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JPS6239701B2 - - Google Patents
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JPS6239701B2 - - Google Patents

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JPS6239701B2
JPS6239701B2 JP54167561A JP16756179A JPS6239701B2 JP S6239701 B2 JPS6239701 B2 JP S6239701B2 JP 54167561 A JP54167561 A JP 54167561A JP 16756179 A JP16756179 A JP 16756179A JP S6239701 B2 JPS6239701 B2 JP S6239701B2
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JP
Japan
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substrate
heater layer
heater
lead wires
layer
Prior art date
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Application number
JP54167561A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS5690254A (en
Inventor
Hiroyuki Aoki
Kenji Ikezawa
Shinji Kimura
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
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Publication of JPS5690254A publication Critical patent/JPS5690254A/en
Publication of JPS6239701B2 publication Critical patent/JPS6239701B2/ja
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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、酸素センサ等のガスセンサ用基板
として好適なガスセンサ用ヒータ内蔵基板の製造
方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method of manufacturing a substrate with a built-in heater for a gas sensor, which is suitable as a substrate for a gas sensor such as an oxygen sensor.

上記酸素センサは、流体中の酸素濃度を測定す
るのに使用され、たとえば、自動車用内燃機関の
排ガス中の酸素濃度を測定して空燃比制御を実現
しようとするのに使用され、その他各種燃焼機器
の燃焼制御や炉内雰囲気制御をおこなうのに使用
される。
The oxygen sensor described above is used to measure the oxygen concentration in a fluid, for example, to measure the oxygen concentration in the exhaust gas of an automobile internal combustion engine to realize air-fuel ratio control, and is used for various combustion It is used to control the combustion of equipment and the atmosphere inside the furnace.

このような酸素センサは、酸素濃度検知部をヒ
ータ内蔵の基板で支持されるものが多く、前記基
板を製造するに際しては、例えば第1図a〜fに
示す工程が採用されていた。すなわち、まず第1
図a,dに示すように、アルミナ等を主成分とす
るセラミツク生シートを適当な大きさ(たとえば
9×5×0.7mm)に切出した2枚の基板素材1
a,1bを準備し、一方の基板素材1a上に、白
金粉末を用いた導電体ペーストを用いて第1図b
に示すパターンでスクリーン印刷し、乾燥して未
焼成状態のヒータ層3を積層する。次いで、第1
図cに示すように、前記ヒータ層3に形成した端
子部3a,3bを超えた位置まで白金等の直径
0.2mm、長さ10mmのリード線4a,4bを接続載
置する。また、他方の基板素材1bには、第1図
eに示すように、前記端子部3a,3bに対応し
た位置に貫通孔2a,2bを形成する。次いで、
前記一方の基板素材1a上に他方の基板素材1b
を積層し、加熱圧着して第1図fに示すようなヒ
ータ内蔵基板1を製作するようにしていた。そし
て、この後酸素濃度検知部の製造工程に応じた段
階で焼成して構造基体としての強度を保持させる
ようにしていた。
In many such oxygen sensors, the oxygen concentration detection section is supported by a substrate with a built-in heater, and when manufacturing the substrate, the steps shown in FIGS. 1a to 1f, for example, have been adopted. In other words, first
As shown in Figures a and d, two substrate materials 1 are prepared by cutting raw ceramic sheets mainly composed of alumina or the like into appropriate sizes (for example, 9 x 5 x 0.7 mm).
A and 1b are prepared, and on one substrate material 1a, a conductive paste using platinum powder is used to form the pattern shown in Fig. 1b.
The heater layer 3 in a dry and unfired state is laminated by screen printing in the pattern shown in FIG. Then the first
As shown in Figure c, the diameter of platinum etc. is
Connect and place lead wires 4a and 4b with a length of 0.2 mm and a length of 10 mm. Further, in the other substrate material 1b, as shown in FIG. 1e, through holes 2a and 2b are formed at positions corresponding to the terminal portions 3a and 3b. Then,
The other substrate material 1b is placed on the one substrate material 1a.
The substrate 1 with a built-in heater as shown in FIG. Thereafter, the material is fired at a stage corresponding to the manufacturing process of the oxygen concentration sensing portion to maintain its strength as a structural base.

しかしながら、このような従来のヒータ内蔵基
板の製造方法にあつては、リード線4a,4bを
接続する際に、貫通孔2a,2bを超えた深さで
載置し、第1図fに示すように、貫通孔2a,2
bを超えた部分2c,2dと、貫通孔2a,2b
と一辺との間の部分2e,2fとの両方で各リー
ド線4a,4bを固定するようにしていたため、
第1図bに示すヒータ層3の端子部3a,3b
が、前記両基板素材1a,1bの加熱圧着後に各
リード線4a,4bに押し込まれ、破損する不具
合が多発していた。この様子をさらに詳しく説明
する。
However, in such a conventional method for manufacturing a substrate with a built-in heater, when connecting the lead wires 4a and 4b, the lead wires 4a and 4b are placed at a depth exceeding the through holes 2a and 2b, as shown in FIG. As shown, the through holes 2a, 2
Parts 2c and 2d beyond b and through holes 2a and 2b
Since each lead wire 4a, 4b was fixed at both the portions 2e, 2f between the side and the side,
Terminal portions 3a and 3b of the heater layer 3 shown in FIG. 1b
However, after the substrate materials 1a, 1b are bonded under heat and pressure, the lead wires 4a, 4b are pushed into the lead wires 4a, 4b, resulting in frequent damage. This situation will be explained in more detail.

