專利名稱：氣體傳感器元件、氣體傳感器及其制造方法
技術領域：
本公開內(nèi)容大體上涉及ー種氣體傳感器元件，其可以安裝在內(nèi)燃機的排氣管內(nèi)以測量發(fā)動機的廢氣排放物的指定成分的濃度，更具體地涉及ー種配備有固體電解質(zhì)體的氣體傳感器，其至少呈現(xiàn)出氧離子傳導性(conductivity )并且具有形成在其相對表面上的電極層對以及電激活加熱器。本公開內(nèi)容還涉及配備有上述類型的氣體傳感器元件的氣體傳感器及其制造方法。
背景技術：
已知的氣體傳感器元件設置在從諸如汽車發(fā)動機等內(nèi)燃機延伸的排氣通路內(nèi)，以測量廢氣排放物的指定氣體成分，諸如氧氣、氮氧化物(NOx)、氨，或氫等，從而控制發(fā)動機中燃料的燃燒或廢氣排放物控制系統(tǒng)的操作。日本專利特開(first publication) No. H01-253649公開了上述類型的氣體傳感器元件，其配備有固體電解質(zhì)體以及堆疊在固體電解質(zhì)體上的加熱元件。固體電解質(zhì)體具有測量氣體暴露(gas-exposed)電極和基準氣體暴露電極。測量氣體暴露電極形成在固體電解質(zhì)體的表面上以暴露于待測量的氣體(以下將稱為測量氣體)。基準氣體接觸電極也形成在固體電解質(zhì)體的另ー表面上以暴露于填充有基準氣體的基準氣體腔室。通過燒制傳感器層和加熱器層以制作固體電解質(zhì)體和加熱元件的疊置體來制造氣體傳感器元件。加熱元件用于快速加熱整個固體電解質(zhì)體來將其激活。這種類型的氣體傳感器元件通常稱為平面型氣體傳感器元件。日本專利特開No. 2002-228626公開了ー種固體電解質(zhì)氧傳感器元件,其由感測部、絕緣層以及通過絕緣層堆疊在感測部上的加熱部的疊置體構成。加熱部配備有加熱元件，加熱元件用于激活感測部來正確地測量氧氣的濃度。絕緣層避免從加熱元件至感測部的電流泄漏。日本專利特表(second publication)No. 06-048258公開了一種氧氣濃度傳感器，其配備有中空絕緣陶瓷圓筒狀物、氧氣濃度測量裝置、片狀組件以及絕緣保護層。絕緣陶瓷圓筒狀物具有封閉端和開ロ端。絕緣陶瓷圓筒狀物在其中限定了通向開ロ端的基準氣體腔室。絕緣陶瓷圓筒狀物也具有形成在其外周壁中、與基準氣體腔室連通的開ロ。氧氣濃度測量裝置裝配在絕緣陶瓷圓筒狀物的開口中并配備有粘附至其相對表面的電極。一個電極面向絕緣陶瓷圓筒狀物外，而另ー電極面向絕緣陶瓷圓筒狀物內(nèi)。片狀組件由絕緣片以及粘附至絕緣片的加熱器引線和電極引線構成。加熱器引線和電極引線由金屬膜形成。絕緣片也具有開ロ。片狀組件纏繞(wrap around)絕緣陶瓷圓筒狀物的外周，且開ロ面向氧氣濃度測量裝置。保護層是多孔的并且設置在封閉端和絕緣陶瓷圓筒狀物的開口上。絕緣陶瓷圓筒狀物和片狀組件燒制在一起。氧氣濃度測量裝置的相對表面之一暴露于基準氣體腔室，而另ー表面通過保護層暴露于待測量的氣體。類似于日本專利特開No.HOl-253649，圖8 (a)、8 (b)和8 (C)示出了氣體傳感器元件10g。稍后還將會描述氣體傳感器元件IOg作為第I比較例。
氣體傳感器元件IOz是平面型的，并且包括加熱元件140z、固體電解質(zhì)層100和形成在加熱元件140z與固體電解質(zhì)層100之間的基準氣體腔室130z。允許高度電絕緣的空氣進入到基準氣體腔室130z中?；鶞蕷怏w腔室130z中的空氣阻礙由加熱元件140z所產(chǎn)生的熱量傳遞至固體電解質(zhì)層100z，從而導致激活固體電解質(zhì)層IOOz以正確測量氣體中的滯后。氣體傳感器元件IOz是平板形式的，其通常容易遭受熱應力所引起的破裂。因此，需要增加絕緣層150z和160z的厚度，以便改善氣體傳感器元件IOz的耐久度。然而，這導致了氣體傳感器元件IOz的整體尺寸的増大，這又導致了熱效率的下降和激活氣體傳感器元件IOz中的滯后的増大。上述日本專利特開No. 2002-228626中所教導的氧氣傳感器具有在感測部與加熱部之間的絕緣層。通過燒制印刷電路基板(green sheet)或使用絲網(wǎng)印刷技術來形成絕緣層。其制造エ藝中的減薄絕緣層可能導致諸如針孔(pinhole)等有待完善的缺陷。從而，測量氣體穿過針孔到達加熱元件。加熱元件可以與測量氣體中的污染物反應，然后升華，從而導致其劣化。増加絕緣層的厚度以便增大加熱元件對氧化的抵抗從而確保其所要求的壽命將會導致氧氣傳感器的整體尺寸的増大。因此，需要大量的熱能來加熱絕緣層。換句話說，消耗了大量時間來加熱并激活固體電解質(zhì)層。上述日本專利特表No. 06-048258中所教導的氧氣濃度傳感器配備有具有形成在其外周壁中的開ロ的絕緣陶瓷圓筒狀物。開ロ具有用作底座(seat)的內(nèi)臺肩(innershoulder),由固體電解質(zhì)體制成的氧氣濃度測量裝置裝配在所述底座上。氧氣濃度測量裝置具有粘附至其相對表面的電極。氧氣濃度測量裝置的這種配置導致電極引線布局的復雜性，當燒制時電極引線布局的復雜性可能會導致電極引線、絕緣陶瓷圓筒狀物和固體電解質(zhì)體的破裂。日本專利特表No. 06-048258也教導了由兩個分立片構成的絕緣片，所述兩個分立片一個是其上形成加熱元件的加熱器載體片，另ー個是其上形成加熱器引線和電極引線的電極載體片。加熱器載體片和電極載體片分開地粘附至絕緣陶瓷圓筒狀物，從而導致將由加熱元件所產(chǎn)生的熱能傳遞至電極載體片的缺乏。這導致了激活氧氣濃度傳感器中的滯后。此外，還需要將加熱器載體片和電極載體片粘附至絕緣陶瓷圓筒狀物，以便不相互重疊。這造成了氧氣濃度傳感器的制造中的不便。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本公開內(nèi)容的ー個目的是提供一種氣體傳感器元件，其用于測量氣體的指定成分，并且設計成具有可快速激活的/易于制造的結構和/或呈現(xiàn)出増大的耐久度程度。本公開內(nèi)容的另一目的是提供一種配備有上述類型的氣體傳感器元件的氣體傳感器以及氣體傳感器元件的制造方法。根據(jù)本發(fā)明的ー個方面，提供了一種氣體傳感器元件，其可以用于汽車車輛中，來測量從內(nèi)燃機排出的廢氣中的氧氣(O2)的比例，從而控制發(fā)動機中的空氣-燃料比。氣體傳感器元件包括(a)絕緣陶瓷構件，其具有彼此相対的表面和形成在其中的通孔；(b)固體電解質(zhì)體，其設置在所述絕緣陶瓷構件的所述孔中，并且用于傳導至少ー種給定離子，所述固體電解質(zhì)體具有第一主表面和第二主表面；(C)測量電極，其設置在所述固體電解質(zhì)體的所述第一主表面上，以暴露于所述氣體；(d)基準電極，其設置在所述固體電解質(zhì)體的所述第二主表面上，以暴露于基準氣體，以及(e)加熱元件，其設置在與所述固體電解質(zhì)體的所述第二主表面在同一側(cè)上的所述絕緣陶瓷構件的相對表面之一上，所述加熱元件用于激活所述固體電解質(zhì)體。具體而言，高度電絕緣的所述絕緣陶瓷構件設置在所述固體電解質(zhì)體與所述加熱元件之間，從而確保所述加熱元件與所述基準電極之間的期望的電絕緣程度。這使得從所述加熱元件至所述基準電極的電流泄漏最小化，從而確保所述氣體傳感器元件的操作中的穩(wěn)定性。當啟動所述加熱元件時，由所述加熱元件產(chǎn)生的熱能通過具有高熱導率的所述絕緣陶瓷構件傳遞到所述固體電解質(zhì)體，從而加速了所述固體電解質(zhì)體的激活并且快速建立了所述氣體傳感器元件的操作中的穩(wěn)定性。所述加熱元件設置在與所述固體電解質(zhì)體的所述第二主表面在同一側(cè)上的所述絕緣陶瓷構件的表面上。因此，所述絕緣陶瓷構件用作所述加熱元件和保護或屏蔽構件的機械支撐，從而使所述加熱元件與所述氣體隔離。這種結構改善了所述加熱元件的使用壽命，并且使得所述氣體傳感器元件的整體尺寸減小。在本實施例的優(yōu)選模式中，所述氣體傳感器元件還可以包括中空圓筒狀陶瓷構件，其具有封閉端并且在其中限定了基準氣體腔室，允許所述基準氣體進入到所述基準氣體腔室中，所述中空圓筒狀陶瓷構件在其外周表面中還形成有與所述基準氣體腔室連通的窗ロ。所述絕緣陶瓷構件堆疊在所述中空圓筒狀構件上，且所述固體電解質(zhì)體通過所述窗ロ暴露于所述基準氣體腔室。所述加熱構件插置在所述中空圓筒狀陶瓷構件與所述絕緣陶瓷構件之間。換句話說，所述加熱元件覆蓋有所述絕緣陶瓷構件和所述圓筒狀陶瓷構件，從而使其免受所述氣體和所述基準氣體的影響，從而增強了所述氣體傳感器元件的操作中的穩(wěn)定性。此外，使用所述圓筒狀陶瓷構件也改善了所述氣體傳感器元件的機械強度以及對例如由濺水所產(chǎn)生的熱應カ破損的抵抗。所述加熱元件可以位于距離所述固體電解質(zhì)體和所述基準電極中的一者給定絕緣間隔處。換言之，所述加熱元件遠離所述基準電極以及所述固體電解質(zhì)體，從而可以使所述固體電解質(zhì)體快速激活而無需從所述加熱元件犧牲電絕緣性。所述絕緣間隔可以限定為所述加熱元件的外周邊緣與所述固體電解質(zhì)體的外周邊緣之間的最小距離以及所述加熱元件的外周邊緣與所述基準電極的外周邊緣之間的最小距離中的較短者，并且所述絕緣間_大于或等于0.1mm且小于或等于3mm。在絕緣間隔小于0.1mm的情況下，電流可能會從所述加熱元件泄漏至所述固體電解質(zhì)體和/或所述基準電極，這導致了所述氣體傳感器元件的操作中的不穩(wěn)定性?；蛘?，在絕緣間隔大于3. Omm的情況下，増大了氣體傳感器元件的整體尺寸。因此，耗費太多的時間來通過所述加熱元件激活所述固體電解質(zhì)體。所述固體電解質(zhì)體由部分穩(wěn)定的氧化鋯制成，從而增強了所述固體電解質(zhì)體的快速激活并且改善了所述氣體傳感器元件的耐久度。所述絕緣陶瓷構件由氧化鋁制成。氧化鋁的使用增強了電絕緣性和熱導率，從而進ー步增強所述固體電解質(zhì)體的快速激活。根據(jù)本實施例的第二方面，提供了一種用于測量氣體的給定成分的氣體傳感器，包括(I)氣體傳感器元件，包括(a)絕緣陶瓷構件，其具有彼此相対的表面和形成在其中的通孔，(b)固體電解質(zhì)體，其設置在所述絕緣陶瓷構件的所述孔中，并且用于傳導至少ー種給定離子，所述固體電解質(zhì)體具有第一主表面和第二主表面，(C)測量電極，其設置在所述固體電解質(zhì)體的所述第一主表面上，以暴露于所述氣體，Cd)基準電極，其設置在所述固體電解質(zhì)體的所述第二主表面上，以暴露于基準氣體，以及(e)加熱元件，其設置在與所述固體電解質(zhì)體的所述第二主表面在同一側(cè)上的所述絕緣陶瓷構件的相對表面之一上，所述加熱元件用于激活所述固體電解質(zhì)體；(2)第一和第二信號線，分別通向所述基準電極和所述測量電極，用于將傳感器輸出傳送至外部檢測電路；(3)第一和第二導體，通向所述加熱元件，用干與外部電源控制電路建立電連接，以控制至所述加熱元件的電カ供應；以及
