CN1892209B - 叠层型气体传感器元件和气体传感器 - Google Patents

Abstract

一种气体传感器元件，具有元件体，元件体包括：陶瓷加热器，它具有陶瓷层和在陶瓷层中嵌入的加热器元件；固体电解质层，它包括由电极对覆盖的测定部分，所述固体电解质层与所述陶瓷加热器叠层在一起。另外，所述元件体在包括测定部分的前部上的宽度比后部的宽度小，并且元件体的前部的至少两个侧边面用空隙层覆盖。

Description

叠层型气体传感器元件和气体传感器

技术领域

本分明涉及叠层型气体传感器元件和气体传感器，特别涉及在元件本体与水滴接触时较不容易损坏的叠层型气体传感器元件，通过用陶瓷加热器加热它形成测定部分的早期活化(activation)。本分明也涉及包括这种叠层型气体传感器元件的气体传感器。

背景技术

包括叠层型气体传感器元件的气体传感器已知是，能够测定在内燃机排放的废气中氧、一氧化碳、各种碳氢化合物、氧化氮(NOx)等或测量它们的浓度的气体传感器。氧气传感器的叠层型气体传感器元件(叠层型氧气传感器元件)具有通过层叠以下各层获得的元件体：1)陶瓷加热器，所述陶瓷加热器包括陶瓷层和在陶瓷层中嵌入的加热器元件，和2)固体电解质层，它具有夹着其部分的一对电极。夹在所述一对电极之间的固体电解质层部分起氧浓度电池(oxygen concentrationcell)作用，成为测定氧浓度的测定部分。这样的叠层型氧气传感器元件直到固体电解质层达到预定高温才活化。因此，提出了这样的技术：从内燃机启动时间开始用加热器元件加热固体电解质层以活化传感器和确保早期氧气浓度的测定。

另一方面，在内燃机冷启动时间废气管中的温度(废气管壁的温度)低时的条件下，冷凝水常在废气管壁上析出。因此，如果为了将测定部分加热到高温，向加热器元件供电，由于水冷凝引起的热冲击可能会损坏叠层型气体传感器元件(元件体)。因此，迄今用具有通气孔的金属保护器保护气体传感器元件的测定部分。但是，即使使用这样的保护器，水也可能通过保护器的通气孔进入元件，并损坏元件体，如在元件体中产生裂纹，不能充分保护元件。为了确保足够的废气流量和足够的气体测定性能，不能够将通气孔做到足够小以消除水浸入。

为了解决上述问题，提出了叠层型气体传感器元件，其中能够被损坏的元件体的部分用抑制水滴等与元件体直接接触的空隙层覆盖。例如，见JP-A-2001-281210。在JP-A-2001-281210介绍的气体传感器元件中，如果水滴析出在空隙层上，在渗透到测定部分前通过加热气体传感器元件能够使得水滴蒸发。结果，由于大量的热冲击不可能达到元件体，能够抑制对元件体的损坏。

但是，存在着这样的可能够性，即JP-A-2001-281210中介绍的结构不能够满足近来提出的测定部分足够早的活化的要求。也就是说，在JP-A-2001-281210中的元件体必须形成赋予防水性的足够厚的空隙层。然而，在空隙层形成的较厚时，包围含有空隙层的测定部分的体积增加。结果，为了用陶瓷加热器将测定部分加热到活化温度要用较长的时间。另外，形成气体传感器元件的元件体的每个角部由于热冲击易于损坏等，并且需要足够的防止损坏的措施，但是JP-A-2001-28120中介绍的气体传感器未涉及这个问题。

发明内容

因此，本分明的目的是提供一种叠层型气体传感器元件，它抑制水滴等的析出引起的元件损坏，特别是对测定部分和它的周边的损坏，并且它促进测定部分的早期活化，并且提供一种包括所述叠层型气体传感器元件的气体传感器。

为此，本发明提供一种叠层型传感器元件，包括：元件体，它具有包括两个侧面的前部和后部，所述元件体包括：陶瓷加热器，它包括陶瓷层和在所述陶瓷层中嵌入的加热器元件；包括测定部分的固体电解质层。所述测定部分由一对电极覆盖，并且所述固体电解质层与所述陶瓷加热器叠层。另外，包括测定部分的元件体的前部具有比所述元件体的后部小的宽度。元件体的前部的至少两侧面用空隙层覆盖。而所述的后部包括在其外表面上的多个终端电极，所述终端电极电连接到所述电极对和所述加热器元件，并且其中，所述元件体还包括在所述前部和后部中间设置的具有相对侧面的中间部，所述中间部的宽度从前部侧向后部侧逐渐增加，并且所述空隙层覆盖在所述前部和中间部之间的边界部的侧边面，其中，空隙层从所述元件体的前部的尖端部延伸到所述中间部的中间位置，使得所述元件体的后部不被所述空隙层覆盖，其中，所述空隙层具有15％到65％的空隙度。