第2図は、加熱圧着された後の基板1の貫通孔
2a,2b部分(貫通孔2b部分は省略)の拡大
説明図であつて、基板1の貫通孔2a内に、印刷
されたヒータ層3の端子部3aの一部と、リード
線4aの一部とが表われる。また、基板1の内部
に埋設された部分は破線で示してあるが、リード
線4aは貫通孔2aを超えた位置まで入つて固定
されている。なお、貫通孔2bにおいても同様で
ある。
FIG. 2 is an enlarged explanatory view of the through-holes 2a and 2b portions (the through-hole 2b portion is omitted) of the substrate 1 after being bonded under heat and pressure. A part of the terminal portion 3a of No. 3 and a part of the lead wire 4a are exposed. Further, although the portion buried inside the substrate 1 is shown by a broken line, the lead wire 4a is inserted and fixed to a position beyond the through hole 2a. Note that the same applies to the through hole 2b.

また、第3図は第2図のA−A′線断面図であ
つて、リード線4aの先端部は貫通孔2aを超え
て入つているため、ヒータ層3はリード線4aの
先端部で極めて急激に折曲され、非常に薄い膜と
なつている。また、リード線4aの先端部分でヒ
ータ層3が強い剪断力を受けやすい。
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line A-A' in FIG. 2, and since the tip of the lead wire 4a is inserted beyond the through hole 2a, the heater layer 3 It is bent very sharply and is a very thin film. Further, the heater layer 3 is likely to receive strong shearing force at the tip portion of the lead wire 4a.

さらに、第4図は第2図のB−B′線断面図であ
つて、ヒータ層3の端子部3aはリード線4aの
載置されている部分で膜厚がかなり薄くなつてお
り、リード線4aによつてヒータ層3が左右に押
しやられたような形になつている。このため、従
来の場合にはリード線4aとヒータ層3との電気
的な接触部は、左右のごくわずかな部分にすぎな
いものであつた。また、第5図に示す前記第2図
のC−C′線断面では、ヒータ層3の膜厚が約0.3
mmであり、リード線4aの直径が約0.2mmである
ため、ヒータ層3がリード線4aによつて左右に
押しやられた場合には、左右のきわめて少ない部
分でしか接触していない状態であつた。
Furthermore, FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line B-B' in FIG. The heater layer 3 is pushed left and right by the line 4a. Therefore, in the conventional case, the electrical contact portion between the lead wire 4a and the heater layer 3 was only a small portion on the left and right sides. Further, in the cross section taken along the line C-C' in FIG. 2 shown in FIG. 5, the thickness of the heater layer 3 is about 0.3
mm, and the diameter of the lead wire 4a is about 0.2 mm, so when the heater layer 3 is pushed left and right by the lead wire 4a, it is in a state where it is in contact only at a very small portion on the left and right. Ta.

このように、従来の場合には、ヒータ層3がリ
ード線4a,4bによつて破壊される度合が大き
いため、焼成後にヒータ層3とリード線4a,4
bとの間で断線を生じやすく、また断線しないま
でもヒータ層3の抵抗値に大きなばらつきを伴な
いやすく、この基板1上に形成した酸素センサ等
のガス濃度検知部の温度特性や応答性に悪影響を
及ぼす問題を有し、ガスセンサ製造上の歩留りが
極めて低く、大きな問題となつていた。
In this way, in the conventional case, since the heater layer 3 is more likely to be destroyed by the lead wires 4a, 4b, the heater layer 3 and the lead wires 4a, 4 are damaged after firing.
b, and even if the wire does not break, the resistance value of the heater layer 3 tends to vary greatly, and the temperature characteristics and responsiveness of the gas concentration detection section such as the oxygen sensor formed on this substrate 1 are likely to occur. However, the production yield of gas sensors is extremely low, which has become a major problem.

この発明の目的は、上述した従来技術の欠点を
解消し、二枚の未焼成基板素材のうちの一方の基
板素材の表面にヒータ層を形成し、前記ヒータ層
の端子部にリード線を接続したのち、他方の基板
素材を積層して前記ヒータ層を内蔵したガスセン
サ用基板を製造するにあたり、前記ヒータ層とリ
ード線との間における断線の発生を防止し、加え
てヒータ層の電気抵抗値のばらつきを小さくする
ことができるガスセンサ用ヒータ内蔵基板の製造
方法を提供することにあり、その特徴とするとこ
ろは、前記他方の基板素材の前記ヒータ層端子部
に相当する位置に貫通孔を設け、両基板素材の積
層時に前記ヒータ層に接続したリード線の先端を
前記貫通孔内で終端可能に前記リード線を位置決
めしたのち、前記一方の基板素材に他方の基板素
材を積層して未焼成基板を作成し、その後ガスセ
ンサ検知部の製造工程にあわせて焼成して基板と
しての強度を保持させるようにした点にある。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned drawbacks of the prior art, form a heater layer on the surface of one of two unfired substrate materials, and connect lead wires to the terminals of the heater layer. After that, when the other substrate material is laminated to produce a gas sensor substrate incorporating the heater layer, it is possible to prevent the occurrence of disconnection between the heater layer and the lead wire, and also to reduce the electrical resistance value of the heater layer. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a substrate with a built-in heater for a gas sensor that can reduce variations in the temperature. , After positioning the lead wire connected to the heater layer so that the tip of the lead wire can be terminated in the through hole when both substrate materials are laminated, the other substrate material is laminated on the one substrate material and unfired. The advantage is that the substrate is created and then fired in accordance with the manufacturing process of the gas sensor detection section to maintain the strength of the substrate.