(4)外殼，所述氣體傳感器元件、所述第一和第二信號線以及電源導體容納在所述外殼中。所述外殼設計成保持所述氣體傳感器元件以使其暴露于所述氣體。上述結構的氣體傳感器能夠快速激活氣體傳感器元件，并確保氣體傳感器元件的操作中的穩(wěn)定性和機械耐久性。這種結構也易于組裝，并且使得其尺寸減小。根據(jù)本實施例的第三方面，提供了一種氣體傳感器元件的制造方法，包括(a)形成絕緣陶瓷構件，所述絕緣陶瓷構件是平面的且由電絕緣陶瓷材料制成，所述絕緣陶瓷構件具有相対的表面和通孔；(b)在所述絕緣陶瓷構件的所述通孔中形成固體電解質(zhì)體，所述固體電解質(zhì)體由傳導至少ー種給定離子的陶瓷材料制成并且具有第一主表面和第二主表面；(C)形成測量電極，所述測量電極設置在所述固體電解質(zhì)體的所述第一主表面上以暴露于所述氣體；(d)形成基準電極，所述基準電極設置在所述固體電解質(zhì)體的所述第二主表面上以暴露于基準氣體；(e)布置加熱元件，所述加熱元件設置在與所述固體電解質(zhì)體的所述第二主表面在同一側(cè)上的所述絕緣陶瓷構件的所述相對的表面之一上，所述加熱元件用于激活所述固體電解質(zhì)體；(f)制備中空圓筒狀陶瓷構件，所述中空圓筒狀陶瓷構件由電絕緣陶瓷材料制成并且具有封閉端和開ロ端，所述中空圓筒狀陶瓷構件還具有形成在其外周表面中的窗ロ ；(g)使所述絕緣陶瓷構件纏繞所述中空圓筒狀陶瓷構件，且所述基準電極面向所述中空圓筒狀陶瓷構件的所述窗ロ ；以及(h)燒制所述絕緣陶瓷構件所纏繞的所述中空圓筒狀陶瓷構件。上述制造方法實現(xiàn)了氣體傳感器元件的快速激活，并改善了其耐久度。所述絕緣陶瓷構件和所述固體電解質(zhì)體的所述形成步驟制備平面固體電解質(zhì)材料和平面絕緣陶瓷材料的疊置體，并且對所述疊置體進行沖孔以制作所述絕緣陶瓷構件中的所述通孔和從所述平面固體電解質(zhì)材料切出的所述固體電解質(zhì)體，以使所述固體電解質(zhì)體的尺寸基本上與所述通孔的尺寸相同，并且同時將所述固體電解質(zhì)體放置在所述通孔中，從而簡化了氣體傳感器元件的制造エ藝。


由以下給出的詳細描述并且由本發(fā)明的優(yōu)選實施例的附圖，將會更充分地理解本發(fā)明，然而這些詳細描述和附圖不應當視為將本發(fā)明限制于特定實施例，其僅是出于解釋和便于理解的目的。
在附圖中圖1 (a)是示出根據(jù)實施例的氣體傳感器元件的局部縱截面圖；圖1 (b)是示出安裝在圖1 (a)的氣體傳感器元件中的加熱元件的透視圖；圖1 (C)是沿圖1 (a)中的線A-A截取的局部橫截面圖；圖1 (d)表示圖1 (C)的氣體傳感器元件中的溫度分布的示圖；圖2是示出配備有圖1 (a)至I (d)的氣體傳感器元件的氣體傳感器的縱截面圖；圖3 (a_l)、3 (b_l)、3 (c_l)和 3 (d_l)是示出制造安裝在圖1 (a)至 I (d)的氣體傳感器元件中的絕緣陶瓷基底和固體電解質(zhì)體的組件的沖孔步驟的順序的局部縱截面圖；圖3 (a_2)、3 (b_2)、3 (c_2)和 3 (d_2)分別是示出如圖 3 (a_l)、3 (b_l)、3(c-1)和3 (d-1)中所示的沖孔步驟中的產(chǎn)品的局部透視圖；圖4是示出圖1 (a)至I (d)的氣體傳感器元件的分解透視圖；圖5 (a)示出其上設置測量電極的圖1 (a)至I (d)的氣體傳感器元件的絕緣陶瓷基底的表面的平面圖；圖5 (b)是圖5 Ca)的縱截面圖；圖5 (C)是示出其上設置基準電極和加熱元件的圖1 (a)至I (d)的氣體傳感器元件的絕緣陶瓷基底的表面的平面圖；圖5 (d)是示出如何使圖5 (a)至5 (c)的絕緣陶瓷基底纏繞圓筒狀陶瓷基底的截面圖；圖6 (a)是示出其上設置加熱元件和基準電極的氣體傳感器元件的修改形式的絕緣陶瓷基底的表面的局部平面圖；圖6 (b)是圖6 Ca)的局部縱截面圖；圖6 (C)是示出其上設置測量電極的圖6 (a)和6 (b)的氣體傳感器元件的絕緣陶瓷基底的表面的局部平面圖；圖6 Cd)是圖6 Ca)至6 (C)的氣體傳感器兀件的局部橫截面圖；圖6 (e)是示出纏繞圓筒狀陶瓷基底的圖6 (a)至6 (e)的絕緣陶瓷基底的局部橫截面圖；圖7 (a)和7 (b)是示出粘附至氣體傳感器元件的修改形式的絕緣陶瓷基底的引線的局部側(cè)視圖；圖7 (C)是示出纏繞圓筒狀陶瓷基底的絕緣陶瓷基底以及具有外部電源控制電路和外部檢測器電路的電連接部的橫截面圖；圖7 (d)是示出用于建立氣體傳感器元件與圖7 (C)的外部電源控制電路和外部檢測器電路的電連接部的彈簧連接器的縱截面圖；圖8 Ca)是示出氣體傳感器元件的第I比較例的分解透視圖；圖8 (b)是沿圖8 Ca)中的線A_A截取的局部橫截面圖；圖8 (C)是表示圖8 (a)和8 (b)的氣體傳感器元件中的溫度分布的局部橫截面圖；圖9 Ca)是示出氣體傳感器元件的第2比較例的分解透視圖9 (b)是圖9 (a)的氣體傳感器兀件的局部橫截面圖；圖9 (C)是表示圖9 (a)和9 (b)的氣體傳感器元件中的溫度分布的局部橫截面圖；圖10Ca)是示出氣體傳感器元件的第3比較例的分解透視圖；圖10(b)是圖10 Ca)的氣體傳感器兀件的局部縱截面圖；圖10(C)是圖10 Ca)的氣體傳感器兀件的橫截面圖；圖11(a)是示出氣體傳感器元件的第4比較例的分解透視圖；圖11(b)是圖11 Ca)的氣體傳感器兀件的局部橫截面圖；圖12Ca)是示出氣體傳感器元件的第5比較例的分解透視圖；圖12(b)是圖12 Ca)的氣體傳感器兀件的局部橫截面圖；圖13Ca)是示出氣體傳感器元件的第6比較例的分解透視圖；圖13(b)是圖13 Ca)的氣體傳感器兀件的局部橫截面圖；圖14Ca)是示出氣體傳感器元件的第7比較例的分解透視圖；圖14(b)是圖14 Ca)的氣體傳感器兀件的局部橫截面具體實施例方式現(xiàn)在參照附圖，在附圖中類似的附圖標記指代若干示圖中的類似部分，具體地參照圖1 (a)至I (d)，示出了根據(jù)第一實施例的氣體傳感器元件10。氣體傳感器元件10可以安裝在測量從內(nèi)燃機排出的廢氣(以下將稱為測量氣體)中的氧氣(O2)的比例的所謂的\傳感器中，或者安裝在用于測量廢氣中所含有的氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、碳氫化物(HC)或一氧化碳(CO)的濃度從而控制發(fā)動機中的空氣-燃料比的氣體傳感器中。以下討論將會涉及氣體傳感器元件10，其由安裝在例如氧氣傳感器中的、具有氧氣離子傳導性的固體電解質(zhì)材料制成。如圖1 (a)和I (b)中所示，氣體傳感器元件10由傳感器/加熱器疊層片20和底部中空圓筒狀陶瓷基底13構成。傳感器/加熱器疊層片20纏繞圓筒狀陶瓷基底13，并且由固體電解質(zhì)體100、測量電極110、測量電極引線111、測量電極端子112、基準電極120、基準電極引線121、基準電極端子122、加熱元件140、加熱器引線141和142、電源端子145和146、測量氣體腔室170、擴散抵抗層180、傾斜測量氣體入口表面181、屏蔽層190、緩沖層191和絕緣陶瓷基底200構成。圓筒狀陶瓷基底13由基準氣體腔室130、外周側(cè)壁131、通孔132和封閉端133構成。固體電解質(zhì)體100具有相對的主表面。待暴露于測量氣體的測量電極110設置在固體電解質(zhì)體100的主表面之一上。待暴露于允許進入到氣體傳感器元件10中作為基準氣體的空氣的基準電極120安裝在固體電解質(zhì)體100的另ー主表面上。固體電解質(zhì)體100、測量電極110和基準電極120構成感測機構，以下也將會稱為感測部。絕緣陶瓷基底200由具有電絕緣特性的、諸如氧化鋁等的陶瓷材料制成。絕緣陶瓷基底200的厚度與固體電解質(zhì)體100相同。固體電解質(zhì)體100是以層的形式，并裝配在形成在絕緣陶瓷基底200中的通孔(即，窗ロ)201中。固體電解質(zhì)體100的主表面可以與絕緣陶瓷基底200的表面齊平、略微突起或者略微下沉。