根据本发明的叠层型气体传感器元件，用空隙层覆盖所述元件体的前部的至少两个侧面(即，相对的侧边面)。其上露出叠层界面的所述元件体的前部的两个侧面也暴露到要测量的气体中。因此，如果水滴接触所述侧面之一或两个，则元件体可能被损坏。但是，在本发明中，用空隙层覆盖两个侧面，防止漂浮的水滴在侧面上析出或直接冷凝。

在空隙层上析出的水滴通过空隙层大量的孔缓慢渗透。因此，在水滴达到在空隙层内的元件体前能够分散。因此，元件体的减小的温度梯度能够有效地抑制热冲击。因此，能够防止由析出水滴引起的对元件体的损坏(在测定部分附近)。在操作叠层型气体传感器元件时，用加热器元件将其加热到高温，因此通过空隙层渗透的水滴被加热的气体传感器元件的热蒸发。在第一例子中也能够利用其他措施使得水滴保持离开元件体。

在本发明的叠层型气体传感器元件中，用空隙层覆盖的元件体的前部的宽度比元件体的后部的宽度小。因此，前部和覆盖前部的相当大的厚度的空隙层的总体积，相对于包括具有与后部相同宽度和由空隙层覆盖的前部的常规元件体来说减小了。因此，由于元件体的前部和空隙层总体积的减小，尽管使用比常规元件体更厚的空隙层也能够快速加热前部(测定部分)并因此更快地活化，其中常规元件的前部的宽度与后部相同。在上面所述的元件体的“宽度”是在垂直于纵向和叠层(厚度)方向测量的。

不限制上述“陶瓷层”的成分，只要它们形成陶瓷烧制体。优选的是，陶瓷层由氧化铝、尖晶石、莫来石等制造，并且具有甚至在高温保持的绝缘性能。可以只使用一种陶瓷，也可以结合地使用两种或多种。

上述“加热器元件”的材料不是特别限定的。例如，加热器的元件可以由贵金属、钨或钼制造。Pt，Au，Pd，Ir，Ru和Rh是贵金属的例子。可以仅使用一种，或也可以一起使用两种或多种。另外，如果使用两种或多种，可以使用合金。而且，在贵金属当中，优选的主要使用Pt，这是考虑耐热、耐氧化等。除了贵金属外，加热器元件能够含有陶瓷组分。陶瓷组分的种类没有特别限制。优选的是，陶瓷组分与形成接触加热器元件的陶瓷层的陶瓷组分相同，以提供强化的固定强度。

上述的“固体电解质层”一般能够由具有氧离子导电性的氧化锆(ZrO₂)制造。电解质层能够含有与陶瓷层的主陶瓷组分相同的组分。在固体电解质层的质量取为100％时，在固体电解质层中的陶瓷组分的含量能够为10％到80％，优选的是20％到70％。因此，在陶瓷层和固体电解质层之间的热膨胀的差别引起的应力能够减轻。

在固体电解质层上布置的上述“电极”的材料不限制，但是贵金属是优选的。Pt是特别优选的。电极可以由两种或多种金属制造。并且如果电极是由两种或多种金属制造，可以使用合金。例如，电极可以基本上由Pt与其中含有的Au，Ag，Pd，Ir，Ru，Rh等构成，并且可以使用Pt和任何其他贵金属的合金。特别是，Pt有效地与能够抑制在高温下Pt的挥发的Rh结合使用。

在上述的叠层型气体传感器元件中，后部包括在其外表面上的多个终端电极，所述终端电极电连接到电极对和加热器元件。在优选的实施例中，元件体还包括在前部和后部之间宽度从前部侧向后部侧逐渐增加的中间部。另外，空隙层覆盖在前部和中间部之间的边界部的侧面(即，侧边面)。

在含有元件体的测定部分的前部的宽度小于后部的宽度的结构例子是这样的，宽度从元件体的前部侧向元件体的后部侧逐渐增加的中间部设在前部和后部之间。通过设置中间部，元件体能够具有减小宽度的前部，同时保持它的强度。如果设置空隙层使得不覆盖边界部分的侧面，则边界部分直接暴露到能够损坏边界部分的水滴。

在本分明的叠层型气体传感器元件中，空隙层覆盖前部的侧边面一直到结合中间部分和前部的边界部的侧边面。因此，边界部不受损坏。在构成为具有中间部的叠层型气体传感器元件中，优选的是，在边界部的空隙层形成得比前部侧面上的厚。因此，在元件体中最弱的边界部由较厚的空隙层保护。因为形成空隙层使得具有这样的厚度关系，所以能够进一步抑制对元件体的损坏。