以下、この発明の実施例をさらに詳細に説明す
る。
Examples of the present invention will be described in more detail below.

第6図はこの発明に基づくガスセンサ用ヒータ
内蔵基板の製造工程の一例を示しており、約72重
量%のアルミナと、残りタルク、ポリビニルブチ
ラール、ジブチルフタレート、分散剤等を含むセ
ラミツク生シートを適当な大きさ(9×5×0.7
mm)に切出した第6図a,dに示す如き2枚の基
板素材11a,11bを準備し、一方の基板素材
11a上に、約55重量%の白金粉末と、残りエチ
ルセルロース、テルピネオール、ジブチルフタレ
ート、界面活性剤等を含む導電体ペーストを用い
て第6図bに示すパターンでスクリーン印刷し、
乾燥して未焼成状態のヒータ層13を積層する。
乾燥後に得られたヒータ層13の膜厚は約10μm
であり、膜幅は約0.3mmであり、端子部13a,
13bの直径は約1.0mmである。次いで、約6図
cに示すように、前記端子部13a,13bおよ
びこれらのほぼ中央部に直径0.2mm、長さ10mmの
白金等の導電性リード線14a,14b,14c
を接続載置するが、このときの各リード線14
a,14b,14cの詳細な位置決めについては
後述する。また、他方の基板素材11bには、第
6図eに示すように、前記端子部13a,13b
およびリード線14bの位置にあわせて3個の貫
通孔12a,12b,12cを形成する。このと
き、貫通孔12a,12b,12cの直径は約
0.8mmである。その後、前記一方の基板素材11
a上に他方の基板素材11bを積層し、加熱圧着
して第6図fに示すようなヒータ内蔵基板11を
製作するようにしている。この際、前記積層時に
両端子部13a,13bの中心と貫通孔12a,
12cの中心とがほぼ一致するように各々位置決
めする。また、第6図cに示す如く、3本のリー
ド線14a,14b,14cを一方の基板素材1
1a上に載置するにあたり、それらのうち2本の
リード線14a,14cについては、前記ヒータ
層の13の端子部13a,13bのほぼ中心に前
記リード線14a,14cの先端が位置するよう
に位置決めする。このとき、他の1本のリード線
14bを、第6図cに示す如く、ヒータ層13と
接触しないように、リード線14a,14cのほ
ぼ中間の位置に配設する。
Figure 6 shows an example of the manufacturing process of a substrate with a built-in heater for a gas sensor based on the present invention, in which a raw ceramic sheet containing approximately 72% by weight alumina and the remainder talc, polyvinyl butyral, dibutyl phthalate, a dispersant, etc. size (9 x 5 x 0.7
Prepare two substrate materials 11a and 11b as shown in FIG. , screen printed in the pattern shown in Figure 6b using a conductive paste containing a surfactant, etc.
A dry, unfired heater layer 13 is laminated.
The thickness of the heater layer 13 obtained after drying is approximately 10 μm.
The membrane width is approximately 0.3 mm, and the terminal portions 13a,
The diameter of 13b is approximately 1.0 mm. Next, as shown in FIG. 6c, conductive lead wires 14a, 14b, 14c made of platinum or the like having a diameter of 0.2 mm and a length of 10 mm are attached to the terminal portions 13a, 13b and approximately in the center thereof.
At this time, each lead wire 14
Detailed positioning of a, 14b, and 14c will be described later. Further, as shown in FIG. 6e, the other substrate material 11b has the terminal portions 13a, 13b.
Three through holes 12a, 12b, and 12c are formed in accordance with the positions of the lead wires 14b. At this time, the diameters of the through holes 12a, 12b, 12c are approximately
It is 0.8mm. After that, the one substrate material 11
The other substrate material 11b is laminated on top of the substrate material 11b, and the substrate material 11b with a built-in heater is fabricated as shown in FIG. 6f by heat-pressing. At this time, when stacking, the center of both terminal portions 13a, 13b and the through hole 12a,
They are each positioned so that the centers of 12c substantially coincide with each other. Further, as shown in FIG. 6c, three lead wires 14a, 14b, 14c are connected to one substrate material 1.
When placing the two lead wires 14a and 14c on the heater layer 1a, the tips of the lead wires 14a and 14c are positioned approximately at the center of the thirteen terminal portions 13a and 13b of the heater layer. Position. At this time, as shown in FIG. 6c, another lead wire 14b is placed at a position approximately midway between the lead wires 14a and 14c so as not to come into contact with the heater layer 13.

