CN110672698B - 气体传感器及传感器元件 - Google Patents

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Abstract

提供一种气体传感器(100)，其具备：元件主体，其具有氧离子传导性的固体电解质层(1～6)，且在内部设置有被测定气体流通部；主泵单元(21)，其用于调整第一内部空腔(20)的氧浓度；辅助泵单元(50)，其用于调整第二内部空腔(40)的氧浓度；预备泵单元(15)，其向缓冲空间(12)汲入氧；测定电极(44)，其配设于第三内部空腔(61)的内周面上；以及基准电极(42)。预备泵单元(15)的预备泵电极(16)和主泵单元(21)的内侧泵电极(22)中的至少一方不含有：具有催化活性抑制能力的贵金属，辅助泵单元(50)的辅助泵电极(51)包含：具有催化活性抑制能力的贵金属。

Description

气体传感器及传感器元件
技术领域
本发明涉及一种气体传感器及传感器元件。
背景技术
以往，已知有：对汽车的尾气等被测定气体之中的NOx等特定气体的浓度进行检测的气体传感器。例如，专利文献1中记载有如下气体传感器，其具备：氧离子传导性的多个固体电解质层的层叠体、以及设置于固体电解质层的电极。在利用该气体传感器来检测NOx的浓度的情况下，首先，在传感器元件的内部的被测定气体流通部与传感器元件的外部之间进行氧的汲出或汲入，从而调整被测定气体流通部内的氧浓度。而且，对调整了氧浓度之后的被测定气体之中的NOx进行还原，基于对应于还原后的氧浓度而流通于传感器元件内部的电极(测定电极)的电流，来检测被测定气体之中的NOx的浓度。另外，专利文献2中记载有：用于检测被测定气体中的氨的浓度的气体传感器。在该气体传感器中，以被测定气体之中的氧将氨氧化为NOx，利用与专利文献1同样的方法，来检测源自于该氨的NOx的浓度，由此检测氨的浓度。
另外，专利文献1中记载了：用于调整氧浓度的泵单元之中的配置于被测定气体流通部的内侧泵电极为包含1％Au的Pt与ZrO2的金属陶瓷电极。通过内侧泵电极含有Au，能够使内侧泵电极不对NOx进行还原。另一方面，专利文献3中记载了：随着气体传感器的使用，使得Au自泵单元的电极蒸发而附着于用于对被测定气体之中的NOx浓度进行检测的传感器单元的电极。并记载了：其结果导致NOx浓度的检测精度降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014－190940号公报
专利文献2：日本特开2011－039041号公报
专利文献3：日本特许第6447568号
发明内容
如果内侧泵电极对NOx进行了还原，则导致NOx浓度的检测精度降低，因此，如上所述，需要使内侧泵电极含有Au。但是，如上所述，通过在内侧泵电极中包含Au，会导致其具有如下问题，即：随着气体传感器的使用，NOx浓度的检测精度就会降低。
本发明是为了解决上述课题而实施的，其主要目的在于，能够长期维持特定气体浓度的检测精度。
本发明的发明人为了解决上述课题而进行了潜心研究，结果发现，在内侧泵电极的周围不是低氧气氛的情况下，即便该内侧泵电极不含有Au，也几乎不会发生由该内侧泵电极导致NOx被还原的情形。并且，还发现：通过向被测定气体流通部汲入氧，则不需要进行以往认为是必须的使内侧泵电极含有Au，以至完成本发明。
本发明的气体传感器具备：
元件主体，该元件主体具有氧离子传导性的固体电解质层，且在内部设置有供被测定气体导入并流通的被测定气体流通部；
主泵单元，该主泵单元将所述被测定气体流通部之中的第一内部空腔的氧汲出，来调整该第一内部空腔的氧浓度；
辅助泵单元，该辅助泵单元将所述被测定气体流通部之中的设置于所述第一内部空腔的下游侧的第二内部空腔的氧汲出，来调整该第二内部空腔的氧浓度；
预备泵单元，该预备泵单元向所述被测定气体流通部之中的设置于所述第一内部空腔的上游侧的预备室汲入氧，以使得低氧气氛的所述被测定气体不会到达所述第一内部空腔；
测定电极，该测定电极配设于所述被测定气体流通部之中的设置于所述第二内部空腔的下游侧的测定室的内周面上；
基准电极，该基准电极配设于所述元件主体的内部，且被导入作为所述被测定气体中的特定气体浓度的检测基准的基准气体；
测定用电压检测机构，该测定用电压检测机构用于检测所述基准电极与所述测定电极之间的测定用电压；以及
特定气体浓度检测机构，该特定气体浓度检测机构基于所述测定用电压，来取得与源自所述特定气体而在所述测定室产生的氧相对应的检测值，并基于该检测值，来检测所述被测定气体之中的特定气体浓度，
所述预备泵单元具有配设于所述预备室的内侧预备泵电极，
所述主泵单元具有配设于所述第一内部空腔的内侧主泵电极，
所述辅助泵单元具有配设于所述第二内部空腔的内侧辅助泵电极，
所述内侧预备泵电极、所述内侧主泵电极、所述内侧辅助泵电极、以及所述测定电极分别包含：具有催化活性的贵金属，
所述内侧预备泵电极和所述内侧主泵电极中的至少一方不含有：具有能够抑制所述贵金属针对所述特定气体而言的催化活性的催化活性抑制能力的贵金属，
所述内侧辅助泵电极包含：具有所述催化活性抑制能力的贵金属。
在该气体传感器中，预备泵单元向设置于第一内部空腔的上游侧的预备室汲入氧，以使低氧气氛的被测定气体不会到达第一内部空腔。接下来，主泵单元及辅助泵单元分别针对上述那样在预备室被汲入氧的被测定气体来进行氧的汲出，由此来调整被测定气体的氧浓度。据此，被调整氧浓度之后的被测定气体到达测定室。而且，该气体传感器基于测定用电压，取得与源自特定气体而在测定室产生的氧相对应的检测值，基于所取得的检测值，来检测被测定气体之中的特定气体浓度。此处，在本发明的气体传感器中，如上所述，在调整氧浓度之前，预备泵单元向被测定气体供给氧。因此，即便被导入至被测定气体流通部之前的被测定气体为低氧气氛，也能够使内侧预备泵电极及内侧主泵电极的周围不会成为低氧气氛。据此，即便内侧预备泵电极以及内侧主泵电极中的至少一方不含有：具有催化活性抑制能力的贵金属(例如Au)，也不容易发生：特定气体被这些电极还原、或者来源于特定气体的氧化物被还原。因此，特定气体浓度的检测精度充分。另外，因为内侧预备泵电极以及内侧主泵电极中的至少一方不含有：具有催化活性抑制能力的贵金属，所以，能够抑制：伴随着气体传感器的使用而导致该贵金属蒸发并附着于测定电极上的情形。根据以上操作，
本发明的气体传感器能够长期维持特定气体浓度的检测精度。
此处，“低氧气氛的被测定气体”还包括：被测定气体包含未燃燃料在内的富燃料气氛的气体的情形。另外，“不含有具有催化活性抑制能力的贵金属”是指：实质上不含有具有催化活性抑制能力的贵金属，容许以不可避免的杂质的形式包含具有催化活性抑制能力的贵金属。第一内部空腔有时称为氧浓度调整室。主泵单元有时称为调整用泵单元。
此处，在所述特定气体为氧化物的情况下，“源自所述特定气体而在所述测定室产生的氧”可以为：将所述特定气体自身在所述测定室还原时所生成的氧。在所述特定气体为非氧化物的情况下，“源自所述特定气体而在所述测定室产生的氧”可以为：将所述特定气体被转化为氧化物后的气体在所述测定室进行还原时所生成的氧。另外，所述特定气体浓度检测机构可以基于所述测定用电压，将源自所述特定气体而在所述测定室产生的氧从所述测定室向外汲出，以使得所述测定室内的氧浓度成为规定的低浓度，并取得进行该汲出时所流通的测定用泵电流，来作为所述检测值。所述元件主体可以为：被层叠的具有氧离子传导性的多个固体电解质层的层叠体。
本发明的气体传感器可以具备预备泵控制机构，该预备泵控制机构以一定的预备泵电流流过所述预备泵单元的方式对该预备泵单元进行控制。这样，通过比较简单的控制，能够在预备室内向低氧气氛的被测定气体供给氧。
本发明的气体传感器可以具备存储机构，该存储机构对所述检测值和所述特定气体浓度之间的关系式所相关的信息进行存储，所述特定气体浓度检测机构无论所述元件主体的外部的被测定气体是否为低氧气氛，都使用存储在所述存储机构中的相同关系式，来检测所述特定气体浓度。这样，即便在被测定气体为低氧气氛的情况下、和被测定气体不是低氧气氛的情况下，没有使用不同的关系式，本发明的气体传感器也能够精度良好地检测特定气体浓度。因此，该气体传感器能够容易且精度良好地检测特定气体浓度。
在本发明的气体传感器中，所述特定气体浓度检测机构可以检测：基于所述元件主体的外部的所述被测定气体的氧浓度而进行修正后的所述特定气体浓度。此处，即便被测定气体中所包含的特定气体的实际的浓度(实际浓度)相同，也有时检测值会根据元件主体的外部的被测定气体的氧浓度而发生变化，这种情况下，基于检测值而测定的特定气体浓度也发生变化。因此，伴随着基于该氧浓度进行的修正，来检测特定气体浓度，从而使得特定气体浓度的测定精度得以提高。“检测基于被测定气体的氧浓度而进行修正后的所述特定气体浓度”包括：根据基于氧浓度而进行修正后的所述检测值来检测所述特定气体浓度的情形、以及在基于所述检测值来检测所述特定气体浓度时基于氧浓度进行修正而检测修正后的所述特定气体浓度的情形。
