DE112019004345T5

DE112019004345T5 - Partikelförmige stoffe detektierendes sensorelement

Info

Publication number: DE112019004345T5
Application number: DE112019004345.5T
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: WO2020045048A1; JP2020034348A; US20210310972A1; CN112567235A

Abstract

Vorgeschlagen wird ein partikelförmige Stoffe detektierender Sensor, der Verbesserungen sowohl der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen als auch der Oxidationsbeständigkeit erreichen kann. Der partikelförmige Stoffe detektierende Sensor (1) umfasst ein isolierendes Substrat (2), das eine Detektionsfläche (21) aufweist, eine Vielzahl Detektionsleiter (3), die im isolierenden Substrat (2) ausgebildet sind, und eine in dem isolierenden Substrat (2) eingebettete Heizsektion (4). Jeder der Vielzahl Detektionsleiter (4) umfasst einen Detektionselektrodenteil (31), einen Anschlussteil (33) und einen Verbindungsteil (32). Ein freigelegter Leiterteil (301) des Detektionsleiters (3), der zur Elementoberfläche hin freigelegt ist, 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 eines nicht freigelegten Leiters (302) des Detektionsleiters (3), der zur Elementoberfläche hin nicht freigelegt ist, wird von 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.

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.
Außerdem ist erwünscht, dass das PM-Sensorelement eine Erfassung an einer Position durchführt, die im Vergleich mit anderen Sensorelementen wie beispielsweise etwa einem Gassensor etc. näher zur Mitte eines Abgasrohrs liegt. Dementsprechend sind im PM-Sensorelement tendenziell nicht nur ein erfassender Teil (d. h. ein Detektionselektrodenteil), sondern auch ein Anschlussanteil und andere, die mit dem Detektionselektrodenteil elektrisch verbunden sind, hohen Temperaturen ausgesetzt. Daher sind in einem PM-Sensorelement an nicht nur dem Detektionselektrodenteil, sondern auch an einem Leiterteil, der zu einer Elementoberfläche hin freigelegt ist, eine hohe Wärmebeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit erforderlich.
Daher ist es notwendig, dass ein Detektionsleiter des PM-Sensorelements (d. h. ein Leiter, der einen Detektionselektrodenteil, einen Anschlussteil und einen Verbindungsteil zum Verbinden des Detektionselektrodenteils und des Anschlussteils enthält) selbst unter dem Einfluss von Temperaturzyklen Beständigkeit in der Langzeitnutzung aufweist, und ist es notwendig, dass der auf der Elementoberfläche freigelegte Teilbereich eine Funktion zum Detektieren partikelförmiger Stoffe aufrechterhält, ohne selbst in einem 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. Da ein auseinandergezogener Teilbereich der Extraktionselektrode, der zur Elementoberfläche hin freigelegt ist, aus Wolfram oder Molybdän gebildet ist, kann jedoch die Oxidationsbeständigkeit zumindest an diesem Teilbereich verbessert werden. Mit anderen Worten ist es, wie oben erwähnt wurde, erforderlich, dass das PM-Sensorelement nicht nur an dem Detektionselektrodenteil, sondern auch an anderen Leiterteilen wie etwa einem Anschlussteil etc. eine ausreichende Wärmebeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit aufweist, und somit ist es wichtig, für diesen Teil einige Maßnahmen zu ergreifen. Selbst in dem im Patentdokument 2 offenbarten PM-Sensorelement war es folglich unmöglich, die Verbesserung sowohl 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
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement zum Detektieren partikelförmiger Stoffe in einem zu vermessenden Gas, das umfasst: 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 im isolierenden Substrat eingebettet 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 ein freigelegter Elektrodenteil des Detektionsleiters, der zu einer Elementoberfläche hin freigelegt ist, von einem Edelmetallleiter gebildet wird, der vorwiegend mittels zumindest eines aus Pt, Au, Pd, Rh und Ir ausgewählten Edelmetalls ausgebildet ist, und ein nicht freigelegter Leiterteil des Detektionsleiters, der auf der Elementoberfläche nicht freigelegt ist, zumindest teilweise von einem Leiter mit geringer Ausdehnung gebildet wird, der vorwiegend mittels eines Metalls mit geringem Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist, welcher lineare Ausdehnungskoeffizient geringer als jener des ausgewählten Edelmetalls ist.
