CN111492236B - 气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及能够对被测定气体中的多种目标成分各自的浓度进行测定的气体传感器。气体传感器具备传感器元件(12)、氧浓度控制机构(102)、以及目标成分浓度获取机构(104)。氧浓度控制机构对第一传感器单元(15A)的第一室和第二室的氧浓度、以及第二传感器单元(15B)的第二室的氧浓度进行控制。目标成分浓度获取机构基于第一泵电流值与第二泵电流值之间的差值ΔIp而获取第二目标成分的浓度，从第二泵电流值(合计浓度)减去第二目标成分的浓度而获取第一目标成分的浓度。

Description

气体传感器
技术领域
本发明涉及能够对被测定气体中的多种目标成分各自的浓度进行测定的气体传感器。
背景技术
以往，已知具有串联2室结构的NOx传感器(串联2室型NOx传感器)以及使用该NOx传感器的NOx测定方法(例如，参照日本特开2015－200643号公报)、使用氧化物半导体电极的混合电位型或者电阻变化型的NO2传感器、或者NH3传感器(例如，参照日本特开2013－068632号公报以及日本特开2009－243942号公报)。
另外，已知利用氧化物半导体电极的混合电位测定NH3浓度的方法。该方法如下：利用其他传感器测定NOx浓度，在不存在NO、NO2的情况下，直接使用氧化物半导体电极的混合电位，在存在NO、NO2的情况下，对氧化物半导体电极的混合电位加以校正(例如，参照日本特表2009－511859号公报)。
发明内容
近年来，呈现出各国加大力度对CO2排出量进行限制的趋势，柴油车的普及率不断增大。利用稀薄燃烧的柴油发动机具有如下缺点：虽然CO2排出量较少，但含有过量氧的尾气中的NOx的净化变得困难。因此，与对于限制CO2排出量的强化同样地，对于NOx排出量的限制也不断强化。目前，能够不使CO2排出量即燃料消耗量受损地进行NOx的净化的选择性还原型催化系统(以下记作SCR系统)占据NOx净化的主流。SCR系统使注入的尿素与尾气发生反应而生成氨，氨与NOx发生反应而分解为N2和O2。在该SCR系统中，为了使NOx净化效率接近100％，需要增加尿素的注入量，不过，如果增加尿素注入量，则有可能导致未反应的氨向大气中排出。因此，追求一种能够将NOx和氨区分开的传感器。
此外，美国正在推进针对氧化催化器(以下记作DOC催化器)、柴油颗粒过滤器(以下记作DPF)、选择性还原型催化器(以下记作SCR催化器)的单独故障诊断的义务的准备。对于DPF、SCR催化器的故障诊断可以利用已有的PM传感器、NOx传感器，但是，对于DOC催化器并未发现有效的故障诊断方法。目前，推荐对200℃以下的低温时在DOC催化器下游漏出的烃(以下记作HC)的量进行测定的方法、以及根据向DOC催化器下游排出的NO与NO2的比率而判断故障的方法等。特别是，与HC流出量的增大相比，先引发NO与NO2的比率中的NO2的减少，因此，作为更安全的故障诊断方法而备受期待。因此，追求一种能够将NO和NO2区分开的传感器。
关于上述的日本特开2015－200643号公报中记载的NOx传感器以及NOx测定方法，将NO、NO2、NH3转化为NO，使转化后的NO分解而生成O2，并对该O2的量、或者浓度进行测定。因此，即便能够测定NO、NO2、NH3的总量，也无法将它们区分开。
关于日本特开2013－068632号公报以及日本特开2009－243942号公报中记载的氧化物半导体电极，NO、NO2的选择性优异，另一方面，针对NO和NO2的灵敏度的输出特性却相反，因此，在NO和NO2共存的气氛下，无法准确地测定NO、或者NO2浓度。
关于日本特表2009－511859号公报中记载的传感器，从氧化物半导体电极在尾气中的不稳定性、以及与基板之间的较弱的密接强度考虑，难以长期地以良好的精度测定NH3浓度。
本发明是考虑到上述这种问题而完成的，其目的在于，提供一种能够长期地以良好的精度测定像尾气那样存在未燃成分、氧时共存的多种成分(例如NO、NO2、NH3)的浓度的气体传感器。
[1]本发明的一个方案是对第一目标成分和第二目标成分的浓度进行测定的气体传感器，其具备：传感器元件，其具有至少由氧离子传导性固体电解质构成的结构体、以及形成于所述结构体的第一传感器单元和第二传感器单元；温度控制机构，其对所述传感器元件的温度进行控制；氧浓度控制机构；以及目标成分浓度获取机构，所述第一传感器单元和第二传感器单元分别朝向气体的导入方向而具备气体导入口、第一扩散速度控制部、第一室、第二扩散速度控制部、第二室、第三扩散速度控制部以及测定室，所述第一传感器单元的所述测定室具备第一目标成分测定泵单元，所述第二传感器单元的所述测定室具备第二目标成分测定泵单元，所述氧浓度控制机构对所述第一传感器单元的所述第一室和所述第二室的氧浓度、以及所述第二传感器单元的所述第二室的氧浓度进行控制，所述目标成分浓度获取机构基于所述第一目标成分测定泵单元中流通的电流值与所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值之间的差值而获取所述第二目标成分的浓度，根据所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值而获取所述第一目标成分和所述第二目标成分的合计浓度，从所述合计浓度减去所述第二目标成分的浓度而获取所述第一目标成分的浓度。
[2]本发明的一个方案中，可以构成为，所述气体传感器具备：预备调整泵单元，其配置于所述第一传感器单元的所述第一室内；第一氧浓度调整泵单元，其配置于所述第一传感器单元的所述第二室内；以及第二氧浓度调整泵单元，其配置于所述第二传感器单元的所述第二室内，所述氧浓度控制机构具备：预备氧浓度控制机构，其对所述预备调整泵单元进行控制，由此控制所述第一传感器单元的所述第一室的氧浓度；第一氧浓度控制机构，其对所述第一氧浓度调整泵单元进行控制，由此控制所述第一传感器单元的所述第二室的氧浓度；以及第二氧浓度控制机构，其对所述第二氧浓度调整泵单元进行控制，由此控制所述第二传感器单元的所述第二室的氧浓度。
[3]本发明的一个方案中，可以构成为，所述第一传感器单元的所述第二室具备：第一主调整室，其与所述第一传感器单元的所述第一室连通；以及第一副调整室，其与所述第一主调整室连通，所述第二传感器单元的所述第二室具备：第二主调整室，其与所述第二传感器单元的所述第一室连通；以及第二副调整室，其与所述第二主调整室连通，所述第一传感器单元的所述测定室与所述第一副调整室连通，所述第二传感器单元的所述测定室与所述第二副调整室连通。
[4]本发明的一个方案中，可以构成为，在所述第一主调整室与所述第一副调整室之间、以及所述第二主调整室与所述第二副调整室之间分别具备第四扩散速度控制部。
[5]本发明的一个方案中，可以构成为，在所述第一传感器单元的所述第一室和所述第二室、以及所述第二传感器单元的所述第二室分别具有泵电极，在所述第一传感器单元的所述测定室以及所述第二传感器单元的所述测定室分别具有测定电极，各所述泵电极由催化活性低于各所述测定电极的催化活性的材料构成。
[6]本发明的一个方案中，可以构成为，所述第一目标成分为NO，所述第二目标成分为NH3。
[7]本发明的一个方案中，可以构成为，所述氧浓度控制机构以将所述第一传感器单元的所述第一室内的NH3氧化但不会使NO分解的条件对所述第一室内的氧浓度进行控制，所述氧浓度控制机构以将所述第二传感器单元的所述第二室内的NH3氧化但不会使NO分解的条件对所述第二室内的氧浓度进行控制。
[8]本发明的一个方案中，可以构成为，所述目标成分浓度获取机构使用如下第一映射，对于实际使用的所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值、以及所述第一目标成分测定泵单元中流通的电流值与所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值之间的差值，将它们与所述第一映射进行比较而求出NO及NH3各自的浓度，在上述第一映射中，根据预先通过实验而测定的、所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值、以及所述第一目标成分测定泵单元中流通的电流值与所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值之间的差值而分别确定NO浓度及NH3浓度的关系。
[9]本发明的一个方案中，可以构成为，所述第一目标成分为NO，所述第二目标成分为NO2。
[10]本发明的一个方案中，可以构成为，所述氧浓度控制机构以将所述第一传感器单元的所述第一室内的NO2分解但不会使NO分解的条件对所述第一室内的氧浓度进行控制，所述氧浓度控制机构以将所述第二传感器单元的所述第二室内的NO2分解但不会使NO分解的条件对所述第二室内的氧浓度进行控制。