这种情况下，本发明的气体传感器可以具备：预备泵控制机构，该预备泵控制机构以一定的预备泵电流流过所述预备泵单元的方式对该预备泵单元进行控制；以及氧浓度检测机构，该氧浓度检测机构基于所述一定的预备泵电流、以使得所述第一内部空腔的氧浓度达到目标浓度的方式所述主泵单元进行该第一内部空腔的氧的汲出时所流通的泵电流、以及该目标浓度，来检测所述元件主体的外部的所述被测定气体的氧浓度，所述特定气体浓度检测机构使用所述氧浓度检测机构所检测到的氧浓度，来进行所述修正。此处，流通于预备泵单元的一定的预备泵电流与预备泵单元向被测定气体流通部内汲入的氧的流量相对应。另外，主泵单元的泵电流与从第一内部空腔汲出的氧的流量相对应。因此，可以基于这些电流和目标浓度，来检测元件主体的外部的被测定气体的氧浓度。即，本发明的气体传感器能够检测到修正所需要的氧浓度。
本发明的气体传感器具备被测定气体侧电极，该被测定气体侧电极配设于所述元件主体的外侧的暴露于所述被测定气体中的部分，所述预备泵单元可以从所述被测定气体侧电极的周围向所述预备室汲入氧。这样，与例如从基准电极的周围向预备室汲入氧的情况相比，能够抑制：由于基准电极的电位发生变化所导致的测定精度降低，其中所述基准电极的电位发生变化是因为汲入时的电流所带来的电压降低造成的。
在本发明的气体传感器中，所述被测定气体为内燃机的废气，所述基准气体为大气，所述预备泵单元可以从所述基准电极的周围向所述预备室汲入氧。这样，因为大气的氧浓度高于废气的氧浓度，所以，与例如从元件主体的外部的废气汲入氧的情况相比，能够以较低的外加电压向预备室汲入氧。
在本发明的气体传感器中，所述内侧预备泵电极和所述内侧主泵电极可以均不含有：具有所述催化活性抑制能力的贵金属。据此，长期维持特定气体浓度的检测精度的效果得以提高。
在本发明的气体传感器中，所述内侧辅助泵电极可以包含Au，以此作为具有所述催化活性抑制能力的贵金属。
本发明的传感器元件具备：
元件主体，该元件主体具有氧离子传导性的固体电解质层，且在内部设置有供被测定气体导入并流通的被测定气体流通部；
主泵单元，该主泵单元将所述被测定气体流通部之中的第一内部空腔的氧汲出，来调整该第一内部空腔的氧浓度；
辅助泵单元，该辅助泵单元将所述被测定气体流通部之中的设置于所述第一内部空腔的下游侧的第二内部空腔的氧汲出，来调整该第二内部空腔的氧浓度；
预备泵单元，该预备泵单元向所述被测定气体流通部之中的设置于所述第一内部空腔的上游侧的预备室汲入氧；
测定电极，该测定电极配设于所述被测定气体流通部之中的设置于所述第二内部空腔的下游侧的测定室的内周面上；以及
基准电极，该基准电极配设于所述元件主体的内部，且被导入作为所述被测定气体中的特定气体浓度的检测基准的基准气体，
所述预备泵单元具有配设于所述预备室的内侧预备泵电极，
所述主泵单元具有配设于所述第一内部空腔的内侧主泵电极，
所述辅助泵单元具有配设于所述第二内部空腔的内侧辅助泵电极，
所述内侧预备泵电极、所述内侧主泵电极、所述内侧辅助泵电极、以及所述测定电极分别包含具有催化活性的贵金属，
所述内侧预备泵电极和所述内侧主泵电极中的至少一方不含有：具有能够抑制所述贵金属针对所述特定气体而言的催化活性的催化活性抑制能力的贵金属，
所述内侧辅助泵电极包含：具有所述催化活性抑制能力的贵金属。
通过使用该传感器元件，能够与上述的本发明的气体传感器同样地，检测出被测定气体之中的特定气体浓度。另外。该传感器元件与上述的本发明的气体传感器同样地，内侧预备泵电极及内侧主泵电极中的至少一方不含有：具有催化活性抑制能力的贵金属，内侧辅助泵电极包含：具有催化活性抑制能力的贵金属。因此，在使用该传感器元件来检测被测定气体之中的特定气体浓度的情况下，能够长期维持特定气体浓度的检测精度。
附图说明
图1是气体传感器100的剖视示意图。
图2是示出了控制装置90与各单元之间的电连接关系的框图。
图3是示出了被测定气体之中的氧浓度与泵电流Ip0之间的关系的图表。
图4是示出了被测定气体之中的氧浓度与泵电流Ip2之间的关系的图表。
图5是将图4中的氧浓度10体积％以下的区域放大而得到的图表。
图6是使目标值Ip0s＊为0mA时的泵电流的时间变化的图表。
图7是使目标值Ip0s＊为1mA时的泵电流的时间变化的图表。
图8是示出了实验例1～8的气体传感器的NO浓度与泵电流Ip2之间的关系的图表。
图9是传感器元件201的剖视示意图。
具体实施方式
接下来，采用附图，对本发明的实施方式进行说明。图1是示意性地示出了本发明的一个实施方式、亦即气体传感器100的构成的一例的剖视示意图。图2是示出了控制装置90与各单元之间的电连接关系的框图。该气体传感器100安装于：例如汽油发动机、柴油发动机等内燃机的废气管等配管。气体传感器100以内燃机的废气为被测定气体，来检测被测定气体中的NOx、氨等特定气体的浓度。在本实施方式中，气体传感器100用于检测NOx浓度来作为特定气体浓度。气体传感器100具备：传感器元件101，其呈长条的长方体形状；各单元15、21、41、50、80～83，它们构成为包括传感器元件101的一部分；以及控制装置90，其对整个气体传感器100进行控制。
传感器元件101是：具有在附图中自下侧开始按以下顺序层叠六个层而得到的层叠体的元件，所述六个层是分别包含氧化锆(ZrO2)等氧离子传导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、以及第二固体电解质层6。另外，形成这六个层的固体电解质是致密的气密性固体电解质。该传感器元件101如下制造：例如，对与各层相对应的陶瓷生片进行规定的加工及电路图案的印刷等，然后，将它们层叠，进而，进行烧成使其一体化。
在传感器元件101的前端部侧(图1的左端部侧)，且是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，以按以下顺序连通的形态而邻接地形成有：气体导入口10、第一扩散速度控制部11、缓冲空间12、第二扩散速度控制部13、第一内部空腔20、第三扩散速度控制部30、第二内部空腔40、第四扩散速度控制部60、以及第三内部空腔61。
气体导入口10、缓冲空间12、第一内部空腔20、第二内部空腔40、以及第三内部空腔61是：利用将隔离层5挖穿而成的形态来形成出传感器元件101内部的空间，其中，传感器元件101内部的空间的上部是被第二固体电解质层6的下表面所隔开，传感器元件101内部的空间的下部是被第一固体电解质层4的上表面所隔开，传感器元件101内部的空间的侧部是被隔离层5的侧面所隔开。
第一扩散速度控制部11、第二扩散速度控制部13、以及第三扩散速度控制部30均设置成2条横长的(开口在与附图垂直的方向上具有长度方向)狭缝。另外，第四扩散速度控制部60设置成：作为与第二固体电解质层6的下表面之间的间隙所形成的1条横长的(开口在与附图垂直的方向上具有长度方向)狭缝。此外，也将从气体导入口10至第三内部空腔61为止的部位称为被测定气体流通部。
另外，在比被测定气体流通部更远离前端侧的位置设置有基准气体导入空间43，该基准气体导入空间43位于第三基板层3的上表面与隔离层5的下表面之间，且该基准气体导入空间43的侧部是被第一固体电解质层4的侧面所隔开。例如，大气作为进行NOx浓度测定时的基准气体，被导入于基准气体导入空间43。
大气导入层48是由多孔质陶瓷构成的层，基准气体经过基准气体导入空间43而被导入于大气导入层48。另外，大气导入层48形成为：将基准电极42覆盖。
基准电极42是以被第三基板层3的上表面和第一固体电解质层4所夹持的形态来形成的电极，如上所述，在其周围设置有：与基准气体导入空间43相连接的大气导入层48。另外，如后所述，可以使用基准电极42，来测定第一内部空腔20内、第二内部空腔40内、以及第三内部空腔61内的氧浓度(氧分压)。基准电极42形成为多孔质金属陶瓷电极(例如Pt与ZrO2的金属陶瓷电极)。
在被测定气体流通部，气体导入口10是相对于外部空间而呈开口的部位，被测定气体经过该气体导入口10而从外部空间进入到传感器元件101内。第一扩散速度控制部11是：对从气体导入口10进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：为了将从第一扩散速度控制部11导入的被测定气体向第二扩散速度控制部13导入而设置的空间。缓冲空间12还作为用于向经过第一扩散速度控制部11而导入的被测定气体汲入氧的空间(预备室)而发挥作用。通过预备泵单元15工作，来进行向缓冲空间12汲入氧。第二扩散速度控制部13是：对从缓冲空间12向第一内部空腔20导入的被测定气体赋予规定的扩散阻力的部位。在被测定气体从传感器元件101外部被导入至第一内部空腔20内时，因外部空间中的被测定气体的压力变化(被测定气体为汽车的尾气的情况下，是排气压的脉动)而从气体导入口10急剧进入到传感器元件101内部的被测定气体不是直接被导入到第一内部空腔20，而是经过第一扩散速度控制部11、缓冲空间12、第二扩散速度控制部13之后被消除了被测定气体的浓度变化，然后再被导入到第一内部空腔20。由此，向第一内部空腔20导入的被测定气体的浓度变化为几乎可以忽视的程度。第一内部空腔20设置成：用于对经过第二扩散速度控制部13而导入的被测定气体中的氧分压进行调整的空间。通过主泵单元21工作，来调整该氧分压。
