CN105842311B - 气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够以良好的精度直至高浓度范围得到被测定气体中水蒸气和二氧化碳的浓度的气体传感器。将从气体导入口(10)至第一内部空间(20)的扩散阻力设为370/cm以上1000/cm以下，主泵单元(21)将第一内部空间(20)的氧分压调整为10－12atm～10－30atm，第一测定泵单元(50)对第二内部空间(40)的氧分压进行调整,以使得由水蒸气的分解生成的氢被选择性地燃烧，第二测定泵单元(47)对第二测定用内侧电极(44)的表面的氧分压进行调整，以使得由二氧化碳的分解生成的一氧化碳在第二测定用内侧电极(44)的表面全部燃烧。

Description

气体传感器
技术领域
本发明涉及一种检测被测定气体中的水蒸气及二氧化碳的气体传感器。
背景技术
在例如汽车的发动机等内燃机的的燃烧控制或废气控制等环境控制，或者医疗、生物技术、工农业等等各种领域中，有希望以良好的精度得到作为对象的气体成分的浓度的需求。在现有技术中，与这种需求相应的各种测定、评价手法以及装置正在得到研究和探讨。
例如，极限电流方式的氧传感器在原理上，除氧浓度之外能够测定水蒸气浓度或二氧化碳浓度也已经是公知的(例如，参照非专利文献1)。
另外，具备分别具有两个氧泵单元的两个传感器，通过基于共计四个泵单元的泵电流的逆行列运算来求出二氧化碳浓度与水分(水蒸气)浓度的二氧化碳及水分的测定装置已经是公知的(例如，参照专利文献1)。
或者，另外，一方面提高相对于二氧化碳的特异性，另一方面降低相对于水蒸气的感应性的二氧化碳传感器也已经是公知的(例如，参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公平6－76990号公报
专利文献2：日本特开平9－264873号公报
非专利文献
非专利文献1：“薄膜极限电流式氧传感器”(日语原文：薄膜限界電流式酸素センサ)，高桥英昭、佐治启市、近藤春义，丰田中央研究所R&D review(日语原文：豊田中央研究所R&Dレビュー)Vol.27，No.2，p.47-57
发明内容
发明所要解决的课题
在被测定气体中的二氧化碳气体为检测对象的情况下，该被测定气体含有水蒸气(水分)的情况并不少。在专利文献2中，在指出现有技术的二氧化碳传感器容易受湿度的影响的问题点的基础上，公开了相对于水蒸气感应性低的二氧化碳传感器。
但是，专利文献2所公开的二氧化碳传感器从混合电位的原理来看，存在容易受被测定气体的温度变化所带来的影响的问题。
另一方面，在被测定气体同时含有水蒸气和二氧化碳的情况下，也存在要对两者进行测定的情况。专利文献1所公开的装置虽然在原理上可进行该测定，但装置复杂，而且需要经过繁杂的校正工序，未达到实用化。
特别是，来自汽车的发动机等内燃机的废气含有氧、水蒸气、二氧化碳、烃气、不燃性气体等诸多成分，并且这些成分比及温度时刻变化。对这种废气中的水蒸气或二氧化碳而言，以良好的精度求得其浓度的方法尚未确立。特别是，二氧化碳分解的条件和水蒸气分解的条件接近，使得该浓度的测定变得比较困难。
本发明是鉴于上述课题做出的，其目的在于提供一种能够以良好的精度得到含有对象外气体成分的被测定气体中水蒸气及二氧化碳的浓度的气体传感器。
用于解决课题的技术方案
为解决上述课题，第一方案是一种气体传感器，其使用包含氧离子导电性的固体电解质的传感器元件构成、并基于所述固体电解质内流动的电流来特定被测定气体中的水蒸气成分及二氧化碳成分的浓度，其特征在于，具备：气体导入口，所述被测定气体从外部空间被导入该气体导入口；第一扩散控制部，其与所述气体导入口连通，对所述被测定气体赋予第一扩散阻力；第一内部空间，其与所述第一扩散控制部连通，在所述第一扩散阻力下，被测定气体从所述外部空间被导入该第一内部空间；第二扩散控制部，其与所述第一内部空间连通，对所述被测定气体赋予第二扩散阻力；第二内部空间，其与所述第二扩散控制部连通，在所述第二扩散阻力下，被测定气体从所述第一内部空间被导入该第二内部空间；主电化学泵单元，其由面向所述第一内部空间而形成的主内侧电极、在所述传感器元件的外表面形成的第一外侧电极、存在于所述主内侧电极与所述第一外侧电极之间的所述固体电解质构成；第一测定用电化学泵单元，其由面向所述第二内部空间而形成的第一测定用内侧电极、在所述传感器元件的外表面形成的第二外侧电极、存在于所述第一测定用内侧电极与所述第二外侧电极之间的所述固体电解质构成；第二测定用电化学泵单元，其由在所述第二内部空间内、即在所述第一测定用内侧电极上与所述第二扩散控制部相反一侧的位置形成的第二测定用内侧电极、在所述传感器元件的外表面形成的第三外侧电极、存在于所述第二测定用内侧电极与所述第三外侧电极之间的所述固体电解质构成；基准气体空间，基准气体被导入该基准气体空间；以及面向所述基准气体空间而形成的基准电极，从所述气体导入口至所述第一内部空间的扩散阻力为370/cm以上1000/cm以下，所述主电化学泵单元将所述第一内部空间的氧分压调整为10－12atm～10－30atm，以使得所述第一内部空间中所述水蒸气成分及所述二氧化碳成分实质上被全部分解，所述第一测定用电化学泵单元对所述第二内部空间的氧分压进行调整，以使得由所述水蒸气成分的分解而生成的氢在所述第二内部空间内选择性地燃烧，且使得所述第二内部空间的氧分压大于所述第一内部空间的氧分压，所述第二测定用电化学泵单元对所述第二测定用内侧电极的表面附近的氧分压进行调整，以使得由所述二氧化碳成分的分解而生成的一氧化碳在所述第二测定用内侧电极的表面附近选择性地燃烧，且使得所述第二测定用内侧电极的表面附近的氧分压在所述第二内部空间的氧分压以上，而且，基于在通过所述第一测定用电化学泵单元将氧供给至所述第二内部空间时所述第一测定用内侧电极与所述第二外侧电极之间流动的电流的大小，确定存在于所述被测定气体中的所述水蒸气成分的浓度，基于在通过所述第二测定用电化学泵单元将氧供给至所述第二测定用内侧电极的表面时所述第二测定用内侧电极与所述第三外侧电极之间流动的电流的大小，确定存在于所述被测定气体中的所述二氧化碳成分的浓度。
第二方案是一种第一方案所涉及的气体传感器，其特征在于，从所述气体导入口至所述第一内部空间的扩散阻力为680/cm以上1000/cm以下。
