DE102018002575B4

DE102018002575B4 - Sensorelement und gassensor

Info

Publication number: DE102018002575B4
Application number: DE102018002575.7A
Authority: DE
Inventors: Yusuke Watanabe; Shiho IWAI
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2038-03-29
Also published as: US11237129B2; CN108693237A; DE102018002575A1; US20180284057A1; CN108693237B; JP6761774B2; JP2018169329A

Abstract

Sensorelement, umfassend:einen Schichtkörper, der eine Mehrzahl von gestapelten Schichten aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten umfasst und der einen Messgas-Strömungsabschnitt umfasst, in den ein Messgas eingeführt und einströmen gelassen wird;eine Messelektrode, die auf einer Innenumfangsoberfläche des Messgas-Strömungsabschnitts bereitgestellt ist;eine Elektrode auf der Seite des Messgases, die in einem Bereich des Schichtkörpers bereitgestellt ist, der dem Messgas ausgesetzt ist;eine Referenzelektrode, die innerhalb des Schichtkörpers ausgebildet ist; undeine Referenzgaseinführungsschicht, die aus einem porösen Material hergestellt ist und die ein Referenzgas einführt, das als Standard zur Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration in dem Messgas verwendet wird, und die das Referenzgas zu der Referenzelektrode leitet, wobei die Referenzgaseinführungsschicht einen Einlassabschnitt, der als Einlass für das Referenzgas dient, und einen oder mehrere Gasströmungsraum oder -räume umfasst, der oder die über einen Bereich von dem Einlassabschnitt zu der Referenzelektrode in einer Richtung bereitgestellt ist oder sind, in der das Referenzgas strömt, und wobei der Gasströmungsraum oder jeder der mehreren Gasströmungsräume von der Referenzelektrode getrennt ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement und einen Gassensor.
STAND DER TECHNIK
Ein herkömmlicher Gassensor erfasst eine spezifische Gaskonzentration, wie z.B. NOx, in einem Messgas, wie z.B. einem Abgas eines Kraftfahrzeugs. Beispielsweise beschreibt PTL 1 einen Gassensor, der einen Schichtkörper, eine Referenzelektrode, eine Messelektrode und eine Elektrode auf der Seite des Messgases umfasst. Der Schichtkörper wird durch Stapeln einer Mehrzahl von Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschichten gebildet. Die Referenzelektrode ist innerhalb des Schichtkörpers ausgebildet und empfängt ein Referenzgas (wie z.B. Luft), das mittels eines Referenzgaseinführungsraums in diese eingeführt wird. Die Messelektrode ist in einem Messgas-Strömungsabschnitt innerhalb des Schichtkörpers bereitgestellt. Die Elektrode auf der Seite des Messgases ist in einem Bereich des Schichtkörpers bereitgestellt, der dem Messgas ausgesetzt ist. Der Gassensor erfasst die spezifische Gaskonzentration in dem Messgas auf der Basis einer elektromotorischen Kraft, die zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode erzeugt wird. Darüber hinaus umfasst der Gassensor ferner eine Referenzgasreguliervorrichtung, die Sauerstoff zu einem Randbereich der Referenzelektrode durch das Fließen eines Steuerstroms zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases hineinpumpt. PTL 1 beschreibt, dass die Referenzgasreguliervorrichtung Sauerstoff zu dem Randbereich der Referenzelektrode hineinpumpt, so dass eine Verminderung der Sauerstoffkonzentration kompensiert wird, die in einem Fall der vorübergehenden Verminderung der Sauerstoffkonzentration in dem Referenzgas in dem Randbereich der Referenzelektrode verursacht wird, und eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der spezifischen Gaskonzentration verhindert wird. Es sollte beachtet werden, dass ein Fall der Verminderung der Sauerstoffkonzentration in dem Referenzgas in dem Randbereich der Referenzelektrode ein Fall ist, in dem z.B. das Messgas geringfügig in den Referenzgaseinführungsraum eindringt.
DOKUMENTENLISTE
PATENTDOKUMENT

[PTL 1] Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer JP 2015 - 200 643 A
Weiter beschreibt DE 101 59 858 A1 ein Gasmessgliedelement und einen Gassensor, der zur Steuerung der Verbrennung eines Verbrennungsmotors eingesetzt wird,
DE 103 52 797 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung des Drucks in einem Gasgemisch,
DE 10 2007 049 715 A1 beschreibt ein Sensorelement mit abgeschirmter Referenzelektrode, und
DE 10 2010 040 813 A1 beschreibt ein Sensorelement zur Erfassung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
In einem Fall, bei dem Sauerstoff in den Randbereich der Referenzelektrode hineingepumpt wird, wie dies in PTL 1 der Fall ist, kann jedoch die Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode in manchen Fällen übermäßig höher werden als eine ursprüngliche Sauerstoffkonzentration in dem Referenzgas. Folglich kann die Erfassungsgenauigkeit der spezifischen Gaskonzentration des Sensorelements in manchen Fällen vermindert werden.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um solche Probleme zu lösen, und deren Hauptaufgabe ist die Unterdrückung einer Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der spezifischen Gaskonzentration.
Zum Lösen der vorstehend genannten Hauptaufgabe ist die vorliegende Erfindung wie folgt aufgebaut.
Ein Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst
einen Schichtkörper, der eine Mehrzahl von gestapelten Schichten aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten umfasst und der einen Messgas-Strömungsabschnitt umfasst, in den ein Messgas eingeführt und einströmen gelassen wird;
eine Messelektrode, die auf einer Innenumfangsoberfläche des Messgas-Strömungsabschnitts bereitgestellt ist;
eine Elektrode auf der Seite des Messgases, die in einem Bereich des Schichtkörpers bereitgestellt ist, der dem Messgas ausgesetzt ist;
eine Referenzelektrode, die innerhalb des Schichtkörpers ausgebildet ist; und
eine Referenzgaseinführungsschicht, die aus einem porösen Material hergestellt ist und die ein Referenzgas einführt, das als Standard zur Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration in dem Messgas verwendet wird, und die das Referenzgas zu der Referenzelektrode leitet, wobei die Referenzgaseinführungsschicht einen Einlassabschnitt, der als Einlass für das Referenzgas dient, und einen oder mehrere Gasströmungsraum oder -räume umfasst, der oder die über einen Bereich von dem Einlassabschnitt zu der Referenzelektrode in einer Richtung bereitgestellt ist oder sind, in der das Referenzgas strömt, und wobei der Gasströmungsraum oder jeder der mehreren Gasströmungsräume von der Referenzelektrode getrennt ist.