预备泵单元15是：具备预备泵电极16、外侧泵电极23、以及被这些电极夹持的第二固体电解质层6的电化学泵单元，其中，预备泵电极16设置于面向缓冲空间12的第二固体电解质层6的下表面的大致整面，外侧泵电极23配设于传感器元件101的外侧的暴露于被测定气体中的部分。预备泵电极16是：被测定气体流通部内的多个电极中的配设于最上游侧的电极。通过配设于预备泵电极16与外侧泵电极23之间的可变电源17所外加的泵电压Vp0s，使得泵电流Ip0s在预备泵电极16与外侧泵电极23之间流通，由此，预备泵单元15能够将外部空间的氧汲入到缓冲空间12内。
主泵单元21是：由内侧泵电极22、外侧泵电极23、以及被这些电极夹持的第二固体电解质层6构成的电化学泵单元，其中，内侧泵电极22具有：设置于面向第一内部空腔20的第二固体电解质层6下表面的大致整面的顶部电极部22a，外侧泵电极23是：以在第二固体电解质层6的上表面的与顶部电极部22a相对应的区域而暴露于外部空间中的形态来设置的。
内侧泵电极22被形成为：横跨于划分出第一内部空腔20的上下的固体电解质层(第二固体电解质层6及第一固体电解质层4)、以及提供侧壁的隔离层5。具体而言，在提供第一内部空腔20顶面的第二固体电解质层6的下表面，形成有顶部电极部22a，另外，在提供底面的第一固体电解质层4的上表面，形成有底部电极部22b，并且，以将顶部电极部22a和底部电极部22b连接起来的方式，侧部电极部(省略图示)被形成于：构成第一内部空腔20的两个侧壁部的隔离层5的侧壁面(内表面)，从而，在该侧部电极部的配设部位，配设成隧道形态的构造。
内侧泵电极22和外侧泵电极23形成为多孔质金属陶瓷电极(例如Pt与ZrO2的金属陶瓷电极)。
在主泵单元21，向内侧泵电极22与外侧泵电极23之间外加所期望的泵电压Vp0，使泵电流Ip0沿着正方向或者负方向而在内侧泵电极22与外侧泵电极23之间流通，由此，能够将第一内部空腔20内的氧汲出到外部空间，或者，将外部空间的氧汲入第一内部空腔20。
另外，为了检测出第一内部空腔20的气氛中的氧浓度(氧分压)，由内侧泵电极22、第二固体电解质层6、隔离层5、第一固体电解质层4、第三基板层3、以及基准电极42来构成电化学传感器单元亦即主泵控制用氧分压检测传感器单元80。
通过测定主泵控制用氧分压检测传感器单元80中的电动势V0，可知第一内部空腔20内的氧浓度(氧分压)。此外，通过以电动势V0恒定的方式对可变电源24的泵电压Vp0进行反馈控制，来控制泵电流Ip0。由此，第一内部空腔20内的氧浓度能够保持在规定的恒定值。
第三扩散速度控制部30是下述的部位，即：对在第一内部空腔20处利用主泵单元21的动作来控制氧浓度(氧分压)之后的被测定气体赋予规定的扩散阻力，并将该被测定气体导入到第二内部空腔40的部位。
第二内部空腔40设置成用于进行下述处理的空间，即：在第二内部空腔40内，利用辅助泵单元50对预先在第一内部空腔20中调整了氧浓度(氧分压)后又经过第三扩散速度控制部30而被导入的被测定气体再次进行氧分压的调整。由此，能够将第二内部空腔40内的氧浓度高精度地保持恒定，因此，在该气体传感器100，能够高精度地测定NOx浓度。
辅助泵单元50是：由具有顶部电极部51a的辅助泵电极51、外侧泵电极23(不限于外侧泵电极23，只要是传感器元件101的外侧的适当电极即可)、以及第二固体电解质层6构成的辅助性的电化学泵单元，其中，顶部电极部51a设置于：面向第二内部空腔40的第二固体电解质层6下表面的大致整体。
该辅助泵电极51在第二内部空腔40内配设成：与设置于前面的第一内部空腔20内的内侧泵电极22同样的隧道形态的构造。亦即，在提供第二内部空腔40顶面的第二固体电解质层6，形成有顶部电极部51a，另外，在提供第二内部空腔40底面的第一固体电解质层4，形成有底部电极部51b，并且，将顶部电极部51a和底部电极部51b连结起来的侧部电极部(省略图示)分别形成于：提供第二内部空腔40侧壁的隔离层5的两个壁面，由此，成为隧道形态的构造。
在辅助泵单元50，向辅助泵电极51与外侧泵电极23之间外加所期望的电压Vp1，由此，能够将第二内部空腔40内的气氛中的氧汲出到外部空间，或者，从外部空间汲入到第二内部空腔40内。
另外，为了控制第二内部空腔40内的气氛中的氧分压，由辅助泵电极51、基准电极42、第二固体电解质层6、隔离层5、第一固体电解质层4、以及第三基板层3来构成电化学传感器单元亦即辅助泵控制用氧分压检测传感器单元81。
此外，辅助泵单元50利用基于该辅助泵控制用氧分压检测传感器单元81所检测的电动势V1而被控制电压的可变电源52，来进行泵送。由此，第二内部空腔40内的气氛中的氧分压被控制至：实质上对NOx的测定没有影响的较低的分压。
另外，与此同时，其泵电流Ip1被使用于控制主泵控制用氧分压检测传感器单元80的电动势。具体而言，泵电流Ip1作为控制信号而被输入于主泵控制用氧分压检测传感器单元80，控制其电动势V0，由此，控制为：从第三扩散速度控制部30导入到第二内部空腔40内的被测定气体中的氧分压的梯度始终呈恒定。在作为NOx传感器而使用时，通过主泵单元21和辅助泵单元50的工作，第二内部空腔40内的氧浓度被保持在约0.001ppm左右的恒定的值。
第四扩散速度控制部60是下述的部位，即：对在第二内部空腔40处利用辅助泵单元50的动作来控制氧浓度(氧分压)之后的被测定气体赋予规定的扩散阻力，并将该被测定气体导入到第三内部空腔61的部位。第四扩散速度控制部60承担着：对向第三内部空腔61流入的NOx的量进行限制的作用。
第三内部空腔61设置成用于进行下述处理的空间，即：对预先在第二内部空腔40中调整了氧浓度(氧分压)后又经过第四扩散速度控制部60而被导入的被测定气体进行被测定气体中的氮氧化物(NOx)浓度的测定。关于NOx浓度的测定，主要在第三内部空腔61中通过测定用泵单元41的动作来进行。
测定用泵单元41在第三内部空腔61内进行被测定气体中的NOx浓度的测定。测定用泵单元41是由测定电极44、外侧泵电极23、第二固体电解质层6、隔离层5、以及第一固体电解质层4构成的电化学泵单元，其中，测定电极44被设置于：面向第三内部空腔61的第一固体电解质层4的上表面。测定电极44还作为对第三内部空腔61内的气氛中所存在的NOx进行还原的NOx还原催化剂而发挥作用。
在测定用泵单元41，能够将因测定电极44的周围的气氛中的氮氧化物分解而产生的氧汲出，从而将其生成量作为泵电流Ip2而检测出。
另外，为了检测出测定电极44的周围的氧分压，由第一固体电解质层4、第三基板层3、测定电极44、以及基准电极42来构成电化学传感器单元亦即测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82。基于测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82检测出的电动势V2，来控制可变电源46。
导入到第二内部空腔40内的被测定气体在氧分压被控制的状况下经过第四扩散速度控制部60而到达第三内部空腔61内的测定电极44。测定电极44的周围的被测定气体中的氮氧化物被还原(2NO→N2+O2)而生成氧。并且，该生成的氧通过测定用泵单元41而被泵送，此时，对可变电源46的电压Vp2进行控制，以使得测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82所检测到的电动势V2为恒定。在测定电极44的周围所生成的氧的量与被测定气体中的氮氧化物的浓度成正比例，因此，使用测定用泵单元41中的泵电流Ip2，来计算出被测定气体中的氮氧化物浓度。
另外，由第二固体电解质层6、隔离层5、第一固体电解质层4、第三基板层3、外侧泵电极23、以及基准电极42来构成电化学传感器单元83，能够利用由该传感器单元83得到的电动势Vref来检测出传感器外部的被测定气体中的氧分压。
在具有这样的结构的气体传感器100中，通过使主泵单元21和辅助泵单元50进行工作而将氧分压始终保持在恒定的低值(实质上对NOx的测定没有影响的值)的被测定气体被提供给测定用泵单元41。因此，基于下述的氧被测定用泵单元41汲出而流通的泵电流Ip2，能够获知被测定气体中的NOx浓度，即，所述氧是：与被测定气体中的NOx的浓度大致成正比例的、且通过因NOx的还原而生成的。