第三方案是一种第一或第二方案所涉及的气体传感器，其特征在于，通过调整施加于所述主内侧电极与所述第一外侧电极之间的第一电压，所述第一内部空间的氧分压被调整，以使得所述水蒸气成分及所述二氧化碳成分实质上全部分解，通过调整施加于所述第一测定用内侧电极与所述第二外侧电极之间的第二电压，所述第二内部空间的氧分压被调整，以使得由所述水蒸气成分的分解而生成的氢全部燃烧，通过调整施加于所述第二测定用内侧电极与所述第三外侧电极之间的第三电压，所述第二测定用内侧电极的表面的氧分压被调整，以使得由所述二氧化碳成分的分解而生成的一氧化碳全部燃烧。
第四方案是一种第三方案所涉及的气体传感器，其特征在于，还具备：第一氧分压检测传感器单元，其由所述主内侧电极、所述基准电极、及存在于所述主内侧电极与所述基准电极之间的所述固体电解质构成，并检测所述第一电压的大小；第二氧分压检测传感器单元，其由所述第一测定用内侧电极、所述基准电极、及存在于所述第一测定用内侧电极与所述基准电极之间的所述固体电解质构成，并检测所述第二电压的大小；第三氧分压检测传感器单元，其由所述第二测定用内侧电极、所述基准电极、及存在于所述第二测定用内侧电极与所述基准电极之间的所述固体电解质构成，并检测所述第三电压的大小，基于所述第一氧分压检测传感器单元的所述第一电压的检测值调整所述第一内部空间的氧分压，基于所述第二氧分压检测传感器单元的所述第二电压的检测值调整所述第二内部空间的氧分压，基于所述第三氧分压检测传感器单元的所述第三电压的检测值调整所述第二测定用内侧电极的表面的氧分压。
第五方案是一种第一至第四方案中的任一项所涉及的气体传感器，其特征在于，使所述第二内部空间的氧分压为10－5atm～10－15atm，使所述第二测定用内侧电极的表面的氧分压为100atm～10－15atm，对所述水蒸气成分及所述二氧化碳成分的浓度进行确定。
第六方案是一种第一至第五方案中的任一项所涉及的气体传感器，其特征在于，所述被测定气体的氧分压越大，则使所述第一内部空间中的目标氧分压越小。
第七方案是一种第一至第六方案中的任一项所涉及的气体传感器，其特征在于，所述第二测定用内侧电极形成于所述第二内部空间的表面。
发明效果
根据第一至第七方案，不论被测定气体包含水蒸气成分及二氧化碳成分中的仅仅一方或双方，都能够以良好的精度直至高浓度范围得到水蒸气浓度及二氧化碳的浓度。
附图说明
图1是示意性示出气体传感器100的结构的剖面图。
图2是示意性示出表示水蒸气检测电流Ip1及二氧化碳检测电流Ip2的绝对值、和实际的水蒸气浓度及二氧化碳浓度的函数关系的曲线的图。
图3是示出实施例1的水蒸气的灵敏度特性的评价结果的图。
图4是示出实施例1的水蒸气的灵敏度特性的评价结果的图。
图5是示出实施例1的二氧化碳的灵敏度特性的评价结果的图。
图6是示出实施例1的二氧化碳的灵敏度特性的评价结果的图。
图7是示出实施例2的评价结果的图。
符号说明
1第一基板层；2第二基板层；3第三基板层；4第一固体电解质层；5隔离层；6第二固体电解质层；10气体导入口；11第一扩散控制部；12缓冲空间；13第四扩散控制部；20第一内部空间；21主泵单元；22主内侧泵电极；23外侧泵电极；24、46、52可变电源；30第二扩散控制部；40第二内部空间；41第三氧分压检测传感器单元；42基准电极；43基准气体导入空间；44第二测定用内侧泵电极；45第三扩散控制部；47第二测定泵单元；48基准气体导入层；50第一测定泵单元；51第一测定用内侧泵电极；60第一氧分压检测传感器单元；61第二氧分压检测传感器单元；100气体传感器；101传感器元件
具体实施方式
(气体传感器的示意性结构)
图1是示意性示出本发明实施方式所涉及的气体传感器100的结构的剖面图。本实施方式所涉及的气体传感器100用于检测水蒸气(H2O)及二氧化碳(CO2)并求出其浓度。其主要部分即传感器元件101是将以氧离子导电性固体电解质即氧化锆为主成分的陶瓷作为结构材料而构成的。
此外，本实施方式中，主要以在被测定气体中同时存在水蒸气与二氧化碳为前提进行说明，但被测定气体中不一定两者要同时存在。
传感器元件101具有如下结构：分别为包含氧离子导电性固体电解质的第一基板层1、第二基板层2、第三基板层3、第一固体电解质层4、隔离层5、第二固体电解质层6的这六层从附图看从下侧以该顺序层叠的结构。
对传感器元件101的一前端部侧而言，在第二固体电解质层6的下表面与第一固体电解质层4的上表面之间，具备气体导入口10、第一扩散控制部11、第一内部空间20、第二扩散控制部30、第二内部空间40。而且，在第一扩散控制部11和第一内部空间20之间，可以设置缓冲空间12、第四扩散控制部13。气体导入口10、第一扩散控制部11、缓冲空间12、第四扩散控制部13、第一内部空间20、第二扩散控制部30、及第二内部空间40以该顺序连通的方式相邻形成。将从气体导入口10至第二内部空间40的部位也称作气体流通部。
气体导入口10、缓冲空间12、第一内部空间20、第二内部空间40是以将隔离层5挖空的方式而设置的内部空间。缓冲空间12、第一内部空间20、及第二内部空间40均是用第二固体电解质层6的下表面、第一固体电解质层4的上表面、隔离层5的侧面来分别划分上部、下部、侧部的。
第一扩散控制部11、第二扩散控制部30、第四扩散控制部13均作为两根长条的(在与附图垂直的方向上开口具有长度方向)狭缝的方式而设置。
另外，对第三基板层3的上表面、隔离层5的下表面之间而言，在比气体流通部远离前端侧的位置，设置有基准气体导入空间43。基准气体导入空间43是用隔离层5的下表面划分上部、用第三基板层3的上表面划分下部、用第一固体电解质层4的侧面划分侧部的内部空间。基准气体导入空间43中，作为基准气体，例如氧或大气被导入。
气体导入口10为相对于外部空间开口的部位，通过该气体导入口10被测定气体从外部空间被导入传感器元件101内。
第一扩散控制部11为对从气体导入口10导入的被测定气体赋予规定的扩散阻力的部位。
缓冲空间12是以消除由于外部空间中被测定气体的压力变动(若是在被测定气体为汽车的尾气的情况下，则为排气压力的脉动)而发生的被测定气体的浓度变动为目的而设置的。此外，传感器元件101并非必须具备缓冲空间12。
第四扩散控制部13是对从缓冲空间12被导入第一内部空间20的被测定气体赋予规定的扩散阻力的部位。第四扩散控制部13是与缓冲空间12的设置相附带设置的部位。
在未设置缓冲空间12及第四扩散控制部13的情况下，第一扩散控制部11与第一内部空间20直接连通。
第一内部空间20被设置作为用于调整从气体导入口10导入的被测定气体中的氧分压的空间。通过主泵单元21的工作，该氧分压被调整。
