主要包含于层叠体的配对部分的材料(例如，第一固体电解质构件105和第二固体电解质构件109的主要成分)相似。

绝缘层107形成在氧泵单元140和氧浓度探测单元130之间。绝缘层107包括绝缘部114和扩散控制部115。气体探测腔107c形成在绝缘层107的绝缘部114中对应于第二电极部106a和第三电极部108a的位置处。气体探测腔107c沿着绝缘层107的横向与外界连通。在绝缘层107的连通区域，设置扩散控制部115以使气体在外界与气体探测腔107c之间以预定流速进行扩散。

对绝缘部114没有特殊的限制，而只要绝缘部114是由电绝缘陶瓷烧结体制成。这样的陶瓷烧结体的例子包括氧化物陶瓷，如氧化铝和莫来石。

扩散控制部115由多孔氧化铝制成。扩散控制部115控制当被测气体流入气体探测腔107c时气体的流速。

保护层111形成在第二固体电解质构件109的表面上，以使第四电极110被夹在二者之间。保护层111包括多孔电极保护构件113a和加强构件112。电极保护构件113a覆盖第四电极部110a以保护第四电极部110a不被污染。加强构件112保护第二固体电解质构件109，二者之间夹有第四引线部110b。

再次参照图9，金属架34、陶瓷架35和滑石36，从前端侧到后端侧依次布置在金属壳23内。由氧化铝构成的套管39被布置在滑石36的后侧。套管39形成为多段圆筒状。轴孔39a沿着轴线形成在套管39内，并允许气体传感器元件300和加热器200通过其中延伸。金属壳23的后端卷曲部23a被径向向内弯曲，从而，通过由不锈钢制成的环状构件40将套管39朝金属壳23的前端挤压。

由金属制成且具有多个进气孔24a的保护器24被焊接到金属壳23的前端部的外周表面，并覆盖从金属壳23的前端伸出的气体传感器元件300的前端部。保护器24包括外侧保护器41和内侧保护器42。

外管25、分离器50和保持器51被设置在金属壳23的后端侧。用于连接导线和气体传感器元件300的外部端子以及加热器200的外部端子的连接端子16被容纳在分离器50的通孔50b中。橡皮帽52被布置在分离器50的后端侧。

接着，将说明用于制造实施例1的气体传感器元件的方法。

首先，第一原材料粉末和可塑剂被湿法混合，以制备其中粉体和可塑剂被分散开的浆料。第一原材料粉末由，例如97wt％的氧化铝粉末和3wt％的作为烧结调节剂的二氧化硅组成。可塑剂由丁醛树脂和酞酸二丁酯(DBP)组成。通过利用刮刀装置的薄片成型工艺，浆料被形成为具有0.4mm厚度的薄片。该薄片被切成140mm×140mm的尺寸，从而生成如图1所示的第一未烧结陶瓷片117。

接着，进行插入孔成型步骤。首先，准备如图1和2所示的成形模P1。成形模P1包括下模1、上模2和冲头3。下模1的工作口1a和上模2的工作口2a从垂直方向看是具有圆角的正方形。冲头3被布置成可通过工作口2a和工作口1a垂直地移动。

如图1所示，第一未烧结陶瓷片117被放置在下模1上。如图2所示，在下模2下落从而第一未烧结陶瓷片117被固定地夹在上模2和下模1之间的同时，冲头3下落使得穿过第一未烧结陶瓷片117切出插入孔112a，从而形成未烧结加强构件112。如图3所示，从上方看，与工作口1a的情况相同，插入孔112a是具有曲率半径为大约1mm的圆角的正方形。

同时，第二原材料粉末和可塑剂被湿法混合，以制备其中粉体和可塑剂被分散开的浆料。第二原材料粉末由，例如63wt％氧化铝粉末、3wt％的作为烧结调节剂的二氧化硅、以及34wt％的炭粉组成。可塑剂由丁醛树脂和DBP组成。如未烧结加强构件112那样，通过使用浆料，获得如图4所示的第二未烧结陶瓷片113。第二未烧结陶瓷片113厚度为0.4mm+25μm。特别地，可塑剂被改进以增加第二未烧结陶瓷片113的延展性。在本实施例中，第二未烧结陶瓷片113形成为0.4mm+25μm的厚度。然而，当厚度为0.4mm+10μm或者更大时，在以下说明的压制步骤中，未烧结陶瓷片113可能充满缝隙G。