另外，在上述的叠层型气体传感器元件中，元件体的前部的宽度和覆盖前部的两个侧面空隙层的厚度的总和等于或小于元件体的后部的最大宽度。

因此通过适当的调节前部的宽度和空隙层的厚度，使得元件体的前部和覆盖前部两个侧面的空隙层的厚度总和等于或小于元件体的后部的最大宽度，形成叠层型气体传感器元件。结果，能够用加热器元件(陶瓷加热器)快速加热前部(即，测定部分)，使得促进早期活化测定部分。

另外，在上述的叠层型的气体传感器元件中，优选的是满足关系A×0.60＜B＜A×0.98，这里A是元件体的前部的宽度(毫米)，B是在前部位置的加热器元件的部分的最大宽度(毫米)。

构成叠层型的气体传感器元件，使得在前部的位置的加热器元件部分的最大宽度满足基于元件体的前部的宽度的上述关系。这样的话，加热器元件能够快速加热前部(即测定部分)，促进早期活化测定部分。

另外，在上述叠层型气体传感器元件中，空隙层可以覆盖包括整个前部外周区域的四周区域，并且优选的是，包括覆盖元件体前部至少两个侧边面的第一空隙层和覆盖第一空隙层的第二空隙层。

通过这样构成空隙层，能够更有效地抑制覆盖元件体或在元件体上注的水引起的损坏。即，在本分明的叠层型气体传感器元件中，沿元件体的叠层方向的截面形状是大致呈四边形的板形，因此元件体具有角部。如果水滴在任何角部析出，热应力容易集中在角部，并且在元件体中会容易发生裂纹。因此覆盖前部的周围区域的空隙层防止水滴直接在元件体的角部上析出，能够有效地抑制覆盖在元件体上或流注在其上的水引起元件体损坏。如果空隙层是单层，存在着增加其厚度的限制。因此，如上所述设置第二空隙层，从而能够容易控制在前部的两个侧面上的空隙层的厚度。另外，空隙层的这样的多层结构增加设计的灵活性。

另外，在上述叠层型气体传感器元件中，可以这样形成空隙层，使得覆盖包含两个侧边面的前部的周围区域，并且从元件体的角部伸出的空隙层厚度可以是大于等于20μm。

因此，在空隙层覆盖元件体的前部的周围区域的同时，从元件体的角部伸出的空隙层厚度设定为大于等于20μm。这样，能够有效地防止由覆盖其上或流注到其上的水引起的对元件体的损坏。为了更有效地防止水的损坏，优选的是，从元件体的角部伸出的空隙层的厚度设定为30μm或更大(更优选的为大于等于50μm)。在此所述的表述“从元件体的角部伸出的空隙层厚度为大于等于20μm”是指，在沿元件体的叠层(厚度)方向的截面中，空隙层在元件体的角部和空隙层的外表面之间占据直径测量为20μm的设想圆。这里所述的术语“角部”是指板形元件体的在长度方向延伸的上面和下面之一与侧面之一结合的隆起部分，该隆起部分不仅能够构成为顶点，而且还可以是作为圆形的连接两个面的弯曲表面部分(如导角面)。

另外，在上述的叠层型气体传感器元件中，优选的是，空隙层具有15％到65％的空隙率。如果空隙率小于15％，缓慢渗透水滴的空隙层分散水滴的能力可能不足。如果空隙率超过65％，在空隙层中水滴等的渗透度变高，水滴等容易与元件体接触。因此，抑止覆盖元件体上的水和流注到其上的水引起的对其损坏的效果可能不足。术语“空隙率”是通过在扫描电子显微镜下分析空隙层截面并得到单位面积的空隙区域的百分数(％)测定的。

根据本发明另一方面，提供的气体传感器包括上述的叠层型气体传感器元件和包围所述叠层型气体传感器元件的圆周方向的圆柱形外壳，其中测定部分从所述圆柱形外壳的尖部突出。

使用叠层型气体传感器元件形成本发明的气体传感器，所述元件包括能够抗水滴析出造成损坏的元件体。因此，所述气体传感器具有优良的防水性能(耐水性)，是极可靠的。另外，由于使用所述叠层型气体传感器元件形成本发明的气体传感器，其中所述元件能够使得测定部分早期活化，因此所述气体传感器能够提供早期气体测定，并且也能够符合当前的严格的排放控制标准。

