CN117043593A - 传感器元件以及气体传感器 - Google Patents

Abstract

传感器元件(101)是用于检测被测定气体中的特定气体浓度的传感器元件，该传感器元件(101)具备：元件主体(各层(1～6))，其包含氧离子传导性的固体电解质层，并在内部设置有导入被测定气体并使其流通的被测定气体流通部；主泵单元(21)，其具有配设于被测定气体流通部中的第1内部空腔(20)的内侧泵电极(22)和配设于元件主体的外侧的泵用外侧电极(23p)，并进行从第1内部空腔(20)泵出氧或向第1内部空腔(20)泵入氧；以及Vref检测传感器单元(83)，其具有配设于元件主体的外侧的电压用外侧电极(23s)和以与导入至基准气体导入部(49)的基准气体接触的方式配设于元件主体的内部的基准电极(42)，并产生基于元件主体的外侧的被测定气体中的氧浓度的电压Vref。

Description

传感器元件以及气体传感器

技术领域

本发明涉及传感器元件以及气体传感器。

背景技术

以往，已知有检测汽车的废气等被测定气体中的NOx等特定气体的浓度的气体传感器。例如，在专利文献1中记载有一种气体传感器，其具备将多个氧离子传导性的固体电解质层层叠而成的长条的板状体形状的传感器元件。

将示意性示出了这种现有例的气体传感器900的构成的一例的截面示意图示于图9。如图所示，该气体传感器900具备传感器元件901。该传感器元件901是具有层叠了氧离子传导性的固体电解质层911～916的结构的元件。在该传感器元件901中，在固体电解质层916的下表面与固体电解质层914的上表面之间形成有导入被测定气体的被测定气体流通部，在该被测定气体流通部设置有第1内部空腔920、第2内部空腔940以及第3内部空腔961。在第1内部空腔920配设有内侧泵电极922，在第2内部空腔940配设有辅助泵电极951，在第3内部空腔961配设有测定电极944。另外，在固体电解质层916的上表面配设有外侧泵电极923。另一方面，在固体电解质层913的上表面与固体电解质层914的下表面之间配设有与作为被测定气体中的特定气体浓度的检测基准的基准气体(例如大气)接触的基准电极942。由内侧泵电极922、外侧泵电极923和固体电解质层914～916构成了主泵单元921。由测定电极944、外侧泵电极923和固体电解质层914～916构成了测定用泵单元941。由测定电极944、基准电极942和固体电解质层914、913构成了测定用泵控制用氧分压检测传感器单元982。由外侧泵电极923、基准电极942和固体电解质层913～916构成了Vref检测传感器单元983。由外侧泵电极923、基准电极942和固体电解质层913～916构成了基准气体调整泵单元990。在该气体传感器900中，当被测定气体被导入被测定气体流通部时，通过主泵单元921在第1内部空腔920与传感器元件的外部之间进行氧的泵出或泵入，进而在第2内部空腔940与传感器元件的外部之间进行氧的泵出或泵入，由此调整被测定气体流通部内的氧浓度。氧浓度调整后的被测定气体中的NOx在测定电极944的周围被还原。然后，对外加到测定用泵单元941的电压Vp2进行反馈控制，以使在测定用泵控制用氧分压检测传感器单元982产生的电压V2成为规定的目标值，由此测定用泵单元941泵出测定电极944周围的氧。此时基于在测定用泵单元941中流动的泵电流Ip2，检测被测定气体中的NOx的浓度。另外，基准气体调整泵单元990因在基准电极942与外侧泵电极923之间外加的电压Vp3而流通有泵电流Ip3，从而向基准电极942的周围进行氧的泵入。由此，在基准电极942周围的基准气体的氧浓度降低的情况下，能够弥补氧浓度的降低，能够抑制特定气体浓度的检测精度的降低。此外，在Vref检测传感器单元983中，在外侧泵电极923与基准电极942之间产生电压Vref。利用该电压Vref，能够检测传感器元件901的外部的被测定气体中的氧浓度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2020/004356号小册子

发明内容

发明所要解决的课题

然而，在像上述的Vref检测传感器单元983的电压Vref那样利用传感器单元的电压来检测传感器元件的外侧的被测定气体中的氧浓度的情况下，期望使氧浓度的检测精度进一步提高。

本发明是为了解决这样的课题而完成的，其主要目的在于，提高使用了外侧用传感器单元的被测定气体中的氧浓度的检测精度。

用于解决课题的手段

本发明为了达成上述的主要目的，采用了以下的手段。

本发明的传感器元件是用于检测被测定气体中的特定气体浓度的传感器元件，具备：

元件主体，其包含氧离子传导性的固体电解质层，并在内部设置有导入所述被测定气体并使其流通的被测定气体流通部；

调整室用泵单元，其具有配设于所述被测定气体流通部中的氧浓度调整室的调整电极、以及配设于所述元件主体的外侧的泵用外侧电极，并进行从所述氧浓度调整室泵出氧或向所述氧浓度调整室泵入氧；

测定用泵单元，其具有配设于在所述被测定气体流通部中的所述氧浓度调整室的下游侧设置的测定室的测定电极、以及所述泵用外侧电极，并进行源于所述特定气体而在所述测定室内产生的氧的泵出；

基准气体导入部，其配设于所述元件主体的内部，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；以及

外侧用传感器单元，其具有配设于所述元件主体的外侧的电压用外侧电极、以及以与导入至所述基准气体导入部的所述基准气体接触的方式配设于所述元件主体的内部的基准电极，并产生基于所述元件主体的外侧的被测定气体中的氧浓度的电压。

该传感器元件具备：调整室用泵单元，其进行从元件主体的内部的氧浓度调整室泵出氧或向氧浓度调整室泵入氧；测定用泵单元，其进行氧浓度调整室的下游侧所设置的测定室的氧的泵出；以及外侧用传感器单元，其产生基于元件主体的外侧的被测定气体中的氧浓度的电压。并且，在元件主体的外侧分别配设有构成调整室用泵单元及测定用泵单元的一部分的泵用外侧电极、以及构成外侧用传感器单元的一部分的电压用外侧电极。即，在该传感器元件中，在元件主体的外侧分别设置有泵用外侧电极和电压用外侧电极。因此，与1个电极兼具泵用外侧电极的作用和电压用外侧电极的作用的情况(例如在图9所示的传感器元件901中，外侧泵电极923兼作主泵单元921及测定用泵单元941的电极和Vref检测传感器单元983的电极)不同，调整室用泵单元及测定用泵单元的泵电流并不在电压用外侧电极中流通，因此，外侧用传感器单元的电压中不包含由泵电流所引起的电压用外侧电极的电压下降量。由此，外侧用传感器单元的电压成为与元件主体的外侧的被测定气体中的氧浓度以更高精度对应的值，因此使用了外侧用传感器单元的被测定气体中的氧浓度的检测精度提高。

本发明的传感器元件可以具备基准气体调整泵单元，该基准气体调整泵单元具有所述泵用外侧电极和所述基准电极，并从所述泵用外侧电极的周围向所述基准电极的周围进行氧的泵入。据此，通过基准气体调整泵单元向基准电极的周围泵入氧，能够弥补基准电极周围的基准气体的氧浓度的降低。

在本发明的传感器元件中，所述氧浓度调整室可以具有：第1内部空腔，其设置于所述被测定气体流通部；以及第2内部空腔，其设置于所述被测定气体流通部中的比所述第1内部空腔靠下游侧的位置，所述调整电极具有：配设于所述第1内部空腔的内侧泵电极、以及配设于所述第2内部空腔的辅助泵电极，所述调整室用泵单元具有：主泵单元，其具有所述内侧泵电极和所述泵用外侧电极，用于从所述第1内部空腔泵出氧或向所述第1内部空腔泵入氧；以及辅助泵单元，其具有所述辅助泵电极和所述泵用外侧电极，用于从所述第2内部空腔泵出氧或向所述第2内部空腔泵入氧。

本发明的气体传感器具备：

上述的任一方式的传感器元件；

调整室用泵单元控制部，其控制所述调整室用泵单元，以使所述氧浓度调整室的氧浓度成为规定的低浓度，由此使该调整室用泵单元进行从所述氧浓度调整室泵出氧或向所述氧浓度调整室泵入氧；以及