主泵单元21是包括以下材料而构成的电化学的泵单元(主电化学泵单元)：设置于划分第一内部空间20的第一固体电解质层4的上表面、第二固体电解质层6的下表面、及隔离层5的侧面的各自的几乎整个表面的主内侧泵电极22；以露出到外部空间的方式设置在第二固体电解质层6的上表面的与主内侧泵电极22对应的区域的外侧泵电极23；夹在这些电极之间的氧离子导电性固体电解质。主内侧泵电极22与外侧泵电极23是作为俯视时呈矩形状的多孔质金属陶瓷电极(例如，含有0.1wt％～30.0wt％的Au的Pt等贵金属与ZrO2的金属陶瓷电极)而形成的。此外，主内侧泵电极22通常以0.1mm2～20mm2的面积而形成。
在主泵单元21中，通过利用传感器元件101外部具备的可变电源24施加泵电压Vp0，并使泵电流Ip0流过外侧泵电极23与主内侧泵电极22之间，能够将第一内部空间20内的氧汲出至外部空间，或者，将外部空间的氧汲入第一内部空间20内。
另外，在传感器元件101中，由主内侧泵电极22、第三基板层3的上表面与第一固体电解质层4夹持的基准电极42、由这些电极夹持的氧离子导电性固体电解质，构成了电化学传感器单元即第一氧分压检测传感器单元60。基准电极42为与外侧泵电极等同样的由多孔质金属陶瓷构成的俯视时呈大致矩形状的电极。另外，在基准电极42的周围，设置有由多孔氧化铝构成的、与基准气体导入空间相连的基准气体导入层48，从而使得基准气体导入空间43的基准气体被导入基准电极42的表面。在第一氧分压检测传感器单元60中，由于第一内部空间20内的气氛与基准气体导入空间43的基准气体之间的氧浓度差，在主内侧泵电极22与基准电极42之间产生电动势V0。
在第一氧分压检测传感器单元60产生的电动势V0根据存在于第一内部空间20的气氛的氧分压而变化。在传感器元件101，该电动势V0用于反馈控制主泵单元21的可变电源24。由此，能够根据第一内部空间20的气氛的氧分压控制可变电源24施加于主泵单元21的泵电压Vp0。
第二扩散控制部30是对从第一内部空间20导入第二内部空间40的被测定气体赋予规定的扩散阻力的部位。
第二内部空间40是被设置作为用于进行通过第二扩散控制部30而导入的该被测定气体中的水蒸气及二氧化碳的浓度测定有关的处理的空间。在第二内部空间40，通过第一测定泵单元50的工作，使得能够从外部供给氧。
第一测定泵单元50是包括以下材料而构成的補助的电化学泵单元(第一测定用电化学泵单元)：分别设置于划分第二内部空间40的第一固体电解质层4的上表面的几乎整个表面、第二固体电解质层6的下表面及隔离层5的侧面的一部分的第一测定用内侧泵电极51；外侧泵电极23；夹在这些电极之间的氧离子导电性固体电解质。第一测定用内侧泵电极51也与外侧泵电极23及主内侧泵电极22相同，作为俯视时呈矩形状的多孔金属陶瓷电极形成。此外，并非必须使用外侧泵电极23，也可以用设置于传感器元件101的外表面的其它金属陶瓷电极代替外侧泵电极23，来构成第一测定泵单元50。
在该第一测定泵单元50，通过利用传感器元件101外部具备的可变电源52施加泵电压Vp1，并使泵电流(水蒸气检测电流)Ip1流过外侧泵电极23与第一测定用内侧泵电极51之间，能够将氧汲入第二内部空间40内(尤其是第一测定用内侧泵电极51的表面附近)。
另外，在传感器元件101中，由第一测定用内侧泵电极51、基准电极42、夹在这些电极之间的氧离子导电性固体电解质构成电化学传感器单元即第二氧分压检测传感器单元61。在第二氧分压检测传感器单元61，由于第二内部空间40内尤其是第一测定用内侧泵电极51的表面附近的气氛与基准气体导入空间43的基准气体之间的氧浓度差，在第一测定用内侧泵电极51和基准电极42之间产生电动势V1。
在第二氧分压检测传感器单元61产生的电动势V1根据第一测定用内侧泵电极51的表面附近存在的气氛的氧分压而变化。在传感器元件101，该电动势V1用于反馈控制第一测定泵单元50的可变电源52。由此，能够根据第一测定用内侧泵电极51的表面附近的气氛的氧分压控制可变电源52施加于第一测定泵单元50的泵电压Vp1。
而且，传感器元件101具备第二测定泵单元47和第三氧分压检测传感器单元41。第二测定泵单元47是包括外侧泵电极23、第二测定用内侧泵电极44、及夹在这些电极之间的氧离子导电性固体电解质而构成的电化学泵单元(第二测定用电化学泵单元)。第三氧分压检测传感器单元41是由第二测定用内侧泵电极44、基准电极42、及夹在这些电极之间的氧离子导电性固体电解质而构成的电化学传感器单元。
第二测定用内侧泵电极44为与外侧泵电极等同样的由多孔金属陶瓷构成的俯视时呈大致矩形状的电极。第二测定用内侧泵电极44在第一测定用内侧泵电极51与第二扩散控制部30相反一侧的位置，简单来说是在比第一测定用内侧泵电极51远离第二扩散控制部30的位置而形成的。但是，第二测定用内侧泵电极44由第三扩散控制部45覆盖。第三扩散控制部45是多孔的氧化铝层，是对在第二内部空间40要与第二测定用内侧泵电极44接触的被测定气体赋予规定的扩散阻力的部位。换言之，也可以说是以限制与第二测定用内侧泵电极44接触的可燃性气体的量为目的而设置的，并且使第二测定用内侧泵电极44与第二内部空间40隔离。另外，第三扩散控制部45也作为保护第二测定用内侧泵电极44不受微粒的附着等影响的电极保护层起作用。
第三氧分压检测传感器单元41中，因为由第三扩散控制部45覆盖的第二测定用内侧泵电极44的表面附近的气氛与基准气体导入空间43的基准气体之间的氧浓度差的原因，而在第二测定用内侧泵电极44与基准电极42之间产生电动势V2。此外，本实施方式中，在第二测定用内侧泵电极44的表面，不仅包括与第三扩散控制部45相接触的部分，而且还包括在构成第二测定用内侧泵电极44的多孔质金属陶瓷的内部以与外部连通的方式存在的多个微细的孔的壁部。
第三氧分压检测传感器单元41中产生的电动势V2根据存在于第二测定用内侧泵电极44的表面附近的气氛的氧分压发生变化。在传感器元件101中，该电动势V2被用于反馈控制第二测定泵单元47的可变电源46。由此，能够根据第二测定用内侧泵电极44的表面附近的气氛的氧分压来控制可变电源46施加于第二测定泵单元47的泵电压Vp2。
此外，在传感器元件101中，通过测定外侧泵电极23与基准电极42之间产生的电动势Vref，能够得知传感器元件101外部的氧分压。
而且，在传感器元件101，通过由第二基板层2与第三基板层3从上下夹持的方式，形成加热器70。通过设置于第一基板层1的下表面的未图示的加热器电极从外部供电，加热器70发热。通过加热器70发热，构成传感器元件101的固体电解质的氧离子导电性得到提高。加热器70埋设与从第一内部空间20直至第二内部空间40的整个区域的范围，从而能够以规定的温度对传感器元件101的规定部位进行加热、保温。此外，在加热器70的上下表面，为了得到第二基板层2与第三基板层3的电绝缘性，形成有由氧化铝等构成的加热器绝缘层72(以下，将加热器70、加热器电极、加热器绝缘层72也统称为加热器部)。
