DE112019004311T5

DE112019004311T5 - Partikelförmige stoffe detektierendes sensorelement

Info

Publication number: DE112019004311T5
Application number: DE112019004311.0T
Authority: DE
Inventors: Yasutaka Ito; Tomoyoshi Nakamura; Takeshi Ushida; Takehito Kimata; Masahiro Yamamoto
Original assignee: Ibiden Co Ltd; Denso Corp
Current assignee: Ibiden Co Ltd; Denso Corp
Priority date: 2018-08-28
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2021-05-20
Also published as: US20210199611A1; JP2020034349A; WO2020045049A1; CN112567234A; US11892422B2

Abstract

Vorgeschlagen wird ein partikelförmige Stoffe detektierender Sensor, der Verbesserungen sowohl der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen als auch der Oxidationsbeständigkeit erzielen kann. Der partikelförmige Stoffe detektierende Sensor umfasst ein isolierendes Substrat, das eine Detektionsfläche aufweist, eine Vielzahl Detektionsleiter, die in dem isolierenden Substrat ausgebildet sind, und eine auf dem isolierenden Substrat ausgebildete Heizsektion. Jeder der Detektionsleiter umfasst einen Detektionselektrodenteil (31), einen Anschlussteil und einen Verbindungsteil (32). Ein Teilbereich des Detektionsleiters, der den Detektionselektrodenteil (31) einschließt, wird von einem Edelmetallleiter (3A) gebildet, der vorwiegend aus zumindest einem aus Pt, Au, Pd, Rh und Ir ausgewählten Edelmetall gebildet ist. Zumindest ein Teilbereich des Verbindungsteils (32) ist aus einem Leiter (3B) mit geringer Ausdehnung gebildet, der vorwiegend aus einem Metall mit geringem Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist, welcher lineare Ausdehnungskoeffizient geringer als jener des Edelmetalls ist. Der Edelmetallleiter (3A) und der Leiter (3B) mit geringer Ausdehnung sind an einem Überlappungsteil (35) verbunden, bei dem der Edelmetallleiter (3A) und der Leiter (3B) mit geringer Ausdehnung auf einer isolierenden Schicht, die das isolierende Substrat bildet, in Richtung einer Normallinie der isolierenden Schicht zumindest teilweise miteinander überlappt sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement, um partikelförmige Stoffe in einem zu vermessenden Gas zu detektieren.
HINTERGRUNDTECHNIK
Um die Menge partikelförmiger Stoffe in einem von einem Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgas (d. h. partikelförmiger Stoff (engl.: Particulate Matter): PM) zu detektieren, wurde beispielsweise ein partikelförmige Stoffe detektierender Sensor vom Typ mit elektrischem Widerstand (worauf hier im Folgenden gegebenenfalls als PM-Sensor verwiesen wird) verwendet.
Patentdokument 1 offenbart ein partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement mit einer Detektionssektion zum Detektieren partikelförmiger Stoffe (worauf hier im Folgenden gegebenenfalls als PM-Sensorelement verwiesen wird) auf der Oberfläche eines isolierenden Substrats einer laminierten Struktur. Die Detektionssektion weist eine daraus freigelegte Detektionselektrode auf. Außerdem ist in dem isolierenden Substrat eine Extraktionselektrode eingebettet. Eine Heizeinrichtung zum Heizen der Detektionssektion ist ebenfalls im isolierenden Substrat eingebettet.
Patentdokument 2 offenbart ein Sensorelement mit einer vorwiegend aus Platin geschaffenen Detektionselektrode und einer vorwiegend aus Molybdän oder Wolfram geschaffenen Extraktionselektrode.
LITERATUR DES STANDS DER TECHNIK
Patentdokumente

Patentdokument 1: Offengelegte japanische Patentveröffentlichung 2017-58365
Patentdokument 2: Offengelegte japanische Patentveröffentlichung 2013-242283

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Für ein PM-Sensorelement besteht jedoch eine Forderung nach Verbesserung der Beständigkeit bzw. Lebensdauer. Konkreter wurden Verbesserungen der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen und der Oxidationsbeständigkeit und so weiter gefordert. Da die Messung der Detektion partikelförmiger Stoffe durch das PM-Sensorelement bei der Heizsektion in einem Zustand hoher Temperatur, beispielsweise auf eine Temperatur von 600 - 800°C erwärmt, durchgeführt wird, ist der PM-Sensor, wie oben beispielhaft dargelegt ist, wiederholten Temperaturzyklen zwischen der normalen Temperatur und der hohen Temperatur ausgesetzt.
Deshalb ist notwendig, dass ein Detektionsleiter des PM-Sensorelements selbst unter dem Einfluss von Temperaturzyklen eine Beständigkeit in der Langzeitnutzung aufweist, während es notwendig ist, dass der Detektionsleiter eine Funktion zum Detektieren partikelförmiger Stoffe aufrechterhält, ohne selbst im Zustand der Verbrennung bei hoher Temperatur beeinflusst zu werden.
In dem im Patentdokument 1 offenbarten PM-Sensorelement ist der Detektionsleiter im Prinzip ganz aus dem gleichen Material gebildet. Folglich kann man sagen, dass der Detektionsleiter in dem im Patentdokument 1 offenbarten PM-Sensorelement sowohl eine Reduzierung der Spannung bzw. Beanspruchung unter dem Einfluss von Temperaturzyklen (worauf hier im Folgenden gegebenenfalls als „Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen“ verwiesen wird) als auch eine Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit kaum erfüllt. Mit anderen Worten ist es, wenn die Detektion unter den Temperaturzyklen mittels des im Patentdokument 1 offenbarten PM-Sensorelements durchgeführt wird, in dem Fall, in dem irgendein Material (zum Beispiel Au) für einen gesamten Detektionsleiter verwendet wird, schwierig, den Einfluss einer durch Detektion unter Temperaturzyklen verursachten Beanspruchung zu reduzieren, während es in dem Fall, in dem ein anderes Material (zum Beispiel W) verwendet wird, schwierig wird, bei der Detektion unter hoher Temperatur die Oxidationsbeständigkeit sicherzustellen.
In dem im Patentdokument 2 offenbarten PM-Sensorelement sind eine Detektionselektrode und eine Extraktionselektrode aus voneinander verschiedenen Materialien gebildet. Die Extraktionselektrode ist aus Wolfram oder Molybdän gebildet. Es gibt Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit einer Verbindung am Verbindungsteilbereich zwischen den aus den verschiedenen Materialien gebildeten Teilbereichen. Selbst in dem im Patentdokument 2 offenbarten PM-Sensorelement war es folglich unmöglich, sowohl eine Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen als auch der Oxidationsbeständigkeit zu erfüllen.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht dieser Hintergrundtechnologie gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement bereitzustellen, in welchem die Kompatibilität zwischen einer Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen als auch einer Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit erzielt werden kann.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement zum Detektieren partikelförmiger Stoffe in einem zu vermessenden Gas:

ein isolierendes Substrat, das eine Detektionsfläche aufweist, an der partikelförmige Stoffe anhaften;
eine Vielzahl Detektionsleiter, die in dem isolierenden Substrat ausgebildet sind, wobei die Detektionsleiter eine gegenseitig unterschiedliche Polarität aufweisen; und
eine Heizsektion, die an dem isolierenden Substrat ausgebildet ist; wobei jeder Detektionsleiter umfasst:
- einen Detektionselektrodenteil, der zur Detektionsfläche hin zumindest teilweise freigelegt ist;
- einen Anschlussteil, der auf einer externen Oberfläche des isolierenden Substrats ausgebildet und mit dem Detektionselektrodenteil elektrisch verbunden ist; und
- einen Verbindungsteil, der den Detektionselektrodenteil und den Anschlussteil elektrisch verbindet, wobei
- zumindest ein Teilbereich des Detektionsleiters, der den Detektionselektrodenteil enthält, von einem Edelmetallleiter gebildet wird, der vorwiegend aus zumindest einem aus Pt, Au, Pd, Rh und Ir ausgewählten Edelmetall gebildet ist;
- zumindest ein Teilbereich des Verbindungsteils von einem Leiter mit geringer Ausdehnung gebildet wird, der vorwiegend aus einem Metall mit geringem Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist, welcher lineare Ausdehnungskoeffizient geringer als jener des Edelmetalls ist, und wobei
- der Edelmetallleiter und der Leiter mit geringer Ausdehnung an einem überlappenden bzw. Überlappungsteil verbunden sind, bei dem der Edelmetallleiter und der Leiter mit geringer Ausdehnung auf einer isolierenden Schicht, welche das isolierende Substrat bildet, in Richtung einer Normallinie teilweise miteinander überlappt sind.

EFFEKTE DER ERFINDUNG
Gemäß dem oben erwähnten, partikelförmige Stoffe detektierenden Sensorelement ist ein Teilbereich des Detektionsleiters, der den Detektionselektrodenteil enthält, aus dem Edelmetallleiter gebildet. Mit anderen Worten wird ein Teilbereich des Detektionsleiters, der dem zu vermessenden Gas ausgesetzt ist, von dem Edelmetallleiter gebildet, und daher kann die Oxidationsbeständigkeit des Detektionsleiters des partikelförmige Stoffe detektierenden Sensorelements verbessert werden.
Zumindest ein Teilbereich des Verbindungsteils wird von dem Leiter mit geringer Ausdehnung gebildet, der vorwiegend aus dem Metall mit geringem Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist, welcher lineare Ausdehnungskoeffizient geringer als jener des oben erwähnten Edelmetalls ist. Wenn der Verbindungsteil Temperaturzyklen ausgesetzt ist, kann deshalb ein Einfluss von durch dessen Ausdehnung und Kontraktion hervorgerufenen Beanspruchungen reduziert werden. Der Verbindungsteil, der in einem verhältnismäßig breiten Bereich ausgebildet ist, kann eine Beanspruchung aufnehmen, die durch die Ausdehnung bei Erwärmen mittels der Heizsektion verursacht wird. Indem man einen Leiter mit geringer Ausdehnung mit einem geringen linearen Ausdehnungskoeffizienten in zumindest einem Teil des Verbindungsteils des Detektionsleiters verwendet, kann deshalb dessen Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen effektiv verbessert werden.
Der Edelmetallleiter und der Leiter mit geringer Ausdehnung sind an einem Überlappungsteil verbunden, bei dem der Edelmetallleiter und der Leiter mit geringer Ausdehnung auf einer isolierenden Schicht, die das isolierende Substrat bildet, in Richtung einer Normallinie der isolierenden Schicht miteinander teilweise überlappt sind. Durch diese Verbindung kann die Zuverlässigkeit einer Verbindung an einem Verbindungsteilbereich zwischen dem Edelmetallleiter und dem Leiter mit geringer Ausdehnung verbessert werden. Mit anderen Worten kann durch Vorsehen des Überlappungsteils der Verbindungsbereich zwischen dem Edelmetallleiter und dem Leiter mit geringer Ausdehnung sicher gewährleistet werden, was zu einer Entlastung einer Konzentration der Beanspruchung am Verbindungsteilbereich führen kann. Infolgedessen kann die Zuverlässigkeit einer Verbindung beim Verbindungsteilbereich zwischen dem Edelmetallleiter und dem Leiter mit geringer Ausdehnung verbessert werden.
Indem man die Struktur des Detektionsleiters wie oben erläutert ausbildet, kann die Kompatibilität zwischen der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen und der Oxidationsbeständigkeit erzielt werden.
Wie oben beschrieben wurde, kann gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung ein partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement bereitgestellt werden, das eine Kompatibilität zwischen einer Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen und einer Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit erzielen kann.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht eines partikelförmige Stoffe detektierenden Sensorelements (PM-Sensorelement) in einer Ausführungsform 1.