圓筒狀陶瓷基底13具有電絕緣特性的、諸如氧化鋁等的陶瓷材料制成，并且具有封閉端133和與封閉端133相對的開ロ端134。圓筒狀陶瓷基底13在其中限定了基準氣體腔室130，允許空氣進入到基準氣體腔室130中作為基準氣體。圓筒狀陶瓷基底13還具有形成在側(cè)壁131的部分中的通孔132，通孔132設置為距離封閉端133比距離開ロ端134更近。絕緣陶瓷基底200纏繞圓筒狀陶瓷基底13的外部外周?？?01和132相互重合。設置在固體電解質(zhì)體100的表面上的基準電極120面向孔132，并且直接暴露于基準氣體腔室130中的空氣。設置在固體電解質(zhì)體100上的測量電極110面向測量氣體腔室170。具體而言，測量氣體腔室170圍繞測量電極110的整個主表面。測量電極110直接暴露于基準氣體腔室170中的基準氣體。測量電極110和基準電極120分別耦合至測量電極引線111和基準電極引線121，測量電極引線111和基準電極引線121與外部電源(未示出)和檢測器電路或控制器(未示出)連接。如在圖4中清楚地示出，加熱元件140基本上為C形，并且粘附至與固體電解質(zhì)體100上的基準電極120齊平的絕緣陶瓷基底200的主表面。如在圖1 (C)中可以看出，加熱元件140位于距離基準電極120電絕緣間隔d處，并且如圖4所示，環(huán)繞測量電極110的外周。固體電解質(zhì)體100的寬度可以大于氣體傳感器元件10的圓周方向上的基準電極120的寬度。在這種情況下，絕緣間隔d是加熱元件140與固體電解質(zhì)體100之間的距離。也就是說，絕緣間隔d是加熱元件140的內(nèi)邊緣與基準電極120的外邊緣之間的最小距離以及加熱元件140的內(nèi)邊緣與固體電解質(zhì)體100的外邊緣之間的最小距離中的較短者。加熱元件140插置在圓筒狀陶瓷基底13和絕緣陶瓷基底200的接合表面之間。加熱元件140在其端部連接至加熱器引線141和142，加熱器引線141和142通過加熱器端子143和144接合至外部電源和通電控制器(未示出，且以下稱為電源控制電路)。當通電時,加熱元件140產(chǎn)生熱能，以將感測機構(即，固體電解質(zhì)體100、測量電極110和基準電極120)的溫度提升至使感測機構處于期望的激活狀態(tài)下的值。擴散抵抗層180由具有給定擴散抵抗的多孔材料制成，并設置在整個測量氣體腔室170上。粘附屏蔽層190，以覆蓋除了傾斜測量氣體入口表面181以外的擴散抵抗層180的整個外表面。傾斜測量氣體入口表面181由擴散抵抗層180的錐形端形成，傾斜測量氣體入口表面181直接暴露在氣體傳感器元件外部，并且允許測量氣體通過傾斜測量氣體入口表面181進入到測量氣體腔室170中。屏蔽層190和緩沖層191用于使測量電極引線111與測量氣體屏蔽，并且還用于避免了測量氣體通過擴散抵抗層180流動至氣體傳感器元件10外部的泄漏。如稍后將詳細描述的那樣進行測試，并發(fā)現(xiàn)了以下事實。如上所述，固體電解質(zhì)體100嵌入在絕緣陶瓷基底200中。加熱元件140設置在與固體電解質(zhì)體100上的基準電極120齊平的絕緣陶瓷基底200的主表面上，加熱元件140的外周位于距離固體電解質(zhì)體100的外周電絕緣間隔d (優(yōu)選地大于或等于0.1mm且小于或等于3mm)處,并且加熱元件140環(huán)繞固體電解質(zhì)體100的外周。應當注意，當基準電極120在尺寸上大于固體電解質(zhì)體100時,如上所述,絕緣間隔d是加熱元件140與基準電極120之間的距離。當加熱元件140通電時，如圖1 (c)中所示，固體電解質(zhì)體100由通過絕緣陶瓷基底200傳遞的熱能直接加熱，并且被快速激活。作為固體電解質(zhì)體100的材料的部分穩(wěn)定的氧化鋯的熱導率較低(即，2至3W/m K)。通過在熱導率較高(即，20至30W/m K)的絕緣陶瓷基底200中嵌入固體電解質(zhì)體100，來使測量電極110和基準電極120周圍的熱導率較低的范圍最小化，從而導致整個氣體傳感器元件10的熱導率的程度増大。這加速了氣體傳感器元件10的溫度的上升。作為絕緣陶瓷基底200的材料的氧化鋁的電絕緣性較高，用于在加熱元件140通電時甚至在絕緣間隔d縮短時使電流至感測機構的泄漏保持較低。這使得加熱元件140可以靠近固體電解質(zhì)體100而設置，從而導致降低了激活固體電解質(zhì)體100所需的時間?！と缟纤觯訜嵩?40插置在絕緣陶瓷基底200與圓筒狀陶瓷基底13之間，換句話說，與測量氣體屏蔽，從而避免了由測量氣體中所含有的毒劑(poison)所引起的其劣化，并確保了氣體傳感器元件10的操作中的穩(wěn)定性。如果加熱元件140粘附至與測量電極110齊平的絕緣陶瓷基底200的表面，這導致需要保護層來使加熱元件140與測量氣體隔離，這導致了氣體傳感器元件10的整體尺寸的増大。氣體傳感器元件10的上述結構消除了對這樣的保護層的需要，從而使氣體傳感器元件10的尺寸減小。陶瓷基底13的形狀為圓筒狀，從而比氣體傳感器元件10的形狀為平面的常規(guī)結構的機械強度更大，從而呈現(xiàn)出大到足以經(jīng)受濺水所產(chǎn)生的熱沖擊的耐久度。氣體傳感器元件10已經(jīng)描述為安裝在設計為測量氧氣的濃度(O2)的氣體傳感器內(nèi)，但是氣體傳感器元件10也可以設計為測量另ー種氣體。氣體傳感器元件10可替代地通過使用具有質(zhì)子傳導性的、諸如SrZrO3或SrC303等ABO3型過渡金屬氧化物作為固體電解質(zhì)體100的材料，使用碳化鎢、氮化硅或氧化釕作為加熱元件的材料，或者使用ニ氧化鈦或尖晶石作為絕緣陶瓷基底200的材料來制作。氣體傳感器元件10的表面可以覆蓋有多孔保護層，所述多孔保護層由使用浸潰或離子噴涂技術的耐熱陶瓷顆粒所形成，從而使由濺水所致的破裂的風險以及由經(jīng)受毒劑所致的惡化的風險最小化。圖2示出了其中安裝有氣體傳感器元件10的氣體傳感器I。如上所述，氣體傳感器元件10具有纏繞圓筒狀陶瓷基底13的傳感器/加熱器疊層片20。在氣體傳感器I中，圓筒狀陶瓷基底13具有封閉端133面向氣體傳感器I的頂端(即，頭部)且開ロ端134面向氣體傳感器I的基端(S卩，如圖2中所示的上端)的取向。圓筒狀陶瓷基底13設置在中空圓筒狀絕緣體41內(nèi)部，中空圓筒狀絕緣體41由諸如氧化鋁等電絕緣陶瓷材料制成并且通過諸如陶瓷水泥或耐熱玻璃等耐熱接合物40而牢固地容納于其中。陶瓷基底13和絕緣體41的組件(即，氣體傳感器元件10)設置在中空圓筒狀形外殼30內(nèi)。氣體傳感器元件10具有向外殼30外部突起的頂端部，并且暴露于測量氣體。頂端部用于對測量氣體敏感的感測部。絕緣體41通過諸如滑石等密封劑42牢固地容納在外殼30內(nèi)。外殼30由諸如不銹鋼等中空圓筒狀金屬構件制成。外殼30具有的頂端和基端。杯狀雙層壁保護罩組件固定至外殼30的頂端。罩組件由底部內(nèi)罩50和同軸地封閉內(nèi)罩50的底部外罩60構成。內(nèi)罩50和外罩60具有成形為凸緣51和61的基端。通過彈性彎曲或卷曲形成在外殼30的頂端的圓筒狀延伸部35 (以下稱為卷曲部)以給外殼30制作罩組件的牢固接頭，來牢固地夾持凸緣51和61。氣體傳感器I還包括由諸如不銹鋼等金屬材料制成的中空圓筒狀殼體47。殼體47裝配在形成在外殼30的基端的凸起部(boss) 31上，并且在其中保持信號線81和82以及電源線(以下還將稱為電源導體)83和84通過絕緣體43而相互絕緣。信號線81和82以及電源線83和84還通過密封橡膠46、防水過濾器45和支撐部44而氣密地容納在殼體47中。防水過濾器45裝配在支撐部44上。信號線81和82以及電源線83和84通過連接端子113、123、147和148以及金屬連接器(例如，卷曲端子)114、124、149和150而分別電接合至從氣體傳感器元件10的基端延伸的測量電極端子112、基準電極端子122以及電源端子145和146。如上所述，信號線81和82用于將傳感器輸出傳遞至檢測器電路。電源線83和84用于將電カ從外部電源供應至加熱元件140。殼體47具有形成在其側(cè)壁中的基準氣體入口孔471。密封橡膠46具有貫穿其側(cè)壁而形成的基準氣體入口孔461。支撐部44還具有貫穿其側(cè)壁而形成的基準氣體入口孔 441?；鶞蕷怏w入口孔471、461和441相互連通以限定基準氣體入口路徑，允許空氣(S卩，基準氣體)通過所述基準氣體入口路徑進入到基準氣體腔室130中。防水過濾器45用于防止水或濕氣進入到基準氣體腔室130。如上所述，內(nèi)罩和外罩50和60的形狀為杯形，并分別具有底表面54和64(8卩，圖2中的頂端表面)。內(nèi)罩和外罩50和60相互同軸地布置，以形成雙層壁保護罩組件。內(nèi)罩50具有形成在側(cè)表面53和底表面54中的氣體入口孔52和55。類似地，外罩60具有形成在側(cè)表面63和底表面64中的氣體入口孔62和65。氣體入口孔52、55、62和65用于控制測量氣體流入或流出內(nèi)罩和外罩50和60的罩組件的速率。氣體傳感器兀件10的頂端部(即，感測部)暴露于罩組件內(nèi)的測量氣體，以產(chǎn)生作為測量氣體(例如，O2)的濃度的函數(shù)的輸出。外殼30具有形成在其頂端部的外螺紋34。螺紋34緊固到氣流管70 (S卩，從內(nèi)燃機延伸的排氣管)的壁中，以使得氣體傳感器元件10的感測部暴露于測量氣體700。絕緣體41、外殼30、殼體47以及內(nèi)罩和外罩50和60并不限于上述結構，而是可以分別設計為具有另外的已知結構。