气体传感器元件及其制造方法
【专利说明】气体传感器元件及其制造方法
[0001]本申请是申请日为2013年3月15日、发明名称为“气体传感器元件及其制造方法”的专利申请201310082570.5的分案申请。
技术领域
[0002]本申请涉及一种气体传感器元件以及一种制造该气体传感器元件的方法，该气体传感器元件包括具有有底的管状形状并由电绝缘陶瓷材料制成的基体、固体电解质部分以及一对电极。
【背景技术】
[0003]已知的气体传感器元件被应用在例如λ传感器(lambda sensor)或A/F(空气/燃料)比传感器中，以检测来自机动车辆的内燃机的排出气体中的氧气浓度。
[0004]更具体地，λ传感器通常被构造为基于从气体传感器元件输出的电动势来检测排出气体中的氧气浓度；该电动势表示排出气体与基准气体(例如空气)之间的氧气浓度的差。另一方面，A/F比传感器通常被构造为基于从气体传感器元件输出的限制电流来检测排出气体中的氧气浓度；该限制电流也表示排出气体与基准气体之间的氧气浓度的差。此夕卜，A/F比传感器通常被构造为基于排出气体中检测到的氧气浓度来进一步确定被供应到发动机的空气-燃料混合物的A/F比。
[0005]而且，已知的气体传感器元件通常被构造为包括固体电解质体和一对测量和基准电极。固体电解质体例如由部分由氧化钇稳定的氧化锆制成。测量和基准电极例如由铂制成并且被分别设置在固体电解质体的相对表面上，以便被分别暴露到排出气体(即，测量气体或待测量的气体)和空气(即，基准气体)中。此外，在测量电极上，还设置用于λ传感器的那些气体传感器元件中的保护层和用于A/F比传感器的那些气体传感器元件中的扩散抵抗层。
[0006]另外，已知的气体传感器元件通常具有板状或有底的管状形状。
[0007]更具体地，通常通过对固体电解质层和绝缘层进行层压来形成板状的气体传感器元件。因此，容易制造板状的气体传感器元件。另外，可以将加热层与固体电解质和绝缘层层压在一起，从而在操作中容易加热固体电解质层。然而，由于板状的形状，在气体传感器元件的末端形成拐角部分。因此，具有该拐角部分，气体传感器元件可能易于遭受例如由排气管中产生的水所引起的热冲击而损坏。
[0008]另一方面，对于有底的管状的气体传感器元件，可以将其底部表面构造为弯曲表面。因此，利用该弯曲的底部表面，可以减轻排气管中产生的水所引起的热冲击，从而防止气体传感器元件遭受水损坏。
[0009]而且，为了使气体传感器元件的制造成本最小化，期望使气体传感器元件中使用的固体电解质的量最小化。
[0010]为了满足上述期望，日本未审查专利申请公开ΝΟ.Η3-138559公开了一种包括中空圆柱形加热体的气体传感器元件。在加热体的外表面中，形成凹槽以便经由通孔与形成在加热体中的中空空间连通。固体电解质层形成在加热体的外表面上，以便跨越凹槽的开
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[0011]然而，利用上述构造，在加热体的外表面与固体电解质层的外表面之间存在水平(或高度)差。因此，在气体传感器元件的烧制过程期间或当由于包含在排出气体中的水所致的热冲击被施加到气体传感器元件的时候，由于其间的表面水平差，可能在加热体与固体电解质层之间的边界处发生应力集中。因此，可能造成对气体传感器元件的损坏，例如造成在加热体中或在固体电解质层中发生破裂，或造成气体传感器元件的电极导线断裂。
【发明内容】
[0012]根据示例性实施例，提供一种气体传感器元件，该气体传感器元件包括基体、至少一个固体电解质部分和一对电极。基体具有有底的管状形状并且由电绝缘陶瓷材料制成。基体具有侧壁和底壁。该至少一个固体电解质部分形成在基体的底壁或侧壁中。所述一对电极彼此相对，而该至少一个固体电解质部分插置在所述一对电极之间。基体与该至少一个固体电解质部分之间在其间的边界处的表面水平的差小于或等于30 μπι。
