JP5294579B2 - Ceramic sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ceramic sensor in which there is little risk of exfoliation of a metal electrode even if the sensor is subjected to heating and cooling cycles. <P>SOLUTION: The ceramic sensor is equipped with a ceramic plate and a metal electrode joined to at least one surface of the ceramic plate, wherein the metal electrode satisfies at least one of following conditions: (1) The whole or a portion of the outer circumference of the metal electrode is lacked and the whole or a portion of the ceramic plate is exposed. (2) At least a portion of the outer circumference of the metal electrode is thinner than a central part. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、セラミックセンサに関し、さらに詳しくは、電気伝導性、イオン伝導性、圧電性、歪−電気抵抗特性、誘電性、非磁性等の電磁気的特性を有するセラミックスを用いたセラミックセンサに関する。   The present invention relates to a ceramic sensor, and more particularly to a ceramic sensor using ceramics having electromagnetic characteristics such as electrical conductivity, ion conductivity, piezoelectricity, strain-electric resistance characteristics, dielectric properties, and nonmagnetic properties.

金属/セラミックス接合体は、高温強度、耐摩耗性、耐熱性、耐熱衝撃性、耐食性等の機械的特性が要求される各種構造用部品、あるいは、電気伝導性、イオン伝導性、圧電性、歪−電気抵抗特性、誘電性、非磁性等の電磁気的特性や熱伝導特性が要求される各種機能性部品に用いられている。
金属材料とセラミックス材料とを接合する方法としては、
(1)ボルト締め、嵌合、鋳ぐるみ等の機械的接合法、
(2)有機系又は無機系の接着剤を用いた接着剤法、
(3)セラミック材料の表面に金属薄膜を形成(メタライズ)し、金属薄膜を介して金属材料とロウ付けするメタライズロウ付け法、
(4)無電解メッキによりセラミック材料の表面に金属薄膜を形成するメッキ法、
(5)金属材料とセラミック材料とを直接、又は、適当なロウ材、中間層等を介して突き合わせて高温に加熱し、界面において構成元素の拡散を行わせる拡散接合法、
(6)CVD、電子ビーム、スパッタ、レーザーアブレーション、PLD、ALD、蒸着等による物理的な成膜方法、
(7)導電ペーストのスクリーン印刷によりペースト薄膜を形成する方法、
(8)超音波接合法、
(9)セラミックフリット法(低融点セラミックフリットによる接合法)、
(10)レーザー法(溶融接合法)、
(11)溶射法、
(12)メタライジング法、
などが知られている。また、拡散接合法においては、元素のイオン性を利用して界面反応を強制的に引き起こすことにより拡散接合するField-Assisted Bonding法(電場を印加する方法)も知られている。
Metal / ceramic bonded bodies can be used for various structural parts that require mechanical properties such as high-temperature strength, wear resistance, heat resistance, thermal shock resistance, and corrosion resistance, or electrical conductivity, ionic conductivity, piezoelectricity, and strain. -Used for various functional parts that require electromagnetic characteristics such as electrical resistance characteristics, dielectric properties and non-magnetic properties, and heat conduction characteristics.
As a method of joining a metal material and a ceramic material,
(1) Mechanical joining methods such as bolting, fitting, cast-in, etc.
(2) Adhesive method using organic or inorganic adhesives,
(3) A metallized brazing method in which a metal thin film is formed (metallized) on the surface of a ceramic material and brazed to the metal material via the metal thin film,
(4) A plating method in which a metal thin film is formed on the surface of a ceramic material by electroless plating,
(5) A diffusion bonding method in which a metal material and a ceramic material are directly or directly brought into contact with each other via an appropriate brazing material, intermediate layer, etc., and heated to a high temperature to diffuse constituent elements at the interface,
(6) Physical film formation method by CVD, electron beam, sputtering, laser ablation, PLD, ALD, vapor deposition, etc.
(7) A method of forming a paste thin film by screen printing of a conductive paste,
(8) Ultrasonic bonding method,
(9) Ceramic frit method (joining method using low melting point ceramic frit),
(10) Laser method (melt bonding method),
(11) Thermal spraying method,
(12) Metalizing method,
Etc. are known. As a diffusion bonding method, a Field-Assisted Bonding method (a method of applying an electric field) is also known in which diffusion bonding is performed by forcibly causing an interface reaction using the ionicity of an element.

これらの接合法は、金属/セラミックス接合体の用途やセラミックス素材の種類及び必要膜厚等に応じて使い分けられているが、高い信頼性が要求される用途には、一般に、メタライズ法、拡散接合法、摩擦圧接法、ガス・金属共晶法、反応接合法等の化学的接合法が用いられている。しかしながら、金属材料とセラミック材料との接合は、異種材料間での接合であるので、化学的接合法(固相接合法)を用いた場合には、種々の問題が生ずることがある。   These joining methods are properly used depending on the use of the metal / ceramic bonding body, the type of ceramic material and the required film thickness, etc., but for applications that require high reliability, the metallization method, diffusion welding is generally used. Chemical bonding methods such as a combination method, a friction welding method, a gas / metal eutectic method, and a reactive bonding method are used. However, since the joining of the metal material and the ceramic material is a joining between different materials, various problems may occur when the chemical joining method (solid phase joining method) is used.

例えば、化学的接合法を用いて金属材料とセラミックス材料とを接合するためには、一般的に、両者を高温に加熱する必要がある。セラミックス材料の熱膨張係数は、一般に金属材料の熱膨張係数より小さいので、両者を高温に加熱して接合した後、室温まで冷却すると、セラミックス材料には、金属材料との熱膨張係数差に起因する熱応力(引張応力)が発生する。この熱応力がセラミックス材料の機械的強度を超えると、セラミックス材料が破損するという問題がある。   For example, in order to join a metal material and a ceramic material using a chemical joining method, it is generally necessary to heat both to a high temperature. The thermal expansion coefficient of ceramic materials is generally smaller than the thermal expansion coefficient of metal materials. When both are heated to high temperatures and joined, and then cooled to room temperature, the ceramic materials are caused by the difference in thermal expansion coefficients from the metal materials. Thermal stress (tensile stress) is generated. When this thermal stress exceeds the mechanical strength of the ceramic material, there is a problem that the ceramic material is damaged.

この問題を解決する方法としては、例えば、
(1)金属材料とセラミックス材料の中間の熱膨張係数を有する材料(例えば、W、Mo、Zr、Nb等)を界面に介在させる方法、
(2)金属材料とセラミックス材料との界面に軟質金属(例えば、Al、Au、Cu等)を介在させる方法、
(3)セラミックス側から金属側へ熱膨張係数を連続的に変化(傾斜)させる方法、
などが提案されている。
As a method of solving this problem, for example,
(1) A method of interposing a material having a thermal expansion coefficient intermediate between a metal material and a ceramic material (for example, W, Mo, Zr, Nb, etc.) at the interface;
(2) A method of interposing a soft metal (for example, Al, Au, Cu, etc.) at the interface between the metal material and the ceramic material,
(3) A method of continuously changing (inclining) the thermal expansion coefficient from the ceramic side to the metal side,
Etc. have been proposed.

また、各種機能性セラミックスには、その表面に相対的に厚さの薄い金属電極が接合される場合が多い。このような金属電極/セラミックス接合体においても、両者の熱膨張差、高温使用時における金属電極の酸化、接合された金属を介した熱伝導等に起因して、種々の問題が発生する場合があり、これを解決するための方法もいくつか提案されている。   In addition, various functional ceramics are often bonded with a relatively thin metal electrode on the surface thereof. Even in such a metal electrode / ceramic bonded body, various problems may occur due to the difference in thermal expansion between them, oxidation of the metal electrode during high temperature use, heat conduction through the bonded metal, and the like. There are several methods for solving this problem.

例えば、特許文献1には、平板状のサーミスタ素子(金属酸化物焼結体)の上下面の全面に電極を形成し、電極表面にリード線を接合し、サーミスタ素子及びリード線のサーミスタ素子接続端側を、原材料がSiO2、CaO、SrO、BaO、Al23、及びSnO2であり、その30℃から700℃までの温度範囲における平均線膨張係数が8.5×10-6/℃であり、かつそのガラス転位点が720℃以上である封止ガラスによって溶融封止した高温用サーミスタが開示されている。
同文献には、このような構成を採用することによって、封止ガラスの割れを抑制することができる点が記載されている。
For example, in Patent Document 1, electrodes are formed on the entire upper and lower surfaces of a flat plate thermistor element (metal oxide sintered body), a lead wire is joined to the electrode surface, and the thermistor element and lead wire thermistor element connection are disclosed. On the end side, the raw materials are SiO 2 , CaO, SrO, BaO, Al 2 O 3 , and SnO 2 , and the average linear expansion coefficient in the temperature range from 30 ° C. to 700 ° C. is 8.5 × 10 −6 / A thermistor for high temperature melted and sealed with a sealing glass having a glass transition point of 720 ° C. or higher at a temperature of 720 ° C. is disclosed.
The document describes that by adopting such a configuration, cracking of the sealing glass can be suppressed.

また、特許文献2には、ZrO2の表面にPtとZrO2との混合物からなる中間層を形成し、中間層の上に電界Niメッキ層からなる接合用金属層を形成し、接合用金属層の上にNiからなる金属端子が接合された酸素センサ素子が開示されている。
同文献には、セラミックス基体の表面に接合用金属層を直接、接合すると、両者の線膨張係数差に起因して界面に大きな熱応力が発生するのに対し、セラミック基体と接合用金属層の間に、両者の中間の線膨張係数を有する中間層を設けると、界面に発生する熱応力を軽減することができる点が記載されている。
Further, Patent Document 2, forming an intermediate layer comprising a mixture of Pt and ZrO 2 on the surface of the ZrO 2 to form a bonding metal layer made of electroluminescent Ni plating layer on the intermediate layer, the bonding metal An oxygen sensor element in which a metal terminal made of Ni is bonded on a layer is disclosed.
In this document, when a bonding metal layer is directly bonded to the surface of a ceramic substrate, a large thermal stress is generated at the interface due to the difference in linear expansion coefficient between the two. It is described that the thermal stress generated at the interface can be reduced by providing an intermediate layer having an intermediate linear expansion coefficient between them.

