CN100580443C - 气体传感器元件及气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气体传感器元件及气体传感器，该气体传感器元件包括：固体电解质层，其具有第一表面和第二表面；第一电极，其被形成在固体电解质层的第一表面上；第二电极，其被形成在固体电解质层的第二表面上；以及绝缘层，其被设置在第一电极和固体电解质层的第一表面之间。绝缘层覆盖第一电极的外缘并具有开口，第一电极的一部分通过该开口暴露。该开口具有比第二电极的面积小的面积并被设置在与第二电极相对的位置以形成探测部，该探测部由通过开口暴露的第一电极的该部分、第二电极和固体电解质层构成。

Description

气体传感器元件及气体传感器

技术领域

本发明涉及一种用于探测待测气体中的特定气体成分的浓度的气体传感器元件及气体传感器。

背景技术

已知的气体传感器包括用于探测如从汽车排放的排气等被测气体中的特定气体成分浓度的传感器。该类型的气体传感器使用气体传感器元件，该气体传感器元件的电气特性随被测气体中的特定气体成分的浓度而变化。该气体传感器元件设置有固体电解质构件，例如，该固体电解质构件主要由氧化锆组成。该已知的气体传感器元件具有通过层叠一个或多个固体电解质构件、电极、绝缘层、加热器等而制成的整体板状外形。该加热器通过层叠如主要由氧化铝组成的陶瓷层等绝缘层、加热电阻器等构成。

在上述气体传感器元件中，沿板形状的纵向的一个端部(即前端部)被设置为暴露于待测气体的探测部，另一个端部(即后端部)被固定到主装置上。于是，已知的气体传感器元件(例如，如在JP-A-2003-294687中所说明的)具有：基准电极和探测电极，其被布置在以板形状形成的固体电解质构件的前端侧的两面上；以及引线部，其被连接到沿固体电解质构件的纵向单独形成的那些电极部。

还已知可以通过将探测电极的面积设定为基准电极面积的1.25倍或更大来缩短气体传感器元件的激活时间(即，开始电力供应之后，传感器变得可以工作所需要的时间)(例如，如在JP-A-2002-202280中所说明的)。

然而，在上述气体传感器元件中，由于制造过程中的公差等，被形成在固体电解质构件的表面和背面的一对电极部(例如，基准电极和探测电极)可能彼此有微小位置偏差地被形成。如果基准电极和探测电极被形成为使得它们的相对位置偏离，则用于探测特定气体的电极部的有效面积(即，彼此正对的各电极部的面积)对于如此制造的每个气体传感器不同。因此，出现气体传感器的性能彼此不同的问题。

发明内容

想出本发明以解决前述问题，本发明的目的在于提供一种气体传感器元件和气体传感器，以有相同的有效电极面积并由此获得在如此制造的多个电极之中的均匀性能。

根据本发明，通过提供一种气体传感器元件已经实现了上述目的，该气体传感器元件包括：固体电解质层，其具有第一表面和第二表面；第一电极，其被形成在所述固体电解质层的所述第一表面上；第二电极，其被形成在所述固体电解质层的所述第二表面上；以及绝缘层，其被设置在所述第一电极和所述固体电解质层的所述第一表面之间，覆盖所述第一电极的外缘；其中，所述绝缘层具有开口，所述第一电极的一部分通过该开口暴露；以及所述开口具有比所述第二电极的面积小的面积并被设置在与所述第二电极相对的位置以形成探测部，该探测部由通过所述开口暴露的所述第一电极的所述部分、所述第二电极和所述固体电解质层构成。

结果，该绝缘层可以将第一电极的有效面积限制为开口的开口面积。例如，即使在第一电极和第二电极之间发生位置偏差，只要绝缘层的开口面对第二电极，就可以保持该对电极部中的有效面积恒定。结果，可以减少在如此制造的多个气体传感器之中的性能波动或分散。