Dieses Sensorelement lässt einen Steuerstrom zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases fließen, um Sauerstoff zu einem Randbereich der Referenzelektrode zu pumpen. Dies kann z.B. eine Verminderung der Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode kompensieren, wenn das Messgas in die Referenzgaseinführungsschicht eintritt. Das Sensorelement umfasst die Referenzgaseinführungsschicht, die aus einem porösen Material hergestellt ist und das Referenzgas, das als Standard zum Erfassen einer spezifischen Gaskonzentration in dem Messgas verwendet wird, einführt, und die das Referenzgas zu der Referenzelektrode leitet. Die Referenzgaseinführungsschicht umfasst den einen oder die mehreren Gasströmungsraum oder -räume, der oder die über den Bereich von dem Einlassabschnitt der Referenzelektrode zu der Referenzelektrode in der Richtung bereitgestellt ist oder sind, in der das Referenzgas strömt. Folglich kann oder können der eine oder die mehreren Gasströmungsraum oder -räume mindestens eines der Folgenden erreichen: Sauerstoff, der in den Randbereich der Referenzelektrode gepumpt wird, kann sofort den Einlassabschnitt erreichen; und das Referenzgas kann ausgehend von dem Einlassabschnitt sofort die Referenzelektrode erreichen. Dadurch kann verhindert werden, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode übermäßig höher wird als die ursprüngliche Sauerstoffkonzentration in dem Referenzgas. Demgemäß kann das Sensorelement eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der spezifischen Gaskonzentration unterdrücken. Es sollte beachtet werden, dass der „Bereich von dem Einlassabschnitt zu der Referenzelektrode“ die Umgebung des Einlassabschnitts und die Umgebung der Referenzelektrode umfasst, solange der vorstehend beschriebene Effekt erhalten werden kann. D.h., solange der vorstehend beschriebene Effekt erhalten werden kann, erreicht der Bereich, in dem der eine oder die mehreren Gasströmungsraum oder - räume vorliegt oder vorliegen, nicht notwendigerweise den Einlassabschnitt, oder erreicht die Referenzelektrode mit einer geringen Toleranz in der Richtung, in der das Referenzgas strömt.
In dem Sensorelement der vorliegenden Erfindung ist der eine Gasströmungsraums oder jeder der mehreren Gasströmungsräume von der Referenzelektrode getrennt sein. Beispielsweise wenn die Referenzelektrode dem einen oder den mehreren Gasströmungsraum oder -räumen zu dem Zeitpunkt ausgesetzt ist, bei dem das Messgas in die Referenzgaseinführungsschicht eintritt, kann eine vergiftende Substanz in dem Messgas in manchen Fällen durch den einen oder die mehreren Gasströmungsraum oder -räume hindurchtreten, so dass die Referenzelektrode erreicht wird. Im Gegensatz dazu ist es unwahrscheinlich, dass die vergiftende Substanz die Referenzelektrode erreicht, da der eine oder die mehreren Gasströmungsraum oder -räume von der Referenzelektrode getrennt ist oder sind.
In dem Sensorelement der vorliegenden Erfindung kann die Referenzgaseinführungsschicht von der Referenzelektrode zu einer Endoberfläche des Schichtkörpers in einer Längsrichtung bereitgestellt sein, und der Einlassabschnitt kann ein Abschnitt der Referenzgaseinführungsschicht sein, welcher der Endoberfläche ausgesetzt ist.
In dem Sensorelement der vorliegenden Erfindung kann oder können der eine oder die mehreren Gasströmungsraum oder -räume eine gesamte minimale Querschnittsfläche Smin von nicht weniger als 0,0001 mm² aufweisen, wobei die gesamte minimale Querschnittsfläche Smin die Gesamtheit von minimalen Querschnittsflächen ist, die jeweils senkrecht zu der Richtung sind, in der das Referenzgas strömt. Demgemäß ist es wahrscheinlich, dass ein Effekt des Verhinderns, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode übermäßig hoch wird, ausreichend wird.
Ein Gassensor der vorliegenden Erfindung umfasst das Sensorelement, das eine der vorstehend genannten Konfigurationen aufweist. Demgemäß weist der Gassensor einen Effekt auf, der dem Effekt des vorstehend beschriebenen Sensorelements der vorliegenden Erfindung ähnlich ist, d.h., z.B. einen Effekt des Unterdrückens einer Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der spezifischen Gaskonzentration.
Der Gassensor der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Erfassungsvorrichtung, welche die spezifische Gaskonzentration in dem Messgas auf der Basis einer elektromotorischen Kraft erfasst, die zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode erzeugt wird; und eine Referenzgasreguliervorrichtung umfassen, die einen Steuerstrom zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases fließen lässt, um Sauerstoff zu dem Randbereich der Referenzelektrode hineinzupumpen.
In dem Sensorelement der vorliegenden Erfindung kann die Elektrode auf der Seite des Messgases auf der Außenoberfläche des Schichtkörpers bereitgestellt sein. In dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann das Sensorelement eine Außenelektrode umfassen, die auf der Außenoberfläche des Schichtkörpers bereitgestellt ist. Darüber hinaus kann die Erfassungsvorrichtung Sauerstoff mittels der Messelektrode und der Außenelektrode auf der Basis der elektromotorischen Kraft, die zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode erzeugt wird, hinein- und hinauspumpen und kann die spezifische Gaskonzentration in dem Messgas auf der Basis des Stroms zum Zeitpunkt des Hineinpumpens oder Hinauspumpens erfassen. In diesem Fall kann die Außenelektrode als Elektrode auf der Seite des Messgases dienen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine vertikale Schnittansicht eines Gassensors 100.
2 ist ein schematisches Schnittdiagramm, das schematisch ein Beispiel eines Aufbaus eines Sensorelements 101 zeigt.
3 ist eine A-A-Schnittansicht von 2.
4 ist eine B-B-Schnittansicht von 3.
5 ist eine C-C-Schnittansicht von 4.
6 ist eine Schnittansicht eines Gasströmungsraums 49 gemäß einer Modifizierung.
7 ist eine Schnittansicht des Gasströmungsraums 49 gemäß einer Modifizierung.
8 ist ein schematisches Schnittdiagramm eines Sensorelements 201 gemäß einer Modifizierung.
9 ist eine D-D-Schnittansicht von 8.
10 ist eine E-E-Schnittansicht von 9.