EFFEKTE DER ERFINDUNG
In dem partikelförmige Stoffe detektierenden Sensorelement wird der freigelegte Leiterteil des Detektionsleiters von dem Edelmetallleiter gebildet. Mit anderen Worten wird ein Teil, bei dem eine Oxidation zu befürchten ist, von einem Edelmetallleiter gebildet. Daher kann die Oxidationsbeständigkeit des Detektionsleiters verbessert werden.
Der nicht freigelegte Leiterteil des Detektionsleiters wird zumindest teilweise von dem 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. Daher kann, wenn der nicht freigelegte Leiterteil Temperaturzyklen ausgesetzt ist, ein Einfluss von durch dessen Ausdehnung und Kontraktion verursachten Beanspruchungen reduziert werden. Konkret neigt im nicht freigelegten Leiterteil, der auf der Elementoberfläche nicht freigelegt ist, dessen Temperatur dazu, zur Zeit einer Erwärmung durch die Heizsektion schnell anzusteigen. Indem man einen Leiter mit geringer Ausdehnung mit einem geringen linearen Ausdehnungskoeffizienten in zumindest einem Teil des nicht freigelegten Leiterteils des Detektionsleiters nutzt, kann daher dessen Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen effektiv verbessert werden.
Wie erläutert wurde, können, da der freigelegte Leiterteil des Detektionsleiters von dem Edelmetallleiter gebildet wird und der nicht freigelegte Leiterteil des Detektionsleiters zumindest teilweise von dem Leiter mit geringer Ausdehnung gebildet wird, dessen lineare Ausdehnungskoeffizient geringer als jener des ausgewählten Edelmetalls ist, sowohl eine Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturzyklen als auch eine Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit erfüllt 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 erreichen 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 Verbindungsteils 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 Veranschaulichung eines Herstellungsverfahrens des PM-Sensorelements in der Ausführungsform 1, die Draufsichten einer Vielzahl von Grünfolien (engl.: green sheets) enthält.
7 ist eine erläuternde Querschnittsansicht eines Basisendteilbereichs des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs, eines Kontaktlochleiters und eines Anschlussteils.
8 ist eine auseinandergezogene Draufsicht eines PM-Sensorelements in einer Ausführungsform 3.
9 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 enthält 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.
Der Detektionselektrodenteil und der Anschlussteil können aus dem Edelmetallleiter ausgebildet sein, und der Verbindungsteil kann den Leiter mit geringer Ausdehnung enthalten. In diesem Fall kann die Oxidationsbeständigkeit an dem Detektionselektrodenteil und dem Anschlussteil ausreichend gewährleistet werden und kann auch eine Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen erreicht werden.
Außerdem kann das isolierende Substrat in einer langgestreckten Form ausgebildet sein, und der Verbindungsteil kann einen langgestreckten Verdrahtungsteilbereich aufweisen, der entlang einer longitudinalen Richtung des isolierenden Substrats ausgebildet ist. Der langgestreckte Verdrahtungsteilbereich kann aus dem Leiter mit geringer Ausdehnung gebildet sein. In diesem Fall kann die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen am langgestreckten Verdrahtungsteilbereich des Verbindungsteils effektiv verbessert werden. Die Beanspruchung in der longitudinalen Richtung, die durch den Temperaturzyklus hervorgerufen wird, wirkt tendenziell auf den langgestreckten Verdrahtungsteilbereich. Indem man den langgestreckten Verdrahtungsteilbereich mittels des Leiters mit geringer Ausdehnung ausbildet, kann die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen effektiv verbessert werden.