优选的是，第一电极与第一引线部连接，该第一引线部沿固体电解质层的纵向延伸，用于从所述第一电极输出信号；以及绝缘层被布置在第一引线部和所述固体电解质层的第一表面之间。如果在第一电极和第二电极之间发生位置偏差，通过第一引线部和第二电极之间的重叠部改变有效面积。于是，气体传感器的性能可能波动。此外，在第一引线部和与第二电极相连的第二引线部之间可能发生漏电，因此导致在多个气体传感器之中的分散性能。因此，通过在引线部和固体电解质层之间布置绝缘层，可以抑制由于与引线部的重叠而引起的有效面积的改变，还可以防止引线部之间的漏电以抑制性能的分散。

此外，优选的是，第一电极具有比所述第二电极的面积小的面积。结果，使被绝缘层覆盖的第一电极的部分比第一电极的面积等于或大于第二电极的面积的情况小。也就是说，可以减小第一电极的对探测部有效面积无贡献的部分以降低材料成本。

绝缘层可以覆盖第一电极的整个周缘。第一电极可以具有宽度比第二电极的宽度小的矩形形状。在该情况下，绝缘层可以覆盖所述第一电极的前端缘和后端缘，而通过开口暴露两个纵向延伸缘的至少一部分。同样，通过开口暴露的两个纵向延伸缘的该部分与第二电极相对。在该构造中，由于绝缘层，不管沿纵向是否有位置偏差，可以保持探测部的有效面积不变。此外，通过使第一电极的宽度小于第二电极的宽度，探测部的有效面积不受沿宽度方向的位置偏差的影响。

此外，优选的是，第一电极是基准电极，以及第二电极是暴露于待测气体的探测电极。探测电极被暴露于待测气体，使得其比基准电极更早地劣化。通过在基准电极上而不是在探测电极上形成绝缘层，可以使暴露于待测气体的探测电极面积更大，从而减轻其劣化。

本发明还可以被应用于基准电极由多孔材料制成的气体传感器元件，其中基准电极被固体电解质层和屏蔽构件覆盖并被形成为自生型的基准电极。在该配置下，氧被泵送至基准电极侧使得在基准电极内部建立预定水平的基准氧浓度。在该情况下，通过用绝缘层减小有效面积，可以使达到目标基准氧浓度的时间比不设置绝缘层的情况短。于是，可以缩短激活时间。此外，通过使电极的有效面积恒定，还可以减少激活时间的波动。

优选的是，开口的角部被弯曲成具有0.05mm～0.5mm的曲率半径R，以便容易地在绝缘层中形成开口。

此外，将多孔保护层与所述固体电解质层层叠，以覆盖将成为探测电极的第二电极。当沿与第二电极相对的方向突出时，优选保护层大于所述第二电极。由于暴露于待测气体，第二电极可能会被污染。因此，形成多孔保护层以覆盖第二电极并防止第二电极受到污染。通过使多孔保护层大于第二电极，第二电极整体暴露于待测气体以防止在多个气体传感器之中探测精度的降低。

此外，通过在金属壳中装配具有上述构造的气体传感器元件构成气体传感器，从而可以使电极的有效面积保持恒定，以提供性能很少出现波动的多个气体传感器。

根据本发明的气体传感器元件和气体传感器，对于如此制造的各气体传感器，可以保持电极有效面积恒定，从而提供性能均匀的多个气体传感器。

附图说明

图1是示意性示出根据本发明实施例的气体传感器元件的分解透视图。

图2是图1的气体传感器元件的从电极部132到固体电解质层11所截取的图。

图3是根据本发明实施例的气体传感器的截面图。

图4是示意性示出根据本发明另一实施例的气体传感器元件的分解透视图。

图5是示出图2的一种变型的图。

附图标记的说明：

在图中用于区分不同结构特征的附图标记包括如下。

1：气体传感器元件主体；

2：加热器；

11：固体电解质层；

132：基准电极；

142：探测电极；

15：绝缘层；

100：气体传感器元件；以及

151：开口

具体实施方式

以下将参照附图说明根据本发明实施例的层叠型气体传感器元件100。然而，对本发明的解释不限于此。

图1是示出具有整体板形状的气体传感器元件100的构造的分解透视图。气体传感器元件100由气体传感器元件主体1和加热器2的层叠构成。

气体传感器元件主体1包括用于氧浓差电池(oxygenconcentration cell)的固体电解质层11，该固体电解质层11由含有用作稳定剂的氧化钇(Y₂O₃)或氧化钙(CaO)的氧化锆(ZrO₂)或LaGaO₃的烧结材料制成。在本实施例中，除氧化钇稳定剂之外，氧化锆固体电解质层11还可含10～80重量百分比的氧化铝。