(水蒸气及二氧化碳的浓度的测定)
其次，对使用具有以上结构的气体传感器100对被测定气体中的水蒸气及二氧化碳的浓度进行确定的方法进行说明。
首先，传感器元件101配置在含有氧、水蒸气、二氧化碳、不燃性(惰性)气体等的被测定气体的气氛下。于是，被测定气体被从气体导入口10向传感器元件101的内部导入。在通过第一扩散控制部11或进而通过第四扩散控制部13被赋予了规定的扩散阻力的基础上，导入传感器元件101的内部的被测定气体到达第一内部空间20。
在第一内部空间20，通过主泵单元21的工作，使得存在于内部的被测定气体的氧分压以被测定气体中所含的水蒸气及二氧化碳实质上全部被分解的程度成为十分低的规定的值(例如，10－11atm～10－30atm)，进行氧的汲出。在此，被测定气体中所含的水蒸气及二氧化碳实质上全部被分解是指导入第一内部空间20的水蒸气及二氧化碳不向第二内部空间40导入。
在该方式中，若氧从第一内部空间20被汲出，则在第一内部空间20中水蒸气的分解反应(2H2O→2H2+O2)与二氧化碳的分解反应(2CO2→2CO+O2)得到促进，由前者产生氢和氧，由后者产生一氧化碳和氧。其中，氧通过主泵单元21被汲出，而氢及一氧化碳与其它气体一同被导入第二内部空间。
实际的氧的汲出通过如下方式实现：将第一氧分压检测传感器单元60中主内侧泵电极22与基准电极42之间产生的电动势V0的目标值确定为实现该氧分压的规定的值，根据实际的电动势V0的值与目标值的差异来控制可变电源24施加于主泵单元21的泵电压Vp0。例如，若含有大量氧的被测定气体到达第一内部空间20，则由于电动势V0的值与目标值发生大的偏移，因此为了使该偏移减少，控制可变电源24施加于主泵单元21的泵电压Vp0。
此外，优选地，到达第一内部空间20的被测定气体的氧分压越大(电动势V0的实测值与刚确定的目标值的差异越大)，为使第一内部空间20中的(目标的)氧分压变小，设定电动势V0的目标值。由此，实现更加可靠的氧的汲出。
这样，在通过第二扩散控制部30被赋予了规定的扩散阻力的基础上，氧分压被降低的被测定气体到达第二内部空间40。
在第二内部空间40，通过第一测定泵单元50的工作，进行氧的汲入。该氧的汲入通过如下方式进行：含有到达第二内部空间40的第一测定用内侧泵电极51的表面附近的位置的、在第一内部空间20产生的氢及一氧化碳的被测定气体中，选择性地仅使氢与存在于该位置的氧发生反应、燃烧。即，2H2+O2→2H2O的反应得到促进，从而为了使与从气体导入口10导入的水蒸气的量有相关性的量的水蒸气再次生成，通过第一测定泵单元50，氧被汲入。此外，在本实施方式中，水蒸气或二氧化碳的量有相关性是指，从气体导入口10导入的水蒸气或二氧化碳的量与通过由这些分解生成的氢或一氧化碳的燃烧而再次生成的水蒸气或二氧化碳的量同量或从测定精度方面说在容许的一定的误差范围内。
实际的氧的汲入通过如下方式实现：将第二氧分压检测传感器单元61中第一测定用内侧泵电极51与基准电极42之间产生的电动势V1的目标值确定为实现到达第一测定用内侧泵电极51的表面附近的被测定气体中包含的所有氢的燃烧、且实现被测定气体中包含的一氧化碳实质上不会发生燃烧的氧分压的规定的值，根据实际的电动势V1的值与目标值的差异来控制可变电源52施加于第一测定泵单元50的泵电压Vp1。例如，若含有大量氢的被测定气体到达第一测定用内侧泵电极51的附近并与氧发生反应，则由于氧分压降低，电动势V1的值与目标值发生大的偏移，因此为了使该偏移减少，控制可变电源52施加于第一测定泵单元50的泵电压Vp1。
此时，流过第一测定泵单元50的电流(水蒸气检测电流)Ip1与由于第一测定用内侧泵电极51的表面附近的氢的燃烧而产生的水蒸气的浓度大致成比例(水蒸气检测电流Ip1与水蒸气浓度为线性关系)。由于通过该燃烧而生成的水蒸气的量与从气体导入口10被导入后，在第一内部空间20暂时被分解的被测定气体中水蒸气的量具有相关性，因此若对水蒸气检测电流Ip1进行检测，则基于该值，能够求出被测定气体中的水蒸气浓度。关于实际的水蒸气浓度的确定方法将在下面叙述。
此外，假设，在从气体导入口10导入的被测定气体中不存在水蒸气的情况下，当然第一内部空间20中不会发生水蒸气分解，因此由于不会有氢被导入第二内部空间40的情况，因此，在相当于后述的偏移电流OFS2的微小的水蒸气检测电流Ip1流过的状态下，电动势V1一直保持目标值。
另一方面，氢被燃烧的被测定气体在通过第三扩散控制部45被赋予了规定的扩散阻力的基础上，到达第二测定用内侧泵电极44的表面。
在第二测定用内侧泵电极44的表面，通过第二测定泵单元47的工作，进行氧的汲入。该氧的汲入通过如下方式进行：含有到达第二测定用内侧泵电极44的表面附近的、第一内部空间20产生的一氧化碳的被测定气体中，选择性地仅使一氧化碳燃烧。即，2CO+O2→2CO2的反应得到促进，从而为了使与从气体导入口10导入的二氧化碳的量有相关性的量的二氧化碳再次生成，氧被汲入第二测定用内侧泵电极44的表面。
实际的氧的汲入通过如下方式实现：将第三氧分压检测传感器单元41中第二测定用内侧泵电极44与基准电极42之间产生的电动势V2的目标值确定为实现一氧化碳的燃烧且被测定气体中所含的烃气的实质上不会发生燃烧的氧分压的规定的值，根据实际的电动势V2的值与目标值的差异来控制可变电源46施加于第二测定泵单元47的泵电压Vp2。例如，若含有大量一氧化碳的被测定气体到达第二测定用内侧泵电极44的表面的附近并与氧发生反应，则由于氧分压降低，电动势V2的值与目标值发生大的偏移，因此为了使该偏移减少，控制可变电源46施加于第二测定泵单元47的泵电压Vp2。
此时，流过第二测定泵单元47的电流(二氧化碳检测电流)Ip2与由于第二测定用内侧泵电极44的表面的一氧化碳的燃烧而产生的二氧化碳的浓度大致成比例(二氧化碳检测电流Ip2与二氧化碳浓度为线性关系)。由于通过该燃烧而生成的二氧化碳的量与从气体导入口10导入后，在第一内部空间20暂时分解的被测定气体中二氧化碳的量具有相关性，因此若对二氧化碳检测电流Ip2进行检测，则基于该值，能够求出被测定气体中的二氧化碳浓度。关于实际的二氧化碳浓度的确定方法将在下面叙述。