特開2005−294653号公報JP 2005-294653 A 特開平10−241753号公報JP-A-10-241753

電磁気特性を有するセラミックスを用いた各種セラミックセンサは、一般に、大きさが極めて小さい。そのため、セラミックス表面の全面に熱膨張係数が相対的に大きい金属電極を直接、接合することも可能である。しかしながら、セラミックス板の表面の全面に金属電極を直接、接合したセンサに対して冷熱サイクルを加えると、応力集中部から金属電極が剥離するおそれがある。
この問題を解決するために、特許文献2に開示されているように、セラミックス板と金属電極との間に中間層を設けることも考えられる。しかしながら、中間層を設ける方法は、工程が増えてコストが高くなるという問題がある。また、このようなセラミックセンサを高温で長時間使用すると、金属電極/中間層界面で反応又は元素拡散が起こり、金属電極及び中間層の組成が経時変化するおそれがある。
In general, various ceramic sensors using ceramics having electromagnetic characteristics are extremely small in size. Therefore, a metal electrode having a relatively large thermal expansion coefficient can be directly bonded to the entire surface of the ceramic surface. However, when a thermal cycle is applied to the sensor in which the metal electrode is directly bonded to the entire surface of the ceramic plate, the metal electrode may be peeled off from the stress concentration portion.
In order to solve this problem, an intermediate layer may be provided between the ceramic plate and the metal electrode as disclosed in Patent Document 2. However, the method of providing the intermediate layer has a problem that the number of steps increases and the cost increases. Further, when such a ceramic sensor is used at a high temperature for a long time, a reaction or element diffusion occurs at the metal electrode / intermediate layer interface, and the composition of the metal electrode and the intermediate layer may change over time.

本発明が解決しようとする課題は、冷熱サイクルを加えても金属電極が剥離するおそれの少ないセラミックセンサを提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、低コストであり、しかも、高温で長期間使用した場合であっても、金属電極の組成の経時変化が起こりにくいセラミックセンサを提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a ceramic sensor in which a metal electrode is less likely to be peeled off even when a cooling cycle is applied.
In addition, another problem to be solved by the present invention is to provide a ceramic sensor that is low in cost and that hardly changes over time in the composition of the metal electrode even when used at a high temperature for a long period of time. is there.

上記課題を解決するために本発明に係るセラミックスセンサは、
セラミックス板と、
前記セラミックス板の少なくとも一方の表面に接合された金属電極とを備え、
前記セラミックス板の平面形状は、四角形であり、
前記金属電極の平面形状は、前記四角形であって、前記四角形の角部が切り落とされていないものであり、
前記金属電極は、前記角部にのみテーパが設けられていることを要旨とする。
In order to solve the above problems, the ceramic sensor according to the present invention is:
Ceramic plates,
A metal electrode joined to at least one surface of the ceramic plate,
The planar shape of the ceramic plate is a quadrangle,
The planar shape of the metal electrode is the quadrangle, and the corners of the quadrangle are not cut off,
The gist of the metal electrode is that a taper is provided only at the corner.

セラミックス板と金属電極とを接合する場合において、熱膨張係数差に起因する熱応力は、金属電極の外周部において最も高くなる。これに対し、金属電極の外周の全部若しくは一部を欠落させ、及び/又は、金属電極の外周の少なくとも一部分の厚さを中央部より薄くすると、金属電極の外周部に発生する熱応力を著しく軽減することができる。そのため、このようなセラミックセンサに対して冷熱サイクルを加えても、金属電極が剥離するおそれは少ない。また、熱応力を軽減するために、必ずしも中間層を介在させる必要がないので、低コストであり、金属電極組成の経時変化も起きにくい。   When joining a ceramic plate and a metal electrode, the thermal stress resulting from the difference in thermal expansion coefficient is highest at the outer peripheral portion of the metal electrode. On the other hand, if all or a part of the outer periphery of the metal electrode is missing and / or if the thickness of at least a part of the outer periphery of the metal electrode is made thinner than the central portion, the thermal stress generated in the outer periphery of the metal electrode is significantly increased. Can be reduced. Therefore, even if a cooling cycle is applied to such a ceramic sensor, the metal electrode is less likely to peel off. Further, since it is not always necessary to interpose an intermediate layer in order to reduce thermal stress, the cost is low and the metal electrode composition does not easily change with time.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
本発明に係るセラミックセンサは、セラミックス板と、セラミックス板の少なくとも一方の面に接合された金属電極とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
The ceramic sensor according to the present invention includes a ceramic plate and a metal electrode bonded to at least one surface of the ceramic plate.

[1. セラミックス板]
本発明において、セラミックス板には、電気伝導性、イオン伝導性、圧電性、歪−電気抵抗特性、誘電性、非磁性等の電磁気的特性や熱伝導特性を持ち、センサとして機能するあらゆる材料を用いることができる。
セラミックス材料としては、具体的には、
(1) 窒化ケイ素(Si)、窒化アルミニウム(AlN)、サイアロン(SiAlON)、窒化ガリウム(GaN)、窒化チタン(TiN)、窒化ジルコニウム(ZrN)等の窒化物、
(2) 炭化ケイ素(SiC)、炭化チタン(TiC)、炭化ジルコニウム(ZrC)、炭化ホウ素(BC)等の炭化物、
(3) アルミナ(Al)、ジルコニア(ZrO)、酸化モリブデン(MoO)、セリア(CeO)、イットリア(Y)、酸化ビスマス(Bi)、チタン酸バリウム(BaTiO)、チタニア(TiO)、酸化亜鉛(ZnO)、マグネシア(MgO)、カルシア(CaO)、スピネル(AlMgO)、チタン酸バリウム(BaTiO)、LaWO、LaBO、LaPO等の酸化物、
(4) ホウ化チタン(TiB)、ホウ化ジルコニウム(ZrB)等のホウ化物、
(5) ケイ化チタン(TiSi)、ケイ化ジルコニウム(ZrSi)等のケイ化物、
(6) LaZr、SmZr、GdZr等のパイクロール型酸化物、
(7) SrCeO、SrCe1−x(M=Sc、Zn、Y、Mn、In、Nd、Sm、Dy、Yb)、La1−xCaCrO、La1−xSrCrO、YMnO、La1−xCoMnO、LaSrMnO、LaFeO、La1−xCaCoO、La1−xSrCoO、SrCeO、CaZrO、SrZrO、SrTiO、SrTi、BeZrO、BaCeO、BaCe1−xGd、CaHfO、KTaO等のペロブスカイト型酸化物、
などがある。セラミックス材料は、これらの複合セラミックスであっても良い。
[1. Ceramic plate]
In the present invention, the ceramic plate is made of any material that has electromagnetic properties such as electrical conductivity, ionic conductivity, piezoelectricity, strain-electric resistance properties, dielectric properties, non-magnetic properties, and heat conduction properties and functions as a sensor. Can be used.
Specifically, as a ceramic material,
(1) nitrides such as silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum nitride (AlN), sialon (SiAlON), gallium nitride (GaN), titanium nitride (TiN), zirconium nitride (ZrN),
(2) carbides such as silicon carbide (SiC), titanium carbide (TiC), zirconium carbide (ZrC), boron carbide (B 4 C),
(3) Alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), molybdenum oxide (MoO x ), ceria (CeO 2 ), yttria (Y 2 O 3 ), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), barium titanate (BaTiO 3 ), titania (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), magnesia (MgO), calcia (CaO), spinel (Al 2 MgO 4 ), barium titanate (BaTiO 3 ), La 6 WO 3 , LaBO 3 , Oxides such as LaPO 4 ,
(4) Borides such as titanium boride (TiB 2 ) and zirconium boride (ZrB 2 ),
(5) silicides such as titanium silicide (TiSi 2 ) and zirconium silicide (ZrSi 2 ),
(6) Pichlor type oxides such as La 2 Zr 2 O 7 , Sm 2 Zr 2 O 7 , Gd 2 Zr 2 O 7 ,
(7) SrCeO 3 , SrCe 1-x M x O 3 (M = Sc, Zn, Y, Mn, In, Nd, Sm, Dy, Yb), La 1-x CaCrO 3 , La 1-x SrCrO 3 , YMnO 3, La 1-x Co x MnO 3, LaSrMnO 3, LaFeO 3, La 1-x Ca x CoO 3, La 1-x Sr x CoO 3, SrCeO 3, CaZrO 3, SrZrO 3, SrTiO 4, SrTi 2 Perovskite oxides such as O 7 , BeZrO 3 , BaCeO 3 , BaCe 1-x Gd x O 3 , CaHfO 3 , KTaO 3 ,
and so on. These ceramic materials may be used as the ceramic material.

セラミックセンサは、大きさが極めて小さいものが多い。小さなセラミックス板は、一般に、まず相対的に面積が大きい焼結体を作製し、次いでこれを適当な大きさに切断することによって作製される。そのため、小型のセラミックス板の平面形状は、四角形となる場合が多い。しかしながら、セラミックス板の形状は、特に限定されるものではなく、セラミックス板の製造方法、センサの用途等に応じて任意に選択することができる。すなわち、セラミックス板の平面形状は、四角形、三角形等の多角形であっても良く、あるいは、円形形、楕円形等の曲線を持つ形状であっても良い。
セラミックス板の厚さも特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に選択することができる。
Many ceramic sensors are extremely small. In general, a small ceramic plate is produced by first producing a sintered body having a relatively large area and then cutting it into an appropriate size. For this reason, the planar shape of a small ceramic plate is often a quadrangle. However, the shape of the ceramic plate is not particularly limited, and can be arbitrarily selected according to the manufacturing method of the ceramic plate, the application of the sensor, and the like. That is, the planar shape of the ceramic plate may be a polygon such as a rectangle or a triangle, or a shape having a curve such as a circle or an ellipse.
The thickness of the ceramic plate is not particularly limited, and can be arbitrarily selected according to the purpose.

[2. 金属電極]
[2.1 金属電極の組成]
本発明において、金属電極の組成は、特に限定されるものではなく、セラミック材料の組成、セラミックセンサの用途、要求特性等に応じて種々の材料を用いることができる。また、基本的な選定基準としては、
(1) できるだけ熱膨張率の小さい金属/セラミックスの組み合わせを用いる、
(2) 弾性率の小さいメタルを用いる、又は、
(3) 高強度のセラミックスを用いる
など、接合によって生じる熱応力や、熱応力によるセラミックスの破壊を抑止できる組み合わせが好ましい。但し、耐熱性及び/又は耐酸化性、並びに、耐久性に優れたセラミックセンサを得るためには、金属電極は、高耐熱性・高耐酸化性材料からなるものが好ましい。
[2. Metal electrode]
[2.1 Metal electrode composition]
In the present invention, the composition of the metal electrode is not particularly limited, and various materials can be used according to the composition of the ceramic material, the application of the ceramic sensor, the required characteristics, and the like. In addition, as basic selection criteria,
(1) Use a metal / ceramic combination with the smallest possible thermal expansion coefficient.
(2) Use metal with low elastic modulus, or
(3) A combination that can suppress thermal stress caused by bonding, such as using high-strength ceramics, or destruction of ceramics due to thermal stress is preferable. However, in order to obtain a ceramic sensor excellent in heat resistance and / or oxidation resistance and durability, the metal electrode is preferably made of a material having high heat resistance and high oxidation resistance.