在接触加热器2的固体电解质层11的一侧上，形成由多孔材料制成的基准电极(即第一电极)132。在固体电解质层11的位于与基准电极132的相反侧的一侧上，同样地形成也由多孔材料制成的探测电极(即第二电极)142。基准电极132、中间的固体电解质层11、以及探测电极142一起构成探测单元101(如图3所示)。此外，第一引线部131和第二引线部141各自从基准电极132和探测电极142沿固体电解质层11的纵向延伸。例如，基准电极132、探测电极142、第一引线部131和第二引线部141由Pt等制成。在本实施例中，基准电极132具有1.6mm²的面积，探测电极142具有比基准电极132的面积大的2.4mm²的面积。

绝缘层15被置于固体电解质层11与基准电极132和第一引线部131之间。该绝缘层15具有基本上与固体电解质层11相等的尺寸并覆盖基准电极132的外缘。绝缘层15还具有开口151，该开口151位于与基准电极132相对应的位置但具有比基准电极132的面积小的面积。在本实施例中，开口151具有1.1mm²的面积和曲率半径R为0.2mm的倒角。

如上所述，通过形成覆盖基准电极132外周缘的绝缘层15，将基准电极132的有效面积限制为开口151的面积。结果，即使电极发生错位，基准电极132和位于相对侧的探测电极142的重叠有效面积仍保持恒定。可以设计基准电极132和开口151的相对尺寸，使得即使它们的位置偏差最大，开口也不会移位至基准电极132或探测电极142之外。在通常情况下，印刷时的该位置偏差约为0.2mm～0.3mm。因此，通过使开口的尺寸纵向和横向比基准电极132的外尺寸小几毫米，可充分满足前述条件。

于是，通过形成绝缘层15，可以使该对电极部的有效面积保持恒定，以减小性能变化。具体地，该对电极部的恒定有效面积可以提供在多个传感器之中的恒定输出，并且电极部之间的恒定电阻可以提高基于该电阻进行温度控制的精度。

优选开口的倒角被弯曲成具有0.05mm～0.5mm的曲率半径R，以便更加容易地在绝缘层中形成开口。

此外，通过减小基准电极132的有效面积，绝缘层15可以缩短激活时间。具体地，在自生(self-generation)型基准电极的情况下，在基准电极132与探测电极142之间沿一方向施加泵浦电流，使得在基准电极132中氧被泵浦到预定水平的基准浓度。通过形成绝缘层15，可减少建立基准氧浓度的时间以缩短激活时间。还能减少激活时间的变化。

与上述情况不同，当在不形成绝缘层15的情况下使基准电极132小于探测电极142时，可以防止由于基准电极132与探测电极142之间的位置偏差而引起的重叠面积的波动。然而，引线部与电极之间的重叠部的影响变得明显，从而不能使有效面积恒定。

在本实施例中，绝缘层15不仅覆盖基准电极132的外周缘，而且还覆盖第一引线部131。因此，即使有位置偏差，绝缘层15也能防止第一引线部131与基准电极132之间的相对面积影响传感器性能。还可以防止第一引线部131漏电。

第二引线部141在其末端通过穿过后述保护层12延伸的通孔124与信号提取端子126连接，该信号提取端子126用于与外部端子连接。第一引线部131的末端通过穿过固体电解质层11和绝缘层15延伸的孔110和152、以及穿过保护层12延伸的通孔123与信号提取端子127连接，该信号提取端子127用于与外部端子连接。

此外，保护层12设置有被形成在探测电极142的表面上用于保护探测电极142不被污染的多孔电极保护层122、和被形成在第二引线部141的表面上用于加强固体电解质层11的加强保护层121。在本实施例中，电极保护层122具有7.2mm²的面积。通过使电极保护层122大于探测电极142，保护层122保护探测电极142不暴露于被测气体，从而当在气体传感器600(图3)中使用该探测电极时，不使其探测精度降低。