続いて、第6図cに示す一方の基板素材11a
上に、第6図eに示す貫通孔12a,12b,1
2cを設けた他方の基板素材11bを積層し、そ
の後加熱圧着をおこなう。この状態では、第6図
fに示す如く、リード線14a,14cについて
は、貫通孔12a,12cのほぼ中心部にリード
線14a,14cの先端がくるように位置決め
し、下部のヒータ層13の端子部13a,13b
の上部が表われるようにする。
Next, one substrate material 11a shown in FIG. 6c
At the top, through holes 12a, 12b, 1 shown in FIG.
The other substrate material 11b provided with 2c is laminated, and then heat and pressure bonding is performed. In this state, as shown in FIG. 6f, the lead wires 14a, 14c are positioned so that the tips of the lead wires 14a, 14c are located approximately at the center of the through holes 12a, 12c, and the lower heater layer 13 is Terminal parts 13a, 13b
so that the top of the screen is exposed.

他方、リード線14bについては、第6図fの
例では、これもリード線14bの先端が貫通孔1
2bのほぼ中心にくるようにしているが、このリ
ード線14bについては、前記ヒータ層13と無
関係であるため、従来のように、先端が貫通孔1
2bを超えたところまで前記基板素材11a,1
1b内に入つていても差支えない。その後の加熱
圧着については、100℃、3分間、4Kg/cm2の条
件にておこなつた。次いで、上記加熱圧着された
未焼成基板11を大気中にて1500℃×2時間の条
件で焼成した。なお、基板11に装着するガス濃
度検知部の製造工程によつては、基板11の焼成
がガス濃度検知部の製造の際におこなわれること
も当然おりうる。
On the other hand, regarding the lead wire 14b, in the example shown in FIG.
However, since this lead wire 14b has nothing to do with the heater layer 13, its tip ends at the through hole 1 as in the conventional case.
The substrate materials 11a, 1 exceed 2b.
There is no problem even if it falls within 1b. The subsequent heat and pressure bonding was carried out at 100° C. for 3 minutes and at 4 kg/cm 2 . Next, the unfired substrate 11 bonded under heat and pressure was fired in the atmosphere at 1500° C. for 2 hours. Note that, depending on the manufacturing process of the gas concentration sensing section attached to the substrate 11, it is possible that the substrate 11 is fired during the manufacturing of the gas concentration sensing section.

次に、上記焼成したのちの本発明によるヒータ
内蔵基板11を100個選び、そのヒータ層13の
抵抗をリード線14a,14c間で測定したとこ
ろ、第7図に示す結果を得た。すなわち、抵抗値
が5.0Ω±0.1Ωの中に入つたものは91%であり、
5.0Ω±0.2Ωの中に入つたものは98%である。
Next, 100 substrates 11 with built-in heaters according to the present invention were selected after being fired, and the resistance of the heater layer 13 was measured between the lead wires 14a and 14c, and the results shown in FIG. 7 were obtained. In other words, 91% of the resistance values are within 5.0Ω±0.1Ω,
98% fall within 5.0Ω±0.2Ω.

続いて、前記5.0Ω±0.1Ωの中に入つたヒータ
内蔵基板11のうち、任意に10個を選んで10Vの
直流電圧を印加し、通電2分−停電2分のサイク
ルで通電耐久試験を5000サイクルおこなつたとこ
ろ、断線等の不具合は全く発生しなかつた。
Next, 10 of the heater built-in boards 11 that were within the 5.0Ω ± 0.1Ω were randomly selected, and a DC voltage of 10V was applied to them, and a power durability test was conducted in a cycle of 2 minutes of power on and 2 minutes of power outage. After 5000 cycles, no problems such as disconnection occurred.

比較例として、従来の製造方法によるヒータ内
蔵基板1の測定例を第8図に示す。ここでも、ヒ
ータ内蔵基板1を100個選び、そのヒータ層3の
抵抗をリード線4a,4b間で測定したもので、
目標値の5.0Ω±1.0Ωの中に入つたものは46%で
しかなく、また、5.0Ω±0.2Ωの中にも72%しか
入らなかつた。
As a comparative example, FIG. 8 shows a measurement example of the heater built-in substrate 1 by a conventional manufacturing method. Here too, 100 heater built-in substrates 1 were selected, and the resistance of the heater layer 3 was measured between the lead wires 4a and 4b.
Only 46% of the samples fell within the target value of 5.0Ω±1.0Ω, and only 72% fell within the target value of 5.0Ω±0.2Ω.

続いて、前記5.0Ω±0.1Ωの中に入つたヒータ
内蔵基板1のうち、任意に10個を選んで10Vの直
流電圧を印加し、通電2分−停電2分のサイクル
で通電耐久試験をおこなつたところ、第9図に示
す結果を得た。すなわち、はじめの1000サイクル
で3個が断線し、以下図に示すように次第に脱落
して5000サイクル後では5個と半数であつた。
Next, we randomly selected 10 of the heater built-in boards 1 that were within the 5.0Ω±0.1Ω range, applied a DC voltage of 10V, and conducted a power durability test in a cycle of 2 minutes of power on and 2 minutes of power outage. As a result, the results shown in FIG. 9 were obtained. That is, three wires broke during the first 1,000 cycles, and as shown in the figure below, they gradually fell off, and after 5,000 cycles, there were only five, which was half the number.