ここで、「高耐熱性・高耐酸化性材料」とは、
(1) 耐熱性及び/又は耐酸化性に優れた材料であって、耐剥離性及び耐酸化性が高く、かつ、素材表面に安定で緻密な酸化物層を形成可能な元素(以下、これを「酸化膜形成元素」という。)を含む金属材料、あるいは、
(2) 耐熱性に優れ、かつ、使用温度においてアグレッシブな酸化を起こしにくい金属材料、
をいう。
Here, "high heat resistance and high oxidation resistance material"
(1) An element that is excellent in heat resistance and / or oxidation resistance, has high peel resistance and oxidation resistance, and can form a stable and dense oxide layer on the surface of the material (hereinafter referred to as this) A metal material containing an oxide film forming element), or
(2) A metal material that has excellent heat resistance and is less likely to cause aggressive oxidation at the operating temperature.
Say.

セラミックスセンサを高温酸化雰囲気下で使用すると、一般に、金属電極表面に酸化膜が生成する。この酸化膜が剥離したり、あるいは、酸化膜が酸素を拡散させやすいものであると、使用中に金属電極の酸化が進行し、相対的に短期間で金属電極の電気抵抗が増大する。
これに対し、金属電極として、所定の酸化膜形成元素を含む金属材料を用いると、金属電極表面には、剥離しにくく、かつ、緻密な酸化膜が形成される。また、酸化膜の一部が剥離した場合であっても、酸化膜形成元素が金属表面に拡散し、新たな酸化膜が形成される。そのため、金属電極内部への酸素の拡散が抑制され、金属電極の耐熱性、耐酸化性の劣化を抑制することができる。
また、金属電極として、使用温度においてアグレッシブな酸化を起こしにくい金属材料を用いた場合も同様であり、素材内部への酸素の拡散に起因する金属電極の特性劣化を抑制することができる。
When a ceramic sensor is used in a high-temperature oxidizing atmosphere, an oxide film is generally generated on the surface of the metal electrode. If the oxide film is peeled off or the oxide film easily diffuses oxygen, oxidation of the metal electrode proceeds during use, and the electrical resistance of the metal electrode increases in a relatively short period of time.
On the other hand, when a metal material containing a predetermined oxide film forming element is used as the metal electrode, a dense oxide film that is difficult to peel off is formed on the surface of the metal electrode. Even when a part of the oxide film is peeled off, the oxide film forming element diffuses to the metal surface, and a new oxide film is formed. Therefore, the diffusion of oxygen into the metal electrode is suppressed, and deterioration of the heat resistance and oxidation resistance of the metal electrode can be suppressed.
The same applies to the case where a metal material that does not easily cause aggressive oxidation at the operating temperature is used as the metal electrode, and the deterioration of the characteristics of the metal electrode due to the diffusion of oxygen into the material can be suppressed.

酸化膜形成元素としては、具体的には、Al、Cr、Si、Ni、Mg、Zr、Ti、Zn、Ta等がある。金属電極中には、これらの酸化膜形成元素の内、いずれか1種が含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
金属電極中に含まれる酸化膜形成元素の量は、金属電極内部への酸素の拡散を抑制でき、かつ、金属電極の加工性を低下させないように、金属電極の組成、酸化膜形成元素の種類等に応じて、最適な量を選択する。
金属電極中に含まれる酸化膜形成元素の量は、具体的には、1000℃以上の高温使用条件において酸化膜を100時間以上、形成するために必要な量以上が好ましい。また、金属電極中に含まれる酸化膜形成元素の量は、1wt%以上が好ましい。特に、Al含有量が1wt%以上である材料は、金属電極として好適である。
Specific examples of the oxide film forming element include Al, Cr, Si, Ni, Mg, Zr, Ti, Zn, and Ta. Any one of these oxide film forming elements may be contained in the metal electrode, or two or more of them may be contained.
The amount of the oxide film forming element contained in the metal electrode can suppress the diffusion of oxygen into the metal electrode, and the metal electrode composition and the type of oxide film forming element so as not to reduce the workability of the metal electrode. The optimum amount is selected according to the above.
Specifically, the amount of the oxide film forming element contained in the metal electrode is preferably more than the amount necessary for forming the oxide film for 100 hours or more under high temperature use conditions of 1000 ° C. or more. Further, the amount of the oxide film forming element contained in the metal electrode is preferably 1 wt% or more. In particular, a material having an Al content of 1 wt% or more is suitable as a metal electrode.

また、金属電極は、上述した酸化膜形成元素に加えて、又は、これらに代えて、酸化膜安定化元素を含むものが好ましい。ここで、「酸化膜安定化元素」とは、金属電極の表面に形成された酸化膜を安定化させる機能を有する元素をいう。
一般に、金属材料の表面に形成される酸化膜には、下地の金属材料と密着性の良いものと、悪いものがあることが知られている。酸化膜が下地の金属材料との密着性が悪いものである場合、金属材料にある種の元素(酸化膜安定化元素)を添加すると、酸化膜と下地の密着性が向上し、酸化膜の剥離を抑制することができる。本発明において、酸化膜安定化元素は、必ずしも必要なものではないが、酸化膜安定化元素を含む金属電極を用いると、高温酸化雰囲気下で長時間使用した場合であっても、耐熱性及び/又は耐酸化性を維持することが可能なセラミックセンサが得られる。
The metal electrode preferably contains an oxide film stabilizing element in addition to or instead of the oxide film forming element described above. Here, the “oxide film stabilizing element” refers to an element having a function of stabilizing the oxide film formed on the surface of the metal electrode.
In general, it is known that oxide films formed on the surface of a metal material include those having good adhesion to the underlying metal material and those having poor adhesion. If the oxide film has poor adhesion to the underlying metal material, the addition of a certain element (oxide stabilizing element) to the metal material improves the adhesion between the oxide film and the underlying film, Peeling can be suppressed. In the present invention, an oxide film stabilizing element is not necessarily required. However, when a metal electrode containing an oxide film stabilizing element is used, even if it is used for a long time in a high-temperature oxidizing atmosphere, A ceramic sensor capable of maintaining oxidation resistance is obtained.

このような酸化膜安定化元素としては、具体的には、Y、Yb、La、Ce、Ta、Th等の希土類元素がある。酸化膜安定化元素は、金属電極中に金属状態で含まれていても良く、あるいは、酸化物若しくは複酸化物状態で含まれていても良い。また、金属電極中には、これらの酸化膜安定化元素の内、いずれか1種が含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。特に、Al、Cr、Si等の酸化膜形成元素のいずれか1種と希土類元素の双方を含む材料は、金属電極として好適である。
金属電極中に含まれる酸化膜安定化元素の量は、酸化膜の密着性を高めることができ、かつ、金属電極の加工性を低下させないように、金属電極の組成、酸化膜安定化元素の種類等に応じて、最適な量を選択する。
Specific examples of such oxide film stabilizing elements include rare earth elements such as Y, Yb, La, Ce, Ta, and Th. The oxide film stabilizing element may be contained in a metal state in a metal electrode, or may be contained in an oxide or double oxide state. Further, the metal electrode may contain any one of these oxide film stabilizing elements, or may contain two or more kinds. In particular, a material containing both one kind of oxide film forming elements such as Al, Cr, and Si and a rare earth element is suitable as a metal electrode.
The amount of the oxide film stabilizing element contained in the metal electrode can increase the adhesion of the oxide film and the composition of the metal electrode, the oxide film stabilizing element so as not to deteriorate the workability of the metal electrode. Select the optimal amount according to the type.

金属電極の材料としては、具体的には、
(1) Fe−Cr−Al合金、Fe−Cr−Al−La合金、Fe−Cr−Si合金、Fe−Cr−Si−Y合金、Fe−Cr−Y合金、Fe−Cr−La合金などのFe基の高耐熱性・高耐酸化性材料、
(2) Ni−Cr−Al合金、Ni−Cr−Mo−Fe合金、Ni−Cr−Fe合金などのNi基の高耐熱性・高耐酸化性材料、又は、Ni−Cr−Mo−W合金、Ni−Cr−Mo−Nb合金、Ni−Fe−Ce合金、Ni−Cr−Ti−Al合金、Ni−Al−Ti合金などのAl、Mo、Fe、Cr、Cu、Nb、W、Ti、Co、Si、Y、La等の元素で構成されるNi合金、
(3) Cr−Fe−Al−Ni合金、Cr−Fe合金、Cr−Ni−Fe合金、Cr−Al−Fe−Y合金などのCr基の高耐酸化性・高耐熱性材料、
(4) Al、W、Nb、Zr、Ta、Ti、Ni、Pt、La、Pd、Au、Sm、Sn、Fe、Cu、Gd、Si、Co、Fe、Sc、Ru、Ti、Th、Cr、Zn、Ag、Mo、Re等、又は、これらの合金からなる耐熱材料、
などがある。
Specifically, as a material of the metal electrode,
(1) Fe-Cr-Al alloy, Fe-Cr-Al-La alloy, Fe-Cr-Si alloy, Fe-Cr-Si-Y alloy, Fe-Cr-Y alloy, Fe-Cr-La alloy, etc. Fe-based high heat resistance and high oxidation resistance material,
(2) Ni-based high heat resistance / high oxidation resistance material such as Ni—Cr—Al alloy, Ni—Cr—Mo—Fe alloy, Ni—Cr—Fe alloy, or Ni—Cr—Mo—W alloy Ni-Cr-Mo-Nb alloy, Ni-Fe-Ce alloy, Ni-Cr-Ti-Al alloy, Ni-Al-Ti alloy, etc. Al, Mo, Fe, Cr, Cu, Nb, W, Ti, Ni alloy composed of elements such as Co, Si, Y and La,
(3) Cr-based high oxidation resistance / high heat resistance materials such as Cr—Fe—Al—Ni alloy, Cr—Fe alloy, Cr—Ni—Fe alloy, Cr—Al—Fe—Y alloy,
(4) Al, W, Nb, Zr, Ta, Ti, Ni, Pt, La, Pd, Au, Sm, Sn, Fe, Cu, Gd, Si, Co, Fe, Sc, Ru, Ti, Th, Cr , Zn, Ag, Mo, Re, etc., or a heat-resistant material made of an alloy thereof,
and so on.