Außerdem kann das isolierende Substrat aus einer Vielzahl laminierter isolierender Schichten bestehen, zwischen denen der Detektionselektrodenteil ausgebildet sein kann, und kann die Detektionsfläche aufweisen, die auf dessen Endfläche in einer Richtung orthogonal zu einer Laminierrichtung der Vielzahl laminierter isolierender Schichten ausgebildet ist. In diesem Fall kann die Oxidationsbeständigkeit des Detektionsleiters weiter verbessert werden. Falls der Detektionselektrodenteil zwischen jeder einer Vielzahl laminierter isolierender Schichten ausgebildet ist, ist konkret der Detektionselektrodenteil in dem Zustand, in dem er in der Laminierrichtung sandwichartig angeordnet bzw. umgeben ist oder gehalten wird. Daher wird der Detektionselektrodenteil in der Laminierrichtung zur Zeit eines Sinterns der isolierenden Schichten zusammengedrückt. Infolgedessen werden in den Partikeln im Detektionselektrodenteil ausgebildete feine Poren tendenziell noch feiner, und somit kann ein Eindringen von Gas einfach verhindert werden. Folglich kann der Leiter mit geringer Ausdehnung im isolierenden Substrat vor dem Gas geschützt werden. Somit kann die Oxidationsbeständigkeit verbessert werden.
Außerdem kann das isolierende Substrat aus der Vielzahl laminierter isolierender Schichten bestehen, die einen zwischen zwei der Vielzahl laminierter isolierender Schichten ausgebildeten Innenschichtleiter als den nicht freigelegten Leiterteil aufweist und einen auf der externen Oberfläche des isolierenden Substrats in der Laminierrichtung der Vielzahl laminierter isolierender Schichten ausgebildeten Außenschichtleiter als den freigelegten Leiterteil aufweist, und kann ein interlaminares Kontaktloch, das den Innenschichtleiter und den Außenschichtleiter zwischen den Schichten verbindet, ausgebildet sein, wobei ein Kontaktlochleiter in dem interlaminaren Kontaktloch aus dem Edelmetallleiter gebildet ist. In diesem Fall können sowohl der Außenschichtleiter als auch der Innenschichtleiter von dem Edelmetallleiter gebildet werden, und somit kann die Zuverlässigkeit einer Verbindung dazwischen verbessert werden.
Außerdem kann ein Teilbereich des Innenschichtleiters, mit dem der Kontaktlochleiter direkt 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 kann das isolierende Substrat aus der Vielzahl laminierter isolierender Schichten bestehen, und der Edelmetallleiter und der Leiter mit geringer Ausdehnung können an einem Überlappungsteil verbunden sein, bei dem der Edelmetallleiter und der Leiter mit geringer Ausdehnung zwischen gegenseitig benachbart positionierten laminierten isolierenden Schichten in deren Dickenrichtung miteinander überlappt sind. In diesem Fall kann die Zuverlässigkeit einer Verbindung zwischen dem Edelmetallleiter und dem Leiter mit geringer Ausdehnung verbessert werden. Mit anderen Worten kann durch Vorsehen des Überlappungsteils ein Verbindungsbereich des Edelmetallleiters und des Leiters mit geringer Ausdehnung ausreichend gewährleistet werden. Durch einen so ausreichend gewährleisteten Verbindungsbereich kann außerdem die Konzentration einer Beanspruchung an der Verbindungsgrenzfläche zwischen dem Edelmetallleiter und dem Leiter mit geringer Ausdehnung abgeschwächt 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 Teil des Detektionsleiters zwischen dem vom Leiter mit geringer Ausdehnung gebildeten nicht freigelegten Leiterteil und dem Anschlussteil vorzugsweise von dem Edelmetallleiter, der geschlossene Poren enthält, 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 darauf hingewiesen, dass der Ausdruck „Edelmetallleiter mit geschlossenen Poren“ den Edelmetallleiter mit Poren, die mit dem isolierenden Substrat nicht in Verbindung stehen, 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 eingebettet 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 freigelegter Leiterteil 301 des Detektionsleiters 3, der auf einer Elementoberfläche freigelegt ist, wird von einem Edelmetallleiter 3A gebildet, der vorwiegend mittels zumindest eines aus Pt, Au, Pd, Rh und Ir ausgewählten Edelmetalls ausgebildet ist.