此外，传感器元件101具备加热器部70，其承担着对传感器元件101进行加热并保温的温度调整作用，以便提高固体电解质的氧离子传导性。加热器部70具备：加热器连接器电极71、加热器72、通孔73、加热器绝缘层74、以及压力释放孔75。
加热器连接器电极71是：以与第一基板层1的下表面相接的形态形成的电极。通过将加热器连接器电极71与外部电源连接，能够从外部向加热器部70供电。
加热器72是：形成为被第二基板层2和第三基板层3从上下夹持的形态的电阻体。加热器72借助通孔73而与加热器连接器电极71相连接，通过该加热器连接器电极71从外部供电，由此进行发热，进行：形成传感器元件101的固体电解质的加热和保温。
另外，加热器72埋设于第一内部空腔20至第三内部空腔61的整个区域，能够将传感器元件101整体调整为：上述固体电解质活化的温度。
加热器绝缘层74是：通过氧化铝等绝缘体形成在加热器72的上下表面的绝缘层。形成加热器绝缘层74的目的在于，是为了得到第二基板层2与加热器72之间的电绝缘性、以及第三基板层3与加热器72之间的电绝缘性。
压力释放孔75是：设置成贯穿第三基板层3及大气导入层48、且与基准气体导入空间43相连通的部位，形成压力释放孔75的目的在于，是为了缓和加热器绝缘层74内的温度上升所随之而来的内压上升。
预备泵电极16、内侧泵电极22、辅助泵电极51、以及测定电极44分别包含：具有催化活性的贵金属。作为具有催化活性的贵金属，例如可以举出Pt、Rh、Ir、Ru、Pd中的至少任意一种。外侧泵电极23及基准电极42也包含：具有催化活性的贵金属。辅助泵电极51也包含：具有能够抑制上述贵金属针对特定气体而言的催化活性的催化活性抑制能力的贵金属。由此，辅助泵电极51针对被测定气体中的NOx成分的还原能力减弱。作为具有催化活性抑制能力的贵金属，例如可以举出Au。与此相对，预备泵电极16和内侧泵电极22中的至少一方不含有：具有催化活性抑制能力的贵金属。测定电极44优选为：不含有具有催化活性抑制能力的贵金属。外侧泵电极23以及基准电极42也优选为：不含有具有催化活性抑制能力的贵金属。各电极16、22、23、42、44、51分别优选为：包含贵金属、和具有氧离子导电性的氧化物(例如ZrO2)的金属陶瓷。各电极16、22、23、42、44、51分别优选为多孔质体。在本实施方式中，各电极16、22、23、42、44均为Pt与ZrO2的多孔质金属陶瓷电极。另外，辅助泵电极51为包含有1％Au的Pt、与ZrO2的多孔质金属陶瓷电极。
控制装置90是：具备CPU92及存储器94等的微处理器。向控制装置90输入有：由主泵控制用氧分压检测传感器单元80检测出的电动势V0、由辅助泵控制用氧分压检测传感器单元81检测出的电动势V1、由测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82检测出的电动势V2、由传感器单元83检测出的电动势Vref、由预备泵单元15检测出的泵电流Ip0s、由主泵单元21检测出的泵电流Ip0、由辅助泵单元50检测出的泵电流Ip1、以及由测定用泵单元41检测出的泵电流Ip2。另外，控制装置90向预备泵单元15的可变电源17、主泵单元21的可变电源24、辅助泵单元50的可变电源52、以及测定用泵单元41的可变电源46输出控制信号。
控制装置90对可变电源17的电压Vp0s进行反馈控制，以使得预备泵单元15的泵电流Ip0s达到目标值Ip0s＊。控制装置90以向缓冲空间12汲入氧的方式控制电压Vp0s，而不是以从缓冲空间12汲出氧的方式控制电压Vp0s。另外，在本实施方式中，控制装置90将目标值Ip0s＊确定为恒定值。该目标值Ip0s＊确定为如下的值，即：即便传感器元件101的外部的被测定气体为低氧气氛(例如、氧浓度为0.1体积％以下、小于0.2体积％、小于1体积％等的气氛)，利用预备泵单元15汲入氧之后的被测定气体(即导入至第一内部空腔20的被测定气体)也不会成为低氧气氛的值。此处，在被测定气体的空燃比小于理论空燃比的情况下，亦即，在富燃料气氛的情况下，因为被测定气体中包含未燃燃料，所以，可以根据使该燃料正好恰当燃烧所需要的氧量，来求出氧浓度。这种情况下，氧浓度用负号表示。因此，例如目标值Ip0s＊如下确定。首先，预先调查：使用气体传感器100的内燃机的各种运转状态下的废气的氧浓度的最低值(包括降低至负值的情形)。然后，基于使最低值的氧浓度的被测定气体上升至氧浓度比低氧气氛还要高的状态(例如氧浓度超过0.1体积％、0.2体积％以上、1体积％以上等)所需要的氧的量，来确定目标值Ip0s＊。因为目标值Ip0s＊被确定为恒定值，所以，控制装置90以将一定流量的氧汲入到缓冲空间12内的方式对预备泵单元15进行控制。目标值Ip0s＊的值只要如上所述那样基于实验来适当确定即可，例如，可以为0.5mA以上且3mA以下。
控制装置90对可变电源24的泵电压Vp0进行反馈控制，以使得电动势V0达到目标值(称为目标值V0＊)(亦即、以使第一内部空腔20的氧浓度为恒定的目标浓度)。因此，泵电流Ip0根据被测定气体中所包含的氧浓度、以及预备泵单元15汲入的氧的流量而发生变化。
另外，控制装置90对可变电源52的电压Vp1进行反馈控制，以使得电动势V1为恒定值(称为目标值V1＊)(亦即、以使得第二内部空腔40的氧浓度为：实质上对NOx的测定没有影响的规定的低氧浓度)。与此同时，控制装置90基于泵电流Ip1来设定电动势V0的目标值V0＊(反馈控制)，以使得因电压Vp1而流通的泵电流Ip1为恒定值(称为目标值Ip1＊)。由此，从第三扩散速度控制部30而被导入至第二内部空腔40内的被测定气体中的氧分压的梯度始终恒定。另外，第二内部空腔40内的气氛中的氧分压被控制至：实质上对NOx的测定没有影响的低分压。
此外，控制装置90对可变电源46的电压Vp2进行反馈控制，以使得电动势V2为恒定值(称为目标值V2＊)(亦即、以使得第三内部空腔61内的氧浓度为规定的低浓度)。由此，以被测定气体之中的NOx在第三内部空腔61处被还原而生成的氧实质上为零的方式将氧从第三内部空腔61内汲出。而且，控制装置90取得泵电流Ip2，以此来作为与源自特定气体(此处为NOx)而在第三内部空腔61产生的氧相对应的检测值，基于该泵电流Ip2，来计算出被测定气体中的NOx浓度。
在存储器94中存储有：泵电流Ip2与NOx浓度之间的关系式、例如一次函数式。该关系式可以预先通过实验求出。
以下，对这样构成的气体传感器100的使用例进行说明。控制装置90的CPU92处于如下状态，即：对上述的各泵单元15、21、41、50进行控制、以及、从上述的各传感器单元80～83取得各电压V0、V1、V2、Vref的状态。在该状态下，如果被测定气体从气体导入口10被导入，则被测定气体首先经过第一扩散速度控制部11，然后被导入至缓冲空间12，在缓冲空间12内通过预备泵单元15而被汲入氧。接下来，被汲入氧之后的被测定气体到达第一内部空腔20。接下来，在第一内部空腔20及第二内部空腔40内，通过主泵单元21及辅助泵单元50来调整被测定气体的氧浓度，调整后的被测定气体到达第三内部空腔61。而且，CPU92基于所取得的泵电流Ip2和存储在存储器94中的关系式，来检测被测定气体中的NOx浓度。
像这样通过预备泵单元15而向缓冲空间12汲入氧是：为了抑制如上所述那样低氧气氛的被测定气体导入至第一内部空腔20。对进行该操作的理由进行说明。本发明的发明人调查了：使导入至气体导入口10之前的被测定气体的氧浓度和目标值Ip0s＊的值进行各种变化时的、泵电流Ip0及泵电流Ip2。作为被测定气体，调整并使用了试样气体。试样气体中，作为基础气体而使用了氮，作为特定气体成分而使用了500ppm的NO，作为燃料气体而使用了1000ppm的一氧化碳气体、以及1000ppm的乙烯气体，并调整为：水分浓度为5体积％，氧浓度为0.005～20体积％。试样气体的温度为250℃，并使其以流量50L/min在直径20mm的配管内流通。不过，在该调查中，使用了：预备泵电极16以及内侧泵电极22与辅助泵电极51同样地含有Au的气体传感器(以下、参考例的气体传感器)。参考例的气体传感器除了上述点以外，其它点与本实施方式的气体传感器100相同。
图3是示出了使目标值Ip0s＊为0mA、1mA、2mA的各情况下的、被测定气体中的氧浓度与泵电流Ip0之间的关系的图表。图3的左侧图表是图3的右侧图表中的由虚线包围的部分的放大图(其中，横轴记载为对数)。图4是示出了与图3相同的各情况下的、被测定气体中的氧浓度与泵电流Ip2之间的关系的图表。图5是将图4中的氧浓度10体积％以下的区域放大而得到的图表，横轴用对数表示。横轴的氧浓度为调整后的试样气体的氧浓度、亦即在传感器元件101的外部的被测定气体的氧浓度。另外，在图5的横轴，以括号一并记载试样气体的A/F。A/F是使用HORIBA公司制的MEXA－730λ测定的值。