此外，假设，在从气体导入口10导入的被测定气体中不存在二氧化碳的情况下，当然第一内部空间20中不会发生二氧化碳分解，因此，由于不会有一氧化碳被导入第二内部空间40的情况，因此，在相当于后述的偏移电流OFS2的微小的二氧化碳检测电流Ip2流动的状态下，电动势V2一直保持目标值。
此外，通过实施上述这样的氧分压的控制方式，在第一测定用内侧泵电极51的表面附近容易使氢选择性地燃烧，且在第二测定用内侧泵电极44的表面容易使一氧化碳选择性燃烧，其原因在于氢与一氧化碳的气体扩散速度上存在差异，扩散速度按氢、一氧化碳的顺序变快，与氧接触易于燃烧；及、按氢、一氧化碳的顺序易于与氧结合，换言之容易燃烧。
图2是示意性示出水蒸气检测电流Ip1及二氧化碳检测电流Ip2的绝对值与实际的水蒸气浓度及二氧化碳浓度的函数关系的曲线(灵敏度特性)的图。此外，图2中用绝对值表示水蒸气检测电流Ip1及二氧化碳检测电流Ip2的值是为了简化说明。更具体而言，在图1的气体传感器100中将氧汲入第一测定用内侧泵电极51的表面附近及第二测定用内侧泵电极44的表面的情况下，水蒸气检测电流Ip1及二氧化碳检测电流Ip2的值为负。
在图2中，利用实线L举例示出水蒸气检测电流Ip1与水蒸气浓度的理想的函数关系、及二氧化碳检测电流Ip2与二氧化碳浓度的理想的函数关系。实线L为在纵轴具有非0的截距的一次直线。此外，图2中，为便于说明仅举例示出一条实线L，但实际上由于水蒸气的灵敏度特性与二氧化碳的灵敏度特性不同，因此各自的函数关系(倾斜及截距的值)通常不一致。另外，水蒸气浓度及二氧化碳浓度为0的状态(水蒸气及二氧化碳不存在的状态)下的水蒸气检测电流Ip1及二氧化碳检测电流Ip2的值本来应为0，但实际上，由于受到通过主泵单元21汲出氧的影响，在第一测定用内侧泵电极51的表面附近及第二测定用内侧泵电极44的表面附近，与目标的氧浓度(氧分压)相比，氧是不足的，因此即使在水蒸气及二氧化碳不存在的状态下，用于设定目标氧浓度的汲入电流、即水蒸气检测电流Ip1及二氧化碳检测电流Ip2会稍微流动。特将此时的水蒸气检测电流Ip1及二氧化碳检测电流Ip2设定为偏移电流OFS。
在本实施方式所涉及的气体传感器100中，在使用之前，图2所示的灵敏度特性(具体来说，是偏移电流OFS与曲线的倾斜度)是基于将水蒸气浓度及二氧化碳浓度为已知的气体赋予气体传感器100时的水蒸气检测电流Ip1及二氧化碳检测电流Ip2的值，根据各个传感器元件101分别事先确定的。而且，在实际检测水蒸气及二氧化碳时，不断地测定水蒸气检测电流Ip1及二氧化碳检测电流Ip2的值，并以事先确定的灵敏度特性为基础，求出对应于各测定值的水蒸气浓度及二氧化碳浓度。
此外，也如以上的说明可知，通过第一测定泵单元50进行的氧向第一测定用内侧泵电极51的表面附近的汲入、与通过第二测定泵单元47进行的氧向第二测定用内侧泵电极44的表面附近的汲入彼此独立地进行，因此，基于水蒸气检测电流Ip1的水蒸气浓度的计算、与基于二氧化碳检测电流Ip2的二氧化碳浓度的计算可以彼此独立地进行。即，假如即使在被测定气体中仅含有水蒸气或二氧化碳的任一方的情况下，在气体传感器100中也能够适宜得到该浓度。
为了以良好的精度实施上述方案中的水蒸气浓度及二氧化碳浓度的测定，在灵敏度特性确定时及实际使用时这两种情况下，需要：在第一内部空间20使被测定气体中的水蒸气及二氧化碳可靠地分解；在第一测定用内侧泵电极51的表面附近不使一氧化碳燃烧而仅使氢可靠地燃烧；在第二测定用内侧泵电极44的表面使一氧化碳可靠地燃烧。
为实现这些要求，优选地，以满足第二内部空间40尤其是第一测定用内侧泵电极51的表面附近的氧分压大于第一内部空间20的氧分压，且第二测定用内侧泵电极44的表面附近的氧分压为第一测定用内侧泵电极51的表面附近的氧分压以上这种关系的方式，设定第一氧分压检测传感器单元60的电动势V0、第二氧分压检测传感器单元61的电动势V1、及第三氧分压检测传感器单元41的电动势V2的目标值。
假设，在第一内部空间20的目标氧分压过大，通过主泵单元21进行的氧的汲出较少的情况下，通过水蒸气及二氧化碳的分解所进行的氢及一氧化碳的生成停留在不充分的状态，且含有氧、以及没有被分解而残留的水蒸气及二氧化碳的被测定气体会被向第一测定用内侧泵电极51的表面附近或进一步向第二测定用内侧泵电极44的表面附近导入。于是，来自于第一测定用内侧泵电极51的表面附近及第二测定用内侧泵电极44的表面附近的氧的汲入会少于原来的量，该情况下的灵敏度特性为图2中用虚线L1所表示的倾斜度较小的线。在这种分压设定的基础上，在使用气体传感器100的情况下，即使假设事先设定的灵敏度特性是正确的，与实际的值相比，水蒸气浓度及二氧化碳浓度会被过于小地计算。
另外，在第一测定用内侧泵电极51的表面附近及第二测定用内侧泵电极44的表面附近的目标氧分压过小的情况下，由于各自上氧的汲入未充分进行，氢或一氧化碳会残留，因此此情况下的灵敏度特性也仍然会成为图2中用虚线L1所示的倾斜度较小的线。当然在此情况下，高精度的浓度的计算是比较困难的。
另一方面，在第一测定用内侧泵电极51的表面附近的位置的氧分压过大的情况下，在该位置，要仅选择性地进行氢的氧化的结果，会产生一氧化碳的氧化。该情况下的灵敏度特性是图2中用虚线L2所示的与表示实际的灵敏度特性的实线L相比截距及倾斜度较大的线(将此时的截距的值设为偏移电流OFS2)。在这种分压设定的基础上，在使用气体传感器100的情况下，即使假如事先设定的灵敏度特性是正确的，与实际的值相比，水蒸气浓度及二氧化碳浓度会被过于大地计算。另外，在第二测定用内侧泵电极44的表面附近的氧分压过大的情况下，例如如虚线L2的灵敏度特性的偏移电流OFS2一样，与本来的灵敏度特性相比，偏移电流变大。
更具体而言，为了得到图2的实线L所举例示出的灵敏度特性，至少需要将第一内部空间20的氧分压设为10－12atm～10－30atm。而且，更优选将第二内部空间40特别是第一测定用内侧泵电极51的表面附近的氧分压设为10－5atm～10－15atm，将第二测定用内侧泵电极44的表面的氧分压设为100atm～10－15atm。
而且，在使用气体传感器100要以良好的精度尽可能直至高浓度值范围求出水蒸气及二氧化碳的浓度的情况下，换言之，要在尽可能直至高的浓度范围下实现图2的实线L所举例示出的灵敏度特性，在调整第一内部空间20的氧分压使得满足上述的范围的基础上，需要适当限制传感器元件101中从气体导入口10流入第一内部空间20的被测定气体的流量。