11 ist eine schematische Schnittansicht einer Lufteinführungsschicht 48 gemäß einer Modifizierung.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Als Nächstes wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die 1 ist eine vertikale Schnittansicht eines Gassensors 100, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Die 2 ist ein schematisches Schnittdiagramm, das schematisch ein Beispiel eines Aufbaus eines Sensorelements 101 zeigt, das in den Gassensor 100 einbezogen ist. Die 3 ist eine A-A-Schnittansicht von 2, die 4 ist eine B-B-Schnittansicht von 3 und die 5 ist eine C-C-Schnittansicht von 4. Das Sensorelement 101 liegt in einer langen rechteckigen Parallelepipedform vor. Die Längsrichtung des Sensorelements 101 (Links-rechts-Richtung in der 2) ist die Vorne-hinten-Richtung, und die Dickenrichtung des Sensorelements 101 (vertikale Richtung in der 2) ist die vertikale Richtung. Die Breitenrichtung des Sensorelements 101 (Richtung senkrecht zu der Vorne-hinten-Richtung und der vertikalen Richtung) ist die Links-rechts-Richtung.
Wie es in der 1 gezeigt ist, weist der Gassensor 100 das Sensorelement 101, eine Schutzabdeckung 130, die zum Schützen einer vorderen Endseite des Sensorelements 101 ausgebildet ist, und eine Sensoranordnung 140, die einen Verbinder 150 umfasst, der mit dem Sensorelement 101 kontinuierlich ist, auf. Dieser Gassensor 100 ist z.B. an einer Leitung 190, wie z.B. einer Abgasleitung eines Fahrzeugs, montiert, wie es gezeigt ist, und wird zum Messen einer spezifischen Gaskonzentration, wie z.B. von NOx oder O₂, das in einem Abgas enthalten ist, das ein Messgas ist, verwendet. Gemäß dieser Ausführungsform wird der Gassensor 100 zum Messen der NOx-Konzentration als die spezifische Gaskonzentration verwendet.
Die Schutzabdeckung 130 umfasst eine innere Schutzabdeckung 131 in einer mit einem Boden versehenen zylindrischen Form zum Bedecken eines vorderen Endes des Sensorelements 101 und eine äußere Schutzabdeckung 132 in einer mit einem Boden versehenen zylindrischen Form zum Bedecken der inneren Schutzabdeckung 131. Die innere Schutzabdeckung 131 und die äußere Schutzabdeckung 132 weisen eine Mehrzahl von Löchern auf, die zum Strömenlassen des Messgases innerhalb der Schutzabdeckung 130 ausgebildet sind. Eine Sensorelementkammer 133 ist als ein Raum ausgebildet, der durch die innere Schutzabdeckung 131 umgeben ist. Das vordere Ende des Sensorelements 101 ist in der Sensorelementkammer 133 angeordnet.
Die Sensoranordnung 140 umfasst einen eingekapselten Elementkörper 141, in dem das Sensorelement 101 eingekapselt und fixiert ist, eine Mutter 147, die an dem eingekapselten Elementkörper 141 montiert ist, einen äußeren Zylinder 148 und den Verbinder 150, der mit nicht gezeigten Verbinderelektroden (nur eine Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71, die später beschrieben wird, ist in der 2 gezeigt), die auf Oberflächen (oberen und unteren Oberflächen) an einem hinteren Ende des Sensorelements 101 ausgebildet sind, in Kontakt ist und elektrisch mit diesen verbunden ist.
Der eingekapselte Elementkörper 141 umfasst eine Haupthalterung 142 in einer zylindrischen Form, einen inneren Zylinder 143 in einer zylindrischen Form, der koaxial an die Haupthalterung 142 geschweißt und daran fixiert ist, Keramikhalter 144a bis 144c, die in Durchgangslöchern innerhalb der Haupthalterung 142 und des inneren Zylinders 143 eingekapselt sind, Grünpresskörper 145a und 145b und einen Metallring 146. Das Sensorelement 101 befindet sich auf einer Mittelachse des eingekapselten Elementkörpers 141, so dass es durch den eingekapselten Elementkörper 141 in der Vorne-hinten-Richtung verläuft. Der innere Zylinder 143 weist einen Abschnitt mit vermindertem Durchmesser 143a, der so ausgebildet ist, dass er den Grünpresskörper 145b in einer Richtung der Mittelachse des inneren Zylinders 143 drückt, und einen Abschnitt mit vermindertem Durchmesser 143b auf, der so ausgebildet ist, dass er die Keramikhalter 144a bis 144c und die Grünpresskörper 145a und 145b mittels des Metallrings 146 vorwärts drückt. Die Druckkraft von den Abschnitten mit vermindertem Durchmesser 143a und 143b führt dazu, dass die Grünpresskörper 145a und 145b zwischen der Haupthalterung 142 oder dem inneren Zylinder 143 und dem Sensorelement 101 zusammengedrückt werden. Die Grünpresskörper 145a und 145b dichten demgemäß die Sensorelementkammer 133 in der Schutzabdeckung 130 von einem Raum 149 in dem äußeren Zylinder 148 ab, während sie das Sensorelement 101 fixieren.
Die Mutter 147 ist koaxial an der Haupthalterung 142 fixiert und weist einen Außengewindeabschnitt auf, der auf deren Außenumfangsoberfläche ausgebildet ist. Der Außengewindeabschnitt der Mutter 147 ist in ein Befestigungselement 191 eingesetzt, das an die Leitung 190 geschweißt ist und so ausgebildet ist, dass es einen Innengewindeabschnitt auf dessen Innenumfangsoberfläche aufweist. Der Gassensor 100 ist demgemäß an der Leitung 190 in einem Zustand fixiert, bei dem das vordere Ende des Sensorelements 101 und die Schutzabdeckung 130 des Gassensors 100 in die Leitung 190 vorragen.
Der äußere Zylinder 148 ist so bereitgestellt, dass er einen Randbereich des inneren Zylinders 143, des Sensorelements 101 und des Verbinders 150 bedeckt. Eine Mehrzahl von Anschlussdrähten 155, die mit dem Verbinder 150 verbunden sind, ist von einem hinteren Ende des äußeren Zylinders 148 nach außen geführt. Die Anschlussdrähte 155 sind elektrisch mit jeweiligen Elektroden (später beschrieben) des Sensorelements 101 mittels des Verbinders 150 verbunden. Ein Zwischenraum zwischen dem äußeren Zylinder 148 und den Anschlussdrähten 155 ist durch einen Kautschukstopfen 157 abgedichtet. Der Raum 149 in dem äußeren Zylinder 148 ist mit einem Referenzgas gefüllt (Luft in der Ausführungsform). Das hintere Ende des Sensorelements 101 ist in dem Raum 149 angeordnet.