[11]本发明的一个方案中，可以构成为，所述目标成分浓度获取机构使用如下第二映射，对于实际使用的所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值、以及所述第一目标成分测定泵单元中流通的电流值与所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值之间的差值，将它们与所述第二映射进行比较而求出NO及NO2各自的浓度，在上述第二映射中，根据预先通过实验而测定的、所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值、以及所述第一目标成分测定泵单元中流通的电流值与所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值之间的差值而分别确定NO浓度及NO2浓度的关系。
[12]本发明的一个方案中，可以构成为，所述气体传感器具备氧浓度控制机构，该氧浓度控制机构基于所述第二氧浓度调整泵单元中流通的泵电流值而测定氧浓度。
[13]本发明的一个方案中，可以构成为，在所述第一传感器单元的至少所述第二室的外侧配置的第一外侧泵电极、和在所述第二传感器单元的至少所述第二室的外侧配置的第二外侧泵电极通用。
[14]本发明的一个方案中，可以构成为，所述第一目标成分测定泵单元具有：第一测定电极，其配置于所述第一传感器单元的所述测定室内；以及第一基准电极，其配置于所述传感器元件的基准气体导入空间，所述第二目标成分测定泵单元具有：第二测定电极，其配置于所述第二传感器单元的所述测定室内；以及第二基准电极，其配置于所述传感器元件的所述基准气体导入空间，所述第一基准电极和所述第二基准电极通用。
[15]本发明的一个方案中，可以构成为，代替所述第二传感器单元的所述第一室而将所述第二传感器单元的所述第一扩散速度控制部的扩散阻力值设为所述第一传感器单元的气体导入口、第一扩散速度控制部、第一室、第二扩散速度控制部的扩散阻力值的合计值大致相同。
[16]本发明的一个方案中，可以构成为，省略所述第一传感器单元的所述第一副调整室以及所述第二传感器单元的所述第二副调整室。由此，可以根据本发明的使用环境的氧浓度变化而追加第一传感器单元及第二传感器单元的输出校正机构。
[17]本发明的一个方案中，可以构成为，所述第一传感器单元和所述第二传感器单元配置成在所述传感器元件的厚度方向上大致对称。
根据本发明所涉及的气体传感器，能够长期地以良好的精度测定像尾气那样存在未燃成分、氧时共存的多种成分(例如NO、NO2、NH3)的浓度。
附图说明
图1是示出了第一实施方式所涉及的气体传感器(第一气体传感器)及第二实施方式所涉及的气体传感器(第二气体传感器)的一结构例的剖面图(图2中的I－I线上的剖面图：省略剖面线)。
图2是示出了第一气体传感器及第二气体传感器的第一传感器单元的一结构例的剖面图(图1中的II－II线上的剖面图)。
图3是示出了第一气体传感器及第二气体传感器的第二传感器单元的一结构例的剖面图(图1中的III－III线上的剖面图)。
图4是示意性地示出了第一气体传感器的结构图。
图5是示意性地示出了第一气体传感器中的第一传感器单元的预备调整室内、第一氧浓度调整室内及第一测定室内、以及第二传感器单元的扩散阻力调整室内、第二氧浓度调整室内及第二测定室内的反应的说明图。
图6是将第一气体传感器中使用的第一映射以曲线图的形式示出的图。
图7是将第一气体传感器中使用的第一映射以表格的形式示出的说明图。
图8是将用于确认第一映射的可靠性的测定结果以表格的形式示出的说明图。
图9是示意性地示出了第二气体传感器的结构图。
图10是示意性地示出了第二气体传感器中的第一传感器单元的预备调整室内、第一氧浓度调整室内及第一测定室内、以及第二传感器单元的扩散阻力调整室内、第二氧浓度调整室内及第二测定室内的反应的说明图。
图11是示出了第三实施方式所涉及的气体传感器(第三气体传感器)的一结构例的剖面图(省略剖面线)。
图12是示意性地示出了第三气体传感器的结构图。
图13是示出了第四实施方式所涉及的气体传感器(第四气体传感器)的一结构例的剖面图(省略剖面线)。
图14是示意性地示出了第四气体传感器的结构图。
图15是示出了第五实施方式所涉及的气体传感器(第五气体传感器)的一结构例的剖面图。
具体实施方式
以下，参照图1～图15，对本发明所涉及的气体传感器的实施方式例进行说明。此外，本说明书中，表示数值范围的“～”意味着包含其前后记载的数值作为下限值以及上限值而使用。
首先，如图1～图3所示，第一实施方式所涉及的气体传感器(以下记作第一气体传感器10A)具有传感器元件12。传感器元件12具有：由氧离子传导性固体电解质构成的结构体14；以及形成于结构体14的第一传感器单元15A和第二传感器单元15B。
此处，如果将结构体14的厚度方向定义为纵向、且将结构体14的宽度方向定义为横向，则第一传感器单元15A和第二传感器单元15B以在横向上排列的状态设置于结构体14中。
如图1所示，第一传感器单元15A具有：第一气体导入口16A，其形成于结构体14，被测定气体从该第一气体导入口16A导入；第一氧浓度调整室18A，其形成于结构体14内且与第一气体导入口16A连通；以及第一测定室20A，其形成于结构体14内且与第一氧浓度调整室18A连通。
第一氧浓度调整室18A具有：第一主调整室18Aa，其与第一气体导入口16A连通；以及第一副调整室18Ab，其与第一主调整室18Aa连通。第一测定室20A与第一副调整室18Ab连通。
此外，该第一传感器单元15A具有预备调整室22，该预备调整室22设置于结构体14中的、第一气体导入口16A与第一主调整室18Aa之间，且与第一气体导入口16A连通。
另一方面，如图3所示，第二传感器单元15B具有：第二气体导入口16B，其形成于结构体14，被测定气体从该第二气体导入口16B导入；第二氧浓度调整室18B，其形成于结构体14内且与第二气体导入口16B连通；以及第二测定室20B，其形成于结构体14内且与第二氧浓度调整室18B连通。
第二氧浓度调整室18B具有：第二主调整室18Ba，其与第二气体导入口16B连通；以及第二副调整室18Bb，其与第二主调整室18Ba连通。第二测定室20B与第二副调整室18Bb连通。
此外，该第二传感器单元15B具有扩散阻力调整室24(第二传感器单元15B的第一室)，该扩散阻力调整室24设置于结构体14中的、第二气体导入口16B与第二主调整室18Ba之间，且与第二气体导入口16B连通。
具体而言，如图2及图3所示，结构体14构成为：第一基板层26a、第二基板层26b、第三基板层26c、第一固体电解质层28、隔离层30以及第二固体电解质层32这六个层在附图中自下侧开始按照上述顺序层叠。各层分别由氧化锆(ZrO2)等氧离子传导性固体电解质层构成。
如图2所示，第一传感器单元15A在传感器元件12的前端部侧、且在第二固体电解质层32的下表面与第一固体电解质层28的上表面之间，具备第一气体导入口16A、第一扩散速度控制部34A、预备调整室22、第二扩散速度控制部36A、第一氧浓度调整室18A、第三扩散速度控制部38A以及第一测定室20A。另外，在构成第一氧浓度调整室18A的第一主调整室18Aa与第一副调整室18Ab之间具备第四扩散速度控制部40A。
上述第一气体导入口16A、第一扩散速度控制部34A、预备调整室22、第二扩散速度控制部36A、第一主调整室18Aa、第四扩散速度控制部40A、第一副调整室18Ab、第三扩散速度控制部38A、以及第一测定室20A以按照上述顺序连通的方式而相邻地形成。将从第一气体导入口16A至第一测定室20A的部位还称为第一气体流通部。
第一气体导入口16A、预备调整室22、第一主调整室18Aa、第一副调整室18Ab以及第一测定室20A是以将隔离层30挖穿的方式设置的内部空间。预备调整室22、第一主调整室18Aa、第一副调整室18Ab、以及第一测定室20A各自的上部均由第二固体电解质层32的下表面区划而成，各自的下部均由第一固体电解质层28的上表面区划而成，各自的侧部均由隔离层30的侧面区划而成。
对于第二传感器单元15B也一样，如图3所示，在传感器元件12的前端部侧、且在第二固体电解质层32的下表面与第一固体电解质层28的上表面之间，具备第二气体导入口16B、第一扩散速度控制部34B、扩散阻力调整室24、第二扩散速度控制部36B、第二氧浓度调整室18B、第三扩散速度控制部38B、以及第二测定室20B。另外，在构成第二氧浓度调整室18B的第二主调整室18Ba与第二副调整室18Bb之间具备第四扩散速度控制部40B。
上述第二气体导入口16B、第一扩散速度控制部34B、扩散阻力调整室24、第二扩散速度控制部36B、第二主调整室18Ba、第四扩散速度控制部40B、第二副调整室18Bb、第三扩散速度控制部38B、以及第二测定室20B以按照上述顺序连通的方式而相邻地形成。将从第二气体导入口16B至第二测定室20B的部位还称为第二气体流通部。