这是因为，流入第一内部空间20的被测定气体中的水蒸气及二氧化碳的浓度越高，由它们的分解反应而产生的氧的量、即应由主泵单元21汲出的氧的量越多，在此基础上，首先在化学平衡理论上，氧浓度越低，越促进上述的水蒸气及二氧化碳的分解反应，若针对第一内部空间20的被测定气体的流入量过多，则流入的氧的绝对量增多，因此不能充分进行通过主泵单元21所进行的氧的汲出。该情况下，其结果为：被测定气体中的水蒸气及二氧化碳的浓度越高，在第一内部空间20将水蒸气及二氧化碳完全分解将变得困难。因此，为防止这样的状况发生，为使得直至高浓度范围能够进行测定，在适当地确保灵敏度特性的范围，需要限制流入第一内部空间20的被测定气体的流量。
此外，例如在来自于汽车的发动机等内燃机的废气为被测定气体的情况下，则对于水蒸气及二氧化碳的浓度而言，期望至少20vol％左右为可测定的值的上限，而且，更优选能够以良好的精度进行直至30vol％左右的测定。
在本实施方式所涉及的气体传感器100的情况下，在传感器元件101中从气体导入口10流入第一内部空间20的被测定气体的流量在气体导入口10至第一内部空间20之间依赖于被赋予被测定气体的扩散阻力。更具体而言，在气体导入口10至第一内部空间20之间实质上对被测定气体的流入(扩散)进行扩散控制的是第一扩散控制部11和第四扩散控制部13，因此该流量依赖于这些第一扩散控制部11和第四扩散控制部13赋予的扩散阻力。
例如，若第一扩散控制部11的扩散阻力与第四扩散控制部13的扩散阻力中大的一方的值为370/cm以上，则对于水蒸气及二氧化碳的浓度而言直至至少20vol％左右的范围确保灵敏度特性的直线性，对于两者的浓度可以良好的精度进行测定。另外，若该扩散阻力的值为680/cm以上，则对于水蒸气及二氧化碳的浓度而言直至至少30vol％左右的范围确保灵敏度特性的直线性。
但是，若使扩散阻力过大，则由于灵敏度特性的倾斜度会过小(由于成为如图2的虚线L1)，因此，测定精度变差，并不是优选的。鉴于这一点，优选第一扩散控制部11的扩散阻力和第四扩散控制部13的扩散阻力为1000/cm以下。
此外，在本实施方式中，第一扩散控制部11和第四扩散控制部13的扩散阻力均是以各自的扩散控制部的元件长度方向的长度为L，以与元件长度方向垂直的截面的总面积(两个狭缝的截面积的合计)为S时的L/S的值而规定的。
例如，对于第一扩散控制部11和第四扩散控制部13的各狭缝部分而言，将长度L设为0.03cm～0.07cm，将厚度(各固体电解质层的层叠方向的尺寸)设为0.001cm～0.010cm，将宽度(隔离层5的面内的与元件长度方向垂直的方向的尺寸)设为0.01cm～0.05cm是比较合适的。但是，当然，相比于与第一内部空间20的元件长度方向垂直的截面的面积，截面积S的值是非常小的。
如以上说明，在本实施方式所涉及的气体传感器中，被测定气体被赋予第二内部空间，所述被测定气体通过在第一内部空间使主泵单元工作，氧分压总是被设定为一定的较低的值(使所含的水蒸气及二氧化碳全部分解的值)的。而且，在第二内部空间尤其是第一测定用内侧泵电极的表面附近，仅使由第一内部空间中的水蒸气的分解而生成的氢选择性地燃烧。流过该燃烧时应供给氧的第一测定泵单元的泵电流与通过氢的燃烧而生成的水蒸气的浓度，即从气体导入口被导入的被测定气体中的水蒸气的浓度之间具有线性关系。基于该关系，能够得知被测定气体中的水蒸气浓度。
另外，氢燃烧后的被测定气体经第三扩散控制部到达第二测定用内侧泵电极的表面附近。在第二测定用内侧泵电极的表面，仅使一氧化碳选择性燃烧。流过该燃烧时应供给氧的第二测定泵单元的泵电流与通过一氧化碳的燃烧而生成的二氧化碳的浓度，即从气体导入口被导入的被测定气体中的二氧化碳的浓度之间具有线性关系。基于该关系，能够得知被测定气体中的二氧化碳浓度。
因此，根据本实施方式所涉及的气体传感器，不论被测定气体包含水蒸气与二氧化碳的仅仅一方或双方，都能够以良好的精度求出水蒸气的浓度及二氧化碳的浓度。
而且，根据本实施方式所涉及的气体传感器，通过适当确定在气体导入口至第一内部空间之间被赋予被测定气体的扩散阻力，将水蒸气的浓度及二氧化碳的浓度的测定上限设为20vol％左右或其以上。
因此，根据本实施方式所涉及的气体传感器，对于例如汽车的发动机等内燃机的废气等含有氧、水蒸气、二氧化碳、不燃性(惰性)气体之类的各种气体的被测定气体，能够以良好的精度求出水蒸气的浓度及二氧化碳的浓度。即，本实施方式所涉及的气体传感器可以作为内燃机中的废气用的传感器适宜地实际使用。
【实施例】
(实施例1)
本实施例中，准备使气体导入口10至第一内部空间20的扩散阻力不同的三种气体传感器100，并分别使用水蒸气浓度和二氧化碳浓度已知的各种模拟气体进行了灵敏度特性的评价。针对灵敏度特性在第一内部空间20的氧分压不同的三种情况进行了评价。此外，作为有关三种气体传感器100的、气体导入口10至第一内部空间20的扩散阻力的值，采用有关各个第一扩散控制部11及第四扩散控制部13的、根据元件长度方向的长度L和与元件长度方向垂直的截面的面积S算出的扩散阻力的值。用于计算的元件长度方向的长度L对于三种是共同的，为0.05cm，与元件长度方向垂直的截面的面积S对于各种类分别为0.000179cm2、0.000106cm2、0.0000556cm2。另外，主内侧泵电极22的面积均为16mm2。
表1表示第一内部空间20的氧分压和气体传感器100的从气体导入口10至第一内部空间20的扩散阻力的组合(将它们称作传感器条件1～传感器条件12)。
【表1】
图3及图4是示出有关水蒸气的灵敏度特性的评价结果的图。具体而言，图3中按从气体导入口10至第一内部空间20的扩散阻力的值相同的传感器条件在一个坐标平面显示表示模拟气体中的水蒸气浓度和水蒸气检测电流Ip1的关系的图。此外，作为模拟气体，准备氧浓度以10vol％为一定，另一方面使水蒸气浓度在0vol％～30vol％的范围各不相同且使剩余为氮的气体。
如图3所示，在第一内部空间20的氧分压为2.1×10－10atm的条件1～条件3中，水蒸气检测电流Ip1不取决于水蒸气浓度，均大致相同。即，完全不能得到灵敏度特性。这意味着氧分压过大，存在于被测定气体中的水蒸气未被分解。
与之相对，在与传感器条件1～传感器条件3相比降低了第一内部空间20的氧分压的传感器条件4～传感器条件12中，至少在一部分范围内，水蒸气浓度与水蒸气检测电流Ip1的关系具有线性。具体而言，在从气体导入口10至第一内部空间20的扩散阻力的值为280/cm的传感器条件4、传感器条件7、传感器条件10中，在水蒸气浓度直至最大约10vol％的范围得到了线性。另外，在该扩散阻力的值为470/cm的传感器条件5、传感器条件8、传感器条件11中，在水蒸气浓度直至最大约20～25vol％为止的范围得到了线性。而且，在该扩散阻力的值为900/cm的传感器条件6、传感器条件9、传感器条件12中，在水蒸气浓度为所准备的模拟气体中的最大的水蒸气浓度即最大约30vol％为止的范围得到了线性。