Das Sensorelement 101 ist ein Element eines Schichtkörpers, in dem sechs Schichten, die jeweils aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten, wie z.B. Zirkoniumoxid (ZrOz), hergestellt sind, einschließlich eine erste Substratschicht 1, eine zweite Substratschicht 2, eine dritte Substratschicht 3, eine erste Festelektrolytschicht 4, eine Abstandshalterschicht 5 und eine zweite Festelektrolytschicht 6, in dieser Reihenfolge ausgehend von der Unterseite der Zeichnung gestapelt sind. Der Festelektrolyt, der diese sechs Schichten bildet, weist eine hohe Dichte auf und ist luftdicht. Das so aufgebaute Sensorelement 101 kann z.B. durch Herstellen von Keramikgrünlagen, die den jeweiligen Schichten entsprechen, die z.B. einer vorgegebenen Verarbeitung und einem vorgegebenen Drucken einer Schaltkreisstruktur unterzogen worden sind, Stapeln der verarbeiteten Grünlagen und Brennen der gestapelten Grünlagen zur Integration hergestellt werden.
Eine Gaseinlassöffnung 10, ein erster Diffusionseinstellabschnitt 11, ein Pufferraum 12, ein zweiter Diffusionseinstellabschnitt 13, ein erster innerer Hohlraum 20, ein dritter Diffusionseinstellabschnitt 30, ein zweiter innerer Hohlraum 40, ein vierter Diffusionseinstellabschnitt 60 und ein dritter innerer Hohlraum 61 sind so ausgebildet, dass sie aneinander angrenzen und in dieser Reihenfolge an einem Ende (linkes Ende in der 2) des Sensorelements 101 und zwischen einer unteren Oberfläche der Festelektrolytschicht 6 und einer oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 in Verbindung stehen.
Die Gaseinlassöffnung 10, der Pufferraum 12, der erste innere Hohlraum 20, der zweite innere Hohlraum 40 und der dritte innere Hohlraum 61 werden als Innenräume des Sensorelements 101 durch Ausschneiden der Abstandshalterschicht 5 derart gebildet, dass sie einen oberen Abschnitt, der durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 festgelegt ist, einen unteren Abschnitt, der durch die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 festgelegt ist, und einen Seitenabschnitt, der durch eine Seitenoberfläche der Abstandshalterschicht 5 festgelegt ist, aufweist.
Jeder des ersten Diffusionseinstellabschnitts 11, des zweiten Diffusionseinstellabschnitts 13 und des dritten Diffusionseinstellabschnitts 30 ist in der Form von zwei horizontal langen Schlitzen bereitgestellt (wobei die Längsrichtung von deren Öffnungen die Richtung senkrecht zu der Lagenoberfläche ist). Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 60 ist in der Form eines horizontal langen Schlitzes bereitgestellt (wobei die Längsrichtung von dessen Öffnung die Richtung senkrecht zu der Lagenoberfläche ist), der als Zwischenraum von der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist. Ein Bereich von der Gaseinlassöffnung 10 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 wird auch als ein Messgas-Strömungsabschnitt bezeichnet.
Eine Lufteinführungsschicht 48 ist zwischen einer oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und einer unteren Oberfläche der Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt. Die Lufteinführungsschicht 48 ist z.B. aus einem keramischen porösen Material, wie z.B. Aluminiumoxid, hergestellt. Die Lufteinführungsschicht 48 weist eine hintere Endoberfläche auf, die als Einlassabschnitt 48c dient, und der Einlassabschnitt 48c liegt zu der hinteren Endoberfläche des Sensorelements 101 frei. Der Einlassabschnitt 48c liegt zu dem Raum 149 frei, der in der 1 gezeigt ist (vgl. die 1). Das Referenzgas zum Messen der NOx-Konzentration wird durch den Einlassabschnitt 48c in die Lufteinführungsschicht 48 eingeführt. Das Referenzgas ist in dieser Ausführungsform Luft (Atmosphäre in dem Raum 149 in der 1). Darüber hinaus ist die Lufteinführungsschicht 48 so ausgebildet, dass sie eine Referenzelektrode 42 bedeckt. Die Lufteinführungsschicht 48 übt einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Referenzgas aus, das von dem Einlassabschnitt 48c eingeführt wird, und führt das Referenzgas, auf das ein Widerstand ausgeübt worden ist, in die Referenzelektrode 42 ein.
Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist. Die Lufteinführungsschicht 48 ist in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildet. Die Referenzelektrode 42 ist direkt auf der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 ausgebildet, und ein verbleibender Teil der Referenzelektrode 42, der von dem Teil verschieden ist, der mit der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 in Kontakt ist, ist durch die Lufteinführungsschicht 48 bedeckt. Es muss jedoch mindestens ein Teil der Referenzelektrode 42 durch die Lufteinführungsschicht 48 bedeckt sein. Darüber hinaus sind, wie es später beschrieben ist, die Sauerstoffkonzentrationen (Sauerstoffpartialdrücke) in dem ersten inneren Hohlraum 20, in dem zweiten inneren Hohlraum 40 und in dem dritten inneren Hohlraum 61 mittels der Referenzelektrode 42 messbar. Die Referenzelektrode 42 ist als eine poröse Cermetelektrode ausgebildet (z.B. einer Cermetelektrode aus Pt und ZrO₂). Die Länge in der Vorne-hinten-Richtung, die Breite in der Links-rechts-Richtung und die Dicke der Referenzelektrode 42 sind nicht spezifisch beschränkt, jedoch kann die Länge in der Vorne-hinten-Richtung z.B. 0,2 bis 2 mm betragen, die Breite in der Links-rechts-Richtung kann z.B. 0,2 bis 2,5 mm betragen und die Dicke kann z.B. 5 bis 30 µm) betragen.