随后，进行裁下步骤。如图4所示，第二未烧结陶瓷片113被放置在未烧结加强构件112上。如图5所示，在上模2下落从而未烧结加强构件112和第二未烧结陶瓷片113被固定地夹在上模2和下模1之间的同时，冲头3下落使得从第二未烧结陶瓷片113上裁下一部分，并且被裁下的部分被插入到插入孔112a内，以用作未烧结电极保护构件113a。在本实施例中，在冲头3下落之后，冲头3的底面位于与未烧结加强构件112和第二未烧结陶瓷片113之间的接触面对齐的垂直位置。特别地，当落下的冲头3的底面位于对应于第二未烧结陶瓷片113的厚度的一半的位置之下时，未烧结电极保护构件113a可被充分地插入到未烧结加强构件112的插入孔112a中。

如上所述，在放置在未烧结加强构件112上的第二未烧结陶瓷片113经受裁下的同时，被裁下的未烧结电极保护构件113a被布置在未烧结加强构件112的插入孔内，从而尽可能地抑制缝隙在未烧结电极保护构件113a和插入孔112a的壁面之间的形成。而且，从未烧结电极保护层113裁下未烧结电极保护构件113a的步骤和在插入孔112a内布置如此获得的未烧结电极保护构件113a的步骤可同时地并且精确地进行。

然后，进行压制步骤。如图6所示，制备成形模P2。成形模P2包括下模8和上模9。下模8的顶面和上模9的底面是平面。未示出的加热器被嵌入下模8和上模9的至少一个中。

当利用加热器将下模8的表面和上模9的表面加热到50℃时，未烧结电极保护层111被布置在下模8上。如在压制之前沿层叠方向所测量的，未烧结保护层111被设置成未烧结电极保护构件113a比未烧结加强构件112厚25μm。

然后，如图7所示，上模9下落以40kg/cm²的压力向下压制未烧结电极保护构件113a。这使得未烧结电极保护构件113a扩展到其和未烧结加强构件112的插入孔112a的壁面之间的缝隙G中。

特别地，由于在加热到室温或者更高的温度时进行压制步骤，未烧结电极保护构件113a的流动性被提高，所以未烧结电极保护构件113a更容易被压入到缝隙G中。所以，如图8所示，缝隙G可被更可靠地填充；压制时间可被缩短；并且所施加的压力也可减小。由于未烧结加强构件112的插入孔112a的形状在层叠方向上看没有尖角，所以在拐角处没有裂纹残留。此外，由于在层叠方向上比未烧结加强构件112厚、在垂直于层叠方向的表面积比未烧结加强构件112小的未烧结电极保护构件113a被压制，所以未烧结电极保护构件113a可被容易地压制展开。同样，由于未烧结电极保护构件113a被压制展开以被安装到尺寸固定的未烧结加强构件112的插入孔112a，所以也可保持插入孔112a的尺寸精度。

随后，上模9被抬起，从而未烧结保护层111被卸载。如此获得的未烧结保护层111被设置成未烧结加强构件112和未烧结电极保护构件113a具有基本相同的厚度。在本实施例中，未烧结加强构件112和未烧结电极保护构件113a之间的厚度差大约为20μm。

接着，将说明层叠步骤。在层叠步骤的准备方面，如未烧结陶瓷片117的情况那样，制备如图11所示的第一未烧结基体101、第二未烧结基体103和未烧结绝缘层107的未烧结绝缘部114。

此外，第三原材料粉末和可塑剂被湿法混合，以制备其中粉体和可塑剂被分散开的浆料。第三原材料粉末由，例如97wt％的氧化锆粉末以及总计为3wt％的用作烧结调节剂的二氧化硅(SiO₂)粉末和氧化铝粉末组成。可塑剂由丁醛树脂和DBP组成。利用该浆料，获得第一固体电解质构件105和第二固体电解质构件109。

此外，例如，100wt％的氧化铝粉末和可塑剂被湿法混合，以制备其中粉体和可塑剂被分散开的浆料。可塑剂由丁醛树脂和DBP组成。利用该浆料，如第二未烧结陶瓷片113那样获得未烧结绝缘层107的未烧结扩散控制部115。