由图4、5可知：在试样气体的氧浓度为1体积％以上的情况下，目标值Ip0s＊为0mA、1mA、2mA中的任一个时，相同氧浓度所对应的泵电流Ip2的值大致相同。与此相对，在试样气体的氧浓度为0.1体积％以下的情况下，目标值Ip0s＊为0mA、亦即完全没有利用预备泵单元15汲入氧时的泵电流Ip2为：小于利用预备泵单元15汲入氧时的泵电流Ip2的值。即，泵电流Ip2针对NOx浓度的灵敏度降低。
确认到了：图3中，即便试样气体的氧浓度为相同的值，目标值Ip0s＊越大，泵电流Ip0也就越大。不过，对于与目标值Ip0s＊为0mA时的泵电流Ip0相比的泵电流Ip0的上升量来说，在目标值Ip0s＊为1mA的情况下和目标值Ip0s＊为2mA的情况下，该泵电流Ip0的上升量并不是2倍。即，泵电流Ip0的上升量没有与目标值Ip0s＊成正比例。可以认为这是因为：即便增大目标值Ip0s＊，被汲入到缓冲空间12内的氧的一部分也会通过扩散而从气体导入口10漏到外部，所汲入的氧并不是全部都到达第一内部空腔20。另外，图3中，仅在Ip0s＊为0mA且试样气体的氧浓度为0.1体积％以下的情况下(图3左侧所示的、氧浓度为0.005体积％、0.01体积％、0.1体积％的情况下)，泵电流Ip0为负值，由图3～5确认到：在泵电流Ip0为负值的情况下，泵电流Ip2的灵敏度降低。泵电流Ip0为负值意味着：主泵单元21不是从第一内部空腔20汲出氧，而是向第一内部空腔20汲入氧(汲入氧，以使得第一内部空腔20的氧分压达到目标值V0＊)。即，泵电流Ip0为负值意味着：导入至第一内部空腔20的被测定气体的氧浓度低于目标值V0＊所表示的氧浓度。
由以上结果可知：在导入至第一内部空腔20的被测定气体的氧浓度较低的情况下，特定气体的测定精度降低。与此相对，在使预备泵单元15动作的情况下，如上所述通过预备泵单元15而被供给氧之后的被测定气体被导入至第一内部空腔20，因此，如图3所示，能够使Ip0的值增大(＝提高导入至第一内部空腔20的被测定气体的氧浓度)。因此，低氧气氛的被测定气体不易到达第一内部空腔20，能够抑制：被测定气体为低氧气氛时发生的测定精度降低。根据图3～5的结果认为：如果预备泵单元15向缓冲空间12汲入氧，使得氧浓度为0.1体积％以下的被测定气体不会到达第一内部空腔20、亦即到达第一内部空腔20的被测定气体的氧浓度超过0.1体积％，则能够抑制测定精度降低。另外，可以认为：对于预备泵单元15，优选使到达第一内部空腔20的被测定气体的氧浓度为0.2体积％以上，更优选使其为1体积％以上。
在没有利用预备泵单元15进行汲入的情况下，如果被测定气体为低氧气氛，则测定精度降低，关于这种理由尚没有定论，但可以认为如下。即，如果低氧气氛的被测定气体被导入至第一内部空腔20，则内侧泵电极22作为催化剂发挥作用，在到达第三内部空腔61之前，在第一内部空腔20内就发生了NOx的还原。还可以认为：在被测定气体为富燃料气氛的情况下，因为在被测定气体中作为未燃成分而存在有烃(HC)、一氧化碳等，所以，这些未燃成分和NOx发生反应，从而NOx更容易在第一内部空腔20内被还原。例如，在汽油发动机的情况下，因为被测定气体大多在理论空燃比附近推移，所以，被测定气体也有时始终为低氧气氛。在这样的情况下，也能够通过利用预备泵单元15进行汲入来精度良好地检测特定气体浓度。另外，控制装置90以泵电流Ip1为恒定值的方式对目标值V0＊进行反馈控制，但是，这也有可能关系到被测定气体为低氧气氛时的测定精度降低。例如，即便导入至第一内部空腔20的被测定气体的氧浓度暂时降低的情况下，在对第二内部空腔40带来影响之前也会有时间差的。由此，在基于泵电流Ip1而使目标值V0＊变更为适当值之前产生时间差，从而有可能会产生将第一内部空腔20的氧暂时过度汲出的现象。并且，可以认为：在因该现象而使第一内部空腔20内的氧浓度过低的情况下，在第一内部空腔20内发生NOx的还原。与此相对，在使预备泵单元15动作的情况下，因为通过预备泵单元15而供给氧，所以，可以认为：即便如上所述被测定气体的氧浓度暂时降低，第一内部空腔20内的氧浓度也不会降低至NOx在第一内部空腔20内被还原的程度，可抑制测定精度降低。
另外，根据本实施方式的气体传感器100，还可以抑制：被测定气体的气氛在富燃料气氛与贫燃料气氛之间发生突然改变时而产生的泵电流Ip1以及泵电流Ip2的尖峰噪声。本发明的发明人使用上述参考例的气体传感器，调查了：使向气体导入口10导入的被测定气体从富燃料气氛突然改变为贫燃料气氛时的、泵电流Ip0、Ip1、Ip2的动态(behavior)。作为被测定气体，调整并使用了试样气体。作为试样气体，准备出了：氧浓度为0.05体积％的富燃料气氛的气体、和氧浓度为0.65体积％的贫燃料气氛的气体，首先使富燃料气氛的气体在配管内流动，经过30秒后，切换为贫燃料气氛的气体。试样气体的除了氧浓度以外的条件与图3～5的测定用的试样气体相同。此外，如上所述，试样气体中包含有燃料气体(1000ppm的一氧化碳气体以及1000ppm的乙烯气体)，因此，氧浓度为0.05体积％的试样气体为富燃料气氛。图6是使目标值Ip0s＊为0mA时的泵电流Ip0、Ip1、Ip2的时间变化的图表。图7是使目标值Ip0s＊为1mA时的泵电流Ip0、Ip1、Ip2的时间变化的图表。
由图6、7可知：在使目标值Ip0s＊为1mA的情况下(图7)，与图6不同，即便是被测定气体为富燃料气氛的时间带(经过时间为0～30秒)，泵电流Ip0也没有变为负值，始终为正值。另外，在图7中，与图6相比，从富燃料气氛切换为贫燃料气氛时的泵电流Ip1、Ip2的尖峰噪声降低。可以认为这是因为：在泵电流Ip0的正负切换时，容易产生泵电流Ip1、Ip2的尖峰噪声。例如，在汽油发动机的情况下，因为被测定气体大多在理论空燃比附近发生推移，所以，在预备泵单元15没有向缓冲空间12汲入氧的情况下频繁地发生泵电流Ip0的正负切换，从而有可能频繁地产生尖峰噪声。根据本实施方式的气体传感器100，能够抑制像这样的泵电流Ip0的正负切换。
此处，上述参考例的气体传感器中，预备泵电极16、内侧泵电极22以及辅助泵电极51均含有Au。本发明的发明人准备出：使这些电极的Au含有情况如表1示出的那样不同的实验例1～8的气体传感器。实验例1～8中，预备泵电极16、内侧泵电极22以及辅助泵电极51均为：贵金属与ZrO2的多孔质金属陶瓷电极。表1的“0.8”意味着：电极作为贵金属而含有Pt和Au，电极中的Au相对于Pt的质量比例为0.8wt％。表1的“－”意味着：电极作为贵金属而仅含有Pt，不含有Au。
表1
Figure BDA0002096359010000191
对于实验例1～8的气体传感器，分别调查了：使目标值Ip0s＊为1mA时的、被测定气体中的特定气体浓度与泵电流Ip2之间的关系。对被测定气体进行调整而使用了：作为特定气体成分而包含0ppm、250ppm、500ppm的NO浓度的3种试样气体。3种试样气体均调整为：作为基础气体而使用氮，水分浓度为3体积％，氧浓度为1体积％。试样气体的温度为250℃，使其以流量50L/min在直径20mm的配管内流通。将实验例1～8的气体传感器的、NO浓度与泵电流Ip2之间的关系示于表2以及图8。
表2
Figure BDA0002096359010000192
根据表2以及图8所示的结果，关于辅助泵电极51不含有Au的实验例3、4、7、8，即便改变NO浓度，Ip2也几乎没有变化，且泵电流Ip2大致为0μA。可以认为这是因为：因辅助泵电极51的催化活性而使得NO在到达测定电极44之前被还原。与此相对，关于辅助泵电极51包含Au的实验例1、2、5、6，NO浓度和Ip2存在比例关系。另外，实验例1、2、5、6中，与NO浓度相对应的Ip2的值彼此大致相同。即，预备泵电极16以及内侧泵电极22是否含有Au的差异对泵电流Ip2没有影响。该结果意味着：如果辅助泵电极51包含Au，则即便预备泵电极16以及内侧泵电极22不含Au，也不会发生NO被预备泵电极16以及内侧泵电极22还原的情形。根据该结果，本发明的发明人发现：通过利用预备泵单元15汲入氧，就可以使预备泵电极16以及内侧泵电极22中的至少一方不需要含有Au。关于本实施方式的气体传感器100，基于该结果，使预备泵电极16和内侧泵电极22中的至少一方不含有Au，并且，使辅助泵电极51含有Au。即，实验例2、5、6相当于本实施方式的气体传感器100，进而相当于本发明的气体传感器的实施例。实验例1、3、4、7、8相当于本发明的比较例。