另一方面，加热器2设置有电阻加热器21，该电阻加热器21被夹在具有良好绝缘性能的由烧结陶瓷制成的第一基层22和第二基层23之间。电阻加热器21包括以曲折形状形成的加热部212、和分别与加热部212的端部相连并沿纵向延伸的一对加热器引线部213。此外，加热器引线部213的位于加热部212的相反侧的端部通过穿过第二基层23延伸的两个通孔231与一对加热器导电端子232电连接，该对加热器导电端子232用于与外部端子连接，进而用于连接到外部电路。

尽管无特别地限制，前述第一基层22和第二基层23由烧结陶瓷制成，如氧化铝、尖晶石、莫来石或氧化锆等。这些陶瓷可以单独地或者组合地使用。

电阻加热器21可以由贵金属、钨、钼等制成。作为贵金属，可用的是Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru或Rh，可以使用其中的一种、两种或更多种。考虑到其耐热性和抗氧化性，优选电阻加热器21主要由贵金属制成，并且更优选主要由Pt制成。此外，电阻加热器21除了主要的贵金属之外，还可以包含陶瓷组分。从安装强度的观点来看，电阻加热器21的陶瓷组分优选与电阻加热器21被埋入的第一基层22和第二基层23的主要陶瓷组分相同。

此外，在电阻加热器21中，当加热部212被通电时其产生热，但是引线部213将外部供应的直流电压传导至加热部212但本身产生少量热。不特别地限制加热部212和引线部213的形状。例如，可以使加热部212比引线部213细，以便曲折的加热部212具有比引线部213更密的样式。

在通过层叠气体传感器元件主体1和加热器2而如此形成的暴露于待测气体的气体传感器元件100的前端侧，在其整个圆周形成多孔保护层(未示出)。

图3示出其中安装前述气体传感器元件100的气体传感器，并且是示出气体传感器600的一个示例的整体截面图，该气体传感器600被装配到内燃机的排气管并用于测量排气中的氧浓度。

如图3所示，金属壳30包括用于将气体传感器装配到排气管的外螺纹部31和可应用装配工具的六角部32。金属壳30具有径向向内突出的装配侧台阶部33，该装配侧台阶部33支撑用于保持气体传感器元件100的金属保持架34。此外，在金属保持架34的内侧，从前端起相继布置陶瓷保持器35和云母构件36，从而固定气体传感器元件100的位置。

云母构件36由布置在金属保持架34中的第一云母部37和布置到金属保持架34后端上方的第二云母部38组成。在第二云母部38的后端侧布置由氧化铝制成的套筒39。套筒39被形成为多段圆筒形状以具有内部装配气体传感器元件100的轴孔391。位于金属壳30后端侧的附加的紧固部301被向内弯曲，并通过由不锈钢制成的环状构件40使套筒39压在金属壳30的前端侧。

金属保护器24被焊接到金属壳30前端侧的外周上。金属保护器24覆盖从金属壳30的前端突出的气体传感器元件100的前端部并设置有多个气体吸入孔241。保护器24具有双层构造，其外侧为具有均匀外径的有底圆筒形状的外保护器41。保护器24的内侧为有底圆筒形状的内保护器42，该内保护器42的后端部421比其前端部422具有更大的直径。

另一方面，外筒25在其前端侧被***到金属壳30的后端侧上。通过将被径向扩大的前端部251激光焊接到金属壳30上固定该外筒25。在外筒25后端侧的内部，保持构件51被***在分离器50与外筒25之间的间隙中。如下所述，保持构件51与分离器50的突出部501配合，从而通过另外紧固外筒25而由外筒25和分离器50固定该保持构件51。

通孔502在分离器50中延伸并贯通分离器50，并且通孔502从前端侧到后端侧地形成，以容纳气体传感器元件100的导线111至114(导线114未示出)。通孔502收容连接端子116，该连接端子116将导线111至114连接到气体传感器元件100的外部端子。导线111至114分别与传感器外的连接器(未示出)相连接。该连接器在如ECU等外部设备与各自导线之间输入/输出电信号。此外，尽管未具体示出，导线111至114中的每一个具有导体由树脂绝缘套包覆的构造。

