JP7351783B2 - Manufacturing method of gas sensor element - Google Patents
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Description
本発明は、ガスの濃度を測定するガスセンサ素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a gas sensor element that measures the concentration of gas.
ガスセンサ素子の製造方法が開発されている。特許文献1には、複数のセラミックシートを積層して焼成し、素子本体部を作製した後、その素子本体部にペースト状の先端保護層形成用材料を塗布して焼成し、先端保護層を形成する手法が開示されている。 Methods for manufacturing gas sensor elements have been developed. Patent Document 1 discloses that a plurality of ceramic sheets are laminated and fired to produce an element body, and then a paste-like tip protection layer forming material is applied to the element body and fired to form the tip protection layer. A method of forming is disclosed.
しかしながら、このような手法では、複数回の焼成が必要であり工程が複雑となる。また、先端保護層と素子本体部の密着性がよいとは限らない。 However, such a method requires multiple firings, making the process complicated. Further, the adhesion between the tip protection layer and the element main body is not necessarily good.
本発明は、工程の簡略化および先端保護層の密着力の向上を図ることができるガスセンサ素子の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a gas sensor element that can simplify the process and improve the adhesion of the tip protective layer.
一態様によるガスセンサ素子の製造方法は、固体電解質を有する素子基体と、前記素子基体の少なくとも一部を覆う先端保護層と、前記素子基体と前記先端保護層との間に配置される緩衝層と、を備えるガスセンサ素子を製造するものであり、前記固体電解質を含むシートを積層して積層体を形成する工程と、前記積層体上に緩衝層形成用物質を含む緩衝層パターンを形成する工程と、前記緩衝層パターンが形成された積層体を焼成し、緩衝層が形成された焼成体を作製する工程と、前記焼成体の緩衝層上に先端保護層を形成する工程と、を具備する。 A method for manufacturing a gas sensor element according to one aspect includes: an element substrate having a solid electrolyte; a tip protection layer covering at least a portion of the element substrate; and a buffer layer disposed between the element substrate and the tip protection layer. , a step of laminating sheets containing the solid electrolyte to form a laminate, and a step of forming a buffer layer pattern containing a buffer layer forming substance on the laminate. , a step of firing the laminate on which the buffer layer pattern is formed to produce a fired body with a buffer layer formed thereon, and a step of forming a tip protection layer on the buffer layer of the fired body.
本発明によれば、工程の簡略化および先端保護層と素子本体(素子基体)の密着力の向上を図ることができるガスセンサ素子の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a gas sensor element that can simplify the process and improve the adhesion between the tip protection layer and the element body (element base).
<センサ素子の概要>
図1は、本実施形態に係るガスセンサ素子(以下、単にセンサ素子とも称する)100の構造を模式的に示す。ここでは、センサ素子100の長手方向に沿った垂直断面を表す。センサ素子100は、ガスセンサ素子であり、被測定ガス中の所定ガス成分を検知し、その濃度を測定するための図示しないガスセンサの主たる構成要素である。
<Overview of sensor element>
FIG. 1 schematically shows the structure of a gas sensor element (hereinafter also simply referred to as a sensor element) 100 according to this embodiment. Here, a vertical cross section along the longitudinal direction of the sensor element 100 is shown. The sensor element 100 is a gas sensor element, and is a main component of a gas sensor (not shown) for detecting a predetermined gas component in a gas to be measured and measuring its concentration.
図1に示すセンサ素子100では、長尺板状の素子基体10の外部および内部に種々の構成要素が設けられる。素子基体10は、複数の固体電解質層(例えば、酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニア、一例として、イットリウム安定化ジルコニアを主成分とするセラミックス)が積層されてなる。固体電解質は、ジルコニアを50wt%以上含有すること(すなわち、ジルコニアを主成分とすること)が好ましく、70wt%以上含有することがより好ましい。なお、図1に示すセンサ素子100の構成は、例示であり、具体的構成はこれに限られない。 In the sensor element 100 shown in FIG. 1, various components are provided on the outside and inside of the long plate-shaped element base 10. The element substrate 10 is formed by laminating a plurality of solid electrolyte layers (for example, zirconia which is an oxygen ion conductive solid electrolyte; for example, a ceramic whose main component is yttrium-stabilized zirconia). The solid electrolyte preferably contains 50 wt% or more of zirconia (that is, contains zirconia as a main component), and more preferably contains 70 wt% or more. Note that the configuration of the sensor element 100 shown in FIG. 1 is an example, and the specific configuration is not limited to this.
図1に示すセンサ素子100は、素子基体10の内部に設けられた内部空間である内部空室102、103、104を有する(いわゆる直列三室構造型)。ガス導入口105が、セラミックス体101の端部E1側において外部に対し開口する(厳密には先端保護層180を介して外部と連通する)。内部空室102は、ガス導入口105と拡散律速部110、120を通じて連通する。内部空室103は、拡散律速部130を通じて内部空室102と連通する。内部空室104は、拡散律速部140を通じて内部空室103と連通する。 The sensor element 100 shown in FIG. 1 has internal cavities 102, 103, and 104, which are internal spaces provided inside the element base 10 (so-called series three-chamber structure type). Gas inlet 105 opens to the outside on the end E1 side of ceramic body 101 (strictly speaking, communicates with the outside via tip protection layer 180). The internal cavity 102 communicates with the gas inlet 105 through diffusion control sections 110 and 120. The internal cavity 103 communicates with the internal cavity 102 through the diffusion control section 130. The internal cavity 104 communicates with the internal cavity 103 through the diffusion control section 140.
なお、ガス導入口105から内部空室104に至るまでの経路を、ガス流通部と称する。本実施形態に係るセンサ素子100においては、係るガス流通部が素子基体10の長手方向に沿って一直線状に設けられてなる。 Note that the path from the gas inlet 105 to the internal cavity 104 is referred to as a gas flow section. In the sensor element 100 according to the present embodiment, the gas flow section is provided in a straight line along the longitudinal direction of the element base 10.
拡散律速部110、120、130、140はいずれも、図面視で上下2つのスリットとして設けられ、通過する被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与する。なお、拡散律速部110、120の間に、被測定ガスの脈動を緩衝する緩衝空間115が設けられる。 Each of the diffusion rate controlling parts 110, 120, 130, and 140 is provided as two slits, upper and lower, as viewed in the drawing, and provides a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured passing therethrough. Note that a buffer space 115 is provided between the diffusion rate controlling parts 110 and 120 to buffer the pulsation of the gas to be measured.
素子基体10の外面に外側ポンプ電極141が備わり、内部空室102に内側ポンプ電極142が備わっている。内部空室103に、補助ポンプ電極143が備わっている。素子基体10の端部E2側に、外部に連通し基準ガスが導入される基準ガス導入口106が備わる。素子基体10内において基準ガス導入口106内に、基準電極147が設けられている。 An outer pump electrode 141 is provided on the outer surface of the element substrate 10, and an inner pump electrode 142 is provided in the internal cavity 102. The internal cavity 103 is provided with an auxiliary pump electrode 143. A reference gas inlet 106 is provided on the end E2 side of the element substrate 10 to communicate with the outside and introduce a reference gas. A reference electrode 147 is provided within the reference gas inlet 106 in the element substrate 10 .
例えば、センサ素子100の測定対象がNOxである場合、以下のようなプロセスによって、被測定ガス中のNOxガス濃度が算出される。 For example, when the measurement target of the sensor element 100 is NOx, the NOx gas concentration in the gas to be measured is calculated by the following process.
内部空室102に導入された被測定ガスは、主ポンプセルP1のポンピング作用(酸素の汲み入れあるいは汲み出し)によって、酸素濃度が略一定に調整され、内部空室103に導入される。主ポンプセルP1は、外側ポンプ電極141と、内側ポンプ電極142と、セラミックス層101a(両電極間に存在するセラミックス体101の一部)と、によって構成される電気化学的ポンプセルである。内部空室103では、同じく電気化学的ポンプセルである、補助ポンプセルP2のポンピング作用により、被測定ガス中の酸素が素子外部へと汲み出されて、低酸素分圧状態となる。補助ポンプセルP2は、外側ポンプ電極141と、補助ポンプ電極143と、セラミックス層101b(両電極間に存在するセラミックス体101の一部)と、によって構成される。 The gas to be measured introduced into the internal cavity 102 is adjusted to have an approximately constant oxygen concentration by the pumping action (pumping in or out of oxygen) of the main pump cell P1, and then introduced into the internal cavity 103. The main pump cell P1 is an electrochemical pump cell composed of an outer pump electrode 141, an inner pump electrode 142, and a ceramic layer 101a (a part of the ceramic body 101 existing between both electrodes). In the internal chamber 103, oxygen in the gas to be measured is pumped out to the outside of the element by the pumping action of the auxiliary pump cell P2, which is also an electrochemical pump cell, resulting in a low oxygen partial pressure state. The auxiliary pump cell P2 includes an outer pump electrode 141, an auxiliary pump electrode 143, and a ceramic layer 101b (a part of the ceramic body 101 existing between both electrodes).