得到如上所述结果的理由可以认为是如下所述。首先，在气体传感器100的使用时，通过上述CPU92的控制，针对于利用泵单元21以及辅助泵单元50调整氧浓度之前的被测定气体，预备泵单元15向被测定气体中供给氧。因此，预备泵单元15汲入氧，主泵单元21以及辅助泵单元50汲出氧。由此，可以认为：被测定气体流通部内的各电极的周围的氧浓度的大小关系如下，即，(预备泵电极16的周围)≥(内侧泵电极22的周围)＞(辅助泵电极51的周围)＞(测定电极44的周围)。即，即便导入至被测定气体流通部之前的被测定气体为例如低氧气氛，也能够保持预备泵电极16以及内侧泵电极22的周围的氧浓度高于辅助泵电极51的周围的氧浓度。并且，氧浓度越高，越不易引起NOx的还原。因此，即便预备泵电极16以及内侧泵电极22中的至少一方不含有：具有催化活性抑制能力的贵金属(此处为Au)，也不易发生由这些电极导致的NOx的还原。另一方面，因为主泵单元21将氧汲出之后的被测定气体到达辅助泵电极51的周围，所以，容易发生NOx被辅助泵电极51还原。然而，通过辅助泵电极51包含有Au，能够抑制NOx的还原。因此，根据本实施方式的气体传感器100，能够充分抑制在到达测定电极44之前将NOx还原，从而使得特定气体浓度的检测精度变得充分。
另外，如果预备泵电极16以及内侧泵电极22均含有Au，则有时随着气体传感器100的使用而使得Au从这些电极蒸发并附着于测定电极44。如果Au附着于测定电极44，则测定电极44的催化活性受到抑制，因此，无法在测定电极44的周围将NOx充分还原。其结果，相比于与NOx浓度相对应的正确的泵电流Ip2，实际的泵电流Ip2会有所减少，导致特定气体浓度的检测精度降低。针对于此，本实施方式的气体传感器100中，预备泵电极16以及内侧泵电极22中的至少一方不含有：具有催化活性抑制能力的贵金属，因此，能够抑制：伴随气体传感器100的使用所带来的该贵金属的蒸发，从而能够抑制：伴随使用所带来的检测精度的降低。
由上述可知，本实施方式的气体传感器100能够长期维持特定气体浓度的检测精度。与此相对，例如实验例3、4、7、8那样辅助泵电极51也不含有Au的情况下，特定气体浓度的检测精度在气体传感器的使用开始时刻已经降低。另外，例如实验例1那样预备泵电极16以及内侧泵电极22均包含Au的情况下，特定气体浓度的检测精度容易随着气体传感器的使用而降低。即，气体传感器的耐久性降低。
此外，虽然辅助泵电极51含有Au，但是，辅助泵电极51内的Au比较不易蒸发。对此进行说明。氧浓度越高，越容易发生上述的Au从电极蒸发。例如，在包含Pt和Au的电极中，氧浓度越高，Pt越容易氧化而生成PtO2。PtO2的饱和蒸气压高于Pt的饱和蒸气压，因此，PtO2比Pt容易蒸发。并且，如果Pt成为PtO2而发生蒸发，则残留的Au也容易蒸发。这是因为Au单质的饱和蒸气压高于Pt－Au合金的饱和蒸气压。与此相对，因为如上所述辅助泵电极51的周围的氧浓度降低，所以，辅助泵电极51内的Au比较不易蒸发。因此，即便辅助泵电极51含有Au，也不易发生伴随气体传感器100的使用所带来的上述的检测精度降低。
优选为，预备泵电极16以及内侧泵电极22均不含有：具有催化活性抑制能力的贵金属。据此，能够进一步抑制：具有催化活性抑制能力的贵金属的蒸发，因此，长期维持特定气体浓度的检测精度的效果得以提高。
此处，对本实施方式的构成要素与本发明的构成要素之间的对应关系进行明确如下。本实施方式的第一基板层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以及第二固体电解质层6这6个层按顺序层叠得到的层叠体相当于本发明的元件主体，缓冲空间12相当于预备室，预备泵单元15相当于预备泵单元，第一内部空腔20相当于第一内部空腔，主泵单元21相当于主泵单元，第二内部空腔40相当于第二内部空腔，辅助泵单元50相当于辅助泵单元，第三内部空腔61相当于测定室，测定电极44相当于测定电极，基准电极42相当于基准电极，测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82相当于测定用电压检测机构，泵电流Ip2相当于检测值，控制装置90的CPU92相当于特定气体浓度检测机构，预备泵电极16相当于内侧预备泵电极，内侧泵电极22相当于内侧主泵电极，辅助泵电极51相当于内侧辅助泵电极。另外，泵电流Ip0s相当于预备泵电流，CPU92相当于预备泵控制机构，存储器94相当于存储机构，泵电流Ip0相当于主泵单元的泵电流，CPU92相当于氧浓度检测机构，外侧泵电极23相当于被测定气体侧电极。
根据以上说明的本实施方式的气体传感器100，在利用主泵单元21调整氧浓度之前，预备泵单元15向被测定气体中供给氧，因此，即便导入至被测定气体流通部之前的被测定气体为低氧气氛，也能够使预备泵电极16以及内侧泵电极22的周围不是低氧气氛。由此，即便预备泵电极16以及内侧泵电极22中的至少一方不含有：具有催化活性抑制能力的贵金属(例如Au)，也不易发生特定气体被该电极还原的情形。另外，因为预备泵电极16以及内侧泵电极22中的至少一方不含有：具有催化活性抑制能力的贵金属，所以，能够抑制：随着气体传感器100的使用而使得该贵金属蒸发并附着于测定电极44的情形。通过以上操作，气体传感器100能够长期维持特定气体浓度的检测精度。
另外，CPU92对预备泵单元15进行控制，以使恒定的预备泵电流(目标值Ip0s＊)流通，因此，能够通过比较简单的控制而在缓冲空间12内向低氧气氛的被测定气体供给氧。
此外，CPU92无论元件主体的外部的被测定气体是否为低氧气氛，均使用存储器94中所存储的相同关系式来检测特定气体浓度。关于本实施方式的气体传感器100，如使用图4、5所说明那样，即便被测定气体为低氧气氛的情况下，也不易发生泵电流Ip2的灵敏度降低。因此，即便在被测定气体为低氧气氛的情况下和被测定气体不是低氧气氛的情况下不使用不同的关系式，气体传感器100也能够精度良好地检测特定气体浓度。因此，气体传感器100能够容易且精度良好地检测特定气体浓度。
此外，预备泵单元15从外侧泵电极23的周围向缓冲空间12汲入氧。这样，与例如从基准电极42的周围向缓冲空间12汲入氧的情况相比，能够抑制：由于基准电极42的电位发生变化所导致的测定精度降低，其中所述基准电极42的电位发生变化是因为汲入时的电流所带来的电压降低造成的。
此外，本发明并不受上述实施方式的任何限定，当然只要属于本发明的技术范围就可以以各种方式进行实施。
例如，在上述的实施方式中，CPU92基于泵电流Ip2、以及存储在存储器94中的泵电流Ip2与NOx浓度之间的关系式，来检测特定气体浓度，但不限于此。例如，CPU92可以检测：基于传感器元件101的外部的被测定气体的氧浓度而进行修正后的特定气体浓度。例如，根据图5中的目标值Ip0s＊为1mA、2mA的数据可知，在被测定气体的氧浓度始终为5％以下的情况下，即便氧浓度发生变化，特定气体的实际的浓度(实际浓度)如果相同，泵电流Ip2的值就会几乎没有变化(参照图5)。另一方面，在被测定气体的氧浓度可能在更大的范围内发生变动的情况下，如图4所示，泵电流Ip2有时会与氧浓度相对应地发生变化。在像这样泵电流Ip2与氧浓度相对应的变化较大的情况下，CPU92伴随着基于该氧浓度进行的修正而检测特定气体浓度，由此特定气体浓度的测定精度得以提高。例如，根据图4中的目标值Ip0s＊为1mA、2mA的数据可知，在特定气体浓度相同的情况下，因为泵电流Ip2与氧浓度相对应地发生线形变化，所以，能够将氧浓度与泵电流Ip2之间的关系利用一次函数进行近似。因此，CPU92可以使用该一次函数的式子(修正用关系式)，根据从测定用泵单元41取得的泵电流Ip2，能够导出：排除了氧浓度的影响的修正后泵电流，并且基于该修正后泵电流、和上述的实施方式中存储于存储器94的关系式，来检测特定气体浓度。这种情况下，存储器94还可以存储修正用关系式。或者，对考虑了修正用关系式的关系式、亦即泵电流Ip2、特定气体浓度、以及传感器元件101的外部的被测定气体的氧浓度它们之间的关系式进行存储，来代替在上述的实施方式中存储于存储器94的关系式，CPU92可以使用该关系式，来检测修正后的特定气体浓度。关于上述修正用关系式以及考虑了修正用关系式的关系式，与在上述的实施方式中存储于存储器94的关系式同样地，无论传感器元件101的外部的被测定气体是否为低氧气氛，都可以使用相同的式子，来精度良好地检测特定气体浓度。
在如上所述CPU92进行修正的情况下，CPU92可以检测传感器元件101的外部的被测定气体的氧浓度。此处，恒定的泵电流Ip0s(即目标值Ip0s＊)、与预备泵单元15汲入至缓冲空间12内的氧的流量相对应。另外，泵电流Ip0、与从第一内部空腔20汲出的氧的流量相对应。因此，CPU92可以基于泵电流Ip0s以及泵电流Ip0、和第一内部空腔20内的氧浓度的目标浓度，来检测：利用预备泵单元15汲入氧以及从主泵单元21汲出氧之前的被测定气体的氧浓度、亦即传感器元件101的外部的被测定气体的氧浓度。由此，气体传感器100能够检测出：修正所需要的氧浓度。此外，CPU92还可以基于例如基准电极42与外侧泵电极23之间的电压Vref，来检测传感器元件101的外部的被测定气体的氧浓度。或者，CPU92可以从其他传感器、发动机ECU等气体传感器100以外的装置，取得传感器元件101的外部的被测定气体的氧浓度，来用于修正。