以上の比較からもわかるように、本発明におい
ては、ヒータ内蔵基板11のヒータ層13の抵抗
のばらつき(リード線14a,14c間で測定し
た抵抗のばらつき)をヒータ層13そのものの抵
抗のばらつきとほぼ同じくらいにおさえることが
でき、なおかつ通電耐久性も大幅に向上させるこ
とができた。
As can be seen from the above comparison, in the present invention, variations in the resistance of the heater layer 13 of the heater-embedded substrate 11 (variations in the resistance measured between the lead wires 14a and 14c) are compared with variations in the resistance of the heater layer 13 itself. We were able to reduce the amount of electricity to about the same level, while also significantly improving the current durability.

この理由は次のように説明できる。すなわち、
ヒータ層13の端子部13a,13bと電気的な
接続をとるために載置したリード線14a,14
cの先端を、貫通孔12a,12c内で終端する
ように位置決めし、リード線14a,14cの先
端部分でヒータ層13が破損されることのないよ
うにしたためである。
The reason for this can be explained as follows. That is,
Lead wires 14a, 14 placed to establish electrical connection with terminal portions 13a, 13b of heater layer 13
This is because the tips of the lead wires 14a and 14c are positioned so as to terminate within the through holes 12a and 12c, so that the heater layer 13 will not be damaged by the tips of the lead wires 14a and 14c.

第10図は前記第6図fの貫通孔12a部分の
拡大説明図であつて、他方の貫通孔12cにおい
ても同様である。図に示すように、基板11の貫
通孔12a内には、印刷されたヒータ層13の端
子部13aの一部と、リード線14aの一部とが
見える。このとき、リード線14a(14c)
は、第6図fに示す貫通孔12a(12c)と一
辺との間の部分12d(12f)で、すなわち、
第10図に示す部分12dでのみ固定され、リー
ド線14aの先端は貫通孔12aのほぼ中央で終
端している。
FIG. 10 is an enlarged explanatory view of the through hole 12a portion in FIG. 6 f, and the same is true for the other through hole 12c. As shown in the figure, a portion of the printed terminal portion 13a of the heater layer 13 and a portion of the lead wire 14a are visible in the through hole 12a of the substrate 11. At this time, the lead wire 14a (14c)
is the portion 12d (12f) between the through hole 12a (12c) and one side shown in FIG. 6f, that is,
It is fixed only at a portion 12d shown in FIG. 10, and the tip of the lead wire 14a terminates approximately at the center of the through hole 12a.

また、第11図は前記第10図のD−D′線断
面を示しており、リード線14aの先端は貫通孔
12a内で終端しているので、リード線14aが
両基板素材11a,11bの間にはさまれた状態
では、その先端が若干浮き上がつた形となる。し
たがつて、リード線14aがヒータ層13を押し
つぶす程度が相当小さくなり、ヒータ層13の端
子部13a上にリード線14aの先端が乗つた形
となるため、ヒータ層13とリード線14aとの
間の電気的な接続をかなり良好なものにすること
ができる。
Furthermore, FIG. 11 shows a cross section taken along the line D-D' in FIG. When it is sandwiched in between, the tip becomes slightly raised. Therefore, the degree to which the lead wire 14a crushes the heater layer 13 is considerably reduced, and the tip of the lead wire 14a is placed on the terminal portion 13a of the heater layer 13, so that the contact between the heater layer 13 and the lead wire 14a is reduced. A fairly good electrical connection can be made between the two.

このように、本発明に基くヒータ内蔵基板11
では、リード線14a,14cがヒータ層13を
破損する度合が非常に小さいため、ヒータ層13
とリード線14a,14cとの間の電気的な接続
をかなり良好なものとすることができ、ヒータ層
13にリード線14a,14cを接続したのち両
基板素材11a,11bを加熱圧着したときで
も、ヒータ層13それ自体の抵抗をそのまま両リ
ード線14a,14c間における抵抗とすること
ができるので、両リード線14a,14c間で測
定したヒータ層13の抵抗値のばらつきをかなり
小さくすることができ、ヒータ層13とリード線
14a,14cとの接触度合に基づく抵抗値のば
らつきをほとんど無視することができ、加えて通
電耐久性を大幅に改善することが可能となる。
In this way, the heater-embedded substrate 11 according to the present invention
In this case, since the degree to which the lead wires 14a and 14c damage the heater layer 13 is very small, the heater layer 13
The electrical connection between the lead wires 14a and 14c can be made quite good, even when the lead wires 14a and 14c are connected to the heater layer 13 and then both the substrate materials 11a and 11b are bonded under heat and pressure. Since the resistance of the heater layer 13 itself can be directly used as the resistance between the lead wires 14a and 14c, the variation in the resistance value of the heater layer 13 measured between the lead wires 14a and 14c can be considerably reduced. This makes it possible to almost ignore variations in the resistance value based on the degree of contact between the heater layer 13 and the lead wires 14a and 14c, and in addition, it becomes possible to significantly improve the current carrying durability.