外側ポンプ電極141、内側ポンプ電極142、および補助ポンプ電極143は、多孔質サーメット電極(例えば、Auを1%含むPtとZrO2とのサーメット電極)として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極142および補助ポンプ電極143は、NOx成分に対する還元能力を弱めた、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。 The outer pump electrode 141, the inner pump electrode 142, and the auxiliary pump electrode 143 are formed as porous cermet electrodes (for example, cermet electrodes of Pt and ZrO 2 containing 1% Au). Note that the inner pump electrode 142 and the auxiliary pump electrode 143 that come into contact with the gas to be measured are formed using a material that has a weakened ability to reduce NOx components or has no ability to reduce NOx components.
補助ポンプセルP2によって低酸素分圧状態とされた被測定ガス中のNOxは、内部空室103中の測定電極145において還元ないし分解される。測定電極145は、多孔質サーメット電極であり、NOxを還元する触媒として機能する。還元ないし分解の際に、測定電極145と基準電極147との間の電位差が、一定に保たれる。 NOx in the gas to be measured, which has been brought into a low oxygen partial pressure state by the auxiliary pump cell P2, is reduced or decomposed at the measurement electrode 145 in the internal cavity 103. The measurement electrode 145 is a porous cermet electrode and functions as a catalyst for reducing NOx. During the reduction or decomposition, the potential difference between the measuring electrode 145 and the reference electrode 147 is kept constant.
還元ないし分解によって生じた酸素イオンが、測定用ポンプセルP3によって素子外部へと汲み出される。測定用ポンプセルP3は、外側ポンプ電極141と、測定電極145と、セラミックス層101c(両電極の間に存在するセラミックス体101の一部)と、によって構成される。測定用ポンプセルP3は、NOxの分解によって生じた酸素を汲み出す。 Oxygen ions generated by reduction or decomposition are pumped out of the element by the measurement pump cell P3. The measurement pump cell P3 includes an outer pump electrode 141, a measurement electrode 145, and a ceramic layer 101c (a part of the ceramic body 101 existing between both electrodes). The measurement pump cell P3 pumps out oxygen generated by decomposition of NOx.
センサ素子100は、汲み出される酸素の量に応じて、測定電極145と外側ポンプ電極141との間を流れるポンプ電流Ip2を検出する。このポンプ電流Ip2の電流値(NOx信号)と、NOx濃度との間に線形関係があることに基づいて、NOxの濃度が求められる。 The sensor element 100 detects the pump current Ip2 flowing between the measurement electrode 145 and the outer pump electrode 141 depending on the amount of oxygen pumped out. The NOx concentration is determined based on the linear relationship between the current value of the pump current Ip2 (NOx signal) and the NOx concentration.
主ポンプセルP1、補助ポンプセルP2、および測定用ポンプセルP3におけるポンピング(酸素の汲み入れあるいは汲み出し)は、センサ素子100と同様に、実現される。すなわち、ガスセンサの構成要素である図示しない可変電源によって、各ポンプセルに備わる電極間に電圧が印加される。測定用ポンプセルP3の場合、測定電極145と基準電極147の間の電位差が適正に保たれるように、外側ポンプ電極141と測定電極145の間に電圧が印加される。可変電源は通常、ポンプセル毎に設けられる。 Pumping (pumping in or out of oxygen) in the main pump cell P1, the auxiliary pump cell P2, and the measurement pump cell P3 is realized in the same way as in the sensor element 100. That is, a voltage is applied between electrodes provided in each pump cell by a variable power source (not shown) that is a component of the gas sensor. In the case of the measurement pump cell P3, a voltage is applied between the outer pump electrode 141 and the measurement electrode 145 so that the potential difference between the measurement electrode 145 and the reference electrode 147 is maintained appropriately. A variable power supply is typically provided for each pump cell.
素子基体10の内部にヒータ150が埋設されている。ヒータ150は、ガス流通部の図1における図面視下方側に、端部E1近傍から測定電極145および基準電極147の形成位置の近傍に至る範囲に設けられる。ヒータ150は、使用時にセンサ素子100を加熱し、固体電解質の酸素イオン伝導性を高める。このとき、内部空室102付近の温度が、例えば、800℃~850℃程度となる。ヒータ150は、例えば、白金などからなる抵抗発熱体であり、絶縁層151に覆われる。 A heater 150 is embedded inside the element base 10. The heater 150 is provided on the lower side of the gas flow section in FIG. 1 in the drawing view, in a range from near the end E1 to near the formation positions of the measurement electrode 145 and the reference electrode 147. Heater 150 heats sensor element 100 during use, increasing the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte. At this time, the temperature near the internal cavity 102 is, for example, about 800°C to 850°C. The heater 150 is a resistance heating element made of platinum, for example, and is covered with an insulating layer 151.
以降、素子基体10の2つの主面(外面)のうち、図1の図面視上方側および図面視下方側の主面をそれぞれ、ポンプ面、ヒータ面と称することがある。ポンプ面は、主ポンプセルP1、補助ポンプセルP2、および測定用ポンプセルP3を備え、ガス導入口105、内部空室102~104、および各ポンプセルに近接する。ヒータ面は、ヒータ150を備える。 Hereinafter, of the two main surfaces (outer surfaces) of the element substrate 10, the upper main surface and the lower main surface in the drawing in FIG. 1 may be referred to as a pump surface and a heater surface, respectively. The pump surface includes a main pump cell P1, an auxiliary pump cell P2, and a measuring pump cell P3, and is adjacent to the gas inlet 105, the internal cavities 102-104, and each pump cell. The heater surface includes a heater 150.
素子基体10の端部E2側の主面上に、センサ素子100と外部の間を電気的に接続する複数の電極端子160が形成されている。ポンプ面側に4つの電極端子160(160a~160d)、ヒータ面側に4つの電極端子160(160e~160h)が備わる。これらの電極端子160は、素子基体10内の図示しないリード線を通じて、上述した5つの電極、ヒータ150の両端、図示しないヒータ抵抗検出用のリード線と、電気的に接続される。センサ素子100における各ポンプセルへの電圧の印加や、ヒータ150の加熱は、電極端子160を通じてなされる。 A plurality of electrode terminals 160 are formed on the main surface of the element base 10 on the end E2 side to electrically connect the sensor element 100 to the outside. Four electrode terminals 160 (160a to 160d) are provided on the pump surface side, and four electrode terminals 160 (160e to 160h) are provided on the heater surface side. These electrode terminals 160 are electrically connected to the five electrodes described above, both ends of the heater 150, and a lead wire for detecting heater resistance (not shown) through lead wires (not shown) in the element substrate 10. Application of voltage to each pump cell in the sensor element 100 and heating of the heater 150 are performed through the electrode terminal 160.
センサ素子100中、内部空間(内部空室や基準ガス空間など)を含む素子基体10、素子基体10中の種々の電極やリード線、電極端子160、ヒータ150、および絶縁層151を、センサ素子要部と称する。 In the sensor element 100, the element base 10 including the internal space (internal cavity, reference gas space, etc.), the various electrodes and lead wires in the element base 10, the electrode terminal 160, the heater 150, and the insulating layer 151 are connected to the sensor element. It is called the main part.
素子基体10のポンプ面およびヒータ面には、外側(ポンプ)電極保護層170(170a、170b)が備わる。外側(ポンプ)電極保護層170は、アルミナからなり、厚みが5μm~30μm程度で、かつ緩衝層190よりも気孔率が低い比較的緻密な層である。外側(ポンプ)電極保護層170は、素子基体10の表面や、ポンプ面側に備わる外側ポンプ電極141への、異物や被毒物質の付着を防ぐ。 The pump surface and heater surface of the element substrate 10 are provided with outer (pump) electrode protective layers 170 (170a, 170b). The outer (pump) electrode protective layer 170 is made of alumina, has a thickness of about 5 μm to 30 μm, and is a relatively dense layer with a lower porosity than the buffer layer 190. The outer (pump) electrode protective layer 170 prevents foreign matter and poisonous substances from adhering to the surface of the element substrate 10 and the outer pump electrode 141 provided on the pump surface side.