In dem Messgas-Strömungsabschnitt ist die Gaseinlassöffnung 10 ein Bereich, der zu einem Außenraum hin offen ist und ist so angeordnet, dass das Messgas von dem Außenraum durch die Gaseinlassöffnung 10 in das Sensorelement 101 aufgenommen wird. Der erste Diffusionseinstellabschnitt 11 ist ein Bereich, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgas ausübt, das von der Gaseinlassöffnung 10 aufgenommen wird. Der Pufferraum 12 ist ein Raum, der zum Leiten des Messgases, das von dem ersten Diffusionseinstellabschnitt 11 eingeführt wird, zu dem zweiten Diffusionseinstellabschnitt 13 bereitgestellt ist. Der zweite Diffusionseinstellabschnitt 13 ist ein Bereich, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgas ausübt, das von dem Pufferraum 12 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird. Im Verlauf des Einführens des Messgases von außerhalb des Sensorelements 101 in den ersten inneren Hohlraum 20 wird das Messgas, das durch eine Druckvariation des Messgases in dem Außenraum (Pulsieren des Abgasdrucks in einem Fall, bei dem das Messgas ein Abgas eines Kraftfahrzeugs ist) schnell von der Gaseinlassöffnung 10 in das Sensorelement 101 aufgenommen wird, nicht direkt in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt, sondern wird in den ersten inneren Hohlraum 20 nach dem Beseitigen einer Konzentrationsvariation des Messgases durch den ersten Diffusionseinstellabschnitt 11, den Pufferraum 12 und den zweiten Diffusionseinstellabschnitt 13 eingeführt. Dies vermindert die Konzentrationsvariation des Messgases, das in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, auf ein im Wesentlichen vernachlässigbares Niveau. Der erste innere Hohlraum 20 ist als Raum zum Regulieren des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgas, das durch den zweiten Diffusionseinstellabschnitt 13 eingeführt wird, bereitgestellt. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch Betreiben einer Hauptpumpzelle 21 reguliert.
Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine innere Pumpelektrode 22 mit einem oberen Elektrodenabschnitt 22a, der im Wesentlichen auf der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt ist, die auf den ersten inneren Hohlraum 20 gerichtet ist, eine äußere Pumpelektrode 23, die in einem Bereich, der dem oberen Elektrodenabschnitt 22a auf einer oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 entspricht, bereitgestellt ist, die einem Außenraum (Sensorelementkammer 133 in der 1) ausgesetzt werden soll, und die zweite Festelektrolytschicht 6 aufweist, die zwischen diesen Elektroden 22 und 23 angeordnet ist.
Die innere Pumpelektrode 22 ist auf den oberen und unteren Festelektrolytschichten (der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4) ausgebildet, die den ersten inneren Hohlraum 20 und die Abstandshalterschicht 5, welche die Seitenwand bildet, festlegen. Insbesondere ist der obere Elektrodenabschnitt 22a auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die eine obere Fläche des ersten inneren Hohlraums 20 bildet. Ein unterer Elektrodenabschnitt 22b ist direkt auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die eine untere Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 20 bildet. Seitenelektrodenabschnitte (in den Darstellungen weggelassen) sind derart auf den Seitenwandoberflächen (inneren Oberflächen) der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die beide Seitenwandabschnitte des ersten inneren Hohlraums 20 bilden, dass der obere Elektrodenabschnitt 22a mit dem unteren Elektrodenabschnitt 22b verbunden ist und eine tunnelartige Struktur in dem Bereich gebildet wird, bei dem die Seitenelektrodenabschnitte bereitgestellt sind.
Die innere Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23 sind als poröse Cermetelektroden ausgebildet (z.B. Cermetelektroden aus Pt und ZrO₂, die 1 % Au enthalten). Die innere Pumpelektrode 22, die mit dem Messgas in Kontakt ist, ist aus einem Material hergestellt, das ein vermindertes Reduktionsvermögen bezüglich der NOx-Komponente in dem Messgas aufweist.
Die Hauptpumpzelle 21 kann Sauerstoff von dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem Außenraum hinauspumpen oder Sauerstoff von dem Außenraum in den ersten inneren Hohlraum 20 hineinpumpen, und zwar durch Anlegen einer gewünschten Pumpspannung Vp0 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23, und dadurch, dass ein Pumpstrom Ip0 in einer positiven Richtung oder einer negativen Richtung zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 fließt.
Zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in der Atmosphäre des ersten inneren Hohlraums 20 bilden die innere Pumpelektrode 22, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Hauptpumpsteuerung 80.
Die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20 wird durch Messen einer elektromotorischen Kraft V0 in der Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Hauptpumpsteuerung 80 bestimmt. Der Pumpstrom Ip0wird durch eine Regelung der Pumpspannung Vp0 einer variablen Stromversorgung 25 geregelt, so dass die elektromotorische Kraft V0 konstant gehalten wird. Dies hält die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 bei einem vorgegebenen konstanten Wert.
Der dritte Diffusionseinstellabschnitt 30 ist ein Bereich, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgas ausübt, wobei die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 in dem ersten inneren Hohlraum 20 eingestellt wird, und das Messgas, auf das ein Widerstand ausgeübt worden ist, zu dem zweiten inneren Hohlraum 40 leitet.
Der zweite innere Hohlraum 40 ist als ein Raum zum weiteren Regulieren des Sauerstoffpartialdrucks mittels einer Hilfspumpzelle 50 in Bezug auf das Messgas, das durch den dritten Diffusionseinstellabschnitt 30 nach dem Regulieren der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, bereitgestellt. Dies hält die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 mit einer hohen Genauigkeit konstant und ermöglicht folglich dem Gassensor 100, die NOx-Konzentration mit einer hohen Genauigkeit zu messen.
Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die eine Hilfspumpelektrode 51 mit einem oberen Elektrodenabschnitt 51a, der im Wesentlichen auf der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt ist, die auf den zweiten inneren Hohlraum 40 gerichtet ist, die äußere Pumpelektrode 23 (oder jedwede geeignete Elektrode außerhalb des Sensorelements 101 anstelle der äußeren Pumpelektrode 23) und die zweite Festelektrolytschicht 6 umfasst.
Die Hilfspumpelektrode 51 ist so bereitgestellt, dass sie wie die innere Pumpelektrode 22, die in dem ersten inneren Hohlraum 20 bereitgestellt ist, eine tunnelartige Struktur aufweist, und ist in dem zweiten inneren Hohlraum 40 angeordnet. D.h., der obere Elektrodenabschnitt 51a ist auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die eine obere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet. Ein unterer Elektrodenabschnitt 51 b ist direkt auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die eine untere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet. Seitenelektrodenabschnitte (in den Darstellungen weggelassen) sind auf Seitenwandoberflächen der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die Seitenwände des zweiten inneren Hohlraums 40 bilden, so dass der obere Elektrodenabschnitt 51a mit dem unteren Elektrodenabschnitt 51b verbunden ist und eine tunnelartige Struktur bereitgestellt wird. Wie die innere Pumpelektrode 22 ist die Hilfspumpelektrode 51 aus einem Material mit einem verminderten Reduktionsvermögen in Bezug auf die NOx-Komponente in dem Messgas hergestellt.