第二气体导入口16B、扩散阻力调整室24、第二主调整室18Ba、第二副调整室18Bb、以及第二测定室20B是以将隔离层30挖穿的方式设置的内部空间。扩散阻力调整室24、第二主调整室18Ba、第二副调整室18Bb、以及第二测定室20B各自的上部均由第二固体电解质层32的下表面区划而成，各自的下部均由第一固体电解质层28的上表面区划而成，各自的侧部均由隔离层30的侧面区划而成。
对于第一传感器单元15A及第二传感器单元15B，第一扩散速度控制部(34A、34B)、第三扩散速度控制部(38A、38B)以及第四扩散速度控制部(40A、40B)均设置成2条横长的狭缝(开口所具有的长度方向处于与附图垂直的方向上)。第二扩散速度控制部(36A、36B)设置为1条横长的狭缝(开口所具有的长度方向处于与附图垂直的方向上)。
另外，在第三基板层26c的上表面与隔离层30的下表面之间、且在分别与第一气体流通部及第二气体流通部相比更远离前端侧的位置，设置有对于第一传感器单元15A及第二传感器单元15B通用的基准气体导入空间41。基准气体导入空间41是如下内部空间，该内部空间的上部由隔离层30的下表面区划而成，该内部空间的下部由第三基板层26c的上表面区划而成，该内部空间的侧部由第一固体电解质层28的侧面区划而成。例如氧、大气作为基准气体而导入至基准气体导入空间41。
第一气体导入口16A及第二气体导入口16B是相对于外部空间而开口的部位，被测定气体通过该第一气体导入口16A及第二气体导入口16B而从外部空间进入第一传感器单元15A内及第二传感器单元15B内。
第一传感器单元15A的第一扩散速度控制部34A是对从第一气体导入口16A向预备调整室22导入的被测定气体施加规定的扩散阻力的部位。下文中对预备调整室22进行说明。第二传感器单元15B的第一扩散速度控制部34B是对从第二气体导入口16B向扩散阻力调整室24导入的被测定气体施加规定的扩散阻力的部位。
第一传感器单元15A的第二扩散速度控制部36A是对从预备调整室22向第一主调整室18Aa导入的被测定气体施加规定的扩散阻力的部位。第二传感器单元15B的第二扩散速度控制部36B是对从扩散阻力调整室24向第二主调整室18Ba导入的被测定气体施加规定的扩散阻力的部位。
第一主调整室18Aa设置成用于对从第一气体导入口16A导入的被测定气体中的氧分压进行调整的空间。后述的第一主泵单元42A工作而对氧分压进行调整。同样地，第二主调整室18Ba设置成用于对从第二气体导入口16B导入的被测定气体中的氧分压进行调整的空间。后述的第二主泵单元42B工作而对氧分压进行调整。
第一主泵单元42A是构成为包括第一主内侧泵电极44A、对于第一传感器单元15A及第二传感器单元15B通用的外侧泵电极46、以及被这些电极夹持的氧离子传导性固体电解质的第一电化学泵单元(主电化学泵单元)。第一主内侧泵电极44A设置于：区划出第一主调整室18Aa的第一固体电解质层28的上表面、第二固体电解质层32的下表面、以及隔离层30的侧面各自的大致整个面。通用的外侧泵电极46以暴露于外部空间中的方式从第二固体电解质层32的上表面的与第一主内侧泵电极44A对应的区域设置至与第二主内侧泵电极44B(第二传感器单元15B)对应的区域。
第一主泵单元42A利用配备于传感器元件12外部的第一传感器单元用的第一可变电源48A而施加第一泵电压Vp1，使第一泵电流Ip1在通用的外侧泵电极46与第一主内侧泵电极44A之间流通，由此，能够将第一主调整室18Aa内的氧吸出到外部空间、或者将外部空间的氧吸入至第一主调整室18Aa内。
另外，第一传感器单元15A具有作为电化学传感器单元的第一氧分压检测传感器单元50A。该第一氧分压检测传感器单元50A构成为包括：第一主内侧泵电极44A；由第三基板层26c的上表面和第一固体电解质层28夹持的通用的基准电极52；以及由这些电极夹持的氧离子传导性固体电解质。通用的基准电极52是由与通用的外侧泵电极46等同样的多孔质金属陶瓷构成、且俯视时大致呈矩形的电极。另外，在通用的基准电极52的周围，设置有由多孔质氧化铝构成、且与通用的基准气体导入空间41连通的通用的基准气体导入层54。即，基准气体导入空间41的基准气体经由基准气体导入层54而导入至基准电极52的表面。第一氧分压检测传感器单元50A因第一主调整室18Aa内的气氛与基准气体导入空间41的基准气体之间的氧浓度差而在第一主内侧泵电极44A与基准电极52之间产生第一电动势V1。
第一氧分压检测传感器单元50A中产生的第一电动势V1根据第一主调整室18Aa中存在的气氛的氧分压而发生变化。第一传感器单元15A利用上述第一电动势V1而对第一主泵单元42A的第一可变电源48A进行反馈控制。由此，能够根据第一主调整室18Aa的气氛的氧分压而对由第一可变电源48A施加于第一主泵单元42A的第一泵电压Vp1进行控制。
第四扩散速度控制部40A是对被测定气体施加规定的扩散阻力、且将该被测定气体导入至第一副调整室18Ab的部位，其中，被测定气体是通过第一主泵单元42A在第一主调整室18Aa进行的动作而对氧浓度(氧分压)进行了控制的气体。
第一副调整室18Ab设置成用于进行下述处理的空间：预先在第一主调整室18Aa对氧浓度(氧分压)进行调整，然后进一步利用后述的第一辅助泵单元56A对通过第四扩散速度控制部40A而导入的被测定气体的氧分压进行调整。由此，能够高精度地将第一副调整室18Ab内的氧浓度保持恒定，因此，该第一传感器单元15A能够高精度地测定NOx浓度。
第一辅助泵单元56A是电化学泵单元，其构成为包括第一辅助泵电极58A、通用的外侧泵电极46、以及第二固体电解质层32，其中，第一辅助泵电极58A设置于面向第一副调整室18Ab的第二固体电解质层32下表面的大致整个面。
此外，关于第一辅助泵电极58A，也与第一主内侧泵电极44A同样地利用减弱了针对被测定气体中的NOx成分的还原能力的材料而形成。
第一辅助泵单元56A对第一辅助泵电极58A与外侧泵电极46之间施加期望的第二电压Vp2，由此，能够将第一副调整室18Ab内的气氛中的氧吸出到外部空间、或者从外部空间将氧吸入至第一副调整室18Ab内。
另外，为了控制第一副调整室18Ab内的气氛中的氧分压，电化学传感器单元、即第一辅助泵控制用的第二氧分压检测传感器单元50B构成为包括第一辅助泵电极58A、基准电极52、第二固体电解质层32、隔离层30、以及第一固体电解质层28。
此外，第一辅助泵单元56A利用第二可变电源48B进行泵送，基于由上述第二氧分压检测传感器单元50B检测出的第二电动势V2而对该第二可变电源48B的电压进行控制。由此，第一副调整室18Ab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，第一辅助泵单元56A的第二泵电流值Ip2用于对第二氧分压检测传感器单元50B的第二电动势V2的控制。具体而言，第二泵电流值Ip2作为控制信号输入至第二氧分压检测传感器单元50B而对其第二电动势V2进行控制，由此，通过第四扩散速度控制部40A导入至第一副调整室18Ab内的被测定气体中的氧分压的梯度被控制为始终恒定。另外，如果对第一主泵单元42A的第一可变电源48A进行反馈控制以使得第二泵电流值Ip2恒定，则对第一副调整室18Ab内的氧分压的控制精度进一步提高。在将第一传感器单元15A用作NOx传感器时，通过第一主泵单元42A和第一辅助泵单元56A的作用而以良好的精度将第一副调整室18Ab内的氧浓度保持为各条件下的规定值。
第三扩散速度控制部38A是对被测定气体施加规定的扩散阻力、且将该被测定气体导入至第一测定室20A的部位，其中，被测定气体是通过第一辅助泵单元56A在第一副调整室18Ab进行的动作而对氧浓度(氧分压)进行了控制的气体。
第一传感器单元15A中，主要通过第一测定室20A内设置的第一测定用泵单元60A的动作而进行NOx浓度的测定。第一测定用泵单元60A是构成为包括第一测定电极62A、通用的外侧泵电极46、第二固体电解质层32、隔离层30、以及第一固体电解质层28的电化学泵单元。第一测定电极62A是直接设置于第一测定室20A内的例如第一固体电解质层28的上表面、且由针对被测定气体中的NOx成分的还原能力高于第一主内侧泵电极44A的材料构成的多孔质金属陶瓷电极。第一测定电极62A还作为对第一测定电极62A上的气氛中存在的NOx进行还原的NOx还原催化器而发挥作用。
第一测定用泵单元60A能够将因第一测定电极62A的周围(第一测定室20A内)的气氛中的氮氧化物分解而产生的氧吸出，从而能够作为第三泵电流值Ip3、即第一传感器单元15A的传感器输出(第一测定泵电流值Ip3)而检测出其生成量。
另外，为了检测第一测定电极62A的周围(第一测定室20A内)的氧分压，电化学传感器单元、即测定用泵控制用的第三氧分压检测传感器单元50C构成为包括第一固体电解质层28、第一测定电极62A、以及基准电极52。基于由第三氧分压检测传感器单元50C检测出的第三电动势V3而控制第三可变电源48C。