さらに、前記本発明に基づくヒータ内蔵未焼成
基板11の貫通孔12a,12c内に、白金ペー
スト等の導電性物質15(15a,15b)を落
し込み、その後製造工程にあわせて焼成するよう
にすれば、第13図および第14図に示す如く、
リード線14a(14c)を前記ヒータ層13お
よび導電性物質15a(15b)で取り囲む形と
なるため、ヒータ層13とリード線14a(14
c)との間における電気的な接続をより一層確実
なものにすることができる。このようにすれば、
上記ヒータ内蔵基板11上に、たとえば積層型酸
素センサ検知部を形成して自動車用内燃機関の排
ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサとして用
いる場合など、高温かつ高振動の苛酷な条件下に
置かれたときでも、ヒータ層13とリード線14
a,14cとの間の電気的な接続をかなり確実な
ものにすることができ、発熱特性の良好なヒータ
層13をそなえた酸素センサを得ることができ
る。なお、必要に応じて貫通孔12b内にも白金
ペースト等の導電性物質15を落し込めば、同様
の効果を得ることができる。
Further, a conductive substance 15 (15a, 15b) such as platinum paste is dropped into the through holes 12a, 12c of the unfired substrate 11 with a built-in heater according to the present invention, and then fired in accordance with the manufacturing process. For example, as shown in FIGS. 13 and 14,
Since the lead wire 14a (14c) is surrounded by the heater layer 13 and the conductive material 15a (15b), the heater layer 13 and the lead wire 14a (14c) are surrounded by the heater layer 13 and the conductive material 15a (15b).
c) The electrical connection can be made even more reliable. If you do this,
For example, when a stacked oxygen sensor detection section is formed on the heater-embedded substrate 11 and used as an oxygen sensor for measuring the oxygen concentration in the exhaust gas of an automobile internal combustion engine, it is placed under severe conditions of high temperature and high vibration. Even when the heater layer 13 and lead wires 14 are
The electrical connection between the electrodes a and 14c can be made quite reliable, and an oxygen sensor having the heater layer 13 with good heat generation characteristics can be obtained. Note that the same effect can be obtained by dropping the conductive material 15 such as platinum paste into the through hole 12b as needed.

次に、本発明に基づくヒータ内蔵基板11の応
用例として、酸素イオン伝導性固体電解質を用い
た酸素センサ検知部を積層した場合を示す。そこ
で、第6図fに示す未焼成状態のヒータ内蔵基板
11上に、第15図aに示すように、白金ペース
トを印刷し次いで乾燥して未焼成状態の基準側電
極層16を形成した。このとき、基準側電極層1
6の膜厚は約20μmであつた。続いて、第15図
bに示すように、基準側電極層16上に、5モル
%Y2O3−95モル%ZrO2固体電解質粉末を用いた
固体電解質ペーストを印刷し次いで乾燥して未焼
成状態の固体電解質層17を形成した。印刷に際
しては、乾燥後の膜厚が20〜22μmとなるように
した。さらに、第15図cに示すように、固体電
解質層17上に、白金ペーストを印刷し次いで乾
燥して未焼成状態の測定側電極層18を形成し
た。このとき、乾燥後の測定側電極層18の膜厚
は約20μmであつた。また、同時に貫通孔12
a,12b,12c内にも前記白金ペーストを落
し込んで導通部15a,15b,15cを形成し
た。なお、導通部15a,15cについては、前
記ヒータ層13とリード線14a,14cとの間
での電気的な接続を良好なものにし、接続部にお
ける耐久性を十分に確保できるようにするために
設けており、導通部15b,15cについては、
各電極層16,18とリード線14b,14cと
の間での電気的な接続を良好なものにするために
設けている。この場合、リード線14cはヒータ
層13用と電極層18用の両方の電気的導通部を
兼用しているが、もちろん、区別して4本のリー
ド線としてもよい。
Next, as an application example of the heater-embedded substrate 11 according to the present invention, a case will be shown in which oxygen sensor detection sections using an oxygen ion conductive solid electrolyte are stacked. Therefore, as shown in FIG. 15a, platinum paste was printed on the heater-embedded substrate 11 in the unfired state shown in FIG. 6f and then dried to form the reference side electrode layer 16 in the unfired state. At this time, the reference side electrode layer 1
The film thickness of No. 6 was approximately 20 μm. Subsequently, as shown in FIG. 15b, a solid electrolyte paste using 5 mol % Y 2 O 3 -95 mol % ZrO 2 solid electrolyte powder is printed on the reference side electrode layer 16, and then dried and left untreated. A solid electrolyte layer 17 in a fired state was formed. During printing, the film thickness after drying was set to 20 to 22 μm. Further, as shown in FIG. 15c, a platinum paste was printed on the solid electrolyte layer 17 and then dried to form a measurement side electrode layer 18 in an unfired state. At this time, the thickness of the measurement side electrode layer 18 after drying was about 20 μm. At the same time, the through hole 12
The platinum paste was also poured into the holes 15a, 12b, and 12c to form conductive portions 15a, 15b, and 15c. Regarding the conductive parts 15a and 15c, in order to make a good electrical connection between the heater layer 13 and the lead wires 14a and 14c and to ensure sufficient durability at the connection part, Regarding the conductive parts 15b and 15c,
This is provided to improve the electrical connection between each electrode layer 16, 18 and the lead wires 14b, 14c. In this case, the lead wire 14c serves as an electrically conductive portion for both the heater layer 13 and the electrode layer 18, but of course, four lead wires may be used to separate them.