氧浓度检测部，其基于所述外侧用传感器单元的所述电压来检测所述元件主体的外侧的被测定气体中的氧浓度。

在该气体传感器中，调整室用泵单元控制部控制调整室用泵单元，以使氧浓度调整室的氧浓度成为规定的低浓度。此时，例如在被测定气体中的氧浓度在比规定的低浓度高的状态和比规定的低浓度低的状态之间切换时，调整室用泵单元控制部将调整室用泵单元使氧移动的方向切换为反方向。由此，在调整室用泵单元中流通的泵电流的方向切换为反方向。因此，若1个电极兼具泵用外侧电极的作用和电压用外侧电极的作用，则因在调整室用泵单元中流通的泵电流的方向切换为反方向时的电流变化所需的时间而使得外侧用传感器单元的电压的变化也变慢。与此相对，在本发明的气体传感器中，分别设置了泵用外侧电极和电压用外侧电极，因此外侧用传感器单元的电压不受在调整室用泵单元中流通的泵电流的变化所需的时间的影响，因此外侧用传感器单元的电压的变化不会变慢。即，在被测定气体中的氧浓度在比规定的低浓度高的状态和比规定的低浓度低的状态之间切换时的电压的响应性不易降低。

本发明气体传感器可以具备基准气体调整部，其通过对所述基准气体调整泵单元外加反复通断的控制电压，使该基准气体调整泵单元进行向所述基准电极的周围泵入氧。在该情况下，所述氧浓度检测部可以在所述反复通断的控制电压断开的期间取得所述外侧用传感器单元的所述电压。

附图说明

图1是示意性地示出了气体传感器100的构成的一例的截面示意图。

图2是泵用外侧电极23p及电压用外侧电极23s的俯视图。

图3是示出了控制装置95与传感器元件101的各单元的电连接关系的框图。

图4是示出了大气连续试验的前后的电压Vref的响应时间的变化的曲线图。

图5是示出了大气连续试验后的实施例1及比较例1的电压Vref的时间变化的情形的曲线图。

图6是示出了电压Vp3的时间变化的一例的说明图。

图7是示出了电压Vref的时间变化的一例的说明图。

图8是变形例的气体传感器200的截面示意图。

图9是示意性地示出了现有例的气体传感器900的构成的一例的截面示意图。

图10是示出了将泵用外侧电极23p被覆的扩散层26的局部截面图。

具体实施方式

接下来，使用附图对本发明的实施方式进行说明。图1是示意性地示出了作为本发明的一个实施方式的气体传感器100的构成的一例的截面示意图。图2是传感器元件101的泵用外侧电极23p及电压用外侧电极23s的俯视图。图3是示出了控制装置95与传感器元件101的各单元的电连接关系的框图。气体传感器100具备呈长条的长方体形状的传感器元件101、以及控制整个气体传感器100的控制装置95。气体传感器100还具备封入固定传感器元件101的未图示的元件密封体、保护传感器元件101的前端的有底筒状的未图示的保护罩等。传感器元件101具备各单元21、41、50、80～83、90和加热器部70。

气体传感器100例如安装于内燃机的废气管等配管。气体传感器100将内燃机的废气作为被测定气体，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测定NOx浓度作为特定气体浓度。将传感器元件101的长度方向(图1中的左右方向)作为前后方向，将传感器元件101的厚度方向(图1中的上下方向)作为上下方向。另外，将传感器元件101的宽度方向(与前后方向和上下方向垂直的方向)作为左右方向。

如图1所示，传感器元件101是具有层叠体的元件，在附图中，该层叠体从下侧依次层叠有分别由氧化锆(ZrO₂)等氧离子传导性固体电解质层构成的第1基板层1、第2基板层2、第3基板层3、第1固体电解质层4、隔离层5和第2固体电解质层6这六个层。另外，形成这六个层的固体电解质为致密且气密的固体电解质。该传感器元件101例如如下制造，即，在对与各层对应的陶瓷生片进行规定的加工和电路图案的印刷等之后，将它们层叠，进而进行烧成而实现一体化。

在传感器元件101的头端侧(前端侧)且是第2固体电解质层6的下表面与第1固体电解质层4的上表面之间，气体导入口10、第1扩散速度控制部11、缓冲空间12、第2扩散速度控制部13、第1内部空腔20、第3扩散速度控制部30、第2内部空腔40、第4扩散速度控制部60和第3内部空腔61以按该顺序依次连通的方式相邻形成。

气体导入口10、缓冲空间12、第1内部空腔20、第2内部空腔40和第3内部空腔61是以挖空了隔离层5的方式设置的传感器元件101的内部空间，该内部空间的上部由第2固体电解质层6的下表面而被划分出，下部由第1固体电解质层4的上表面而被划分出，侧部由隔离层5的侧面而被划分出。

第1扩散速度控制部11、第2扩散速度控制部13和第3扩散速度控制部30均设置为2条横长的(在与附图垂直的方向上开口具有长度方向)狭缝。另外，第4扩散速度控制部60设置为1条横长的(在与附图垂直的方向上开口具有长度方向)狭缝，其作为与第2固体电解质层6的下表面之间的间隙而形成。需要说明的是，也将从气体导入口10到第3内部空腔61的部位称为被测定气体流通部。

传感器元件101具备基准气体导入部49，基准气体导入部49使进行NOx浓度的测定时的基准气体从传感器元件101的外部向基准电极42流通。基准气体导入部49具有基准气体导入空间43和基准气体导入层48。基准气体导入空间43是从传感器元件101的后端面向内侧方向设置的空间。基准气体导入空间43设置在第3基板层3的上表面与隔离层5的下表面之间、且侧部由第1固体电解质层4的侧面而被划分的位置。基准气体导入空间43在传感器元件101的后端面开口，基准气体从该开口被导入基准气体导入空间43内。基准气体导入部49一边对从传感器元件101的外部导入的基准气体赋予规定的扩散阻力，一边将其导入基准电极42。基准气体在本实施方式中为大气。

基准气体导入层48设置在第3基板层3的上表面与第1固体电解质层4的下表面之间。基准气体导入层48例如是由氧化铝等陶瓷构成的多孔质体。基准气体导入层48的上表面的一部分在基准气体导入空间43内露出。基准气体导入层48形成为将基准电极42被覆。基准气体导入层48使基准气体从基准气体导入空间43流通至基准电极42。基准气体导入部49也可以不具备基准气体导入空间43。在该情况下，基准气体导入层48只要在传感器元件101的后端面露出即可。

基准电极42是以被第3基板层3的上表面与第1固体电解质层4夹持的方式形成的电极，如上所述，在其周围设置有与基准气体导入空间43相连的基准气体导入层48。另外，如后所述，能够使用基准电极42来测定第1内部空腔20内、第2内部空腔40内和第3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中，气体导入口10是相对于外部空间开口的部位，被测定气体通过该气体导入口10从外部空间被引入传感器元件101内。第1扩散速度控制部11是对从气体导入口10被引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1扩散速度控制部11导入的被测定气体向第2扩散速度控制部13引导而设置的空间。第2扩散速度控制部13是对从缓冲空间12导入到第1内部空腔20的被测定气体赋予规定的扩散阻力的部位。被测定气体从传感器元件101外部导入到第1内部空腔20内时，由于外部空间中的被测定气体的压力变动(如果在被测定气体为汽车的废气的情况下则为排气压力的脉动)而从气体导入口10被急剧引入到传感器元件101内部的被测定气体并不是直接被导入到第1内部空腔20，而是在通过第1扩散速度控制部11、缓冲空间12、第2扩散速度控制部13消除被测定气体的压力变动之后被导入到第1内部空腔20。由此，导入第1内部空腔20的被测定气体的压力变动几乎为能够无视的程度。第1内部空腔20设置为用于调整通过第2扩散速度控制部13被导入的被测定气体中的氧分压的空间。通过使主泵单元21工作来调整该氧分压。

主泵单元21是由内侧泵电极22、泵用外侧电极23p以及被这些电极夹持的第2固体电解质层6构成的电化学泵单元，所述内侧泵电极22具有在第2固体电解质层6的下表面的、面对第1内部空腔20的大致整面设置的顶部电极部22a，所述泵用外侧电极23p在第2固体电解质层6的上表面的与顶部电极部22a对应的区域以暴露于外部空间的方式而设置。

内侧泵电极22形成为：横跨于划分出第1内部空腔20的上下的固体电解质层(第2固体电解质层6以及第1固体电解质层4)、以及构成侧壁的隔离层5。具体而言，在构成第1内部空腔20的顶面的第2固体电解质层6的下表面形成有顶部电极部22a，另外，在构成底面的第1固体电解质层4的上表面形成有底部电极部22b，并且，侧部电极部(省略图示)以连接上述顶部电极部22a和底部电极部22b的方式形成于构成第1内部空腔20的两侧壁部的隔离层5的侧壁面(内表面)，在该侧部电极部的配设部位配设为隧道形态的结构。