导入至第一副调整室18Ab内的被测定气体在氧分压被控制的状况下通过第三扩散速度控制部38A而到达第一测定室20A内的第一测定电极62A。第一测定电极62A的周围的被测定气体中的氮氧化物被还原而生成氧。并且，利用第一测定用泵单元60A对该生成的氧进行泵送。此时，对第三可变电源48C的第三电压Vp3进行控制，以使得由第三氧分压检测传感器单元50C检测出的第三电动势V3恒定。在第一测定电极62A的周围生成的氧的量与被测定气体中的氮氧化物的浓度成正比。因此，能够利用第一测定用泵单元60A的第一测定泵电流值Ip3对被测定气体中的氮氧化物浓度进行计算。即，第一测定用泵单元60A测定第一测定室20A内的特定成分(NO)的浓度。
此外，第一传感器单元15A以由第二基板层26b和第三基板层26c从上下方夹持的方式形成有第一加热器72A。通过设置于第一基板层26a的下表面的未图示的加热器电极从外部对第一加热器72A供电而使其发热。第一加热器72A发热而使得构成第一传感器单元15A的固体电解质的氧离子传导性提高。第一加热器72A埋设于预备调整室22、第一氧浓度调整室18A、以及第一测定室20A的整个区域，能够将第一传感器单元15A的规定场所加热到规定的温度并保温。此外，出于得到与第二基板层26b及第三基板层26c之间的电绝缘性的目的，在第一加热器72A的上下表面形成有由氧化铝等构成的第一加热器绝缘层74A。
并且，预备调整室22作为用于对从第一气体导入口16A导入的被测定气体中的氧分压进行调整的空间而发挥作用。后述的预备泵单元80工作而对氧分压进行调整。
预备泵单元80是构成为包括预备泵电极82、外侧泵电极46、以及第二固体电解质层32的预备电化学泵单元，其中，预备泵电极82设置于面向预备调整室22的第二固体电解质层32的下表面的大致整个面。
此外，与第一主内侧泵电极44A相同，预备泵电极82也利用减弱了针对被测定气体中的NOx成分的还原能力的材料而形成。
预备泵单元80对预备泵电极82与外侧泵电极46之间施加期望的预备电压Vp0，由此能够将预备调整室22内的气氛中的氧吸出到外部空间、或者能够从外部空间将氧吸入至预备调整室22内。
另外，该第一传感器单元15A为了控制预备调整室22内的气氛中的氧分压而具有预备泵控制用的预备氧分压检测传感器单元84。该预备氧分压检测传感器单元84具有预备泵电极82、基准电极52、第二固体电解质层32、隔离层30、以及第一固体电解质层28。
此外，预备泵单元80利用预备可变电源86进行泵送，基于由上述预备氧分压检测传感器单元84检测出的预备电动势V0而对该预备可变电源86的电压进行控制。由此，预备调整室22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，其预备泵电流值Ip0用于对预备氧分压检测传感器单元84的电动势的控制。具体而言，预备泵电流值Ip0作为控制信号输入至预备氧分压检测传感器单元84而对其其预备电动势V0进行控制，由此，从第一扩散速度控制部34A导入至预备调整室22内的被测定气体中的氧分压的梯度被控制为始终恒定。
此外，预备调整室22还作为缓冲空间而发挥作用。即，能够消除因外部空间中的被测定气体的压力变动(被测定气体为汽车的尾气的情况下，是排气压力的脉动)而产生的被测定气体的浓度变动。
另一方面，如图3所示，第二传感器单元15B具有第二主泵单元42B、第二辅助泵单元56B、第四氧分压检测传感器单元50D、第五氧分压检测传感器单元50E、以及第六氧分压检测传感器单元50F。
与第一主泵单元42A相同，第二主泵单元42B是构成为包括第二主内侧泵电极44B、通用的外侧泵电极46、以及被这些电极夹持的氧离子传导性固体电解质的第二电化学泵单元(主电化学泵单元)。
利用第二传感器单元用的第四可变电源48D施加第四泵电压Vp4而使得第四泵电流Ip4在通用的外侧泵电极46与第二主内侧泵电极44B之间流通，由此，能够将第二主调整室18Ba内的氧吸出到外部空间、或者将外部空间的氧吸入至第二主调整室18Ba内。
与上述第一辅助泵单元56A相同，第二辅助泵单元56B是电化学泵单元、且构成为包括第二辅助泵电极58B、通用的外侧泵电极46、以及第二固体电解质层32，其中，第二辅助泵电极58B设置于面向第二副调整室18Bb的第二固体电解质层32下表面的大致整个面。
第二辅助泵单元56B对第二辅助泵电极58B与外侧泵电极46之间施加期望的第五电压Vp5，由此，能够将第二副调整室18Bb内的气氛中的氧吸出到外部空间、或者从外部空间将氧吸入至第二副调整室18Bb内。
与第一氧分压检测传感器单元50A相同，第四氧分压检测传感器单元50D构成为包括第二主内侧泵电极44B、被第三基板层26c的上表面和第二固体电解质层28夹持的通用的基准电极52、以及被这些电极夹持的氧离子传导性固体电解质。
该第四氧分压检测传感器单元50D因第二主调整室18Ba内的气氛与基准气体导入空间41的基准气体之间的氧浓度差而在第二主内侧泵电极44B与基准电极52之间产生第四电动势V4。
第四氧分压检测传感器单元50D中产生的第四电动势V4根据第二主调整室18Ba中存在的气氛的氧分压而发生变化。第二传感器单元15B利用上述第四电动势V4而对第二主泵单元42B的第四可变电源48D进行反馈控制。由此，能够根据第二主调整室18Ba的气氛的氧分压而对由第四可变电源48D施加于第二主泵单元42B的第四泵电压Vp4进行控制。
另外，为了控制第二副调整室18Bb内的气氛中的氧分压，电化学传感器单元、即第二辅助泵控制用的第五氧分压检测传感器单元50E构成为包括第二辅助泵电极58B、基准电极52、第二固体电解质层32、隔离层30、以及第一固体电解质层28。
第二辅助泵单元56B利用第五可变电源48E进行泵送，基于由上述第五氧分压检测传感器单元50E检测出的第五电动势V5而对该第五可变电源48E的电压进行控制。由此，第二副调整室18Bb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。
与此同时，第二辅助泵单元56B的第五泵电流值Ip5用于对第五氧分压检测传感器单元50E的第五电动势V5的控制。即，导入到第二副调整室18Bb内的被测定气体中的氧分压的梯度被控制为始终恒定。
另外，为了检测出第二测定电极62B的周围(第二测定室20B内)的氧分压，电化学传感器单元、即测定用泵控制用的第六氧分压检测传感器单元50F构成为包括第一固体电解质层28、第二测定电极62B、以及基准电极52。基于由第六氧分压检测传感器单元50F检测出的第六电动势V6而控制第六可变电源48F。
导入到第二副调整室18Bb内的被测定气体在氧分压被控制的状况下通过第三扩散速度控制部38B而到达第二测定室20B内的第二测定电极62B。第二测定电极62B的周围的被测定气体中的氮氧化物被还原而生成氧。并且，利用第二测定用泵单元60B对该生成的氧进行泵送。此时，对第六可变电源48F的第六电压Vp6进行控制，以使得由第六氧分压检测传感器单元50F检测出的第六电动势V6恒定。在第二测定电极62B的周围生成的氧的量与被测定气体中的氮氧化物的浓度成正比。因此，能够利用第二测定用泵单元60B的第二测定泵电流值Ip6而计算出被测定气体中的氮氧化物浓度。即，第二测定用泵单元60B对第二测定室20B内的特定成分(NO)的浓度进行测定。
另外，该第二传感器单元15B具有电化学氧检测单元70。该氧检测单元70具有第二固体电解质层32、隔离层30、第一固体电解质层28、第三基板层26c、外侧泵电极46、以及基准电极52。利用由该氧检测单元70得到的电动势Vr而能够检测出传感器元件12的外部的被测定气体中的氧分压。
另外，第二传感器单元15B以被第二基板层26b和第三基板层26c从上下方夹持的方式形成有与上述第一加热器72A同样的第二加热器72B。第二加热器72B埋设于扩散阻力调整室24、第二氧浓度调整室18B、以及第二测定室20B的整个区域，能够将第二传感器单元15B的规定场所加热到规定的温度并保温。此外，出于得到与第二基板层26b及第三基板层26c之间的电绝缘性的目的，在第二加热器72B的上下表面也形成有由氧化铝等构成的第二加热器绝缘层74B。此外，第一加热器72A和第二加热器72B可以由通用的1个加热器构成，此时，第一加热器绝缘层74A和第二加热器绝缘层74B也通用。
扩散阻力调整室24还作为缓冲空间而发挥作用。即，能够消除因外部空间中的被测定气体的压力变动(被测定气体为汽车的尾气的情况下，是排气压力的脉动)而产生的被测定气体的浓度变动。
此外，如图4示意性所示，第一气体传感器10A具有温度控制机构100、氧浓度控制机构102以及目标成分浓度获取机构104。
温度控制机构100控制对传感器元件12的第一加热器72A及第二加热器72B的通电，由此控制第一传感器单元15A及第二传感器单元15B的温度。