金属電極とセラミックス材料の組み合わせは、特に限定されるものではなく、セラミックセンサの用途等に応じて、任意に選択することができる。
但し、耐熱性に優れたセラミックセンサを得るためには、接合後の界面に、金属電極の融点より高い融点を有する拡散層が形成されるように、金属電極とセラミック材料の組み合わせを選択するのが好ましい。
例えば、PtやNiのケイ化物は、PtやNiより融点が低いことが知られている。従って、金属電極又はセラミック材料のいずれか一方にPt及び/又はNiが含まれる場合には、界面にこれらのケイ化物が生成しないように、他方にSiを含まないものを用いるのが好ましい。
The combination of the metal electrode and the ceramic material is not particularly limited, and can be arbitrarily selected according to the application of the ceramic sensor.
However, in order to obtain a ceramic sensor with excellent heat resistance, the combination of the metal electrode and the ceramic material is selected so that a diffusion layer having a melting point higher than the melting point of the metal electrode is formed at the interface after bonding. Is preferred.
For example, it is known that silicides of Pt and Ni have a lower melting point than Pt and Ni. Therefore, when either one of the metal electrode and the ceramic material contains Pt and / or Ni, it is preferable to use one containing no Si so that these silicides are not generated at the interface.

[2.2. 金属電極の厚さ]
金属電極は、セラミックス板に生じる物理的変化を電気的出力として取り出すためのものである。金属電極の厚さは、セラミックセンサの耐久性に影響を及ぼす。例えば、セラミックセンサが高温で使用される場合において、金属電極の厚さが相対的に薄いときには、金属電極が短時間で酸化し、電気的出力を取り出すのが困難となる。また、金属電極には、レーザー溶接等を用いてリード線が接合されるが、金属電極の厚さが薄すぎると、リード線の接合強度が不十分となる。但し、最高使用温度が金属電極の耐酸化温度より低い場合は、この限りではなく、薄くしても良い。
1000℃×100時間以上の耐久性、及び実用上十分なリード線の接合強度を得るためには、金属電極の中心部の厚さは、5μm以上が好ましい。
[2.2. Metal electrode thickness]
The metal electrode is for taking out a physical change generated in the ceramic plate as an electrical output. The thickness of the metal electrode affects the durability of the ceramic sensor. For example, when the ceramic sensor is used at a high temperature, when the thickness of the metal electrode is relatively thin, the metal electrode is oxidized in a short time, and it is difficult to extract the electrical output. In addition, the lead wire is joined to the metal electrode using laser welding or the like, but if the thickness of the metal electrode is too thin, the lead wire has insufficient joint strength. However, when the maximum use temperature is lower than the oxidation resistance temperature of the metal electrode, it is not limited to this and may be made thin.
In order to obtain a durability of 1000 ° C. × 100 hours or more and a practically sufficient lead wire bonding strength, the thickness of the central portion of the metal electrode is preferably 5 μm or more.

[2.3. 金属電極及びセラミックス板の熱膨張係数]
一般に、セラミックス板の表面に金属電極を直接、接合する場合、セラミックス板の熱膨張係数(αS)と、金属電極の熱膨張係数(αM)との差が大きくなるほど、金属電極が剥離しやすくなる。一方、後述するように金属電極の形状を最適化すると、両者の熱膨張係数差が相対的に大きい場合であっても、金属電極の剥離を抑制することができる。
具体的には、セラミックス板の熱膨張係数(αS)に対する金属電極の熱膨張係数(αM)とセラミックスの熱膨張係数の差(Δα=αM−αS)の割合(Δα×100/αS)が10%以上である金属電極を用いた場合であっても、金属電極の形状を最適化することによって、金属電極の剥離を抑制することができる。
[2.3. Thermal expansion coefficients of metal electrodes and ceramic plates]
In general, when a metal electrode is directly bonded to the surface of a ceramic plate, the metal electrode peels off as the difference between the thermal expansion coefficient (α S ) of the ceramic plate and the thermal expansion coefficient (α M ) of the metal electrode increases. It becomes easy. On the other hand, when the shape of the metal electrode is optimized as will be described later, peeling of the metal electrode can be suppressed even when the difference in thermal expansion coefficient between the two is relatively large.
Specifically, the ratio (Δα × 100/100) of the difference between the thermal expansion coefficient (α M ) of the metal electrode and the thermal expansion coefficient of the ceramic (Δα = α M −α S ) with respect to the thermal expansion coefficient (α S ) of the ceramic plate. Even when a metal electrode having α S ) of 10% or more is used, peeling of the metal electrode can be suppressed by optimizing the shape of the metal electrode.

[2.4. 金属電極の形状]
本発明において、金属電極は、少なくとも以下のいずれか1以上の条件を満たすものからなる。
(1) 金属電極の外周の全部又は一部が欠落し、セラミックス板の端部の全部又は一部が露出している。
(2) 金属電極の外周の少なくとも一部分の厚さは、中央部より薄い。
また、金属電極が角部を有する場合、金属電極は、さらに以下の条件を満たすものが好ましい。
(3) 角部を有する金属電極の角部が欠落し、セラミックス板が露出している。
[2.4. Metal electrode shape]
In the present invention, the metal electrode is made of a material that satisfies at least one of the following conditions.
(1) All or part of the outer periphery of the metal electrode is missing, and all or part of the end of the ceramic plate is exposed.
(2) The thickness of at least a part of the outer periphery of the metal electrode is thinner than the central portion.
Moreover, when a metal electrode has a corner | angular part, it is preferable that a metal electrode satisfy | fills the following conditions further.
(3) The corner of the metal electrode having the corner is missing, and the ceramic plate is exposed.

「金属電極の外周の全部が欠落している」とは、金属電極の面積がセラミックス板の面積より小さく、かつ、金属電極の全周にわたって、セラミックス板の端部が所定の幅で露出している状態をいう。
「金属電極の外周の一部が欠落している」とは、金属電極の面積がセラミックス板の面積より小さく、かつ、セラミックス板の端部の一部分(例えば、角部のみ、一辺のみ、対向する2辺のみなど)が露出している状態をいう。
「金属電極の外周の少なくとも一部分の厚さが中央部より薄い」とは、
(a) 金属電極をある一方向から切断したときの金属電極全体の断面形状が台形状になっている状態、
(b) 金属電極をある一方向から切断したときの金属電極全体の断面形状が円弧状になっている状態、
(c) 金属電極の端部の断面形状が円弧状又は階段状になっている状態、
などをいう。
本発明に係るセラミックセンサは、上述した条件のいずれか1つを満たしているものでも良く、あるいは、2以上を同時に満たすものでも良い。
“The entire outer periphery of the metal electrode is missing” means that the area of the metal electrode is smaller than the area of the ceramic plate and the end of the ceramic plate is exposed with a predetermined width over the entire circumference of the metal electrode. The state that is.
“A part of the outer periphery of the metal electrode is missing” means that the area of the metal electrode is smaller than the area of the ceramic plate and a part of the end portion of the ceramic plate (for example, only a corner portion or only one side faces). It means a state where only two sides are exposed.
“The thickness of at least a part of the outer periphery of the metal electrode is thinner than the central part”
(A) A state in which the cross-sectional shape of the entire metal electrode is trapezoidal when the metal electrode is cut from one direction,
(B) A state in which the cross-sectional shape of the entire metal electrode is arcuate when the metal electrode is cut from a certain direction,
(C) A state in which the cross-sectional shape of the end portion of the metal electrode is an arc shape or a step shape,
And so on.
The ceramic sensor according to the present invention may satisfy any one of the above-described conditions, or may satisfy two or more simultaneously.

[3. セラミックセンサの具体例]
[3.1. 第1の具体例]
図1に、本発明に係るセラミックセンサの第1の具体例を示す。図1において、セラミックセンサ10aは、セラミックス板12aと、セラミックス板12aの両面に接合された金属電極14a、14aとを備えている。
セラミックス板12a及び金属電極14a、14aは、それぞれ平面形状が四角形になっている。また、金属電極14a、14aは、角部にテーパ(金属電極14a、14aの角部を幅wで垂直に切り落とす場合も含む。)が設けられている。
なお、図1中、「L1」及び「L2」は、それぞれ、セラミックス板12a(及び、金属電極14a、14a)の各辺の長さを表す。「θ」は、セラミックス板12aの表面と、金属電極14a、14aの傾斜している上端面とのなす角(テーパの角度)を表す。「w」は、セラミックス板12aの辺に対して垂直方向から見たときのテーパの基点からセラミックス板12aの端部までの距離(角欠け幅)を表す。「a」は、金属電極14a、14aの最端部の厚さ(残り厚さ)を表す。
[3. Specific example of ceramic sensor]
[3.1. First Specific Example]
FIG. 1 shows a first specific example of a ceramic sensor according to the present invention. In FIG. 1, a ceramic sensor 10a includes a ceramic plate 12a and metal electrodes 14a and 14a bonded to both surfaces of the ceramic plate 12a.
The ceramic plate 12a and the metal electrodes 14a and 14a each have a quadrangular planar shape. In addition, the metal electrodes 14a and 14a are provided with a taper at a corner (including a case where the corner of the metal electrode 14a and 14a is cut off vertically with a width w).
In FIG. 1, “L 1 ” and “L 2 ” represent the lengths of the respective sides of the ceramic plate 12a (and the metal electrodes 14a and 14a), respectively. “Θ” represents an angle (taper angle) formed by the surface of the ceramic plate 12a and the inclined upper end surfaces of the metal electrodes 14a and 14a. “W” represents the distance (corner notch width) from the taper base point to the end of the ceramic plate 12a when viewed from the direction perpendicular to the side of the ceramic plate 12a. “A” represents the thickness (remaining thickness) of the extreme ends of the metal electrodes 14a, 14a.