2 ist eine entlang einer Linie II-II in 1 genommene erläuternde Querschnittsansicht.
3 ist eine auseinandergezogene Draufsicht des PM-Sensorelements in der Ausführungsform 1.
4 ist eine erläuternde Draufsicht eines Anschlussteils zwischen einem Detektionselektrodenteil und einem langgestreckten Verdrahtungsteilbereich in der Ausführungsform 1.
5 ist eine entlang einer Linie V-V in 4 genommene Querschnittsansicht.
6 ist eine (etwa 5000-fach vergrößerte) Fotografie des Querschnitts eines Überlappungsteils in der Ausführungsform 1.
7 ist eine Veranschaulichung eines Herstellungsverfahrens des PM-Sensorelements in der Ausführungsform 1, die Draufsichten einer Vielzahl von Grünfolien (engl.: green sheets) enthält.
8 ist eine erläuternde Querschnittsansicht eines Basisendteilbereichs des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs, eines Kontaktlochleiters und eines Anschlussteils in einer Ausführungsform 2.
9 ist eine auseinandergezogene Draufsicht eines PM-Sensorelements in einer Ausführungsform 3.
10 ist eine erläuternde Draufsicht eines Verbindungsteils zwischen einem Detektionselektrodenteil und einem langgestreckten Verdrahtungsteilbereich in einer Modifikation.

MODI ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Der Edelmetallleiter ist vorwiegend mittels zumindest eines aus Pt (Platin), Au (Gold), Pd (Palladium), Rh (Rhodium) und Ir (Iridium) ausgewählten Edelmetalls gebildet. Es wird darauf hingewiesen, dass dieser Ausdruck „vorwiegend mittels zumindest eines aus Pt, Au, Pd, Rh und Ir ausgewählten Edelmetalls gebildet“ bedeutet, dass die Gesamtmenge an Pt, Au, Pd, Rh und Ir 50 Masse-% oder mehr bezüglich der Gesamtmasse der Edelmetallleiter beträgt. Der Edelmetallleiter kann nur ein Element unter den Elementen Pt, Au, Pd, Rh und Ir enthalten oder kann mehrere unter diesen Elementen enthalten. Ferner kann der Edelmetallleiter Keramiken wie etwa Aluminiumoxid etc. enthalten. Der Edelmetallleiter kann jedoch so ausgebildet sein, dass er keine Keramiken wie etwa Aluminiumoxid etc. enthält. Falls der Edelmetallleiter Keramiken enthält, kann deren Gesamtmenge vorzugsweise 20 Gewichts-% oder weniger betragen.
Der Leiter mit geringer Ausdehnung ist vorwiegend durch einen Leiter mit geringer Ausdehnung gebildet, der vorwiegend mittels eines Metalls mit geringem Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist, welcher lineare Ausdehnungskoeffizient geringer als jener des ausgewählten Edelmetalls ist. Es wird darauf hingewiesen, dass hier der Ausdruck „vorwiegend mittels eines Metalls mit geringem Ausdehnungskoeffizienten gebildet“ bedeutet, dass die Gesamtmenge des Metalls mit geringem Ausdehnungskoeffizienten bezüglich der Gesamtmenge des Leiters mit geringer Ausdehnung 50 Masse-% oder mehr beträgt.
Das Metall mit geringem Ausdehnungskoeffizienten ist zumindest ein aus W und Mo ausgewähltes Metall. Dies gilt, da die linearen Ausdehnungskoeffizienten von W und Mo ausreichend geringer als jener des Edelmetalls sind. Da sowohl W als auch Mo einen höheren Schmelzpunkt als der Edelmetallleiter aufweisen, können außerdem W und Mo nicht nur die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen, sondern auch die Wärmebeständigkeit und die Festigkeit im Detektionsleiter verbessern.
Der Leiter mit geringer Ausdehnung kann eines von W und Mo oder beide enthalten. Ferner kann der Edelmetallleiter Keramiken wie etwa Aluminiumoxid etc. enthalten. Der Edelmetallleiter kann jedoch so ausgebildet sein, dass er keine Keramiken wie etwa Aluminiumoxid etc. enthält. Falls der Edelmetallleiter Keramiken enthält, kann deren Anteilsbetrag vorzugsweise 20 Gewichts-% oder weniger betragen.
Es wird darauf hingewiesen, dass „Edelmetall“, worauf in dieser Beschreibung verwiesen wird, Pt, Au, Pd, Rh und Ir umfasst. Außerdem ist der lineare Ausdehnungskoeffizient des Metalls mit geringem Ausdehnungskoeffizienten geringer als der lineare Ausdehnungskoeffizient des Edelmetalls (d. h. Pt, Au, Pd, Rh und Ir).
In diesem Zusammenhang ist der lineare Ausdehnungskoeffizient ein Wert, der mittels einer Messung bestimmt wird, die bei einer Temperatur von 20°C gemäß JIS (Japanese Industrial Standards) Z 2285 (2003 Verfahren zum Messen linearer Ausdehnungskoeffizienten von Metallmaterialien) durchgeführt wird. Als ein Beispiel sind die linearen Ausdehnungskoeffizienten der Metalle W: 4,5×10^-6/K, Mo: 4,0×10^-6/K, Pt: 8,8×10^-6/K, Au: 14,2×10^-6/K, Pd: 11,8×10^-6/K, Rh: 8,2×10^-6/K, Ir: 6,2×10^-6/K.
Es wird bevorzugt, dass der Anschlussteil des Detektionsleiters vom Edelmetallleiter gebildet wird. In solch einem Fall kann die Oxidationsbeständigkeit am Anschlussteil verbessert werden. Da der Anschlussteil zur externen Oberfläche des Elements hin freigelegt ist, kann, indem dieser Teilbereich aus dem Edelmetallleiter gebildet wird, die Oxidationsbeständigkeit am Detektionsleiter weiter verbessert werden. Außerdem ist es erwünscht, dass das PM-Sensorelement eine Erfassung an einer Position durchführt, die im Vergleich zu anderen Sensorelementen, wie zum Beispiel etwa einem Gassensor, näher zur Mitte eines Abgasrohrs liegt. Dementsprechend sind im PM-Sensorelement tendenziell nicht nur ein Detektionselektrodenteil, sondern auch ein Anschlussteil hohen Temperaturen ausgesetzt. In einem PM-Sensorelement wird daher tendenziell eine hohe Wärmebeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit nicht nur am Detektionselektrodenteil, sondern auch am Anschlussteil gefordert. Indem der Anschlussteil von einem Edelmetallleiter gebildet wird, können somit die Wärmebeständigkeit und die Oxidationsbeständigkeit des Anschlussteilbereichs verbessert werden, wodurch die Anforderungen des Marktes erfüllt werden.
Ferner kann der Leiter mit geringer Ausdehnung innerhalb des isolierenden Substrats ausgebildet sein. In solch einem Fall kann die Kompatibilität zwischen der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen und der Oxidationsbeständigkeit effektiver erzielt werden. Dies gilt, da, indem man den Leiter mit geringer Ausdehnung innerhalb des isolierenden Substrats anordnet, der Leiter mit geringer Ausdehnung den sauerstoffhaltigen Gasen weniger ausgesetzt ist, um dadurch eine Oxidationsbeständigkeit des Detektionsleiters einfach zu verbessern. Auf der anderen Seite kann die Innentemperatur des isolierenden Substrats bei Erwärmung durch die Heizsektion leicht ansteigen. Indem man den Leiter mit geringer Ausdehnung des Detektionsleiters innerhalb des isolierenden Substrats ausbildet, kann daher die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen effektiv verbessert werden.
Weiterhin kann die isolierende Schicht in mehrere ausgebildet werden, wobei eine Vielzahl der isolierenden Schichten den dazwischen ausgebildeten Detektionselektrodenteil aufweist, und kann die Detektionsfläche auf einer Endfläche des isolierenden Substrats in einer Richtung orthogonal zu einer Laminierrichtung der Vielzahl der isolierenden Schichten ausgebildet sein. Diese Struktur kann die Oxidationsbeständigkeit des Detektionsleiters weiter verbessern. Mit anderen Worten ist, wenn der Detektionselektrodenteil zwischen den jeweiligen isolierenden Schichten vorgesehen ist, jeder Detektionselektrodenteil in einem Zustand, in dem er in der Laminierrichtung dazwischen gehalten wird. Bei einem Sinterprozess der isolierenden Schichten werden die Detektionselektrodenteile in der Laminierrichtung zusammengedrückt. Infolgedessen werden die feinen Poren in den Partikeln des Detektionselektrodenteils noch feiner, um dadurch ein Eindringen von Gasen darin zu verhindern. Dies schützt letztendlich den innerhalb des isolierenden Substrats angeordneten Leiter mit geringer Ausdehnung. Dementsprechend kann die Oxidationsbeständigkeit des Detektionsleiters verbessert werden.
Ferner umfasst der Detektionsleiter einen Innenschichtleiter, der zwischen jeder der Vielzahl der isolierenden Schichten ausgebildet ist, und einen Außenschichtleiter, der auf der externen Oberfläche des isolierenden Substrats in der Laminierrichtung ausgebildet ist, und ist ein interlaminares Kontaktloch ausgebildet, das den Innenschichtleiter und den Außenschichtleiter zwischen den Schichten verbindet. Der Kontaktlochleiter in dem interlaminaren Kontaktloch ist aus dem Edelmetallleiter gebildet. In solch einem Fall sind sowohl der Außenschichtleiter als auch der Kontaktlochleiter aus dem Edelmetallleiter gebildet, um die Zuverlässigkeit einer Verbindung dazwischen zu verbessern.
Außerdem kann ein Teilbereich des Innenschichtleiters, der mit dem interlaminaren Kontaktloch direkt verbunden ist, das mit dem Außenschichtleiter verbunden ist, aus dem Edelmetallleiter gebildet sein. In diesem Fall ist eine Verbindung zwischen dem Kontaktlochleiter und dem Innenschichtleiter durch eine gegenseitige Verbindung der Edelmetallleiter hergestellt, und folglich kann die Zuverlässigkeit einer Verbindung dazwischen verbessert werden.
Außerdem umfasst der Überlappungsteil vorzugsweise eine aus dem Edelmetall und dem Metall mit geringem Ausdehnungskoeffizienten gebildete Mischkristallschicht. In diesem Fall kann die Konzentration einer Beanspruchung auf der Verbindungsgrenzfläche dazwischen weiter reduziert werden, um dadurch die Zuverlässigkeit der Verbindung zu verbessern.
Darüber hinaus wird der Anschlussteilbereich vorzugsweise von dem Edelmetallleiter, der porös ist, gebildet. In diesem Fall kann ein Kontaktwiderstand zwischen dem Anschlussteil und einer externen Elektrode reduziert werden, um dadurch die Zuverlässigkeit einer elektrischen Verbindung zu verbessern. Ferner kann die Beanspruchung zwischen dem Anschlussteil und dem isolierenden Substrat reduziert werden. Infolgedessen kann eine Haftung des Anschlussteils am isolierenden Substrat weiter verbessert werden.
Außerdem wird zumindest ein Teilbereich eines Bereichs zwischen dem Verbindungsteil und dem Anschlussteil, der aus dem Leiter mit geringer Ausdehnung gebildet ist, des Detektionsleiters vorzugsweise von dem Edelmetallleiter mit geschlossenen Poren gebildet. In diesem Fall ist es möglich, zu verhindern, dass Gas in den Leiter mit geringer Ausdehnung eindringt, um dadurch die Beanspruchung gegenüber dem isolierenden Substrat zu reduzieren. Es wird besonders erwähnt, dass der Ausdruck „Edelmetallleiter mit geschlossenen Poren“ den Edelmetallleiter mit Poren, die keine Verbindung mit dem isolierenden Substrat haben, meint.