在氣體傳感器I的操作中，當通過外部電源控制電路供應電カ時，加熱元件140產(chǎn)生熱量，所述熱量轉(zhuǎn)而通過絕緣陶瓷基底200傳遞至固體電解質(zhì)體100，從而激活了固體電解質(zhì)體100。在激活固體電解質(zhì)體100后，在測量電極110與基準電極120之間將會出現(xiàn)電勢差，其作為通過擴散抵抗層180引入到測量氣體腔室170中的測量氣體與引入到基準氣體腔室130中的基準氣體(即，空氣)之間的氧氣(O2)濃度差的函數(shù)。電勢差通過信號線81和82輸出至檢測器電路(未示出)，作為表示測量氣體中的氧氣濃度?；蛘?，檢測器電路可以應用測量電極110與基準電極120之間的電壓，并且監(jiān)測流過固體電解質(zhì)體100的產(chǎn)生的電流來作為測量氣體中的氧氣濃度的函數(shù)。以下將會參照圖3 (a-1)至5 Cd)描述氣體傳感器元件10的制造方法。制備由絕緣陶瓷片制成的絕緣陶瓷基底200。在絕緣陶瓷基底200中鉆出窗ロ以制作孔201。固體電解質(zhì)體100嵌入或裝配在孔201中。測量電極110和基準電極140粘附至固體電解質(zhì)體100的相對主表面。傳感器/加熱器疊層片20配備有絕緣陶瓷基底200和粘附至與基準電極120齊平的絕緣陶瓷基底200的表面的加熱元件140，傳感器/加熱器疊層片20粘合至其中形成基準氣體腔室130的圓筒狀陶瓷基底13的外周。由以上討論可知，傳感器/加熱器疊層片20配備有傳感器功能和加熱器功能，并且至少包括固體電解質(zhì)體100、測量電極110、基準電極120、加熱元件140和絕緣陶瓷基底200。具體而言，由至少兩片(即，絕緣陶瓷基底200和屏蔽層190)所形成的傳感器/加熱器疊層片20粘接至圓筒狀陶瓷基底13，然后對其進行燒制以制作氣體傳感器元件10。傳感器/加熱器疊層片20替代地可以由單片形成。這是通過以下步驟來完成的使其中裝配有固體電解質(zhì)體100的絕緣陶瓷基底200的片纏繞圓筒狀陶瓷基底13，并且然后在不使用屏蔽層190的情況下使用涂覆、鍍覆或熱噴涂技術在絕緣陶瓷基底200上形成加熱元件140、測量電極110、基準電極120、測量氣體腔室170等。電極圖案(S卩，測量電極110、基準電極120、加熱元件140等)形成在平面陶瓷片(即，絕緣陶瓷基底200)上，從而使其電斷開或接合缺陷的概率最小化。這改善了氣體傳感 器元件10的操作中的可靠性。以下還將會更詳細地描述氣體傳感器元件10的制造方法。例如，固體電解質(zhì)體100由含有氧化鋯的主要成分(即，ニ氧化鋯ZrO2)和氧化釔的添加劑(例如，Y2O3,4-8mol % )的固體電解質(zhì)材料制成。固體電解質(zhì)材料還可以含有氧化鋁、氧化硅、氧化鎂和/或氧化鈣。這些輔助劑用于改善氧化鋯的燒結性能，使固體電解質(zhì)材料的收縮度(也稱為收縮率)或熱膨脹系數(shù)與絕緣陶瓷基底200的材料的收縮度或熱膨脹系數(shù)一致，或者増大固體電解質(zhì)體100、絕緣陶瓷基底200、圓筒狀陶瓷基底13、測量電極110和基準電極120之間的粘附強度。絕緣陶瓷基底200由絕緣陶瓷材料制成，例如，其優(yōu)選地包括熱導率和電絕緣性較高的90重量％或更大的氧化鋁(S卩，氧化鋁Al2O3)的主要成分。氧化鋁可以包括氧化鋯、氧化釔、氧化鎂、氧化鈣和/或氧化硅。這些輔助劑用于改善氧化鋁的燒結性能，使氧化鋁的收縮度或熱膨脹系數(shù)與固體電解質(zhì)體100的材料的收縮度或熱膨脹系數(shù)一致，或者增大絕緣陶瓷基底200、圓筒狀陶瓷基底13、固體電解質(zhì)體100、測量電極110、測量電極引線111、測量電極端子112、基準電極120、基準電極引線121和基準電極端子122之間的粘附強度。首先，制造將會作為絕緣陶瓷基底200的未燒制的陶瓷片SH2tltl (即，未燒制的氧化鋁片)。未燒制的陶瓷片SH2tltl以下也將稱為平面絕緣陶瓷材料或氧化鋁片。通過使氧化鋁粉末與諸如氧化鎂粉末等燒結添加剤、諸如丁醛樹脂等粘合劑和諸如BBP (鄰苯ニ甲酸丁芐酷)等增塑劑混合或結合來制作氧化鋁漿料，使用刮片(doctorblade)來使氧化鋁漿料成形為片狀,然后從中揮發(fā)有機溶劑,來形成氧化鋁片SH2(I(I。其中待裝配固體電解質(zhì)體100的孔201形成在氧化鋁片SH2tltl中。還在氧化鋁片SH200中鉆出通孔202、203和204來制作過孔導體144、122和143。如上所述，過孔導體122是基準電極端子，以下也將會稱為基準電極過孔導體。制造將會是固體電解質(zhì)體100的未燒制的固體電解質(zhì)片SHltltl (即，未燒制的氧化鋯片)。未燒制的固體電解質(zhì)片SHltltl以下也將稱為平面固體電解質(zhì)材料或氧化鋯片。通過使氧化鋯粉末與氧化釔粉末、諸如丁醛樹脂等粘合劑和諸如BBP(鄰苯ニ甲酸丁芐酷)等增塑劑混合或結合并且將其與有機溶劑混合來制成氧化鋯漿料，使用刮片來使氧化鋯漿料成形為片狀，然后從中揮發(fā)有機溶劑，來形成氧化鋯片SH1,氧化鋁片SH■和氧化鋯片SHltltl的厚度互相相同(例如，燒制后的厚度為200 u m)。將氧化鋁片SH2tltl和氧化鋯片SHltltl的晶粒尺寸分布和混合比調(diào)節(jié)為當對它們進行燒制時其收縮率互相匹配。氧化鋯片SHltltl沖出成尺寸和形狀(例如，矩形形狀)與形成在氧化鋁片SH2tltl中的通孔201的尺寸和形狀相同。氧化鋯片SHltltl的沖出部嵌入在孔201中。以下將會參照圖3 (a-1)至3 (d-2)詳細描述如何將氧化鋯片SHltltl的沖出部嵌入在氧化鋁片SH2tltl的孔201中。
如圖3 (a-1)和3 (a-2)中所示，氧化鋯片SH1。。和氧化鋁片SH2。。互相重疊，然后將其放置在配備有上模Dup、上沖頭Pup、下模Duj、下沖頭Puj和基座BS的沖床中。如圖3 (b-1)和3 (b-2)中所示，上模Dup向下移動以在氧化鋁片SH2tltl中沖出孔201，與此同時，沖出氧化鋯片SHltltl的部分的形狀與孔201輪廓一致。在燒制之后，氧化鋯片SH2tltl的沖出部將會是固體電解質(zhì)體100。當上模Dup進ー步向下移動，氧化鋯片SHiciq的沖出部由下沖頭1\。按壓至孔201中。從氧化鋁片SH2tltl切出材料的塊WST2tltl,使孔201迎著由上彈簧SPup向下推壓的上沖頭Pup而抬升，并彈入到上模Dup中。氧化鋯片SHltltl的剰余的框狀部迎著下彈簧S Plo向下推壓下模Dw。然后，如圖3 (c-1)和3 (c-2)中所示，上模Dup向上移動，從氧化鋯片SH■切出了已經(jīng)嵌入在氧化鋁片SH2tltl中的且將會是固體電解質(zhì)體100的氧化鋯片SHltltl的部分，氧化鋯片SHltltl的剰余的框狀部由下模Duj抬升。從氧化鋁片SH■切出的且迫使進入上模Dup中的材料的塊WST2tltl由向下移動的上沖頭Pup彈出上模DUP。如圖3 (d-1)和3 (d-2)中所示，以如上所述的方式制造了固體電解質(zhì)體/氧化鋁片20’，固體電解質(zhì)體/氧化鋁片20’是氧化鋁片SH■和氧化鋯片SHltltl的沖出部的組件，且在燒制之后成為傳感器/加熱器疊層片20。從圖3 (a-1)至3 (d_l)中可以看出，使用結構簡單的沖床按壓互相重疊的氧化鋁片SH2tltl和氧化鋯片SHiqq來在氧化鋁片SH2tltl中制作孔201，并同時將氧化鋯片SHiqq的沖出部嵌入在孔201中來制作固體電解質(zhì)體/氧化鋁片20’。然而，可以通過將氧化鋯漿料放置在孔201中并從中揮發(fā)有機溶劑而在氧化鋁片SH2tltl的孔201中模制在燒制之后成為固體電解質(zhì)體100的氧化鋯片，從而制作固體電解質(zhì)體/氧化鋁片20’。然而，在干燥之后，在孔201中模制的氧化鋯片通常會收縮，使得其中心部變薄。因此，必須利用氧化鋯漿料的表面張カ制作中心厚度大于其余部分的厚度的氧化鋯片，使得燒制之后的氧化鋯片的厚度恒定?？梢酝ㄟ^制備形狀與孔201類似但在尺寸上略微小于孔201的矩形氧化鋯片、將其放置在孔201中、并將由有機溶劑稀釋的氧化鋯漿料和氧化鋁漿料的混合物裝填到孔201與放置在孔201中的氧化鋯片之間的間隙中作為粘接劑，來可替代地制作固體電解質(zhì)體/氧化鋁片20’。在以如上所述的方式制造了固體電解質(zhì)體/氧化鋁薄片20’之后，如圖4和5(d)中所示，例如通過使用已知的厚膜印刷技術，在固體電解質(zhì)體/氧化鋁片材20’上形成測量電極110、測量電極引線111、測量電極端子112、基準電極120、基準電極引線121、基準電極過孔導體122、基準電極端子123、加熱元件140、加熱引線141和142、加熱器過孔導體143和144、電源端子145和146、測量氣體腔室170、擴散抵抗層180、屏蔽層190以及緩沖層191，從而制作傳感器/加熱器疊層片20。測量電極110、測量電極引線111、測量電極端子112、基準電極120、基準電極引線