内侧泵电极22形成为多孔质金属陶瓷电极(例如含1％的Au的Pt与ZrO₂的金属陶瓷电极)。需要说明的是，与被测定气体接触的内侧泵电极22使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。

关于主泵单元21，对内侧泵电极22与泵用外侧电极23p之间外加所期望的电压Vp0而使得泵电流Ip0沿着正向或负向在内侧泵电极22与泵用外侧电极23p之间流通，由此，能够将第1内部空腔20内的氧向外部空间泵出，或者将外部空间的氧泵入至第1内部空腔20。

另外，为了对第1内部空腔20中的气氛中的氧浓度(氧分压)进行检测，由内侧泵电极22、第2固体电解质层6、隔离层5、第1固体电解质层4、第3基板层3以及基准电极42构成电化学传感器单元、即V0检测传感器单元80(也称为主泵控制用氧分压检测传感器单元)。

通过测定V0检测传感器单元80处的电压V0而获知第1内部空腔20内的氧浓度(氧分压)。进而，对可变电源24的电压Vp0进行反馈控制，以使电压V0成为目标值，从而控制泵电流Ip0。由此，第1内部空腔20内的氧浓度可以保持为规定的恒定值。电压V0是内侧泵电极22与基准电极42之间的电压。

第3扩散速度控制部30是如下部位：对在第1内部空腔20通过主泵单元21的动作控制了氧浓度(氧分压)的被测定气体赋予规定的扩散阻力，将该被测定气体引导至第2内部空腔40。

第2内部空腔40设置成用于进行下述处理的空间：对于预先在第1内部空腔20调整了氧浓度(氧分压)之后又通过第3扩散速度控制部30而导入的被测定气体，利用辅助泵单元50进一步进行氧分压的调整。由此，能够高精度地将第2内部空腔40内的氧浓度保持恒定，因此，该气体传感器100能够实现高精度的NOx浓度的测定。

辅助泵单元50是由辅助泵电极51、泵用外侧电极23p、以及第2固体电解质层6构成的辅助性的电化学泵单元，所述辅助泵电极51具有设置于第2固体电解质层6下表面的、面对第2内部空腔40的大致整体的顶部电极部51a。

该辅助泵电极51以与此前的设置于第1内部空腔20内的内侧泵电极22同样的隧道形态的结构而配设于第2内部空腔40内。即，相对于构成第2内部空腔40顶面的第2固体电解质层6形成有顶部电极部51a，另外，在构成第2内部空腔40底面的第1固体电解质层4形成有底部电极部51b，并且，将上述顶部电极部51a和底部电极部51b连结的侧部电极部(省略图示)分别形成于构成第2内部空腔40侧壁的隔离层5的两个壁面，由此形成隧道形态的结构。需要说明的是，与内侧泵电极22同样地，辅助泵电极51也使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。

关于辅助泵单元50，对辅助泵电极51与泵用外侧电极23p之间外加所期望的电压Vp1，由此能够将第2内部空腔40内的气氛中的氧向外部空间泵出，或者将氧从外部空间泵入第2内部空腔40内。

另外，为了控制第2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2固体电解质层6、隔离层5、第1固体电解质层4和第3基板层3构成电化学传感器单元、即V1检测传感器单元81(也称为辅助泵控制用氧分压检测传感器单元)。

需要说明的是，辅助泵单元50利用可变电源52进行泵送，该可变电源52基于由该V1检测传感器单元81检测的电压V1而被进行电压控制。由此，第2内部空腔40内的气氛中的氧分压被控制为：实质上对NOx的测定没有影响的较低的分压。电压V1是辅助泵电极51与基准电极42之间的电压。

另外，与此同时，将其泵电流Ip1用于对V0检测传感器单元80的电动势的控制。具体而言，泵电流Ip1作为控制信号而输入至V0检测传感器单元80并对其电压V0的上述的目标值进行控制，由此将从第3扩散速度控制部30向第2内部空腔40内导入的被测定气体中的氧分压的梯度控制为始终恒定。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的作用而将第2内部空腔40内的氧浓度保持为约0.001ppm左右的恒定值。

第4扩散速度控制部60是如下部位：对在第2内部空腔40通过辅助泵单元50的动作而控制了氧浓度(氧分压)的被测定气体赋予规定的扩散阻力，并将该被测定气体引导至第3内部空腔61。第4扩散速度控制部60承担限制向第3内部空腔61流入的NOx的量的作用。

第3内部空腔61设置成用于进行下述处理的空间：对于预先在第2内部空腔40中调整了氧浓度(氧分压)之后又通过第4扩散速度控制部60而导入的被测定气体，进行被测定气体中的氮氧化物(NOx)浓度的测定。主要在第3内部空腔61通过测定用泵单元41的动作而进行NOx浓度的测定。

测定用泵单元41在第3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、泵用外侧电极23p、第2固体电解质层6、隔离层5以及第1固体电解质层4构成的电化学泵单元，所述测定电极44设置于第1固体电解质层4的上表面的、面对第3内部空腔61的位置。测定电极44是由与内侧泵电极22相比而针对被测定气体中的NOx成分的还原能力更高的材料构成的多孔质金属陶瓷电极。测定电极44还作为对第3内部空腔61内的气氛中存在的NOx进行还原的NOx还原催化剂而发挥作用。

关于测定用泵单元41，能够泵出因测定电极44周围的气氛中的氮氧化物的分解而产生的氧，并作为泵电流Ip2而对其产生量进行检测。

另外，为了检测测定电极44周围的氧分压，由第1固体电解质层4、第3基板层3、测定电极44和基准电极42构成电化学传感器单元、即V2检测传感器单元82(也称为测定用泵控制用氧分压检测传感器单元)。基于由V2检测传感器单元82检测的电压V2来控制可变电源46。电压V2是测定电极44与基准电极42之间的电压。

导入至第2内部空腔40内的被测定气体在氧分压被控制的状况下通过第4扩散速度控制部60而到达第3内部空腔61内的测定电极44。测定电极44周围的被测定气体中的氮氧化物被还原(2NO→N₂+O₂)而产生氧。并且，该产生的氧由测定用泵单元41进行泵送，此时，控制可变电源46的电压Vp2，以使由V2检测传感器单元82检测的电压V2为恒定(目标值)。在测定电极44周围产生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算出被测定气体中的氮氧化物浓度。

另外，由第2固体电解质层6、隔离层5、第1固体电解质层4、第3基板层3、电压用外侧电极23s和基准电极42构成了电化学Vref检测传感器单元83，能够利用由该Vref检测传感器单元83得到的电压Vref来检测传感器外部的被测定气体中的氧分压。电压Vref是电压用外侧电极23s与基准电极42之间的电压。

进一步，由第2固体电解质层6、隔离层5、第1固体电解质层4、第3基板层3、泵用外侧电极23p和基准电极42构成了电化学基准气体调整泵单元90。该基准气体调整泵单元90因连接在泵用外侧电极23p与基准电极42之间的电源电路92所外加的控制电压(电压Vp3)而流通有泵电流Ip3，由此进行氧的泵送。由此，基准气体调整泵单元90从泵用外侧电极23p周围的空间向基准电极42的周围进行氧的泵入。

关于具有这种构成的气体传感器100，通过使主泵单元21与辅助泵单元50工作而将氧分压始终保持为恒定的低值(实质上对NOx的测定不产生影响的值)的被测定气体提供给测定用泵单元41。因此，基于与被测定气体中的NOx的浓度大致成正比例、且因由NOx的还原产生的氧被测定用泵单元41泵出而流通的泵电流Ip2，能够获知被测定气体中的NOx浓度。

进而，传感器元件101具备加热器部70，其承担对传感器元件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1基板层1的下表面接触的方式形成的电极。将加热器连接器电极71与外部电源连接而能够从外部向加热器部70供电。

加热器72是以由第2基板层2和第3基板层3从上下侧夹持的方式形成的电阻体。加热器72经由通孔73而与加热器连接器电极71连接，通过该加热器连接器电极71从外部供电而发热，由此对形成传感器元件101的固体电解质进行加热和保温。

另外，加热器72埋设于第1内部空腔20至第3内部空腔61的整个区域，能够将整个传感器元件101调整为使得上述固体电解质活化的温度。

加热器绝缘层74是由氧化铝等绝缘体在加热器72的上下表面形成的绝缘层。形成加热器绝缘层74的目的在于：实现第2基板层2与加热器72之间的电绝缘性、以及第3基板层3与加热器72之间的电绝缘性。