図1において、電極端子160の一部を除く、ポンプ面およびヒータ面の略全面に外側(ポンプ)電極保護層170が設けられている。これは例示であり、図1よりも、端部E1側に偏在させてもよい。また、ヒータ面側の外側(ポンプ)電極保護層170bの形成を省略してもよい。 In FIG. 1, an outer (pump) electrode protective layer 170 is provided on substantially the entire surface of the pump surface and the heater surface, excluding a portion of the electrode terminal 160. This is just an example, and it may be unevenly distributed on the end E1 side rather than in FIG. Further, the formation of the outer (pump) electrode protective layer 170b on the heater surface side may be omitted.
素子基体10の端部E1から所定範囲の最外周部に、先端保護層180が設けられる。外側(ポンプ)電極保護層170と先端保護層180の間に、緩衝層190が介在する。 A tip protection layer 180 is provided at the outermost periphery of the element base 10 in a predetermined range from the end E1. A buffer layer 190 is interposed between the outer (pump) electrode protection layer 170 and the tip protection layer 180.
図2は、センサ素子100の長手方向に垂直な概略断面図であり、素子基体10、外側(ポンプ)電極保護層170、先端保護層180、および緩衝層190の配置関係を示す。ただし、図2においては、電極や内部空室は記載を省略している。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the longitudinal direction of the sensor element 100, showing the arrangement of the element base 10, the outer (pump) electrode protective layer 170, the tip protective layer 180, and the buffer layer 190. However, in FIG. 2, the electrodes and internal spaces are not shown.
図1および図2からわかるように、先端保護層180は、素子基体10の端部E1の全部および素子基体10の側面の一部(素子長手方向の所定範囲)を被覆し、素子基体10のポンプ面側およびヒータ面側には限られない。 As can be seen from FIGS. 1 and 2, the tip protection layer 180 covers the entire end E1 of the element base 10 and a part of the side surface of the element base 10 (a predetermined range in the longitudinal direction of the element). It is not limited to the pump side and the heater side.
図1、図2に示すように、先端保護層180は、先端保護層181、182の二層構造とすることができる。先端保護層180を単層構造とすることも可能であり、先端保護層180を単層構造とした場合を先に説明する。 As shown in FIGS. 1 and 2, the tip protection layer 180 can have a two-layer structure of tip protection layers 181 and 182. It is also possible for the tip protection layer 180 to have a single layer structure, and the case where the tip protection layer 180 has a single layer structure will be described first.
単層構造の場合、先端保護層180は、例えば、純度99.0%以上のアルミナからなる多孔質層であり、センサ素子100のいわゆる被水割れを防止する。被水割れは、使用中のセンサ素子100に水滴が付着したときに(例えば、排ガス中の水蒸気が凝縮し、水滴となる)、割れが生じることをいう。センサ素子100は、ヒータ150にて高温に加熱されているため、水滴の付着によって熱衝撃が発生する。この結果、センサ素子100、特に素子基体10にクラックが生じる(素子基体10が割れる)可能性がある。 In the case of a single layer structure, the tip protection layer 180 is, for example, a porous layer made of alumina with a purity of 99.0% or more, and prevents so-called water cracking of the sensor element 100. Water cracking refers to cracks that occur when water droplets adhere to the sensor element 100 during use (for example, water vapor in exhaust gas condenses and becomes water droplets). Since the sensor element 100 is heated to a high temperature by the heater 150, a thermal shock occurs due to adhesion of water droplets. As a result, there is a possibility that cracks will occur in the sensor element 100, particularly in the element base 10 (the element base 10 will break).
先端保護層180は、センサ素子100の全体ではなく、水滴が付着する可能性のある、端部E1から所定範囲に設ければ足りる。先端保護層180は、例えば、先端から素子長手方向に0mm~25mm程度の範囲に形成される。センサ素子100の構成によっては、より端部E2側に先端保護層180を形成してもよい。 It is sufficient that the tip protection layer 180 is provided not over the entire sensor element 100 but within a predetermined range from the end E1 where water droplets may adhere. The tip protection layer 180 is formed, for example, in a range of about 0 mm to 25 mm from the tip in the longitudinal direction of the element. Depending on the configuration of the sensor element 100, the tip protection layer 180 may be formed closer to the end E2.
先端保護層180は、200μm以上、1800μm以下の厚みを有する。厚みが200μmよりも小さいと、先端保護層180自体の強度が十分には確保されない。また、先端保護層180中の気孔が繋がって、先端保護層180を貫通し、被測定ガス中の水蒸気が外側(ポンプ)電極保護層170(さらには素子基体10)に到達するおそれもある。一方、厚みが1800μmより大きいと、被測定ガスが先端保護層180を通過してガス導入口105に到達しづらくなり、ガスセンサ素子100の応答性が悪くなる。また、コスト面からも不利となる。 The tip protection layer 180 has a thickness of 200 μm or more and 1800 μm or less. If the thickness is less than 200 μm, the strength of the tip protection layer 180 itself cannot be sufficiently ensured. There is also a possibility that the pores in the tip protection layer 180 are connected and penetrate the tip protection layer 180, and water vapor in the gas to be measured reaches the outer (pump) electrode protection layer 170 (and further, the element substrate 10). On the other hand, if the thickness is greater than 1800 μm, it becomes difficult for the gas to be measured to pass through the tip protection layer 180 and reach the gas inlet 105, resulting in poor responsiveness of the gas sensor element 100. It is also disadvantageous from a cost standpoint.
先端保護層180の気孔率は、15%~80%程度が好適である。作製の容易さおよび均一性、さらにはガス導入口105から素子基体10内部への被測定ガスの取り込みに影響を与えないためである。しかし、被水割れが好適に抑制され、センサ素子100の応答性に影響を及ぼさないなら、当該範囲外でもよい。 The porosity of the tip protection layer 180 is preferably about 15% to 80%. This is because it does not affect the ease and uniformity of manufacturing, and also the intake of the gas to be measured from the gas inlet 105 into the element substrate 10 . However, it may be outside this range as long as water cracking is suitably suppressed and the responsiveness of the sensor element 100 is not affected.
以下、先端保護層180を先端保護層181、182の二層構造とした場合を説明する。 Hereinafter, a case where the tip protection layer 180 has a two-layer structure of tip protection layers 181 and 182 will be described.
この場合、先端保護層181、182は、素子基体10の端部E1側の先端面101eと4つの側面とを覆うように(素子基体10の端部E1側の外周に)、内側から順に設けられる。先端保護層181のうち、先端面101e側の部分を特に先端部221と称し、ポンプ面側とヒータ面側の部分を特に主面部222と称する。同様に、先端保護層182のうち、先端面101e側の部分を特に先端部231と称し、ポンプ面側とヒータ面側の部分を特に主面部232と称する。 In this case, the tip protection layers 181 and 182 are provided in order from the inside so as to cover the tip surface 101e on the end E1 side of the element base 10 and the four side surfaces (on the outer periphery of the element base 10 on the end E1 side). It will be done. Of the tip protection layer 181, the portion on the tip surface 101e side is particularly referred to as the tip portion 221, and the portions on the pump surface side and the heater surface side are particularly referred to as the main surface portion 222. Similarly, the portion of the tip protection layer 182 on the tip surface 101e side is particularly referred to as the tip portion 231, and the portions on the pump surface side and the heater surface side are particularly referred to as the main surface portion 232.
先端保護層181は、アルミナにて、30%~80%の気孔率を有しかつ緩衝層190の厚みの30倍~50倍の厚みを有する。先端保護層182は、アルミナにて、15%~30%の気孔率を有し、かつ緩衝層190の5倍~10倍の厚みを有する。熱伝導率の小さい先端保護層181が、気孔率の小さい先端保護層182に、被覆される。なお、先端保護層181の先端部221の厚みと先端保護層182の先端部231の厚みの総和は、先端保護層181の主面部222の厚みと先端保護層182の主面部232の厚みの総和よりも大きい。 The tip protection layer 181 is made of alumina, has a porosity of 30% to 80%, and has a thickness 30 to 50 times the thickness of the buffer layer 190. The tip protection layer 182 is made of alumina, has a porosity of 15% to 30%, and is 5 to 10 times thicker than the buffer layer 190. A tip protection layer 181 with low thermal conductivity is coated on a tip protection layer 182 with low porosity. Note that the sum of the thickness of the distal end portion 221 of the distal end protection layer 181 and the thickness of the distal end portion 231 of the distal end protection layer 182 is the sum of the thickness of the main surface portion 222 of the distal end protection layer 181 and the thickness of the main surface portion 232 of the distal end protection layer 182. larger than
先端保護層181は、比較的低熱伝導率であり、外部から素子基体10への熱伝導を抑制する。一方、先端保護層182は全体の強度を維持し、内部への水の浸入を抑制する。この結果、高温のセンサ素子100(使用時)の先端保護層180(先端保護層182)表面に水が付着しても、内部への浸入は抑制され、かつ付着に伴う冷熱(急冷)が、素子基体10に伝わりにくくなる。すなわち、先端保護層180は優れた耐熱衝撃性を有し、センサ素子100は、被水割れが起こりにくく、耐被水性に優れたものとなる。 The tip protection layer 181 has a relatively low thermal conductivity and suppresses heat conduction from the outside to the element substrate 10. On the other hand, the tip protection layer 182 maintains the overall strength and prevents water from entering inside. As a result, even if water adheres to the surface of the tip protective layer 180 (tip protective layer 182) of the high-temperature sensor element 100 (when in use), water is prevented from entering the interior, and the cold heat (quenching) caused by the adhesion is suppressed. It becomes difficult for the light to be transmitted to the element substrate 10. That is, the tip protection layer 180 has excellent thermal shock resistance, and the sensor element 100 is less susceptible to water cracking and has excellent water resistance.