氧浓度控制机构102具有：第一氧浓度控制部106A，其对第一传感器单元15A的第一氧浓度调整室18A内的氧浓度进行控制；第二氧浓度控制部106B，其对第二传感器单元15B的第二氧浓度调整室18B内的氧浓度进行控制；以及预备氧浓度控制部108，其对第一传感器单元15A的预备调整室22内的氧浓度进行控制。
目标成分浓度获取机构104基于第一传感器单元15A的第一测定用泵单元60A中流通的第一测定泵电流值Ip3与第二传感器单元15B的第二测定用泵单元60B中流通的第二测定泵电流值Ip6之间的差值(变化量ΔIp)、第二测定泵电流值Ip6(合计浓度)、以及后述的第一映射110A，而获取第一目标成分(NO)的浓度和第二目标成分(NH3)的浓度。
此外，温度控制机构100、氧浓度控制机构102以及目标成分浓度获取机构104由具有例如1个或多个CPU(中央处理单元)和存储装置等的1个以上的电子电路构成。电子电路还是通过CPU执行例如存储于存储装置的程序而实现规定的功能的软件功能部。当然，也可以为根据功能将多个电子电路连接而成的FPGA(Field－Programmable Gate Array)等集成电路。
以往的具有串联二室结构的NOx传感器对于NO、NH3的目标成分在氧浓度调整室内将它们全部都转化为NO，然后将它们向测定室导入而测定这2种成分的总量。即，无法测定2种目标成分各自的浓度、即NO及NH3各自的浓度。
与此相对，第一气体传感器10A具备上述的第一传感器单元15A、第二传感器单元15B、温度控制机构100、氧浓度控制机构102以及目标成分浓度获取机构104，由此能够测定NO及NH3各自的浓度。
温度控制机构100基于预先设定的传感器温度的条件和来自对传感器元件12的温度进行测量的温度传感器(未图示)的测量值，对第一加热器72A及第二加热器72B进行反馈控制，由此，将传感器元件12的温度调整为符合上述条件的温度。
氧浓度控制机构102的第一氧浓度控制部106A基于预先设定的第一氧浓度调整室18A内的氧浓度的条件、和第一氧分压检测传感器单元50A(参照图2)中产生的第一电动势V1，对第一可变电源48A进行反馈控制，由此，将第一氧浓度调整室18A内的氧浓度调整为符合上述条件的浓度。
氧浓度控制机构102的第二氧浓度控制部106B基于预先设定的第二氧浓度调整室18B内的氧浓度的条件、和第四氧分压检测传感器单元50D(参照图3)中产生的第四电动势V4，对第四可变电源48D进行反馈控制，由此，将第二氧浓度调整室18B内的氧浓度调整为符合上述条件的浓度。
通过上述氧浓度控制机构102或温度控制机构100的单独动作、或者氧浓度控制机构102及温度控制机构100的协同动作对第一气体传感器10A进行如下控制：以能够用于NH3的测定的比率将第一氧浓度调整室18A内及第二氧浓度调整室18B内的NH3转化为NO但不会使NO分解。
氧浓度控制机构102的预备氧浓度控制部108基于预先设定的氧浓度的条件、和预备氧分压检测传感器单元84(参照图2)中产生的预备电动势V0，对预备可变电源86进行反馈控制，由此，将预备调整室22内的氧浓度调整为符合条件的浓度。利用该预备氧浓度控制部108以能够用于NH3的测定的比率将第一传感器单元15A中的预备调整室22内的NH3转化为NO但不会使NO分解。
此处，还参照图5对第一气体传感器10A的处理动作进行说明。
首先，如图5所示，第一传感器单元15A中，通过第一气体导入口16A而导入至预备调整室22的NH3在预备调整室22内引起NH3→NO的氧化反应，使得通过第一气体导入口16A而导入的所有NH3都转化为NO。因此，NH3以NH3的扩散系数2.2cm2/sec从第一扩散速度控制部34A通过，不过，在比预备调整室22更靠里侧的第二扩散速度控制部36A以后，以NO的扩散系数1.8cm2/sec向第一测定室20A移动。
另一方面，第二传感器单元15B中，通过第二气体导入口16B而导入的NH3到达第二氧浓度调整室18B。在第二氧浓度调整室18B中，由于利用氧浓度控制机构102(参照图4)进行控制以使得NH3全部都转化为NO，所以，流入至第二氧浓度调整室18B的NH3在第二氧浓度调整室18B内引起NH3→NO的氧化反应，第二氧浓度调整室18B内的所有NH3都转化为NO。因此，通过第二气体导入口16B而导入的NH3以NH3的扩散系数2.2cm2/sec从第一扩散速度控制部34B及第二扩散速度控制部36B通过，在第二氧浓度调整室18B内转化为NO之后，以NO的扩散系数1.8cm2/sec从第三扩散速度控制部38B通过并向相邻的第二测定室20B内移动。
即，第一传感器单元15A中，引起NH3的氧化反应的场所为预备调整室22，第二传感器单元15B中，引起NH3的氧化反应的场所为第二氧浓度调整室18B。NO、NH3具有各不相同的扩散系数，因此，由NO通过第二扩散速度控制部(36A、36B)还是由NH3通过第二扩散速度控制部(36A、36B)的差异相当于向第一测定室20A及第二测定室20B流入的NO量的差异。这使得第一测定用泵单元60A的第一测定泵电流值Ip3和第二测定用泵单元60B的第二测定泵电流值Ip6产生差异。不过，第二测定用泵单元60B的第二测定泵电流值Ip6相当于被测定气体中的NH3浓度和NO浓度的合计值。
并且，第一测定泵电流值Ip3与第二测定泵电流值Ip6之间的变化量ΔIp根据被测定气体中的NH3的浓度而发生变化。因此，根据第二测定用泵单元60B中流通的第二测定泵电流值Ip6(NO与NH3的合计浓度)、以及上述变化量ΔIp(NH3的浓度)，能够获取NO和NH3各自的浓度。
因此，目标成分浓度获取机构104(参照图4)中，基于第一测定泵电流值Ip3与第二测定泵电流值Ip6之间的变化量ΔIp、以及第二测定泵电流值Ip6并基于例如第一映射110A(参照图6)而获取NO及NH3各自的浓度。
以曲线图的形式示出第一映射110A，如图6所示，其为如下图表：横轴设定为第二测定泵电流值Ip6(μA)，纵轴设定为第一测定泵电流值Ip3与第二测定泵电流值Ip6之间的变化量ΔIp(μA)。图6中，代表性地示出了第一特性线L1及第二特性线L2、NO浓度换算值为100ppm体系、50ppm体系以及25ppm体系中的变化量ΔIp的第一图形组P1、第二图形组P2以及第三图形组P3。
第一特性线L1表示在NO的浓度换算值为0ppm的情况下、即被测定气体中不含NO的情况下，使NH3的浓度换算值变化为0ppm、25ppm、50ppm、75ppm以及100ppm时的特性。
第二特性线L2表示在NH3的浓度换算值为0ppm的情况下、即被测定气体中不含NH3的情况下，使NO的浓度换算值变化为0ppm、25ppm、50ppm、75ppm以及100ppm时的特性。
将图6的曲线图以容易理解的表格的形式示出而得到图7所示的内容。这些内容可以通过实施例如后述的实验1～5来求出。
图7的表中，第一栏[1]的内容与图6中的第一特性线L1对应，第二栏[2]的内容与图6中的第二特性线L2对应。对[1]及[2]进行比较可知，NH3具有NO的1.14倍的灵敏度。出现该现象是因为NH3和NO的扩散系数不同，还取决于传感器元件12的温度、内部空腔内的氧浓度。另外，图7的表中，第三栏[3]的内容与图6中的第一图形组P1对应，第四栏[4]的内容与图6中的第二图形组P2对应，第五栏[5]的内容与图6中的第三图形组P3对应。
并且，参照图7中的、第三栏[3]、第四栏[4]以及第五栏[5]的内容，基于第二测定泵电流值Ip6而推断出合计浓度(NO换算值)、即100ppm体系、50ppm体系、25ppm体系中的哪一个，基于变化量ΔIp而获取NH3浓度，从合计浓度减去NH3浓度而获取NO浓度。
例如，在第二测定泵电流值Ip6为0.537(μA)的情况下，根据图7的第五栏[5]而推断出合计浓度为25ppm体系。然后，在变化量ΔIp为0.041(μA)时，根据图7的第五栏[5]可知，NH3浓度为4.4ppm。因此，考虑到NH3和NO的灵敏度差，NO浓度为25－4.4×1.14＝约20.0ppm。
此外，在第一映射110A上不存在该变化量ΔIp的情况下，在映射上确定最近的变化量ΔIp而推断出合计浓度，并且，例如通过已知的近似计算求出NH3浓度即可。然后，从推断出的合计浓度减去通过近似计算求出的NH3浓度而求出NO浓度即可。或者，可以基于NH3、NO各自的浓度、ΔIp、以及Ip6的相关式计算出作为第二目标成分的NH3的浓度，并从合计浓度减去第二目标成分的浓度而计算出第一目标成分、即NO的浓度。
此处，对用于得到第一映射110A的实验例进行说明。
(1)制作上述传感器元件12，对金属零部件进行组装而形成为传感器形状，安装于试样气体测定装置，利用传感器元件12中内置的第一加热器72A及第二加热器72B将传感器元件12加热到大致800℃。