然后，第一未烧结基体101、未烧结加热单元102、第二未烧结基体103、第一未烧结电极104、第一未烧结固体电解质构件105、第二未烧结电极106、未烧结绝缘层107、第三未烧结电极108、第二未烧结固体电解质构件109、第四未烧结电极110、未烧结保护层111等被从下到上层叠布置。

具体地，利用主要包含铂的糊通过丝网印刷工艺将未烧结加热构件102形成在第一未烧结基体101上。然后，第二未烧结基体103被层叠在第一未烧结基体101上，使得未烧结加热构件102被夹在二者之间。

第一未烧结电极104被形成在第一未烧结固体电解质构件105上。第一未烧结电极104由铂糊形成，该铂糊包含90wt％的铂和10wt％的氧化锆粉末。使用该铂糊通过丝网印刷工艺形成第一未烧结电极104。

然后，第一未烧结固体电解质构件105被层叠在第二未烧结基体103上，使得第一未烧结电极104被夹在二者之间。此外，第二未烧结电极106通过印刷形成在第一未烧结固体电解质构件105上。用于第二未烧结电极106的材料与用于第一未烧结电极104的材料类似。

然后，未烧结绝缘层107被形成在第二未烧结电极106上。具体地，未烧结绝缘部114和未烧结扩散控制部115被形成。特别地，主要包含炭的糊被涂覆在未烧结绝缘层107的一个区域，该区域在烧结之后将变成气体探测腔107c。

此外，第三未烧结电极108被印刷在第二未烧结固体电解质构件109上。第二未烧结固体电解质构件109被层叠在未烧结绝缘层107上，使得第三未烧结电极108被夹在二者之间。然后，第四未烧结电极110被印刷在第二未烧结固体电解质构件109上。与用于第一未烧结电极104的材料类似的材料被用于形成第三未烧结电极108和第四未烧结电极110。然后，未烧结保护层111被层叠在第四未烧结电极110上。

合成的多层制品被以1MPa的压力压力结合，然后被切成预定尺寸，从而生成层叠体。由于未烧结电极保护构件113a在压制步骤被压制，如图8所示，层叠体被设置成缝隙G不太可能在未烧结加强构件112和未烧结电极保护构件113a之间出现。

随后，烧结层叠体。具体地，层叠体经去树脂烧结，再经受主烧结，从而生成用于探测废气中氧浓度的气体传感器元件300。

在进行烧结步骤时，第一未烧结电极104变成第一电极104，第一电极104包括第一电极部104a和第一引线部104b。第一未烧结固体电解质构件105变成第一固体电解质构件105。第二未烧结电极106变成第二电极106，第二电极106包括第二电极部106a和第二引线部106b。未烧结绝缘层107的未烧结绝缘部114变成绝缘部114，并且未烧结绝缘部107的未烧结扩散控制部115变成多孔扩散控制部115。以这种方式，未烧结绝缘层107变成绝缘层107。绝缘层107的气体探测腔107c通过位于绝缘部114的横向相反侧的扩散控制部115与外界相通。扩散控制部115使气体在外界与气体探测腔107c之间以预定流速进行扩散。第三未烧结电极108变成第三电极108，第三电极108包括第三电极部108a和第三引线部108b。第二未烧结固体电解质构件109变成第二固体电解质构件109。第四未烧结电极110变成第四电极110，第四电极110包括第四电极部110a和第四引线部110b。未烧结保护层111的未烧结加强构件112变成用于保护第二固体电解质构件109的加强构件112，并且，未烧结保护层111的未烧结电极保护构件113a变成用于保护第四未烧结电极110不被污染的多孔电极保护构件113a。

特别地，制造气体传感器元件300的方法中使用了层叠体，在该层叠体中，缝隙G不太可能在如图8所示的未烧结加强构件112和未烧结电极保护构件113a之间出现。因此，在第二未烧结固体电解质构件109变成第二固体电解质构件109的烧结步骤中，第二未烧结固体电解质构件109的热收缩不太可能受空气影响，该空气存在于传统的制造方法中形成的缝隙G中。正因如此，裂纹CR不太可能在第二固体电解质构件109中开始。此外，加强构件112与电极保护构件113a的厚度基本相同。烧结之后，加强构件112和电极保护构件113a之间的厚度差大约为16μm。