ここで、先端保護層181の厚みを緩衝層190の厚みの30倍~50倍とし、先端保護層182の厚みを緩衝層190の厚みの5倍~10倍としている。 Here, the thickness of the tip protection layer 181 is 30 to 50 times the thickness of the buffer layer 190, and the thickness of the tip protection layer 182 is 5 to 10 times the thickness of the buffer layer 190.
先端保護層181、182の厚みが大きいほど熱衝撃が素子基体10に伝わりにくくなり、センサ素子100の耐被水性が向上する。しかし、この厚みを大きくし過ぎると、ヒータ150によって先端保護層180を含むセンサ素子100全体を加熱する際に、ヒータ150の熱的負荷が大きくなり、センサ素子100が割れるおそれがある。このため、先端保護層181の厚みは1500μm以下とし、先端保護層182の厚みは300μm以下とするのが好ましい。 The larger the thickness of the tip protection layers 181 and 182, the more difficult it is for thermal shock to be transmitted to the element substrate 10, and the water resistance of the sensor element 100 is improved. However, if this thickness is made too large, when the heater 150 heats the entire sensor element 100 including the tip protection layer 180, the thermal load on the heater 150 becomes large, which may cause the sensor element 100 to crack. For this reason, the thickness of the tip protection layer 181 is preferably 1500 μm or less, and the thickness of the tip protection layer 182 is preferably 300 μm or less.
先端保護層181、182は、表面に緩衝層190が形成された素子基体10に、例えば、それぞれの構成材料を順次に溶射(プラズマ溶射)して形成される。緩衝層190と先端保護層181の間にアンカー効果を発現させ、緩衝層190に対する(外側に形成される先端保護層182も含めた)先端保護層181の接着性(密着性)が確保される。緩衝層190は、先端保護層181との接着性(密着性)を確保する。接着性(密着性)が確保されることで、水滴の付着による熱衝撃に起因した、素子基体10からの先端保護層180の剥離が抑制される。 The tip protection layers 181 and 182 are formed, for example, by sequentially thermal spraying (plasma spraying) the respective constituent materials onto the element substrate 10 on which the buffer layer 190 is formed. An anchor effect is created between the buffer layer 190 and the tip protection layer 181, and the adhesion (adhesion) of the tip protection layer 181 (including the tip protection layer 182 formed on the outside) to the buffer layer 190 is ensured. . The buffer layer 190 ensures adhesiveness (adhesion) with the tip protection layer 181. By ensuring adhesiveness (adhesion), peeling of the tip protective layer 180 from the element substrate 10 due to thermal shock due to adhesion of water droplets is suppressed.
なお、先端保護層181、182は、緩衝層190(190a、190b)全体を被覆するものではない。先端保護層181、182は、緩衝層190のうち、センサ素子100の長手方向において端部E1側とは反対側の端部を露出させる。これは、緩衝層190に対する(外側に形成される先端保護層182も含めた)先端保護層181の接着性(密着性)を、より確実に確保するためである。 Note that the tip protection layers 181 and 182 do not cover the entire buffer layer 190 (190a, 190b). The tip protection layers 181 and 182 expose an end of the buffer layer 190 on the side opposite to the end E1 side in the longitudinal direction of the sensor element 100. This is to more reliably ensure the adhesion (adhesion) of the tip protection layer 181 (including the tip protection layer 182 formed on the outside) to the buffer layer 190.
緩衝層190は、先端保護層180を構成するアルミナと素子基体10を構成するジルコニアとの熱膨張率の差に起因して、センサ素子100の使用時に先端保護層180に剥離や破壊が生じることを防ぐ。緩衝層190は、その上に形成される先端保護層180との接着性(密着性)を確保する。 The buffer layer 190 prevents the tip protection layer 180 from peeling or breaking when the sensor element 100 is used due to the difference in coefficient of thermal expansion between the alumina that makes up the tip protection layer 180 and the zirconia that makes up the element substrate 10. prevent. The buffer layer 190 ensures adhesion (adhesion) with the tip protection layer 180 formed thereon.
ヒータ150によって加熱されると、素子基体10(熱膨張係数の大きいジルコニアからなる)は、熱膨張し、先端保護層180に引張応力が印加される。緩衝層190を有しない場合、この引張応力により、先端保護層180が破壊されるおそれがある。緩衝層190は、素子基体10と先端保護層180との熱膨張差を緩和し、先端保護層180の破壊を抑制する。 When heated by the heater 150, the element substrate 10 (made of zirconia with a large coefficient of thermal expansion) thermally expands, and tensile stress is applied to the tip protection layer 180. If the buffer layer 190 is not provided, the tip protection layer 180 may be destroyed by this tensile stress. The buffer layer 190 alleviates the difference in thermal expansion between the element substrate 10 and the tip protection layer 180, and suppresses breakage of the tip protection layer 180.
緩衝層190は、外側(ポンプ)電極保護層170と同様、素子基体10のポンプ面側およびヒータ面側に、先端保護層180の存在する範囲よりもわずかに広い範囲に形成される。すなわち、緩衝層190は、ポンプ面側の緩衝層190aとヒータ面側の緩衝層190bとを備える。素子基体10と先端保護層180との熱膨張差の緩和のためには、先端保護層180に対応させて、緩衝層190を形成すればよい。すなわち、緩衝層190は、素子基体10の側面の一部(素子長手方向の所定範囲)を被覆し、素子基体10のポンプ面側およびヒータ面側には限られない。 Like the outer (pump) electrode protection layer 170, the buffer layer 190 is formed on the pump surface side and the heater surface side of the element substrate 10 in an area slightly wider than the area where the tip protection layer 180 exists. That is, the buffer layer 190 includes a buffer layer 190a on the pump surface side and a buffer layer 190b on the heater surface side. In order to reduce the difference in thermal expansion between the element substrate 10 and the tip protection layer 180, a buffer layer 190 may be formed in correspondence with the tip protection layer 180. That is, the buffer layer 190 covers a part of the side surface of the element substrate 10 (a predetermined range in the longitudinal direction of the element), and is not limited to the pump surface side and the heater surface side of the element substrate 10.
このような(1)素子基体10と先端保護層180の熱膨張差の緩和に加えて、緩衝層190には、(2)先端保護層180との密着性、(3)ガス透過性も求められる。後述のように、緩衝層190用のペースト中の造孔材として、ペーストやシート中の有機バインダーよりも、分解温度Tdが低い材料を用いることで、これら(1)~(3)を向上できる。 In addition to (1) alleviating the difference in thermal expansion between the element substrate 10 and the tip protection layer 180, the buffer layer 190 is also required to have (2) adhesion to the tip protection layer 180, and (3) gas permeability. It will be done. As described below, these (1) to (3) can be improved by using a material with a lower decomposition temperature Td than the organic binder in the paste or sheet as the pore-forming material in the paste for the buffer layer 190. .
緩衝層190は、先端保護層180と同様にアルミナなどで構成される多孔質層であり、8μm~50μmの厚みを有する。 Like the tip protection layer 180, the buffer layer 190 is a porous layer made of alumina or the like, and has a thickness of 8 μm to 50 μm.
<センサ素子の製造プロセス>
センサ素子100を製造するプロセスにつき説明する。図3は、係るセンサ素子100を作製する際の、処理の流れを示す。
<Sensor element manufacturing process>
A process for manufacturing the sensor element 100 will be explained. FIG. 3 shows the flow of processing when manufacturing such a sensor element 100.
1.積層体の作製(ステップS1~S4)
以下、(a)~(d)の手順により、積層体を作製する。
1. Preparation of laminate (steps S1 to S4)
Hereinafter, a laminate is produced according to the steps (a) to (d).