121、基準電極過孔導體122、基準電極端子123、加熱引線141和142、加熱器過孔導體143和144、電源端子145和146可以由諸如金、鉬、銠、鈀、釕或其合金等已知的導電材料制成。導電材料可以包括作為固體電解質(zhì)體100的主要成分的氧化鋯或者作為絕緣陶瓷基座200的主要成分的氧化鋁。加熱元件140可以由諸如鉬、銠、鎢、錸或其合金等電阻加熱材料制成。電阻加熱材料可以包括作為絕緣陶瓷基座200的主要成分的氧化鋁。如圖4、5 (a)和5 (b)中所示，測量電極110的形狀基本上為矩形，并且印刷在固體電解質(zhì)體100的主表面之一的整個上。測量電極引線111連接至測量電極110面向氣體傳感器元件10的基端的一端，并且在絕緣陶瓷基底200 (即，氣體傳感器元件10)的長度方向上延伸。測量電極引線111印刷在絕緣陶瓷基底200與測量電極110齊平的ー個主表面上。如圖4、圖5 (b)和5 (C)中所示，基準電極120的形狀基本上為矩形，并且印刷在固體電解質(zhì)體100的另ー主表面的整個上。換句話說,基準電極120、固體電解質(zhì)體100和測量電極110在其厚度方向上相互重疊地放置?；鶞孰姌O引線121連接至基準電極120面向氣體傳感器元件10的基端的一端，并且在絕緣陶瓷基底200 (即，氣體傳感器元件10)的長度方向上延伸。測量電極引線111印刷在絕緣陶瓷基底200與測量電極110齊平的ー個主表面上。使用已知的真空印刷技術，在絕緣陶瓷基底200的孔203的內(nèi)部形成過孔導體
122。孔203延伸貫穿其上分別設置有測量電極110和基準電極120的絕緣陶瓷基底200的相對主表面。過孔導體122電耦合至基準電極引線121的基端?；鶞孰姌O端子123印刷在絕緣陶瓷基底200與測量電極110齊平的主表面上?；鶞孰姌O端子123電連接至過孔導體122。與其上設置有測量電極110的固體電解質(zhì)體100的表面在同一側(cè)上的絕緣陶瓷基底200的表面以下也將稱為測量電極側(cè)表面。類似地，與其上設置有基準電極120的固體電解質(zhì)體100的表面在同一側(cè)上的絕緣陶瓷基底200的表面以下也將稱為基準電極側(cè)表面。在圖5 (c)中清楚地示出，加熱元件140印刷在基準電極側(cè)表面上。加熱元件140由基本上為C形的導體制成，所述C形的導體以距離固體電解質(zhì)體100和/或基準電極120的恒定間隔d環(huán)繞基準電極120的四條邊中的至少三條邊。間隔d大于或等于0.1mm或小于或等于3mmo加熱器引線141和142印刷在絕緣陶瓷基底200的基準電極側(cè)表面上與加熱元件140的端部電連接。使用已知的真空印刷技術，在絕緣陶瓷基底200的孔202和204的內(nèi)部形成過孔導體143和144?？?02和204延伸貫穿絕緣陶瓷基底200的測量電極側(cè)表面和基準電極側(cè)表面。過孔導體143和144分別電耦合至加熱器引線141和142的基端。
加熱器端子145和146 (也稱為電源端子)印刷在絕緣陶瓷基底200的測量電極側(cè)表面的基端部上。加熱器端子145和146分別電連接至過孔導體143和144。如圖4、5 (b)和5 (d)中所示，測量氣體腔室170的形狀基本上為矩形，并且覆蓋了測量電極110的整個表面。通過在測量電極110上施加由結合劑和有機溶劑的混合物制成的膏劑并且當以如稍后所述的方式燒制傳感器/加熱器疊層片20時燒盡所述膏劑來形成測量氣體腔室170。擴散抵抗層180由燒制后成為多孔層的制作擴散層的膏劑制成。制作擴散層的膏劑通過互相混合氧化鋁粉末、樹脂粉末和粘合劑并將其與有機溶劑混合來制作。選擇這種組合物的比例，使得多孔層具有給定的擴散抵抗程度。將制作擴散層的膏劑印刷在測量氣體腔室170的整個表面上，使其延伸直至絕緣陶瓷基底200的頂端的邊緣(即，圖4中所示的左端)。如圖4、圖5 (a)和圖5 (b)中所示，對擴散抵抗層180的端部進行切割或研磨，以形成錐形表面(即，傾斜測量氣體入口表面181)，所述錐形表面未覆蓋有屏蔽層190，并且測量氣體通過所述錐形表面而引入到擴散抵抗層180中。傾斜測量氣體入口表面181以給定角度向氣體傳感器元件10的長度傾斜以限定入口開ロ，所述入ロ開ロ有利于允許基本上垂直于氣體傳感器元件10移動的測量氣流進入到擴散抵抗層180中，并且隨后進入到擴散抵抗比擴散抵抗層180低的測量氣體腔室170中?？梢栽趥鞲衅?加熱器疊層片20纏繞圓筒狀陶瓷基底13之前或之后或者是在燒制傳感器/加熱器疊層片20和圓筒狀陶瓷基底13的組件之后，形成傾斜測量氣體入口表面 181。如圖4、5 (a)和5 (b)中所示，使用諸如氧化鋁等絕緣膏劑來在擴散抵抗層180和緩沖層191上印刷屏蔽層190。屏蔽層190不覆蓋端子145、112、123和146。使用諸如氧化鋁等絕緣膏劑來在絕緣陶瓷層200的測量電極側(cè)表面上印刷緩沖層191，緩沖層191在氣體傳感器元件10的長度方向上與擴散抵抗層180對準?？梢允褂醚趸X片SH2tltl制作屏蔽層190。以如上所述的方式制造了平面?zhèn)鞲衅?加熱器疊層片20，其是固體電解質(zhì)體100、測量電極110、基準電極120、加熱元件140、測量氣體腔室170、擴散抵抗層180、屏蔽層190、絕緣陶瓷層200等的疊置體。由諸如氧化鋁等絕緣陶瓷材料制成的中空陶瓷圓柱體形成圓筒狀陶瓷基底13。可以使用公知的擠出成型、注射成型、CIP (冷等靜壓)或HIP (熱等靜壓)技術來制作中空陶瓷圓柱體。圓筒狀陶瓷基底13可以成形為2. 5mm的外徑、2.1mm的內(nèi)徑和50mm的長度。圓筒狀陶瓷基底13具有封閉端133和開ロ端134，封閉端133是氣體傳感器元件10的頂端，開ロ端134面向氣體傳感器I的基端。圓筒狀陶瓷基底13在其中限定了圓筒狀基準氣體室130，允許空氣進入到圓筒狀基準氣體室130作為基準氣體。圓筒狀陶瓷基底13還具有貫穿側(cè)壁131的矩形孔或窗ロ 132。窗ロ 132設置為距離封閉端比距離開ロ端134更近。通過將氧化鋁粉末與粘合剤、分離劑(也稱為做脫模劑)和去離子水混合以制造生坯，將生坯擠出為中空陶瓷圓柱體，將中空陶瓷圓柱體切割成給定長度，使用類似的生坯封閉中空陶瓷圓柱體的一個開ロ端，對中空陶瓷圓柱體進行干燥以具有増大的機械強度，以及鉆出側(cè)窗ロ 132，來完成使用擠出エ藝的圓筒狀陶瓷基底13的制造。通過使用一組模具和芯來完成使用注射、CIP或HIPエ藝的圓筒狀陶瓷基底13的制造。模具和芯的使用使得可以同時形成基準氣體腔室130、側(cè)壁131、側(cè)窗ロ 132和封閉端 133。在以如上所述的方式制造了傳感器/加熱器疊層片20和圓筒狀陶瓷基底13之后，如圖5(d)中所述，傳感器/加熱器疊層片20盤繞或纏繞圓筒狀陶瓷基底13的外周壁，然后在給定的溫度下對其進行燒制。例如，在大氣中以400°C (攝氏度)對這種組件加熱四小時以將其脫脂，然后在約1500°C下燒制兩小時來完成氣體傳感器元件10。當傳感器/加熱器疊層片20纏繞圓筒狀陶瓷基底13時，從圖1 (C)中可以看出，基準電極110設置為在其半徑方向上與圓筒狀陶瓷基底13的側(cè)窗ロ 132重合。在陶瓷基底纏繞エ藝中，可取的做法是將接合膏劑施加至除基準電極120以外的絕緣陶瓷基底200的基準電極側(cè)表面來將傳感器/加熱器的疊層片20粘合至圓筒狀陶瓷基底200?？梢酝ㄟ^在有機溶劑中分散氧化鋁和粘合劑來制作接合膏劑?？梢栽趯A筒狀陶瓷基底13進行干燥之后、在從圓筒狀陶瓷基底13去除粘合劑之后、或者在臨時或完全地燒制圓筒狀陶瓷基底13之后，實現(xiàn)傳感器/加熱器疊層片20對圓筒狀陶瓷基底13的纏繞。圓筒狀陶瓷基底13的干燥導致機械強度増大，從而有利于傳感器/加熱器疊層片20纏繞圓筒狀陶瓷基底13。在從圓筒狀陶瓷基底13去除粘合劑之后，圓筒狀陶瓷基底13成為多孔的，從而浸透有接合膏劑，由此導致圓筒狀陶瓷基底13與傳感器/加熱器疊層片20的牢固連接。這使得圓筒狀陶瓷基底13與傳感器/加熱器疊層片20剝離的風險最小化。當以低于燒制圓筒狀陶瓷基底13和傳感器/加熱器疊層片20的組件的溫度臨時燒制圓筒狀陶瓷基底13時，會引起圓筒狀陶瓷基底13中的氧化鋁顆粒之間的頸部生長，從而導致圓筒狀陶瓷基底13的機械強度増大。這使得傳感器/加熱器疊層片20所纏繞的圓筒狀陶瓷基底13破裂的概率最小化。圓筒狀陶瓷基底13的燒制將會導致其機械強度増大，從而有利于傳感器/加熱器的疊層片20纏繞圓筒狀陶瓷基底13。圓筒狀陶瓷基底13的燒制還會導致當燒制以完成的氣體傳感器元件10時圓筒狀陶瓷基底13和傳感器/加熱器疊層片20的組件的收縮度降低。因此，作用于傳感器/加熱器疊層片20的熱應カ將會較小，從而減小了傳感器/加熱器疊層片20從圓筒狀陶瓷基底13上剝離的概率。然而，應當注意不要過度燒制圓筒狀陶瓷基底13。圖6 (a)至7 Cd)示出了氣體傳感器元件10的修改。如上所述，加熱元件140為圍繞基準電極120的C形，但是如圖6 Ca)中所示，カロ熱元件140可以以波紋管140a的形式印刷。由其錐形端部表面限定用作氣體入口開ロ的擴散抵抗層180的傾斜測量氣體入ロ表面181,然而,如圖6 (b)、6 (c)、6 (d)和6 (e)中所不,擴散抵抗層180的側(cè)表面替代地可以是錐形的以形成氣體入ロ開ロ，允許測量氣體通過所述氣體入ロ開ロ進入到擴散抵抗層180中。錐形側(cè)表面在絕緣陶瓷基底200的長度方向上延伸。氣體入口開ロ具有基本上垂直于氣體傳感器元件10的長度的取向。如圖2中所示，測量電極端子112、基準電極端子123以及加熱器端子145和146聚集在絕緣陶瓷基底200的表面區(qū)域上，所述表面區(qū)域占據(jù)了絕緣陶瓷基底200的圓周的一部分、與感測機構(換句話說，擴散抵抗層180的長度)對準、并且設置為距離圓筒狀陶瓷基底13的基端比距離其頂端更近，但是可以如圖7 (a)至7 (c)中的附圖標記112b、123b、145b和146b所表示的，在絕緣陶瓷基底200 (即，圓筒狀陶瓷基底13)的圓周方向上規(guī)則地或者等間隔地距離彼此而排列，并且設置為距離絕緣陶瓷基底200的基端比距離其頂端更近。在這種情況下，如圖7 (c)和7 (d)中所示，端子112b、123b、145b和146b可以通過如圖7 (d)中所示的基本上為U形的彈簧連接器連接至如上所述的電源控制電路和檢測器電路。