一般に、角欠け幅(w)が大きくなるほど、金属電極14a、14aの剥離を抑制する効果が大きくなる。耐久性に優れたセラミックセンサ10aを得るためには、金属電極14a、14aの一辺の幅(L)に対する角欠け幅(w)の割合(w×100/L)は、5%以上が好ましい。なお、L1及びL2が異なる場合には、「一辺の幅(L)」とは、短辺の幅をいう。
テーパの角度(θ)は、0°<θ≦90°の範囲で任意に選択することができる。テーパの角度(θ)及び角欠け幅(w)の大きさによっては、残り厚さ(a)がゼロより大きくなる場合がある。角欠け幅(w)をある一定の値とし、テーパの角度(θ)を大きくしていくと、やがて残り厚さ(a)がゼロとなり、さらにテーパの角度(θ)を大きくすると、セラミックス板12aの角部が露出する。残り厚さ(a)がゼロより大きい場合、残り厚さ(a)がゼロである場合、及び、セラミックス板12aの端部が露出する場合のいずれであっても、金属電極14a、14aの剥離を抑制する効果がある。
なお、テーパの角度(θ)が一定値を超え、セラミックス板12aの角部が露出するときには、金属電極14a、14aの平面形状は、四角形の角部が切り落とされた多角形となる。角欠け幅(w)は、0<w≦L/2であることが好ましい。
In general, the greater the corner chip width (w), the greater the effect of suppressing the peeling of the metal electrodes 14a, 14a. In order to obtain the ceramic sensor 10a having excellent durability, the ratio (w × 100 / L) of the corner chip width (w) to the width (L) of one side of the metal electrodes 14a, 14a is preferably 5% or more. When L 1 and L 2 are different, the “width of one side (L)” means the width of the short side.
The taper angle (θ) can be arbitrarily selected within the range of 0 ° <θ ≦ 90 °. Depending on the taper angle (θ) and the corner chip width (w), the remaining thickness (a) may be greater than zero. If the corner chip width (w) is set to a certain value and the taper angle (θ) is increased, the remaining thickness (a) will eventually become zero, and if the taper angle (θ) is further increased, the ceramic plate The corners of 12a are exposed. Whether the remaining thickness (a) is greater than zero, the remaining thickness (a) is zero, or the end of the ceramic plate 12a is exposed, the metal electrodes 14a and 14a are peeled off. There is an effect to suppress.
When the taper angle (θ) exceeds a certain value and the corners of the ceramic plate 12a are exposed, the planar shape of the metal electrodes 14a and 14a is a polygon with square corners cut off. The corner chip width (w) is preferably 0 <w ≦ L / 2.

[3.2. 第2の具体例]
図2に、本発明に係るセラミックセンサの第2の具体例を示す。図2において、セラミックセンサ10bは、セラミックス板12bと、セラミックス板12bの両面に接合された金属電極14b、14bとを備えている。
セラミックス板12b及び金属電極14b、14bは、いずれも平面形状が四角形になっている。また、金属電極14b、14bの面積は、セラミックス板12bより小さくなっており、金属電極14b、14bの全周にわたって、所定の幅でセラミックス板12bが露出している。すなわち、金属電極14b、14bは、外周の全部が欠落した状態にある。
なお、図2中、「L1」及び「L2」は、それぞれ、金属電極14b、14bの各辺の長さを表す。「b」は、金属電極14b、14bの周囲に露出しているセラミックス板12bの幅(露出幅)を表す。「R」は、金属電極14b、14bの角部の曲率半径を表す。「θ」は、セラミックス板12bの表面と金属電極14b、14bの端面とのなす角(テーパの角度)を表す。図2において、テーパの角度(θ)は、90°になっているが、これは単なる例示であり、テーパの角度(θ)は、90°未満であっても良い。
[3.2. Second specific example]
FIG. 2 shows a second specific example of the ceramic sensor according to the present invention. In FIG. 2, the ceramic sensor 10b includes a ceramic plate 12b and metal electrodes 14b and 14b bonded to both surfaces of the ceramic plate 12b.
The ceramic plate 12b and the metal electrodes 14b and 14b have a quadrangular planar shape. The area of the metal electrodes 14b and 14b is smaller than that of the ceramic plate 12b, and the ceramic plate 12b is exposed with a predetermined width over the entire circumference of the metal electrodes 14b and 14b. That is, the metal electrodes 14b and 14b are in a state where the entire outer periphery is missing.
In FIG. 2, “L 1 ” and “L 2 ” represent the lengths of the sides of the metal electrodes 14b and 14b, respectively. “B” represents the width (exposed width) of the ceramic plate 12b exposed around the metal electrodes 14b and 14b. “R” represents the radius of curvature of the corners of the metal electrodes 14b and 14b. “Θ” represents an angle (taper angle) formed by the surface of the ceramic plate 12b and the end surfaces of the metal electrodes 14b and 14b. In FIG. 2, the taper angle (θ) is 90 °, but this is merely an example, and the taper angle (θ) may be less than 90 °.

一般に、露出幅(b)が大きくなるほど、金属電極14b、14bの剥離を抑制する効果が大きくなる。耐久性に優れたセラミックセンサ10bを得るためには、金属電極14b、14bの一辺の幅(L)に対する露出幅(b)の割合(b×100/L)は、1%以上が好ましい。なお、L1及びL2が異なる場合には、「一辺の幅(L)」とは、短辺の幅をいう。
金属電極14b、14bの周囲に一定の幅を有する露出幅(b)を設ける場合、金属電極14b、14bの角部の曲率半径はゼロでも良い。しかしながら、一定の幅を有する露出幅(b)を設けると同時に、金属電極14b、14bの角部にアールを付けると、金属電極14b、14bの剥離を抑制する効果がさらに大きくなる。耐久性に優れたセラミックセンサ10bを得るためには、金属電極14b、14bの一辺の幅(L(=min(L1、L2)))に対する金属電極14b、14bの角部の曲率半径(R)の割合(R×100/L)は、5%以上が好ましい。
テーパの角度(θ)を0<θ≦90°の範囲で任意に選択するか、あるいは、金属電極14b、14bの外周の稜線をアニールすると、さらなる応力緩和効果が期待できる。
Generally, the effect of suppressing peeling of the metal electrodes 14b and 14b increases as the exposed width (b) increases. In order to obtain the ceramic sensor 10b having excellent durability, the ratio (b × 100 / L) of the exposed width (b) to the width (L) of one side of the metal electrodes 14b, 14b is preferably 1% or more. When L 1 and L 2 are different, the “width of one side (L)” means the width of the short side.
When the exposed width (b) having a certain width is provided around the metal electrodes 14b and 14b, the radius of curvature of the corners of the metal electrodes 14b and 14b may be zero. However, when the exposed width (b) having a certain width is provided and the corners of the metal electrodes 14b and 14b are rounded, the effect of suppressing the peeling of the metal electrodes 14b and 14b is further increased. In order to obtain the ceramic sensor 10b having excellent durability, the radius of curvature of the corners of the metal electrodes 14b and 14b with respect to the width (L (= min (L 1 , L 2 )) of one side of the metal electrodes 14b and 14b ( The ratio of R) (R × 100 / L) is preferably 5% or more.
If the taper angle (θ) is arbitrarily selected within the range of 0 <θ ≦ 90 °, or if the ridge lines on the outer periphery of the metal electrodes 14b and 14b are annealed, a further stress relaxation effect can be expected.

[3.3. 第3の具体例]
図3に、本発明に係るセラミックセンサの第3の具体例を示す。図3において、セラミックセンサ10cは、セラミックス板12cと、セラミックス板12cの両面に接合された金属電極14c、14cとを備えている。
セラミックス板12c及び金属電極14c、14cは、いずれも平面形状が四角形になっている。また、金属電極14c、14cの面積は、セラミックス板12cより小さくなっており、金属電極14c、14cの左右両側は、所定の幅でセラミックス板12bが露出している。すなわち、金属電極14c、14cは、外周の一部が欠落した状態にある。なお、図3においては、金属電極14c、14cの対向する1組の辺のみが欠落しているが、対向するもう1組の辺の両側が欠落していても良い。さらに、セラミックス板12cの端部が露出している境界線の近傍にある金属電極14c、14cの厚さは、金属電極14c、14cの中央部の厚さより薄くなっている。
ここで、「境界線の近傍」とは、境界線から金属電極14c、14cの厚さが薄くなり始める地点までの領域をいう。
なお、図3中、「L1」は、セラミックス板12cが露出している境界線に対して垂直方向から見たときの金属電極14c、14cの長さを表す。「L2」は、セラミックス板12cが露出している境界線に対して平行方向から見たときの金属電極14c、14cの長さを表す。「b」は、金属電極14c、14cの外側に露出しているセラミックス板12cの幅(露出幅)を表す。「θ」は、セラミックス板12cの表面と、金属電極14c、14cの傾斜している上端面とのなす角(テーパの角度)を表す。「w」は、セラミックス板12cの辺に対して垂直方向から見たときのテーパの基点から金属電極14c、14cの端部(境界線)までの距離(角欠け幅)を表す。「a」は、金属電極14c、14cの最端部の厚さ(残り厚さ)を表す。
[3.3. Third specific example]
FIG. 3 shows a third specific example of the ceramic sensor according to the present invention. In FIG. 3, the ceramic sensor 10c includes a ceramic plate 12c and metal electrodes 14c and 14c bonded to both surfaces of the ceramic plate 12c.
Both the ceramic plate 12c and the metal electrodes 14c and 14c have a quadrangular planar shape. The area of the metal electrodes 14c, 14c is smaller than that of the ceramic plate 12c, and the left and right sides of the metal electrodes 14c, 14c are exposed with a predetermined width. That is, the metal electrodes 14c and 14c are in a state where a part of the outer periphery is missing. In FIG. 3, only one set of opposing sides of the metal electrodes 14c and 14c is missing, but both sides of another opposing set of sides may be missing. Furthermore, the thickness of the metal electrodes 14c and 14c in the vicinity of the boundary line where the end portion of the ceramic plate 12c is exposed is smaller than the thickness of the central portion of the metal electrodes 14c and 14c.
Here, “in the vicinity of the boundary line” refers to a region from the boundary line to a point where the thickness of the metal electrodes 14c and 14c starts to decrease.
In FIG. 3, “L 1 ” represents the length of the metal electrodes 14 c and 14 c when viewed from the direction perpendicular to the boundary line where the ceramic plate 12 c is exposed. “L 2 ” represents the length of the metal electrodes 14 c and 14 c when viewed from a direction parallel to the boundary line where the ceramic plate 12 c is exposed. “B” represents the width (exposed width) of the ceramic plate 12c exposed to the outside of the metal electrodes 14c, 14c. “Θ” represents an angle (taper angle) formed by the surface of the ceramic plate 12c and the inclined upper end surfaces of the metal electrodes 14c and 14c. “W” represents the distance (corner-missing width) from the taper base point to the ends (boundary lines) of the metal electrodes 14c and 14c when viewed from the direction perpendicular to the side of the ceramic plate 12c. “A” represents the thickness (remaining thickness) of the extreme ends of the metal electrodes 14c and 14c.