(a)6つ以上のブランクシート(パターンが形成されていないグリーンシート、図示省略)を用意する(ステップS1)。ここでは、センサ素子100の素子基体10は、複数の固体電解質層が積層された構成を有する。例えば、6つの固体電解質層からなる素子基体10を作製する場合、各層に対応させて6枚のブランクシートを用意する。なお、ブランクシートの厚みは、全て同じである必要はない。 (a) Six or more blank sheets (green sheets on which no pattern is formed, not shown) are prepared (step S1). Here, the element substrate 10 of the sensor element 100 has a structure in which a plurality of solid electrolyte layers are stacked. For example, when producing the element substrate 10 consisting of six solid electrolyte layers, six blank sheets are prepared corresponding to each layer. Note that the thickness of the blank sheets does not need to be all the same.
ブランクシートに、印刷時や積層時の位置決めに用いる複数のシート穴が設けられている。シート穴は、パターン形成に先立つブランクシートの段階で、パンチング装置による打ち抜き処理などで、あらかじめ形成されている。なお、対応する層が内部空間を有するグリーンシートの場合、該内部空間に対応する貫通部も、同様の打ち抜き処理などによって、あらかじめ設けられる。 A blank sheet is provided with a plurality of sheet holes used for positioning during printing and lamination. The sheet holes are formed in advance by punching using a punching device or the like in the blank sheet prior to pattern formation. In addition, in the case of a green sheet in which the corresponding layer has an internal space, a through part corresponding to the internal space is also provided in advance by a similar punching process or the like.
(b)各ブランクシートに各種のパターンを印刷し、乾燥する(ステップS2)。これらのパターンは、例えば、各種ポンプ電極や測定電極145、基準電極147その他の電極パターン、外側(ポンプ)電極保護層170のパターン、ヒータ150やその周囲を覆う絶縁層151のパターン、図示を省略している内部配線のパターンである。 (b) Print various patterns on each blank sheet and dry them (Step S2). These patterns include, for example, various pump electrodes, measurement electrodes 145, reference electrodes 147, and other electrode patterns, patterns for the outer (pump) electrode protective layer 170, patterns for the heater 150 and the insulating layer 151 that covers its surroundings, and illustrations are omitted. This is the internal wiring pattern.
パターン印刷のタイミングで、拡散律速部110、拡散律速部120、および拡散律速部130を形成するための昇華性材料の塗布あるいは配置も併せてなされる。 At the timing of pattern printing, a sublimable material is also applied or arranged to form the diffusion-limiting section 110, the diffusion-limiting section 120, and the diffusion-limiting section 130.
スクリーン印刷技術などを用いて、ブランクシートにパターン形成用ペーストを塗布する(パターンの印刷)。その後、適宜の乾燥手段で乾燥できる。 A pattern-forming paste is applied to a blank sheet using screen printing technology (pattern printing). Thereafter, it can be dried using an appropriate drying means.
(c)各グリーンシートに接着用ペースト(接着剤)を印刷し、乾燥する(ステップS3)。スクリーン印刷技術などを用いて、グリーンシートに接着用ペーストを塗布する(接着剤の印刷)。その後、適宜の乾燥手段で乾燥できる。 (c) Adhesive paste (adhesive) is printed on each green sheet and dried (step S3). Adhesive paste is applied to the green sheet using screen printing technology (adhesive printing). Thereafter, it can be dried using an appropriate drying means.
(d)接着剤が塗布されたグリーンシートを積層、圧着し、一の積層体とする(ステップS4)。例えば、治具(積層治具)に、グリーンシートをシート穴により位置決めし積み重ねて保持し、油圧プレス機などによって治具ごと加熱・加圧する。加熱・加圧の圧力・温度・時間については、良好な積層が実現できるよう、適宜の条件が定められる。 (d) The green sheets coated with adhesive are laminated and pressed together to form one laminate (step S4). For example, green sheets are stacked and held in a jig (a stacking jig), with the green sheets positioned using sheet holes, and the jig is heated and pressurized using a hydraulic press or the like. Appropriate conditions are determined for the pressure, temperature, and time of heating and pressurization so that good lamination can be achieved.
2.緩衝層パターンの形成(ステップS5)
積層体の上下面の所定範囲に、緩衝層190のパターンを形成するためのペースト(緩衝層用ペースト)を印刷し、乾燥する(ステップS5)。
2. Formation of buffer layer pattern (step S5)
A paste for forming the pattern of the buffer layer 190 (buffer layer paste) is printed on a predetermined range on the upper and lower surfaces of the laminate and dried (step S5).
緩衝層用ペーストは、少なくとも、セラミック粉末、造孔材、有機バインダー、溶剤を混合したものである。緩衝層用ペーストには、可塑剤と、分散助剤との少なくとも一方が混合されてもよい。 The buffer layer paste is a mixture of at least a ceramic powder, a pore-forming material, an organic binder, and a solvent. The buffer layer paste may contain at least one of a plasticizer and a dispersion aid.
セラミック粉末は、最終的に得られるセンサ素子100の緩衝層190を構成する緩衝層形成用物質である。セラミック粉末の材質は、特に限定されるものではないが、例えば、ジルコニウム、アルミニウム、イットリウム、マグネシウム、珪素の酸化物、窒化物、炭化物、複合酸化物またはこれらの混合物などが挙げられる。緩衝層形成用物質(または作製された緩衝層190)は、アルミナを50wt%以上含有すること(すなわち、アルミナを主成分とすること)が好ましく、80wt%以上含有することがより好ましい。 The ceramic powder is a material for forming the buffer layer 190 of the sensor element 100 finally obtained. The material of the ceramic powder is not particularly limited, and examples thereof include zirconium, aluminum, yttrium, magnesium, silicon oxides, nitrides, carbides, composite oxides, and mixtures thereof. The buffer layer forming material (or the fabricated buffer layer 190) preferably contains 50 wt% or more of alumina (that is, has alumina as a main component), and more preferably 80 wt% or more.
造孔材は、焼成によって消滅し、緩衝層190に気孔を形成するための樹脂材料である。造孔材には、直径(D50)が、焼成前の緩衝層パターンの印刷膜厚の2倍以下程度である、球状の粉末(粒子体)を用いるのが好適である。なお、粒子体の構造は、中空であっても中実であってもよい。なお、直径(D50)は、メジアン径であり、粉末(造孔材)中での粒子の直径の頻度の累積が50%になる粒子径(直径)を意味する。 The pore-forming material is a resin material that disappears by firing and forms pores in the buffer layer 190. As the pore-forming material, it is preferable to use spherical powder (particles) whose diameter (D50) is about twice or less the printed film thickness of the buffer layer pattern before firing. Note that the structure of the particles may be hollow or solid. Note that the diameter (D50) is a median diameter, and means a particle diameter (diameter) at which the cumulative frequency of particle diameters in the powder (pore-forming material) is 50%.
造孔材は、焼成時に焼失される成分であればよく、高分子系(アクリル系、ブチラール系、エポキシ系、ポリエステル系など)などがあげられる。 The pore-forming material may be any component as long as it is burned out during firing, and includes polymeric materials (acrylic, butyral, epoxy, polyester, etc.).
有機バインダーとしては、例えば、アクリル系、ブチラール系、エポキシ系のバインダーなどが、単独または混合された状態で使用できる。また、イソシアネート、エチレングリコールなどのポリオールも用いることができる。 As the organic binder, for example, acrylic, butyral, or epoxy binders can be used alone or in a mixed state. Further, polyols such as isocyanates and ethylene glycol can also be used.
後述のように、造孔材、有機バインダーの分解温度Tdは、前者が後者より低いことが好ましい。 As will be described later, the decomposition temperature Td of the pore-forming material and the organic binder is preferably lower than that of the latter.
このような組み合わせの例として、造孔材をアクリル系とし、有機バインダーをブチラール系とする組み合わせが挙げられる。 An example of such a combination is a combination in which the pore-forming material is an acrylic-based material and the organic binder is a butyral-based material.
溶剤としては、有機バインダーを溶解するものであれば特に限定はされないが、エーテル(エチレングリコールモノエチルエーテル、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテートなど)、アルコール(イソプロパノール、1-ブタノール、エタノール、2-エチルヘキサノール、テルピネオール、エチレングリコール、グリセリンなど)、ケトン(アセトン、メチルエチルケトンなど)、エステル(酢酸ブチル、グルタル酸ジメチル、トリアセチンなど)、多塩基酸(グルタル酸など)が使用され得る。 The solvent is not particularly limited as long as it dissolves the organic binder, but includes ethers (ethylene glycol monoethyl ether, butyl carbitol, butyl carbitol acetate, etc.), alcohols (isopropanol, 1-butanol, ethanol, 2-butyl carbitol, etc.). Ethylhexanol, terpineol, ethylene glycol, glycerin, etc.), ketones (acetone, methyl ethyl ketone, etc.), esters (butyl acetate, dimethyl glutarate, triacetin, etc.), polybasic acids (glutaric acid, etc.) may be used.