Die Hilfspumpzelle 50 kann Sauerstoff in der Atmosphäre von dem zweiten inneren Hohlraum 40 zu dem Außenraum hinauspumpen oder Sauerstoff von dem Außenraum zu dem zweiten inneren Hohlraum 40 hineinpumpen, und zwar durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp1 zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der äußeren Pumpelektrode 23.
Zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre des zweiten inneren Hohlraums 40 bilden die Hilfspumpelektrode 51, die Referenzelektrode 42, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Hilfspumpsteuerung 81.
Die Hilfspumpzelle 50 führt ein Pumpen bei einer variablen Stromversorgung 52 mit einer Spannungssteuerung auf der Basis einer elektromotorischen Kraft V1 durch, die durch die Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Hilfspumpsteuerung 81 erfasst worden ist. Dies stellt den Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre des zweiten inneren Hohlraums 40 auf einen so niedrigen Partialdruck ein, dass dieser die Messung von NOx im Wesentlichen nicht beeinflusst.
Zusätzlich wird deren Pumpstrom Ip1 zum Steuern der elektromotorischen Kraft der Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Hauptpumpsteuerung 80 verwendet. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 als Steuersignal in die Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Hauptpumpsteuerung 80 eingespeist, um deren elektromotorische Kraft V0 zu steuern. Diese Steuerung hält eine konstante Steigung des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgas aufrecht, das von dem dritten Diffusionseinstellabschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird. In einem Fall, bei dem der Gassensor 100 als NOx-Sensor verwendet wird, wird die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 auf einem konstanten Niveau von etwa 0,001 ppm gehalten.
Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 60 ist ein Bereich, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgas ausübt, wobei die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 in dem zweiten inneren Hohlraum 40 gesteuert wird, und leitet das Messgas, auf das der Widerstand ausgeübt wurde, zu dem dritten inneren Hohlraum 61. Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 60 dient zur Beschränkung der Menge von NOx, das in den dritten inneren Hohlraum 61 strömt.
Der dritte innere Hohlraum 61 ist als ein Raum zum weiteren Durchführen eines Verfahrens mit dem Messgas, das durch den vierten Diffusionseinstellabschnitt 60 nach dem Einstellen der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, bereitgestellt, wobei das Verfahren die Messung der Konzentration von Stickstoffoxiden (NOx) in dem Messgas betrifft. Die Messung der NOx-Konzentration wird vorwiegend in dem dritten inneren Hohlraum 61 durch den Betrieb einer Messpumpzelle 41 durchgeführt.
Die Messpumpzelle 41 misst die NOx-Konzentration in dem Messgas in dem dritten inneren Hohlraum 61. Die Messpumpzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine Messelektrode 44 umfasst, die direkt auf einer oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt ist, die auf den dritten inneren Hohlraum 61, die äußere Pumpelektrode 23, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 gerichtet ist. Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermetelektrode. Die Messelektrode 44 dient auch als NOx-reduzierender Katalysator zum Reduzieren des NOx, das in der Atmosphäre des dritten inneren Hohlraums 61 vorliegt.
Die Messpumpzelle 41 kann Sauerstoff, der durch die Zersetzung von Stickstoffoxiden in der Umgebungsatmosphäre der Messelektrode 44 erzeugt wird, hinauspumpen und die Erzeugungsmenge des Sauerstoffs als Pumpstrom Ip2 erfassen.
Zum Erfassen des Sauerstoffpartialdrucks in dem Randbereich der Messelektrode 44 bilden die erste Festelektrolytschicht 4, die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Messpumpsteuerung 82. Eine variable Stromversorgung 46 wird auf der Basis einer elektromotorischen Kraft V2 gesteuert, die durch die
Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Messpumpsteuerung 82 erfasst wird.
Das Messgas, das in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, tritt durch den vierten Diffusionseinstellabschnitt 60 hindurch, wobei der Sauerstoffpartialdruck eingestellt wird, und erreicht die Messelektrode 44 in dem dritten inneren Hohlraum 61. Stickstoffoxide in dem Messgas in dem Randbereich der Messelektrode 44 werden zur Erzeugung von Sauerstoff reduziert (2NO → N₂ + O₂). Der erzeugte Sauerstoff wird einem Pumpen durch die Messpumpzelle 41 unterzogen. In diesem Verfahren wird eine Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so gesteuert, dass die elektromotorische Kraft V2, die durch die Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Messpumpsteuerung 82 erfasst wird, konstant gehalten wird. Da die Menge von Sauerstoff, der in dem Randbereich der Messelektrode 44 erzeugt wird, proportional zu der Konzentration von Stickstoffoxiden in dem Messgas ist, wird die Konzentration von Stickstoffoxiden in dem Messgas durch die Verwendung des Pumpstroms Ip2 der Messpumpzelle 41 berechnet.
Die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die äußere Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42 bilden eine elektrochemische Sensorzelle 83. Der Sauerstoffpartialdruck in dem Messgas außerhalb des Sensors ist mittels der elektromotorischen Kraft Vref erfassbar, die durch diese Sensorzelle 83 erhalten wird.
Zusätzlich bilden die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die äußere Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Referenzgasregulierpumpzelle 90. Die Referenzgasregulierpumpzelle 90 führt ein Pumpen mittels eines Steuerstroms Ip3 durch, der mittels einer Spannung Vp3 fließt, die durch eine variable Stromversorgung 92 angelegt wird, die zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 verbunden ist. Die Referenzgasregulierpumpzelle 90 pumpt demgemäß Sauerstoff von einem umgebenden Raum der äußeren Pumpelektrode 23 (Sensorelementkammer 133 in der 1) zu einem umgebenden Raum der Referenzelektrode 42 (Lufteinführungsschicht 48). Die Spannung Vp3 der variablen Stromversorgung 92 wird als Gleichspannung vorgegeben, wodurch der Steuerstrom Ip3 einen vorgegebenen Wert aufweist (Gleichstrom mit einem konstanten Wert).