(Ausführungsform 1)
Eine Ausführungsform eines partikelförmige Stoffe detektierenden Sensorelements (d. h. eines PM-Sensorelements) wird hier unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Ein PM-Sensorelement 1 der vorliegenden Ausführungsform ist ein Element, das partikelförmige Stoffe in einem zu vermessenden Gas detektiert.
Der PM-Sensor 1 umfasst, wie in 1 - 3 dargestellt ist, ein isolierendes Substrat 2, Detektionsleiter 3 und eine Heizsektion 4, die im isolierenden Substrat 2 ausgebildet ist. Das PM-Sensorelement 1 enthält eine Vielzahl der Detektionsleiter 3 mit gegenseitig unterschiedlicher Polarität. Das isolierende Substrat 2 hat eine Detektionsfläche 21, an der partikelförmige Stoffe anhaften.
Jeder Detektionsleiter 3 umfasst einen Detektionselektrodenteil 31, einen Anschlussteil 33 und einen Verbindungsteil 32. Der Detektionselektrodenteil 31 ist auf der Detektionsfläche 21 zumindest teilweise freigelegt. Der Anschlussteil 33 ist auf einer externen Oberfläche des isolierenden Substrats 2 ausgebildet und mit dem Detektionselektrodenteil 31 elektrisch verbunden. Der Verbindungsteil 32 verbindet den Detektionselektrodenteil 31 und den Anschlussteil 33 elektrisch.
Ein Teilbereich des Detektionsleiters 3, der den Detektionselektrodenteil 31 enthält, wird von einem Edelmetallleiter 3A gebildet, der vorwiegend mittels zumindest eines aus Pt, Au, Pd, Rh und Ir ausgewählten Edelmetalls ausgebildet ist. Ein Teilbereich des Verbindungsteils 32 des Detektionsleiters 3 wird von einem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung gebildet, der vorwiegend mittels eines Metalls mit geringem Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist, welcher lineare Ausdehnungskoeffizient geringer als jener des ausgewählten Edelmetalls ist. In dieser Ausführungsform enthält das Metall mit geringem Ausdehnungskoeffizienten zumindest ein aus W und Mo ausgewähltes Metall.
Wie in 4 und 5 dargestellt ist, sind der Edelmetallleiter 3A und der Leiter 3B mit geringer Ausdehnung an dem Überlappungsteil 35 verbunden, bei dem der Edelmetallleiter 3A und der Leiter 3B mit geringer Ausdehnung auf der isolierenden Schicht 22, die das isolierende Substrat 2 bildet, in Richtung einer Normallinie der isolierenden Schicht 22 teilweise miteinander überlappt sind.
Wie in 1 und 2 dargestellt ist, umfasst der Detektionsleiter 3 den freigelegten Leiterteil 301, der zur Elementoberfläche hin freigelegt ist, und den nicht freigelegten Leiter 302, der nicht zur Elementoberfläche freigelegt ist. Der Leiter 3B mit geringer Ausdehnung ist im Inneren des isolierenden Substrats 2 ausgebildet. Mit anderen Worten bildet der Leiter 3B mit geringer Ausdehnung zumindest einen Teil des nicht freigelegten Leiterteils 302.
Wie in 2 und 3 dargestellt ist, ist der Anschlussteil 33 des Detektionsleiters 3 aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet. In dieser Ausführungsform sind der Detektionselektrodenteil 31 und der Anschlussteil 33 aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet und enthält der Verbindungsteil 32 den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung. Der gesamte Anschlussteil 33 bildet den freigelegten Leiterteil 301 und besteht aus dem Edelmetallleiter 3A. Ferner bildet in dem Detektionselektrodenteil 31 ein Teil des Detektionselektrodenteils 31, der auf der Detektionsfläche 21 freigelegt ist, den freigelegten Leiterteil 301 und bildet der restliche Teil den nicht freigelegten Leiterteil 302. Der Detektionselektrodenteil 31, der den nicht freigelegten Leiterteil 302 enthält, besteht ganz aus dem Edelmetallleiter 3A. Ferner besteht der Verbindungsteil 32 nicht vollkommen aus dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung, sondern besteht teilweise aus dem Edelmetallleiter 3A. Eine detaillierte Struktur wird später beschrieben.
Das isolierende Substrat 2 ist in einer langgestreckten Form ausgebildet, und der Verbindungsteil 32 weist einen langgestreckten Verdrahtungsteilbereich 321 auf, der entlang einer longitudinalen Richtung des isolierenden Substrats 2 ausgebildet ist. Der langgestreckte Verdrahtungsteilbereich 321 ist aus dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung gebildet.
Das PM-Sensorelement 1 gemäß dieser Ausführungsform hat, wie in 1 dargestellt ist, eine langgestreckte und nahezu rechteckige Parallelepipedform. Das isolierende Substrat 2 kann aus beispielsweise Keramiken, die Aluminiumoxid (Al₂O₃) enthalten, gebildet sein. Die äußere Kontur dieses isolierenden Substrats 2 liegt in einer nahezu rechteckigen Parallelepipedform vor.
Wie in 2 und 3 dargestellt ist, besteht das isolierende Substrat 2 aus einer Vielzahl laminierter isolierender Schichten 22. Der Detektionselektrodenteil 31 ist zwischen zwei der Vielzahl laminierter isolierender Schichten 22 ausgebildet. Die Detektionsfläche 21 ist an einem Ende der Vielzahl laminierter isolierender Schichten 22 in einer Richtung orthogonal zur Laminierrichtung ausgebildet. In dieser Ausführungsform ist die Detektionsfläche 21 auf einer Endfläche des isolierenden Substrats 2 in der longitudinalen Richtung ausgebildet.
Im Folgenden wird hier auf eine Endseite in der longitudinalen Richtung des isolierenden Substrats 2, auf der die Detektionsfläche 21 vorgesehen ist, als vordere Endseite verwiesen und wird auf die entgegengesetzte Seite als Basisendseite verwiesen. Es wird darauf hingewiesen, dass 3 eine erläuternde Draufsicht der auseinandergezogenen isolierenden Schichten 22 des PM-Sensorelements 1, aus der Laminierrichtung gesehen, ist. Unter den externen Oberflächen des isolierenden Substrats 2 weist die in die Laminierrichtung gewandte Oberfläche die breiteste Fläche auf und wird auf diese Oberfläche gegebenenfalls als Hauptoberfläche verwiesen.
Außerdem ist der Anschlussteil 33 auf dem Basisendteilbereich des isolierenden Substrats 2 ausgebildet. Der Anschlussteil 33 ist auf dem Basisendteilbereich der Hauptoberfläche des isolierenden Substrats 2 ausgebildet. Darüber hinaus ist der Verbindungsteil 32 so ausgebildet, dass er den Detektionselektrodenteil 31 und den Anschlussteil 33 verbindet, die jeweils an beiden Endteilbereichen des isolierenden Substrats 2 in der longitudinalen Richtung angeordnet sind. Teilbereiche des Verbindungsteils 32 bilden die Innenschichtleiter, die zwischen zwei der Vielzahl laminierter isolierender Schichten 22 positioniert sind.
Das PM-Sensorelement 1 weist den Innenschichtleiter als den nicht freigelegten Leiterteil 302 auf. Außerdem weist der Detektionsleiter 3 den Außenschichtleiter, der auf der externen Oberfläche des isolierenden Substrats 2 in der Laminierrichtung ausgebildet ist, als den freigelegten Leiterteil 302 auf. Ein interlaminares Kontaktloch 11 ist zwischen dem Innenschichtleiter und dem Außenschichtleiter vorgesehen, um die beiden Leiter zwischen den Schichten zu verbinden. Ein Kontaktlochleiter 302 in dem interlaminaren Kontaktloch 11 ist aus einem Edelmetalleiter 3A gebildet.
In dieser Ausführungsform umfasst der Verbindungsteil 32 den langgestreckten Verdrahtungsteilbereich 321 und den Kontaktlochleiter 322. Der langgestreckte Verdrahtungsteilbereich 321 ist ein Teil des Innenschichtleiters. Der Innenschichtleiter umfasst den langgestreckten Verdrahtungsteilbereich 321 und den Detektionselektrodenteil 31, der mit dem Ende des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 verbunden ist. Wie oben beschrieben wurde, ist der Kontaktlochleiter 322 als Teil des Verbindungsteils 32 aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet. Ein Teilbereich des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 des Verbindungsteils 32, mit Ausnahme des Kontaktlochleiters 322, ist aus dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung gebildet.
Eine Verbindung zwischen dem Detektionselektrodenteil 31 und dem langgestreckten Verdrahtungsteilbereich 321 ist die Verbindung zwischen dem Edelmetallleiter 3a und dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung. Wie in 4 und 5 dargestellt ist, sind der Edelmetallleiter 3A und der Leiter 3B mit geringer Ausdehnung an einem Überlappungsteil 35 verbunden, bei dem der Edelmetallleiter 3A und der Leiter 3B mit geringer Ausdehnung zwischen zwei gegenseitig benachbart positionierten laminierten isolierenden Schichten 22 in deren Dickenrichtung miteinander teilweise überlappt sind. Mit anderen Worten sind in dieser Ausführungsform der Detektionselektrodenteil 31 und der langgestreckte Verdrahtungsteilbereich 321 durch den Überlappungsteil 35 verbunden.
Die Länge L des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 am Überlappungsteil 35 in der longitudinalen Richtung kann beispielsweise auf die Länge eingestellt werden, die etwa 1- bis 120-fach länger als die Dicke des Edelmetallleiters 3A ist.
Der Überlappungsteil 35 enthält eine mittels des Edelmetalls und des Metalls mit geringem Ausdehnungskoeffizienten gebildete Mischkristallschicht 351. In 6 ist der Querschnitt des Überlappungsteils 35 mittels einer Fotografie dargestellt. Es kann bestätigt werden, dass die Mischkristallschicht 351 zwischen dem Pt eines Edelmetalls und W eines Metalls mit geringem Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist. Es wird darauf hingewiesen, dass auf der Fotografie der von der gestrichelten Linie umschlossene Bereich das Vorhandensein der Mischkristallschicht 351 angibt, die von den Erfindern dieser Anmeldung markiert wurde.
Wie in 1 bis 3 dargestellt ist, weist das PM-Sensorelement 1 eine eingebaute Heizsektion 4 auf. Mit anderen Worten ist die Heizsektion 4 innerhalb des isolierenden Substrats 2 ausgebildet. Die Heizsektion 4 ist in der Grenzfläche zwischen zwei der Vielzahl der isolierenden Schichten 22 ausgebildet. Die Heizsektion 4 kann auch aus dem oben erwähnten Leiter 3B mit geringer Ausdehnung gebildet sein. Die Heizsektion 4 umfasst einen wärmeerzeugenden Teil 41 und ein Paar Zuleitungsteile 42, die mit dem wärmeerzeugenden Teil 41 verbunden sind.
Jeder Zuleitungsteil 42 ist entsprechend mit jedem eines Paars Anschlussteile 43 für eine Heizeinrichtung verbunden, die jeweils auf der Elementoberfläche freigelegt sind. Der Zuleitungsteil 42 umfasst einen langgestreckten Verdrahtungsteilbereich 421 als Innenschichtleiter und einen Kontaktlochleiter 422, der den langgestreckten Verdrahtungsteilbereich 421 und den Anschlussteil 43 verbindet.
