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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Gassensoren und insbesondere ein Gassensorelement und einen Gassensor, der das Gassensorelement besitzt.
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Im Folgenden werden zum Zweck der Beschreibung die Begriffe „Vorderseite“ und „Rückseite“ bezüglich der axialen Richtung eines Gassensors oder der Längsrichtung einer festen Elektrolytschicht des Gassensors verwendet. Diese Begriffe sind veranschaulichend und nicht dazu vorgesehen, den Umfang der Erfindung einzuschränken.
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Ein Gassensor für die Verbrennungssteuerung einer Brennkraftmaschine wird bereits verwendet. Der Gassensor enthält ein Sensorelement, das ein Detektionssignal ausgeben kann, das auf die Konzentration einer spezifischen Gaskomponente in dem gemessenen Gas anspricht, d. h., in dem Abgas, das durch eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine strömt. Die japanische Offenlegungsschrift
JP 2010 - 038 904 Aoffenbart einen derartigen Typ eines Sensorelements, der eine plattenförmige feste Elektrolytschicht, die überwiegend aus Zirkondioxid gebildet ist, ein Paar Elektroden, die auf einer Vorderseite der festen Elektrolytschicht angeordnet sind, Isolierschichten, die auf einer Rückseite der festen Elektrolytschicht ausgebildet sind, und ein Paar Zuleitungen, die auf den Isolierschichten angeordnet und entsprechend mit den Elektroden verbunden sind, besitzt, um ein Detektionssignal, das auf die Konzentration der spezifischen Gaskomponente (z. B. des Sauerstoffs) in dem Abgas anspricht, in Übereinstimmung mit einer Potentialdifferenz, die zwischen den Elektroden durch das Abgas und ein Vergleichsgas (Luft) entwickelt wird, zu erzeugen und das Detektionssignal an eine externe Steuervorrichtung auszugeben. In diesem Gassensorelement ist es notwendig, dass jede der Elektroden eine poröse Struktur besitzt, um das Abgas aufzunehmen und die Diffusion des Abgases zu erlauben; wohingegen es bevorzugt ist, dass jede der Zuleitungen eine dichte Struktur besitzt, um einen niedrigen elektrischen Widerstand für die Verwendung bei der Signalübertragung zwischen den Elektroden und der externen Steuervorrichtung zu zeigen.
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In dem obigen herkömmlichen Typ des Sensorelements überlappen die vorderen Endabschnitte der Zuleitungen und die hinteren Endabschnitte der Elektroden auf der festen Elektrolytschicht einander, um die Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung zwischen den Elektroden und den Zuleitungen zu verbessern. Die vorderen Endabschnitte der Zuleitungen befinden sich nämlich entweder direkt oder unter Einfügung der Elektroden auf der festen Elektrolytschicht. (Der Abschnitt der festen Elektrolytschicht, dessen Position den Überlappungen inzwischen den vorderen Endabschnitten der Zuleitungen und den hinteren Endabschnitten der Elektroden entspricht, wird als „Überlappungsabschnitt“ bezeichnet.) Wenn der elektrische Strom durch die Zuleitungen zwischen den Elektroden eingespeist wird, fließt durch den Überlappungsabschnitt der festen Elektrolytschicht außerdem ein elektrischer Strom zwischen den vorderen Endabschnitten der Zuleitungen (oder zwischen den hinteren Endabschnitten der Elektroden). In dem Fall, in dem die hinteren Endabschnitte der Elektroden die vorderen Endabschnitte der Zuleitungen überlappen und überdecken, wird jedoch das Abgas in die hinteren Endabschnitte der Elektroden aufgenommen, es ist aber unwahrscheinlich, dass es aufgrund des Vorhandenseins der dichten Zuleitungen zwischen den Elektroden und dem Überlappungsabschnitt den Überlappungsabschnitt erreicht. In dem Fall, in dem die vorderen Endabschnitte der Zuleitungen die hinteren Endabschnitte der Elektroden überlappen und überdecken, wird das Abgas aufgrund des Vorhandenseins der dichten Zuleitungen nicht in die hinteren Endabschnitte der Elektroden aufgenommen, wobei es dadurch unwahrscheinlich ist, dass es den Überlappungsabschnitt erreicht. Das heißt, es ist in beiden Fällen unwahrscheinlich, dass das Abgas den Überlappungsabschnitt erreicht. Die dissoziierten Ionen der spezifischen Gaskomponente (z. B. die Sauerstoffionen) werden folglich kaum in den Überlappungsbereich übertragen. Dieses Phänomen neigt dazu, das Sensorelement (die feste Elektrolytschicht) spröde zu machen und das Auftreten von Rissen im Sensorelement zu verursachen. Im Ergebnis kann sich die Detektionsgenauigkeit des Gassensors verschlechtern.
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Das obige Problem ist nicht auf das oben veranschaulichte Sauerstoffsensorelement beschränkt, sondern es ist allen Gassensorelementen gemeinsam, bei denen sich die hinteren Endabschnitte der Elektroden und die vorderen Endabschnitte der Zuleitungen auf der festen Elektrolytschicht einander überlappen.
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Weiterer relevanter Stand der Technik ist in der
JP S61 - 164 148 A beschrieben.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gassensorelement mit Elektroden und Zuleitungen, die dichter als die Elektroden sind, zu schaffen, um das Auftreten von Rissen in dem Gassensorelement zu begrenzen und die Detektionsgenauigkeit des Gassensorelements sicherzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Gassensorelement nach Anspruch 1 und einen Gassensor nach Anspruch 3. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in dem abhängigen Anspruch angegeben.
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Es ist ein Merkmal der Erfindung, einen Gassensor unter Verwendung des Gassensorelements zu schaffen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Gassensorelement zum Detektieren der Konzentration einer spezifischen Gaskomponente in einem gemessenen Gas geschaffen, das umfasst: eine plattenförmige feste Elektrolytschicht, die in dessen Längsrichtung verläuft; ein Paar Sensorelektroden, das auf einer Vorderseite der festen Elektrolytschicht angeordnet ist; ein Paar Sensorzuleitungen, das auf einer Rückseite der festen Elektrolytschicht angeordnet ist, wobei jede Sensorzuleitung mit der entsprechenden Sensorelektrode elektrisch verbunden ist; und Isolierschichten, von denen eine zwischen einer der Sensorzuleitungen und der festen Elektrolytschicht angeordnet ist und die andere zwischen der anderen Sensorzuleitung und der festen Elektrolytschicht angeordnet ist, wobei die Sensorelektroden hintere Endabschnitte besitzen, die sich auf den Isolierschichten befinden und die entsprechenden vorderen Endabschnitte der Sensorzuleitungen überlappen, und wobei die Sensorzuleitungen eine höhere Dichte aufweisen als die Sensorelektroden und vordere Enden besitzen, die sich jeweils in den gleichen Positionen wie die oder in Positionen hinter den vorderen Enden der Isolierschichten befinden.
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In dem Gassensorelement können sich die hinteren Endabschnitte der Sensorelektroden vorzugsweise über den vorderen Endabschnitten der Sensorzuleitungen befinden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Gassensor geschaffen, der umfasst: das obige Gassensorelement; und ein Gehäuse, in dem das Gassensorelement gehalten ist.
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Es sollte angegeben werden, dass die Erfindung in verschiedenen Formen verkörpert sein kann, wie z. B. nicht nur in einem Gassensorelement und in einem Gassensor, wie oben erwähnt worden ist, sondern außerdem in einem Verfahren zum Herstellen eines Gassensorelements oder eines Gassensors und in einem Fahrzeug, in dem ein Gassensor in einem Durchgang des gemessenen Gases angebracht ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:
- 1 eine Schnittansicht eines Gassensors mit einem Gassensorelement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine perspektivische Explosionsansicht des Gassensorelements gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 3A einen Grundriss des Gassensorelements gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 3B eine entlang der Linie A-A nach 3A genommene Schnittansicht des Gassensorelements;
- 4 eine schematische Ansicht, die ein Beispiel des Herstellungsprozesses des Gassensorelements gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
- 5 eine schematische Ansicht eines Gassensorelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Die Erfindung wird im Folgenden über die folgenden Ausführungsformen ausführlich beschrieben, in denen gleiche Teile und Abschnitte durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind, um deren wiederholte Erklärungen wegzulassen.