压力释放孔75是设置成将第3基板层3及基准气体大气导入层48贯穿而与基准气体导入空间43连通的部位，形成压力释放孔75的目的在于：使得加热器绝缘层74内的温度上升所伴随的内压的上升缓和。

此处，对泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s进行详细说明。泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s相当于将图9的外侧泵电极923分为两个电极的方式。即，图9的外侧泵电极923兼作流通泵电流Ip0的主泵单元921的电极、流通泵电流Ip2的测定用泵单元941的电极、流通泵电流Ip3的基准气体调整泵单元990的电极和检测电压Vref的Vref检测传感器单元983的电极。与此相对，在本实施方式中，将主泵单元21、辅助泵单元50、测定用泵单元41及基准气体调整泵单元90的泵用外侧电极23p和Vref检测传感器单元83的电压用外侧电极23s作为分别独立的电极且均配设于传感器元件101的外侧。

在本实施方式中，如图2所示，泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s均在俯视时呈大致四边形。电压用外侧电极23s位于比泵用外侧电极23p更靠后侧的位置。电压用外侧电极23s的前后的长度比泵用外侧电极23p小，面积也小。需要说明的是，电极的面积为从与配设有电极的面垂直的方向观察时的面积。例如，泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s的面积是各自俯视时的面积。

泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s均为包含具有催化活性的贵金属(例如Pt、Rh、Pd、Ru和Ir中的至少任一种)的电极。泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s优选为由包含贵金属和具有氧离子导电性的氧化物(此处为ZrO₂)的金属陶瓷构成的电极。另外，泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s优选为多孔质体。关于泵用外侧电极23p所含的贵金属和电压用外侧电极23s所含的贵金属，其种类及含有比例均可以相同，或者其种类及含有比例中的至少任一者也可以不同。在本实施方式中，泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s均为Pt与ZrO₂的多孔质金属陶瓷电极。

如图3所示，控制装置95具备上述的可变电源24、46、52、加热器电源78、上述的电源电路92、以及控制部96。控制部96是具备CPU97、未图示的RAM以及存储部98等的微处理器。存储部98例如是ROM等非易失性存储器，其是存储各种数据的装置。控制部96被输入各传感器单元80～83的电压V0～V2和电压Vref。控制部96被输入在各泵单元21、50、41、90中流通的泵电流Ip0～Ip3。控制部96通过向可变电源24、46、52和电源电路92输出控制信号，从而控制可变电源24、46、52以及电源电路92输出的电压Vp0～Vp3，由此，控制各泵单元21、41、50、90。控制部96通过向加热器电源78输出控制信号来控制加热器电源78向加热器72供给的电力，由此调整传感器元件101的温度。在存储部98存储有后述的目标值V0*、V1*、V2*、Ip1*等。

控制部96对可变电源24的电压Vp0进行反馈控制，以使电压V0成为目标值V0*(即，第1内部空腔20的氧浓度成为目标浓度)。

控制部96对可变电源52的电压Vp1进行反馈控制，以使电压V1成为恒定值(称为目标值V1*)(即，第2内部空腔40的氧浓度成为实质上不会对NOx的测定产生影响的规定的低氧浓度)。与此同时，控制部96基于泵电流Ip1设定(反馈控制)电压V0的目标值V0*，以使因电压Vp1而流动的泵电流Ip1成为恒定值(称为目标值Ip1*)。由此，从第3扩散速度控制部30导入到第2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2内部空腔40内的气氛中的氧分压被控制到实质上不影响NOx的测定的低分压。目标值V0*设定为使第1内部空腔20的氧浓度比0％高且低氧浓度这样的值。

控制部96对可变电源46的电压Vp2进行反馈控制，以使电压V2为恒定值(称为目标值V2*)(即，第3内部空腔61内的氧浓度为规定的低浓度)。由此，以使因被测定气体中的特定气体(此处为NOx)在第3内部空腔61被还原而产生的氧实质上为零的方式从第3内部空腔61内泵出氧。然后，控制部96取得泵电流Ip2来作为与源于NOx而在第3内部空腔61产生的氧对应的检测值，并基于该泵电流Ip2计算出被测定气体中的NOx浓度。目标值V2*被预先设定为使因反馈控制后的电压Vp2而流通的泵电流Ip2成为极限电流这样的值。在存储部98中，作为泵电流Ip2与NOx浓度的对应关系，存储有关系式(例如一次函数的式子)、映射等。这样的关系式或者映射能够预先通过实验求出。然后，控制部96基于取得的泵电流Ip2和存储在存储部98中的上述对应关系来检测被测定气体中的NOx浓度。如此，进行源于被导入到传感器元件101内的被测定气体中的特定气体的氧的泵出，基于泵出的氧量(在本实施方式中基于泵电流Ip2)来检测特定气体浓度，将该方式称为极限电流方式。

控制部96以电压Vp3被外加到基准气体调整泵单元90的方式控制电源电路92，使泵电流Ip3流通。通过使泵电流Ip3流通，基准气体调整泵单元90从泵用外侧电极23p周边向基准电极42周边进行氧的泵入。

以下，对基准气体调整泵单元90所发挥的作用进行说明。传感器元件101中的气体导入口10等被测定气体流通部中导入有流入到上述的未图示的保护罩内的被测定气体。另一方面，基准气体(大气)被导入至传感器元件101的基准气体导入部49。而且，该传感器元件101的气体导入口10侧和基准气体导入部49的入口侧、即传感器元件101的前端侧和后端侧由上述未图示的元件密封体而被划分出，以气体彼此不流通的方式被密封。但是，在被测定气体侧的压力较高的情况下等，有时被测定气体会稍微侵入到基准气体侧，传感器元件101的后端侧的周围的基准气体的氧浓度降低。此时，如果降低到基准电极42周围的氧浓度，则基准电极42的电位、即基准电位发生变化。上述的各传感器单元80～83的电压V0～V2、Vref均是以基准电极42的电位为基准的电压，因此，若基准电位发生变化，则被测定气体中的NOx浓度的检测精度有时会降低。基准气体调整泵单元90发挥抑制这样的检测精度降低的作用。控制装置95控制电源电路92，将以规定的周期(例如10msec)反复通断的脉冲电压作为电压Vp3外加于基准气体调整泵单元90的基准电极42与泵用外侧电极23p之间。因电压Vp3而在基准气体调整泵单元90中流通有泵电流Ip3，由此从泵用外侧电极23p周边向基准电极42周边泵入氧。由此，在如上所述被测定气体使基准电极42周围的氧浓度降低的情况下，能够补充减少的氧，能够抑制NOx浓度的检测精度的降低。

需要说明的是，包括图3所示的可变电源24、46、52、加热器电源78以及电源电路92等在内，控制装置95实际上经由在传感器元件101内形成的未图示的引线以及在传感器元件101的后端侧形成的未图示的连接器电极(在图1中仅示出了加热器连接器电极71)，与传感器元件101内部的各电极连接。

对气体传感器100检测被测定气体中的NOx浓度时控制部96所进行的处理进行说明。首先，控制部96的CPU97开始传感器元件101的驱动。具体而言，CPU97向加热器电源78发送控制信号，通过加热器72对传感器元件101进行加热。然后，CPU97将传感器元件101加热至规定的驱动温度(例如800℃)。接着，CPU97开始控制上述各泵单元21、41、50、90、从上述各传感器单元80～83取得各电压V0～V2、Vref。在该状态下，被测定气体从气体导入口10被导入时，被测定气体通过第1扩散速度控制部11、缓冲空间12及第2扩散速度控制部13，到达第1内部空腔20。接着，在第1内部空腔20及第2内部空腔40中，被测定气体的氧浓度由主泵单元21及辅助泵单元50调整，调整后的被测定气体到达第3内部空腔61。然后，CPU97基于所取得的泵电流Ip2和存储在存储部98中的对应关系，检测出被测定气体中的NOx浓度。