Das Paar Anschlussteile 43 für eine Heizeinrichtung ist auf der Hauptoberfläche ausgebildet, die der Seite entgegengesetzt ist, auf der der Anschlussteil 33 des Detektionsleiters 3 angeordnet ist. Die Anschlussteile 43 für eine Heizeinrichtung sind auf dem Basisendteilbereich des isolierenden Substrats 2 ausgebildet, und der wärmeerzeugende Teil 41 ist um den Teilbereich am Spitzenende des isolierenden Substrats 2 angeordnet.
Durch Erregen der Heizsektion 4 erzeugt der wärmeerzeugende Teil 41 Wärme, um dadurch das PM-Sensorelement 1 zu heizen. Das PM-Sensorelement 1 kann beispielsweise in einem Abgassystem für einen Verbrennungsmotor platziert werden, um die Menge an PM im Abgas zu detektieren. Wenn PM detektiert werden, wird wie oben beschrieben die Heizsektion 4 erregt bzw. bestromt und wird das PM-Sensorelement 1 auf beispielsweise die Temperatur von annähernd 600 - 800°C erwärmt.
In solch einem Zustand wird dann eine bestimmte Spannung zwischen der Vielzahl Detektionsleiter 3 mit gegenseitig unterschiedlicher Polarität angelegt. Mit anderen Worten wird die bestimmte Spannung zwischen einem Paar Anschlussteile 33 angelegt. Folglich kann die PM-Menge auf der Basis der Widerstandsvariationen zwischen der Vielzahl Detektionselektrodenteile 31, die zur Detektionsfläche 21 hin freigelegt sind, detektiert werden.
Als Nächstes wird ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens des PM-Sensorelements 1 der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Das PM-Sensorelement 1 kann hergestellt werden, indem eine Reihe von Prozessen durchgeführt wird, welche ein Grünfolien-Formprozess, ein Durchgangsloch-Ausbildungsprozess, ein Strukturdruckprozess, Entfettungs- und Sinterprozesse, ein Prozess zur maschinellen Bearbeitung der äußeren Form und ein Pad-Ausbildungsprozess sind, welche im Folgenden erläutert werden.
(Grünfolien-Formprozess)
Das isolierende Substrat 2 kann unter Verwendung einer keramischen Grünfolie (worauf hier im Folgenden gegebenenfalls als „eine Grünfolie“ verwiesen wird) vorbereitet werden, die erhalten wird, indem eine aus einem Keramikmaterial, einem Bindemittelharz etc. bestehende Rohmaterialzusammensetzung geformt wird.
Oxidkeramiken, Nitridkeramiken, Carbidkeramiken etc. werden beispielhaft als das Keramikmaterial angeführt. Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Bornitrid, Titannitrid etc. werden beispielhaft als die Nitridkeramik angeführt. Siliziumcarbid, Zirkoniumcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid, Wolframcarbid etc. werden beispielhaft als Carbidkeramik angeführt. Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Cordierit, Mullit etc. werden beispielhaft als die Oxidkeramik angeführt. Unter diesen Beispielen wird vorzugsweise die Aluminiumoxid enthaltende Keramik verwendet.
Als das Bindemittelharz kann ein Acrylharz, ein Epoxidharz oder dergleichen verwendet werden.
Außerdem kann ein Lösungsmittel verwendet werden, um die Viskosität einzustellen, und als das Lösungsmittel kann Aceton, Ethanol etc. verwendet werden.
Ferner kann ein Sinterhilfsmittel hinzugefügt werden. Als das Sinterhilfsmittel kann ein anorganisches Oxid wie etwa SiO₂, MgO, CaO etc. verwendet werden.
Zunächst werden ein keramisches Material, eine Bindemittelharz etc. als die Rohmaterialzusammensetzung für die Grünfolie gemischt, um ein Grünfolien-Formmaterial zu erhalten. Als ein Beispiel der Rohmaterialzusammensetzung der Grünfolie kann eine Paste verwendet werden, die 70 - 90 Gewichts-% Al₂O₃-Teilchen, das Bindemittelharz und ein Lösungsmittel enthält. Eine Grünfolie kann erhalten werden, indem das Grünfolien-Formmaterial mittels Siebdruck, eines Kammerrakelverfahrens (engl.: doctor blade method) etc. in eine bestimmte Form geformt und das Material getrocknet wird.
Eine Vielzahl der Grünfolien mit annähernd der gleichen Form wird vorbereitet.
(Durchgangsloch-Ausbildungsprozess)
Wie in 7 dargestellt ist, werden unter Grünfolien 22a bis 22e, die durch den oben erwähnten Grünfolien-Formprozess erhalten werden, die Grünfolien 22a, 22b, 22d und 22e mit Durchgangslöchern 110 und 120 versehen, die in der Dickenrichtung durch die Folie hindurchgehen. Die Durchgangslöcher 110 und 120 bilden interlaminare Kontaktlöcher 11 bzw. 12.
Die Durchgangslöcher 110 und 120 können durch Stanzen, Bohren oder Laserbestrahlung etc. gebildet werden. Hinsichtlich der Maßgenauigkeit des Innendurchmessers der Durchgangslöcher werden die Durchgangslöcher 110 und 120 vorzugsweise durch Stanzen gebildet.
(Strukturdruckprozess)
Eine Verdrahtungsstruktur, die den Detektionsleiter 3 oder die Heizsektion 4 bildet, wird auf den Grünfolien 22a bis 22e, auf denen die mittels des Durchgangsloch-Ausbildungsprozesses erhaltenen Durchgangslöcher 110 und 120 ausgebildet wurden, durch Drucken mit einer leitfähigen Paste gebildet.
Als die im Strukturdruckprozess zu verwendende leitfähige Paste wird vorzugsweise eine leitfähige Paste verwendet, die aus Metallteilchen, Keramikpulver, Bindemittelharz etc. besteht. Als die Beispiele des Bindemittelharzes werden Acrylharz, Epoxidharz etc. angeführt. Als die Beispiele des Lösungsmittels werden Aceton, Ethanol etc. angeführt. Die durchschnittliche Teilchengröße der in der leitfähigen Paste enthaltenen Metallteilchen beträgt vorzugsweise 0,1 - 10 µm. Die durchschnittliche Teilchengröße der Metallteilchen beträgt unter dem Gesichtspunkt einer Formbarkeit der Verdrahtungsstruktur vorzugsweise 0,1 µm oder mehr und beträgt unter dem Gesichtspunkt einer Formbarkeit der Verdrahtungsstruktur und einer Reduzierung der Variation im elektrischen Widerstand der Verdrahtungsstruktur vorzugsweise 10 µm oder weniger. Als das Keramikpulver wird ferner beispielsweise bevorzugt Aluminiumoxidpulver verwendet. Die durchschnittliche Teilchengröße des Aluminiumoxidpulvers kann auf beispielsweise annähernd 0,1 - 10 µm festgelegt werden, und der Gehalt an dem Aluminiumoxidpulver kann auf annähernd 1 bis 15 Gewichts-% festgelegt werden.
Die in diesem Strukturdruckprozess zu verwendende leitfähige Paste wird in eine leitfähige Paste für den Edelmetallleiter 3A, eine leitfähige Paste für den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung und eine leitfähige Paste für die Heizsektion 4 klassifiziert.
Als die in der leitfähigen Paste für den Edelmetallleiter 3A enthaltenen Metallteilchen kann vorwiegend ein aus Pt, Au, Pd, Rh und Ir ausgewähltes Edelmetall verwendet werden.
Als die in der leitfähigen Paste für den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung enthaltenen Metallteilchen kann vorwiegend ein aus W und MO ausgewähltes Metall verwendet werden.
Als die in der leitfähigen Paste für die Heizsektion 4 enthaltenen Metallteilchen kann ein aus W und MO ausgewähltes Metall verwendet werden.
Die leitfähige Paste für den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung des Detektionsleiters 3 und die leitfähige Paste für die Heizsektion 4 können die gleiche Zusammensetzung aufweisen.
In diesem Strukturdruckprozess wird eine Maske mit einem Siebgeflecht und mit Löchern verwendet, die in einer vorbestimmten Verdrahtungsstruktur ausgebildet sind. Eine Verdrahtungsstruktur wird unter Verwendung einer Rakel auf die Grünfolien 22a bis 22e mit der aufgesetzten Maske gedruckt (siehe 3). Die Dicke der gedruckten Schicht aus leitfähiger Paste beträgt vorzugsweise 10 - 100 µm. Die Dicke der gedruckten Schicht aus leitfähiger Paste beträgt unter dem Gesichtspunkt einer Detektierbarkeit vorzugsweise 10 µm oder mehr und beträgt unter dem Gesichtspunkt einer Ausbildung der Laminierung vorzugsweise 100 µm oder weniger.
Auf der Grünfolie 22a wird eine Struktur des Anschlussteils 33 des Detektionsleiters 3 gedruckt. Dieses Strukturdrucken wird mit der leitfähigen Paste für den Edelmetallleiter 3A durchgeführt.
Auf den Grünfolien 22b und 22c wird ein Strukturdrucken des Innenschichtleiters des Detektionsleiters 3 durchgeführt. Mit anderen Worten werden Strukturen des Detektionselektrodenteils 31 und des Verbindungsteils 32 des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 auf den Grünfolien 22b und 22c gedruckt.
Beim Strukturdrucken des Innenschichtleiters des Detektionsleiters 3 wird beispielsweise zuerst der Detektionselektrodenteil 31 mit der leitfähigen Paste für den Edelmetallleiter 3A gedruckt und wird dann der langgestreckte Verdrahtungsteilbereich 321 mit der leitfähigen Paste für den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung gedruckt. Alternativ dazu wird zuerst der langgestreckte Verdrahtungsteilbereich 321 mit der leitfähigen Paste für den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung gedruckt und wird danach der Detektionselektrodenteil 31 mit der leitfähigen Paste für den Edelmetallleiter 3A gedruckt.
Zu dieser Zeit wird der Druckvorgang durchgeführt, um den Überlappungsteil 35 auszubilden, bei dem der Detektionselektrodenteil 31 und der langgestreckte Verdrahtungsteilbereich 321 miteinander teilweise überlappt werden sollen (siehe 4 und 5).
Auf der Grünfolie 22d wird ein Strukturdrucken der Heizsektion 4 durchgeführt. Bei diesem Strukturdrucken kann die gleiche Leiterpaste wie die leitfähige Paste für den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung wie oben beschrieben verwendet werden.
Auf der Grünfolie 22e wird ein Strukturdrucken der Anschlussteile 43 für eine Heizeinrichtung durchgeführt. Bei diesem Strukturdrucken kann die gleiche Leiterpaste wie die leitfähige Paste für den Edelmetallleiter 3A verwendet werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Durchgangslöcher 110 und 120 in jeder Grünfolie 22a, 22b, 22c, 22d und 22e mit den Leitern gefüllt werden. Konkret wird der Leiter zum Bilden des Kontaktlochleiters 322 in die Durchgangslöcher 110 der Grünfolien 22a und 22b gefüllt und wird der Leiter zum Bilden des Kontaktlochleiters 422 in die Durchgangslöcher 120 der Grünfolien 22d und 22e gefüllt. Um diese Leiter zu bilden, kann die leitfähige Paste für den Edelmetallleiter 3A verwendet werden.