在上述的实施方式中，预备泵单元15从外侧泵电极23的周围向缓冲空间12汲入氧，但不限于此，例如，可以从基准电极42的周围向缓冲空间12汲入氧。这样，因为基准气体(此处为大气)的氧浓度高于被测定气体的氧浓度，所以，与例如从外部的被测定气体汲入氧的情况相比，能够以较低的外加电压向缓冲空间12汲入氧。与此相对，在从外侧泵电极23的周围向缓冲空间12汲入氧的情况下，特别是，如果外侧泵电极23的周围为低氧气氛，则需要使被测定气体中的一氧化碳或水等还原而生成氧离子，因此，需要使可变电源17的电压Vp0s较高。
在上述的实施方式中，在缓冲空间12与第一内部空腔20之间存在有第二扩散速度控制部13，但不限于此。例如，可以省略第二扩散速度控制部13，而将缓冲空间12和第一内部空腔20构成为1个空间。
在上述的实施方式中，气体传感器100虽然检测NOx浓度来作为特定气体浓度，但不限于此，可以使其它氧化物浓度为特定气体浓度。在特定气体为氧化物的情况下，因为与上述的实施方式同样地，在将特定气体自身在第三内部空腔61内还原时产生氧，因此，CPU92可以取得与该氧相对应的检测值而检测特定气体浓度。另外，特定气体可以为氨等非氧化物。在特定气体为非氧化物的情况下，通过将特定气体转化为氧化物(例如如果是氨，则转化为NO)，使转化后的气体在第三内部空腔61内还原时产生氧，因此，CPU92可以取得与该氧相对应的检测值而检测特定气体浓度。例如，如果预备泵电极16包含：具有促进氨氧化的催化功能的金属，则能够利用预备泵电极16的催化功能，在缓冲空间12内将特定气体转化为氧化物。内侧泵电极22也可以具有同样的功能。因为氨转化为氧化物NO，所以，氨浓度测定基本上利用与NOx浓度测定相同的原理来进行。
在上述的实施方式中，CPU92对预备泵单元15进行控制，以使得一定的预备泵电流(目标值Ip0s＊)流通，但不限于此。例如，CPU92可以对电压Vp0s进行反馈控制，以使得基于预备泵电极16与基准电极42之间的电压而检测的缓冲空间12内的氧浓度达到目标值。或者，可以对电压Vp0s进行控制，以使得传感器元件101的外部的氧浓度越低，越将大量的氧向缓冲空间12内汲入。这种情况下，CPU92只要利用上述的方法，来检测传感器元件101的外部的氧浓度、或者从气体传感器100以外的装置来取得传感器元件101的外部的氧浓度即可。另外，CPU92可以将电压Vp0s控制为恒定。
在上述的实施方式中，基于使内燃机的各种运转状态下的最低值的氧浓度的被测定气体上升至氧浓度高于低氧气氛的状态(例如，氧浓度超过0.1体积％、0.2体积％以上、1体积％以上等)而所需要的氧的量，来确定目标值Ip0s＊，但不限于此。例如，即便在内燃机的各种运转状态下的最低值的氧浓度的被测定气体被导入至传感器元件101的被测定气体流通部的情况下，也不会使得泵电流Ip0成为负值地，来确定目标值Ip0s＊。即，预备泵单元15可以通过“使得泵电流Ip0为非负”，而“使得低氧气氛的被测定气体不到达第一内部空腔20”。总之，预备泵单元15向缓冲空间12汲入的氧的量可以根据能够取得被测定气体成分的变动范围，利用实验来确定，以便能够在其变动范围之中抑制测定精度的降低(以便不易发生例如图4、5所示的泵电流Ip2针对NOx浓度的灵敏度降低的状态)。
在上述的实施方式中，气体传感器100的传感器元件101具备：第一内部空腔20、第二内部空腔40、以及第三内部空腔61，但不限于此。例如，可以像图9的传感器元件201那样，不具备第三内部空腔61。在图9所示的变形例的传感器元件201中，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，以按以下顺序连通的形态而邻接地形成有：气体导入口10、第一扩散速度控制部11、缓冲空间12、第二扩散速度控制部13、第一内部空腔20、第三扩散速度控制部30、以及第二内部空腔40。另外，测定电极44配设于第二内部空腔40内的第一固体电解质层4的上表面。测定电极44被第四扩散速度控制部45覆盖。第四扩散速度控制部45为由氧化铝(Al2O3)等陶瓷多孔体构成的膜。第四扩散速度控制部45与上述实施方式的第四扩散速度控制部60同样地，承担着：限制向测定电极44流入的NOx的量的作用。另外，第四扩散速度控制部45还作为测定电极44的保护膜而发挥作用。辅助泵电极51的顶部电极部51a形成至测定电极44的正上方为止。即便是该构成的传感器元件201，也能够与上述实施方式同样地，基于例如泵电流Ip2而检测NOx浓度。这种情况下，测定电极44的周围作为测定室而发挥作用。
在上述的实施方式中，外侧泵电极23兼用作：预备泵单元15的被测定气体侧电极(外侧预备泵电极)、主泵单元21的外侧主泵电极、辅助泵单元50的外侧辅助泵电极、以及测定用泵单元41的外侧测定电极，但不限于此。可以将外侧预备泵电极、外侧主泵电极、外侧辅助泵电极、以及外侧测定电极中的任意1个或1个以上电极在外侧泵电极23之外另外地设置于元件主体的外侧，来与被测定气体接触。
在上述的实施方式中，传感器元件101的元件主体为具有多个固体电解质层(层1～6)的层叠体，但不限于此。传感器元件101的元件主体包含至少1个氧离子传导性的固体电解质层、且在内部设置有被测定气体流通部即可。例如，图1中第二固体电解质层6以外的层1～5可以为由固体电解质以外的材质形成的层(例如由氧化铝形成的层)。这种情况下，传感器元件101所具有的各电极配设于第二固体电解质层6即可。例如，图1的测定电极44配设于第二固体电解质层6的下表面即可。另外，将基准气体导入空间43设置于隔离层5来代替设置于第一固体电解质层4的情形即可，将大气导入层48设置于第二固体电解质层6与隔离层5之间来代替设置于第一固体电解质层4与第三基板层3之间的情形即可，将基准电极42设置于比第三内部空腔61更靠后方的位置、且是第二固体电解质层6的下表面即可。
在上述的实施方式中，控制装置90对泵电压Vp0进行反馈控制，以使得泵电流Ip1达到目标值Ip1＊，并基于泵电流Ip1来设定电动势V0的目标值V0＊(反馈控制)，以使得电动势V0达到目标值V0＊，但可以进行其他控制。例如，控制装置90可以基于泵电流Ip1，对泵电压Vp0进行反馈控制，以使得泵电流Ip1达到目标值Ip1＊。即，控制装置90可以省略从主泵控制用氧分压检测传感器单元80取得电动势V0、或省略设定目标值V0＊，基于泵电流Ip1直接地对泵电压Vp0进行控制(进而对泵电流Ip0进行控制)。
上述的“内燃机的各种运转状态下的最低值的氧浓度”可以为：例如－11体积％(如果用汽油发动机的A/F表示，则为值11)。例如，在利用上述实施方式中说明的方法来确定目标值Ip0s＊时，在氧浓度为－11体积％的被测定气体流入至缓冲空间12的情况下，基于该被测定气体的氧浓度上升至高于低氧气氛的氧浓度的状态(超过0.1体积％、优选为0.2体积％以上、更优选为1体积％以上)所需要的氧的量，来确定目标值Ip0s＊。
关于预备泵单元15，优选为，在－11体积％以上且0.1体积％以下的任意氧浓度的被测定气体流入至缓冲空间12的情况下，都向缓冲空间12汲入氧，以使得到达第一内部空腔20的被测定气体的氧浓度(＝第二扩散速度控制部13的出口处的氧浓度)超过0.1体积％。在上述的实验例1～8中，调查了：到达第二内部空腔40的被测定气体的氧浓度(＝第三扩散速度控制部30的出口处的氧浓度)，结果为0.1体积％。因此，可以认为：在辅助泵电极51的周围，氧浓度为0.1体积％以下，由此，需要使辅助泵电极51包含Au。另一方面，由上述的被测定气体流通部内的各电极的周围的氧浓度的大小关系可知：在预备泵电极16以及内侧泵电极22的周围，氧浓度高于0.1体积％，由此，可以认为：预备泵电极16以及内侧泵电极22即便不含有Au，也不会发生NO的还原的情形。因此，即便－11体积％以上且0.1体积％以下的任意氧浓度的被测定气体流入至缓冲空间12的情况下，只要预备泵单元15向缓冲空间12汲入氧，以使得到达第一内部空腔20的被测定气体的氧浓度高于0.1体积％，就可以是即便预备泵电极16以及内侧泵电极22不含有具有催化活性抑制能力的贵金属，也能够更可靠地不易发生：特定气体被这些电极还原、或者源自于特定气体的氧化物被还原的情形。即，关于预备泵电极16以及内侧泵电极22，可以更可靠地不需要含有：具有催化活性抑制能力的贵金属。另外，优选为，CPU92对预备泵单元15进行控制，以便进行这种氧的汲入。