彈簧連接器分別配備有接觸部113b和端子114b、接觸部124b和端子125b、接觸部147b和端子149b、接觸部148b的和端子150b的組。彈性地設置分別與絕緣陶瓷基底200上的端子112b、123b、145b和146b電接觸的接觸部113b、124b、147b和148b。這種結構有利于氣體傳感器元件10安裝在氣體傳感器I中并且改善抵抗外部機械振動的、端子112b、123b、145b和146b與接觸部113b、124b、147b和148b的電連接中的穩(wěn)定性。如圖7 (C)中可以看出，加熱器端子145b和146b分別通過端子149b和150b以及導線電連接至電源控制電路。電源控制電路用于控制電カ至加熱元件140的供應，并且配備有諸如M0SFET、SCR、或IGBT等半導體開關SW和驅(qū)動器DRV。半導體開關SW用于選擇性地建立或阻止從蓄電池BATT至加熱器端子145b和146b的電カ供應。驅(qū)動器DRV用于控制在PWM控制模式或切換開/關控制模式下半導體開關SW的操作。測量電極110和基準電極120分別通過端子114b和125b以及導線電連接至檢測器電路DTC。檢測器電路DTC用于氣體濃度確定電路以監(jiān)測測量電極110與基準電極120之間的電動勢的差或者在測量電極110與基準電極120之間流動的電流，并且確定測量氣體中所含有的指定成分(例如，O2)的濃度作為所監(jiān)測的差或電流的函數(shù)。以下將會參照圖8 (a)至13 (b)描述配備有常規(guī)結構的氣體傳感器元件10z、10g和IOf以及對于如氣體傳感器元件10所提供的有益效果具有技術限制的氣體傳感器元件10c、IOd和IOe的缺點。作為第I比較例，圖8 (a)、8 (b)和8 (C)示出了如在本申請的引言部分中所討論的日本專利特開No. H01-253649中所教導的具有典型平面結構的氣體傳感器元件10z。在圖8 (a)至8 (C)中，如以上所使用的，帶有后綴“z”的相同附圖標記指的是相似或相同的部分，并且在這里將省略其詳細解釋。平面固體電解質(zhì)體IOOz具有兩個相對主表面。測量電極110z、測量電極引線lllz、測量氣體腔室170z、擴散抵抗層180z、屏蔽層190z、緩沖層191z和基準電極端子123z形成在ー個主表面上。基準電極120z和基準電極引線121z形成在另ー主表面上。固體電解質(zhì)體IOOz具有形成在其中的孔101z，過孔導體122z形成在孔IOlz中以在基準電極引線121z的端部與基準電極端子123z之間連接。基準氣體腔室層131z堆疊在固體電解質(zhì)體IOOz上。平面絕緣層150z也堆疊在基準氣體的腔室層131z上，以限定沿基準氣體腔室層131z的基準氣體腔室130z。其上形成有加熱元件140z和加熱器引線141z、142z的加熱器載體層160z粘附至絕緣層150z。加熱器載體層160z具有形成在其中的孔161z和162z，過孔導體144z和143z形成孔161z和162z中以分別連接加熱器引線141z和142z與加熱器端子145z和146z。屏蔽層181z具有形成在其側(cè)面的傾斜測量氣體入口表面181z。
如圖8 (c)中所示，當激活加熱元件140z時，由加熱元件140z所產(chǎn)生的熱能熱量加熱允許通過絕緣層150z進入到基準氣體腔室130z中的空氣，并還通過空氣和基準氣體腔室層131z傳遞至固體電解質(zhì)體100z。空氣以層的形式存在于基準氣體腔室130z中。這種空氣層的熱絕緣性高且熱導率低(0. 15 至 0. 25ff/m k)。由加熱元件140z所產(chǎn)生的熱能通過由熱導率較高的(20至30W/m k)氧化鋁制成的絕緣層150z和基準氣體腔室層131z部分地傳遞至固體電解質(zhì)體100z。因此，通過由熱導率較低的(2至3W/m k)氧化鋯制成的固體電解質(zhì)體IOOz所傳遞的熱能來加熱由測量電極100z、基準電極120z等構成的感測機構。由加熱元件140z產(chǎn)生的大部分熱能首先消耗在加熱基準氣體腔室130z中的空氣·中。隨著空氣的溫度升高，然后傳遞以加熱固體電解質(zhì)體100z。來自加熱元件140z的輻射熱也直接傳遞至固體電解質(zhì)體IOOz。通常用作固體電解質(zhì)體IOOz的材料的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯的顏色是白色的，從而反射大部分輻射熱。因此，由加熱元件140所產(chǎn)生的熱能不用于在加熱元件140通電之后立即激活固體電解質(zhì)體100z，從而導致了在使氣體傳感器元件IOz達到正確測量氣體的濃度的條件中的延遲。如上所述，加熱元件140z介于絕緣層150z與加熱器載體層160z之間以制作加熱機構。感測機構(即，固體電解質(zhì)體100z、測量電極110z、基準電極120z和基準氣體腔室130z)和加熱機構(S卩，加熱元件140z、絕緣層150z和加熱器載體層160z)位于基準氣體腔室130z的相對側(cè)上。因此，加熱機構的溫度升高得比感測機構多。這將使得加熱機構的熱膨脹程度比感測機構大，從而導致了作用于加熱機構外表面上的拉伸應力，這可能導致絕緣層150z和加熱器載體層160z中的破裂。為了使這種破裂的風險最小化，可以加厚絕緣層150z和加熱器載體層160z以吸收熱應力，但是這導致了氣體傳感器元件IOz的整體尺寸的増大，換言之，待加熱的氣體傳感器元件IOz的體積増大。這也導致了激活氣體傳感器元件IOz中的延遲。如圖8 (a)中所示，固體電解質(zhì)體IOOz是完全平面的且具有導電性。測量電極引線lllz、基準電極引線121z、測量電極端子112z、過孔導體122z和基準電極端子123z形成在固體電解質(zhì)體IOOz上。因此，將電壓施加在測量電極端子112z與基準電極端子123z之間使得電流流過固體電解質(zhì)體100z，這導致了測量氣體濃度的精度的降低。作為第2比較例，圖9 (a)、9 (b)和9 (C)示出了在結構上類似于本申請的引言部分中所討論的日本專利特開No. H01-253649中所教導的氣體傳感器元件的氣體傳感器元件10g。在圖9 (a)至9 (C)中，如以上所使用的，帶有或不帶有后綴“g”的相同附圖標記指的是相似或相同的部分，并且在這里將省略其詳細解釋。如圖4中所示，該實施例的氣體傳感器元件10的固體電解質(zhì)體100嵌入在絕緣陶瓷基底200中，而氣體傳感器元件IOg的固體電解質(zhì)體IOOg是平面的并且直接纏繞圓筒狀絕緣基座13。具體而言，固體電解質(zhì)體IOOg具有粘附在其相對主表面上的測量電極110g、測量電極引線lllg、測量電極端子112g、基準電極120g、基準電極引線121g、過孔導體122g和基準電極端子123g。固體電解質(zhì)體IOOg纏繞圓筒狀絕緣基底13b且基準電極120g面向孔132g。加熱元件140g、加熱器引線141g和142g以及加熱器端子145g和146g通過絕緣層150g設置在測量電極IlOg周圍的固體電解質(zhì)體100的區(qū)域上。開ロ 151g形成在絕緣層150與測量電極IlOg重合的部分中。如圖9 (b)中所示，開ロ 151g限定了測量氣體腔室170g。擴散抵抗層180g設置在絕緣層150g上，以覆蓋暴露于開ロ 151g的測量電極IlOgo屏蔽層190g設置在擴散抵抗層180g上。這些布置使得測量電極IOOg與加熱元件140的內(nèi)緣之間的間隔(即，絕緣間隔d)縮短，以加快固體電解質(zhì)體IOOg的激活，但是確保加熱元件140g與固體電解質(zhì)體IOOg之間的期望的電絕緣程度需要增大絕緣層150g的厚度t15(l，以設定大于或等于例如100 u m的絕緣間隔d。固體電解質(zhì)體IOOg纏繞圓筒狀陶瓷基底13的整個圓周。換言之，在絕緣層150g纏繞圓筒狀陶瓷基底13的整個圓周。屏蔽層190g覆蓋絕緣層150g的整個圓周。因此，傾斜測量氣體入口表面181g不可避免地形成在擴散抵抗層180g的頂端上。因此，氣體傳感器元件IOg的外徑増大，從而導致氣體傳感器元件IOg的全部熱容量的増大。
從圖9 (C)可以看出，加熱元件140g在固體電解質(zhì)體IOOg的圓周方向上從外部加熱固體電解質(zhì)體100g。因此，類似于第I比較例，由加熱元件140g所產(chǎn)生的熱能通過熱導率較低的固體電解質(zhì)體100g，然后到達感測機構的兩側(cè)。加熱元件140g靠近氣體傳感器元件IOg的外部外周設置，使得大量熱能擴散至氣體傳感器元件IOg周圍的測量氣體，從而導致缺乏熱能來加熱基準氣體腔室130中的空氣。因此，第2比較例的結構能效低，且需要時間來完全激活感測機構。作為第3比較例，圖10 (a)、10 (b)和10 (C)示出了氣體傳感器元件IOf。在圖