Die Leiter in den Durchgangslöchern 110 und 120 können gebildet werden, indem die leitfähige Paste zu der gleichen Zeit darin gefüllt wird, zu der die Verdrahtungsstruktur auf der Oberfläche jeder der Grünfolien 22a bis 22e gedruckt wird, oder können separat vom Druckvorgang der Verdrahtungsstruktur gebildet werden.
Auf diese Weise wird, wie in 3 dargestellt ist, die Leiterstruktur auf jede der Grünfolien 22a bis 22e gedruckt. Indem man die mit Strukturen bedruckten Grünfolien 22a bis 22e trocknet, wird die auf den Grünfolien 22a bis 22e ausgebildete leitfähige Paste getrocknet. Die Trocknungsbedingungen umfassen beispielsweise ein 1 - 60 Minuten langes Trocknen bei 40 - 130°C.
(Lam inierprozess)
Die Grünfolien 22a bis 22e (siehe 3), die jeweils eine im Strukturdruckprozess gebildete Struktur aufweisen, werden geeignet laminiert. Auf diese Weise kann ein laminierter Körper der Grünblätter 22a bis 22e mit der jeweils darauf ausgebildeten leitfähigen Paste erhalten werden.
(Entfettungs- und Sinterprozesse)
Der im Laminierprozess erhaltene laminierte Körper wird entfettet und gesintert.
Der Entfettungsprozess kann beispielsweise bei 80-800°C 1-30 Stunden lang in einer N₂-haltigen Atmosphäre oder einer befeuchteten H₂O/H₂-Atmosphäre durchgeführt werden. Der Sinterprozess wird vorzugsweise zum Beispiel bei 1000-1600°C 1-40 Stunden lang in einer inerten Atmosphäre durchgeführt.
Die Entgasungs- und Sinterprozesse werden vorzugsweise in einem unter Druck gesetzten Zustand in der Laminierrichtung durchgeführt, um eine Haftung der isolierenden Schichten 22 zu verbessern.
(Prozess zur maschinellen Bearbeitung der äußeren Form)
Um die äußere periphere Endfläche des aus den laminierten isolierenden Schichten 22 gebildeten isolierenden Substrats 2 zu formen und die Abmessung des isolierenden Substrats 2 einzustellen, wird ein Prozess zur maschinellen Bearbeitung der äußeren Form durchgeführt.
(Pad-Ausbi ldungsprozess)
Eine leitfähige Paste wie etwa Pt mit eingemischtem Borsilicatglas wird auf dem Anschlussteil 43 für eine Heizeinrichtung gedruckt, der aus dem isolierenden Substrat 2 freigelegt ist, um eine Verschlechterung des Anschlussteils 43 für eine Heizeinrichtung zu verhindern. Danach wird ein Sintern bei 800 bis 1000°C durchgeführt.
Als Nächstes werden Funktion und vorteilhafte Effekte der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
In dem partikelförmige Stoffe detektierenden Sensorelement 1 ist ein Teilbereich des Detektionsleiters 3, der den Detektionselektrodenteil 31 enthält, aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet. Mit anderen Worten ist der Teilbereich des Detektionsleiters 3, der dem zu vermessenden Gas ausgesetzt ist, aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet, um so die Oxidationsbeständigkeit des Detektionsleiters 3 als Ganzes zu verbessern.
Zumindest ein Teilbereich des Verbindungsteils 32 wird von dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung gebildet, der vorwiegend aus einem Metall mit geringem Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist, welcher lineare Ausdehnungskoeffizient kleiner als jener des Edelmetalls ist. Wenn der Verbindungsteil 32 dem Temperaturzyklus ausgesetzt wird, kann daher ein Einfluss einer aufgrund der Ausdehnung und Kompression erzeugten Beanspruchung reduziert werden. Mit anderen Worten nimmt der Verbindungsteil 32, der in einem verhältnismäßig breiten Bereich ausgebildet ist, tendenziell den Einfluss der Beanspruchung aufgrund der Ausdehnung bei Erwärmung durch die Heizsektion auf. Dementsprechend kann, indem zumindest ein Teilbereich des Verbindungsteils 32 des Detektionsleiters 3 aus dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung gebildet wird, welcher lineare Ausdehnungskoeffizient gering ist, die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen effektiv verbessert werden.
Der Edelmetallleiter 3A und der Leiter 3B mit geringer Ausdehnung sind an dem Überlappungsteil 35 verbunden, bei dem der Edelmetallleiter 3A und der Leiter 3B mit geringer Ausdehnung auf der isolierenden Schicht 22, welche das isolierende Substrat 2 bildet, in Richtung einer Normallinie der isolierenden Schicht 22 teilweise miteinander überlappt sind. Durch diese Verbindung kann die Zuverlässigkeit einer Verbindung am Verbindungsteilbereich zwischen dem Edelmetallleiter 3A und dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung verbessert werden. Mit anderen Worten kann durch Vorsehen des Überlappungsteils 35 der Verbindungsbereich zwischen dem Edelmetallleiter 3A und dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung sicher gewährleistet werden, was zu einer Entlastung einer Konzentration der Beanspruchung am Verbindungsteilbereich führen kann. Infolgedessen kann die Zuverlässigkeit einer Verbindung beim Verbindungsteilbereich zwischen dem Edelmetallleiter 3A und dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung verbessert werden.
Indem man die Struktur des Detektionsleiters 3 wie oben erläutert ausbildet, kann die Kompatibilität zwischen der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen und der Oxidationsbeständigkeit erreicht werden.
Der Anschlussteil 33 des Detektionsleiters 3 ist aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet. Dies kann die Oxidationsbeständigkeit des Anschlussteils 33 verbessern. Da der Anschlussteil 33 ein freigelegter Leiterteil 301 ist, kann, indem man diesen Teilbereich mithilfe des Edelmetallleiters 3A ausbildet, die Oxidationsbeständigkeit des Detektionsleiters 3 weiter verbessert werden.
Der Leiter 3B mit geringer Ausdehnung ist ferner innerhalb des isolierenden Substrats 2 ausgebildet. Dies kann die Kompatibilität zwischen der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen und der Oxidationsbeständigkeit effektiver erreichen. Dies gilt, da durch Anordnen des Leiters 3B mit geringer Ausdehnung innerhalb des isolierenden Substrats 2 der Leiter 3B mit geringer Ausdehnung den sauerstoffhaltigen Gasen weniger ausgesetzt ist, um dadurch die Oxidationsbeständigkeit des Detektionsleiters 3 einfach zu verbessern. Auf der anderen Seite kann jedoch die Innentemperatur des isolierenden Substrats 2 bei Erwärmung mittels der Heizsektion 4 leicht ansteigen. Indem man den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung innerhalb eines Teilbereichs des Detektionsleiters 3 im isolierenden Substrat 2 ausbildet, kann deshalb die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen effektiv verbessert werden.
Der Detektionselektrodenteil 31 ist ferner zwischen der Vielzahl isolierender Schichten 22 vorgesehen, und die Detektionsfläche 21 ist an einer Endfläche des isolierenden Substrats 2 in der orthogonalen Richtung einer Laminierrichtung der Vielzahl isolierender Schichten 22 ausgebildet, wodurch die Oxidationsbeständigkeit des Detektionsleiters 3 weiter verbessert wird. Mit anderen Worten ist der zwischen der Vielzahl isolierender Schichten 22 angeordnete Detektionselektrodenteil 31 in der Laminierrichtung sandwichartig umgeben und wird sicher gehalten. Beim Sintern der isolierenden Schichten 22 wird daher der Detektionselektrodenteil 31 in der Laminierrichtung zusammengedrückt. Infolgedessen können die feinen Poren zwischen den Partikeln des Detektionselektrodenteils 31 zusammengedrückt werden, sodass sie noch feiner werden, um dadurch ein Eindringen von Gas darin effektiv zu verhindern. Dies kann den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung im isolierenden Substrat 2 schützen. Dementsprechend kann die Oxidationsbeständigkeit des Detektionsleiters 3 weiter verbessert werden.
Der Kontaktlochleiter 322 ist ferner aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet, und daher kann die Zuverlässigkeit einer Verbindung zwischen dem Außenschichtleiter und dem Kontaktlochleichter 322 verbessert werden. Mit anderen Worten kann, obgleich der Kontaktlochleiter 322 vom Außenschichtleiter (in dieser Ausführungsform dem Anschlussteil 33) bedeckt ist, um den nicht freigelegten Leiterteil 302 auszubilden, Gas aus den feinen Poren des Außenschichtleiters eindringen und kann weiter eindringen, sodass es die Grenzfläche zwischen dem Außenschichtleiter und dem Kontaktlochleiter 322 erreicht. Um dies zu verhindern, ist der Kontaktlochleiter 322 aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet, um die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern und letztendlich die Zuverlässigkeit einer Verbindung zu verbessern. Ferner kann noch, indem man den Anschlussteil 33 und den Kontaktlochleiter 322 mittels der gleichen Art eines Edelmetallleiters 3A ausbildet, die Zuverlässigkeit einer Verbindung dazwischen weiter verbessert werden.
Der Überlappungsteil 35 ist ferner mit einer aus dem Edelmetall und dem Metall mit geringem Ausdehnungskoeffizienten gebildeten Mischkristallschicht 351 versehen. Diese Konfiguration kann die Konzentration einer Beanspruchung auf der Verbindungsgrenzfläche zwischen dem Edelmetallleiter 3A und dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung weiter reduzieren, um die Zuverlässigkeit einer Verbindung dazwischen zu verbessern.
Im Hinblick auf die Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit ist es vorzuziehen, das Edelmetall für den Edelmetallleiter 3A insbesondere aus zumindest einem von Pt, Rh und Ir auszuwählen. Im Hinblick auf weitere Verbesserungen der Oxidationsbeständigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen ist es ferner vorzuziehen, den vorwiegend aus Pt gebildeten Edelmetallleiter 3A und den vorwiegend aus W gebildeten Leiter 3B mit geringer Ausdehnung zu verwenden.
Wie oben festgestellt wurde, kann gemäß der Ausführungsform ein partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement, das sowohl die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen als auch die Oxidationsbeständigkeit verbessern kann, bereitgestellt werden.
(Ausführungsform 2)
Diese Ausführungsform zeigt das PM-Sensorelement 1, wobei ein Teilbereich des Innenschichtleiters, der mit einem interlaminaren Kontaktloch 11 direkt verbunden ist, das mit dem Außenschichtleiter verbunden ist, aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet ist, wie in 8 dargestellt ist.
Mit anderen Worten ist ein Teilbereich der Basisendseite des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321, der dem Innenschichtleiter entspricht, aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet. Dieser Teilbereich des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321, der aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet ist, ist mit dem Kontaktlochleiter 322 verbunden. Der Kontaktlochleiter 322 ist wie auch bei der Ausführungsform 1 aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet. Es wird bevorzugt, dass der Kontaktlochleiter 322 und der Teilbereich des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs, der aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet ist, aus dem gleichen Edelmetall gebildet sind.
Die Verbindung zwischen dem Edelmetallleiter 3A und dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung in dem langgestreckten Verdrahtungsteilbereich 321 ist am Überlappungsteil 35 geschaffen. Mit anderen Worten ist der Überlappungsteilbereich 35 aus dem Edelmetallleiter 3A am Basisendteilbereich des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 und dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung an der Seite des Spitzenendes, die in der Laminierrichtung einander überlappen, ausgebildet.