一般に、露出幅(b)が大きくなるほど、金属電極14c、14cの剥離を抑制する効果が大きくなる。耐久性に優れたセラミックセンサ10cを得るためには、金属電極14c、14cの一辺の幅(L=L2)に対する露出幅(b)の割合(b×100/L)は、1%以上が好ましい。
一般に、角欠け幅(w)が大きくなるほど、金属電極14a、14aの剥離を抑制する効果が大きくなる。耐久性に優れたセラミックセンサ10aを得るためには、金属電極14a、14aの一辺の幅(L=L2)に対する角欠け幅(w)の割合(w×100/L)は、1%以上が好ましい。
テーパの角度(θ)は、0°<θ≦90°の範囲で任意に選択することができる。テーパの角度(θ)は、さらに好ましくは、10°≦θ≦60°である。テーパの角度(θ)及び角欠け幅(w)の大きさによっては、残り厚さ(a)がゼロより大きくなる場合がある。角欠け幅(w)をある一定の値とし、テーパの角度(θ)を大きくしていくと、やがて残り厚さ(a)がゼロとなる。残り厚さ(a)がゼロより大きい場合、及び残り厚さ(a)がゼロである場合のいずれであっても、金属電極14c、14cの剥離を抑制する効果がある。
また、金属電極の角度部に、前記のように面取り加工又はR加工を施すことにより、さらなる応力緩和効果が期待できる。
In general, the greater the exposure width (b), the greater the effect of suppressing the peeling of the metal electrodes 14c, 14c. In order to obtain the ceramic sensor 10c having excellent durability, the ratio (b × 100 / L) of the exposed width (b) to the width (L = L 2 ) of one side of the metal electrodes 14c, 14c is 1% or more. preferable.
In general, the greater the corner chip width (w), the greater the effect of suppressing the peeling of the metal electrodes 14a, 14a. In order to obtain the ceramic sensor 10a having excellent durability, the ratio (w × 100 / L) of the corner chip width (w) to the width (L = L 2 ) of one side of the metal electrodes 14a, 14a is 1% or more. Is preferred.
The taper angle (θ) can be arbitrarily selected within the range of 0 ° <θ ≦ 90 °. The taper angle (θ) is more preferably 10 ° ≦ θ ≦ 60 °. Depending on the taper angle (θ) and the corner chip width (w), the remaining thickness (a) may be greater than zero. When the corner chip width (w) is set to a certain value and the taper angle (θ) is increased, the remaining thickness (a) eventually becomes zero. Even if the remaining thickness (a) is greater than zero and the remaining thickness (a) is zero, there is an effect of suppressing peeling of the metal electrodes 14c and 14c.
Further, further stress relaxation effect can be expected by performing chamfering or R machining on the angle portion of the metal electrode as described above.

[3.4. 第4の具体例]
図4に、本発明に係るセラミックセンサの第4の具体例を示す。図4において、セラミックセンサ10dは、セラミックス板12dと、セラミックス板12dの両面に接合された金属電極14d、14dとを備えている。
セラミックス板12dは、平面形状が四角形になっている。一方、金属電極14d、14dは、平面形状が円形になっている。金属電極14d、14dの直径は、セラミックス板12dの一辺の長さより短くなっており、金属電極14d、14dの周囲は、セラミックス板12dの端部が露出している。
なお、図4中、「L1」及び「L2」は、それぞれ、セラミックス板12dの一辺及びこれと交差する辺に対して垂直方向から見た金属電極14d、14dの幅(直径)を表す。「b」は、金属電極14d、14dの端部からセラミックス板12dの端部までの最短距離(露出幅)を表す。「θ」は、セラミックス板12dの表面と金属電極14d、14dの端面とのなす角(テーパの角度)を表す。図4において、テーパの角度(θ)は、90°になっているが、これは単なる例示であり、テーパの角度(θ)は、90°未満であっても良い。
[3.4. Fourth Specific Example]
FIG. 4 shows a fourth specific example of the ceramic sensor according to the present invention. In FIG. 4, the ceramic sensor 10d includes a ceramic plate 12d and metal electrodes 14d and 14d bonded to both surfaces of the ceramic plate 12d.
The ceramic plate 12d has a quadrangular planar shape. On the other hand, the metal electrodes 14d and 14d have a circular planar shape. The diameters of the metal electrodes 14d and 14d are shorter than the length of one side of the ceramic plate 12d, and the ends of the ceramic plate 12d are exposed around the metal electrodes 14d and 14d.
In FIG. 4, “L 1 ” and “L 2 ” represent the widths (diameters) of the metal electrodes 14 d and 14 d viewed from the direction perpendicular to one side of the ceramic plate 12 d and the side intersecting with this, respectively. . “B” represents the shortest distance (exposed width) from the ends of the metal electrodes 14d and 14d to the end of the ceramic plate 12d. “Θ” represents an angle (taper angle) formed by the surface of the ceramic plate 12d and the end surfaces of the metal electrodes 14d and 14d. In FIG. 4, the taper angle (θ) is 90 °, but this is merely an example, and the taper angle (θ) may be less than 90 °.

一般に、露出幅(b)が大きくなるほど、金属電極14d、14dの剥離を抑制する効果が大きくなる。耐久性に優れたセラミックセンサ10dを得るためには、金属電極14d、14dの幅(L(=L1=L2))に対する露出幅(b)の割合(b×100/L)は、1%以上が好ましい。しかしながら、ある一定値を超えると、応力緩和効果は大きく変化しにくくなる(図9参照)。
なお、図4に示す例において、セラミックス板12dは、平面形状が四角形になっているが、セラミックス板12dの平面形状は、四角形以外の形状(例えば、三角形、円形等)であっても良い。また、電極14d、14dは、楕円(L1≠L2)でも良い。
In general, the greater the exposure width (b), the greater the effect of suppressing peeling of the metal electrodes 14d, 14d. In order to obtain the ceramic sensor 10d having excellent durability, the ratio (b × 100 / L) of the exposed width (b) to the width (L (= L 1 = L 2 )) of the metal electrodes 14d, 14d is 1 % Or more is preferable. However, when the value exceeds a certain value, the stress relaxation effect is hardly changed (see FIG. 9).
In the example shown in FIG. 4, the ceramic plate 12d has a square planar shape, but the planar shape of the ceramic plate 12d may be a shape other than a square (for example, a triangle, a circle, etc.). The electrodes 14d and 14d may be ellipses (L 1 ≠ L 2 ).

[3.5. 第5の具体例]
図5に、本発明に係るセラミックセンサの第5の具体例を示す。図5において、セラミックセンサ10eは、セラミックス板12eと、セラミックス板12eの両面に接合された金属電極14e、14eとを備えている。
セラミックス板12eは、平面形状が四角形になっている。一方、金属電極14e、14eは、平面形状が円形になっている。金属電極14e、14eの直径は、セラミックス板12eの一辺の長さより短くなっており、金属電極14e、14eの周囲には、セラミックス板12eの端部が露出している。さらに、金属電極14e、14eの断面形状は、円弧状(半球形)になっている。
なお、図5中、「L1」及び「L2」は、それぞれ、セラミックス板12dの一辺及びこれと交差する辺に対して垂直方向から見た金属電極14d、14dの幅(直径)を表す。「b」は、金属電極14e、14eの端部からセラミックス板12eの端部までの最短距離(露出幅)を表す。
[3.5. Fifth Specific Example]
FIG. 5 shows a fifth specific example of the ceramic sensor according to the present invention. In FIG. 5, the ceramic sensor 10e includes a ceramic plate 12e and metal electrodes 14e and 14e bonded to both surfaces of the ceramic plate 12e.
The ceramic plate 12e has a quadrangular planar shape. On the other hand, the metal electrodes 14e and 14e have a circular planar shape. The diameters of the metal electrodes 14e and 14e are shorter than the length of one side of the ceramic plate 12e, and the ends of the ceramic plate 12e are exposed around the metal electrodes 14e and 14e. Furthermore, the cross-sectional shape of the metal electrodes 14e, 14e is arcuate (hemispheric).
In FIG. 5, “L 1 ” and “L 2 ” represent the widths (diameters) of the metal electrodes 14 d and 14 d viewed from the direction perpendicular to one side of the ceramic plate 12 d and the side intersecting with the one side, respectively. . “B” represents the shortest distance (exposure width) from the end of the metal electrodes 14e, 14e to the end of the ceramic plate 12e.

一般に、露出幅(b)が大きくなるほど、金属電極14e、14eの剥離を抑制する効果が大きくなる。耐久性に優れたセラミックセンサ10eを得るためには、金属電極14e、14eの直径(L(=L1=L2))に対する露出幅(b)の割合(b×100/L)は、1%以上が好ましい。
なお、図5に示す例において、セラミックス板12eは、平面形状が四角形になっているが、セラミックス板12eの平面形状は、四角形以外の形状(例えば、三角形、円形等)であっても良い。
In general, the greater the exposure width (b), the greater the effect of suppressing peeling of the metal electrodes 14e, 14e. In order to obtain the ceramic sensor 10e having excellent durability, the ratio (b × 100 / L) of the exposed width (b) to the diameter (L (= L 1 = L 2 )) of the metal electrodes 14e, 14e is 1 % Or more is preferable.
In the example shown in FIG. 5, the ceramic plate 12e has a quadrangular planar shape, but the planar shape of the ceramic plate 12e may be a shape other than a square (for example, a triangle, a circle, etc.).

次に、本発明に係るセラミックセンサの製造方法について説明する。
本発明に係るセラミックセンサは、
(1) 相対的に面積の大きい焼結体を作製し、
(2) 焼結体の全面に所定の厚さを有する金属箔を接合し、
(3) エッチング、機械加工等により金属箔の不要部分を除去し、
(4) 焼結体を所定の大きさに切断する、
ことにより製造することができる。
このようにして得られたセラミックセンサは、通常、金属電極の両面にリード線が接合又は接着される。
Next, a method for manufacturing a ceramic sensor according to the present invention will be described.
The ceramic sensor according to the present invention is:
(1) A sintered body having a relatively large area is produced,
(2) A metal foil having a predetermined thickness is bonded to the entire surface of the sintered body,
(3) Remove unnecessary parts of the metal foil by etching, machining, etc.
(4) cutting the sintered body into a predetermined size;
Can be manufactured.
In the ceramic sensor thus obtained, lead wires are usually bonded or bonded to both surfaces of the metal electrode.