附图说明

图1是本发明实施例的叠层型氧气传感器元件的透视图；

图2是形成空隙保护层的图1的叠层型氧气传感器元件的横向剖视图，该空隙层包括在含有测定部分的传感器元件的前部上的第一空隙层和第二空隙层；

图3是本发明实施例的叠层型氧气传感器元件的分解透视图；

图4是示出在未烧制的薄层叠层体中形成的通孔位置的俯视图；

图5是沿图4的线A-A’取的剖视图；

图6是说明填充工艺的示意图；

图7是放大比例的图6的未烧制的叠层体的通孔、脱模剂等的各部剖视图；

图8是脱模剂的结构示意剖视图；

图9是俯视图，示意示出未烧制叠层体如何形成将切割形成32个未烧制元件的件；

图10是本发明实施例气体传感器(氧气传感器)的结构总示意剖视图；

图11是改型的实施例叠层型气体传感器元件的外观透视示意图；

图12是从测定元件侧面观察改型实施例的叠层型气体传感器元件俯视图；和

图13是改型实施例的气体传感器(氧气传感器)的结构总剖视示意图。

在附图中用于表示各结构元件的标记如下：

1，20：叠层型气体传感器元件(叠层型氧气传感器元件)

11：测定元件

111：固体电解质层

112：测定电极

113：参考电极

1141，1142：信号输出端焊盘

116：电极保护层

12：陶瓷加热器

121：加热器元件

122：第一氧化铝层

123：第二氧化铝层

1241，1242：加热器供电端焊盘

13：空隙保护层(空隙层)

131：第一空隙层

132：第二空隙层

2：通孔

3：脱模剂

4：掩模

5，50：气体传感器(氧气传感器)

51：外圆柱

511：绝缘垫圈

52：外壳

101：前部

103：中间部

105：后部

107：边界部

61：陶瓷保持器

65：保持器侧面接合部

具体实施方式

下面参照附图说明本发明，其中包括实施例和其一个改型实施例。然而，不应视为本发明限制于此。

实施例

首先，参照图10讨论根据本发明实施例的气体传感器5。如图10所示，实施例的气体传感器5包括内置的叠层型气体传感器元件1，它结合到内燃机的废气管上。气体传感器用于测量在废气中的氧浓度。叠层型气体传感器元件1插入到在圆柱形外壳52内的气体传感器5中。气体传感器元件1的测定部分从圆柱形外壳52尖端突出。叠层型气体传感器元件1用玻璃密封在外壳52中，从而它保持在外壳52的预定位置上。具有双结构的保护器53固定地固定到外壳52的尖端的外周，使得屏蔽在叠层型气体传感器元件的尖端上形成的测定部分。在圆柱形外壳52的尖端上和侧外周表面上，形成保护器53，其中侧外周表面带有将流过废气管的废气引入到外壳52内的通气孔531。因此，在叠层型气体传感器元件中从外壳52的尖端突出的测定部分的尖端暴露到测定的气体(废气)中。空隙层13(下面说明)在两侧面和尖端面(即，垂至于长度方向的端面)覆盖前部101，从而覆盖侧面和端面，前部101含有叠层型气体传感器元件1的测定部分。

另外，外壳52的后部插入到外圆柱51的前部内，优选地在外壳52的后部和外圆柱51的前部的重叠部分中在整个圆周上激光焊接，从而固定地固定外壳52和外圆柱51。外壳52的外周部分形成螺纹部分521，用于将气体传感器5结合到废气管上。另外，气体传感器5具有从外圆柱51的内部向外引出的四个引线54(在图10中仅示出2个)。通过在外圆周51内容纳的中继终端55，引线54电连接到叠层型气体传感器元件1。具体的是，引线54电连接到测定元件(如下述)11的测定电极112和参考电极113，并分开地连接到陶瓷加热器12的加热元件121的正电极和负电极。引线54穿过装配到外圆周51的后端侧的绝缘垫圈511的引线插入孔，伸向外部，电连接至外电路。

下面，详细说明本发明的主要部分的叠层型气体传感器元件1。提供的实施例的叠层型气体传感器元件1用于测定在废气中的氧气浓度，也称为叠层型氧气传感器元件。

[1]叠层型气体传感器元件1的结构

参照图1到3说明叠层型气体传感器元件1的结构。图3是叠层型气体传感器元件1的分解透视图。叠层型气体传感器1是通过层叠测定元件11和陶瓷加热器12获得的。在图3中，未示出空隙保护层13。

测定元件11包括固体电解质层111，它含有：具有氧离子导电性的质量为60％的部分稳定的氧化锆，其带有作为稳定剂溶解其中的预定量的氧化钇；和质量为40％的氧化铝。测定电极112形成在固体电解质层111的尖端的表面上，参考电极113形成在固体电解质层111的后面上的与测定电极112相应的位置上。测定电极引导部1121和参考电极引导部1131分别从测定电极112和参考电极113伸出。在实施例中，在测定电极112和参考电极113之间夹着的固体电解质层111的部分与“测定部分”相对应。