Dieser Überlappungsteil 35 kann genauso wie der Überlappungsteil 35 zwischen dem Teilbereich am Spitzenende des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 und dem Detektionselektrodenteil 31 gemäß der Ausführungsform 1 ausgebildet werden. Die Länge L des Überlappungsteils 35 des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 beträgt das Doppelte der Dicke des Edelmetallleiters 3A oder mehr. Es wird bevorzugt, die Länge L des Überlappungsteils 35 gleich dem Innendurchmesser des interlaminaren Kontaktlochs 11 oder größer einzurichten. Es wird darauf hingewiesen, dass das interlaminare Kontaktloch 11 und der Überlappungsteil 35 in der Laminierrichtung nicht miteinander überlappt sind.
Die übrigen Strukturen sind die gleichen wie jene der Ausführungsform 1. Es wird hier darauf hingewiesen, dass die Ziffern oder Symbole, die für die strukturellen Teile oder Elemente in der vorherigen Ausführungsform schon verwendet wurden, bei der Erläuterung der Ausführungsform 2 und danach, sofern nicht anders angegeben, für die gleichen strukturellen Teile oder Elemente verwendet werden.
Gemäß der Ausführungsform kann die Zuverlässigkeit einer Verbindung zwischen dem Kontaktlochleiter 322 und dem Innenschichtleiter (d. h. dem langgestreckten Verdrahtungsteilbereich 321) verbessert werden. Der Bereich einer Verbindung zwischen dem aus dem Edelmetallleiter 3A gebildeten Kontaktlochleiter 322 und dem Innenschichtleiter (langgestreckten Verdrahtungsteilbereich 321) wird gleich dem Öffnungsbereich des interlaminaren Kontaktlochs 11 oder geringer, und daher ist die Größe des Verbindungsbereichs je nach Größe des interlaminaren Kontaktlochs 11 variabel und kann die Größe des Verbindungsbereichs eine obere Grenze aufweisen. Falls die Verbindung zwischen dem Kontaktlochleiter 322 und dem langgestreckten Verdrahtungsteilbereich 321 mittels der Verbindung zwischen dem Edelmetallleiter 3A und dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung hergestellt ist, kann dies für die Zuverlässigkeit einer Verbindung dementsprechend nachteilig sein. Solch ein Problem kann dementsprechend gelöst werden, indem der Edelmetallleiter 3A mit dem gleichen Edelmetallleiter 3A verbunden wird, um die Zuverlässigkeit einer Verbindung des Detektionsleiters 3 zu verbessern.
Die übrigen Strukturen sind die gleichen wie jene der Ausführungsform 1.
(Ausführungsform 3)
Wie in 9 dargestellt ist, zeigt diese Ausführungsform das PM-Sensorelement 1, das mit einer in die Laminierrichtung gewandten Detektionsfläche 21 auf der Hauptoberfläche des isolierenden Substrats 2 versehen ist. 9 ist eine erläuternde auseinandergezogene Ansicht des PM-Sensorelements 1, das an der Grenzfläche der isolierenden Schichten 22 auseinandergezogen ist. Die in 9 dargestellten Symbole 22a, 22b, 22d und 22e entsprechen annähernd den Symbolen 22a, 22b, 22d und 22e, welche die im Herstellungsprozess der Ausführungsform 1 erläuterten Grünfolien bezeichnen. Die Strukturen des auf den Grünfolien 22a und 22b ausgebildeten Detektionsleiters 3 sind jedoch von den Strukturen in der Ausführungsform 1 verschieden.
Der Detektionselektrodenteil 31 des Detektionsleiters 3 ist auf der Hauptoberfläche des isolierenden Substrats 2 vorgesehen. Zwei Detektionselektrodenteile 31 mit unterschiedlicher Polarität sind mit einem vorbestimmten Abstand voneinander auf der gleichen Hauptoberfläche des isolierenden Substrats 2 angeordnet.
Jeder Detektionsleiter 3 ist annähernd in Form von Kammzähnen angeordnet, d. h. jeder Detektionselektrodenteil 31 weist einen entlang dem isolierenden Substrat 2 in einer longitudinalen Richtung vorgesehenen Basisteilbereich 311 und eine Vielzahl abgezweigter Teilbereiche 312 auf, die vom Basisteilbereich 311 abzweigen und nach innen vorstehen. Die Vielzahl abgezweigter Teilbereiche 312 des Detektionselektrodenteils 31 ist abwechselnd mit der Vielzahl abgezweigter Teilbereiche 312 der anderen Detektionselektrode 31 mit einem vorbestimmten Abstand voneinander in einer longitudinalen Richtung des isolierenden Substrats 2 angeordnet.
Ähnlich der Ausführungsform 1 ist der Anschlussteil 33 jedes Detektionsleiters 3 am Basisendteilbereich der Hauptoberfläche des isolierenden Substrats 2 ausgebildet. Der Detektionselektrodenteil 31 und der Anschlussteil 33 sind auf der gleichen Hauptoberfläche des isolierenden Substrats 2 vorgesehen. Der Verbindungsteilbereich 32, der den Detektionselektrodenteil 31 und den Anschlussteil 33 verbindet, ist größtenteils im isolierenden Substrat 2 eingebettet. Beide langgestreckten Verdrahtungsteilbereiche 321 des Paars Verbindungsteile 32 sind zwischen der isolierenden Schicht 22, auf der die Detektionselektrodenteile 31 und die Anschlussteile 33 ausgebildet sind, und der isolierenden Schicht 22, die auf deren Innenfläche laminiert ist, wie in 9 dargestellt ausgebildet.
Jedes Spitzenende des Paars langgestreckter Verdrahtungsteilbereiche 321 ist jeweils über den Kontaktlochleiter 322 mit dem Paar Detektionselektrodenteile 31 verbunden, wohingegen jeder Basisendteilbereich des Paars langgestreckter Verdrahtungsteilbereiche 321 jeweils über den Kontaktlochleiter 322 mit dem Paar Anschlussteile 33 verbunden ist.
In einem so strukturierten PM-Sensorelement 1 bilden der gesamte Detektionselektrodenteil 31 und der gesamte Anschlussteil 33 den freigelegten Leiterteil 301. Der Verbindungsteil 32 bildet den nicht freigelegten Leiterteil 302. Der Detektionselektrodenteil 31 und der Anschlussteil 33 sind aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet. Der Kontaktlochleiter 322 ist aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet. Der langgestreckte Verdrahtungsteilbereich 321 des Verbindungsteils 32 ist mit Ausnahme beider Endteilbereiche aus dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung gebildet.
Mit anderen Worten sind beide Endteilbereiche des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet, und als Verbindungsteilbereich zwischen dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung im langgestreckten Verdrahtungsteilbereich 321 und dem Edelmetallleiter 3A ist der Verbindungsteil 35 ausgebildet.
Die übrigen Strukturen sind die gleichen wie jene der Ausführungsform 1.
Gemäß dieser Ausführungsform können die Verbesserungen in sowohl der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen als auch der Oxidationsbeständigkeit genauso wie mit der Ausführungsform 1 erzielt werden.
(Ausführungsform 4)
Diese Ausführungsform zeigt das PM-Sensorelement 1, in dem der Anschlussteil 33 aus dem porösen Edelmetallleiter 3A gebildet ist und der Kontaktlochleiter 322 aus dem Edelmetallleiter 3A mit geschlossenen Poren gebildet ist.
Mit anderen Worten ist der Anschlussteil 33 aus dem porösen Edelmetallleiter 3A gebildet, und zumindest ein Teilbereich des Detektionsleiters 3 zwischen dem Verbindungsteil 32, der aus dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung gebildet ist, und dem Anschlussteil 33 ist aus dem Edelmetallleiter 3A mit geschlossenen Poren gebildet.
Beim Anschlussteil 33 ist der Edelmetallleiter 3A mit einer Anzahl Poren vorgesehen, und einige der Poren sind zur äußeren Oberfläche hin offen.
Auf der anderen Seite ist am Kontaktlochleiter 322 der Edelmetallleiter 3A mit geschlossenen Poren, d. h. isolierten Poren, die mit der Außenumgebung nicht verbunden sind, vorgesehen, und der Kontaktlochleiter 322 ist ohne einen zwischen beiden offenen Enden der interlaminaren Kontaktlöcher 11 angeordneten Luftdurchgang vorgesehen.
Der Anschlussteil 43 für eine Heizeinrichtung ist ähnlich dem Anschlussteil 33 aus dem porösen Edelmetallleiter gebildet, und der Kontaktlochleiter 422 ist ähnlich dem Kontaktlochleiter 322 aus dem Edelmetallleiter mit geschlossenen Poren ausgebildet.
Der Detektionselektrodenteil 31 ist ähnlich dem Kontaktlochleiter 322 aus dem Edelmetallleiter 3A mit geschlossenen Poren ausgebildet.
Die übrigen Strukturen sind die gleichen wie jene der Ausführungsform 1.
Bei der Herstellung des PM-Sensorelements 1 dieser Ausführungsform ist im Unterschied zur Ausführungsform 1 die leitfähige Paste zum Herstellen des Anschlussteils 33 und des Anschlussteils 43 für eine Heizeinrichtung von der leitfähigen Paste zum Herstellen des Detektionselektrodenteils 31 etc. verschieden. Mit anderen Worten kann als die leitfähige Paste zum Herstellen des Anschlussteils 33 und des Anschlussteils 43 für eine Heizeinrichtung eine leitfähige Paste verwendet werden, in die zusätzlich zum Metallpulver und Keramikpulver eine Glasfritte oder dergleichen gemischt ist.
Der Anschlussteil 33 und der Anschlussteil 43 für eine Heizeinrichtung werden nach dem [Entfettungs-/Sinterprozess] gebildet. Mit anderen Worten wird in dem [Strukturdruckprozess] gemäß der Ausführungsform 1 für den Anschlussteil 33 und den Anschlussteil 43 für eine Heizeinrichtung die leitfähige Paste auf die Grünfolien vor Durchführen eines Sinterprozesses gedruckt, wie es bei dem anderen Detektionsleiter 3 (wie etwa dem Detektionselektrodenteil 31 etc.) der Fall ist. In dieser Ausführungsform wird jedoch der Druckprozess für den Anschlussteil 33 und den Anschlussteil 43 für eine Heizeinrichtung nach Durchführen des Sinterns des laminierten Körpers durchgeführt.
Ferner wurden Strukturen für den Anschlussteil 33 und den Anschlussteil 43 für eine Heizeinrichtung auf den gesinterten laminierten Körper gedruckt, worin die Leiter der anderen Teile ausgebildet wurden. Durch Sintern des laminierten Körpers, auf den die Strukturen für den Anschlussteil 33 und den Anschlussteil 43 für eine Heizeinrichtung gedruckt wurden, können der poröse Anschlussteil 33 und der Anschlussteil 43 für eine Heizeinrichtung gebildet werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die relative Dichte des Anschlussteils 33 und des Anschlussteils 43 für eine Heizeinrichtung nach einem Sintern vorzugsweise 50-95% beträgt. Falls die relative Dichte geringer als 50% ist, wird die Festigkeit des Anschlussteils 33 und des Anschlussteils 43 für eine Heizeinrichtung (worauf hier im Folgenden als Anschlussteil 33 und so weiter verwiesen werden kann) unzureichend, und der elektrische Widerstand kann in unerwünschter Weise groß werden. Falls auf der anderen Seite die relative Dichte mehr als 95% beträgt, kann der Effekt der Reduzierung der Beanspruchung, der hierin im Folgenden erläutert wird, nicht ausreichend erzielt werden.
In dieser Ausführungsform ist der Anschlussteil 33 und so weiter aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet, und daher kann die Beanspruchung zwischen dem Anschlussteil 33 und so weiter und dem isolierenden Substrat 2 reduziert werden, und infolgedessen kann die Haftung des Anschlussteils 33 und so weiter am isolierenden Substrat 2 verbessert werden.