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Ein Gassensor 1 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung befindet sich in der Form eines Vollbereichssensors für das Luft-Treibstoff-Verhältnis, der in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine für die Rückkopplungssteuerung des Luft-Treibstoff-Verhältnisses der Brennkraftmaschine angebracht ist. Hier entsprechen die Vorder- und die Rückseite bezüglich einer axialen Richtung des Gassensors 1 den Unter- bzw. Oberseiten in 1.
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Wie in 1 gezeigt ist, enthält der Gassensor 1 ein plattenförmiges Sensorelement 10, das in der axialen Richtung verläuft, eine zylindrische Metallhülle (als ein Gehäuse) 11, in der das Sensorelement 10 gehalten ist, wobei der vordere und der hintere Endabschnitt des Sensorelements 10 von dem vorderen bzw. dem hinteren Ende der Metallhülle 11 vorstehen, und eine poröse Schutzschicht 19, die auf dem vorderen Endabschnitt des Sensorelements 10 ausgebildet ist.
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Das Sensorelement 10 ist beschaffen, um ein Detektionssignal, das auf die Konzentration einer spezifischen Gaskomponente, z. B. des Sauerstoffgases, in dem gemessenen Gas, d. h., in dem durch die Abgasleitung der Brennkraftmaschine strömenden Abgas, anspricht, an eine externe Steuervorrichtung auszugeben, wie später ausführlich erklärt wird. In der ersten Ausführungsform dient der vordere Endabschnitt des Sensorelements 10, der vom vorderen Ende der Metallhülle 11 vorsteht und durch die poröse Schutzschicht 19 überdeckt ist, im Wesentlichen als ein Gasabtastbereich.
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Die Metallhülle 11 ist um das Sensorelement 1 angeordnet und besitzt einen Gewindeabschnitt 11a, der auf ihrer radialen Außenseite ausgebildet ist, um den Gassensor 1 an der Abgasleitung zu befestigen, und einen Stufenabschnitt 11b, der auf ihrer radialen Innenseite ausgebildet ist, um eine Kegelfläche zu definieren, die bezüglich einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung geneigt ist.
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Der Gassensor 1 enthält ferner eine ringförmige Keramikhalterung 12, die Pulverfüllschichten 13 und 14 (die außerdem als „Talkumringe“ bezeichnet werden), eine Keramikmuffe 15, eine Metallhalterung 16, eine Dichtung 17, eine Schutzeinrichtung 20, ein äußeres Rohr 26, eine Durchführungsdichtung 29, ein zylindrisches isolierendes Kontaktelement 31 und ein Halteelement 32, wie in 1 gezeigt ist.
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Die Metallhalterung 16 ist durch den Stufenabschnitt 11b in der Metallhülle 11 gehalten, um darin das Sensorelement 10 zu halten. Die Keramikhalterung 12 und die Talkumringe 13 und 14 sind in der Metallhülle 11 in der Reihenfolge der Nennung von der Vorderseite angeordnet, um das Sensorelement 10 zu umgeben. Die Keramikhalterung 12 und der Talkumring 13 sind in der Metallhalterung 16 angeordnet. Der Talkumring 13 ist in die Metallhalterung 16 komprimiert, so dass das vordere Ende der Metallhülle 11 mit der Keramikhalterung 12 abgedichtet ist. Die Keramikmuffe 15 ist auf der Rückseite des Talkumrings 14 innerhalb der Metallhülle 11 angeordnet, um das Sensorelement 10 zu umgeben. Ferner ist die Dichtung 17 auf einem abgestuften hinteren Endabschnitt der Keramikmuffe 15 angeordnet. Das hintere Ende der Metallhülle 11 ist gecrimpt, um die Keramikmuffe 15 durch die Dichtung 17 zur Vorderseite zu schieben, und dadurch mit der Keramikrufe 15 und der Dichtung 17 abgedichtet.
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Die Schutzeinrichtung 20 ist aus Metall, wie z. B. rostfreiem Stahl, mit mehreren Gaslöchern ausgebildet und ist, z. B. durch Schweißen, mit dem vorderen Ende der Metallhülle 11 verbunden, um den vorderen Endabschnitt des Sensorelements 10 zu umgeben. In der ersten Ausführungsform besitzt die Schutzeinrichtung 20 eine doppelte Struktur, die ein zylindrisches äußeres Schutzelement 21 und ein zylindrisches inneres Schutzelement 22 umfasst. Wenn der vordere Endabschnitt des Gassensors 1 (einschließlich der Schutzeinrichtung 20) dem Abgas ausgesetzt ist, wird das Abgas durch die Gaslöcher in das Innere der Schutzeinrichtung 20 eingeleitet und in den vorderen Endabschnitt (den Gasabtastbereich) des Sensorelements 10 eingespeist, so dass das Sensorelement 10 seine Operationen der Detektion der Gaskonzentration ausführt, um das Detektionssignal auszugeben.
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Das äußere Rohr 26 ist um den hinteren Endabschnitt des Sensorelements 10 angeordnet und am hinteren Ende der Metallhülle 11 befestigt.
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Das isolierende Kontaktelement 31 ist in einem hinteren Endabschnitt des äußeren Rohrs 26 angeordnet und besitzt einen vorstehenden Abschnitt 31b, der an seiner radialen Außenseite ausgebildet ist, und ein Einsetzloch 31a, das in der axialen Richtung durch es hindurch ausgebildet ist, um den hinteren Endabschnitt des Sensorelements 10 zu umgeben. Die Verbindungsklemmen 27 sind im Einsatzloch 31a vorgesehen und gegen die Klemmen 41 und 42 des Sensorelements 10 gepresst und mit ihnen verbunden.
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Das Halteelement 32 ist in einer Lücke zwischen dem isolierenden Kontaktelement 31 und dem äußeren Rohr 26 angeordnet, um das isolierende Kontaktelement 31 durch den Eingriff des vorstehenden Abschnitts 31b des isolierenden Kontaktelements 31 mit dem Halteelement 32 im äußeren Rohr 26 zu halten.
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Die Durchführungsdichtung 29 ist in ein hinteres offenes Ende des äußeren Rohrs 26 eingepasst, so dass das hintere offene Ende des äußeren Rohrs 26 mit der Durchführungsdichtung 29 verschlossen ist. Hier sind fünf Durchgangslöcher 29a durch die Durchführungsdichtung 29 ausgebildet; wobei fünf Zuleitungsdrähte 28 durch die entsprechenden Durchgangslöcher 29a eingesetzt sind und sich teilweise innerhalb des Gassensors 1 befinden. (Für den Zweck der Klarheit sind nur ein Durchgangsloch 29a und nur drei Zuleitungsdrähte 28 in 1 angegeben.) Jeder der Zuleitungsdrähte 28 besitzt ein vorderes Ende, das mit der Verbindungsklemme 27 verbunden ist, und ein hinteres Ende, das für die elektrische Verbindung zwischen dem Gassensor 1 und der externen Steuervorrichtung mit der externen Steuervorrichtung verbunden ist.
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Wie in 2 gezeigt ist, besitzt das Sensorelement 10 eine plattenförmige Abtasteinheit 100 und eine plattenförmige Heizeinheit (ein plattenförmiges Heizelement) 160. Hier entsprechen die Vorder- und die Rückseite bezüglich der axialen Richtung der linken bzw. der rechten Seite in 2. (Für den Zweck der Klarheit ist die Schutzschicht 19 aus 2 weggelassen.)
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Sowohl die Abtasteinheit 100 als auch die Heizeinheit 160 verlaufen in der axialen Richtung des Gassensors 1 und sind in einer Anordnung zusammenlaminiert.