例如，在利用上述实施方式中说明的方法来确定目标值Ip0s＊时，即便在氧浓度为－11体积％的被测定气体流入至缓冲空间12的情况下，也能够使到达第一内部空腔20的被测定气体的氧浓度上升至高于0.1体积％的值地，来确定目标值Ip0s＊。同样地，在上述的变形例中说明的、“CPU92将电压Vp0s控制为恒定”的情况下，可以设定电压Vp0s的目标值(恒定值)，以使得在电压Vp0s控制为恒定值的状态下所流通的泵电流Ip0s能够使流入至缓冲空间12内的－11体积％的氧浓度的被测定气体上升至超过0.1体积％的氧浓度。在上述的变形例中说明的、“对电压Vp0s进行反馈控制，以使得缓冲空间12内的氧浓度达到目标值”的情况下，缓冲空间12内的氧浓度的目标值(预备泵电极16与基准电极42之间的电压的目标值)可以设定为：稍微超过0.1体积％的值(或比设置有规定余量的0.1体积％还大的值)。在上述的变形例中说明的“对电压Vp0s进行控制，以使得传感器元件101的外部的氧浓度越低，越将大量的氧向缓冲空间12内汲入”的情况下，只要是预先确定外部的氧浓度与电压Vp0s的目标值之间的对应关系，CPU92基于该对应关系，来对电压Vp0s进行控制，以使得在氧浓度为－11体积％以上且0.1体积％以下的任意被测定气体流入至缓冲空间12的情况下，也能够使到达第一内部空腔20的被测定气体的氧浓度上升至高于0.1体积％的值即可。另外，优选为，预备泵单元15向缓冲空间12汲入氧，以使得到达第一内部空腔20的被测定气体的氧浓度为1体积％以上。更具体而言，优选为，向缓冲空间12汲入氧，以使得即便在－11体积％以上且小于1体积％的任意氧浓度的被测定气体流入至缓冲空间12的情况下，到达第一内部空腔20的被测定气体的氧浓度也为1体积％以上。这样，关于预备泵电极16以及内侧泵电极22，能够进一步可靠地不需要含有：具有催化活性抑制能力的贵金属。另外，优选为，CPU92对预备泵单元15进行控制，以便进行这种氧的汲入。
在上述的实施方式中，主泵单元21可以以到达第二内部空腔40的被测定气体的氧浓度不小于0.1体积％的方式将第一内部空腔20的氧汲出。由此，能够抑制内侧泵电极22的周围的氧浓度降低。因此，在内侧泵电极22不含有具有催化活性抑制能力的贵金属的情况下，能够更可靠地不易发生：特定气体被内侧泵电极22还原、或源自于特定气体的氧化物被还原的情形。另外，优选为，CPU92对主泵单元21进行控制，以便进行这种氧的汲出。例如，作为使到达第二内部空腔40的被测定气体的氧浓度不小于0.1体积％的范围，可以预先利用实验来确定上述目标值V0＊的容许范围。并且，CPU92在基于泵电流Ip1来设定目标值V0＊时，可以在该容许范围内设定目标值V0＊。
本申请将2019年3月27日申请的日本专利申请第2019－59955号、以及2018年7月2日申请的日本专利申请第2018－126301号作为主张优先权的基础，其全部内容通过引用而包含在本说明书中。
产业上的可利用性
本发明可利用于：对汽车的尾气等被测定气体中的NOx等特定气体的浓度进行检测的传感器元件以及具备该传感器元件的气体传感器。

Claims (10)

1.一种气体传感器，其特征在于，具备：
元件主体，该元件主体具有氧离子传导性的固体电解质层，且在内部设置有供被测定气体导入并流通的被测定气体流通部；
主泵单元，该主泵单元将所述被测定气体流通部之中的第一内部空腔的氧汲出，来调整该第一内部空腔的氧浓度；
辅助泵单元，该辅助泵单元将所述被测定气体流通部之中的设置于所述第一内部空腔的下游侧的第二内部空腔的氧汲出，来调整该第二内部空腔的氧浓度；
预备泵单元，该预备泵单元向所述被测定气体流通部之中的设置于所述第一内部空腔的上游侧的预备室汲入氧，以使得低氧气氛的所述被测定气体不会到达所述第一内部空腔；
测定电极，该测定电极配设于所述被测定气体流通部中的设置于所述第二内部空腔的下游侧的测定室的内周面上；
基准电极，该基准电极配设于所述元件主体的内部，且被导入作为所述被测定气体中的特定气体浓度的检测基准的基准气体；
测定用电压检测机构，该测定用电压检测机构用于检测所述基准电极与所述测定电极之间的测定用电压；以及
特定气体浓度检测机构，该特定气体浓度检测机构基于所述测定用电压，来取得与源自所述特定气体而在所述测定室产生的氧相对应的检测值，并基于该检测值，来检测所述被测定气体之中的特定气体浓度，
所述预备泵单元具有配设于所述预备室的内侧预备泵电极，
所述主泵单元具有配设于所述第一内部空腔的内侧主泵电极，
所述辅助泵单元具有配设于所述第二内部空腔的内侧辅助泵电极，
所述内侧预备泵电极、所述内侧主泵电极、所述内侧辅助泵电极、以及所述测定电极分别包含：具有催化活性的贵金属，
所述内侧预备泵电极和所述内侧主泵电极中的至少一方不含有：具有能够抑制所述贵金属针对所述特定气体而言的催化活性的催化活性抑制能力的贵金属，
所述内侧辅助泵电极包含：具有所述催化活性抑制能力的贵金属。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
具备预备泵控制机构，该预备泵控制机构以一定的预备泵电流流过所述预备泵单元的方式对该预备泵单元进行控制。
3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
具备存储机构，该存储机构对所述检测值和所述特定气体浓度之间的关系式所相关的信息进行存储，
所述特定气体浓度检测机构无论所述元件主体的外部的被测定气体是否为低氧气氛，都使用存储在所述存储机构中的相同关系式，来检测所述特定气体浓度。
4.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述特定气体浓度检测机构用于检测：基于所述元件主体的外部的所述被测定气体的氧浓度而进行修正后的所述特定气体浓度。
5.根据权利要求4所述的气体传感器，其特征在于，具备：
预备泵控制机构，该预备泵控制机构以一定的预备泵电流流过所述预备泵单元的方式对该预备泵单元进行控制；以及
氧浓度检测机构，该氧浓度检测机构基于所述一定的预备泵电流、以使得所述第一内部空腔的氧浓度达到目标浓度的方式所述主泵单元进行该第一内部空腔的氧的汲出时所流通的泵电流、以及该目标浓度，来检测所述元件主体的外部的所述被测定气体的氧浓度，
所述特定气体浓度检测机构使用所述氧浓度检测机构所检测到的氧浓度，来进行所述修正。
6.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
具备被测定气体侧电极，该被测定气体侧电极配设于所述元件主体的外侧的暴露于所述被测定气体中的部分，
所述预备泵单元从所述被测定气体侧电极的周围向所述预备室汲入氧。
7.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述被测定气体为内燃机的废气，
所述基准气体为大气，
所述预备泵单元从所述基准电极的周围向所述预备室汲入氧。
8.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述内侧预备泵电极和所述内侧主泵电极均不含有：具有所述催化活性抑制能力的贵金属。
9.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述内侧辅助泵电极包含Au，以此来作为具有所述催化活性抑制能力的贵金属。
10.一种传感器元件，其特征在于，具备：
元件主体，该元件主体具有氧离子传导性的固体电解质层，且在内部设置有供被测定气体导入并流通的被测定气体流通部；
主泵单元，该主泵单元将所述被测定气体流通部之中的第一内部空腔的氧汲出，来调整该第一内部空腔的氧浓度；
辅助泵单元，该辅助泵单元将所述被测定气体流通部之中的设置于所述第一内部空腔的下游侧的第二内部空腔的氧汲出，来调整该第二内部空腔的氧浓度；
预备泵单元，该预备泵单元向所述被测定气体流通部之中的设置于所述第一内部空腔的上游侧的预备室汲入氧；
测定电极，该测定电极配设于所述被测定气体流通部之中的设置于所述第二内部空腔的下游侧的测定室的内周面上；以及
基准电极，该基准电极配设于所述元件主体的内部，且被导入作为所述被测定气体中的特定气体浓度的检测基准的基准气体，
所述预备泵单元具有配设于所述预备室的内侧预备泵电极，
所述主泵单元具有配设于所述第一内部空腔的内侧主泵电极，
所述辅助泵单元具有配设于所述第二内部空腔的内侧辅助泵电极，
所述内侧预备泵电极、所述内侧主泵电极、所述内侧辅助泵电极、以及所述测定电极分别包含：具有催化活性的贵金属，
所述内侧预备泵电极和所述内侧主泵电极中的至少一方不含有：具有能够抑制所述贵金属针对所述特定气体而言的催化活性的催化活性抑制能力的贵金属，
所述内侧辅助泵电极包含：具有所述催化活性抑制能力的贵金属。
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