In dem Gassensor 100, der den vorstehend genannten Aufbau aufweist, empfängt die Messpumpzelle 41 das Messgas, bei dem der Sauerstoffpartialdruck durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 bei einem konstanten niedrigen Wert gehalten ist (einem Wert, der die Messung von NOx nicht wesentlich beeinflusst). Demgemäß ist die NOx-Konzentration in dem Messgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2 bestimmbar, der durch die Messpumpzelle 41 durch Hinauspumpen von Sauerstoff fließt, der durch die Reduktion von NOx etwa proportional zur Konzentration von NOx in dem Messgas erzeugt wird.
Zusätzlich ist das Sensorelement 101 mit einer Heizeinrichtungseinheit 70 versehen, die zum Einstellen einer Temperatur zum Erwärmen des Sensorelements 101 und zum Warmhalten des Sensorelements 101 dient, um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu erhöhen. Die Heizeinrichtungseinheit 70 umfasst eine Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71, eine Heizeinrichtung 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizeinrichtungsisolierschicht 74, ein Druckablassloch 75 und einen Anschlussdraht 76.
Die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 ist eine Elektrode, die so ausgebildet ist, dass sie mit einer unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 1 in Kontakt ist. Das Verbinden der Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 mit einer externen Stromversorgung ermöglicht das Zuführen von externem Strom zu der Heizeinrichtungseinheit 70.
Die Heizeinrichtung 72 ist ein elektrischer Widerstand, der so ausgebildet ist, dass er zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 angeordnet ist. Die Heizeinrichtung 72 ist mit der Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 mittels des Anschlussdrahts 76 und des Durchgangslochs 73 verbunden und erzeugt Wärme durch eine externe Stromzufuhr durch die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71, so dass der Festelektrolyt, der in das Sensorelement 101 einbezogen ist, erwärmt wird und der Festelektrolyt warmgehalten wird.
Die Heizeinrichtung 72 ist in dem gesamten Bereich von dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 eingebettet und kann das gesamte Sensorelement 101 auf eine Temperatur einstellen, bei welcher der Festelektrolyt aktiviert ist.
Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist eine Isolierschicht aus porösem Aluminiumoxid, die aus einem Isoliermaterial, wie z.B. Aluminiumoxid, auf oberen und unteren Oberflächen der Heizeinrichtung 72 ausgebildet ist. Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist so ausgebildet, dass sie eine elektrische Isolierung zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der Heizeinrichtung 72 und eine elektrische Isolierung zwischen der dritten Substratschicht 3 und der Heizeinrichtung 72 bereitstellt.
Das Druckablassloch 75 ist ein Bereich, der so bereitgestellt ist, dass er durch die dritte Substratschicht 3 und die Lufteinführungsschicht 48 verläuft, und ist so bereitgestellt, dass es eine Zunahme des Innendrucks, die mit einem Temperaturanstieg in der Heizeinrichtungsisolierschicht 74 einhergeht, beseitigt.
Die variablen Stromversorgungen 25, 46, 52 und 92, die in der 2 und dergleichen gezeigt sind, sind in der Praxis mit den jeweiligen Elektroden mittels Anschlussdrähten (nur ein Referenzelektrodenanschluss 47, der später beschrieben wird, ist in den 3 und 4 gezeigt), die in dem Sensorelement 101 ausgebildet sind, und dem Verbinder 150 und den Anschlussdrähten 155, die in der 1 gezeigt sind, verbunden.
Nachstehend werden Konfigurationen der Lufteinführungsschicht 48 und von deren Randbereich unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 detailliert beschrieben. Wie es in den 3 bis 5 gezeigt ist, sind die Referenzelektrode 42, der Referenzelektrodenanschluss 47, die Lufteinführungsschicht 48, ein Druckablassloch 75 und eine Haftschicht 77 zwischen einer oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und einer unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt.
Der Referenzelektrodenanschluss 47 umfasst erste bis dritte lineare Abschnitte 47a bis 47c und einen Umleitungsabschnitt 47d. Der erste lineare Abschnitt 47a ist so bereitgestellt, dass er mit einem hinteren Ende der Referenzelektrode 42 verbunden ist und sich in der Vorne-hinten-Richtung erstreckt. Der Umleitungsabschnitt 47d ist so bereitgestellt, dass er mit einem hinteren Ende des ersten linearen Abschnitts 47a verbunden ist und das Druckablassloch 75 umgeht, wobei linke und rechte Abschnitt parallel sind. Der zweite lineare Abschnitt 47b ist so bereitgestellt, dass er mit einem Verbindungsabschnitt an einem hinteren Ende des Umleitungsabschnitts 47d verbunden ist, so dass er sich in der Vorne-hinten-Richtung in die Nähe eines hinteren Endes des Sensorelements 101 erstreckt. Der dritte lineare Abschnitt 47c ist so bereitgestellt, dass er mit einem hinteren Ende des zweiten linearen Abschnitts 47b verbunden ist und sich so in der Links-rechts-Richtung erstreckt, dass er eine rechte Seitenoberfläche des Sensorelements 101 erreicht. Ein rechter Endabschnitt des dritten linearen Abschnitts 47c ist mit einer Verbinderelektrode (nicht gezeigt) auf einer oberen Oberfläche oder einer unteren Oberfläche des Sensorelements 101 mittels eines Anschlussdrahts (nicht gezeigt) oder dergleichen verbunden, der auf der rechten Seitenoberfläche des Sensorelements 101 bereitgestellt ist. Strom kann der Referenzelektrode 42 extern zugeführt werden, oder die Spannung oder der Strom der Referenzelektrode 42 ist mittels der Verbinderelektrode messbar. Der Randbereich des Referenzelektrodenanschlusses 47 ist durch die Lufteinführungsschicht 48 bedeckt und die Lufteinführungsschicht 48 liegt ebenfalls zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und einer unteren Oberfläche des Referenzelektrodenanschlusses 47 vor.