次に、上述のようにして作製した未焼成状態の
積層体(基板11を含む)を大気中にて1500℃×
2時間の条件で同時焼成した。次い、第15図d
に示すように、表面の全体にわたつてカルシウム
ジルコネート(CaO−ZrO2)をプラズマ溶射して
多孔性保護層19を形成した。
Next, the unfired laminate (including the substrate 11) produced as described above was heated to 1500°C in the atmosphere.
Co-firing was performed for 2 hours. Next, Figure 15d
As shown in FIG. 2, a porous protective layer 19 was formed by plasma spraying calcium zirconate (CaO-ZrO 2 ) over the entire surface.

このようにして製造した酸素センサ20をプロ
パンガス燃焼器の排気管に取り付け、その排ガス
を400℃に保持した状態で空気に対するプロパン
ガスの比率(空気透剰率)を変えて出力電圧を測
定した。その結果を第16図に示す。上記400℃
ではヒータ層のない酸素センサの場合にほとんど
出力電圧が発生しない温度であるが、本応用例の
場合には第16図に示すように、排ガス温度が
400℃と低い場合であつても良好な出力電圧特性
を示しており、ヒータ層13による発熱が良好に
おこなわれていることが確認された。
The oxygen sensor 20 manufactured in this way was attached to the exhaust pipe of a propane gas combustor, and the output voltage was measured while changing the ratio of propane gas to air (air permeability) while maintaining the exhaust gas at 400°C. . The results are shown in FIG. Above 400℃
This is the temperature at which almost no output voltage is generated in the case of an oxygen sensor without a heater layer, but in the case of this application example, as shown in Figure 16, the exhaust gas temperature is
Even when the temperature was as low as 400° C., good output voltage characteristics were exhibited, and it was confirmed that heat generation by the heater layer 13 was being performed well.

なお、酸素センサとしては、上記酸素イオン伝
導性固体電解質のほか、CoO、TiO2等の酸化物
半導体を用いた酸素センサもあり、この酸素セン
サ用基板としても適用することができる。あるい
は、酸素以外の水素、一酸化炭素、炭化水素、メ
タン、エタン等のガス濃度を検出するガスセンサ
用基板として適用することも可能である。
In addition to the oxygen ion conductive solid electrolyte described above, there are also oxygen sensors using oxide semiconductors such as CoO and TiO 2 as oxygen sensors, and the present invention can also be used as a substrate for this oxygen sensor. Alternatively, it can also be applied as a substrate for a gas sensor that detects the concentration of gases other than oxygen, such as hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbons, methane, and ethane.

上記実施例では、基板11の素材としてアルミ
ナを使用しているが、そのほか、ムライト、スピ
ネル、フオルステライト、ステアタイト、ベリリ
ア、チタニア等の既知のセラミツクス材料あるい
はサーメツト材料などを使用することができる。
そのとき、一方の基板素材11aの熱伝導率を他
方の基板素材11bの熱伝導率よりも小さくする
ことによつて、ヒータ層13の発熱量のより多く
を他方の基板素材11b側すなわちガス濃度検知
部側に伝達させうるようになすこともできる。
In the above embodiment, alumina is used as the material for the substrate 11, but other known ceramic materials or cermet materials such as mullite, spinel, forsterite, steatite, beryllia, titania, etc. can be used.
At this time, by making the thermal conductivity of one substrate material 11a smaller than that of the other substrate material 11b, more of the calorific value of the heater layer 13 is transferred to the other substrate material 11b side, that is, to the gas concentration. It is also possible to transmit the information to the detection unit side.

また、ヒータ層13の素材としては、白金等の
白金族元素の単体もしくは合金、あるいはタング
ステンやモリブデンなどの電気抵抗材料を用いる
ことができる。さらに、リード線14a,14
b,14cの素材としても白金のほかニツケルそ
の他既知の導電性材料を使用することができる。
Furthermore, as a material for the heater layer 13, a single platinum group element such as platinum or an alloy thereof, or an electrical resistance material such as tungsten or molybdenum can be used. Furthermore, lead wires 14a, 14
In addition to platinum, nickel and other known conductive materials can be used as materials for b and 14c.