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Die Abtasteinheit 100 besitzt eine Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 110, eine Zwischenschicht-Einstellschicht 120, eine Sauerstoffpumpzelle 130 und eine Oberflächenschutzschicht 140, die in der Reihenfolge der Nennung zusammenlaminiert sind. Eine Detektionskammer 120c ist in der Zwischenschicht-Einstellschicht 120 definiert. Die Klemmen 41 (die außerdem als die „Klemmen auf Seiten der Abtasteinheit“ bezeichnet werden) sind auf einer Oberfläche der Schutzschicht 140 angeordnet, die der Sauerstoffpumpzelle 130 gegenüberliegt.
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Die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 110 besitzt eine plattenförmige erste feste Elektrolytschicht 115, die auf eine derartige Art angeordnet ist, dass eine Längsrichtung der ersten festen Elektrolytschicht 115 mit der axialen Richtung des Gassensors 1 übereinstimmt, ein Paar aus einer ersten und einer zweiten Elektrode 112 bzw. 118, zwischen denen die erste feste Elektrolytschicht 115 angeordnet ist, ein Paar aus einer ersten und einer zweiten Zuleitung 113 bzw. 119, die mit der ersten bzw. der zweiten Elektrode 112 bzw. 118 verbunden sind und die in der Längsrichtung der ersten festen Elektrolytschicht 115 verlaufen, eine erste Isolierschicht 114, die zwischen der ersten festen Elektrolytschicht 115 und der ersten Zuleitung 113 angeordnet ist, und eine zweite Isolierschicht 116, die zwischen der ersten festen Elektrolytschicht 115 und der zweiten Zuleitung 119 angeordnet ist. In der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 100 dient die erste Elektrode 112 als eine Sauerstoffbezugselektrode (die außerdem als eine „Bezugs-Sauerstoffkammer“ bezeichnet wird), in der die Sauerstoffkonzentration der Bezugs-Sauerstoffkammer durch den Durchgang eines Konstantstroms zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 112 bzw. 118 auf einem konstanten Pegel gehalten ist.
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Die erste Elektrode 112 ist z. B. in einer im Wesentlichen rechteckigen Form ausgebildet und befindet sich auf einer Vorderseite einer Hauptfläche (der Unterseite in 2) der ersten festen Elektrolytschicht 115. Die erste Elektrode 112 besitzt einen bestimmten Grad der Porosität (Poren), um Sauerstoff aufzunehmen und mit Sauerstoff gefüllt zu werden.
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Die erste Zuleitung 113 befindet sich auf einer Rückseite der einen Hauptfläche der ersten festen Elektrolytschicht 115 und ist an ihrem vorderen Endabschnitt mit einem hinteren Endabschnitt der ersten Elektrode 112 elektrisch verbunden.
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In der ersten Ausführungsform ist die erste Zuleitung 113 dichter als die erste Elektrode 112 hergestellt. Mit anderen Worten, die erste Zuleitung 113 besitzt eine niedrigere Porosität (eine höhere Dichte) als die der ersten Elektrode 112. Mit noch anderen Worten, die Menge der Gaspermeation pro Einheitsvolumen der ersten Zuleitung 113 ist kleiner als die der ersten Elektrode 112. Es ist bekannt, dass in dem Fall, in dem die Leiterelemente aus dem gleichen Material oder ähnlichen Materialien ausgebildet sind, das dichtere Leiterelement der Leiterelemente im Allgemeinen einen elektrischen Widerstand zeigt, der niedriger als der des anderen Leiterelements ist. Da in der ersten Ausführungsform die erste Zuleitung 113 dichter als die erste Elektrode 112 hergestellt ist, zeigt die erste Zuleitung 113 im Vergleich zu dem Fall, in dem die erste Zuleitung 113 so dicht wie die erste Elektrode 112 ist, einen niedrigeren elektrischen Widerstand und ermöglicht eine gute Signalübertragung.
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Die erste Isolierschicht 114 ist direkt auf der Rückseite der einen Hauptfläche der ersten festen Elektrolytschicht 115 ausgebildet, um in der Längsrichtung der ersten festen Elektrolytschicht 115 zu verlaufen. Die erste Zuleitung 113 ist in der ersten Ausführungsform nämlich auf der ersten festen Elektrolytschicht 115 ausgebildet, um die erste Isolierschicht 114 zwischen der ersten Zuleitung 113 und der ersten festen Elektrolytschicht 115 anzuordnen. Da die erste Isolierschicht 114 zwischen der ersten festen Elektrolytschicht 115 und der ersten Zuleitung 113 angeordnet ist, sind die erste feste Elektrolytschicht 115 und die erste Zuleitung 113 durch die erste Isolierschicht 114 voneinander isoliert gehalten.
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Ein erstes Durchgangsloch 114a, ein zweites Durchgangsloch 115a, ein drittes Durchgangsloch 120a, ein sechstes Durchgangsloch 135a und ein achtes Durchgangsloch 140a sind durch die erste isolierende Schicht 114, die erste feste Elektrolytschicht 115, die Zwischenschicht-Einstellschicht 120, die zweite feste Elektrolytschicht 135 bzw. die Oberflächenschutzschicht 140 ausgebildet, so dass die erste Zuleitung 113 über die Durchgangslöcher 114a, 115a, 120a, 135a und 140a an ihrem Endabschnitt mit einer der Klemmen 41 auf Seiten der Abtasteinheit elektrisch verbunden ist.
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Die zweite Elektrode 118 ist z. B. in einer im Wesentlichen rechteckigen Form ausgebildet und befindet sich auf einer Vorderseite der anderen Hauptfläche (der Oberseite in 2) der ersten festen Elektrolytschicht 115. Die zweite Elektrode 118 besitzt einen bestimmten Grad der Porosität (Poren), um die Diffusion (die Strömung) des Abgases von außen zu erlauben.
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Die zweite Zuleitung 119 befindet sich auf einer Rückseite der anderen Hauptfläche der ersten festen Elektrolytschicht 115 und ist an ihrem vorderen Endabschnitt mit einem hinteren Endabschnitt der zweiten Elektrode 118 elektrisch verbunden.
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In der ersten Ausführungsform ist wie im Fall der ersten Zuleitung 113 die zweite Zuleitung 119 dichter als die zweite Elektrode 118 hergestellt. Mit anderen Worten, die zweite Zuleitung 119 besitzt eine niedrigere Porosität (eine höhere Dichte) als die der zweiten Elektrode 118. Mit nochmals anderen Worten, die Menge der Gaspermeation pro Einheitsvolumen der zweiten Zuleitung 119 ist kleiner als die der zweiten Elektrode. Da die zweite Zuleitung 119 in der ersten Ausführungsform dichter als die zweite Elektrode 118 hergestellt ist, zeigt die zweite Zuleitung 119 im Vergleich zu dem Fall, in dem die zweite Zuleitung 119 so dicht wie die zweite Elektrode 118 ist, einen niedrigeren elektrischen Widerstand und ermöglicht eine gute Signalübertragung.
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Die zweite Isolierschicht 116 ist direkt auf der Rückseite der anderen Hauptfläche der ersten festen Elektrolytschicht 115 ausgebildet, um in der Längsrichtung der ersten festen Elektrolytschicht 115 zu verlaufen. Die zweite Zuleitung 119 ist in der ersten Ausführungsform nämlich auf der ersten festen Elektrolytschicht 115 ausgebildet, um die zweite Isolierschicht 116 zwischen der zweiten Zuleitung 119 und der ersten festen Elektrolytschicht 115 anzuordnen. Da die zweite Isolierschicht 116 zwischen der ersten festen Elektrolytschicht 115 und der zweiten Zuleitung 119 angeordnet ist, sind die erste feste Elektrolytschicht 115 und die zweite Zuleitung 119 durch die zweite Isolierschicht 116 voneinander isoliert gehalten.
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Ein viertes Durchgangsloch 120b, ein fünftes Durchgangsloch 134a, ein siebentes Durchgangsloch 135b und ein neuntes Durchgangsloch 140b sind durch die Zwischenschicht-Einstellschicht 120, die dritte isolierende Schicht 134, die zweite feste Elektrolytschicht 135 bzw. die Oberflächenschutzschicht 140 ausgebildet, so dass die zweite Zuleitung 119 über die Durchgangslöcher 120b, 134a, 135b und 140b an ihrem Endabschnitt mit einer weiteren der Klemmen 41 auf Seiten der Abtasteinheit elektrisch verbunden ist.