通过穿过保护绝缘层115的通孔导体1152，测定电极引导部分1121的端部连接到信号输出端焊盘1142，以便连接到中继端55(图10)。另外，通过穿过固体电解质层111的通孔导体1111以及经焊盘1143穿过保护绝缘层115的通孔导体1151，参考电极引导部分1132的端部连接到信号输出端焊盘1141，以便连接到中继端55。为了防止测定电极112的损坏，由空隙物质制造的电极保护层116形成在其上形成测定电极112的固体电解质层111的表面上。

陶瓷加热器具有铂制造的加热器元件121，并且加热器元件121夹在第一氧化铝层122和第二氧化铝层123之间，每个氧化铝层基本由优良绝缘性的氧化铝构成。引导部分1211从加热器元件121伸出，并且引导部分1211的端部通过两个穿过第一氧化铝层122的通孔导体1221和1222电连接到加热器供电端焊盘1241和1242。加热器供电端焊盘1241和1242连接到中继端55(图10)。

另外，在沿叠层方向截取叠层型气体传感器元件的剖面使得含有测定部分时，如图2所示，由测定元件11和陶瓷加热器12构成的元件体的整个外围，由第一空隙层131和第二空隙层132形成的空隙保护层13覆盖。叠层型气体传感器元件1的元件体的尖端面也由空隙保护层13覆盖，如图10所示。空隙保护层13的厚度在元件体的角部是200μm。

除了空隙层13外实施例的叠层型气体传感器元件1的部分尺寸是这样的：长度(沿长度方向的尺寸)是40mm，宽度(垂直于长度方向和叠层方向的尺寸)是3mm，厚度(沿叠层方向的尺寸)是2mm。如图3稍放大所示，元件体的含有测定部分的前部101的宽度小于后部的宽度。具体的是，元件体的前部101的宽度是2.7mm，后部的宽度是3.0mm，在与测定部分相应的部分，宽度减小300μm(在宽度方向每侧150μm)。这样形成空隙保护层13，使得覆盖具有比后部宽度小的前部101的至少两个侧边(见图10，在此空隙层13覆盖两个侧边面和尖端面，而不是前部101的整个外围)。在实施例中，适当地调节加热器元件121等的宽度，使得A×0.90＝B，在此A是前部101的宽度(单位mm)，B是在前部101上的加热器元件121部分地最大宽度(单位mm)。

[2]叠层型气体传感器的制造

下面说明根据实施例的叠层型气体传感器元件1的制造方法。

在制造叠层型气体传感器元件1中，在制备未烧制的叠层体后依序进行通孔形成工艺、填充工艺、切割工艺和烧制工艺。在烧制工艺后，进行涂层工艺，从而形成第二空隙层132。

(1)未烧制的测定元件的制备

用有机粘结剂、有机溶剂等，湿法混合用氧化钇部分稳定化的质量60％氧化锆粉末和质量40％的氧化铝粉末，制备将成为固体电解质层111的未烧制薄片。未烧制的薄片的大小为容纳切成方块的32个未烧制气体传感器元件，并且在预定位置上，形成和32个元件一样多的通孔。另外，32个未烧制气体传感器元件彼此分开预定距离(间隙)。接着，基本由铂构成的导电膏的预定图形被印制在未烧制的薄片的正面和背面的预定位置，并且干燥形成将成为测定电极112、参考电极113、引导部分1122和1131的电极图形，和将成为通孔导电体111的未烧制的导电体。

(2)制备未烧制加热器

使用将氧化铝粉末与有机粘结剂、有机溶剂等湿法混合形成的膏，形成将成为第一氧化铝层122的未烧制的氧化铝薄片，并且形成和32个元件一样多的通孔。然后，像上面(1)中所述的导电膏的预定图形印制在将成为第一氧化铝层的未烧制薄片的一侧上的预定位置上，并且干燥形成将成为加热器元件122的加热器元件图形和从其伸出的引导部分1211，和将成为通孔导电体1221和1222的未烧制导电体。使用在(1)中所述的导电膏，在将成为第一氧化铝层122的未烧制氧化铝薄片的相反侧的预定位置上印制将成为加热器供电端焊盘1241和1242的预定终端图形，并干燥。接着，通过与第一氧化铝层122相似的方法制备将成为第二氧化铝层123的未烧制的氧化铝薄片并干燥。然后，将成为第二氧化铝层123的未烧制的氧化铝薄片的一侧与第一氧化铝层122在印制有加热器元件图形的侧面上层叠，并且在减压(reduced pressure)下按压层122和123。这样制备未烧制的加热器。每个未烧制的氧化铝薄片也具有容纳切割成方块的32个第一氧化铝层122或32个第二氧化铝层123的大小，各件彼此分开预定距离。