Dadurch, dass man den Anschlussteil 33 und so weiter mit einer Porosität herstellt, können von außen Gase (Luft etc.) durch den Anschlussteil 33 gelangen und in unerwünschter Weise in den Verbindungsteil 32 eindringen. Wenn die Gase weiter eindringen, sodass sie den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung des Verbindungsteils erreichen, ist dessen Oxidation zu befürchten. Gemäß der Ausführungsform kann jedoch, da die Kontaktlochverbinder 322, 422 aus dem Edelmetallleiter 3A mit geschlossenen Poren gebildet sind, verhindert werden, dass die Gase in den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung eindringen. Indem man die Kontaktlochleiter 322, 422 mittels des Edelmetallleiters 3A mit geschlossenen Poren ausbildet, kann ferner die Beanspruchung an den Kontaktlochleitern 322, 422 in den interlaminaren Kontaktlöchern 11, 12 entspannt werden, um dadurch die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen weiter zu verbessern.
Die übrigen Funktionen und vorteilhaften Effekte dieser Ausführungsform sind die gleichen wie jene der Ausführungsform 1.
(Ausführungsform 5)
In dieser Ausführungsform ist, wie in der Ausführungsform 2 (8) dargestellt ist, ein Teilbereich der Basisendseite des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 als der Verbindungsteil 32 aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet, wobei der Anschlussteil 33 so ausgebildet ist, dass er eine Porosität aufweist.
Gemäß dieser Ausführungsform weisen/weist der den Kontaktlochleiter 322 bildende Edelmetallleiter 3A und/oder der den Basisendteilbereich des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 bildende Edelmetallleiter 3A geschlossene Poren auf. Beide Edelmetallleiter 3A, die den Kontaktlochleiter 322 und den Basisendteilbereich des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 bilden, können mit den geschlossenen Poren vorgesehen werden.
Die übrigen Strukturen sind die gleichen wie jene der Ausführungsform 2. Der poröse Edelmetallleiter 3A und der Edelmetallleiter 3A mit geschlossenen Poren sind die gleichen Strukturen wie jene der Ausführungsform 4 und können mit dem gleichen Verfahren wie jenem der Ausführungsform 4 gebildet werden.
In dieser Ausführungsform weisen/weist der den Kontaktlochleiter 322 bildende Edelmetallleiter 3A und/oder der den Basisendteilbereich des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 bildende Edelmetallleiter 3A geschlossene Poren auf. Wenngleich die Gase durch den Anschlussteil 33 hindurchgehen können, kann dementsprechend verhindert werden, dass derartige Gase den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung des Verbindungsteils 32 erreichen.
Die übrigen Funktionen und vorteilhaften Effekte dieser Ausführungsform sind die gleichen wie jene der Ausführungsformen 2 und 4.
(Experimentelles Beispiel)
Der Temperaturzyklus-Test wurde an dem PM-Sensorelement 1 gemäß der Ausführungsform 1 durchgeführt, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen auszuwerten.
Mit anderen Worten wurde der Temperaturzyklus-Test für Proben 1, 2 und 3 durchgeführt, die später erläutert werden. Das Testverfahren und das Auswertungsverfahren werden später erläutert.
Probe 1 ist das PM-Sensorelement 1 gemäß der Ausführungsform 1, und das konkrete Herstellungsverfahren wird mit den zu verwendenden Materialien und Abmessungen der Proben mit Verweis auf die Punkte „Probe 1“ unten erläutert.
Probe 2 ist das PM-Sensorelement, in welchem der gesamte Detektionsleiter mit dem gleichen, vorwiegend Pt enthaltenden Material ausgebildet ist. Die übrigen Bedingungen sind die gleichen wie bei Probe 1.
Probe 3 ist das PM-Sensorelement, in welchem der gesamte Detektionsleiter mit dem gleichen, vorwiegend W enthaltenden Material ausgebildet ist. Die übrigen Bedingungen sind die gleichen wie bei Probe 1.
(Probe 1)
(Grünfolien-Formprozess)
Bei der Vorbereitung für die Grünfolien 22a bis 22e, welche zu dem isolierenden Substrat 2 geformt werden, wurde ein Formmaterial vorbereitet, indem 88 Gewichts-% Al₂O₃-Teilchen, 10 Gewichts-% Bindemittel (Acrylharz), 2% Lösungsmittel (Toluol) abgewogen und gemischt wurden.
Unter Anwendung des Kammerrakelverfahrens wird das vorbereitete Formmaterial so ausgebildet, dass es eine Größe mit einer Länge von 4 mm mal eine Breite von 50 mm mal eine Dicke von 0,02 mm aufweist, und bei 80°C sechzig (60) Minuten lang getrocknet, um eine Grünfolie zu bilden. Die Anzahl vorbereiteter Grünfolien 22a bis 22e betrug insgesamt fünf (5) Folien. Jede Grünfolie 22a, 22b, 22d und 22e wurde gestanzt, um (interlaminaren Kontaktlöchern 11, 12 entsprechende) Durchgangslöcher 110, 120 mit einem Durchmesser φ von 6 mm auszubilden.
(Leitfähige Paste vorbereitender Prozess)
Leitfähige Pasten A, B und D, die Pt-Partikel enthalten, wurden vorbereitet, und eine leitfähige Paste C, die W-Partikel enthält, wurde vorbereitet. Details jeder Paste werden im Folgenden erläutert.
<Leitfähige Paste A>
Pt-Partikel (durchschnittlicher Partikeldurchmesser: 0,3 µm): 85 Gewichts-%;
Aluminiumoxidpulver (durchschnittlicher Partikeldurchmesser: 0,3 µm): 15 Gewichts-%;
30 Gewichtsteile Acrylharz als Bindemittel und 10 Gewichtsteile Terpineol als Lösungsmittel pro 100 Gewichtsteile eines Mischpulvers aus Pt-Partikeln und Aluminiumoxidpulver wurden gemischt.
<Leitfähige Paste B>
Pt-Partikel (durchschnittlicher Partikeldurchmesser: 0,3 µm): 95 Gewichts-%;
Aluminiumoxidpulver (durchschnittlicher Partikeldurchmesser: 0,3 µm): 5 Gewichts-%;
30 Gewichtsteile Acrylharz als Bindemittel und 10 Gewichtsteile Terpineol als Lösungsmittel pro 100 Gewichtsteile eines Mischpulvers aus Pt-Partikeln und Aluminiumoxidpulver wurden gemischt.
<Leitfähige Paste C>
Mo-Partikel (durchschnittlicher Partikeldurchmesser: 1 µm): 95 Gewichts-%;
Aluminiumoxidpulver (durchschnittlicher Partikeldurchmesser: 0,3 µm): 5 Gewichts-%;
25 Gewichtsteile Acrylharz als Bindemittel und 10 Gewichtsteile Terpineol als Lösungsmittel pro 100 Gewichtsteile eines Mischpulvers aus Mo-Partikeln und Aluminiumoxidpulver wurden gemischt.
<Leitfähige Paste D>
Pt-Partikel (durchschnittlicher Partikeldurchmesser: 0,5 µm): 90 Gewichts-%;
Glasfritte (Borsilicat-Säureglas, durchschnittlicher Partikeldurchmesser: 1 µm): 10 Gewichts-%;

30 Gewichtsteile Acrylharz als Bindemittel und 10 Gewichtsteile Terpineol als Lösungsmittel pro 100 Gewichtsteile eines Mischpulvers aus Pt-Partikeln und einer Glasfritte wurden gemischt.

(Strukturdruckprozess)
<Drucken auf der Grünfolie 22a>
Das Durchgangsloch 110 der Grünfolie 22a wurde durch Drucken mit der leitfähigen Paste A gefüllt, und ein Teil des Kontaktlochleiters 322 wurde gebildet.
<Drucken auf der Grünfolie 22b>
Das Durchgangsloch 110 der Grünfolie 22b wurde durch Drucken mit der leitfähigen Paste A gefüllt, und ein Teil des Kontaktlochleiters 322 wurde gebildet. Der langgestreckte Verdrahtungsteilbereich 321 wurde mittels der leitfähigen Paste C auf der Hauptoberfläche der Grünfolie 22b gedruckt, wobei eine Maske mit einem Siebgeflecht verwendet wurde, worauf die Struktur des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 des Detektionsleiters 3 für die positive Elektrode gezeichnet war. Danach wurde der Detektionselektrodenteil 31 für die positive Elektrode mittels der leitfähigen Paste B auf der Hauptoberfläche der Grünfolie 22b gedruckt, wobei eine Maske mit einem Siebgeflecht verwendet wurde, worauf die Struktur des Detektionselektrodenteils 31 für die positive Elektrode gezeichnet war.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Größe des Detektionselektrodenteils 31 für die positive Elektrode eine Länge von 3 mm mal eine Breite von 0,6 mm mal eine Dicke von 0,03 mm aufwies und die Größe des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 eine Leiterbahn- bzw. Drahtbreite von 0,4 mm und Dicke von 0,03 mm aufwies.
<Drucken auf der Grünfolie 22c>
Der langgestreckte Verdrahtungsteilbereich 321 wurde mittels der leitfähigen Paste C auf der Hauptoberfläche der Grünfolie 22c unter Verwendung einer Maske mit einem Siebgeflecht gedruckt, worauf die Struktur des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 des Detektionsleiters 3 für die negative Elektrode gezeichnet war. Danach wurde der Detektionselektrodenteil 31 für die negative Elektrode mittels der leitfähigen Paste B auf der Hauptoberfläche der Grünfolie 22c unter Verwendung einer Maske mit einem Siebgeflecht gedruckt, worauf die Struktur des Detektionselektrodenteils 31 für die negative Elektrode gezeichnet war.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Größe des Detektionselektrodenteils 31 für die negative Elektrode eine Länge von 3 mm mal eine Breite von 0,6 mm mal eine Dicke von 0,03 mm aufwies und die Größe des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 eine Drahtbreite von 0,4 mm und eine Dicke von 0,03 mm aufwies.
<Drucken auf der Grünfolie 22d>
Das Durchgangsloch 120 der Grünfolie 22d wurde durch Drucken mit der leitfähigen Paste A gefüllt, und ein Teil des Kontaktlochleiters 422 wurde gebildet. Danach wurde die Heizsektion 4 mittels der leitfähigen Paste C auf der Hauptoberfläche der Grünfolie 22d unter Verwendung einer Maske mit einem Siebgeflecht gedruckt, worauf die Struktur der Heizsektion 4 gezeichnet war.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Größe der Heizsektion 4 eine Breite von 0,4 mm und eine Dicke von 0,03 mm aufwies.
<Drucken auf der Grünfolie 22e>
Das Durchgangsloch 120 der Grünfolie 22e wurde durch Drucken mit der leitfähigen Paste A gefüllt, und ein Teil des Kontaktlochverbinders 422 wurde ausgebildet.
Die auf jede der Grünfolien 22a bis 22e gedruckten Schichten leitfähiger Pasten wurden bei einer Temperatur von 70°C sechzig (60) Minuten lang getrocknet.
(Lam inierprozess)
Die Grünfolien 22a, 22b, 22c, 22d und 22e wurden in dieser Reihenfolge laminiert, um einen laminierten Körper zu bilden. Es wird darauf hingewiesen, dass nur die Grünfolie 22e umgekehrt laminiert wurde, wobei die Oberfläche, auf der die leitfähige Paste aufgedruckt wurde, den bedruckten Oberflächen der anderen Grünfolien 22a, 22b, 22c und 22d gegenüberliegend geschichtet wurde.