在该气体传感器100的传感器元件101中，如上所述，在传感器元件101的外侧分别配设有构成泵单元21、41、50、90各自的一部分的泵用外侧电极23p和构成Vref检测传感器单元83的一部分的电压用外侧电极23s。即，在传感器元件101中，在传感器元件101的外侧分别设置有泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s。因此，与1个电极兼具泵用外侧电极23p的作用和电压用外侧电极23s的作用的情况(例如在图9所示的传感器元件901中，外侧泵电极923兼作主泵单元921的电极、测定用泵单元941的电极、基准气体调整泵单元990的电极和Vref检测传感器单元983的电极)不同，主泵单元21、测定用泵单元41、辅助泵单元50及基准气体调整泵单元90的泵电流Ip0～Ip3并未在电压用外侧电极23s中流通。因此，Vref检测传感器单元83的电压Vref中不包含由泵电流Ip0～Ip3所引起的电压用外侧电极23s的电压下降量。由此，Vref检测传感器单元83的电压Vref成为与传感器元件101的外侧的被测定气体中的氧浓度以更高精度对应的值，使用了Vref检测传感器单元83的被测定气体中的氧浓度的检测精度提高。

需要说明的是，如现有例的传感器元件901那样泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s并不独立而为1个外侧泵电极923的情况下，Vref检测传感器单元983的电压Vref中，除了基于外侧泵电极923的周围与基准电极942的周围之间的氧浓度差的电动势之外，还包含在外侧泵电极923中流通的泵电流的合计值乘以外侧泵电极923的电阻而得到的值(电压下降量)。而且，关于外侧泵电极923处的电压下降的大小，在制造多个传感器元件901时，因外侧泵电极923的制造偏差(例如厚度、气孔率、表面积的形态等的偏差)的影响有时每个传感器元件901会产生个体差异。因此，在传感器元件901中，有时基于电压Vref进行的传感器元件901的外侧的氧浓度的检测的检测精度也在每个传感器元件901中产生偏差。与此相对，在本实施方式的传感器元件101中，泵电流Ip0～Ip3并不在电压用外侧电极23s中流通，因此不会产生电压用外侧电极23s处的电压下降，因此，即使在多个传感器元件101中有电压用外侧电极23s的制造偏差，基于电压Vref进行的传感器元件101的外侧的氧浓度的检测的检测精度也不易产生偏差。

另外，如上所述，控制部96控制主泵单元21，使得电压V0成为目标值V0*，即第1内部空腔20的氧浓度成为规定的低浓度。此时，例如在被测定气体中的氧浓度在比规定的低浓度高的状态和比规定的低浓度低的状态之间切换时，控制部96将主泵单元21使氧移动的方向切换为反方向。由此，在主泵单元21中流通的泵电流Ip0的方向切换为反方向。例如，当被测定气体从稀薄气氛切换为浓气氛时，在主泵单元21中流通的泵电流Ip0的方向从泵出第1内部空腔20的氧的方向切换为向第1内部空腔20泵入氧的方向。稀薄气氛是被测定气体的空燃比比理论空燃比大的状态，浓气氛是被测定气体的空燃比比理论空燃比小的状态。在浓气氛中，被测定气体中含有未燃的燃料，使该未燃成分以没有过剩或不足的方式燃烧所需的氧量相当于浓气氛的被测定气体的氧浓度。因此，浓气氛的被测定气体的氧浓度用负表示。因此，在被测定气体为浓气氛的情况下，控制部96为了使负的氧浓度为与目标值V0*对应的规定的低浓度(氧浓度比0％高的状态)，控制部96控制主泵单元21，向第1内部空腔20泵入氧。因此，当1个电极兼具泵用外侧电极23p的作用和电压用外侧电极23s的作用时，因在主泵单元21中流通的泵电流Ip0的方向切换为反方向时的电流变化所需要的时间，电压Vref的变化也变慢。与此相对，在本实施方式中，分别设置有泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s，因此电压Vref不受泵电流Ip0的变化所需的时间的影响，所以电压Vref的变化不会变慢。即，在被测定气体中的氧浓度在比规定的低浓度高的状态和比规定的低浓度低的状态之间切换时的电压Vref的响应性不易降低。

另外，当1个电极兼具泵用外侧电极23p的作用和电压用外侧电极23s的作用时，该电极因使用而劣化，有时上述泵电流Ip0的方向切换为反方向时的电流变化所需的时间进一步变长。这被认为是因为：电极劣化而导致电极的电容成分发生变化。电极的劣化是因例如电极中流通有电流而使得电极中的贵金属发生氧化而造成的。例如传感器元件901的外侧泵电极923中含有Pt的情况下，有时Pt的一部分氧化而成为PtO、PtO₂。因为外侧泵电极923的劣化，例如在气体传感器900中，随着使用，电压Vref的响应性有时会降低(以下称为“响应性的劣化”)。与此相对，在本实施方式中，使泵电流Ip0～Ip3不在电压用外侧电极23s中流通，因此电压用外侧电极23s不易劣化。另外，即使电压用外侧电极23s劣化，由于使泵电流Ip0不在电压用外侧电极23s中流通，所以电压用外侧电极23s不会受到泵电流Ip0的方向切换为反方向的影响。由此，即使长期使用传感器元件101，电压Vref的响应性也不易劣化。

如下调查了电压Vref的响应性及响应性的劣化情况。首先，制作图1～3所示的本实施方式的传感器元件101及气体传感器100，作为实施例1。另外，除了不具备泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s而具备图9的外侧泵电极923之外，制作与实施例1相同的气体传感器，作为比较例1。在比较例1中，外侧泵电极923构成主泵单元21、辅助泵单元50、测定用泵单元41、基准气体调整泵单元90以及Vref检测传感器单元83各自的一部分。实施例1的泵用外侧电极23p、电压用外侧电极23s以及比较例1的外侧泵电极923均为相同的材质。

对实施例1及比较例1调查了电压Vref的响应性。首先，将实施例1的气体传感器安装于配管。然后，对加热器72通电而使温度为800℃，对传感器元件101进行加热。设为利用控制部96控制上述各泵单元21、41、50、从上述各传感器单元80～83取得各电压V0、V1、V2、Vref的状态。设为控制部96不进行基准气体调整泵单元90的控制的状态。在该状态下，使模拟稀薄状态的废气作为被测定气体的气体向配管流动，之后，使模拟浓状态的废气的气体向配管流动，从而模拟被测定气体从稀薄状态向浓状态的切换。持续测定此时的电压Vref，并调查了电压Vref的时间变化的情况。关于比较例1，也同样地调查了电压Vref的时间变化的情况。

具体而言，当将向配管流动的气体从稀薄状态切换为浓状态时，实施例1及比较例1中均是电压Vref上升。将电压Vref即将上升前的值设为0％，将上升之后电压Vref稳定后的值设为100％，将电压Vref从10％变为90％所需的时间作为电压Vref的响应时间[msec]。该响应时间越短，意味着电压Vref的响应性越高。实施例1的响应时间为380msec，比较例1的响应时间为400msec。根据该结果，确认到：分别配设有泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s的实施例1与配设有外侧泵电极923以代替这些电极的比较例1相比，电压Vref的上升的响应性高。需要说明的是，关于将向配管流动的气体从浓状态切换为稀薄状态时的电压Vref的下降的响应性，也同样地进行了调查，结果，实施例1的响应性比比较例1高。

接着，在将实施例1的气体传感器100配置于大气中的状态下，与上述同样地利用控制部96驱动传感器元件101而进行了经过500小时的大气连续试验。关于比较例1的气体传感器，也同样进行了大气连续试验。大气的氧浓度比废气高，电极中的贵金属容易氧化而劣化，因此该大气连续试验相当于电极的加速劣化试验。对于进行了该大气连续试验后的实施例1及比较例1，利用上述方法测定了电压Vref的响应时间[msec]。

图4是示出了实施例1及比较例1的大气连续试验前后的电压Vref的响应时间的变化的曲线图。如图4所示，在比较例1中，与大气连续试验前(经过时间为0小时)的响应时间(400msec)相比，在大气连续试验后(经过时间为500小时)响应时间较长(580msec)，响应性劣化。与此相对，在实施例1中，在大气连续试验的前后，响应时间仅从380msec变化为385msec，响应时间的变化很短。根据该结果，确认到：分别配设有泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s的实施例1与配设有外侧泵电极923以代替这些电极的比较例1相比，抑制了因气体传感器的使用而导致的电压Vref的响应时间的劣化。图5是示出了大气连续试验后的实施例1及比较例1的电压Vref的时间变化的情况的曲线图。图5中，关于实施例1及比较例1，也分别示出了在将电压Vref即将上升之前的值设为0％、将在上升之后电压Vref稳定后的值设为100％时的相当于10％以及90％的电压Vref。另外，图5中，关于实施例1及比较例1，分别示出了上述响应时间的值，该响应时间的值是作为电压Vref从10％变为90％所需的时间而测定的。

