[发明专利]传感器元件

说明书

本发明的课题在于抑制Pt的扩散、以及因固体电解质层与绝缘层之间的热膨胀系数差而引起的裂纹以使传感器元件长寿命化。平板状传感器元件的加热器部具有：含有Pt的加热构件；以90～99.9wt％的重量比含有热膨胀系数与构成元件的基体部的固体电解质不同的绝缘材料的绝缘层；以及在传感器元件主面露出的加热器电极，加热器部的加热器电极以外的部分埋设于基体部，绝缘层具有气孔率为20～40％的多孔质部以及气孔率为4％以下的致密部，加热构件被致密部覆盖，绝缘层中的致密部以外的部分为多孔质部，加热构件上的多孔质部与致密部的层叠部分的总厚度为25～100μm，层叠部分的致密部的厚度为5μm以上，层叠部分的致密部的厚度相对于多孔质部的厚度的比值为0.05～2.0。

技术领域

本发明涉及使用氧离子传导性固体电解质构成的传感器元件，特别是涉及其加热器的结构。

背景技术

以往，作为对汽车的发动机等内燃机中的燃烧气体、尾气等被测定气体中的规定气体成分(例如O₂、NOx、HC、CO等)的浓度进行测定的装置，公知如下气体传感器，该气体传感器使用氧化锆(ZrO₂)等氧离子传导性固体电解质形成传感器元件。

作为这种气体传感器的传感器元件(气体传感器元件)，具有承担对成为对象的气体成分的检测等的传感器部、以及具有加热器的加热器部层叠、一体化后的结构的传感器元件广为人知，其中，加热器用于对传感器部进行加热以使构成这样的传感器部的氧离子传导性固体电解质活化。具有这样的结构的传感器元件具备如下优点：在气体传感器的驱动开始时，能够将传感器元件(传感器部)提前加热至所期望的驱动温度(或者活化温度)。

这种加热器通常构成为包括：加热构件(heater element)，其具有由Pt(铂)等金属构成的电阻发热部；以及绝缘层，其设置成包围加热构件以使该加热构件与周围电绝缘。作为构成绝缘层的绝缘材料，使用氧化铝、尖晶石等。

如果持续地使用这种传感器元件，则反复进行使用时的加热和使用后的冷却这样的温度循环，每次都会在绝缘层因与周围的固体电解质层之间的热膨胀系数差而产生应力。已知如下传感器元件，该传感器元件为了抑制因这样的应力的作用导致在绝缘层产生裂纹而将这样的绝缘层设为多孔质构造(例如参照专利文献1)。

另外，还已知如下传感器元件，该传感器元件对固体电解质层或绝缘层的热膨胀系数(热膨胀率)进行了调整以缓和因这样的热膨胀差而产生的应力(例如参照专利文献2及专利文献3)。专利文献2中公开了如下方案：将构成固体电解质层的氧化锆设为C相(立方相)与M相(单斜相)的混相，由此调整固体电解质层的热膨胀系数。另一方面，专利文献3中公开了如下方案：在构成绝缘层的氧化铝中添加稀土元素，由此将绝缘层的热膨胀系数调整为与固体电解质层的热膨胀系数等同。

此外，还已知如下传感器元件，该传感器元件仅使绝缘层中的、相对于固体电解质层的界面部分实现致密化，以确保绝缘层、和与该绝缘层接触的固体电解质层的密接性(例如参照专利文献4)。

此外，还已知如下圆筒形的传感器元件，该传感器元件致密地形成有绝缘层，并且能抑制耐热冲击性的降低(例如参见专利文献5)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第3668050号公报

专利文献2：日本特许第3873302号公报

专利文献3：日本特许第4980996号公报

专利文献4：日本特许第3096281号公报

专利文献5：日本特许第4573939号公报

发明内容