(Entgasungs- und Sinterprozess)
Der laminierte Körper wurde unter den Bedingungen einer mit H₂O/H₂ befeuchteten Umgebung bei der Temperatur von 600°C vier (4) Stunden lang entgast und dann unter den Bedingungen einer inaktiven Umgebung bei der Temperatur von 1400°C fünf (5) Stunden lang gesintert.
Somit wurde der gesinterte Körper des laminierten Körpers erhalten.
(Anschlussteil bildender Prozess)
Durch Schleifen beider Hauptoberflächen des gesinterten Körpers wurden die Kontaktlochleiter 322 und 422 freigelegt, und danach wurde die leitfähige Paste D auf die Oberfläche des gesinterten Körpers gedruckt, wo der freigelegte Kontaktlochleiter 422 freigelegt war, und eine Stunde lang bei der Temperatur von 900°C erhitzt, um den Anschlussteil 43 auszubilden. Ähnlich wurde die leitfähige Paste D auf die Oberfläche des gesinterten Körpers gedruckt, wo der freigelegte Kontaktlochleiter 322 freigelegt war, und eine Stunde lang bei der Temperatur von 900°C erhitzt, um den Anschlussteil 43 für eine Heizeinrichtung auszubilden. Beim Drucken der leitfähigen Paste D wurde eine Maske mit einem Siebgeflecht verwendet, worauf die Struktur des Anschlussteils 43 für eine Heizeinrichtung oder des Anschlussteils 33 gezeichnet war.
Die beiden Anschlussteile 43 für eine Heizeinrichtung, die eine Größe mit einer Länge von 2 mm mal eine Breite von 2 mm mal eine Dicke von 0,03 mm aufwiesen, wurden für die positive Elektrode und die negative Elektrode gebildet. Zwei Anschlussteile 33, die eine Größe mit einer Länge von 2 mm mal eine Breite von 2 mm mal eine Dicke von 0,03 mm aufwiesen, wurden für die positive Elektrode und die negative Elektrode gebildet.
Somit wurde das PM-Sensorelement für eine Probe 1 erhalten.
(Auswertungsverfahren)
Test bei Anlegung einer elektrischen Spannung
Nach Anlegen einer elektrischen Spannung für eine vorbestimmte Zeitspanne an die so erhaltenen Proben 1 bis 3 wurde der Test bei Anlegung einer elektrischen Spannung durch elektrische Bestromung ausgeführt und wurden die Proben ausgewertet. Die anfängliche Auswertung mittels des Tests bei Anlegung einer elektrischen Spannung vor einem Durchführen des Temperaturzyklus-Tests und die Temperaturzyklus-Auswertung mittels des Tests bei Anlegung elektrischer Spannung nach Durchführen des Temperaturzyklus-Tests wurden am PM-Sensorelement durchgeführt. Durch Vergleichen des Ergebnisses der Temperaturzyklus-Auswertung mit der anfänglichen Auswertung an jedem PM-Sensorelement wurden drei Punkte, d. h. die Betriebsbedingungen des PM-Sensors, Variationswerte des im PM-Sensor fließenden elektrischen Stroms und das äußere Erscheinungsbild (Sichtprüfung), bestätigt.
Anfängliche Auswertung
Nach Bestätigung der Erwärmung des PM-Sensorelements auf die Temperatur von 800°C wurde unter Beibehaltung der Temperatur eine vorbestimmte elektrische Spannung 100 Stunden lang angelegt. Nach Abschluss der Spannungsbeaufschlagung wurde das PM-Sensorelement betrieben, um die Betriebsbedingungen, elektrische Stromwerte und das äußere Erscheinungsbild zu bestätigen.
Temperaturzyklus-Auswertung
Das PM-Sensorelement, für das die anfängliche Auswertung abgeschlossen wurde, wurde von der Raumtemperatur auf 800°C erwärmt, und die Erwärmung wurde drei Minuten nach dem Zeitpunkt, an dem 800°C erreicht wurden, gestoppt. Der Temperaturzyklus von der Raumtemperatur auf 800°C und von 800°C, bis die Temperatur durch Stoppen einer Erwärmung nach drei Minuten nach dem Zeitpunkt, an dem die Temperatur 800°C erreicht, zur Raumtemperatur zurückkehrt, ist als ein Zyklus definiert. Dieser Temperaturzyklus wurde 100-mal durchgeführt. Nachdem bestätigt wurde, dass das PM-Sensorelement, das die Temperaturzyklus-Auswertung abgeschlossen hatte, auf 800°C erwärmt war, wurde die vorbestimmte elektrische Spannung 100 Stunden lang angelegt. Das PM-Sensorelement, das die vorbestimmte Anlegung der elektrischen Spannung abgeschlossen hatte, wurde betrieben, um die Betriebsbedingungen, elektrische Stromwerte und das äußere Erscheinungsbild zu bestätigen.
Bei der Probe 1 wies der Betrieb des PM-Sensors gemäß der Temperaturzyklus-Auswertung verglichen mit der anfänglichen Auswertung keine Probleme auf. Der detektierte elektrische Stromwert betrug weniger als 10% in der Reduzierungsrate eines elektrischen Stromwerts, was bedeutet, dass kein Problem bei der Bestromung auftrat. Ferner gab es hinsichtlich des äußeren Erscheinungsbilds keine Farbänderung an den freigelegten Anschlussteilen. Für das PM-Sensorelement der Probe 1 kann man daher sagen, dass sowohl die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen als auch die Oxidationsbeständigkeit gewährleistet waren.
Bei den Proben 2 und 3 war der Betrieb des PM-Sensors gemäß der Temperaturzyklus-Auswertung verglichen mit der anfänglichen Auswertung nicht erfolgreich. Das Scheitern der Messung der PM wurde bestätigt, und der detektierte elektrische Stromwert war gleich 30% in der Reduzierungsrate eines elektrischen Stromwerts oder größer, was bedeutet, dass es ein Problem bei der Bestromung gab. Aus diesen Auswertungsergebnissen wird geschlossen, dass ein Unterbrechungsproblem oder dergleichen im Detektionsleiter für die Proben 2 und 3 aufgetreten ist. Ferner wurde im Hinblick auf das äußere Erscheinungsbild eine gewisse Farbänderung an den freigelegten Anschlussteilen festgestellt. Für die PM-Sensorelemente der Proben 2 und 3 kann man daher sagen, dass die Widerstandfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen und die Oxidationsbeständigkeit nicht gewährleistet waren.
Gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen sind zwei Detektionselektrodenteile vorgesehen. Jedoch können drei oder mehr Detektionselektrodenteile statt zwei vorgesehen werden.
Gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen wird, wie in 4 dargestellt ist, als der Überlappungsteil 35 der Edelmetallleiter 3A über den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung gelegt, um den Überlappungsteil 35 auszubilden; jedoch ist die Positionsbeziehung nicht auf diese Überlappungsbeziehung beschränkt. Beispielsweise kann, wie in 10 dargestellt ist, der Überlappungsteil gebildet werden, indem der Leiter 3B mit geringer Ausdehnung über den Edelmetallleiter 3A gelegt wird. In 10, die eine modifizierte Ausführungsform zeigt, ist ein Teilbereich des Detektionselektrodenteils 31, der aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet ist, mit einer vorstehenden Struktur 313 versehen, die in Richtung der Seite des Leiters 3B mit geringer Ausdehnung so vorsteht, dass der aus dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung gebildete langgestreckte Verdrahtungsteilbereich 321 so ausgebildet ist, dass er auf einem Teilbereich der vorstehenden Struktur 313 überlappt. Der Leiter 3B mit geringer Ausdehnung ist so ausgebildet, dass er die drei Seiten der vorstehenden Struktur 313 niederhält.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Änderungen und/oder Modifikationen liegen innerhalb des Umfangs der Erfindung, solange diese nicht über den Gegenstand der Erfindung hinausgehen.

Claims

Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement zum Detektieren partikelförmiger Stoffe in einem zu vermessenden Gas, aufweisend: ein isolierendes Substrat, das eine Detektionsfläche aufweist, an der partikelförmige Stoffe anhaften; eine Vielzahl Detektionsleiter, die im isolierenden Substrat ausgebildet sind, wobei die Detektionsleiter eine gegenseitig unterschiedliche Polarität aufweisen; und eine Heizsektion, die an dem isolierenden Substrat ausgebildet ist; wobei jeder Detektionsleiter umfasst: einen Detektionselektrodenteil, der zur Detektionsfläche hin zumindest teilweise freigelegt ist; einen Anschlussteil, der auf einer externen Oberfläche des isolierenden Substrats ausgebildet und mit dem Detektionselektrodenteil elektrisch verbunden ist; und einen Verbindungsteil, der den Detektionselektrodenteil und den Anschlussteil elektrisch verbindet, wobei zumindest ein Teilbereich des Detektionsleiters, der den Detektionselektrodenteil enthält, von einem Edelmetallleiter gebildet wird, der vorwiegend aus zumindest einem aus Pt, Au, Pd, Rh und Ir ausgewählten Edelmetall gebildet ist; zumindest ein Teilbereich des Verbindungsteils von einem Leiter mit geringer Ausdehnung gebildet wird, der vorwiegend aus einem Metall mit geringem Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist, welcher lineare Ausdehnungskoeffizient geringer als jener des Edelmetalls ist, und wobei der Edelmetallleiter und der Leiter mit geringer Ausdehnung an einem Überlappungsteil verbunden sind, bei dem der Edelmetallleiter und der Leiter mit geringer Ausdehnung auf einer isolierenden Schicht, welche das isolierende Substrat bildet, in Richtung einer Normallinie der isolierenden Schicht teilweise miteinander überlappt sind.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach Anspruch 1, wobei das Metall mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten zumindest ein aus W und Mo ausgewähltes Metall ist.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Anschlussteil des Detektionsleiters von dem Edelmetallleiter gebildet wird.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Leiter mit geringer Ausdehnung innerhalb des isolierenden Substrats ausgebildet ist.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die isolierende Schicht in einer Vielzahl ausgebildet ist, wobei eine Vielzahl der isolierenden Schichten den dazwischen ausgebildeten Detektionselektrodenteil aufweist, und die Detektionsfläche auf einer Endfläche des isolierenden Substrats in einer zu einer Laminierrichtung der Vielzahl der isolierenden Schichten orthogonalen Richtung ausgebildet ist.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Detektionsleiter einen Innenschichtleiter, der zwischen jeder der Vielzahl der isolierenden Schichten ausgebildet ist, und einen Außenschichtleiter umfasst, der auf der externen Oberfläche des isolierenden Substrats in der Laminierrichtung ausgebildet ist, ein interlaminares Kontaktloch, das den Innenschichtleiter und den Außenschichtleiter zwischen den Schichten verbindet, ausgebildet ist, und ein Kontaktlochleiter in dem interlaminaren Kontaktloch aus dem Edelmetallleiter gebildet ist.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach Anspruch 6, wobei ein Teilbereich des Innenschichtleiters, der mit dem mit dem Außenschichtleiter verbundenen interlaminaren Kontaktloch direkt verbunden ist, aus dem Edelmetallleiter gebildet ist.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Überlappungsteil eine durch das Edelmetall und das Metall mit geringem Ausdehnungskoeffizienten gebildete Mischkristallschicht enthält.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Anschlussteil aus dem Edelmetallleiter, der porös ist, gebildet ist.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zumindest ein Teilbereich eines Bereichs zwischen dem Verbindungsteil und dem Anschlussteil, der aus dem Leiter mit geringer Ausdehnung gebildet ist, des Detektionsleiters von dem Edelmetallleiter mit geschlossenen Poren gebildet wird.