(2)对第一主内侧泵电极44A与外侧泵电极46之间的施加电压、以及第二主内侧泵电极44B与外侧泵电极46之间的施加电压进行反馈控制，以使得第一传感器单元15A的第一主内侧泵电极44A与基准电极52之间的电动势、以及第二传感器单元15B的第二主内侧泵电极44B与基准电极52之间的电动势达到230mV。
(3)接下来，对第一辅助泵电极58A与外侧泵电极46之间的施加电压、以及第二辅助泵电极58B与外侧泵电极46之间的施加电压进行反馈控制，以使得第一传感器单元15A的第一辅助泵电极58A与基准电极52之间的电动势、以及第二传感器单元15B的第二辅助泵电极58B与基准电极52之间的电动势达到380mV。
(4)进而，对第一测定电极62A与外侧泵电极46之间的施加电压、以及第二测定电极62B与外侧泵电极46之间的施加电压进行反馈控制，以使得第一传感器单元15A中的第一测定用泵单元60A的第一测定电极62A与基准电极52之间的电动势、以及第二传感器单元15B中的第二测定用泵单元60B的第二测定电极62B与基准电极52之间的电动势达到400mV。
(5)对预备泵电极82与外侧泵电极46之间的施加电压进行反馈控制，以使得第一传感器单元15A中的预备泵单元80的预备泵电极82与基准电极52之间的电动势达到230mV。
(6)接下来，将N2和3％的H2O作为基础气体并使其以120L/min流入试样气体测定装置，测定第一测定用泵单元60A及第二测定用泵单元60B中流通的电流，其结果，第一测定用泵单元60A及第二测定用泵单元60B中流通的偏移电流为0.003μA。
(7)接下来，将N2和3％的H2O作为基础气体并使其以120L/min流入试样气体测定装置，一边维持120L/min的总气体流量、一边添加25、50、75、100ppm的NH3，由此测定第一测定用泵单元60A及第二测定用泵单元60B中流通的第一测定泵电流Ip3及第二测定泵电流Ip6(实验1：参照图6中的第一特性线L1、图7的第一栏[1])。
(8)接下来，将N2和3％的H2O作为基础气体并使其以120L/min流入试样气体测定装置，一边维持120L/min的总气体流量、一边阶梯式地添加25、50、75、100ppm的NO，由此测定第一测定用泵单元60A及第二测定用泵单元60B中流通的第一测定泵电流Ip3及第二测定泵电流Ip6(实验2：参照图6中的第二特性线L2、图7的第二栏[2])。
(9)接下来，将N2和3％的H2O作为基础气体并使其以120L/min流入试样气体测定装置，使NO浓度阶梯式地减少为NO＝100、80、60、40、20、0ppm，对于NO＝80、60、40、20、0ppm的各NO浓度，以使得NO＝100ppm时的第二测定用泵单元60B的第二测定泵电流值Ip6维持2.137μA的方式在气体中添加NH3。此时，以使得总气体流量维持为120L/min的方式调整基础气体的流量。各气体气氛中，测定第一测定用泵单元60A中流通的第一测定泵电流Ip3(实验3)。图6中的第一图形组P1、图7的第三栏[3]示出了各NO和NH3的浓度、第一测定泵电流值Ip3及第二测定泵电流值Ip6、以及第一测定泵电流值Ip3与第二测定泵电流值Ip6之间的差值(变化量ΔIp)的关系。
(10)接下来，将N2和3％的H2O作为基础气体并使其以120L/min流入试样气体测定装置，使NO浓度阶梯式地减少为NO＝50、40、30、20、10、0ppm，对于NO＝40、30、20、10、0ppm的各NO浓度，以使得NO＝50ppm时的第二测定用泵单元60B的第二测定泵电流值Ip6维持1.070μA的方式在气体中添加NH3。此时，以使得总气体流量维持为120L/min的方式调整基础气体的流量。各气体气氛中，测定第一测定用泵单元60A中流通的第一测定泵电流Ip3(实验4)。图6中的第二图形组P2、图7的第四栏[4]示出了各NO和NH3的浓度、第一测定泵电流值Ip3及第二测定泵电流Ip6、以及第一测定泵电流Ip3与第二测定泵电流Ip6之间的差值(变化量ΔIp)的关系。
(11)接下来，将N2和3％的H2O作为基础气体并使其以120L/min流入试样气体测定装置，使NO浓度阶梯式地减少为NO＝25、20、15、10、5、0ppm，对于NO＝20、15、10、5、0ppm的各NO浓度，以使得NO＝25ppm时的第二测定用泵单元60B的第二测定泵电流值Ip6维持为0.537μA的方式在气体中添加NH3。此时，以使得总气体流量维持为120L/min的方式调整基础气体的流量。各气体气氛中，测定第一测定用泵单元60A中流通的第一测定泵电流Ip3(实验5)。图6中的第三图形组P3、图7的第五栏[5]示出了各NO和NH3的浓度、第一测定泵电流值Ip3及第二测定泵电流值Ip6、以及第一测定泵电流值Ip3与第二测定泵电流值Ip6之间的差值(变化量ΔIp)的关系。
(12)利用通过实验1～实验5得到的数据而制作了图6所示的第一映射110A。为了确认得到的第一映射110A的可靠性，测定与实验1～实验5不同的浓度的NO和NH3的混合气体中的第一测定泵电流Ip3及第二测定泵电流Ip6、以及第一测定泵电流Ip3与第二测定泵电流Ip6之间的差值(变化量ΔIp)，其结果，得到图8所示的结果。在图6的曲线图中描画出图8的结果(用△表示)，其结果，发现与根据第一映射110A推断出的浓度的一致性良好。
这样，第一气体传感器10A中具备：结构体14，其至少由氧离子传导性固体电解质构成；传感器元件12，其具有形成于结构体14的第一传感器单元15A及第二传感器单元15B；温度控制机构100，其对传感器元件12的温度进行控制；氧浓度控制机构102；以及目标成分浓度获取机构104。
第一传感器单元15A朝向气体的导入方向而具备第一气体导入口16A、第一扩散速度控制部34A、预备调整室22、第二扩散速度控制部36A、第一氧浓度调整室18A、第三扩散速度控制部38A以及第一测定室20A。
第二传感器单元15B朝向气体的导入方向而具备第二气体导入口16B、第一扩散速度控制部34B、扩散阻力调整室24、第二扩散速度控制部36B、第二氧浓度调整室18B、第三扩散速度控制部38B以及第二测定室20B。
第一传感器单元15A的第一测定室20A具备第一测定用泵单元60A，
第二传感器单元15B的第二测定室20B具备第二测定用泵单元60B。氧浓度控制机构102对第一传感器单元15A的预备调整室22和第一氧浓度调整室18A的氧浓度、以及第二传感器单元15B的第二氧浓度调整室18B的氧浓度进行控制。
并且，目标成分浓度获取机构104基于第一测定用泵单元60A中流通的第一测定泵电流值Ip3与第二测定用泵单元60B中流通的第二测定泵电流值Ip6之间的差值(变化量ΔIp)，获取第二目标成分(例如NH3)的浓度，根据第二测定用泵单元60B中流通的第二测定泵电流值Ip6，获取第一目标成分(例如NO)和第二目标成分(例如NH3)的合计浓度，从合计浓度减去第二目标成分的浓度而获取第一目标成分的浓度。
第一气体传感器10A具有上述结构，因此，即便在像尾气那样存在未燃成分、氧时共存的多种目标成分(例如NO、NH3)的气氛下，也能够长期地以良好的精度测定多种目标成分各自的浓度。
并且，对于第一气体传感器10A，只要变更第一气体传感器10A的控制系统的软件，就能够容易地实现以往无法实现的测定NO和NH3各自的浓度的处理，无需另行附加作为硬件的各种测定装置等。其结果，能够提高针对NOx净化系统的控制及故障检测的精度。特别是，能够将SCR系统下游的尾气中的NO及NH3区分开，有助于SCR系统的尿素注入量的精密控制、以及劣化检测。
另外，由于在第一传感器单元15A的至少第一氧浓度调整室18A的外侧配置的外侧泵电极46、和在第二传感器单元15B的第二氧浓度调整室18B的外侧配置的外侧泵电极46通用，所以能够减少导线的根数，例如向各种车辆等的安装变得容易。
由于在第一传感器单元15A的基准气体导入空间41配置的基准电极52、和在第二传感器单元15B的基准气体导入空间41配置的基准电极52通用，所以能够减少导线的根数，向汽车等的安装变得容易。
接下来，参照图9及图10，对第二实施方式所涉及的气体传感器(以下记作第二气体传感器10B)进行说明。
如图1～图3所示，该第二气体传感器10B具备：具有与上述的第一气体传感器10A的第一传感器单元15A及第二传感器单元15B同样的结构的第一传感器单元15A及第二传感器单元15B，不过，其不同点在于，如图9及图10所示，第二目标成分为NO2，并且，基于第二映射110B而获取第一目标成分(NO)的浓度和第二目标成分(NO2)的浓度。
即，通过上述氧浓度控制机构102或温度控制机构100的单独动作、或者氧浓度控制机构102及温度控制机构100的协同动作对第二气体传感器10B进行如下控制：将第一氧浓度调整室18A内及第二氧浓度调整室18B内的NO2全部都转换为NO但不会使NO分解。