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Die Sauerstoffpumpzelle 130 besitzt eine plattenförmige zweite feste Elektrolytschicht 135, die auf eine derartige Art angeordnet ist, dass eine Längsrichtung der zweiten festen Elektrolytschicht 135 mit der axialen Richtung des Gassensors 1 übereinstimmt, ein Paar aus einer dritten und einer vierten Elektrode 132 bzw. 138, zwischen denen die zweite feste Elektrolytschicht 135 angeordnet ist, ein Paar aus einer dritten und einer vierten Zuleitung 133 bzw. 139, die mit der dritten bzw. der vierten Elektrode 132 bzw. 138 verbunden sind und die in der Längsrichtung der zweiten festen Elektrolytschicht 135 verlaufen, eine dritte Isolierschicht 134, die zwischen der zweiten festen Elektrolytschicht 135 und der dritten Zuleitung 133 angeordnet ist, und eine vierte Isolierschicht 136, die zwischen der zweiten festen Elektrolytschicht 135 und der vierten Zuleitung 139 angeordnet ist. Die Sauerstoffpumpzelle 130 führt durch die Steuerung eines Stroms, der zwischen der dritten und der vierten Elektrode 132 bzw. 138 fließt, die Sauerstoffpumphandlung aus, um Sauerstoff in die oder aus der Detektionskammer 120c zu pumpen
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Die dritte Elektrode 132 ist z. B. in einer im Wesentlichen rechteckigen Form ausgebildet und befindet sich auf einer Vorderseite einer Hauptfläche (der Unterseite in 2) der zweiten festen Elektrolytschicht 135. Die dritte Elektrode 132 besitzt einen bestimmten Grad der Porosität (Poren), um die Diffusion (die Strömung) des Abgases von außen zu erlauben.
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Die dritte Zuleitung 133 befindet sich auf einer Rückseite auf der einen Hauptfläche der zweiten festen Elektrolytschicht 135 und ist an ihrem vorderen Endabschnitt mit einem hinteren Endabschnitt der dritten Elektrode 132 elektrisch verbunden.
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In der ersten Ausführungsform ist die dritte Zuleitung 133 außerdem dichter als die dritte Elektrode 132 hergestellt. Mit anderen Worten, die dritte Zuleitung 133 besitzt eine niedrigere Porosität (eine höhere Dichte) als die der dritten Elektrode 132. Mit noch anderen Worten, die Menge der Gaspermeation pro Einheitsvolumen der dritten Zuleitung 133 ist kleiner als die der dritten Elektrode 132. Da die dritte Zuleitung 133 in der ersten Ausführungsform dichter als die dritte Elektrode 132 hergestellt ist, zeigt die dritte Zuleitung 133 im Vergleich zu dem Fall, in dem die dritte Zuleitung 133 so dicht wie die dritte Elektrode 132 ist, einen niedrigeren elektrischen Widerstand und ermöglicht eine gute Signalübertragung.
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Die dritte Isolierschicht 134 ist direkt auf der Rückseite der einen Hauptfläche der zweiten festen Elektrolytschicht 135 ausgebildet, um in der Längsrichtung der zweiten festen Elektrolytschicht 135 zu verlaufen. Die dritte Zuleitung 133 ist in der ersten Ausführungsform nämlich auf der zweiten festen Elektrolytschicht 135 ausgebildet, um die dritte Isolierschicht 134 zwischen der dritten Zuleitung 133 und der zweiten festen Elektrolytschicht 135 anzuordnen. Da die dritte Isolierschicht 134 zwischen der zweiten festen Elektrolytschicht 135 und der dritten Zuleitung 133 angeordnet ist, sind die zweite feste Elektrolytschicht 135 und die dritte Zuleitung 133 durch die dritte Isolierschicht 134 voneinander isoliert gehalten.
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Ferner ist die dritte Zuleitung 133 an ihrem hinteren Endabschnitt über das fünfte Durchgangsloch 134a, das siebente Durchgangsloch 135b und das neunte Durchgangsloch 140b mit einer weiteren der Klemmen 41 auf Seiten der Abtasteinheit elektrisch verbunden. Die zweite Zuleitung 119 und die dritte Zuleitung 133 sind über das Durchgangsloch 120b auf dem gleichen Potential gehalten.
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Die vierte Elektrode 138 ist z. B. in einer im Wesentlichen rechteckigen Form ausgebildet und befindet sich auf einer Vorderseite der anderen Hauptfläche (der Oberseite in 2) der zweiten festen Elektrolytschicht 135. Wie in dem Fall der dritten Elektrode 132 besitzt die vierte Elektrode 138 einen bestimmten Grad der Porosität (Poren), um die Diffusion (die Strömung) des Abgases von außen zu erlauben.
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Die vierte Zuleitung 139 befindet sich auf einer Rückseite der anderen Hauptfläche der zweiten festen Elektrolytschicht 135 und ist an ihrem vorderen Endabschnitt mit einem hinteren Endabschnitt der vierten Elektrode 138 elektrisch verbunden.
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Wie im Fall der dritten Zuleitung 133 ist in der ersten Ausführungsform die vierte Zuleitung 133 dichter als die vierte Elektrode 138 hergestellt. Mit anderen Worten, die vierte Zuleitung 139 besitzt eine niedrigere Porosität (eine höhere Dichte) als die der vierten Elektrode 138. Mit noch anderen Worten, die Menge der Gaspermeation pro Einheitsvolumen der vierten Zuleitung 139 ist kleiner als die der vierten Elektrode 138. Da die vierte Zuleitung 139 in der ersten Ausführungsform dichter als die vierte Elektrode 138 hergestellt ist, zeigt die vierte Zuleitung 139 im Vergleich zu dem Fall, in dem die vierte Zuleitung 139 so dicht wie die vierte Elektrode 138 ist, einen niedrigeren elektrischen Widerstand und ermöglicht eine gute Signalübertragung.
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Die vierte Isolierschicht 136 ist direkt auf der Rückseite der anderen Hauptfläche der zweiten festen Elektrolytschicht 135 ausgebildet, um in der Längsrichtung der zweiten festen Elektrolytschicht 135 zu verlaufen. Die vierte Zuleitung 133 ist in der ersten Ausführungsform nämlich auf der zweiten festen Elektrolytschicht 135 ausgebildet, um die vierte Isolierschicht 136 zwischen der vierten Zuleitung 139 und der zweiten festen Elektrolytschicht 135 anzuordnen. Da die vierte Isolierschicht 136 zwischen der zweiten festen Elektrolytschicht 135 und der vierten Zuleitung 139 angeordnet ist, sind die zweite feste Elektrolytschicht 135 und die vierte Zuleitung 139 durch die vierte Isolierschicht 136 voneinander isoliert gehalten.
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Ein zehntes Durchgangsloch 140c ist durch die Oberflächenschutzschicht 140 so ausgebildet, dass die vierte Zuleitung 139 an ihrem hinteren Endabschnitt über das Durchgangsloch 140c mit der verbleibenden der Klemmen 41 auf Seiten der Abtasteinheit elektrisch verbunden ist.
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In der ersten Ausführungsform sind die strukturellen Dichten (die Hermetizitäten) der ersten bis vierten Elektroden 112, 118, 132 und 138 auf das gleiche Niveau eingestellt; wobei die die strukturellen Dichten (die Hermetizitäten) der ersten bis vierten Zuleitungen 113, 119, 133 und 139 auf das gleiche Niveau eingestellt sind.