在控制部96基于Vref检测传感器单元83的电压Vref来检测传感器元件101的外侧的被测定气体中的氧浓度的情况下，作为氧浓度的检测的一种，也可以根据电压Vref来判定传感器元件101的外侧的被测定气体是浓状态和稀薄状态中的哪一者。控制部96例如将用于判定电压Vref是上升状态还是下降状态的规定的阈值预先存储于存储部98，基于该阈值对所取得的电压Vref进行二值化，由此能够判定被测定气体是浓状态和稀薄状态中的哪一者。由此，气体传感器100不仅作为NOx传感器发挥功能，还作为λ传感器(空燃比传感器)发挥功能。

需要说明的是，电压Vref中，除了包含上述的基于电压用外侧电极23s周围与基准电极42周围之间的氧浓度差的电动势以外，还包含电压用外侧电极23s的热电动势。因此，为了进一步提高使用了Vref检测传感器单元83的氧浓度的检测精度，优选减小电压用外侧电极23s的热电动势。例如，通过尽量减小电压用外侧电极23s的面积，能够减小电压用外侧电极23s内的温度偏差，因此，能够减小电压用外侧电极23s的热电动势。电压用外侧电极23s中没有泵电流Ip0～Ip3流通，因此电阻值可以较大，所以，与泵用外侧电极23p相比，容易减小面积。在本实施方式中，如上所述使电压用外侧电极23s的面积小于泵用外侧电极23p的面积，因此，能够使电压用外侧电极23s的热电动势比较小。

另外，电压Vref中，除了包含上述的基于电压用外侧电极23s周围与基准电极42周围之间的氧浓度差的电动势、以及电压用外侧电极23s的热电动势以外，还包含基准气体调整泵单元90的泵电流Ip3乘以基准电极42的电阻得到的值(电压下降量)。换言之，根据与在基准电极42流通的泵电流Ip3相应地产生的基准电极42的电压下降量的大小，基准电极42的电位、即基准电位发生变化，从而电压Vref也发生变化。对此进行说明。图6是示出了电压Vp3的时间变化的一例的说明图。图7是示出了电压Vref的时间变化的一例的说明图。当图6的脉冲电压作为电压Vp3被外加于基准电极42与电压用外侧电极23s之间时，基准电极42与电压用外侧电极23s之间的电压Vref如图7的波形那样变化。即，随着电压Vp3的脉冲电压变为导通，电压Vref逐渐上升；随着电压Vp3的脉冲电压变为断开，电压Vref逐渐下降，在脉冲电压即将下一次变为导通之前电压Vref变为最小值。电压Vref如此变化的原因在于：电压Vref中包含由在基准电极42流通的泵电流Ip3所引起的电压下降量。即，泵电流Ip3与图7的波形同样地因脉冲电压而反复上升和下降，因此基准电极42的电压下降量的大小也与泵电流Ip3相应地变动，电压Vref如图7的波形那样变动。在图7中，将电压Vref本来的值(基于基准电极42周围与泵用外侧电极23p周围之间的氧浓度差的电压)作为基础电压Vrefb示出。在电压Vref和基础电压Vrefb之差亦即残留电压DVref中包含基准电极42的电压下降量。该残留电压DVref越小时，由泵电流Ip3引起的基准电极42的电位的变化越小，由基准电极42的电位的变化所引起的电压Vref的变化也越小。因此，控制部96优选在电压Vp3断开的期间取得电压Vref，更优选在电压Vp3断开的期间中残留电压DVref尽量小的时机取得电压Vref。由此，能够抑制由泵电流Ip3所引起的传感器元件101外侧的被测定气体中的氧浓度的测定精度的降低，电压Vref成为与传感器元件101外侧的被测定气体中的氧浓度以更高精度对应的值。

残留电压DVref尽量小的时机具体可以是以下的期间中的任一时机。具体而言，首先，将电压Vp3通断的1次周期中的电压Vref的值的最大值设为100％、将最小值设为0％。然后，将从电压Vp3变为断开且电压Vref变为10％以下起到电压Vref因下一周期的电压Vp3的导通而开始上升为止的期间作为残留电压DVref小的期间。优选控制部96在该期间中的任一时机取得电压Vref。另外，更优选控制部96在电压Vp3通断的1次周期中残留电压DVref成为最小值DVrefmin(参照图7)的时机取得电压Vref。如图7的波形那样，在电压Vp3断开的期间中(电压Vp3下一次变为导通为止)电压Vref稳定的情况下，控制部96在电压Vref稳定的期间的任一时机取得电压Vref即可。由此，控制部96能够在残留电压DVref成为最小值DVrefmin的时机取得电压Vref。另一方面，在电压Vp3断开的期间中电压Vref不稳定的情况下，在电压Vp3为断开的期间且即将下一次变为导通之前的时机，残留电压DVref成为最小值DVrefmin，因此，控制部96优选在该时机取得电压Vref。控制部96取得电压Vref的时机可以基于电压Vp3的通断的周期、由电压Vp3引起的泵电流Ip3以及电压Vref的时间变化的波形等预先通过实验确定。

需要说明的是，为了便于说明，图7中示出了基础电压Vrefb恒定的情况、即电压用外侧电极23s周边的被测定气体中的氧浓度恒定的情况的电压Vref的波形。实际上，基础电压Vrefb会根据电压用外侧电极23s周边的被测定气体中的氧浓度而像例如图5那样变动。

与电压Vref同样地，电压V0、V1、V2也受到泵电流Ip3的影响。因此，关于控制部96取得电压V0、V1、V2，与电压Vref同样地，优选在电压Vp3断开的期间进行，更优选在上述残留电压DVref较小的期间进行，进一步优选在电压Vref稳定的期间的任一时机进行，或者在电压Vp3断开的期间且即将下一次变为导通之前的时机进行。另外，关于控制部96取得泵电流Ip0～Ip3，与电压Vref同样地，优选在电压Vp3断开的期间进行，更优选在上述残留电压DVref较小的期间进行，进一步优选在电压Vref稳定的期间的任一时机进行，或者在电压Vp3断开的期间且即将下一次变为导通之前的时机进行。在本实施方式中，控制部96在电压Vp3断开的期间且即将下一次变为导通之前的时机进行电压V0、V1、V2、Vref和泵电流Ip0～Ip3的取得。

此处，明确本实施方式的构成要素与本发明的构成要素的对应关系。本实施方式的第1基板层1、第2基板层2、第3基板层3、第1固体电解质层4、隔离层5及第2固体电解质层6相当于本发明的元件主体，第1内部空腔20及第2内部空腔40相当于氧浓度调整室，泵用外侧电极23p相当于泵用外侧电极，主泵单元21及辅助泵单元50相当于调整室用泵单元，第3内部空腔61相当于测定室，测定电极44相当于测定电极，测定用泵单元41相当于测定用泵单元，基准气体导入部49相当于基准气体导入部，电压用外侧电极23s相当于电压用外侧电极，基准电极42相当于基准电极，Vref检测传感器单元83相当于外侧用传感器单元。另外，基准气体调整泵单元90相当于基准气体调整泵单元，控制部96相当于调整室用泵单元控制部、氧浓度检测部及基准气体调整部。

在以上详述的本实施方式的气体传感器100中，在传感器元件101的外侧分别设置有泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s。由此，由于泵电流Ip0～Ip3不在电压用外侧电极23s中流通，所以在Vref检测传感器单元83的电压Vref中不包含由泵电流Ip0～Ip3所引起的电压用外侧电极23s的电压下降量。由此，电压Vref成为与传感器元件101的外侧的被测定气体中的氧浓度以更高精度对应的值，因此使用了Vref检测传感器单元83的被测定气体中的氧浓度的检测精度提高。

另外，传感器元件101具备基准气体调整泵单元90，基准气体调整泵单元90具有泵用外侧电极23p和基准电极42，从泵用外侧电极23p周围向基准电极42周围进行氧的泵入。据此，通过基准气体调整泵单元90向基准电极42周围泵入氧，能够弥补基准电极42周围的基准气体的氧浓度的降低。

此外，控制部96控制主泵单元21，以使第1内部空腔20的氧浓度成为规定的低浓度，从而使主泵单元21进行从第1内部空腔20泵出氧气或向第1内部空腔20泵入氧。在该情况下，在主泵单元21中流通的泵电流Ip0的方向有时切换为反方向。但是，通过在传感器元件101分别设置有泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s，电压Vref不受泵电流Ip0变化所需时间的影响。由此，在被测定气体中的氧浓度在比规定的低浓度高的状态和比规定的低浓度低的状态之间切换时的电压Vref的响应性不易降低。