氧浓度控制机构102的预备氧浓度控制部108基于预先设定的氧浓度的条件、和预备氧分压检测传感器单元84(参照图2)中产生的预备电动势V0，对预备可变电源86进行反馈控制，由此，将预备调整室22内的氧浓度调整为符合条件的浓度。利用该预备氧浓度控制部108而将第一传感器单元15A中的预备调整室22内的NO2全部转化为NO但不会使NO分解。
此处，还参照图10对第二气体传感器10B的处理动作进行说明。
首先，如图10所示，第一传感器单元15A中，通过第一气体导入口16A而导入至预备调整室22的NO2在预备调整室22内引起NO2→NO的分解反应，通过第一气体导入口16A而导入的所有NO2都转化为NO。
因此，NO2以NO2的扩散系数从第一扩散速度控制部34A通过，不过，在比预备调整室22更靠里侧的第二扩散速度控制部36A以后，以NO的扩散系数向第一测定室20A移动。
另一方面，第二传感器单元15B中，通过第二气体导入口16B而导入的NO2到达第二氧浓度调整室18B。在第二氧浓度调整室18B中，由于利用氧浓度控制机构102的第二氧浓度控制部106B进行控制以使得NO2全部都转化为NO，所以，流入至第二氧浓度调整室18B的NO2在第二氧浓度调整室18B内引起NO2→NO的分解反应，第二氧浓度调整室18B内的所有NO2都转化为NO。因此，通过第二气体导入口16B而导入的NO2以NO2的扩散系数从第一扩散速度控制部34B及第二扩散速度控制部36B通过，在第二氧浓度调整室18B内转化为NO之后，以NO的扩散系数从第三扩散速度控制部38B通过并向相邻的第二测定室20B内移动。
即，第一传感器单元15A中，引起NO2的分解反应的场所为预备调整室22，第二传感器单元15B中，引起NO2的分解反应的场所为第二氧浓度调整室18B。NO、NO2具有各不相同的扩散系数，因此，由NO通过第二扩散速度控制部(36A、36B)还是由NO2通过第二扩散速度控制部(36A、36B)的差异相当于向第一测定室20A及第二测定室20B流入的NO量的差异。这使得第一测定用泵单元60A的第一测定泵电流值Ip3和第二测定用泵单元60B的第二测定泵电流值Ip6产生差异。不过，第二测定用泵单元60B的第二测定泵电流值Ip6相当于被测定气体中的NO2浓度和NO浓度的合计值。
并且，第一测定泵电流值Ip3与第二测定泵电流值Ip6之间的变化量ΔIp唯一地取决于被测定气体中的NO2的浓度。因此，根据第二测定用泵单元60B中流通的第二测定泵电流值Ip6(NO与NO2的合计浓度)、以及上述的变化量ΔIp(NO2的浓度)，能够获取NO和NO2各自的浓度。
因此，目标成分浓度获取机构104中，基于第一测定泵电流值Ip3与第二测定泵电流值Ip6之间的变化量ΔIp、以及第二测定泵电流值Ip6并基于例如第二映射110B(参照图9)而获取NO及NO2各自的浓度。
对于第二映射110B并未图示，不过，通过进行与用于制作上述第一映射110A(参照图6及图7)的实验1～实验5同样的实验，能够制作横轴设定为第二测定泵电流值Ip6(μA)、且纵轴设定为第一测定泵电流值Ip3与第二测定泵电流值Ip6之间的变化量ΔIp(μA)的曲线图、即与第二气体传感器10B对应的曲线图及表格。
第二气体传感器10B具有上述结构，因此，即便在像尾气那样存在未燃成分、氧时共存的多种目标成分(例如NO、NO2)的气氛下，也能够长期地以良好的精度测定多种目标成分各自的浓度。
并且，对于第二气体传感器10B，只要变更第二气体传感器10B的控制系统的软件，就能够容易地实现以往无法实现的测定NO和NO2各自的浓度的处理，无需另行附加作为硬件的各种测定装置等。其结果，能够提高针对NOx净化系统的控制及故障检测的精度。特别是，能够将DOC(Diesel Oxdation Catalyst)催化器下游的尾气中的NO和NO2区分开，有助于DOC催化器的劣化检测。
接下来，参照图11及图12，对第三实施方式所涉及的气体传感器(以下记作第三气体传感器10C)进行说明。
如图11及图12所示，该第三气体传感器10C具有借助第一扩散速度控制部34B而将第二气体导入口16B和第二主调整室18Ba直接连通的元件结构。第一扩散速度控制部34B的扩散阻力值调整为与第一传感器单元15A的第一气体导入口16A、第一扩散速度控制部34A、预备调整室22、第二扩散速度控制部36A的扩散阻力值的合计值大致相同。由此，可以省略第二传感器单元15B的扩散阻力调整室24及第二扩散速度控制部36B(参照图1及图4)，能够以更简单的结构提供一种对于安装于例如车辆时的热冲击的耐受能力较强的元件结构。
接下来，参照图13及图14，对第四实施方式所涉及的气体传感器(以下记作第四气体传感器10D)进行说明。
如图13所示，对于该第四气体传感器10D，从前述的第一气体传感器10A(参照图1及图4)的第一传感器单元15A中省略第四扩散速度控制部40A及第一副调整室18Ab。取而代之地，借助第三扩散速度控制部38A而将第一氧浓度调整室18A和第一测定室20A直接连通。
同样地，从第一气体传感器10A(参照图1及图4)的第二传感器单元15B中省略扩散阻力调整室24、第二扩散速度控制部36B、第四扩散速度控制部40B以及第二副调整室18Bb。取而代之地，借助第一扩散速度控制部34B而将第二气体导入口16B和第二氧浓度调整室18B直接连通，并借助第三扩散速度控制部38B而将第二氧浓度调整室18B和第二测定室20B直接连通。
这种情况下，例如，基于在第二传感器单元15B的第二氧浓度调整室18B内配设的第二主泵单元42B中流通的第四泵电流值Ip4，对第一传感器单元15A的第一测定泵电流Ip3和第二传感器单元15B的第二测定泵电流Ip6进行校正。即，对于第一测定泵电流Ip3和第二测定泵电流Ip6的校正有效的氧浓度机构是针对氧浓度控制机构102或者目标成分浓度获取机构104追加的形态。通过该氧浓度机构的追加，能够以导线根数少的廉价且简单的结构提供对于安装于车辆时的热冲击的耐受能力较强的元件结构。
接下来，参照图15，对第五实施方式所涉及的气体传感器(以下记作第五气体传感器10E)进行说明。
第一传感器单元15A和第二传感器单元15B并不一定在同一平面上构成，可以隔着加热机构(加热器72及加热器绝缘层74)而在固体电解质基板的层叠方向、即传感器元件12的厚度方向上对称地配置。这种情况下，可以减小传感器元件12的宽度方向上的尺寸，对于传感器元件12的小型化有效。
本发明的主旨为下述(a)～(c)，NH3、NO2变为NO的反应可以从得到传感器输出变动的范围内任意选择。
(a)特意在具有规定的扩散阻力的扩散速度控制部的前后产生使NH3、NO2变为NO的反应。
(b)根据通过(a)而因NO与NH3或NO与NO2的扩散系数不同发生的传感器输出变动，求出NH3或者NO2的浓度。
(c)此外，对通过传感器输出自身而得到的NO与NH3的合计浓度、或者NO与NO2的合计浓度、以及通过所述变动而得到的NH3或者NO2的浓度进行比较，由此得到NO浓度。
应予说明，本发明所涉及的气体传感器不限于上述实施方式，当然可以不脱离本发明的主旨地采用各种结构。
上述例子中，在第一传感器单元15A中，与第一副调整室18Ab相邻地设置第一测定室20A，在第一测定室20A内配置有第一测定电极62A，不过，虽然未图示，但是，可以在第一副调整室18Ab内配置第一测定电极62A，以将第一测定电极62A覆盖的方式形成作为第三扩散速度控制部38A的由氧化铝(Al2O3)等陶瓷多孔体构成的膜。这种情况下，第一测定电极62A的周围作为第一测定室20A而发挥作用。
这在第二传感器单元15B中也一样，可以在第二副调整室18Bb内配置第二测定电极62B，以将第二测定电极62B覆盖的方式形成作为第三扩散速度控制部38B的由氧化铝(Al2O3)等陶瓷多孔体构成的膜。这种情况下，第二测定电极62B的周围作为第二测定室20B而发挥作用。
另外，上述例子中，给出了在预备调整室22内作为第二目标成分的NH3、或者NO2以100％的转化率转化为NO的例子，不过，NH3或者NO2的转化率无需为100％，可以在得到相对于被测定气体中的NH3浓度或者NO2浓度具有再现性良好的相关性的范围内任意地设定转化率。
另外，预备氧浓度控制部108的驱动，可以在将氧从预备调整室22内吸出的方向上执行，也可以在将氧吸入的方向上执行，作为测定用泵单元的输出的测定泵电流Ip3、Ip6因作为第二目标成分的NH3或者NO2的存在而再现性良好地变化即可。
此外，在实施本发明时，可以在无损本发明的思想的范围内附加作为汽车用零部件的用于提高可靠性的各机构。

Claims (14)

1.一种气体传感器，其对第一目标成分和第二目标成分的浓度进行测定，
所述气体传感器的特征在于，具备：
传感器元件，其具有至少由氧离子传导性固体电解质构成的结构体、以及形成于所述结构体的第一传感器单元和第二传感器单元；
温度控制机构，其对所述传感器元件的温度进行控制；
氧浓度控制机构；以及
目标成分浓度获取机构，
所述第一传感器单元和第二传感器单元分别朝向气体的导入方向而具备气体导入口、第一扩散速度控制部、第一室、第二扩散速度控制部、第二室、第三扩散速度控制部以及测定室，