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Die Zwischenschicht-Einstellschicht 120 ist zwischen die Sauerstoffkonzentration-Detektionszelle 110 und die Sauerstoffpumpzelle 130 laminiert, wie oben erwähnt worden ist. In der Zwischenschicht-Einstellschicht 120 ist in einer Position zwischen der zweiten und der dritten Elektrode 118 bzw. 132 die Detektionskammer 120c definiert. Die Diffusionsbegrenzungselemente 121 sind in einer Breitenrichtung der festen Elektrodenschicht 115, 135 auf beiden Seiten der Detektionskammer 120c angeordnet, so dass die Detektionskammer 120c über die Diffusionsbegrenzungselemente 121 mit der Außenseite in Verbindung steht. Jedes der Diffusionsbegrenzungselemente 121 besitzt einen bestimmten Grad der Porosität, um das Abgas ungeachtet der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases außerhalb des Sensorelements 100 mit einer konstanten begrenzten Geschwindigkeit in die Detektionskammer 120c einzuleiten.
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Die Oberflächenschutzschicht 140 ist auf die andere Hauptfläche der zweiten festen Elektrolytschicht 135 laminiert, um die vierte Elektrode 138 und die vierte Zuleitung 139 zwischen der Oberflächenschutzschicht 140 und der zweiten festen Elektrolytschicht 135 anzuordnen. Ein Loch 140d ist durch einen Abschnitt der Oberflächenschutzschicht 140, der die vierte Elektrode 138 überlappt, ausgebildet. Ein Elektrodenschutzelement 141 ist in das Loch 140d eingepasst.
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Andererseits besitzt die Heizeinheit 160 ein erstes und ein zweites Substrat 161 bzw. 167, die überwiegend aus Aluminiumoxid ausgebildet sind, und einen Heizwiderstand 165, der zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat 161 bzw. 167 angeordnet ist. Die Klemmen 42 (die außerdem als die „Klemmen auf Seiten der Heizeinheit“ bezeichnet werden), sind auf einer Oberfläche des ersten Substrats 161 angeordnet, die dem Heizwiderstand 165 gegenüberliegt.
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Der Heizwiderstand 165 besitzt einen Heizabschnitt 163, der überwiegend aus Platin ausgebildet ist, und ein Paar Heizelement-Zuleitungen 164, die sich vom Heizabschnitt 163 in einer Längsrichtung des Substrats 161, 167 erstrecken. Die Durchgangslöcher 169a und 169b sind durch das erste Substrat 161 ausgebildet, so dass die Heizelement-Zuleitungen 164 über die Durchgangslöcher 169a und 169b an ihren Enden mit den Klemmen 42 auf Seiten des Heizelements elektrisch verbunden sind.
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Die normalen Operationen (die Operationen der Detektion der Gaskonzentration) des Gassensors 1, der wie oben strukturiert ist, werden im Folgenden als Referenz erklärt.
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Bei den normalen Operationen des Gassensors 1 wird der Heizeinheit 160 Energie zugeführt, um die Abtasteinheit 100 unter der Steuerung einer Heizelement-Steuerschaltung der externen Steuervorrichtung auf eine Aktivierungstemperatur (z. B. 600 °C oder höher) zu erwärmen. Ferner wird die erste Elektrode 112 durch den Durchgang eines kleinen elektrischen Stroms (z. B. 15 µA) durch die Klemmen 41 durch die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 110 betätigt, um als eine Sauerstoffbezugselektrode (eine Bezugs-Sauerstoffkammer) zu dienen. In diesem Zustand entwickelt sich eine Spannung von etwa 450 mV zwischen der ersten Elektrode 112 (wo die Sauerstoffkonzentration der Bezugs-Sauerstoffkammer auf einem konstanten Pegel gehalten ist) und der zweiten Elektrode 118, wenn die Atmosphäre der Gasdetektionskammer 120c auf einem theoretischen Luft-Treibstoff-Verhältnis aufrechterhalten wird. Der Betrag und die Richtung des Fließens des elektrischen Stroms Ip durch die Sauerstoffpumpzelle 130 wird folglich auf eine derartige Art geeignet gesteuert, um die Spannung Vs der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 110 auf etwa 450 mV einzustellen und die Atmosphäre der Gasdetektionskammer 120c auf dem theoretischen Luft-Treibstoff-Verhältnis aufrechtzuerhalten. Der Gassensor 1 gibt den Stromwert Ip als das Detektionssignal aus, so dass die Sauerstoffkonzentration des Abgases basierend auf der Stromausgabe Ip bestimmt werden kann. Unter der obigen Stromsteuerung wird der Sauerstoff (die Sauerstoffmoleküle) durch jede der Elektroden 112, 118, 132 und 138 dissoziiert. Die resultierenden Sauerstoffionen werden durch die feste Elektrolytschicht 115, 135 in einer Dickenrichtung der festen Elektrolytschicht 115, 135 übertragen.
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Im Folgenden werden die erste und die zweite feste Elektrolytschicht 115 und 135 allgemein als die „festen Elektrolytschichten“ 201 bezeichnet; werden die ersten bis vierten Isolierschichten 114, 116, 134 und 136 allgemein als die „Isolierschichten 202“ bezeichnet; werden die ersten bis vierten Elektroden 112, 118, 132 und 138 allgemein als die „Sensorelektroden 204“ bezeichnet; und werden die ersten bis vierten Zuleitungen 113, 119, 133 und 139 allgemein als die „Sensorzuleitungen 205“ bezeichnet.
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In der ersten Ausführungsform besitzt das Sensorelement 10 eine spezifische Laminierungsstruktur der Isolierschicht 202, der Sensorelektrode 204 und der Sensorzuleitung 205 auf der festen Elektrolytschicht 211, wie in den 3A und 3B gezeigt ist. In den 3A und 3B ist die Laminierungsstruktur der Isolierschicht 116, der zweiten Elektrode 118 und der zweiten Zuleitung 119 auf der ersten festen Elektrolytschicht 115 als ein typisches Beispiel gezeigt.
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Spezifischer ist die Isolierschicht 202 direkt auf der festen Elektrolytschicht 201 ausgebildet. Die Sensorzuleitung 205 ist direkt auf der Isolierschicht 202 ausgebildet und ist nicht direkt auf der festen Elektrolytschicht 201 ausgebildet. Ferner besitzt die Sensorzuleitung 205 ein vorderes Ende 205Y, das sich in der Längsrichtung der festen Elektrolytschicht 201 (der horizontalen Richtung in 2) in einer Position hinter einem vorderen Ende 202Y der Isolierschicht 202 befindet. Die Sensorelektrode 204 besitzt einen vorderen Endabschnitt 204Y, der direkt auf der festen Elektrolytschicht 201 ausgebildet ist, einen hinteren Endabschnitt 204W (als einen Verbindungsabschnitt), der den vorderen Endabschnitt der Sensorzuleitung 205 direkt überlappt und überdeckt, um einen Überlappungsabschnitt 300 zwischen dem hinteren Endabschnitt 204W der Sensorelektrode 204 und der Sensorzuleitung 205 herzustellen. Ein Zwischenabschnitt 204P verläuft zwischen dem vorderen und dem hinteren Endabschnitt 204Y und 204W. Mit anderen Worten, der hintere Endabschnitt 204W der Sensorelektrode 204 befindet sich auf der festen Elektrolytschicht 201, wobei die Isolierschicht 202 und die zweite Zuleitung 205 zwischen dem hinteren Endabschnitt 204W der Sensorelektrode 204 und der festen Elektrolytschicht 201 angeordnet sind. Mit noch anderen Worten, der vordere und der hintere Endabschnitt 204Y bzw. 204W der Sensorelektrode 204 befinden sich im direkten Kontakt mit den Oberflächen der festen Elektrolytschicht 201 bzw. der Isolierschicht 202; wobei der Zwischenabschnitt 204P der Sensorelektrode 204 von der festen Elektrolytschicht 201 zu der Isolierschicht 202 erhöht ist. Im Vergleich der kleinsten Dicken der Sensorelektrode 204 und der Sensorzuleitung 205 besitzt die Sensorzuleitung 205 eine kleinere Dicke als die Sensorelektrode 204. Außerdem ist die Sensorzuleitung 205 dichter als die Sensorelektrode 204 hergestellt, wie oben erwähnt worden ist. Obwohl dies in den 3A und 3B nicht gezeigt ist, besitzt die Sensorzuleitung 105 ein hinteres Ende, das sich in der Längsrichtung der festen Elektrolytschicht 201 in einer Position vor einem hinteren Ende der Isolierschicht 202 befindet.