以上のように、この発明によれば、ヒータ層を
内蔵した基板を製造するにあたり、他方の基板素
材に、一方の基板素材のヒータ層端子部に相当す
る位置に貫通孔を設け、両基板素材の積層時に前
記ヒータ層に接続したリード線の先端を前記貫通
孔内で終端可能に前記リード線を位置決めしたの
ち、前記一方の基板素材に他方の基板素材を積層
して未焼成基板を作成し、その後ガスセンサ検知
部の製造工程にあわせて焼成するようにしたか
ら、両基板素材の積層後にヒータ層がリード線に
よつて大きく破損を受けるのを防止することがで
き、焼成後の状態において前記ヒータ層とリード
線との間での良好な電気的接続を確保することが
可能であり、リード線間で測定したヒータ層の抵
抗値のばらつきをヒータ層自体の抵抗値のばらつ
きにほぼ一致させることができて前記抵抗値のば
らつきを大幅に減少させることができ、通電耐久
性も格段に向上させることが可能であるという非
常にすぐれた効果をもたらす。
As described above, according to the present invention, when manufacturing a substrate with a built-in heater layer, a through hole is provided in the other substrate material at a position corresponding to the heater layer terminal portion of one substrate material, and both substrate materials are After positioning the lead wire so that the tip of the lead wire connected to the heater layer can be terminated in the through hole during lamination, the one substrate material is laminated with the other substrate material to create an unfired substrate. Since the firing is then performed in accordance with the manufacturing process of the gas sensor detection section, it is possible to prevent the heater layer from being significantly damaged by the lead wires after laminating both substrate materials, and the above-mentioned state after firing can be prevented. It is possible to ensure a good electrical connection between the heater layer and the lead wires, and the variation in the resistance value of the heater layer measured between the lead wires almost matches the variation in the resistance value of the heater layer itself. This brings about very excellent effects such as being able to significantly reduce the variation in the resistance value and significantly improving the current carrying durability.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図a〜fは従来のガスセンサ用ヒータ内蔵
基板の製造工程の一例を示す説明図、第2図は第
1図fに示す基板の一方の貫通孔部分の拡大説明
図、第3図、第4図および第5図はそれぞれ第2
図A−A′線断面図、B−B′線断面図およびC−
C′線断面図、第6図a〜fは本発明に基づくガ
スセンサ用ヒータ内蔵基板の製造工程の一例を示
す説明図、第7図および第8図はそれぞれ本発明
および従来例における基板のヒータ層の抵抗値を
測定した結果を示すグラフ、第9図は通電−停電
サイクルと残存数量との関係を示すグラフ、第1
0図は第6図fに示す基板の一方の貫通孔部分の
拡大説明図、第11図および第12図はそれぞれ
第10図D−D′線断面図およびE−E′線断面
図、第13図および第14図は貫通孔内に導電性
物質を落し込んだ後のそれぞれ第10図D−
D′線断面図およびE−E′線断面図、第15図a
〜dは本発明の一応用例における酸素センサ検知
部の製造工程の説明図、第16図は第15図の酸
素センサの空気過剰率と出力電圧との関係を示す
グラフである。 11……基板、11a,11b……基板素材、
12a,12b,12c……貫通孔、13……ヒ
ータ層、13a,13b……端子部、14a,1
4b,14c……リード線。
1a to 1f are explanatory diagrams showing an example of the manufacturing process of a conventional substrate with a built-in heater for a gas sensor; FIG. 2 is an enlarged explanatory diagram of one through-hole portion of the substrate shown in FIG. 1f; Figures 4 and 5 are the second
Figure A-A' line sectional view, B-B' line sectional view and C-
C' line cross-sectional view, FIGS. 6 a to 6 f are explanatory diagrams showing an example of the manufacturing process of a substrate with a built-in heater for a gas sensor according to the present invention, and FIGS. 7 and 8 are diagrams showing the heater of the substrate according to the present invention and the conventional example, respectively. A graph showing the results of measuring the resistance value of the layer, Figure 9 is a graph showing the relationship between the energization-outage cycle and the remaining quantity.
0 is an enlarged explanatory view of one of the through-hole portions of the substrate shown in FIG. 6f, and FIGS. Figure 13 and Figure 14 are respectively Figure 10 D- after the conductive substance has been dropped into the through hole.
D' line sectional view and E-E' line sectional view, Figure 15a
-d are explanatory diagrams of the manufacturing process of the oxygen sensor detection section in one application example of the present invention, and FIG. 16 is a graph showing the relationship between excess air ratio and output voltage of the oxygen sensor of FIG. 15. 11...Substrate, 11a, 11b...Substrate material,
12a, 12b, 12c...Through hole, 13...Heater layer, 13a, 13b...Terminal part, 14a, 1
4b, 14c...Lead wires.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 二枚の未焼成基板素材のうちの一方の基板素
材の表面にヒータ層を形成し、前記ヒータ層の端
子部にリード線を接続したのち、他方の基板素材
を積層して前記ヒータ層を内蔵したガスセンサ用
基板を製造するにあたり、前記他方の基板素材の
前記ヒータ層端子部に相当する位置に貫通孔を設
け、両基板素材の積層時に前記ヒータ層に接続し
たリード線の先端を前記貫通孔内で終端可能に前
記リード線を位置決めしたのち、前記一方の基板
素材に他方の基板素材を積層して未焼成基板を作
成し、その後焼成することを特徴とするガスセン
サ用ヒータ内蔵基板の製造方法。 2 貫通孔内に導電性物質を落し込むようにした
特許請求の範囲第1項記載のガスセンサ用ヒータ
内蔵基板の製造方法。
[Claims] 1. After forming a heater layer on the surface of one of the two unfired substrate materials and connecting a lead wire to the terminal portion of the heater layer, the other substrate material is laminated. In manufacturing a gas sensor substrate incorporating the heater layer, a through hole is provided in the other substrate material at a position corresponding to the terminal portion of the heater layer, and a lead connected to the heater layer is formed when both substrate materials are laminated. After positioning the lead wire so that the tip of the wire can be terminated within the through hole, the one substrate material is laminated with the other substrate material to create an unfired substrate, and the gas sensor is then fired. A method for manufacturing a substrate with a built-in heater. 2. The method of manufacturing a substrate with a built-in heater for a gas sensor according to claim 1, wherein a conductive substance is dropped into the through hole.
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