另外，图4是示出针对二氧化碳是否存在对有关水蒸气的灵敏度特性带来的影响进行调查后的结果的图。具体而言，示出的是准备使氧浓度及二氧化碳浓度分别以10vol％为一定，另一方面使水蒸气浓度在0vol％～30vol％的范围各不相同且使剩余为氮的气体作为模拟气体，以表1所示的传感器条件7～传感器条件9进行评价的结果。此外，为易于进行对比，图4中一并表示图3所示的、有关模型气体不含二氧化碳的情况下的传感器条件7～传感器条件9的结果。
如图4所示，在任何的传感器条件的情况下，有关水蒸气和二氧化碳共存的情况下的水蒸气的灵敏度特性与不存在二氧化碳的情况大致相同。
而且，图5及图6是表示有关二氧化碳的灵敏度特性的评价结果的图。具体而言，图5中按从气体导入口10至第一内部空间20的扩散阻力的值相同的传感器条件在一个坐标平面显示表示模拟气体中的二氧化碳浓度与二氧化碳检测电流Ip2的关系的图。此外，作为模拟气体，准备使氧浓度以10vol％为一定，另一方面使二氧化碳浓度在0vol％～30vol％的范围各不相同且使剩余为氮的气体。
如图5所示，在第一内部空间20的氧分压为2.1×10－10atm的条件1～条件3中，二氧化碳检测电流Ip2不取决于二氧化碳浓度均大致相同。即，全部不能得到灵敏度特性。这意味着氧分压过大，存在于被测定气体中的二氧化碳未被分解。
与之相对，在与传感器条件1～传感器条件3相比降低了第一内部空间20的氧分压的传感器条件4～传感器条件12中，至少在一部分范围内，二氧化碳浓度与二氧化碳检测电流Ip2的关系具有线性。具体而言，在从气体导入口10至第一内部空间20的扩散阻力的值为280/cm的传感器条件4、传感器条件7、传感器条件10中，在二氧化碳浓度直至最大约10vol％为止的范围得到了线性。另外，在该扩散阻力的值为470/cm的传感器条件5、传感器条件8、传感器条件11中，在二氧化碳浓度直至最大约20～25vol％为止的范围得到了线性。而且，在该扩散阻力的值为900/cm的传感器条件6、传感器条件9、传感器条件12中，在二氧化碳浓度为所准备的模拟气体中的最大的水蒸气浓度即最大约30vol％为止的范围得到了线性。
另外，图6是示出针对水蒸气是否存在对有关二氧化碳的灵敏度特性带来的影响进行调查后的结果的图。具体而言，示出的是准备使氧浓度及水蒸气浓度分别以10vol％为一定，另一方面使二氧化碳浓度在0vol％～30vol％的范围各不相同且使剩余为氮的气体作为模拟气体，以表1所示的传感器条件7～传感器条件9进行评价的结果。此外，为易于进行对比，图6中一并表示图5所示的、有关模拟气体不含水蒸气的情况下的传感器条件7～传感器条件9的结果。
如图6所示，在任何的传感器条件的情况下，有关水蒸气和二氧化碳共存的情况下的二氧化碳的灵敏度特性均与不存在二氧化碳的情况大致相同。
以上的结果意味着通过将第一内部空间20的氧分压设为10－12atm以下，在可含有水蒸气和二氧化碳的至少一方的被测定气体中，不论水蒸气与二氧化碳是否共存，都可适宜测定该被测定气体中的水蒸气的浓度和二氧化碳的浓度。
而且还意味着通过将从气体导入口10至第一内部空间20的扩散阻力的值设为370/cm以上，可以在约20～25vol％或直至其以上的范围测定水蒸气浓度及二氧化碳浓度。
(实施例2)
本实施例中，关于表1的传感器条件7～传感器条件9，以由各种汽车用发动机实际排出的废气作为被测定气体，求出了二氧化碳检测电流Ip2。将所使用的发动机的种类、和通过发动机用的废气分析计求出的从该发动机排出的废气中的二氧化碳浓度的结果一览在表2中进行表示。
【表2】
发动机种类 CO<sub>2</sub>浓度(％)
柴油 2.2
柴油 4.6
柴油 5.2
柴油 5.8
柴油 6.9
柴油 7.9
柴油 9.3
天然气 9.8
柴油 11.2
汽油 14.0
汽油 14.6
另外，图7是相对于表2所示的二氧化碳浓度描绘有关传感器条件7～传感器条件9各自的二氧化碳检测电流Ip2的值的图。
从图7确认到，在传感器条件7的情况下，在二氧化碳浓度为直至10vol％左右的范围，在与二氧化碳检测电流Ip2之间发现线形性，及关于传感器条件8和传感器条件9的情况，至少在二氧化碳浓度为直至15vol％左右的范围，在与二氧化碳检测电流Ip2之间发现线性。而且，该结果也包括二氧化碳检测电流Ip2的绝对值，与图5及图6所示的模拟气体下的结果大致一致。这表示的是，实施例1的由模拟气体进行的评价妥当，而且通过上述的实施方式的气体传感器100进行的测定实际上是可进行的。

Claims (8)

1.一种气体传感器，其使用包含氧离子导电性的固体电解质的传感器元件构成、并基于所述固体电解质内流动的电流来确定被测定气体中的水蒸气成分及二氧化碳成分的浓度，其特征在于，具备：
气体导入口，所述被测定气体从外部空间被导入该气体导入口；
第一扩散控制部，其与所述气体导入口连通，对所述被测定气体赋予第一扩散阻力；
第一内部空间，其与所述第一扩散控制部连通，在所述第一扩散阻力下，被测定气体从所述外部空间被导入该第一内部空间；
第二扩散控制部，其与所述第一内部空间连通，对所述被测定气体赋予第二扩散阻力；
第二内部空间，其与所述第二扩散控制部连通，在所述第二扩散阻力下，被测定气体从所述第一内部空间被导入该第二内部空间；
主电化学泵单元，其由面向所述第一内部空间而形成的主内侧电极、在所述传感器元件的外表面形成的第一外侧电极、存在于所述主内侧电极与所述第一外侧电极之间的所述固体电解质构成；
第一测定用电化学泵单元，其由面向所述第二内部空间而形成的第一测定用内侧电极、在所述传感器元件的外表面形成的第二外侧电极、存在于所述第一测定用内侧电极与所述第二外侧电极之间的所述固体电解质构成；
第二测定用电化学泵单元，其由在所述第二内部空间内、且相关于所述第一测定用内侧电极与所述第二扩散控制部相反一侧的位置形成的第二测定用内侧电极、在所述传感器元件的外表面形成的第三外侧电极、存在于所述第二测定用内侧电极与所述第三外侧电极之间的所述固体电解质构成；
基准气体空间，基准气体被导入该基准气体空间；以及
面向所述基准气体空间而形成的基准电极，
从所述气体导入口至所述第一内部空间的扩散阻力为370/cm以上1000/cm以下，
所述主电化学泵单元将所述第一内部空间的氧分压调整为10－12atm～10－30atm，以使得所述第一内部空间中所述水蒸气成分及所述二氧化碳成分实质上被全部分解，