在分离器50的后端侧，布置用于密封位于外筒25后端侧的开口252的基本圆筒状橡皮帽52。当橡皮帽52被安装在外筒25的后端时，通过另外径向向内紧固外筒25的外周使橡皮帽52固定在外筒25中。同样，通孔521被形成在该橡皮帽52中并贯穿该橡皮帽52，该通孔从前端侧向后端侧延伸，以***导线111至114。

根据装配有如此构造的气体传感器元件100的气体传感器600，可以保持探测电极142的有效面积恒定，以减少在多个传感器之中的性能变化。简单地说，保持探测电极142的有效面积恒定以在多个传感器之中提供基本相同的给定气体组分浓度的输出。而且，在多个传感器之中可以使探测电极142与基准电极132之间的电阻固定为常数，以提高基于该电阻进行控制的精度。此外，还可以缩短激活时间并减少激活时间的波动。

图4示出了根据另一实施例的气体传感器元件400的构造，但省略了由相同附图标记表示的与图1所示的前述气体传感器元件100对应部分的重复说明。本实施例的气体传感器元件400由加热器2和气体传感器元件主体3的层叠构成。

气体传感器元件主体3设置有氧浓度探测单元130和氧泵单元140。气体探测室形成层160被置于氧浓度探测单元130与氧泵单元140之间，保护层12被布置在氧泵单元140的外侧(如图所示，在上侧)。

氧浓度探测单元130设置有固体电解质层11、及在固体电解质层11的两面上形成的基准电极132和探测电极142。在固体电解质层11与基准电极132之间形成与前述绝缘层类似的绝缘层15。

另一方面，氧泵单元140设置有第二固体电解质层181、及在第二固体电解质层181的两面上形成的第三电极部172和第四电极部192。第三电极部172和第四电解部192与第二固体电解质层181一起构成探测单元。第三电极部172设置有沿第二固体电解质层181纵向延伸的第三引线部171。第四电极部192设置有沿第二固体电解质层181纵向延伸的第四引线部191。

形成在氧泵单元140与氧浓度探测单元130之间的气体探测室形成层160由绝缘部161和扩散速率确定部163组成。在气体探测室形成层160的绝缘部161中，在与探测电极142和第三电极部172对应的位置处形成气体探测室162。气体探测室162在气体探测室形成层160的宽度方向上与外部大气连通。在该连通部，布置扩散速率确定部163以在预定速率确定条件下实现外部与气体探测室162之间的气体扩散。

尽管没有具体限制，绝缘部161由具有绝缘性能的烧结陶瓷或如氧化铝或莫来石等氧化物陶瓷制成。扩散速率确定部163由氧化铝的多孔体制成。被探测的气体流入气体探测室162的流速由扩散速率确定部163来确定。

第一引线部131的后端通过形成在固体电解质层11和绝缘层15中的通孔110和152、形成在绝缘层160中的通孔164、形成在第二固体电解质层181中的通孔182、以及形成在保护层12中的通孔123与信号提取端子127电连接。第二引线部141的后端通过形成在绝缘层160中的通孔165、形成在第二固体电解质层181中的通孔183、以及形成在保护层12中的通孔124与信号提取端子126电连接。

此外，第三引线部171的后端通过形成在第二固体电解质层181中的通孔183、和形成在保护层12中的通孔124与信号提取端子126电连接。第四引线部191的后端通过形成在保护层12中的通孔125与信号提取端子128电连接。这里，第二引线部141和第三引线部171通过通孔165被设定在相同的电位。

如前所述，具有氧泵单元140和氧浓度探测单元130的气体传感器元件400可以通过氧泵单元140的氧泵送作用将被测气体中所含的氧提取并导入到气体探测室162中，并且可以通过氧浓度探测单元130的浓差电池作用测量氧浓度。因此，气体传感器元件400可以被用作空气/燃料比传感器等。与气体传感器元件100的前述情况相同，本发明可以被应用于有类似效果的气体传感器元件400。

在图2中，绝缘层15被形成为覆盖基准电极132的整个外缘。如图5所示，可以对绝缘层15或者更确切的开口151′进行修改，使得绝缘层15仅覆盖矩形基准电极132的四缘(前端缘132a、后端缘132c、一对侧缘132b和132d)的前端缘132a和后端缘132c，而该对侧缘132b和132d至少在其中央部暴露。从而，前端缘132a和后端缘132c被绝缘层15覆盖。因此，即使在基准电极132与探测电极142之间沿纵向发生位置偏差，基准电极132仍被开口151′限制，从而可以保持探测部处的有效面积恒定。