需要说明的是，本发明并不限于上述实施方式，只要属于本发明的技术范围，当然可以以各种方式实施。

例如，在上述的实施方式中，泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s前后排列配置，但也可以左右排列配置。需要说明的是，泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s优选以某种程度分离地配置，以使得电压Vref不会因泵用外侧电极23p的周围所泵出的氧的影响而发生变化。

在上述的第1实施方式中，第4扩散速度控制部60构成为狭缝状的间隙，但并不限于此。也可以将第4扩散速度控制部60构成为多孔质体(例如氧化铝(Al₂O₃)等陶瓷多孔质体)。例如，构成为多孔质体的第4扩散速度控制部60可以将测定电极44被覆。在该情况下，测定电极44的周围作为测定室而发挥作用。即，测定电极44的周围发挥出与第3内部空腔61同样的作用。

在上述的实施方式中，控制部96不仅取得电压用外侧电极23s与基准电极42之间的电压Vref，还可以取得泵用外侧电极23p与基准电极42之间的电压。图8是变形例的气体传感器200的截面示意图。气体传感器200的传感器元件201具备Vref1检测传感器单元83a和Vref2检测传感器单元83b。Vref1检测传感器单元83a是与传感器元件101的Vref检测传感器单元83相同的传感器单元。在Vref1检测传感器单元83a中，在电压用外侧电极23s与基准电极42之间产生电压Vref1。Vref2检测传感器单元83b为由第2固体电解质层6、隔离层5、第1固体电解质层4、第3基板层3、泵用外侧电极23p和基准电极42构成的电化学传感器单元。在Vref2检测传感器单元83b中，在泵用外侧电极23p与基准电极42之间产生电压Vref2。在该气体传感器200中，能够基于电压Vref1与电压Vref2之差来进行泵用外侧电极23p的劣化的判定。例如，控制部96在规定的劣化判定时机取得在泵用外侧电极23p中流通的电流Ip4(例如泵电流Ip0～Ip3的合计值)、和电压Vref1以及电压Vref2，计算出所取得的电压Vref1和电压Vref2之差Da。接着，控制部96根据取得的电流Ip4，计算出电压Vref1与电压Vref2之差的基准值。该基准值是相当于泵用外侧电极23p未劣化的状态下的电压Vref1与电压Vref2之差的值。在电压Vref1与电压Vref2之差中也包含由在泵用外侧电极23p中流通的电流所引起的泵用外侧电极23p处的电压下降量，因此控制部96基于所取得的泵电流Ip4来计算出基准值。例如，在存储部98中预先存储表示电流Ip4与基准值的对应关系的关系式(例如一次函数的式子)、映射等，使用所取得的电流Ip4和该对应关系，控制部96计算出基准值。需要说明的是，在电流Ip0占电流Ip4(电流Ip0～Ip3的合计值)的比例大的情况下，也可以不基于电流Ip4而基于电流Ip0计算出基准值。然后，根据差Da与基准值是否背离(例如差Da与基准值的差是否超过规定的阈值)，判定泵用外侧电极23p是否劣化。此处，随着传感器元件201的使用在泵用外侧电极23p中流通泵电流Ip0～Ip3，从而泵用外侧电极23p劣化。由此，即使在泵用外侧电极23p中流通的电流与劣化前相同的状态下，与劣化前相比，因该电流的流通而导致的泵用外侧电极23p处的电压下降量也会变大。因此，泵用外侧电极23p越劣化，电压Vref1与电压Vref2之差Da越趋于变大。因此，控制部96通过比较该差Da和上述基准值，从而能够判定泵用外侧电极23p是否劣化。当泵用外侧电极23p劣化时，由于因电压Vp0～Vp3而分别流通的泵电流Ip0～Ip3的值发生变化等，NOx浓度的测定精度有时降低。若控制部96能够判定泵用外侧电极23p的劣化，则例如进行控制部96将错误信息发送到发动机ECU等的对应，从而能够抑制NOx浓度的测定精度始终降低。需要说明的是，控制部96不仅能够判定泵用外侧电极23p是否劣化，还能够基于差Da的大小或基于差Da与基准值的背离程度(例如差Da与基准值的差的大小)来判定泵用外侧电极23p的劣化程度。另外，控制部96可以根据泵用外侧电极23p的劣化的有无、劣化的程度，以抵消劣化的影响的方式变更传感器元件201的控制。例如，控制部96可以基于差Da或者基于差Da与基准值的差，变更上述目标值V0*、V1*、V2*、Ip1*中的至少一者。另外，控制部96也可以基于差Da或者基于差Da与基准值的差来变更电压Vp3，从而变更泵电流Ip3，变更被泵入到基准电极42的周围的氧的量。

在上述的实施方式中，可以使传感器元件101不具备基准气体调整泵单元90，且控制部96不具备电源电路92，从而省略利用基准气体调整泵单元90向基准电极42的周围泵入氧。需要说明的是，在基准气体调整泵单元90进行向基准气体导入部49泵入氧的情况下，不仅有泵电流Ip0～Ip2流通，还有泵电流Ip3流通，因此，这些泵电流Ip0～Ip3流通的电极(例如图9的外侧泵电极923)与不使泵电流Ip3流通的情形相比，容易劣化。因此，在基准气体调整泵单元90进行氧的泵入的情况下，像上述的实施方式那样分别设置泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s而抑制电压Vref的响应性劣化的意义重大。

在上述的实施方式中，基准气体调整泵单元90从泵用外侧电极23p的周围向基准电极42的周围进行氧的泵入，不过，也可以有时从基准电极42的周围泵出氧。

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～层6)的层叠体，但不限于此。传感器元件101的元件主体至少包括1个氧离子传导性的固体电解质层且被测定气体流通部设置于内部即可。例如，在图1中，除第2固体电解质层6以外的层1～层5可以是由除固体电解质以外的材质构成的结构层(例如由氧化铝构成的层)。在该情况下，传感器元件101所具有的各电极配设于第2固体电解质层6即可。例如，图1的测定电极44配设在第2固体电解质层6的下表面即可。另外，可以将基准气体导入空间43设置于隔离层5以代替设置于第1固体电解质层4，将基准气体导入层48设置于第2固体电解质层6和隔离层5之间以代替设置于第1固体电解质层4和第3基板层3之间，将基准电极42设置于比第3内部空腔61更靠后方的位置且是配置于第2固体电解质层6的下表面。

在上述的实施方式中，控制部96基于泵电流Ip1来设定(反馈控制)电压V0的目标值V0*，以使泵电流Ip1成为目标值Ip1*，对电压Vp0进行反馈控制，以使电压V0成为目标值V0*，但也可以进行其它控制。例如，控制部96也可以基于泵电流Ip1对电压Vp0进行反馈控制，以使泵电流Ip1成为目标值Ip1*。即，控制部96也可以省略从V0检测传感器单元80取得电压V0以及设定目标值V0*，而基于泵电流Ip1直接控制电压Vp0(甚至控制泵电流Ip0)。在该情况下，控制部96也对电压Vp1进行反馈控制，以使得电压V1成为目标值V1*，因此，控制部96使用主泵单元21将第2内部空腔40的上游侧的第1内部空腔20的氧浓度控制为规定的低浓度，以使得泵电流Ip1成为目标值Ip1*且第2内部空腔40的氧浓度成为规定的低浓度(与电压V1对应的氧浓度)。因此，即使在进行这种变形例的控制的情况下，也与上述的实施方式的说明同样地，当被测定气体中的氧浓度在比规定的低浓度高的状态和比规定的低浓度低的状态之间切换时，泵电流Ip0的方向切换为反方向。因此，即使在进行这种变形例的控制的情况下，也与上述的实施方式同样，通过分别设置泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s，从而与上述的实施方式同样地能够得到电压Vref的响应性不易降低的效果。

在上述的实施方式中，氧浓度调整室具有第1内部空腔20和第2内部空腔40，但不限于此，例如氧浓度调整室还可以具备另外的内部空腔，也可以省略第1内部空腔20和第2内部空腔40中的一者。同样，在上述的实施方式中，调整用泵单元具有主泵单元21和辅助泵单元50，但不限于此，例如调整用泵单元还可以具备另外的泵单元，也可以省略主泵单元21和辅助泵单元50中的一者。例如，在仅通过主泵单元21能够充分降低被测定气体的氧浓度的情况下，可以省略辅助泵单元50。在省略辅助泵单元50的情况下，控制部96省略上述的基于泵电流Ip1的目标值V0*的设定即可。具体而言，将规定的目标值V0*预先存储于存储部98，控制部96对可变电源24的电压Vp0进行反馈控制，以使电压V0成为目标值V0*，从而控制主泵单元21即可。