Ein nicht freigelegter Leiterteil 302 des Detektionsleiters 3, der auf der Elementoberfläche nicht freigelegt ist, wird zumindest teilweise 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 2 und 3 dargestellt ist, sind in dieser Ausführungsform der Detektionselektrodenteil 31 und der Anschlussteil 33 aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet und enthält der Verbindungsteil 32 den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung. Der Anschlussteil 33 bildet den gesamten freigelegten Leiterteil 301 und besteht ganz aus dem Edelmetallleiter 3A. In dem Detektionselektrodenteil 31 bildet ferner 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 den nicht freigelegten Leiterteil 302 enthaltende Detektionselektrodenteil 31 besteht ganz aus dem Edelmetalleiter 3A. Ferner besteht der Verbindungsteil 32 nicht vollkommen aus dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung, sondern besteht zum Teil 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 auf einer Endfläche des isolierenden Substrats 2 in einer Richtung orthogonal zur Laminierrichtung der Vielzahl laminierter isolierender Schichten 22 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 das PM-Sensorelement 1 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.
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 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.
Der freigelegte Leiterteil 301 des Detektionsleiters 3 des partikelförmige Stoffe detektierenden Sensorelements 1 wird von dem Edelmetallleiter 3A gebildet. Mit anderen Worten ist der Teilbereich des Detektionsleiters 3, wo eine Oxidation zu befürchten ist, aus dem Edelmetallleiter 3a gebildet, um somit die Oxidationsbeständigkeit des Detektionsleiters 3 als Ganzes zu verbessern.
Zumindest ein Teilbereich des nicht freigelegten Leiterteils 302 des Detektionsleiters 3 wird vom Leiter 3B mit geringer Ausdehnung gebildet. Mit anderen Worten enthält der Teilbereich des Detektionsleiters 3, wo eine Oxidation weniger zu befürchten ist, den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung, der vorwiegend aus einem oder mehreren, aus W und Mo ausgewählten Metallen mit geringem Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist. Wenn der nicht freigelegte Leiterteil 302 dem Zustand mit Temperaturzyklen ausgesetzt ist, kann somit ein Einfluss der aufgrund dessen Kompression und Ausdehnung erzeugten Beanspruchung reduziert werden. Mit anderen Worten kann eine Temperatur des nicht freigelegten Leiters 302, der zur Elementoberfläche hin nicht freigelegt ist, beim Erwärmen mittels der Heizsektion 4 leicht ansteigen. Indem man zumindest einen Teilbereich des nicht freigelegten Leiterteils 302 im Detektionsleiter 3 mittels des Leiters 3B mit geringer Ausdehnung, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient klein ist, ausbildet, kann daher die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen effektiv verbessert werden.
In der Struktur des Detektionsleiters 3 können somit, indem man den freigelegten Leiterteil 3B mittels des Edelmetallleiters 3A und zumindest einen Teilbereich des nicht freigelegten Leiterteils 302 mittels des Leiters 3B mit geringer Ausdehnung bildet, sowohl die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen als auch die Oxidationsbeständigkeit des Detektionsleiters 3 verbessert werden, um dadurch die Beständigkeit bzw. Lebensdauer des Detektionsleiters 3 zu verbessern.
Ferner hat der Leiter 3B mit geringer Ausdehnung gemäß der Ausführungsform einen höheren Schmelzpunkt als jenen des Edelmetallleiters 3A. Dementsprechend kann, indem man den nicht freigelegten Leiterteil 302, wo dessen Temperatur tendenziell ansteigen kann, so ausbildet, dass er den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung enthält, die Wärmebeständigkeit des nicht freigelegten Leiterteils 302 verbessert werden.
Der Detektionselektrodenteil 31 und der Anschlussteil 33 sind ferner aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet, wohingegen der Verbindungsteil 32 den Leiter 3B mit geringer Ausdehnung enthält. Dementsprechend kann die Oxidationsbeständigkeit an dem Detektionselektrodenteil 31 und dem Anschlussteil 33 sichergestellt werden und kann gleichzeitig die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen am Verbindungsteil 32 verbessert werden.