10(a)至10 (C)中，如以上所使用的，帶有或不帶有后綴“f”的相同附圖標記指的是相似或相同的部分，并且在這里將省略其詳細解釋。氣體傳感器元件IOf類似于氣體傳感器元件10在于固體電解質(zhì)體100嵌入在絕緣陶瓷基底200f中，加熱元件140f位于其上設置有基準電極120的絕緣陶瓷基底200f的表面上，但是，基準氣體腔室130f由C形基準氣體腔室層131f和平面絕緣層150f的疊置體限定而未使用圓筒狀陶瓷基底13。因此，如圖10 (b)中可以看出，氣體傳感器元件IOf在縱截面上與氣體傳感器元件10相同，但是如圖10 (C)中可以看出，在橫截面上與氣體傳感器元件10不同。因此，類似于氣體傳感器元件10，通過在絕緣陶瓷基底200f的與基準電極120的同一側(cè)上安裝加熱元件140，通過熱導率較高的陶瓷基底200f，認為實現(xiàn)了固體電解質(zhì)體100的快速熱激活。然而，因為加熱元件140在平面的絕緣陶瓷基底200f上的基準電極120f的側(cè)面的外部延伸，所以氣體傳感器元件IOf 具有増大的寬度。這導致了氣體傳感器元件IOf對熱應カ的靈敏度増大，所述熱應力例如由會降低氣體傳感器元件IOf的耐久度的濺水所引起。作為第4比較例，圖11 (a)、11 (b)和11 (C)示出了氣體傳感器元件10c。在圖
11(a)至11 (C)中，如以上所使用的，帶有或不帶有后綴“c”的相同附圖標記指的是相似或相同的部分，并且在這里將省略其詳細解釋。氣體傳感器元件IOf不同于圖1的氣體傳感器元件10僅在于固體電解質(zhì)體100的邊緣與加熱元件140c之間的絕緣間隔d小于氣體傳感器元件10中的絕緣間隔d的設定范圍內(nèi)的下限0. 1mm。
氣體傳感器元件IOc的結構在快速激活感測機構的效果上與氣體傳感器元件10的結構相同，但是減小的絕緣間隔d導致在通電時電流從加熱元件140c的泄漏，從而導致氣體傳感器元件IOc的操作中的不穩(wěn)定性。作為第5比較例，圖12 (a)、12 (b)和12 (C)示出了氣體傳感器元件10d。在圖
12(a)至12 (C)中，如以上所使用的，帶有或不帶有后綴“d”的相同附圖標記指的是相似或相同的部分，并且在這里將省略其詳細解釋。氣體傳感器元件IOd的結構類似于圖1的氣體傳感器元件10在于固體電解質(zhì)體100嵌入在具有粘附至其相對主表面的測量電極110和基準電極120的絕緣陶瓷基底200中并且纏繞圓筒狀陶瓷基底13，但不同之處在于加熱元件140d設置在與測量電極110在同一側(cè)上的絕緣陶瓷基底200的表面上，并且絕緣層192d和193d印刷在加熱元件140d上作為保護層，其使加熱元件140d與測量氣體隔離。絕緣層192d和193d的厚度為20 u m。因此，通過縮短測量電極110與加熱元件140d之間的絕緣間隔，認為實現(xiàn)了固體電解質(zhì)體100的快速熱激活，但是印刷來覆蓋加熱元件140d的絕緣層192d和193d較薄，因此導致了與由于絕緣層192d和193d中具有穿透針孔而暴露于測量氣體中的毒劑所致的加熱元件140d的操作的劣化有關的更多關注。類似于第2比較例，加熱元件140d靠近氣體傳感器元件IOd的外部外周設置，使得由加熱元件140d所產(chǎn)生的大量熱能擴散至氣體傳感器元件IOd周圍的測量氣體，從而導致缺乏熱能來加熱基準氣體腔室130中的空氣。作為第6比較例，圖13 (a)、13 (B)和13 (C)示出了氣體傳感器元件10e。在圖
13(a)至13 (C)中，如以上所使用的，帶有或不帶有后綴“e”的相同附圖標記指的是相似或相同的部分，并且在這里將省略其詳細解釋。氣體傳感器元件IOe的結構類似于圖1的氣體傳感器元件10在于固體電解質(zhì)體100嵌入在具有粘附至其相對主表面的測量電極110和基準電極120的絕緣陶瓷基底200中并且纏繞圓筒狀陶瓷基底13，但不同之處在于加熱元件140e設置在與測量電極110在同一側(cè)上的絕緣陶瓷基底200的表面上，并且絕緣層192e和193e印刷在加熱元件140d上作為保護層，其使加熱元件140d與測量氣體隔離。絕緣層192e和193e由刮片技術形成以具有220iim的厚度。因此,通過縮短測量電極110與加熱元件140e之間的絕緣間隔,認為實現(xiàn)了固體電解質(zhì)體100的快速熱激活。此外，絕緣層192e和193e比第5比較例中的絕緣層192d和193要厚，從而使由于絕緣層192e和193e中具有穿透針孔而暴露于測量氣體中的毒劑所致的加熱元件140d的操作的劣化的風險最小化。然而，類似于第2和第5比較例，加熱元件140d靠近氣體傳感器元件IOe的外部外周設置,使得由加熱元件140e所產(chǎn)生的大量熱能擴散至氣體傳感器元件IOe周圍的測量氣體，從而導致缺乏熱能來加熱基準氣體腔室130中的空氣。然而，絕緣層192e和193e的厚度的增大不期望地吸收了由加熱元件140e所產(chǎn)生的熱能，從而導致了激活氣體傳感器元件IOe中的延遲。作為第I比較例，圖14 (a)、14 (b)和14 (c)示出了氣體傳感器元件10h。在圖
14(a)至14 (C)中，如以上所使用的，帶有或不帶有后綴“h”的相同附圖標記指的是相似或相同的部分，并且在這里將省略其詳細解釋。氣體傳感器元件IOh不同于圖1 (a)至I (C)的氣體傳感器元件10僅在于固體電解質(zhì)體100的邊緣與加熱元件140h之間的絕緣間隔d為3. 5mm,這比氣體傳感器元件10中的絕緣間隔d的設定范圍的上限大0. 5mm。増大的絕緣間隔d導致完全激活氣體傳感器元件IOh所需的時間増大。我們進行了如下所討論的測試來評估氣體傳感器元件10的結構所提供的有益效果。我們準備了在結構上與氣體傳感器元件10和比較例I至6 (即，氣體傳感器元件IOz、IOg, IOf、IOcUOd和IOe)相同的測試樣品，并且分析了三個測試項I)激活測試所需的時間的激活時間，2)加熱器耐久度，以及3)熱應カ破裂。
激活時間我們對每個測試樣品的加熱元件施加6. 5V電壓，還在測量電極與基準電極之間施加0. 4V電壓，并測量在流過測量和基準電極所產(chǎn)生的電流值落在常數(shù)的±2%以內(nèi)或者穩(wěn)定電流之前所經(jīng)過的時間。我們發(fā)現(xiàn)小于6秒是可接受的。加熱器耐久度我們對加熱元件施加6. 5V電壓1000小時，然后測量加熱元件的電阻的變化。我們確定電阻不變的加熱元件是可接受的。熱應カ破裂我們對加熱元件進行通電并對每個測試樣品施加水滴。我們測量所施加的水的總體積直到測試樣品破裂。我們限定施加至第I比較例(即，氣體傳感器元件IOz)的測試樣品的水的總體積作為基準體積單位10，并且計算相對于基準體積單位10的施加至每個測試樣品的水的總體積。應當注意，每個試驗樣品的機械強度越高，則水的總體積將越大。我們在下面的頁中出現(xiàn)的表I中示出了以上測試的結果。我們發(fā)現(xiàn)，對于本實施例的氣體傳感器元件10的測試樣品而言，激活時間是四秒，在1000小時的耐久度測試之前或之后加熱元件的電阻值為1. 9Q，并且所施加的水的總體積遠小于基準単位10。因此，發(fā)現(xiàn)氣體傳感器元件10在加熱器的耐久度程度方面基本上與第I比較例相同，但是在激活時間和抵抗熱應カ破裂方面優(yōu)異。我們在表I中對氣體傳感器元件10給出了良好的整體評級“〇”。第I比較例第I比較例(S卩，氣體傳感器元件IOz)的激活時間是十秒鐘。然而，我們評估激活所需的小于10秒的時間是可接受的。在1000小時的耐久度測試之前或之后加熱元件的電阻值是2. 0 Q。第2比較例第2比較例(即，氣體傳感器元件IOg)的激活時間是六秒鐘，其小于第I比較例的激活時間，但是長于氣體傳感器元件10的激活時間。在1000小時的耐久度測試之前和之后加熱元件的電阻值分別為1. 9Q和2. OQ，其與氣體傳感器元件10的電阻值幾乎相同。即使外徑大于氣體傳感器兀件10的外徑，所施加的水的總體積也小于氣體傳感器兀件10的所施加的水的總體積。這是因為加熱元件更靠近氣體傳感器元件IOg的外表面設置，使得外表面的溫度升高，從而導致當濺水時作用于氣體傳感器元件IOg的表面的熱應カ増大。我們發(fā)現(xiàn)與前一比較例相比，改善了第2比較例的激活時間，但是對熱應力破裂的抵抗低于第I比較例，因此在表I中對其給出了差的整體評級“ X ”。
第3比較例第3比較例(即，氣體傳感器元件IOf)的激活時間是四秒鐘，其與氣體傳感器元件10大致相同。在1000小時的耐久度測試之前和之后加熱元件的電阻值分別為1. 9Q和2. OQ，其與氣體傳感器元件10的電阻值幾乎相同。所施加的水的總體積大致為第I比較例的一半。這是因為氣體傳感器元件IOf 是平面且寬的，從而對熱應カ的抵抗較低。我們發(fā)現(xiàn)與第I比較例相比，極大地改善了第3比較例的激活時間，但是對熱應力破裂的抵抗比第I比較例低得多，因此在表I中對其給出了差的整體評級“ X ”。第4比較例 第4比較例(即，氣體傳感器元件IOc)的激活時間是四秒鐘，其與氣體傳感器元件10大致相同，但是我們觀察到以顯著電噪聲形式的從加熱元件的電流泄漏。電流輸出未保持在穩(wěn)定電流的±2%內(nèi)。在1000小時的耐久度測試之前或之后加熱元件的電阻值為1. 9 Q。所施加的水的總體積與氣體傳感器元件10的大致相同。我們發(fā)現(xiàn)，極大地改善了激活時間和對熱應カ破裂的抵抗，但噪聲極大，并且氣體傳感器元件IOc的操作中的可靠性是不可接受的。因此，我們在表I中對其給出了差的總體評級“ X ”。第5比較例第5比較例(即，氣體傳感器元件IOd)的激活時間是四秒鐘，其與氣體傳感器元件10大致相同，但是在1000小時的耐久度測試之后，加熱元件的電阻值從2. OQ極大地變?yōu)榱?28Q。這是因為保護層192d和193d較薄，這加速了加熱元件140d的劣化。對熱應力破裂的抵抗與氣體傳感器元件10大致相同。我們發(fā)現(xiàn)，極大地改善了第5比較例的激活時間和對熱應カ破裂的抵抗，但是加熱器耐久度較低，因此在表I中對其給出了差的總體評級“ X ”。第6比較例第6比較例(即，氣體傳感器元件IOe)的激活時間是六秒鐘，其長于氣體傳感器元件10的激活時間。