金属箔とセラミックスとの接合は、両者を直接、重ね合わせて接合するものであっても良く、あるいは、金属箔とセラミックスの間に適当なロウ材、中間層、導電性ペースト、導電性接着剤等を介在させて、接合するものでも良い。
接合温度及び時間は、金属箔及びセラミックスの組成、中間層等を用いる場合にはその組成、これらの組み合わせ等に応じて最適なものを選択する。一般に、接合温度が金属箔、中間層等の融点に比べて低すぎる場合、及び/又は、接合時間が短すぎる場合には、十分な接合強度は得られない。一方、接合温度が金属箔、中間層等の融点に比べて高すぎる場合、及び/又は、接合時間が長すぎる場合には、金属箔が溶融、変質、又は分解し、あるいは、セラミックス側に生成する拡散層の厚さが厚くなるので好ましくない。
The metal foil and the ceramic may be joined by directly superimposing the two, or a suitable brazing material, intermediate layer, conductive paste, conductive adhesive between the metal foil and the ceramic. Etc. may be used for the joining.
The joining temperature and time are selected optimally depending on the composition of the metal foil and ceramics, the intermediate layer, etc., the composition thereof, a combination thereof, and the like. In general, when the bonding temperature is too low as compared to the melting point of the metal foil, the intermediate layer, and / or when the bonding time is too short, sufficient bonding strength cannot be obtained. On the other hand, if the joining temperature is too high compared to the melting point of the metal foil, intermediate layer, etc. and / or if the joining time is too long, the metal foil melts, deteriorates, decomposes, or is generated on the ceramic side. Since the thickness of the diffusion layer to be increased is not preferable.

また、接合は、金属箔/セラミックス界面を加圧しながら行うことが好ましい。最適な圧力は、金属箔及びセラミックス材料の組成、中間層等を用いる場合にはその組成、これらの組み合わせ、接合温度等に応じて異なる。一般に、接合時の圧力が小さすぎる場合には、金属箔とセラミック界面に非接触部が生じやすいため、構成元素の拡散むらが生じ、十分な接合強度は得られない。一方、接合時の圧力が大きくなりすぎると、金属箔及び/又はセラミックス材料が変形及び破壊するおそれがあるので好ましくない。接合時の加圧力は、具体的には、0.1MPa以上100MPa以下が好ましい。   The joining is preferably performed while pressurizing the metal foil / ceramic interface. The optimum pressure varies depending on the composition of the metal foil and the ceramic material, the composition of the intermediate layer, etc., the combination thereof, the bonding temperature, and the like. In general, when the pressure at the time of bonding is too small, a non-contact portion is likely to be generated at the metal foil and ceramic interface, so that uneven diffusion of constituent elements occurs, and sufficient bonding strength cannot be obtained. On the other hand, when the pressure at the time of joining becomes too large, the metal foil and / or the ceramic material may be deformed and broken, which is not preferable. Specifically, the applied pressure at the time of joining is preferably 0.1 MPa or more and 100 MPa or less.

例えば、Fe−Cr−Al、Ni−Cr−Al等のFe基又はNi基耐熱鋼からなる金属箔とSiとを接合する場合、接合温度は、金属箔材料の融点の0.4以上若しくは500℃以上1200℃以下が好ましい。接合時間及び接合圧力は、接合温度に応じて、最適な条件を選択する。 For example, when joining the Fe-Cr-Al, Ni- Cr-Al metal foil and Si 3 N 4 consisting of Fe-based or Ni-based heat resistant steel such as, junction temperature, 0.4 of the melting point of the metal foil material The temperature is preferably from 500 ° C. to 1200 ° C. Optimum conditions are selected for the bonding time and bonding pressure depending on the bonding temperature.

さらに、接合は、単に加圧しながら加熱するだけでも良いが、接合時に電界、電場を印加する、いわゆるField-Assisted Bonding法を用いても良い。接合時に電界を印加すると、界面反応が強制的に引き起こされるので、良好な接合体を得ることができる。あるいは、単に金属箔とセラミックスの積層体に電圧を印加し、ジュール熱によって接合することが好ましい。   Further, the bonding may be performed simply by heating while applying pressure, but a so-called Field-Assisted Bonding method in which an electric field or an electric field is applied at the time of bonding may be used. When an electric field is applied at the time of bonding, an interface reaction is forcibly caused, so that a good bonded body can be obtained. Alternatively, it is preferable to simply apply a voltage to the laminate of the metal foil and the ceramic and join them by Joule heat.

なお、接合時の加圧には、一般に、カーボン治具又はBN等の離型材が塗布されたカーボン治具が用いられる。このような治具を用いて金属箔/セラミックスの積層体を加圧すると、カーボン治具表面から炭素及び/又は窒素が金属箔に拡散し、金属電極表面に炭素及び/若しくは窒素の拡散層、並びに/又は、炭化物層及び/又は窒化物層が生成する場合がある。このような拡散層等が金属電極表面に生成すると、金属電極の耐酸化性、耐熱性を低下させる原因となる。また、リード線を接合又は溶接する場合には、接合性及び溶接性を低下させるおそれがある。
このような場合には、金属箔に予め炭素及び/又は窒素の拡散を抑制する処理を施すのが好ましい。このような処理としては、具体的には、
(1) 酸化膜形成元素を含む金属箔を、接合前に酸化処理し、金属箔表面に薄い酸化膜を形成する方法、
(2) 金属箔の表面に炭素との親和性が低い金属層(例えば、白金、ロジウム等の貴金属層)を形成する方法、
(3) 金属箔の表面に、金属箔より酸化膜形成元素の含有量が多い金属層を形成する方法、
(4) BN、Al等の反応性の低い離型層をカーボンパンチと金属薄の間に形成する方法、
(5) Mo、Wなどの高融点でかつ金属箔と反応性が低いか、若しくは固溶体を形成しても金属箔の融点、耐酸化性や電導性等の電極としての特性を低下させないような金属箔又は金属板を、電極用金属箔とカーボンダイスの間に挟んで接合する方法、
などがある。
(5)においては、金属箔又は金属板と電極用金属箔の間に、BN等の離型用のコート層を形成させても良い。
In general, a carbon jig coated with a release material such as a carbon jig or BN is used for pressurization during bonding. When a metal foil / ceramic laminate is pressed using such a jig, carbon and / or nitrogen diffuses from the surface of the carbon jig into the metal foil, and a carbon and / or nitrogen diffusion layer on the metal electrode surface, In addition, a carbide layer and / or a nitride layer may be generated. When such a diffusion layer or the like is generated on the surface of the metal electrode, it causes a reduction in oxidation resistance and heat resistance of the metal electrode. Moreover, when joining or welding a lead wire, there exists a possibility of reducing joinability and weldability.
In such a case, it is preferable that the metal foil is previously subjected to a treatment for suppressing the diffusion of carbon and / or nitrogen. Specifically, as such processing,
(1) A method of forming a thin oxide film on the surface of a metal foil by oxidizing a metal foil containing an oxide film forming element before joining,
(2) A method of forming a metal layer having a low affinity for carbon (for example, a noble metal layer such as platinum or rhodium) on the surface of the metal foil,
(3) A method of forming a metal layer having a higher content of oxide film forming elements than the metal foil on the surface of the metal foil,
(4) A method of forming a release layer having low reactivity such as BN and Al 2 O 3 between a carbon punch and a thin metal,
(5) High melting point such as Mo and W and low reactivity with the metal foil, or even if a solid solution is formed, the characteristics of the metal foil such as melting point, oxidation resistance and conductivity are not deteriorated. A method of joining a metal foil or a metal plate between a metal foil for electrodes and a carbon die,
and so on.
In (5), a release coating layer such as BN may be formed between the metal foil or metal plate and the electrode metal foil.

次に、本発明に係るセラミックセンサの作用について説明する。
耐熱性及び耐酸化性を有する金属は、通常、セラミックスに比べて熱膨張係数が大きい。そのため、このような金属からなる電極とセラミックス板とを接合すると、界面には、両者の熱膨張係数差に起因する熱応力が発生する。この熱応力は、金属電極の外周部において最も高くなる。また、セラミックス板の形状が四角形等の多角形である場合には、角部に発生する熱応力が最も高くなる。
これに対し、金属電極の外周の全部若しくは一部を欠落させ、及び/又は、金属電極の外周の少なくとも一部分の厚さを中央部より薄くすると、金属電極の外周部に発生する熱応力を著しく軽減することができる。そのため、このようなセラミックセンサに対して冷熱サイクルを加えても、金属電極が剥離するおそれは少ない。また、これによって、電極/セラミックス界面の亀裂や剥離の生成に起因する長期的な抵抗値変化を抑制することができる。
さらに、熱応力を軽減するために、必ずしも中間層を介在させる必要がないので、低コストであり、金属電極組成の経時変化も起きにくい。
Next, the operation of the ceramic sensor according to the present invention will be described.
A metal having heat resistance and oxidation resistance usually has a larger coefficient of thermal expansion than ceramics. Therefore, when an electrode made of such a metal and a ceramic plate are joined, thermal stress due to a difference in thermal expansion coefficient between the two is generated at the interface. This thermal stress is highest at the outer periphery of the metal electrode. Moreover, when the shape of the ceramic plate is a polygon such as a quadrangle, the thermal stress generated at the corner is the highest.
On the other hand, if all or a part of the outer periphery of the metal electrode is missing and / or if the thickness of at least a part of the outer periphery of the metal electrode is made thinner than the central portion, the thermal stress generated in the outer periphery of the metal electrode is remarkably increased. Can be reduced. Therefore, even if a cooling cycle is applied to such a ceramic sensor, the metal electrode is less likely to peel off. In addition, this makes it possible to suppress a long-term change in resistance value resulting from the generation of cracks or peeling at the electrode / ceramic interface.
Furthermore, since it is not always necessary to interpose an intermediate layer in order to reduce thermal stress, the cost is low and the metal electrode composition hardly changes over time.

(実施例1、参考例2〜3、実施例4、参考例5〜9、比較例1)
[1. 試料の作製]
□10mm×1mmのSiC系セラミックスの両面を、2枚のステンレス鋼箔(厚さ30μm)でサンドイッチ状に挟んだ。これを、1000℃×10分間×30MPaの条件下で熱処理し、拡散接合した。ステンレス鋼箔の一部をエッチングにより除去した後、セラミックスを所定の大きさの正方形又は長方形に切断した。
金属電極の形状は、
(1) 角部にテーパを付けた多角形(実施例1、参考例2〜3、実施例4、図1)、
(2) 全周を除去し、角部にRを付けた四角形(参考例5、図2)、
(3) 対向する2辺を除去し、角部にテーパを付けた四角形(参考例6〜7、図3)、
(4) 円柱形(参考例8、図4)、又は、
(5) 半球形(参考例9、図5)、
とした。
また、比較として、図6に示すように、四角形のセラミックス板12fの両面の全面に、四角形の金属電極14f、14fを接合した無加工のセラミックセンサ10f(比較例1)も作製した。
(Example 1, Reference Examples 2-3, Example 4, Reference Example 5-9, the specific Comparative Examples 1)
[1. Preparation of sample]
□ Both sides of a 10 mm × 1 mm SiC ceramic were sandwiched between two stainless steel foils (thickness 30 μm). This was heat-treated under conditions of 1000 ° C. × 10 minutes × 30 MPa, and diffusion bonded. After removing a part of the stainless steel foil by etching, the ceramic was cut into squares or rectangles of a predetermined size.
The shape of the metal electrode is
(1) Polygons with tapered corners ( Example 1, Reference Examples 2-3, Example 4 , FIG. 1),
(2) A quadrilateral with the entire circumference removed and R added to the corners ( Reference Example 5 , FIG. 2),
(3) A quadrangle ( reference examples 6 to 7 and FIG. 3) with two opposite sides removed and tapered at the corners,
(4) Cylindrical shape ( Reference Example 8 , FIG. 4), or
(5) Hemisphere ( Reference Example 9 , Fig. 5),
It was.
For comparison, as shown in FIG. 6, a non-processed ceramic sensor 10f (Comparative Example 1) in which square metal electrodes 14f and 14f were joined to the entire surface of both sides of a square ceramic plate 12f was also produced.