可塑剤としては、使用する有機バインダーに対して可塑性を付与するものであれば特に限定はされないがフタル酸エステル、アジピン酸エステル、ポリエステルなどを用いることができる。 The plasticizer is not particularly limited as long as it imparts plasticity to the organic binder used, but phthalate esters, adipate esters, polyesters, and the like can be used.
分散助剤としては、セラミック粉末を有機溶剤中に均一に分散するものであれば、特に限定されないが、例えば、ポリカルボン酸系共重合体、ポリカルボン酸塩、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリグリセリン脂肪酸エステル、リン酸エステル塩系共重合体、スルホン酸塩系共重合体、3級アミンを有するポリウレタンポリエステル系共重合体などを用いることができる。 The dispersion aid is not particularly limited as long as it can uniformly disperse the ceramic powder in the organic solvent, but examples include polycarboxylic acid copolymers, polycarboxylic acid salts, sorbitan fatty acid esters, and polyglycerin fatty acid esters. , a phosphate ester salt copolymer, a sulfonate salt copolymer, a polyurethane polyester copolymer having a tertiary amine, and the like can be used.
可塑剤や分散助剤は、その機能上、セラミック粉末や有機バインダーとの形成性などのバランスに応じて、添加の要否ならびに添加量を設定すればよい。 Whether or not the plasticizer and dispersion aid should be added and the amount to be added may be determined depending on the balance between their function and formability with the ceramic powder and organic binder.
3.焼成(ステップS6、S7)
素子体を切り出し(ステップS6)、1300℃~1500℃程度の焼成温度で焼成する(ステップS7)。固体電解質層、電極、緩衝層190が焼成される。固体電解質層を別個に焼成する工程を有しないことから、製造工程の簡略化がなされる。また、一体焼成がなされることで、センサ素子100の緩衝層190の密着強度を確保できる。
3. Firing (steps S6, S7)
The element body is cut out (step S6) and fired at a firing temperature of about 1300° C. to 1500° C. (step S7). The solid electrolyte layer, electrodes, and buffer layer 190 are fired. Since there is no step of separately firing the solid electrolyte layer, the manufacturing process is simplified. Further, by integrally firing, the adhesion strength of the buffer layer 190 of the sensor element 100 can be ensured.
4.先端保護層180の形成(ステップS8)
切り出された素子体に先端保護層180を形成する(ステップS8)。先端保護層180は、プラズマ溶射、スプレーコーティング、ゲルキャスト、ディッピングなどの手法により形成される。いずれも、先端保護層180の厚み(膜厚)を容易に制御することができる。なお、スプレーコーティング、ゲルキャスト、ディッピングでは、必要に応じて、焼成が行われる。プラズマ溶射の場合は、焼成を必要としない。
4. Formation of tip protection layer 180 (step S8)
A tip protection layer 180 is formed on the cut out element body (step S8). The tip protection layer 180 is formed by a method such as plasma spraying, spray coating, gel casting, or dipping. In either case, the thickness (film thickness) of the tip protection layer 180 can be easily controlled. Note that in spray coating, gel casting, and dipping, baking is performed as necessary. Plasma spraying does not require baking.
得られたセンサ素子100は、所定のハウジングに収容され、ガスセンサの本体(図示せず)に組み込まれる。 The obtained sensor element 100 is housed in a predetermined housing and incorporated into a main body (not shown) of a gas sensor.
プラズマ溶射の場合、形成される溶射膜には気孔が含まれ、出力パワー、照射角度、粉末原材料の性状などを調整することで、気孔率を制御できる。また、原料にアルミナスラリーを用いるゲルキャストおよびディッピングの場合、スラリーに添加する造孔材の条件を調整することで、気孔率を制御できる。 In the case of plasma spraying, the sprayed film that is formed contains pores, and the porosity can be controlled by adjusting output power, irradiation angle, properties of powder raw materials, etc. Furthermore, in the case of gel casting and dipping that use alumina slurry as a raw material, the porosity can be controlled by adjusting the conditions of the pore-forming material added to the slurry.
(比較例A)
以下、比較例を説明する。図4は、比較例Aに係るセンサ素子100の製造方法での、処理の流れを示す。比較例Aでは、緩衝層190のパターンを形成する前に、素子体を切り出し(ステップS6)、焼成する(ステップS11)。その後に、緩衝層190のパターンを形成して(ステップS12)、焼成し(ステップS13)、先端保護層180を形成する(ステップS14)。すなわち、比較例Aでは、2回の焼成(緩衝層190のパターンを有しない素子体の焼成と、緩衝層190のパターンの焼成)を行っている。
(Comparative example A)
A comparative example will be explained below. FIG. 4 shows a process flow in a method for manufacturing the sensor element 100 according to Comparative Example A. In Comparative Example A, before forming the pattern of the buffer layer 190, the element body is cut out (step S6) and fired (step S11). After that, a pattern of the buffer layer 190 is formed (step S12), and baked (step S13), and the tip protection layer 180 is formed (step S14). That is, in Comparative Example A, firing was performed twice (firing of the element body without the pattern of the buffer layer 190 and firing of the pattern of the buffer layer 190).
これに対して、実施形態では、焼成前の素子体(グリーン体)の段階で、緩衝層190のパターンを形成し、焼成して緩衝層190を作製している。すなわち、素子体と緩衝層190のパターンを同時に焼成している。この結果、実施形態は、比較例Aに対して、(a)工数を削減でき、かつ(b)緩衝層190と素子基体10の密着性が良好となる。 In contrast, in the embodiment, the pattern of the buffer layer 190 is formed at the stage of the element body (green body) before firing, and the buffer layer 190 is produced by firing. That is, the element body and the pattern of the buffer layer 190 are fired at the same time. As a result, in the embodiment, compared to Comparative Example A, (a) the number of steps can be reduced, and (b) the adhesion between the buffer layer 190 and the element substrate 10 is improved.
既述のように、実施形態は、比較例Aに対して、焼成工程を低減できる。また、緩衝層190および素子基体10は、焼成前の未硬化な状態で接触するため、親和性が良好であり、焼成後の緩衝層190と素子基体10の密着性の確保が容易となる。また、緩衝層190(さらには素子基体10)の界面に対する焼成時の応力集中が緩和される。比較例Aでは、1回目の焼成によって硬化した素子基体10上に、緩衝層190のグリーン体が形成され、焼成されるため、この2回目の焼成時に大きな応力が印加される(応力集中)可能性がある。 As described above, the embodiment can reduce the firing process compared to Comparative Example A. Furthermore, since the buffer layer 190 and the element substrate 10 are in contact with each other in an uncured state before firing, they have good affinity, and it is easy to ensure the adhesion between the buffer layer 190 and the element substrate 10 after firing. In addition, stress concentration on the interface of the buffer layer 190 (and even the element substrate 10) during firing is alleviated. In Comparative Example A, the green body of the buffer layer 190 is formed and fired on the element substrate 10 that has been hardened by the first firing, so a large stress can be applied (stress concentration) during this second firing. There is sex.
(比較例B)
既述のように、実施形態では、造孔材として、有機バインダーよりも、分解温度Tdが低い材料を用いる。比較例Bでは、実施形態と同様、焼成前の素子体に先端保護層180のパターンを形成し、焼成するが、造孔材として、有機バインダーよりも、分解温度Tdが高い材料を用いる。
(Comparative example B)
As described above, in the embodiment, a material having a lower decomposition temperature Td than the organic binder is used as the pore-forming material. In Comparative Example B, as in the embodiment, a pattern of the tip protection layer 180 is formed on the element body before firing and fired, but a material having a higher decomposition temperature Td than the organic binder is used as the pore-forming material.
次の実施例に示すように、造孔材と有機バインダーの分解温度Tdの大小関係に起因して、実施形態と比較例Bの緩衝層190には、先端保護層180と熱負荷をかけた際の密着性、ガス透過性に差異が見られた。 As shown in the following example, due to the magnitude relationship between the decomposition temperatures Td of the pore-forming material and the organic binder, the buffer layer 190 of the embodiment and comparative example B was subjected to a heat load with respect to the tip protection layer 180. Differences were observed in adhesion and gas permeability.