(3)形成未烧制的叠层体

这样叠层在(1)中制备的测定元件的未烧制的薄片和在(2)中制备的未烧制的加热器，使得在(1)中制备的测定元件的未烧制薄片的侧面(其上形成将成为参考电极113和引导部分1131的电极图形)和与在(2)中制备的未烧制的加热器图形相反的将成为第二氧化铝层123的未烧制的氧化铝薄片的侧面彼此面对。这样制备了未烧制的叠层体。

(4)印制工艺

用于形成将成为第一空隙层131部的未烧制的第一空隙层的第一空隙层膏，被网印在未烧制的加热器的背面上，其尖部含有在(3)(即，与将成为第一氧化铝层122的未烧制的氧化铝薄片的加热器元件图形相反的侧面)中形成的未烧制的叠层体的测定部分，并且形成厚度约30μm的涂层膜。然后，该涂层膜在95度干燥两分钟。通过将质量100份的氧化铝粉末、作为有机粘结剂的15.5份聚乙烯醇缩丁醛、作为有机溶剂的42份的丁基卡必醇、作为孔隙剂的颗粒直径为5到20μm的65份的碳粉末混合，制备用于印制的第一空隙层膏。

(5)通孔形成工艺

如图4和5所示，该未烧制叠层体形成有通孔2，每个通孔具有大致像U形的平面形状，宽度为500μm。因此，通孔2在前部101的两个侧面和尖端侧面的三个侧面同时形成，前部101含有形成测定部分的未烧制的叠层体部。即，通孔2是沿着未烧制的叠层体的叠层方向形成，由此形成通孔2的部形成窄前部101。通过冲孔，一个未烧制的叠层体形成有与32个元件一样多的通孔2。通孔2具有500μm宽度，形成有跨过在未烧制叠层体的件之间的间隔的部分(在图4中，虚线包围的每部表示在下面的工艺中切成片的每个未烧制元件的大小)。

(6)填充工艺

每个通孔2填充第一空隙层膏，用刮板形成在如下状态的未烧制空隙层131’，所述状态为脱模剂3置于未烧制叠层体的下面，并且掩模4排列在顶面，如图6和7所示。然后，填充的膏在60℃干燥180分钟。用于填充的第一空隙层膏与在上述印制工艺(4)中用的相同，它具有的粘度使得它容易填充到通孔2中，并且在填充后不流失。用作脱模剂3的是防水纸，它表面上具有坑和突起，在所述坑和突起之间的高度差为约10μm，如图8所示。用作掩模4的是具有厚度120μm的金属材料，每个掩模孔41具有900μm的宽度，比通孔2(500μm)宽出400μm。因此，制备了用未烧制的第一空隙层131’填充的未烧制叠层体。

(7)相对未烧制叠层体压制保护层的未烧制薄片和保护绝缘层的未烧制薄片

用浆料形成将成为电极保护层116的保护层的未烧制薄片，所述浆料通过湿法混合预定量的氧化铝粉末、碳粉末、粘结剂、有机溶剂等形成。接着，使用与将成为第一和第二氧化铝层122和123的未烧制氧化铝薄片相同的成份的未烧制氧化铝薄片形成将成为保护绝缘层115的保护绝缘层的未烧制薄片。然后，保护绝缘层的未烧制薄片形成有未烧制导电体和终端图形，未烧制导电体将成为通孔导电体1151和1152，终端图形将成为信号输出端焊盘1141和1142。在经受形成将成为测定电极112的电极图形的上述(6)的填充工艺后，在未烧制叠层体的侧面上，适当层叠保护层的未烧制薄片和保护绝缘层的未烧制薄片，并且在减压下压制该两个未烧制薄片。

(8)分开工艺

沿虚线用割刀顺序将图9所示的叠层体割成片，提供总数32个未烧制元件，图9所示的叠层体具有在(6)中填充了第一空隙层膏的通孔2和在(7)在未烧制叠层体上进一步层叠的保护层的未烧制薄片和保护绝缘层的未烧制薄片。这样切割未烧制元件，使得在未烧制叠层薄片体的侧面和由第一空隙层膏制造的未烧制第一空隙层131’的侧面之间不产生任何台阶。这样切片每个未烧制元件，使得切后，在未烧制元件中，在前部的两个侧边面和在尖端端面上的未烧制第一空隙层131’的厚度为180μm。

(9)烧制工艺

在(8)中提供的每个未烧制元件在大气中在脱脂炉中以20℃/小时从室温加热到450℃，并且在450℃热处理一小时脱脂(除粘结剂处理)。然后，在脱脂炉中以200℃/小时的速度加热，在最高1500℃的温度烧制一小时。在烧制时，在未烧制层131’中含有的孔隙剂烧掉，产生空隙，形成第一空隙层131。