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In der obigen Laminierungsstruktur befindet sich die Sensorzuleitung 205 in dem Sensorelement 10 auf der Isolierschicht 202 und nicht im direkten Kontakt mit der festen Elektrolytschicht 201. Die Sensorzuleitung 205 wird nämlich durch die Isolierschicht 202 von der festen Elektrolytschicht 201 isoliert gehalten, so dass während des Durchgangs des elektrischen Stroms durch die Sensorzuleitungen 205s zwischen den Sensorelektroden 204 kein Stromfluss durch die feste Elektrolytschicht 201 zwischen den ganzen Längen der Sensorzuleitung 205 entsteht. Im Ergebnis findet die Übertragung der Sauerstoffionen nur in dem Teil der festen Elektrolytschicht 201 statt, dessen Position den Sensorelektroden 204 entspricht (mit Ausnahme von deren Positionen, die sich auf den Isolierschichten 202 befinden), wobei sie in dem Teil der festen Elektrolytschicht 201, dessen Position den Sensorzuleitungen 205 entspricht, nicht stattfindet. Dies macht es möglich, die feste Elektrolytschicht 201 vor Schwärzung zu schützen und dadurch zu verhindern, dass die feste Elektrolytschicht 201 spröde wird. Das Auftreten von Rissen im Sensorelement 10 kann folglich effektiv verhindert werden, um keine Verschlechterung der Detektionsgenauigkeit des Gassensors 1 zu verursachen. Ferner kann die Signalübertragung zwischen dem Sensorelement 10 (der Sensorelektrode 204) und der externen Steuervorrichtung vorteilhaft ausgeführt werden, da die Sensorzuleitung 205 dichter als die Sensorelektrode 204 und mit einem niedrigeren elektrischen Widerstand hergestellt ist.
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Das obenerwähnte Sensorelement 10 kann hergestellt werden, wie in 4 gezeigt ist, in dem grüne (ungesinterte) Konstruktionsteile gebildet werden (Schritt S10), die grünen Konstruktionsteile aneinander laminiert werden (Schritt S20), die laminierten grünen Strukturteile bei einem gegebenen Druck zusammengepresst werden (Schritt S30) und dann die laminierten grünen Strukturteile der Harzentfernung (die manchmal auch als „Bindemittelentfernung“ bezeichnet wird) unterworfen und gesintert werden (Schritt S40). Das Herstellungsverfahren des Sensorelements 10 wird im Folgenden ausführlich erklärt. Es sollte angegeben werden, dass in der folgenden Erklärung jedes der Konstruktionsteile vor und nach dem Sintern für die Bequemlichkeit durch das gleiche Bezugszeichen bezeichnet wird.
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Das erste und das zweite Substrat 161 bzw. 167 werden im grünen (ungesinterten) Zustand wie folgt geschaffen (Schritt S10). Zuerst wird ein Schlamm hergestellt, indem ein gemischtes Pulver aus 97 Masse% Aluminiumoxidpulver und 3 Masse% Siliciumdioxid, ein Bindemittel und ein Weichmacher nass gemischt werden. Der hergestellte Schlamm wird in eine Platte (eine Tafel) durch einen Plattenbildungsprozess unter Verwendung einer Rakelmesser-Vorrichtung gebildet. Das resultierende Plattenmaterial wird in eine vorgegebene Größe geschnitten und als das ungesinterte Substrat 161, 167 verwendet. Die Durchgangslöcher 169a und 169b werden in gegebenen Positionen durch das ungesinterte erste Substrat 161 gebildet.
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Der Heizwiderstand 163 wird im grünen (ungesinterten) Zustand geschaffen, indem eine Paste, die Platin als Hauptbestandteil enthält, hergestellt wird (Schritt S10) und die Paste durch Siebdruck auf das ungesinterte erste Substrat 161 aufgebracht wird (Schritt S20).
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Die Zwischenschicht-Einstellschicht 120 wird im grünen (ungesinterten) Zustand geschaffen (Schritt S10), indem das gleiche Plattenmaterial wie das des ersten und des zweiten Substrats 161 bzw. 167 hergestellt wird, das vorbereitete Plattenmaterial in eine vorgegebene Größe geschnitten wird und die Detektionskammer 120c und die Durchgangslöcher 120a und 120b in gegebenen Positionen durch das geschnittene Plattenmaterial gebildet werden. Die Diffusionsbegrenzungselemente 121 werden im grünen (ungesinterten) Zustand geschaffen, indem ein Aluminiumoxidpulver, ein Kohlenstoffpulver, ein Bindemittel und ein Weichmacher nass gemischt werden und der resultierende Schlamm auf die Zwischenschicht-Einstellschicht 120 aufgebracht wird.
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Die Oberflächenschutzschicht 140 wird im grünen (ungesinterten) Zustand wie folgt durch das Herstellen des gleichen Plattenmaterials wie das des ersten und des zweiten Substrats 161 bzw. 167, das Schneiden des hergestellten Plattenmaterials in eine vorgegebene Größe und das Bilden der Durchgangslöcher 140a, 140b und 140c und des Lochs 140d in gegebenen Positionen durch das geschnittene Plattenmaterial geschaffen (Schritt S10). Ferner wird das Elektrodenschutzelement 141 im grünen (ungesinterten) Zustand geschaffen, indem ein gemischtes Pulver aus 63 Masse% Aluminiumoxidpulver, 3 Masse% Siliciumdioxid und 34 Masse% Kohlenstoffpulver, ein Bindemittel und ein Weichmacher nass gemischt werden und der resultierende Schlamm auf die Oberflächenschutzschicht 140 aufgebracht wird.
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Die feste Elektrolytschicht 201 wird im grünen (ungesinterten) Zustand wie folgt geschaffen (Schritt S10). Zuerst wird ein Schlamm hergestellt, indem ein gemischtes Pulver aus 97 Masse% Zirkondioxidpulver und 3 Masse% Siliciumdioxid, ein Bindemittel und ein Weichmacher nass gemischt werden. Der hergestellte Schlamm wird in eine Platte (eine Tafel) geformt. Das resultierende Plattenmaterial wird in eine vorgegebene Größe geschnitten und als die ungesinterte feste Elektrolytschicht 201 verwendet. Die Durchgangslöcher 135a und 135b werden in gegebenen Positionen durch die ungesinterte feste Elektrolytschicht 201 gebildet.
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Die Isolierschicht 202 wird im grünen (ungesinterten) Zustand wie folgt geschaffen (Schritt S10). Zuerst wird ein Schlamm hergestellt, der 97 Masse% Aluminiumoxidpulver und 3 Masse% Siliciumdioxidpulver enthält, wobei die Gesamtmenge des Aluminiumoxidpulvers und des Siliciumdioxidpulvers als 100 Masse% angenommen wird. Es wird außerdem eine Bindemittellösung hergestellt, indem ein Bindemittel, ein Weichmacher und Aceton gemischt werden. Ferner wird ein organisches Lösungsmittel hergestellt. Eine isolierschichtbildende Paste wird hergestellt, indem die Bindemittellösung und das organische Lösungsmittel zu dem hergestellten Schlamm hinzugefügt werden und dann das resultierende Gemisch durchgeknetet wird, während das Aceton verdampft. Die hergestellte Paste wird als die ungesinterte Isolierschicht 202 auf die Rückseite der festen Elektrolytschicht 21, z. B. durch Siebdruck, aufgebracht.
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Die Sensorzuleitung 205 wird im grünen (ungesinterten) Zustand wie folgt geschaffen (Schritt S10). Es wird ein Schlamm aus einem leitfähigen Material (wie z. B. einem Edelmetall, z. B. Platin, Gold usw.), Zirkondioxidpulver und Aluminiumoxidpulver hergestellt. In der ersten Ausführungsform werden Platinteilchen als das leitfähige Material verwendet. Ferner werden eine Lösung aus einem Bindemittel, einem Weichmacher und Aceton und ein organisches Lösungsmittel hergestellt. Eine zuleitungsbildende Paste wird hergestellt, indem die Bindemittellösung und das organische Lösungsmittel zu dem hergestellten Schlamm hinzugefügt werden und dann das resultierende Gemisch durchgeknetet wird, während das Aceton verdampft. Die hergestellte Paste wird als die ungesinterte Zuleitung 205 auf die Isolierschicht 202, z. B. durch Siebdruck, aufgebracht.