以下、実験例を比較例Bと比較した結果を示す。焼成前の素子体(グリーン体)に、緩衝層190のパターンを形成して、加圧し、その後、先端保護層180を形成してから、焼成した。緩衝層190の形成には、セラミック粉末、造孔材、有機バインダー、可塑剤、溶剤を混合した緩衝層用ペーストを用いた。 The results of comparing the experimental example with comparative example B are shown below. A pattern of a buffer layer 190 was formed on the element body (green body) before firing, and pressure was applied. After that, a tip protection layer 180 was formed and then fired. To form the buffer layer 190, a buffer layer paste containing a mixture of ceramic powder, a pore-forming material, an organic binder, a plasticizer, and a solvent was used.
ここでは、タイプA、Bの造孔材を用いて、実施例、比較例のセンサ素子100を作製した。タイプAの造孔材は、アクリル系高分子材料からなり、分解温度Tdは約220℃である。タイプBの造孔材は、ポリエステル系高分子材料からなり、分解温度Tdは約360℃である。後述の有機バインダーの分解温度Tdに対して、タイプAの分解温度Tdは低く、タイプBの分解温度Tdは高い。 Here, sensor elements 100 of Examples and Comparative Examples were manufactured using pore formers of types A and B. The type A pore-forming material is made of an acrylic polymer material and has a decomposition temperature Td of about 220°C. The type B pore-forming material is made of a polyester polymer material and has a decomposition temperature Td of about 360°C. Compared to the decomposition temperature Td of the organic binder described below, the decomposition temperature Td of type A is lower and the decomposition temperature Td of type B is higher.
図5に示すように、分解温度Tdは、対象物の重量が50%減少したときの温度である。 As shown in FIG. 5, the decomposition temperature Td is the temperature at which the weight of the object decreases by 50%.
タイプA、Bいずれの造孔材も直径(D50)を約15μmとした。 The diameter (D50) of both types A and B of the pore-forming materials was about 15 μm.
作製した緩衝層190を評価した。 The produced buffer layer 190 was evaluated.
A. SEM観察
図6A、図6Bはそれぞれ、実施例、比較例の緩衝層190表面のSEM(走査型電子顕微鏡:Scanning Electron Microscope)写真であり、先端保護層180を作製せずに、焼成を行った状態を示す。図7A、図7Bは、実施例および比較例に係るサンプルをカットした断面のSEM写真である。図8A、図8Bは、先端保護層180を形成せずに焼成した実施例および比較例に係るサンプルをカットした断面のSEM写真である。
A. SEM Observation FIGS. 6A and 6B are SEM (Scanning Electron Microscope) photographs of the surfaces of the buffer layers 190 of Examples and Comparative Examples, respectively, in which firing was performed without forming the tip protective layer 180. Indicates the condition. 7A and 7B are SEM photographs of cross sections of samples according to Examples and Comparative Examples. FIGS. 8A and 8B are SEM photographs of cross sections of samples of Examples and Comparative Examples that were fired without forming the tip protection layer 180.
これらの図に示されるように、実施例と比較例とで、緩衝層190の構造(および気孔率)が異なっている。比較例では、緩衝層190に比較的大きい気孔(粗大孔)が明瞭に観察され、それ以外の領域は緻密な傾向にある(図6B~図8B参照)。一方、実施例では、緩衝層190に比較的大きい気孔(粗大孔)は明瞭には観察されない(図6A~図8A参照)。すなわち、様々な気孔が比較的均一に配置されていると考えられる。 As shown in these figures, the structure (and porosity) of the buffer layer 190 is different between the example and the comparative example. In the comparative example, relatively large pores (coarse pores) are clearly observed in the buffer layer 190, and other regions tend to be dense (see FIGS. 6B to 8B). On the other hand, in the example, relatively large pores (coarse pores) are not clearly observed in the buffer layer 190 (see FIGS. 6A to 8A). That is, it is considered that various pores are arranged relatively uniformly.
この構造の相違が、緩衝層190の気孔率にも影響を与え、実施例の方が、比較例よりも、気孔率が大きくなっている。この構造の相違は、造孔材と有機バインダーの分解温度Tdの相違により説明できる。 This difference in structure also affects the porosity of the buffer layer 190, and the porosity of the example is larger than that of the comparative example. This difference in structure can be explained by the difference in decomposition temperature Td between the pore-forming material and the organic binder.
実施例では、焼成時に造孔材、有機バインダーの順に分解が進む。すなわち、造孔材の分解後でも、有機バインダーによりセラミック粉末の形状および粉末間の距離が保持される(有機バインダーがセラミック粒子を繋ぎ合わせる)。その後、有機バインダーが分解しても、セラミック粒子間の距離、すなわち、空隙が確保される。この結果、気孔が比較的均一に配置され、気孔率も高くなると考えられる。 In the example, during firing, decomposition progresses in the order of the pore-forming material and the organic binder. That is, even after the pore-forming material is decomposed, the shape of the ceramic powder and the distance between the powders are maintained by the organic binder (the organic binder connects the ceramic particles). Thereafter, even if the organic binder decomposes, the distance between the ceramic particles, that is, the voids are maintained. As a result, the pores are arranged relatively uniformly, and the porosity is considered to be high.
一方、比較例では、焼成時に有機バインダー、造孔材の順に分解が進む。このため、有機バインダーの分解後に、造孔材の粒子間にセラミック粒子が入り込み、セラミックス粒子間の距離が近くなる。そして、造孔材の分解後も、セラミック粒子間の距離が近い状態が保持され、造孔材があった箇所が大きな気孔として残るのを除き、緻密な状態となる。この結果、緻密な領域(気孔が実質的に存在しない)中に粗大な気孔が点在する状態となり、全体としては気孔率が低下すると考えられる。 On the other hand, in the comparative example, decomposition proceeds in the order of the organic binder and the pore-forming material during firing. Therefore, after the organic binder is decomposed, the ceramic particles enter between the particles of the pore-forming material, and the distance between the ceramic particles becomes shorter. Even after the pore-forming material is decomposed, the distance between the ceramic particles remains close, and the ceramic particles become dense, except for large pores remaining where the pore-forming material was. As a result, coarse pores are scattered in a dense region (substantially no pores), and the porosity is considered to decrease as a whole.
B.ガス透過性
実施例、比較例のガス透過性を評価した。実施例ではガス透過性が良好であったが、比較例ではガス透過性が良好ではなかった。この結果は、実施例、比較例の緩衝層190の気孔率と対応しており、造孔材と有機バインダーの分解温度Tdの大小関係に起因して、ガス透過性が変化することが判る。
B. Gas Permeability Gas permeability of Examples and Comparative Examples was evaluated. The gas permeability was good in the examples, but the gas permeability was not good in the comparative examples. This result corresponds to the porosity of the buffer layer 190 of Examples and Comparative Examples, and it can be seen that the gas permeability changes depending on the magnitude relationship between the decomposition temperature Td of the pore-forming material and the organic binder.
C.密着強度
実施例、比較例のセンサ素子100について、密着強度の測定を行った。
C. Adhesion Strength The adhesion strength of the sensor elements 100 of Examples and Comparative Examples was measured.
先に、常温での密着強度をセバスチャン法で測定した。すなわち、先端保護層180の表面に接着剤を用いてピンを接着し、ピンに引張力を加え、先端保護層180が剥離したときの引張力(密着強度)を測定した。この結果、常温では実施例、比較例の密着強度に有意な差異は見られなかった。 First, the adhesion strength at room temperature was measured using the Sebastian method. That is, a pin was adhered to the surface of the tip protection layer 180 using an adhesive, a tensile force was applied to the pin, and the tensile force (adhesion strength) when the tip protection layer 180 was peeled off was measured. As a result, no significant difference was observed in the adhesion strength between Examples and Comparative Examples at room temperature.
さらに、高温での密着強度を引き抜き法で測定した。センサ素子100を駆動時以上の高温(1000℃)とし、先端保護層180の根本付近を把持し、センサ素子100の長手方向に引っ張り、先端保護層180が剥離したときの引張力(密着強度)を測定した。5つのサンプルを用い、平均引張力を算出した。 Furthermore, the adhesion strength at high temperatures was measured by a pull-out method. The sensor element 100 is heated to a high temperature (1000° C.) higher than when it is driven, the vicinity of the base of the tip protection layer 180 is grasped, and the sensor element 100 is pulled in the longitudinal direction to obtain the tensile force (adhesion strength) when the tip protection layer 180 is peeled off. was measured. The average tensile force was calculated using five samples.
実施例、比較例ではそれぞれ、532、432[N]の平均引張力が得られた。すなわち、造孔材と有機バインダーの分解温度Tdの大小関係に起因して、高温での密着強度が変化することが判る。 In the examples and comparative examples, average tensile forces of 532 and 432 [N] were obtained, respectively. That is, it can be seen that the adhesion strength at high temperatures changes depending on the magnitude relationship between the decomposition temperature Td of the pore-forming material and the organic binder.