這是因為加熱元件140e更靠近氣體傳感器元件IOe的外表面而設置，使得由加熱元件140e所產(chǎn)生的熱能由保護層192e、193d吸收。在1000小時的耐久度測試之前和之后加熱元件的電阻值分別為1. 9Q和2. OQ，其與氣體傳感器元件10的電阻值幾乎相同。對熱應力破裂的抵抗與氣體傳感器元件10大致相同。我們發(fā)現(xiàn)，對于第6比較例而言，極大地改善了對熱應力破裂的抵抗，輕微地改善了激活時間，并且加熱器耐久度是可接受的，因此在表I中對其給出了平均的總體評級“ A ”。第7比較例第7比較例(即，氣體傳感器元件IOh)的激活時間是六秒鐘，其長于氣體傳感器元件10的激活時間。這是因為加熱元件140h遠離固體電解質(zhì)體而設置。氣體傳感器元件IOh的形狀為圓筒狀。因此，絕緣間隔d的輕微增大導致了氣體傳感器元件IOh的一部分的體積的増大，由加熱元件140h所產(chǎn)生的熱能通過所述一部分傳遞至固體電解質(zhì)體100。認為這樣的體積增大促使了激活時間的増大。在1000小時的耐久度測試之前和之后加熱元件的電阻值分別為1. 9 Q和2. 0 Q，其與氣體傳感器兀件10的電阻值幾乎相同。對熱應力破裂的抵抗與氣體傳感器兀件10大致相同。我們發(fā)現(xiàn)，對于第7比較例而言，與第I比較例相比極大地改善了對熱應力破裂的抵抗，輕微地改善了激活時間，并且加熱器耐久度是可接受的，因此在表I中對其給出了平均的總體評級“八”。從以上討論可知，本實施例的氣體傳感器元件10由圓筒狀陶瓷基底13和堆疊在圓筒狀陶瓷基底13上的傳感器/加熱器疊層片20構成。傳感器/加熱器疊層片20具有設置在絕緣陶瓷基底200中的固體電解質(zhì)體100。固體電解質(zhì)體100用于傳導氣體的至少ー種給定離子(例如，氧離子)。圓筒狀陶瓷基底13具有開ロ端134 (即，空氣的入口)和封閉端133。圓筒狀陶瓷基底13在其中限定了基準氣體腔室130，并且在其中形成了窗ロ 132，粘附至固體電解質(zhì)體100的主表面之一的基準電極120暴露于窗ロ 132。測量電極110粘附至固體電解質(zhì)體100的另ー主表面，并且暴露于測量氣體。加熱元件140設置在與其上安裝有基準電極120的固體電解質(zhì)體100的表面在同一側(cè)上的絕緣陶瓷基底200的表面上。加熱元件140用于激活固體電解質(zhì)體100，以產(chǎn)生作為測量氣體的給定成分的濃度的 函數(shù)的信號。加熱元件140靠近氣體傳感器元件10的縱向中心而設置。這實現(xiàn)了氣體傳 感器元件10的快速激活，并確保了其所需的耐久度程度。如上所述，絕緣間隔d是加熱元件140的內(nèi)邊緣與基準電極120的外邊緣之間的最小距離以及加熱元件140的內(nèi)邊緣與固體電解質(zhì)體100的外邊緣之間的最小距離中的較短者，并且絕緣間隔d選擇為大于或等于
0.1mm之間且小于或等于3mm。表I
_激活時間__電Ii變化所施加的水評級
實施例40.0041O
第 I 比較例__10__0.0Q__10__X _
第2比較例60.1Q17X
第3比較例4-0.1Q6X
第 4 比較例__4__0.0040X
第 5 比較例__4__26.0Q__39__X _
第 6 比較例__6__-0.1Q__37__A _
第 7 比較例 [ 6 I 0.10 J 37 l_ A雖然已經(jīng)以優(yōu)選實施例的方式公開了本發(fā)明，以便有利于更好地理解本發(fā)明，但是應當理解，可以在不脫離本發(fā)明的原理的情況下以各種方式來體現(xiàn)本發(fā)明。因此，本發(fā)明應當理解為包括可以在不脫離如所附權利要求所闡述的本發(fā)明的原理的情況下而體現(xiàn)的、所有可能的實施例以及對所示實施例的修改。
權利要求
1.一種對氣體的給定成分敏感的氣體傳感器元件，包括絕緣陶瓷構件，其具有彼此相對的表面和形成在其中的通孔；固體電解質(zhì)體，其設置在所述絕緣陶瓷構件的所述孔中，并且用于傳導至少一種給定離子，所述固體電解質(zhì)體具有第一主表面和第二主表面；測量電極，其設置在所述固體電解質(zhì)體的所述第一主表面上，以暴露于所述氣體；基準電極，其設置在所述固體電解質(zhì)體的所述第二主表面上，以暴露于基準氣體；以及加熱元件，其設置在與所述固體電解質(zhì)體的所述第二主表面在同一側(cè)上的所述絕緣陶瓷構件的相對表面之一上，所述加熱元件用于激活所述固體電解質(zhì)體。
2.根據(jù)權利要求1所述的氣體傳感器元件，還包括中空圓筒狀陶瓷構件，其具有封閉端并且在其中限定了基準氣體腔室，允許所述基準氣體進入到所述基準氣體腔室中，所述中空圓筒狀陶瓷構件在其外周表面中還形成有與所述基準氣體腔室連通的窗口，其中所述絕緣陶瓷構件堆疊在所述中空圓筒狀構件上，且所述固體電解質(zhì)體通過所述窗口暴露于所述基準氣體腔室，并且其中所述加熱構件插置在所述中空圓筒狀陶瓷構件與所述絕緣陶瓷構件之間。
3.根據(jù)權利要求1所述的氣體傳感器元件，其中，所述加熱元件位于距離所述固體電解質(zhì)體和所述基準電極中的一者給定絕緣間隔處，所述絕緣間隔是所述加熱元件的外周邊緣與所述固體電解質(zhì)體的外周邊緣之間的最小距離以及所述加熱元件的外周邊緣與所述基準電極的外周邊緣之間的最小距離中的較短者，并且所述絕緣間隔大于或等于O.1mm且小于或等于3mm。
4.根據(jù)權利要求1所述的氣體傳感器元件，其中，所述固體電解質(zhì)體由部分穩(wěn)定的氧化鋯制成。
5.根據(jù)權利要求1所述的氣體傳感器元件，其中，所述絕緣陶瓷構件由氧化鋁制成。
6.一種用于測量氣體的給定成分的氣體傳感器，包括氣體傳感器元件，包括(a)絕緣陶瓷構件，其具有彼此相對的表面和形成在其中的通孔，(b)固體電解質(zhì)體，其設置在所述絕緣陶瓷構件的所述孔中，并且用于傳導至少一種給定離子，所述固體電解質(zhì)體具有第一主表面和第二主表面，(C)測量電極，其設置在所述固體電解質(zhì)體的所述第一主表面上，以暴露于所述氣體，Cd)基準電極，其設置在所述固體電解質(zhì)體的所述第二主表面上，以暴露于基準氣體，以及(e)加熱元件，其設置在與所述固體電解質(zhì)體的所述第二主表面在同一側(cè)上的所述絕緣陶瓷構件的相對表面之一上，所述加熱元件用于激活所述固體電解質(zhì)體；第一和第二信號線，分別通向所述基準電極和所述測量電極，用于將傳感器的輸出傳送至外部檢測電路；第一和第二導體，通向所述加熱元件，用于與外部電源控制電路建立電連接，以控制至所述加熱元件的電力供應；以及外殼，所述氣體傳感器元件、所述第一和第二信號線以及電源導體容納在所述外殼中， 所述外殼設計成保持所述氣體傳感器元件以使其暴露于所述氣體。
7.一種氣體傳感器元件的制造方法，包括形成絕緣陶瓷構件，所述絕緣陶瓷構件是平面的且由電絕緣陶瓷材料制成，所述絕緣陶瓷構件具有相對的表面和通孔；在所述絕緣陶瓷構件的所述通孔中形成固體電解質(zhì)體，所述固體電解質(zhì)體由傳導至少一種給定離子的陶瓷材料制成并且具有第一主表面和第二主表面；形成測量電極，所述測量電極設置在所述固體電解質(zhì)體的所述第一主表面上以暴露于所述氣體；形成基準電極，所述基準電極設置在所述固體電解質(zhì)體的所述第二主表面上以暴露于基準氣體；布置加熱元件，所述加熱元件設置在與所述固體電解質(zhì)體的所述第二主表面在同一側(cè)上的所述絕緣陶瓷構件的所述相對的表面之一上，所述加熱元件用于激活所述固體電解質(zhì)體；制備中空圓筒狀陶瓷構件，所述中空圓筒狀陶瓷構件由電絕緣陶瓷材料制成并且具有封閉端和開口端，所述中空圓筒狀陶瓷構件還具有形成在其外周表面中的窗口 ；使所述絕緣陶瓷構件纏繞所述中空圓筒狀陶瓷構件，且所述基準電極面向所述中空圓筒狀陶瓷構件的所述窗口 ；以及燒制所述絕緣陶瓷構件所纏繞的所述中空圓筒狀陶瓷構件。
8.根據(jù)權利要求7所述的氣體傳感器元件的制造方法，其中，所述絕緣陶瓷構件和所述固體電解質(zhì)體的所述形成步驟制備平面固體電解質(zhì)材料和平面絕緣陶瓷材料的疊置體， 并且對所述疊置體進行沖孔，以制作在所述絕緣陶瓷構件中的所述通孔和從所述平面固體電解質(zhì)材料切出的所述固體電解質(zhì)體，以使所述固體電解質(zhì)體的尺寸基本上與所述通孔的尺寸相同，并且同時將所述固體電解質(zhì)體放置在所述通孔中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氣體傳感器元件、氣體傳感器及其制造方法。氣體傳感器元件包括絕緣陶瓷基底、固體電解質(zhì)體和加熱元件。所述固體電解質(zhì)體設置在所述絕緣陶瓷基底的開口中，并且具有粘附至其主表面之一的測量電極和粘附至其另一主表面的基準電極。所述測量電極暴露于待測量的氣體。所述基準電極暴露于基準氣體。所述加熱元件用于激活所述固體電解質(zhì)體，并且安裝在與其上設置有所述基準電極的所述固體電解質(zhì)體的表面在同一側(cè)上的所述絕緣陶瓷基底的相對的表面之一上。具體而言，所述絕緣陶瓷基底設置在所述固體電解質(zhì)體與所述加熱元件之間，從而確保了所述加熱元件與所述基準電極之間的期望的電絕緣程度。
文檔編號G01N27/409GK103018308SQ20121036975
公開日2013年4月3日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權日2011年9月27日
發(fā)明者齊藤大未, 藤井并次, 梶山理一 申請人:株式會社電裝