由于从层叠方向看电极保护构件113a没有尖角，所以热强度和机械强度被提高了，该电极保护构件113a在无间隙条件下被装配在未烧结加强构件112的插入孔112a的同时通过烧结而形成。

如图9所示，金属壳23、外管25、保护器24等被制备并装配在一起，从而生成出气体传感器。在该气体传感器中，由于裂纹CR不太可能在气体传感器元件300的第二固体电解质构件109中开始，所以由被测气体产生的电极之间的电位不会下降。因此，各个气体传感器之间的气体探测能力差异变小。此外，可以高生产率制造本发明的气体传感器。

如图10所示，从垂直方向看为圆形的插入孔112b可形成在未烧结保护层111的未烧结加强部件112中，并且未烧结电极保护构件113b可被安装在该插入孔112b中。除了圆形之外，插入孔也适于采用具有圆角的正方形、具有圆角的矩形、椭圆形或者类似形状，而且相应的未烧结电极保护构件可被安装在这样的插入孔中。

实施例2：

实施例2的气体传感器与实施例1中的类似。在实施例1中，如图11所示的气体传感器元件300被制造成具有氧浓度探测单元130、绝缘层107、氧泵单元140和保护层111。可以类似的方式制造如图12所示的实施例2的、具有氧浓度探测单元430和保护层407的气体传感器元件600。

下面，将说明实施例2的气体传感器元件600和加热器500。气体传感器元件600没有氧泵单元和绝缘层。将利用实施例1中的相应术语说明其他结构特征。

加热器500包括第一基体401、第二基体403和加热构件402。第一和第二基体401和403主要包含氧化铝，并且加热构件402被夹在第一和第二基体401和403之间。加热构件402包括加热部402a和一对加热器引线部402b。加热器引线部402b的端部通过对应的通孔401a与相应的加热器侧贴片420电连接。

气体传感器600的氧浓度探测单元430包括第一固体电解质构件405、第一电极404和第二电极406。第一和第二电极404和406形成在第一固体电解质构件405的对应相反侧。第一电极404包括第一电极部404a和第一引线部404b。第二电极406包括第二电极部406a和第二引线部406b。

第一引线部404b的一端通过通孔405a和通孔407a与对应的气体传感器元件侧贴片421电连接。第二引线部406b的一端通过通孔407c与对应的气体传感器元件侧贴片421电连接。

第一固体电解质构件405由部分稳定的氧化锆烧结体制成，该部分稳定的氧化锆烧结体通过向氧化锆(ZrO₂)添加作为稳定剂的氧化钇(Y₂O₃)或者氧化钙(CaO)而形成。

加热构件402、第一电极404、第二电极406、加热器侧贴片420和气体传感器元件侧贴片421可由铂族元素形成。优选形成这些构件的铂族元素包括Pt、Rh和Pd。这些元素可以单独或组合使用。

保护层407被形成在第一固体电解质构件405的表面上，从而第二电极406被夹在二者之间。保护层407包括多孔电极保护构件409a和加强构件408。电极保护构件409a被布置成覆盖第二电极部406a和适于保护第二电极部406a不被污染。加强构件408保护第一固体电解质构件405并被布置成使得第二引线部406b被夹在二者之间。

如此构造的气体传感器元件600可以与实施例1相似的方式制造，并可被用于如图9所示的气体传感器中。在该应用中，气体传感器元件600产生与实施例1的气体传感器元件类似的动作和效果。

尽管已经参照实施例1和2对本发明进行了说明，但是本发明并不局限于此，而是可以在不脱离本发明精神和范围的情况下适当修改。

例如，在实施例1和2中，主要包含氧化铝的原材料被用于形成第一基体101和401以及第二基体103和403。然而，本发明并不局限于此。可使用主要包含氧化锆的原材料。

此外，在实施例1中，主要包含氧化铝的原材料被用于形成绝缘层107的绝缘部114。然而，本发明并不局限于此。可使用主要包含氧化锆的原材料。

在实施例2中，加热器500和气体传感器元件600在彼此直接接触的同时被层叠布置。然而，本发明并不局限于此。具有用于将第一电极404暴露到空气中的空气引入孔的层可介于二者之间。