(10)第二空隙层的形成工艺

含有氧化铝粉末、粘结剂(聚乙烯醇缩丁醛)、有机溶剂和作为空隙剂的碳粉的膏，被印制在元件体的含有测定部分的尖侧面的整个外围区域上，所述元件体形成有第一空隙层131，使得在烧制后，在元件体的角部空隙保护层13的厚度将成为250μm，并将所述膏干燥。然后在这状态的元件体在大气下以10℃/小时的速度加热，在最高温度900℃热处理一小时，形成第二空隙层132，空隙保护层13的延伸。因此，获得了用空隙保护层13覆盖前部101的叠层型气体传感器元件1，它具有比后部形成得窄的元件体的前部101。

(改型实施例)

下面，参照图11-13说明根据改型实施例的叠层型气体传感器元件20和含有所述的叠层型气体传感器元件20的气体传感器50。图11是根据改型实施例的叠层型气体传感器元件20透视图。图12是该叠层型气体传感器元件20的俯视图(从图11的顶部观察)。

根据改型实施例的叠层型气体传感器元件20与上述实施例的叠层型气体传感器元件1的显著不同之处在于，在具有彼此层叠的测定元件11和陶瓷加热器12的元件体中，在含有测定部分的前部101和形成有信号输出端1141和1142和加热供电端焊盘(未示出)的后部之间排列中间部分103，它的宽度从前部101向后部105逐渐增加。另外，空隙保护层13除了覆盖传感器元件20的前部101的两个侧边面外，还覆盖从传感器元件20的尖端边到边界部分107，所述边界部分结合沿叠层方向中间部分103的侧边面和前部101的侧边面。因此，在此不再说明与上述的实施例的叠层型气体元件1相似的，根据改型实施例的叠层型气体传感器元件20的各部分。

根据改型实施例的叠层型气体传感器元件20具有元件体，它具有彼此层叠的测定部分11和陶瓷加热器12，并且所述元件20具有从前部101到后部105宽度逐渐增加的中间部103，如上所述。如图11和12所示，沿着叠层型气体传感器元件20的元件体的叠层方向，从前部101尖端部到中间部103的中途位置形成两个侧边面的空隙保护层13。与前实施例相同，空隙层13具有包括第一空隙层131和第二空隙层132的两层结构。除了图12示出的外，空隙保护层13也形成在元件体的正面和背面和尖端端面上。因此，在沿含有测定部分的前部101的叠层方向取叠层气体传感器元件20的剖视图时，获得与图2示出的实施例中的剖视结构相似的剖视结构。但是，如图12所示，在改型实施例中，元件体的前部101的宽度和覆盖前部101的两个侧边面的空隙保护层13的厚度的尺寸之和C，小于元件体的后部的最大宽度(即，后部105的宽度)D。

根据改型实施例的叠层型气体传感器元件20具有覆盖边界部107的空隙保护层13，所述边界部107结合元件体的前部101的侧边面和中间部103的侧边面(见图12)。在空隙保护层13中，在边界部107的厚度E大于在前部101的侧边面的厚度F。

能够使用与前实施例的元件1相似的制造工艺，制备根据改型实施例叠层型气体传感器元件20。但是，在(6)的通孔形成工艺中的通孔形状，在(8)分开工艺中的切割图形等适当改变，使得符合根据改型实施例的叠层型气体传感器元件20。在制造根据改型实施例的叠层型气体传感器元件时，适当改变第二空隙层的(10)形成工艺，使得元件体的前部101的宽度和空隙保护层13的厚度之和C小于元件体的后部105的宽度D。具体是，在第二空隙层的形成工艺中，预先调整(施加)形成第二空隙层132的膏的厚度，或在形成第二空隙层后进行适当的研磨，从而适当调整空隙层13的厚度。

下面说明根据本发明改型实施例的结合有叠层型气体传感器元件20的气体传感器50。在根据改型实施例的气体传感器50中，在叠层型气体传感器元件20中的元件体的中间部103的两侧面接合在安装在外壳52内的陶瓷保持器61的保持器侧面接合部65中，从而叠层型气体传感器元件20位于陶瓷保持器61的内部，如图13所示。在外壳52的外壳侧面接合部526中接合陶瓷保持器61，从而叠层型气体传感器元件20位于外壳内，使得含有测定部分的前部101从外壳突出。即，在改型的实施例的气体传感器50中，使用与在前实施例的气体传感器5不同的陶瓷保持器61，定位叠层型气体传感器20，其中在前实施例，由于在外壳52中用玻璃密封，叠层型气体传感器元件1保持在外壳52的预定位置中。在陶瓷保持器61后和外壳52内提供基本由玻璃陶瓷构成的填充层63。外圆柱51和引线54的结构与根据前实施例的气体传感器5的那些相似。