在上述的实施方式中，气体传感器100检测NOx浓度作为特定气体浓度，但并不限于此，也可以将其它氧化物浓度作为特定气体浓度。在特定气体为氧化物的情况下，与上述的实施方式同样地，在将特定气体本身在第3内部空腔61中还原时产生氧，因此，控制部96能够基于与该氧对应的检测值来检测特定气体浓度。另外，特定气体也可以是氨等非氧化物。在特定气体为非氧化物的情况下，特定气体例如在第1内部空腔20被转化成氧化物(例如若为氨则被氧化而转化为NO)，从而在转化后的氧化物在第3内部空腔61中被还原时产生氧，因此控制部96能够取得与该氧对应的检测值而检测出特定气体浓度。如此，无论特定气体是氧化物还是非氧化物，气体传感器100都能够基于源于特定气体而在第3内部空腔61产生的氧来检测特定气体浓度。

在上述的实施方式中，泵用外侧电极23p及电压用外侧电极23s在传感器元件101的外部露出，但不限于此。例如，如图10所示，也可以将泵用外侧电极23p以扩散层26被覆。扩散层26配设于第2固体电解质层6的上表面而将泵用外侧电极23p整体被覆。扩散层26未将电压用外侧电极23s被覆，电压用外侧电极23s在传感器元件101的外部露出。扩散层26构成为多孔质体(例如氧化铝(Al₂O₃)等陶瓷多孔质体)，针对从传感器元件101的外部到达泵用外侧电极23p的被测定气体赋予扩散阻力。通过泵用外侧电极23p由扩散层26被覆，能够抑制被测定气体中的NOx浓度的测定精度的降低。其理由被认为是如下这样。首先，泵用外侧电极23p如上所述包含具有催化活性的贵金属，在泵用外侧电极23p的周围有时发生被测定气体中的NOx的还原。特别是，在被测定气体为浓气氛的情况下(包括弱浓气氛的情形在内)或理论空燃比(化学计量比)的情况下，控制部96对主泵单元21进行控制而向第1内部空腔20泵入氧，因此，泵用外侧电极23p周围的氧浓度降低而成为还原气氛，容易在泵用外侧电极23p周围发生NOx的还原。如果在泵用外侧电极23p周围发生NOx的还原，则有时NOx浓度降低后的被测定气体从气体导入口10被导入到传感器元件101的被测定气体流通部内而导致NOx浓度的测定精度降低。此时，如果泵用外侧电极23p以扩散层26被覆，则被测定气体不易到达泵用外侧电极23p周围，因此，在泵用外侧电极23p周围被还原的NOx的每单位时间的量变少。另外，通过泵用外侧电极23p以扩散层26被覆，沿着到达外侧泵电极23周围之后又到达气体导入口10这一路径前进的被测定气体的量也变少。其结果，由泵用外侧电极23p周围的NOx的还原所引起的上述的NOx浓度的测定精度的降低得以抑制。另一方面，电压用外侧电极23s未由扩散层26被覆，因此，与由扩散层26被覆的情形相比较，传感器元件101的外部的被测定气体容易到达泵用外侧电极23p。所以，与将电压用外侧电极23s以扩散层26被覆的情形相比较，电压Vref的响应性的降低得以抑制。另外，电压用外侧电极23s如上所述面积比泵用外侧电极23p的面积小，电压用外侧电极23s没有电流流通，没有进行从电压用外侧电极23s周围朝向被测定气体流通部的氧泵入，因此，在电压用外侧电极23s周围不易发生NOx的还原。所以，即便电压用外侧电极23s未由扩散层26被覆，也不易发生NOx的还原。

在上述的实施方式中，泵用外侧电极23p及电压用外侧电极23s均包含具有催化活性的贵金属，不过，泵用外侧电极23p可以进一步包含具有抑制该催化活性的催化活性抑制能力的贵金属(例如Au)。通过使泵用外侧电极23p包含具有催化活性抑制能力的贵金属，能够抑制在泵用外侧电极23p周围发生NOx的还原，因此，由该NOx的还原所引起的上述的NOx浓度的测定精度的降低得以抑制。电压用外侧电极23s也可以含有具有催化活性抑制能力的贵金属，不过，若电压用外侧电极23s不含具有催化活性抑制能力的贵金属，则电压Vref的响应性的降低得以抑制，故优选。本发明的发明人通过实验、解析确认了上述事项。也可以使泵用外侧电极23p含有具有催化活性抑制能力的贵金属，进而将泵用外侧电极23p以图10所示的扩散层26被覆。

本申请以2021年3月31日申请的日本专利申请第2021-59122号作为主张优先权的基础，并通过引用将其全部内容包含在本说明书中。

产业上的可利用性

本发明能够用于检测汽车的废气等被测定气体中的NOx等特定气体的浓度的气体传感器。

附图标记说明

1：第1基板层；2：第2基板层；3：第3基板层；4：第1固体电解质层；5：隔离层；6：第2固体电解质层；10：气体导入口；11：第1扩散速度控制部；12：缓冲空间；13：第2扩散速度控制部；20：第1内部空腔；21：主泵单元；22：内侧泵电极；22a：顶部电极部；22b：底部电极部；23p：泵用外侧电极；23s：电压用外侧电极；24：可变电源；26：扩散层；30：第3扩散速度控制部；40：第2内部空腔；41：测定用泵单元；42：基准电极；43：基准气体导入空间；44：测定电极；46：可变电源；47：基准电极引线；48：基准气体导入层；49：基准气体导入部；50：辅助泵单元；51：辅助泵电极；51a：顶部电极部；51b：底部电极部；52：可变电源；60：第4扩散速度控制部；61：第3内部空腔；70：加热器部；71：加热器连接器电极；72：加热器；73：通孔；74：加热器绝缘层；75：压力释放孔；78：加热器电源；80：V0检测传感器单元；81：V1检测传感器单元；82：V2检测传感器单元；83：Vref检测传感器单元；83a：Vref1检测传感器单元；83b：Vref2检测传感器单元；90：基准气体调整泵单元；92：电源电路；95：控制装置；96：控制部；97：CPU；98：存储部；100～200：气体传感器；101～201：传感器元件；900：气体传感器；901：传感器元件；911～916：固体电解质层；920：第1内部空腔；921：主泵单元；922：内侧泵电极；923：外侧泵电极；940：第2内部空腔；941：测定用泵单元；942：基准电极；944：测定电极；951：辅助泵电极；961：第3内部空腔；982：测定用泵控制用氧分压检测传感器单元；983：Vref检测传感器单元；990：基准气体调整泵单元。

Claims (3)

1.一种传感器元件，其是用于检测被测定气体中的特定气体浓度的传感器元件，具备：

元件主体，其包含氧离子传导性的固体电解质层，并在内部设置有导入所述被测定气体并使其流通的被测定气体流通部；

调整室用泵单元，其具有配设于所述被测定气体流通部中的氧浓度调整室的调整电极、以及配设于所述元件主体的外侧的泵用外侧电极，并进行从所述氧浓度调整室泵出氧或向所述氧浓度调整室泵入氧；

测定用泵单元，其具有配设于所述被测定气体流通部中的所述氧浓度调整室的下游侧所设置的测定室的测定电极、以及所述泵用外侧电极，并进行源于所述特定气体而在所述测定室内产生的氧的泵出；

基准气体导入部，其配设于所述元件主体的内部，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；以及

外侧用传感器单元，其具有配设于所述元件主体的外侧的电压用外侧电极、以及以与导入至所述基准气体导入部的所述基准气体接触的方式配设于所述元件主体的内部的基准电极，并产生基于所述元件主体的外侧的被测定气体中的氧浓度的电压。

2.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，

所述传感器元件具备基准气体调整泵单元，该基准气体调整泵单元具有所述泵用外侧电极和所述基准电极，并从所述泵用外侧电极的周围向所述基准电极的周围进行氧的泵入。

3.一种气体传感器，其具备：

权利要求1或2所述的传感器元件；

调整室用泵单元控制部，其控制所述调整室用泵单元，以使所述氧浓度调整室的氧浓度成为规定的低浓度，由此使该调整室用泵单元进行从所述氧浓度调整室泵出氧或向所述氧浓度调整室泵入氧；以及

氧浓度检测部，其基于所述外侧用传感器单元的所述电压来检测所述元件主体的外侧的被测定气体中的氧浓度。