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Die Sensorelektrode 204 wird im grünen (ungesinterten) Zustand wie folgt geschaffen (Schritt S10). Es wird ein Schlamm aus einem leitfähigen Material (wie z. B. einem Edelmetall, z. B. Platin, Gold usw.) und Zirkondioxidpulver hergestellt. In der ersten Ausführungsform werden Platinteilchen als das leitfähige Material verwendet. Ferner werden eine Lösung aus einem Bindemittel, einem Weichmacher und Aceton und ein organisches Lösungsmittel hergestellt. Eine elektrodenbildende Paste wird hergestellt, indem die Bindemittellösung und das organische Lösungsmittel zu dem hergestellten Schlamm hinzugefügt werden und dann das resultierende Gemisch durchgeknetet wird, während das Aceton verdampft. Die hergestellte Paste wird als die ungesinterte Sensorelektrode 204 auf die Vorderseite der festen Elektrolytschicht 201 und auf den vorderen Endabschnitt der Sensorzuleitung 205, z. B. durch Siebdruck, aufgebracht. In diesem Zustand sind die Sensorelektrode 204 und die Sensorzuleitung 205 miteinander verbunden.
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Bei der Bildung der Sensorelektrode 204 und der Sensorzuleitung 205 wird der Siebdruck der elektrodenbildenden Paste und der zuleitungsbildenden Paste auf eine derartige Art ausgeführt, dass nach dem Sintern die Sensorzuleitung 205 eine kleinere Dicke als die Sensorelektrode 204 besitzt.
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Ferner werden die Sensorelektrode 204 und die Sensorzuleitung 205 auf eine derartige Art ausgebildet, dass nach dem Sintern die Sensorzuleitung 205 dichter als die Sensorelektrode 204 ist. Es ist möglich, die Sensorzuleitung 205 dichter als die Sensorelektrode 204 herzustellen, indem z. B. die Menge des Bindemittels in der zuleitungsbildenden Paste und die Menge des Bindemittels in der elektrodenbildenden Paste eingestellt werden. Spezifischer wird die Menge des Bindemittels in der zuleitungsbildenden Paste kleiner als die Menge des Bindemittels in der elektrodenbildenden Paste eingestellt. Da das Bindemittel während des Sinterns ausgebrannt und entfernt wird, wird gemäß einer derartigen Steuerung der Menge des Bindemittels die Sensorzuleitung 205 dichter als die Sensorelektrode 204 hergestellt. Es ist alternativ möglich, die Sensorzuleitung 205 dichter als die Sensorelektrode 204 herzustellen, indem in der zuleitungsbildenden Paste das leitfähige Material verwendet wird, das einen niedrigeren Schmelzpunkt als das leitfähige Material besitzt, das in der elektrodenbildenden Paste verwendet wird. Da das leitfähige Material während des Sinterns geschmolzen wird, wird durch eine derartige Auswahl der leitfähigen Materialien die Sensorzuleitung 205 dichter als die Sensorelektrode 204 hergestellt. Es ist außerdem alternativ möglich, die Sensorzuleitung 205 dichter als die Sensorelektrode 204 herzustellen, indem in der zuleitungsbildenden Paste ein leitfähiges Material verwendet wird, das eine kleinere Teilchengröße oder Teilchen mit einer perfekteren Kugelform als das leitfähige Material besitzt, das in der elektrodenbildenden Paste verwendet wird. Hier können die strukturelle Dichte (die Hermetizität) der Sensorelektrode 204 und die strukturelle Dichte (die Hermetizität) der Sensorzuleitung 205 unter Verwendung einer sogenannten „Dichtheitsprüfung“ unter Verwendung z. B. eines He-Leckdetektors („MS-50“, hergestellt von der Vacuum Instrument Corporation) bestimmt werden.
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Ferner werden die Klemmen 41 und 42 im grünen (ungesinterten) durch das Herstellen einer Paste aus Zirkondioxidpulver und Platinpulver (Schritt S10) und den Siebdruck und das Trocknen der hergestellten Paste in den geeigneten Durchgangslöchern des entsprechenden Substrats (Schritt S20) geschaffen.
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Nachdem die grünen (ungesinterten) Konstruktionsteile aufeinander laminiert worden sind (Schritt S20), werden die laminierten grünen Konstruktionsteile bei einem gegebenen Druck zusammengepresst (Schritt S30) und dann dem Entfernen des Harzes und dem Sintern unterworfen (Schritt S40). Damit ist das Sensorelement 10 fertiggestellt.
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Im Allgemeinen ist es weniger wahrscheinlich, dass im Fall des Bildens von zwei Schichten, z. B. durch Siebdruck, auf eine derartige Art, dass sich die zwei Schichten teilweise einander überlappen, Risse in diesen zwei Schichten auftreten, wenn sich die dickere Schicht der zwei Schichten über der anderen (dünneren) Schicht befindet. In der ersten Ausführungsform sind die Sensorelektrode 204 und die Sensorzuleitung 205 durch den Überlappungsabschnitt 300 elektrisch verbunden, in dem sich der hintere Endabschnitt 204W der Sensorelektrode 204 mit größerer Dicke über dem vorderen Endabschnitt der Sensorzuleitung 205 mit kleinere Dicke befindet und diesen überdeckt, wie in 3B gezeigt ist. Dies macht es möglich, das Auftreten von Rissen in der Sensorelektrode 204 und der Sensorzuleitung 205 im Vergleich zu dem Fall effektiver zu verhindern, in dem sich der vordere Endabschnitt der Sensorzuleitung 205 mit kleinere Dicke über dem hinteren Endabschnitt 204W der Sensorelektrode 204 mit größerer Dicke befindet und diesen überdeckt. Die elektrische Verbindung (Leitung) der Sensorelektrode 204 und der Sensorzuleitung 205 kann folglich stabil aufrechterhalten werden. Außerdem kann die Menge des Rohmaterials (insbesondere des leitfähigen Materials) der Sensorzuleitung 205 verringert werden, um die Herstellungskosten des Sensorelements 10 zu verringern, da die longitudinal verlaufende Sensorzuleitung 205 mit einer kleinere Dicke als die Sensorelektrode 204 hergestellt wird.
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Die zweite Ausführungsform
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Ein Sensorelement 10a gemäß der zweiten Ausführungsform ist zum Sensorelement 10 gemäß der ersten Ausführungsform strukturell ähnlich, mit Ausnahme, dass das Sensorelement 10a eine andere Laminierungsstruktur einer Isolierschicht 202a, einer Sensorelektrode 204a und einer Sensorzuleitung 205a auf einer festen Elektrolytschicht 201a besitzt (spezifischer eine andere Positions-/Dimensionsbeziehung der Sensorelektrode 204a und der Sensorzuleitung 205a). Die anderen Konfigurationen des Sensorelements 10a sind die gleichen wie jene des Sensorelements 10 und werden folglich hier nicht erklärt. Wie in der ersten Ausführungsform ist das Sensorelement 10a als ein Konstruktionsteil des Gassensors 1 konstruiert.
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In der zweiten Ausführungsform ist die Sensorzuleitung 205a auf der festen Elektrolytschicht 201 a ausgebildet, um die Isolierschicht 202a wie in der ersten Ausführungsform zwischen der Sensorzuleitung 205a und der ersten Elektrolytschicht 201a anzuordnen. Ferner besitzt die Sensorzuleitung 205a ein vorderes Ende 205Ya, das sich in einer Position hinter einem vorderen Ende 202Ya der Isolierschicht 202a befindet, und ein hinteres Ende, dass sich in einer Position vor einem hinteren Ende der Isolierschicht 202a befindet. Die Isolierschicht 202a befindet sich folglich definitiv zwischen der festen Elektrolytschicht 201a und der Sensorzuleitung 205a.