所述第一测定用电化学泵单元对所述第二内部空间的氧分压进行调整，以使得由所述水蒸气成分的分解而生成的氢在所述第二内部空间内选择性地燃烧，且使得所述第二内部空间的氧分压大于所述第一内部空间的氧分压，
所述第二测定用电化学泵单元对所述第二测定用内侧电极的表面附近的氧分压进行调整，以使得由所述二氧化碳成分的分解而生成的一氧化碳在所述第二测定用内侧电极的表面附近选择性地燃烧，且使得所述第二测定用内侧电极的表面附近的氧分压在所述第二内部空间的氧分压以上，而且，
基于在通过所述第一测定用电化学泵单元将氧供给至所述第二内部空间时所述第一测定用内侧电极与所述第二外侧电极之间流动的电流的大小，确定存在于所述被测定气体中的所述水蒸气成分的浓度，
基于在通过所述第二测定用电化学泵单元将氧供给至所述第二测定用内侧电极的表面时所述第二测定用内侧电极与所述第三外侧电极之间流动的电流的大小，确定存在于所述被测定气体中的所述二氧化碳成分的浓度。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
从所述气体导入口至所述第一内部空间的扩散阻力为680/cm以上1000/cm以下。
3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
通过调整施加于所述主内侧电极与所述第一外侧电极之间的第一电压，所述第一内部空间的氧分压被调整，以使得所述水蒸气成分及所述二氧化碳成分实质上全部分解，
通过调整施加于所述第一测定用内侧电极与所述第二外侧电极之间的第二电压，所述第二内部空间的氧分压被调整,以使得由所述水蒸气成分的分解而生成的氢全部燃烧，
通过调整施加于所述第二测定用内侧电极与所述第三外侧电极之间的第三电压，所述第二测定用内侧电极的表面的氧分压被调整，以使得由所述二氧化碳成分的分解而生成的一氧化碳全部燃烧。
4.根据权利要求3所述的气体传感器，其特征在于，还具备：
第一氧分压检测传感器单元，其由所述主内侧电极、所述基准电极、及存在于所述主内侧电极与所述基准电极之间的所述固体电解质构成，并检测所述第一电压的大小；
第二氧分压检测传感器单元，其由所述第一测定用内侧电极、所述基准电极、及存在于所述第一测定用内侧电极与所述基准电极之间的所述固体电解质构成，并检测所述第二电压的大小；以及
第三氧分压检测传感器单元，其由所述第二测定用内侧电极、所述基准电极、及存在于所述第二测定用内侧电极与所述基准电极之间的所述固体电解质构成，并检测所述第三电压的大小，
基于所述第一氧分压检测传感器单元的所述第一电压的检测值调整所述第一内部空间的氧分压，
基于所述第二氧分压检测传感器单元的所述第二电压的检测值调整所述第二内部空间的氧分压，
基于所述第三氧分压检测传感器单元的所述第三电压的检测值调整所述第二测定用内侧电极的表面的氧分压。
5.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
使所述第二内部空间的氧分压为10－5atm～10－15atm，
对所述水蒸气成分及所述二氧化碳成分的浓度进行确定。
6.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述被测定气体的氧分压越大，则使所述第一内部空间中的目标氧分压越小。
7.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述第二测定用内侧电极形成于所述第二内部空间的表面。
8.一种被测定气体中的水蒸气成分及二氧化碳成分的浓度的确定方法，其特征在于，
所述方法为使用由包含氧离子导电性的固体电解质的传感器元件构成的气体传感器、并基于所述固体电解质内流动的电流来确定被测定气体中的水蒸气成分及二氧化碳成分的浓度的方法，
所述气体传感器具备：
气体导入口，所述被测定气体从外部空间被导入该气体导入口；
第一扩散控制部，其与所述气体导入口连通，对所述被测定气体赋予第一扩散阻力；
第一内部空间，其与所述第一扩散控制部连通，在所述第一扩散阻力下，被测定气体从所述外部空间被导入该第一内部空间；
第二扩散控制部，其与所述第一内部空间连通，对所述被测定气体赋予第二扩散阻力；
第二内部空间，其与所述第二扩散控制部连通，在所述第二扩散阻力下，被测定气体从所述第一内部空间被导入该第二内部空间；
主电化学泵单元，其由面向所述第一内部空间而形成的主内侧电极、在所述传感器元件的外表面形成的第一外侧电极、存在于所述主内侧电极与所述第一外侧电极之间的所述固体电解质构成；
第一测定用电化学泵单元，其由面向所述第二内部空间而形成的第一测定用内侧电极、在所述传感器元件的外表面形成的第二外侧电极、存在于所述第一测定用内侧电极与所述第二外侧电极之间的所述固体电解质构成；
第二测定用电化学泵单元，其由在所述第二内部空间内、且相关于所述第一测定用内侧电极与所述第二扩散控制部相反一侧的位置形成的第二测定用内侧电极、在所述传感器元件的外表面形成的第三外侧电极、存在于所述第二测定用内侧电极与所述第三外侧电极之间的所述固体电解质构成；
基准气体空间，基准气体被导入该基准气体空间；以及
面向所述基准气体空间而形成的基准电极，
从所述气体导入口至所述第一内部空间的扩散阻力为370/cm以上1000/cm以下，
所述主电化学泵单元将所述第一内部空间的氧分压调整为10－12atm～10－30atm，以使得所述第一内部空间中所述水蒸气成分及所述二氧化碳成分实质上被全部分解，
所述第一测定用电化学泵单元对所述第二内部空间的氧分压进行调整，以使得由所述水蒸气成分的分解而生成的氢在所述第二内部空间内选择性地燃烧，且使得所述第二内部空间的氧分压大于所述第一内部空间的氧分压，
所述第二测定用电化学泵单元对所述第二测定用内侧电极的表面附近的氧分压进行调整，以使得由所述二氧化碳成分的分解而生成的一氧化碳在所述第二测定用内侧电极的表面附近选择性地燃烧，且使得所述第二测定用内侧电极的表面附近的氧分压在所述第二内部空间的氧分压以上，而且，
基于在通过所述第一测定用电化学泵单元将氧供给至所述第二内部空间时所述第一测定用内侧电极与所述第二外侧电极之间流动的电流的大小，确定存在于所述被测定气体中的所述水蒸气成分的浓度，
基于在通过所述第二测定用电化学泵单元将氧供给至所述第二测定用内侧电极的表面时所述第二测定用内侧电极与所述第三外侧电极之间流动的电流的大小，确定存在于所述被测定气体中的所述二氧化碳成分的浓度。
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