所述第一传感器单元的所述测定室具备第一目标成分测定泵单元，
所述第二传感器单元的所述测定室具备第二目标成分测定泵单元，
所述氧浓度控制机构对所述第一传感器单元的所述第一室和所述第二室的氧浓度、以及所述第二传感器单元的所述第二室的氧浓度进行控制，
所述目标成分浓度获取机构基于所述第一目标成分测定泵单元中流通的电流值、与所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值之间的差值而获取所述第二目标成分的浓度，
根据所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值而获取所述第一目标成分和所述第二目标成分的合计浓度，
从所述合计浓度减去所述第二目标成分的浓度而获取所述第一目标成分的浓度，
所述第一目标成分为NO，所述第二目标成分为NH3，
所述氧浓度控制机构以将所述第一传感器单元的所述第一室内的NH3氧化但不会使NO分解的条件对所述第一室内的氧浓度进行控制，
所述氧浓度控制机构以将所述第二传感器单元的所述第二室内的NH3氧化但不会使NO分解的条件对所述第二室内的氧浓度进行控制。
2.一种气体传感器，其对第一目标成分和第二目标成分的浓度进行测定，
所述气体传感器的特征在于，具备：
传感器元件，其具有至少由氧离子传导性固体电解质构成的结构体、以及形成于所述结构体的第一传感器单元和第二传感器单元；
温度控制机构，其对所述传感器元件的温度进行控制；
氧浓度控制机构；以及
目标成分浓度获取机构，
所述第一传感器单元和第二传感器单元分别朝向气体的导入方向而具备气体导入口、第一扩散速度控制部、第一室、第二扩散速度控制部、第二室、第三扩散速度控制部以及测定室，
所述第一传感器单元的所述测定室具备第一目标成分测定泵单元，
所述第二传感器单元的所述测定室具备第二目标成分测定泵单元，
所述氧浓度控制机构对所述第一传感器单元的所述第一室和所述第二室的氧浓度、以及所述第二传感器单元的所述第二室的氧浓度进行控制，
所述目标成分浓度获取机构基于所述第一目标成分测定泵单元中流通的电流值、与所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值之间的差值而获取所述第二目标成分的浓度，
根据所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值而获取所述第一目标成分和所述第二目标成分的合计浓度，
从所述合计浓度减去所述第二目标成分的浓度而获取所述第一目标成分的浓度，
所述第一目标成分为NO，所述第二目标成分为NO2，
所述氧浓度控制机构以将所述第一传感器单元的所述第一室内的NO2分解但不会使NO分解的条件对所述第一室内的氧浓度进行控制，
所述氧浓度控制机构以将所述第二传感器单元的所述第二室内的NO2分解但不会使NO分解的条件对所述第二室内的氧浓度进行控制。
3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述气体传感器具备：预备调整泵单元，其配置于所述第一传感器单元的所述第一室内；第一氧浓度调整泵单元，其配置于所述第一传感器单元的所述第二室内；以及第二氧浓度调整泵单元，其配置于所述第二传感器单元的所述第二室内，
所述氧浓度控制机构具备：
预备氧浓度控制机构，其对所述预备调整泵单元进行控制，由此控制所述第一传感器单元的所述第一室的氧浓度；
第一氧浓度控制机构，其对所述第一氧浓度调整泵单元进行控制，由此控制所述第一传感器单元的所述第二室的氧浓度；以及
第二氧浓度控制机构，其对所述第二氧浓度调整泵单元进行控制，由此控制所述第二传感器单元的所述第二室的氧浓度。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述第一传感器单元的所述第二室具备：第一主调整室，其与所述第一传感器单元的所述第一室连通；以及第一副调整室，其与所述第一主调整室连通，
所述第二传感器单元的所述第二室具备：第二主调整室，其与所述第二传感器单元的所述第一室连通；以及第二副调整室，其与所述第二主调整室连通，
所述第一传感器单元的所述测定室与所述第一副调整室连通，
所述第二传感器单元的所述测定室与所述第二副调整室连通。
5.根据权利要求4所述的气体传感器，其特征在于，
在所述第一主调整室与所述第一副调整室之间、以及所述第二主调整室与所述第二副调整室之间分别具有第四扩散速度控制部。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
在所述第一传感器单元的所述第一室和所述第二室、以及所述第二传感器单元的所述第二室分别具有泵电极，
在所述第一传感器单元的所述测定室以及所述第二传感器单元的所述测定室分别具有测定电极，
各所述泵电极由催化活性低于各所述测定电极的催化活性的材料构成。
7.根据权利要求1、3~6中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述目标成分浓度获取机构使用如下第一映射，针对实际使用的所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值、以及所述第一目标成分测定泵单元中流通的电流值与所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值之间的差值，将它们与所述第一映射进行比较而求出NO及NH3各自的浓度，
在上述第一映射中，根据预先通过实验而测定的、所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值、以及所述第一目标成分测定泵单元中流通的电流值与所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值之间的差值而分别确定NO浓度及NH3浓度的关系。
8.根据权利要求2~6中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述目标成分浓度获取机构使用如下第二映射，针对实际使用的所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值、以及所述第一目标成分测定泵单元中流通的电流值与所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值之间的差值，将它们与所述第二映射进行比较而求出NO及NO2各自的浓度，
在上述第二映射中，根据预先通过实验而测定的、所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值、以及所述第一目标成分测定泵单元中流通的电流值与所述第二目标成分测定泵单元中流通的电流值之间的差值而分别确定NO浓度及NO2浓度的关系。
9.根据权利要求3所述的气体传感器，其特征在于，
所述气体传感器具备氧浓度控制机构，该氧浓度控制机构基于所述第二氧浓度调整泵单元中流通的泵电流值而测定氧浓度。
10.根据权利要求6～9中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
在所述第一传感器单元的至少所述第二室的外侧配置的第一外侧泵电极、和在所述第二传感器单元的至少所述第二室的外侧配置的第二外侧泵电极通用。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述第一目标成分测定泵单元具有：第一测定电极，其配置于所述第一传感器单元的所述测定室内；以及第一基准电极，其配置于所述传感器元件的基准气体导入空间，
所述第二目标成分测定泵单元具有：第二测定电极，其配置于所述第二传感器单元的所述测定室内；以及第二基准电极，其配置于所述传感器元件的所述基准气体导入空间，
所述第一基准电极和所述第二基准电极通用。
12.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述第二传感器单元具有借助第一扩散速度控制部而将所述气体导入口和第二室直接连通的元件结构，所述第二传感器单元的所述第一扩散速度控制部的扩散阻力值设为与所述第一传感器单元的气体导入口、第一扩散速度控制部、第一室、第二扩散速度控制部的扩散阻力值的合计值大致相同。
13.根据权利要求4所述的气体传感器，其特征在于，
省略所述第一传感器单元的所述第一副调整室以及所述第二传感器单元的所述第二副调整室。
14.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述第一传感器单元和所述第二传感器单元配置成在所述传感器元件的厚度方向上大致对称。
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