这样，根据改型实施例的气体传感器50采用的结构是，如上所述，在叠层型气体传感器元件20中的元件体的中间部103的两个侧边面接合在保持器侧面接合部65中。因此，虽然在叠层型气体传感器元件20中的空隙保护层13覆盖结合元件体的前部101的侧边面和中间部103的侧面的边界部107，但是形成空隙保护层13使得离开保持器侧面接合部65。这意味着，在叠层型气体传感器元件20中，在元件体的中间部103的两个侧边面上，未被空隙保护层13覆盖的部分接合在陶瓷保持器61的保持器侧面接合部65中。由于在元件体的中间部103的两个侧边面上的空隙保护层13没有与保持器侧面接合部65重叠，因此能够使得叠层型气体传感器元件20的外面和陶瓷保持器61的内面(保持器侧面接合部65的内面)彼此紧密接触。因此，能够容易地抑制在外壳51中的废气和水滴通过空隙保护层13的内部进入，提供极为可靠的气体传感器50。

虽然根据上述实施例和改型实施例说明了本发明，但是应理解，本发明不限于这些特定实施例，在不偏离本分明的精神和范围下可以适当修改和变型。

例如，在上述实施例中，说明了氧气传感器和与氧气传感器结合使用的叠层型气体传感器元件，但是本发明也可以用于除氧气传感器外的气体传感器，如一氧化碳传感器或NOx传感器，和与这样的气体传感器结合使用的叠层型气体传感器元件。

在上述实施例中，叠层型气体传感器元件形成有第一和第二空隙层，但是也可以仅形成有第一空隙层。另外，为了形成第二空隙层，尽管在上述实施例中，使用将成为第二空隙层的膏，进行热处理来形成第二空隙层。然而，第二空隙层也可以通过热喷涂形成有第一空隙层的元件体的一个端部的整个外周区域形成。

本申请基于2005年6月10日提交的日本专利申请2005-171754和2004年1月8日提交的日本专利申请2004-3502，本申请参引其全部内容。

Claims (8)

1.一种气体传感器元件，包括元件体，所述元件体具有包括两个侧面的前部和后部，所述元件体包括：陶瓷加热器，它包括陶瓷层和在所述陶瓷层中嵌入的加热器元件；固体电解质层，它包括测定部分，所述测定部分由电极对覆盖，并且所述固体电解质层与所述陶瓷加热器叠层，其中

包括所述测定部分的元件体的前部具有比元件体的后部小的宽度，并且所述元件体的前部的至少两个侧面由空隙层覆盖，而所述的后部包括在其外表面上的多个终端电极，所述终端电极电连接到所述电极对和所述加热器元件，

并且其中，所述元件体还包括在所述前部和后部中间设置的具有相对侧面的中间部，所述中间部的宽度从前部侧向后部侧逐渐增加，并且所述空隙层覆盖在所述前部和中间部之间的边界部的侧边面，

其中，空隙层从所述元件体的前部的尖端部延伸到所述中间部的中间位置，使得所述元件体的后部不由所述空隙层覆盖，

其中，所述空隙层具有15％到65％的空隙度。

2.如权利要求1所述的气体传感器元件，其中，在所述边界部的侧面上设置的空隙层比在前部的侧面上设置的空隙层厚。

3.如权利要求1所述的气体传感器元件，其中，所述元件体的前部的宽度和在前部的两个侧面上设置的空隙层的厚度的和等于或小于所述元件体的后部的最大宽度。

4.如权利要求1所述的气体传感器元件，其满足如下关系：A×0.60＜B＜A×0.98，这里A是所述元件体的前部的宽度(mm)，B是在所述前部设置的加热器元件的部分的最大宽度(mm)。

5.如权利要求1的气体传感器元件，其中，所述空隙层覆盖所述前部的外周，所述空隙层包括覆盖元件体的前部的至少两个侧面的第一空隙层和覆盖第一空隙层的第二空隙层。

6.如权利要求1的气体传感器元件，其中，所述空隙层覆盖包括前部的两个侧面的所述前部的外周，并且在所述元件体的角部的空隙层具有20μm或更大的厚度。

7.一种气体传感器，包括：

如权利要求1所述的气体传感器元件；和

圆柱形外壳，它包括包围所述气体传感器元件的尖端，所述测定部分从所述外壳的尖端突出。

8.一种气体传感器，包括：

如权利要求1所述的气体传感器元件；

圆柱形外壳，它包括包围所述气体传感器元件的尖端，所述测定部分从所述外壳的尖端突出；

绝缘陶瓷保持器，它设置在所述气体传感器元件和所述外壳之间，所述绝缘陶瓷保持器包括接合部；其中

在所述中间部的后部中的相对侧面接合在所述绝缘陶瓷保持器的接合部中，与空隙层的后端分开。

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