在实施例1的压制步骤中，单一的成形模P1被用于使插入孔112a贯通未烧结加强构件112，并把未烧结电极保护构件113插入到插入孔112a中。然而，本发明并不局限于此。作为选择地，压制步骤可以如下进行。在插入孔112a贯通未烧结加强构件112之后，未烧结加强构件112被卸掉。未烧结加强构件112被放置在其下模并没有工作口1a的成形模上。然后，未烧结电极保护层113被插入到插入孔112a中。

工业适用性：

根据本发明的气体传感器元件和气体传感器可被广泛地用在发动机、废气传感器(氧传感器、烃传感器、NOx传感器等)和其它各种传感器中。

本申请基于2005年3月31日提交的日本专利申请No.2005-100425，其内容通过引用被整体包含于此。

Claims (10)

1.一种制造气体传感器元件的方法，该气体传感器元件包括固体电解质构件、形成在所述固体电解质构件上的电极、以及包括具有插入孔的加强构件和被设置在所述插入孔内并适于保护所述电极不被污染的多孔电极保护构件的保护层，

所述方法包括：

在将未烧结电极保护构件设置在未烧结加强构件的所述插入孔内之后，压制所述未烧结加强构件和所述未烧结电极保护构件中的至少一个，以形成未烧结保护层；

将所述未烧结保护层和未烧结固体电解质构件层叠布置，以形成层叠体，该层叠体在烧结之后将变成所述气体传感器元件；以及

烧结所述层叠体。

2.根据权利要求1所述的制造气体传感器元件的方法，其包括在室温或者更高的温度下进行所述压制步骤。

3.根据权利要求1或2所述的制造气体传感器元件的方法，其包括压制所述未烧结电极保护构件，以形成所述未烧结保护层。

4.根据权利要求3所述的制造气体传感器元件的方法，其特征在于，在进行所述压制步骤之前，所述未烧结电极保护构件具有比所述未烧结加强构件更厚的厚度。

5.根据权利要求4所述的制造气体传感器元件的方法，其特征在于，所述加强构件和所述电极保护构件具有基本相同的厚度。

6.根据权利要求1或2所述的制造气体传感器元件的方法，其特征在于，所述插入孔不具有尖角。

7.一种气体传感器元件，其包括：

具有板状形状的固体电解质构件；

形成在所述固体电解质构件上的电极；以及

包括具有插入孔的加强构件和被设置在所述插入孔内并适于保护所述电极不被污染的多孔电极保护构件的保护层，

其中，在所述插入孔的内周表面和所述电极保护构件的外周表面之间不存在超过所述电极保护构件中的孔的平均直径的缝隙。

8.一种气体传感器，其包括用于探测被测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金属壳，

其中，所述气体传感器元件包括：

具有板状形状的固体电解质构件；

形成在所述固体电解质构件上的电极；以及

包括具有插入孔的加强构件和被设置在所述插入孔内并适于保护所述电极不被污染的多孔电极保护构件的保护层；以及

在所述插入孔的内周表面和所述电极保护构件的外周表面之间不存在超过所述电极保护构件中的孔的平均直径的缝隙。

9.一种制造气体传感器元件的方法，该气体传感器元件包括具有板状形状的固体电解质构件、形成在所述固体电解质构件上的电极、以及包括具有插入孔的加强构件和被设置在所述插入孔内并适于保护所述电极不被污染的多孔电极保护构件的保护层，

所述方法包括：

在第一未烧结陶瓷片上冲裁出所述插入孔，以形成具有所述插入孔的未烧结加强构件；

从放置在所述未烧结加强构件上的第二未烧结陶瓷片上裁下坯料，以将所述坯料作为未烧结电极保护构件设置在所述未烧结加强构件的所述插入孔内；以及

烧结所述未烧结加强构件和所述未烧结电极保护构件，以形成所述加强构件和所述电极保护构件。

10.根据权利要求9所述的制造气体传感器元件的方法，其进一步包括，在所述裁下步骤之后，压制所述未烧结加强构件和所述未烧结电极保护构件的至少一个，以形成未烧结保护层。

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