Der langgestreckte Verdrahtungsteilbereich 321 des Verbindungsteils 32 ist ferner aus dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung gebildet, um dadurch die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen am langgestreckten Verdrahtungsteilbereich 321 effektiv zu verbessern. Der langgestreckte Verdrahtungsteilbereich 321 nimmt tendenziell eine longitudinale Beanspruchung durch Temperaturzyklen auf. Indem man den langgestreckten Verdrahtungsteilbereich 321 mittels des Leiters 3B mit geringer Ausdehnung ausbildet, kann daher dessen Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen effektiv verbessert werden. Ferner weist der Leiter 3B mit geringer Ausdehnung einen geringeren linearen Ausdehnungskoeffizienten und einen höheren Schmelzpunkt auf, und daher ist die Steifigkeit verhältnismäßig hoch. Durch Ausbilden des langgestreckten Verdrahtungsteilbereichs 321 mittels des Leiters 3B mit geringer Ausdehnung kann somit die Festigkeit des PM-Sensorelements 1 als Ganzes erhöht werden. Insbesondere ist gemäß der Ausführungsform das PM-Sensorelement 1 in annähernd der gesamten longitudinalen Richtung mit dem langgestreckten Verdrahtungsteilbereich 321 versehen, um dadurch die Beständigkeit der Festigkeit des PM-Sensorelements 1 sicherzustellen.
Der Detektionselektrodenteil 31 ist ferner zwischen der Vielzahl isolierender Schichten 22 vorgesehen, und die Detektionsfläche 21 ist auf einer Endfläche des isolierenden Substrats 2 in einer Richtung orthogonal zur Laminierrichtung der Vielzahl isolierender Schichten 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 aus der gleichen Art eines Edelmetallleiters 3A ausbildet, die Zuverlässigkeit einer Verbindung dazwischen weiter verbessert werden.
Ferner sind die Edelmetallleiter 3A und der Leiter 3B mit geringer Ausdehnung am Überlappungsteil 35 verbunden, um dadurch die Zuverlässigkeit einer Verbindung dazwischen zu verbessern. Mit anderen Worten kann durch Vorsehen des Überlappungsteils 35 der Verbindungsbereich zum Verbinden des Edelmetallleiters 3A und des Leiters 3B mit geringer Ausdehnung einfach sichergestellt werden. Mit solch einer Anordnung kann eine Konzentration einer Beanspruchung auf der Verbindungsgrenzfläche zwischen dem Edelmetallleiter 3A und dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung leicht abgeschwächt werden.
Der Überlappungsteil 35 ist ferner mit einer Mischkristallschicht 351 aus dem Edelmetall und dem Metall mit geringem Ausdehnungskoeffizienten versehen. Dieses Vorsehen 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 7 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 8 dargestellt ist, zeigt diese Ausführungsform das PM-Sensorelement 1, das mit einer in die Laminierrichtung der Vielzahl isolierenden Schichten 22 gewandten Detektionsfläche 21 auf der Hauptoberfläche des isolierenden Substrats 2 versehen ist. 8 ist eine erläuternde auseinandergezogene Ansicht des PM-Sensorelements 1, das an der Grenzfläche der isolierenden Schichten 22 auseinandergezogen ist. Die in 8 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 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 8 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 dem 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 und der langgestreckte Verdrahtungsteilbereich 321 des Verbindungsteils 32 ist aus dem Leiter 3B mit geringer Ausdehnung gebildet. Der Kontaktlochleiter 322 ist aus dem Edelmetallleiter 3A gebildet.
Die übrigen Strukturen sind die gleichen wie jene der Ausführungsform 1.