[2. 試験方法(1)]
得られたセラミックセンサについて、大気中、1000℃×50hを1サイクルとする冷熱サイクル試験を50〜500h行った。冷熱サイクル試験において、1サイクルごとに金属電極の剥離状態を実体顕微鏡で評価した。
[2. Test method (1)]
About the obtained ceramic sensor, the thermal cycle test which makes 1000 degreeC * 50h 1 cycle in air | atmosphere was performed for 50-500h. In the thermal cycle test, the peeling state of the metal electrode was evaluated with a stereomicroscope every cycle.

[3. 結果(1)
表1に、剥離評価結果を示す。なお、表1には、電極形状の詳細も併せて示した。表1中、L1は、矩形のセラミックス板の1つの辺(a')に対して垂直方向から見たときの金属電極の幅を表す。また、L2は、1つの辺(a')と交差する辺(b')に対して垂直方向から見たときの金属電極の幅を表す。また、参考例6、7において、金属電極は3×1mmの長方形であり、bは、短辺(L2=1mm)に対して垂直方向から見たときの金属電極の露出幅を表す。
比較例1は、50h以内で金属電極の剥離が起こった。これに対し、実施例1、参考例2〜3、実施例4、参考例5〜9は、いずれも100hで金属電極の剥離は認められなかった。特に、参考例6、7、9は、500hの熱処理後であっても金属電極の剥離は認められなかった。
[3. Result (1) ]
Table 1 shows the peel evaluation results. Table 1 also shows details of the electrode shape. In Table 1, L 1 represents the width of the metal electrode when viewed from the direction perpendicular to one side (a ′) of the rectangular ceramic plate. L 2 represents the width of the metal electrode when viewed from the direction perpendicular to the side (b ′) intersecting with one side (a ′). In Reference Examples 6 and 7 , the metal electrode is a 3 × 1 mm rectangle, and b represents the exposed width of the metal electrode when viewed from the direction perpendicular to the short side (L 2 = 1 mm).
In Comparative Example 1, peeling of the metal electrode occurred within 50 hours. On the other hand, Example 1, Reference Examples 2-3, Example 4, and Reference Examples 5-9 were all 100 h, and no metal electrode peeling was observed. In particular, in Reference Examples 6 , 7 , and 9 , peeling of the metal electrode was not observed even after the heat treatment for 500 hours.

Figure 0005294579
Figure 0005294579

[4. 試験方法(2)]
参考例7及び比較例1で得られたセラミックセンサについて、真空中、室温⇔1050℃/日を1サイクルとする冷熱サイクル試験を行った。1サイクル終了毎に、センサの抵抗値の測定及び剥離状態の評価を行った。
[4. Test method (2)]
The ceramic sensors obtained in Reference Example 7 and Comparative Example 1 were subjected to a cooling / heating cycle test in a vacuum at room temperature ⇔ 1050 ° C./day. Each time one cycle was completed, the sensor resistance value was measured and the peeled state was evaluated.

[5. 結果(2)]
図7に、冷熱サイクル試験結果を示す。比較例1の場合、試験前の抵抗値が相対的に高く、2サイクル目以降は、抵抗値が急増した。2サイクル終了時点で実体顕微鏡で観察したところ、金属電極の剥離が認められた。
これに対し、参考例7の場合、試験前の抵抗値が相対的に低く、かつ、12サイクル終了後も抵抗値の増加が認められなかった。また、実体顕微鏡で観察しても、金属電極の剥離は認められなかった。
[5. Result (2)]
FIG. 7 shows the results of the cooling / heating cycle test. In the case of Comparative Example 1, the resistance value before the test was relatively high, and the resistance value increased rapidly after the second cycle. When observed with a stereomicroscope at the end of two cycles, peeling of the metal electrode was observed.
On the other hand, in the case of Reference Example 7 , the resistance value before the test was relatively low, and no increase in the resistance value was observed after the end of 12 cycles. Further, even when observed with a stereomicroscope, peeling of the metal electrode was not observed.

参考例10
[1. 実験方法]
電極面積及び電極角部R加工の効果をFEMにより解析した。セラミックス板の材質は、SiC系セラミックスとし、大きさは、8mm角とした。また、金属電極の材質は、Fe−Cr−Al−Laとし、厚さは、30μmとした。接合温度は、1000℃とした。
( Reference Example 10 )
[1. experimental method]
The effect of electrode area and electrode corner R processing was analyzed by FEM. The material of the ceramic plate was SiC ceramic, and the size was 8 mm square. The material of the metal electrode was Fe-Cr-Al-La, and the thickness was 30 μm. The bonding temperature was 1000 ° C.

[2. 結果]
図8に、8mm角の金属箔/セラミック板の接合サンプルにおける、電極面積縮小による応力緩和効果を示す。セラミック板厚を1mm、金属箔厚を30μmとする計算モデルにおいて、1000℃で接合して20℃まで温度を下げた場合において、露出幅(b)がゼロであるときには、最大主応力は、金属電極の角部に発生することがわかった。また、最大主応力は、2170N/mm2(2170MPa)であった。これに対し、金属電極の全周を一定の露出幅(b)で除去すると、最大主応力は、1460N/mm2となり、応力緩和率は、−33%であった。
図9の左図に、角曲率半径(R)が0mmであるときの露出幅(b)と最大主応力との関係を示す。また、図9の右図に、露出幅(b)が0mmであるときの角曲率半径(R)と最大主応力との関係を示す。図9より、露出幅(b)が大きくなるほど、及び、角曲率半径が大きくなるほど、最大主応力が小さくなることがわかる。
[2. result]
FIG. 8 shows the stress relaxation effect by reducing the electrode area in an 8 mm square metal foil / ceramic plate bonding sample. In the calculation model in which the ceramic plate thickness is 1 mm and the metal foil thickness is 30 μm, when the temperature is lowered to 20 ° C. after bonding at 1000 ° C., when the exposed width (b) is zero, the maximum principal stress is metal It was found to occur at the corners of the electrode. The maximum principal stress was 2170 N / mm 2 (2170 MPa). In contrast, when the entire circumference of the metal electrode was removed with a constant exposure width (b), the maximum principal stress was 1460 N / mm 2 and the stress relaxation rate was −33%.
The left diagram in FIG. 9 shows the relationship between the exposure width (b) and the maximum principal stress when the angular curvature radius (R) is 0 mm. Moreover, the right figure of FIG. 9 shows the relationship between the angular curvature radius (R) and the maximum principal stress when the exposure width (b) is 0 mm. FIG. 9 shows that the maximum principal stress decreases as the exposed width (b) increases and the angular curvature radius increases.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係るセラミックセンサは、600℃以上の高温酸化雰囲気下で使用される各種センサとして使用することができる。   The ceramic sensor according to the present invention can be used as various sensors used in a high-temperature oxidizing atmosphere of 600 ° C. or higher.

本発明の第1の実施の形態に係るセラミックセンサの平面図(上図)及び正面図(下図)である。It is the top view (upper figure) and front view (lower figure) of the ceramic sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係るセラミックセンサの平面図(上図)及び正面図(下図)である。It is the top view (upper figure) and front view (lower figure) of the ceramic sensor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態に係るセラミックセンサの平面図(左上図)、正面図(左下図)、及び右側面図(右上図)である。It is the top view (upper left figure), front view (lower left figure), and right side view (upper right figure) of the ceramic sensor which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態に係るセラミックセンサの平面図(上図)及び正面図(下図)である。It is the top view (upper figure) and front view (lower figure) of the ceramic sensor which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施の形態に係るセラミックセンサの平面図(上図)及び正面図(下図)である。It is the top view (upper figure) and front view (lower figure) of the ceramic sensor which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 従来のセラミックセンサの平面図(左上図)、正面図(左下図)、及び右側面図(右上図)である。It is a top view (upper left figure), a front view (lower left figure), and a right side view (upper right figure) of a conventional ceramic sensor. 参考例7及び比較例1のセラミックセンサの冷熱サイクル試験結果である。It is a cooling-heat cycle test result of the ceramic sensor of the reference example 7 and the comparative example 1. 電極面積縮小による応力緩和効果を示すFEM解析結果である。It is a FEM analysis result which shows the stress relaxation effect by electrode area reduction. 図9左図は、露出幅(b)と最大主応力との関係を示すFEM解析結果であり、図9右図は、角曲率半径(R)と最大主応力との関係を示すFEM解析結果である。The left figure in FIG. 9 shows the FEM analysis result showing the relationship between the exposure width (b) and the maximum principal stress, and the right figure in FIG. 9 shows the FEM analysis result showing the relation between the angular curvature radius (R) and the maximum principal stress. It is.

Claims (3)

セラミックス板と、
前記セラミックス板の少なくとも一方の表面に接合された金属電極とを備え、
前記セラミックス板の平面形状は、四角形であり、
前記金属電極の平面形状は、前記四角形であって、前記四角形の角部が切り落とされていないものであり、
前記金属電極は、前記角部にのみテーパが設けられているセラミックセンサ。
Ceramic plates,
A metal electrode joined to at least one surface of the ceramic plate,
The planar shape of the ceramic plate is a quadrangle,
The planar shape of the metal electrode is the quadrangle, and the corners of the quadrangle are not cut off,
The metal electrode is a ceramic sensor in which a taper is provided only at the corner.
前記金属電極の中心部の厚さは、5μm以上である請求項1に記載のセラミックセンサ。 The thickness of the central portion of the metal electrode, the ceramic sensor according to claim 1 Ru der least 5 [mu] m. 前記金属電極は、Fe基又はNi基の高耐熱性・高耐酸化性材料からなる請求項1又は2に記載のセラミックセンサ。 The metal electrode, the ceramic sensor according to claim 1 or 2 ing from the high heat resistance and high oxidation resistant material of Fe-based or Ni-based.
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