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Die Sensorelektrode 204a besitzt einen vorderen Endabschnitt 204Ya, der direkt auf der festen Elektrolytschicht 201a ausgebildet ist, und einen hinteren Endabschnitt 204Wa (als einen Verbindungsabschnitt), der direkt auf der Isolierschicht 202a ausgebildet und zwischen der Isolierschicht 202a und der Sensorzuleitung 205a angeordnet ist, um einen Überlappungsabschnitt 300a zwischen der Sensorelektrode 204a und der Sensorzuleitung 205a herzustellen.
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Die Sensorzuleitung 205a und die Sensorelektrode 204a besitzen in der zweiten Ausführungsform die gleiche Dicke.
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Wie oben erwähnt worden ist, befindet sich die Sensorzuleitung 205a auf der Isolierschicht 202a und befindet sich nicht in direktem Kontakt mit der festen Elektrolytschicht 201a. Da kein Stromfluss zwischen den Sensorzuleitungen 205a durch die feste Elektrolytschicht 201a entsteht, findet wie in der ersten Ausführungsform in dem Teil der festen Elektrolytschicht 201a, der der Position der Sensorzuleitungen 205 entspricht, keine Übertragung der Sauerstoffionen statt. Dies macht es möglich, die feste Elektrolytschicht 201a vor Schwärzung zu schützen und zu verhindern, dass die feste Elektrolytschicht 201a spröde wird. Das Auftreten von Rissen im Sensorelement 10a kann folglich effektiv verhindert werden, um keine Verschlechterung der Detektionsgenauigkeit des Gassensors 1 zu verursachen.
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Das Sensorelement 10a kann in der zweiten Ausführungsform wie folgt hergestellt werden.
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Die feste Elektrolytschicht 201a wird im grünen (ungesinterten) Zustand geschaffen, indem ein Rohmaterialschlamm hergestellt wird, der Rohmaterialschlamm in eine Platte geformt wird und das Plattenmaterial in eine vorgegebene Größe geschnitten wird. Die Isolierschicht 202a wird im grünen (ungesinterten) Zustand geschaffen, indem eine isolierschichtbildende Paste hergestellt wird und die hergestellte Paste durch Siebdruck auf die ungesinterte feste Elektrolytschicht 201a aufgebracht wird. Die Sensorelektrode 204a wird im grünen (ungesinterten) Zustand geschaffen, indem eine elektrodenbildende Paste hergestellt wird und die hergestellte Paste durch Siebdruck auf die Vorderseite der festen Elektrolytschicht 201a und den vorderen Endabschnitt der Isolierschicht 202a aufgebracht wird. Die Sensorzuleitung 205 wird im grünen (ungesinterten) Zustand geschaffen, indem eine zuleitungsbildende Paste hergestellt wird und die hergestellte Paste durch Siebdruck auf die Rückseite der festen Elektrolytschicht 201a und auf den hinteren Endabschnitt 204Wa der Sensorelektrode 204a aufgebracht wird. Die so erhaltene Abtasteinheit 100 wird ferner mit den anderen Konstruktionsteilen zusammenlaminiert. Das resultierende ungesinterte Sensorelement 10a wird bei einer gegebenen Temperatur dem Pressen unterworfen und dann dem Entfernen des Harzes und dem Sintern unterworfen.
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Die vollständigen Inhalte der
JP 2012 - 177 638 A (eingereicht am 28. Februar 2011) sind durch Literaturhinweis hier aufgenommen.
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Obwohl die Erfindung oben unter Bezugnahme auf die spezifischen beispielhaften Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen eingeschränkt. Den Fachleuten auf dem Gebiet werden angesichts der obigen Lehren verschiedene Modifikationen und Variationen der Ausführungsformen einfallen. Die folgenden Modifikationen sind z. B. möglich.
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Die erste Modifikation
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In der ersten Ausführungsform besitzt die Sensorzuleitung 205 eine kleinere Dicke als die Sensorelektrode 204. Andererseits besitzen in der zweiten Ausführungsform die Sensorzuleitung 205a und die Sensorelektrode 204a die gleiche Dicke. Die Dickenbeziehung der Sensorelektrode 204, 204a und der Sensorzuleitung 205, 205a ist jedoch nicht auf das Obige begrenzt und kann geeignet eingestellt werden. Solange wie die Sensorzuleitung 205, 205a auf der Isolierschicht 202, 202a ausgebildet ist, um die Isolierschicht 202, 202a zwischen der Sensorzuleitung 205, 205a und der festen Elektrolytschicht 201, 201a anzuordnen, ist es möglich, zu verhindern, dass die feste Elektrolytschicht 201, 201a aufgrund des Stromflusses durch einen Teil der festen Elektrolytschicht 201, 201a, dessen Position den Sensorzuleitungen 205, 205a entspricht, spröde wird, wobei es dadurch möglich ist, das Auftreten von Rissen im Sensorelement 10, 10a zu verhindern.
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Die zweite Modifikation
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Das vordere Ende 205Y, 205Ya der Sensorzuleitung 205, 205a befindet sich in der obigen Ausführungsform hinter dem vorderen Ende des vorderen Endes 202Y, 202Ya der Isolierschicht 202, 202a. Die Positionsbeziehung des vorderen Endes 205Y, 205Ya der Sensorzuleitung 205, 205a und des vorderen Endes 202Y, 202Ya der Isolierschicht 202, 202a ist jedoch nicht auf das Obige eingeschränkt. Das vordere Ende 205Y, 205Ya der Sensorzuleitung 205, 205a kann sich in der Längsrichtung der festen Elektrolytschicht 201, 201a alternativ in der gleichen Position wie das vordere Ende des vorderen Endes 202Y, 202Ya der Isolierschicht 202, 202a befinden. Selbst durch eine derartige Positionsbeziehung ist es möglich, zu verhindern, dass die feste Elektrolytschicht 201, 201a aufgrund des Stromflusses durch einen Teil der festen Elektrolytschicht 201, 201a, dessen Position den Sensorzuleitungen 205, 205a entspricht, spröde wird, wobei es dadurch möglich ist, das Auftreten von Rissen im Sensorelement 10, 10a zu verhindern.
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Die dritte Modifikation
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Außerdem besitzt in der obigen Ausführungsform der hintere Endabschnitt 204W, 204Wa der Sensorelektrode 204, 204a eine kleinere Breite als das vordere Ende 205Y, 205Ya der Sensorzuleitung 205, 205a, wie in den 2 und 3A zu sehen ist. Die Breitenbeziehung des hinteren Endabschnitts 204W, 204Wa der Sensorelektrode 204, 204a und des vorderen Endabschnitts 205Y, 205Ya der Sensorzuleitung 205, 205a ist jedoch nicht auf das Obige eingeschränkt und kann geeignet eingestellt werden. Alternativ kann der hintere Endabschnitt 204W, 204Wa der Sensorelektrode 204, 204a die gleiche Breite wie oder eine größere Breite als das vordere Ende 205Y, 205Ya der Sensorzuleitung 205, 205a besitzen und kann die gleiche Breite wie der vordere Endabschnitt 204Y, 204Ya der Sensorelektrode 204, 204a besitzen.
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Die vierte Modifikation
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Obwohl die Sensorelektrode 204, 204a in der obigen Ausführungsform im Allgemeinen eine rechteckige Form besitzt, ist die Elektrode 204, 204a nicht auf eine derartige rechteckige Form eingeschränkt und kann alternativ in verschiedenen Formen, wie z. B. einer polygonalen Form und einer Kreisform, ausgebildet sein.
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Die fünfte Modifikation
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Das Sensorelement 10, 10a ist nicht auf das oben verkörperte Sauerstoffsensorelement eingeschränkt und ist in verschiedenen Formen zum Detektieren einer spezifischen Gaskomponente in einem gemessenen Gas oder zum Messen der Konzentration einer spezifischen Gaskomponente in dem gemessenen Gas anwendbar. Das Sensorelement 10, 10a kann z. B. für die Verwendung in einem NOx-Sensor konstruiert sein.
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Der Umfang der Erfindung ist unter Bezugnahme auf die folgenden Ansprüche definiert.