実施例では、緩衝層190中に気孔が比較的均一に形成され、緩衝層190中に明確な境界は発生しない。このため、高温下でも、熱応力の集中が回避される。一方、比較例では、緩衝層190中に大きな気孔が孤立して形成され、その他の箇所は緻密な状態となり、その間に境界が存在する。このため、高温下において、境界に応力が集中しやすくなる。 In embodiments, the pores are formed relatively uniformly in the buffer layer 190, and no sharp boundaries occur in the buffer layer 190. Therefore, concentration of thermal stress is avoided even under high temperatures. On the other hand, in the comparative example, large pores are formed in isolation in the buffer layer 190, other parts are in a dense state, and boundaries exist between them. Therefore, stress tends to concentrate at the boundaries at high temperatures.
なお、焼成時に発生するクラックも密着強度に影響する可能性がある。実施例においては、セラミック粉末間を保持する有機バインダーが残留している間(有機バインダーの消失前)に造孔材が除去されることで、気孔形成時の収縮クラックを抑制できる(焼成収縮差の低減)。 Note that cracks generated during firing may also affect the adhesion strength. In the example, shrinkage cracks during pore formation can be suppressed by removing the pore-forming material while the organic binder that holds the spaces between the ceramic powders remains (before the organic binder disappears). reduction).
[本実施形態から得られる発明]
上記実施形態から把握しうる発明について、以下に記載する。
[Invention obtained from this embodiment]
The invention that can be understood from the above embodiments will be described below.
[1] 本実施形態に係るガスセンサ素子(100)の製造方法は、固体電解質を有する素子基体(10)と、前記素子基体の少なくとも一部を覆う先端保護層(180)と、前記素子基体と前記先端保護層との間に配置される緩衝層(190)と、を備えるガスセンサ素子を製造するものであり、前記固体電解質を含むシート(グリーンシート)を積層して積層体を形成する工程と、前記積層体上に緩衝層形成用物質を含む緩衝層パターンを形成する工程と、前記緩衝層パターンが形成された積層体を焼成し、緩衝層が形成された焼成体を作製する工程と、前記焼成体の緩衝層上に前記先端保護層を形成する工程と、を具備する。 [1] The method for manufacturing a gas sensor element (100) according to the present embodiment includes: an element base (10) having a solid electrolyte; a tip protection layer (180) covering at least a portion of the element base; A buffer layer (190) disposed between the tip protection layer and the buffer layer (190) is manufactured, and a step of laminating sheets (green sheets) containing the solid electrolyte to form a laminate; , forming a buffer layer pattern containing a buffer layer forming substance on the laminate; firing the laminate on which the buffer layer pattern is formed to produce a fired body on which the buffer layer is formed; forming the tip protection layer on the buffer layer of the fired body.
前記緩衝層パターンが形成された後で、積層体を焼成することから、焼成の回数を低減し、工程の簡略化を図ることができる。また、緩衝層と先端保護層間の密着性を向上できる。 Since the laminate is fired after the buffer layer pattern is formed, the number of firings can be reduced and the process can be simplified. Furthermore, the adhesion between the buffer layer and the tip protection layer can be improved.
[2] 本実施形態において、前記緩衝層パターンを形成する工程が、前記緩衝層形成用物質、造孔材、および有機バインダーを含むペースト(緩衝層用ペースト)を印刷する工程を有し、前記造孔材の分解温度Tdが、前記有機バインダーの分解温度Tdより低い。 [2] In the present embodiment, the step of forming the buffer layer pattern includes the step of printing a paste (buffer layer paste) containing the buffer layer forming substance, a pore-forming material, and an organic binder, and The decomposition temperature Td of the pore-forming material is lower than the decomposition temperature Td of the organic binder.
これにより、焼成時に造孔材が有機バインダーよりも先に消失する。この結果、造孔材の分解時にセラミック粉末の形状が保持され、比較的均一な気孔の形成が可能となる。比較的均一な気孔による密着性の向上が図れる。 As a result, the pore-forming material disappears before the organic binder during firing. As a result, the shape of the ceramic powder is maintained during decomposition of the pore-forming material, making it possible to form relatively uniform pores. Adhesion can be improved due to relatively uniform pores.
[3] 本実施形態において、前記造孔材の直径(D50)は、前記緩衝層パターンの膜厚の2倍以下である。これにより、密着性向上に寄与する気孔の形成が可能となる。 [3] In the present embodiment, the diameter (D50) of the pore-forming material is not more than twice the thickness of the buffer layer pattern. This makes it possible to form pores that contribute to improved adhesion.
[4] 本実施形態において、前記固体電解質がジルコニアを主成分とし、前記緩衝層形成用物質がアルミナを主成分とする。これにより、固体電解質を用いたガスセンサ素子を作製できる。 [4] In this embodiment, the solid electrolyte contains zirconia as a main component, and the buffer layer forming material contains alumina as a main component. Thereby, a gas sensor element using a solid electrolyte can be manufactured.
なお、本発明の実施に当たっては、本発明の思想を損なわない範囲で自動車用部品としての信頼性向上のための諸手段が付加されてもよい。 In carrying out the present invention, various means for improving reliability as an automobile part may be added to the extent that the idea of the present invention is not impaired.
10…素子基体 100…ガスセンサ素子
101a~101c…セラミックス層 102~104…内部空室
105…ガス導入口 110、120、130…拡散律速部
115…緩衝空間 141…外側ポンプ電極
142…内側ポンプ電極 143…補助ポンプ電極
145…測定電極 147…基準電極
150…ヒータ 151…絶縁層
160…電極端子
170、170a、170b…外側(ポンプ)電極保護層
180…先端保護層 190…緩衝層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10...Element base body 100...Gas sensor element 101a-101c...Ceramics layer 102-104...Internal cavity 105...Gas inlet 110, 120, 130...Diffusion control part 115...Buffer space 141...Outer pump electrode 142...Inner pump electrode 143 ...Auxiliary pump electrode 145...Measurement electrode 147...Reference electrode
150... Heater 151... Insulating layer
160... Electrode terminals 170, 170a, 170b... Outer (pump) electrode protective layer 180... Tip protective layer 190... Buffer layer
Claims (3)
前記素子基体の少なくとも一部を覆う先端保護層と、
前記素子基体と前記先端保護層との間に配置される緩衝層と、を備えるガスセンサ素子の製造方法であって、
前記固体電解質を含むシートを積層して積層体を形成する工程と、
前記積層体上に緩衝層形成用物質を含む緩衝層パターンを形成する工程と、
前記緩衝層パターンが形成された積層体を焼成し、緩衝層が形成された焼成体を作製する工程と、
前記焼成体の緩衝層上に前記先端保護層を形成する工程と、
を具備し、
前記緩衝層パターンを形成する工程が、前記緩衝層形成用物質、造孔材、および有機バインダーを含むペーストを塗布する工程を有し、
前記造孔材の分解温度が、前記有機バインダーの分解温度より低い、ガスセンサ素子の製造方法。 an element substrate having a solid electrolyte;
a tip protection layer covering at least a portion of the element substrate;
A method for manufacturing a gas sensor element, comprising: a buffer layer disposed between the element base and the tip protection layer,
a step of laminating sheets containing the solid electrolyte to form a laminate;
forming a buffer layer pattern containing a buffer layer forming substance on the laminate;
firing the laminate on which the buffer layer pattern is formed to produce a fired body on which the buffer layer is formed;
forming the tip protection layer on the buffer layer of the fired body;
Equipped with
The step of forming the buffer layer pattern includes the step of applying a paste containing the buffer layer forming substance, a pore-forming material, and an organic binder,
A method for manufacturing a gas sensor element , wherein the decomposition temperature of the pore-forming material is lower than the decomposition temperature of the organic binder .
前記造孔材の直径(D50)は、前記緩衝層パターンの膜厚の2倍以下である、ガスセンサ素子の製造方法。 A method for manufacturing a gas sensor element according to claim 1 , comprising:
The method for manufacturing a gas sensor element, wherein the diameter (D50) of the pore-forming material is not more than twice the thickness of the buffer layer pattern.
前記固体電解質がジルコニアを主成分とし、
前記緩衝層形成用物質がアルミナを主成分とする、ガスセンサ素子の製造方法。 A method for manufacturing a gas sensor element according to claim 1 or 2 , comprising:
The solid electrolyte mainly contains zirconia,
A method for manufacturing a gas sensor element, wherein the buffer layer forming substance contains alumina as a main component.
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