Gemäß dieser Ausführungsform können die Verbesserungen sowohl der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen als auch der Oxidationsbeständigkeit genauso wie bei 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 nicht freigelegten Leiter 302, 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. 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 (7) 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 wurde 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 mit 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 mit 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 mit 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 mit 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 mit 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. Somit kann man sagen, dass die Widerstandfähigkeit gegenüber Temperaturzyklen und die Oxidationsbeständigkeit nicht gewährleistet waren.
Gemäß den oben erläuterten 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 in dem isolierenden Substrat eingebettet 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 ein freigelegter Leiterteil des Detektionsleiters, der zu einer Elementoberfläche hin freigelegt ist, von einem Edelmetallleiter gebildet wird, der vorwiegend mittels zumindest eines aus Pt, Au, Pd, Rh und Ir ausgewählten Edelmetalls ausgebildet ist, und ein nicht freigelegter Leiterteil des Detektionsleiters, der zur Elementoberfläche hin nicht freigelegt ist, zumindest teilweise von einem Leiter mit geringer Ausdehnung gebildet wird, der vorwiegend mittels eines Metalls mit geringem Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist, welcher lineare Ausdehnungskoeffizient geringer als jener des ausgewählten Edelmetalls ist.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach Anspruch 1, wobei das Metall mit geringem Ausdehnungskoeffizienten zumindest ein aus W und Mo ausgewähltes Metall enthält.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Detektionselektrodenteil und der Anschlussteil aus dem Edelmetallleiter gebildet sind und der Verbindungsteil den Leiter mit geringer Ausdehnung enthält.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das isolierende Substrat in einer langgestreckten Form ausgebildet ist und der Verbindungsteil einen langgestreckten Verdrahtungsteilbereich aufweist, der entlang einer longitudinalen Richtung des isolierenden Substrats ausgebildet ist, wobei der langgestreckte Verdrahtungsteilbereich aus dem Leiter mit geringer Ausdehnung gebildet ist.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das isolierende Substrat aus einer Vielzahl laminierter isolierender Schichten besteht, zwischen denen der Detektionselektrodenteil ausgebildet ist, und eine Detektionsfläche aufweist, die auf deren Endfläche in einer Richtung orthogonal zu einer Laminierrichtung der Vielzahl laminierter isolierender Schichten ausgebildet ist.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das isolierende Substrat aus einer Vielzahl laminierter isolierender Schichten besteht, die einen zwischen den laminierten isolierenden Schichten ausgebildeten Innenschichtleiter als den nicht freigelegten Leiterteil aufweist und einen auf der externen Oberfläche des isolierenden Substrats in der Laminierrichtung der Vielzahl laminierter isolierender Schichten ausgebildeten Außenschichtleiter als den freigelegten Leiterteil aufweist, und wobei ein interlaminares Kontaktloch, das den Innenschichtleiter und den Außenschichtleiter zwischen den Schichten verbindet, ausgebildet ist, wobei ein Kontaktlochleiter in dem interlaminaren Kontaktloch aus dem Edelmetallleiter gebildet ist.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach Anspruch 6, wobei ein Teilbereich des Innenschichtleiters, mit dem der Kontaktlochleiter direkt verbunden ist, aus dem Edelmetallleiter gebildet ist.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das isolierende Substrat aus einer Vielzahl laminierter isolierender Schichten besteht und der Edelmetallleiter und der Leiter mit geringer Ausdehnung an einem Überlappungsteil verbunden sind, bei dem der Edelmetallleiter und der Leiter mit geringer Ausdehnung zwischen benachbarten laminierten isolierenden Schichten in deren Dickenrichtung miteinander teilweise überlappt sind.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach Anspruch 8, wobei der Überlappungsteil eine aus dem Edelmetall und dem Metall mit geringem Ausdehnungskoeffizienten gebildete Mischkristallschicht enthält.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Anschlussteil von dem Edelmetallleiter, der porös ist, gebildet wird.
Partikelförmige Stoffe detektierendes Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zumindest ein Teil des Detektionsleiters zwischen dem nicht freigelegten Leiterteil, der aus dem Leiter mit geringer Ausdehnung ist, und dem Anschlussteil von dem Edelmetallleiter, der geschlossene Poren enthält, gebildet wird.