[0013]具有这样小的差，在气体传感器元件的烧制过程期间或当由于包含在测量气体(即，将由气体传感器元件测量的气体)中的水而导致的热冲击被施加到气体传感器元件的时候，可以防止在基体与固体电解质部分之间的边界处发生应力集中。作为结果，可以防止在气体传感器元件中发生破裂。
[0014]而且，利用基体的有底的管状形状，可以将气体传感器元件构造为在其测量气体侧的端部不具有拐角部分。因此，可以防止在气体传感器元件中由于在其拐角部分处的应力集中而发生破裂。此外，也可以防止在气体传感器元件与其它部件的装配期间由于其拐角部分与其它部件的碰撞而导致气体传感器元件被损坏。
[0015]为了更可靠地防止在气体传感器元件中发生破裂，在基体与至少一个固体电解质部分之间在其间的边界处的表面水平的差优选等于或小于10 μ m，并且更优选地等于或小于 5 μ m0
[0016]优选的是，基体的底壁和侧壁经由其间的弯曲边界部分相互连接。在该情况下，可以防止在基体的底壁与侧壁之间的边界部分处发生应力集中，由此更可靠地防止在气体传感器元件中发生破裂。
[0017]还优选的是，至少一个固体电解质部分的主要成分是部分稳定的氧化锆。在该情况下，可以确保气体传感器元件的高灵敏性。
[0018]还优选的是，制成基体的电绝缘陶瓷材料的主要成分是氧化铝。在该情况下，可以确保基体的高导热性和高电绝缘属性。
[0019]根据示例性实施例，还提供一种制造该气体传感器元件的方法。该方法包括以下步骤:(1)将提供用于形成基体的第一粘土成形为基体的形状，以使得在成形的第一粘土中形成至少一个空隙空间；(2)通过将提供用于形成至少一个固体电解质部分的第二粘土填充到在成形的第一粘土中形成的至少一个空隙空间中，来将第二粘土成形为至少一个固体电解质部分的形状；(3)将成形的第一粘土和第二粘土两者烧制在一起，以形成基体和至少一个固体电解质部分；以及(4)将所述一对电极分别形成在至少一个固体电解质部分的相对侧上。
[0020]利用上述方法，可以将基体和至少一个固体电解质部分整体地形成为单体，以使得在基体的底壁或侧壁中包括至少一个固体电解质部分。而且，由于通过将第二粘土填充到预先形成在第一粘土中的至少一个空隙空间中来使第二粘土成形，所以可以实现如上所述的在基体与至少一个固体电解质部分之间在其间的边界处的表面水平的这样小的差。
[0021]此外，可以通过将电绝缘陶瓷材料的粉末、有机粘结剂、分散剂和水进行混合来获得用于形成基体的第一粘土。类似地，可以通过将固体电解质材料的粉末、有机粘结剂、分散剂和水进行混合来获得用于形成至少一个固体电解质部分的第二粘土。
[0022]优选的是，通过使用模具组件进行注入成型，来使第一粘土和第二粘土成形。在该情况下，可以精确地使第一粘土和第二粘土成形，由此可靠地抑制在基体与至少一个固体电解质部分之间在其间的边界处的表面水平的差。
[0023]此外，优选地，模具组件具有在其中形成的腔；该腔具有基体的形状。在第一粘土成形步骤中，在该腔的至少一个部分由可移动构件占据的情况下将第一粘土填充到该腔中。在第二粘土成形步骤中，将第二粘土填充到至少一个空隙空间中，通过将可移动构件去除以腾空该腔的该至少一个部分来在成形的第一粘土中形成该至少一个空隙空间。在该情况下，可以容易地整体形成基体和至少一个固体电解质部分，从而在基体的底壁或侧壁中包括至少一个固体电解质部分。
[0024]还优选的是，该方法还包括:在第二粘土成形步骤之后且在烧制步骤之前，对成形的第一粘土和第二粘土两者进行脱脂的步骤。在该情况下，可以在烧制成形的第一粘土和第二粘土之前去除包括在它们中的有