此外，该对侧缘132b和132d被设计成当突出时它们位于探测电极141的面积内。具体地，基准电极132的宽度(即，侧缘132b和侧缘132d之间的距离)被设定成比与基准电极132相对的探测电极142的宽度窄。因此，即使沿横向发生位置偏差，基准电极132的宽度小于探测电极142的宽度，从而可以保持探测部处的有效面积恒定。

此外，由于第一引线部被绝缘层15覆盖，所以第一引线部和探测电极142彼此不相对，以便不影响有效面积。

与图2所示的实施例相比，在图5所示的修改实施例中，可以减小基准电极的面积，从而可以减少用于基准电极的贵金属材料的成本。

尽管已参照上述实施例说明了本发明，但本发明不应被解释为仅限于此，而是可以在本发明的精神和范围内进行适当修改。

例如，在图4中，在氧泵单元140中不形成绝缘层15。本发明不限于此，具有开口的绝缘层可以被布置在第二固体电解质层181与第三电极部172之间或者可以被布置在第二固体电解质层181与第四电极部192之间。例如，本发明还可以被应用于层叠型气体传感器元件，该气体传感器元件被用在除氧传感器或空气/燃料比传感器之外的其它气体传感器中，如HC传感器、CO传感器或NOx传感器。

本申请基于2005年7月25日提交的日本专利申请JP2005-213928，其内容在此全部引入以供参考。

Claims (9)

1.一种气体传感器元件，其包括：

固体电解质层，其具有第一表面和第二表面；

第一电极，其被形成在所述固体电解质层的所述第一表面上；

第二电极，其被形成在所述固体电解质层的所述第二表面上；以及

绝缘层，其被设置在所述第一电极和所述固体电解质层的所述第一表面之间，覆盖所述第一电极的外缘；

其中，所述绝缘层具有开口，所述第一电极的一部分通过该开口暴露；以及

所述开口具有比所述第二电极的面积小的面积并被设置在与所述第二电极相对的位置以形成探测部，该探测部由通过所述开口暴露的所述第一电极的所述部分、所述第二电极和所述固体电解质层构成。

2.根据权利要求1所述的气体传感器元件，还包括第一引线部，该引线部被连接到所述第一电极并沿所述固体电解质层的纵向延伸，其中，所述绝缘层被布置在所述第一引线部和所述固体电解质层的所述第一表面之间。

3.根据权利要求1所述的气体传感器元件，其特征在于，所述第一电极具有比所述第二电极的面积小的面积。

4.根据权利要求1所述的气体传感器元件，其特征在于，所述绝缘层覆盖所述第一电极的整个周缘。

5.根据权利要求1所述的气体传感器元件，其特征在于，

所述第一电极具有矩形形状，该矩形形状包括第一对相对的前端缘和后端缘、及第二对相对的纵向延伸缘，所述第一电极具有比所述第二电极的宽度小的宽度；

所述绝缘层覆盖所述第一电极的前端缘和后端缘，并且至少所述第一电极的所述两个纵向延伸缘的一部分通过所述开口暴露；以及

通过所述开口暴露的所述两个纵向延伸缘的所述部分与所述第二电极相对。

6.根据权利要求1所述的气体传感器元件，其特征在于，

所述第一电极是基准电极；以及

所述第二电极是暴露于待测气体的探测电极。

7.根据权利要求6所述的气体传感器元件，其特征在于，

所述基准电极由多孔材料制成；以及

所述基准电极被所述固体电解质层和屏蔽构件覆盖，并且所述基准电极是自生基准电极，其中，氧被泵送到所述基准电极的一侧，从而通过泵送的氧在所述基准电极内部建立预定水平的基准氧浓度。

8.根据权利要求5所述的气体传感器元件，其特征在于，每个所述纵向延伸缘的中央部通过所述开口暴露。

9.一种气体传感器，其包括金属壳和装配在该金属壳中的如权利要求1所述的气体传感器元件。

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