Die Lufteinführungsschicht 48 ist von der Referenzelektrode 42 zu einer Endoberfläche (hintere Endoberfläche in dieser Ausführungsform) des Sensorelements 101 in der Längsrichtung (Vorne-hinten-Richtung in dieser Ausführungsform) bereitgestellt. Die Lufteinführungsschicht 48 umfasst einen breiten Abschnitt 48a, einen schmalen Abschnitt 48b mit einer geringeren Breite in der Links-rechts-Richtung als der breite Abschnitt 48a, und einen Gasströmungsraum 49. Der breite Abschnitt 48a bedeckt die Referenzelektrode 42 und das Druckablassloch 75 tritt auch durch den breiten Abschnitt 48a in der vertikalen Richtung hindurch. Der breite Abschnitt 48a ist so breit ausgebildet, dass er den Umleitungsabschnitt 47d des Referenzelektrodenanschlusses 47 bedeckt. Der schmale Abschnitt 48b ist mit dem breiten Abschnitt 48a in der Vorne-hinten-Richtung verbunden und befindet sich hinter dem breiten Abschnitt 48a. Ein hinterer Endabschnitt des schmalen Abschnitts 48b dient als der vorstehend beschriebene Einlassabschnitt 48c. Demgemäß wird ein Referenzgas von dem Einlassabschnitt 48c eingeführt und tritt durch den schmalen Abschnitt 48b und den breiten Abschnitt 48a in dieser Reihenfolge hindurch, so dass die Referenzelektrode 42 erreicht wird. Die Lufteinführungsschicht 48 dient auch als Isolierschicht, die den Referenzelektrodenanschluss 47 von der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 isoliert. Wie es in der 3 gezeigt ist, ragt ein Teil des dritten linearen Abschnitts 47c zu der rechten Seite von dem schmalen Abschnitt 48b vor, und dieser Teil ist nicht durch die Lufteinführungsschicht 48 bedeckt. Dieser Teil kann durch eine weitere Isolierschicht (nicht gezeigt) von der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 isoliert sein. Die Lufteinführungsschicht 48 kann eine Dicke von 10 µm) oder mehr und 30 µm) oder weniger aufweisen, jedoch ist dies nicht beschränkend. Die Lufteinführungsschicht 48 kann eine Porosität von 10 Volumen-% oder mehr und 50 Volumen-% oder weniger aufweisen.
Der Gasströmungsraum 49 ist ein Raum, in den das Referenzgas, das von dem Einlassabschnitt 48c eingeführt wird, und ein Gas, wie z.B. Sauerstoff, das durch die Referenzgasregulierpumpzelle 90 in den Randbereich der Referenzelektrode 42 gepumpt wird, strömen können. Der Gasströmungsraum 49 umfasst einen Raum oder mehrere Räume. In dieser Ausführungsform umfasst der Gasströmungsraum 49 zwei Räume: einen ersten Gasströmungsraum 49a und einen zweiten Gasströmungsraum 49b, der auf der rechten Seite des ersten Gasströmungsraums 49a angeordnet ist. Die ersten und zweiten Gasströmungsräume 49a und 49b sind jeweils ein Raum, der sich in der Vorne-hinten-Richtung erstreckt. Jeder des ersten und zweiten Gasströmungsraums 49a und 49b ist über einem Bereich (Bereich R in den 3 und 4) von dem Einlassabschnitt 48c zu der Referenzelektrode 42 (hinteres Ende der Referenzelektrode 42 in dieser Ausführungsform) in einer Referenzgasströmungsrichtung (Vorne-hinten-Richtung in dieser Ausführungsform) von dem Einlassabschnitt 48c zu der Referenzelektrode 42 bereitgestellt. Es sollte beachtet werden, dass die Länge des Bereichs R in der Referenzgasströmungsrichtung (Vorne-hinten-Richtung in dieser Ausführungsform) die kürzeste Distanz zwischen dem Einlassabschnitt 48c und der Referenzelektrode 42 entlang der Referenzgaströmungsrichtung ist. In dieser Ausführungsform sind der erste und der zweite Gasströmungsraum 49a und 49b jeweils nicht nur in dem Bereich R, sondern auch in einem Bereich von einem vorderen Ende des Bereichs R in der Richtung (vor) der Referenzelektrode 42 bereitgestellt. Folglich liegt der Gasströmungsraum 49 auch oberhalb der Referenzelektrode 42 vor. Es sollte beachtet werden, dass der Gasströmungsraum 49 in dieser Ausführungsform nicht an einer Stelle eines vorderen Endes der Referenzelektrode 42 in der Vorne-hinten-Richtung vorliegt, jedoch ist dies nicht beschränkend. Beispielsweise kann der Gasströmungsraum 49 vor dem vorderen Ende der Referenzelektrode 42 in der Vorne-hinten-Richtung oder in der Richtung eines vorderen Endes der Lufteinführungsschicht 48 vorliegen. Da darüber hinaus der erste und der zweite Gasströmungsraum 49a und 49b jeweils für den Einlassabschnitt 48c in der Vorne-hinten-Richtung vorliegen, sind der erste und der zweite Gasströmungsraum 49a und 49b jeweils zu dem Raum 149 hin offen (vgl. die 1). Jeder des ersten und des zweiten Gasströmungsraums 49a und 49b ist von der Referenzelektrode 42 getrennt. D.h., die Referenzelektrode 42 ist keinem des ersten und zweiten Gasströmungsraums 49a und 49b ausgesetzt. In dieser Ausführungsform sind der erste und der zweite Gasströmungsraum 49a und 49b jeweils an einer Stelle getrennt oberhalb von der Referenzelektrode 42 bereitgestellt. Darüber hinaus sind der erste und zweite Gasströmungsraum 49a und 49b von dem Druckablassloch 75 getrennt und stehen nicht mit dem Druckablassloch 75 in Verbindung.
Der Gasströmungsraum 49 weist vorzugsweise eine gesamte minimale Querschnittsfläche Smin, welche die Gesamtheit von minimalen Querschnittsflächen senkrecht zu der Richtung ist, in der das Referenzgas strömt, für jeden der Räume, die in den Gasströmungsraum 49 einbezogen sind, von nicht weniger als 0,0001 mm² auf. In dieser Ausführungsform ist ein Querschnitt senkrecht zu der Referenzgasströmungsrichtung z.B. ein Querschnitt, der parallel zur Oben-unten- und Links-rechts-Richtung ist, wie es in der 5 gezeigt ist. In dieser Ausführungsform handelt es sich bei der gesamten minimalen Querschnittsfläche Smin um die Gesamtheit der minimalen Querschnittsflächen des ersten und zweiten Gasströmungsraums 49a und 49b. Es sollte beachtet werden, dass eine Querschnittsfläche eines Raums (z.B. des ersten Gasströmungsraums 49a) abhängig davon unterschiedlich sein kann, an welcher Stelle entlang der Referenzgasströmungsrichtung der Querschnitt erhalten wird. Demgemäß ist die gesamte minimale Querschnittsfläche Smin als die Summe von minimalen Querschnittsflächen eines Raums oder mehrerer Räume (des ersten und zweiten Gasströmungsraums 49a und 49b in dieser Ausführungsform) festgelegt, die in den Gasströmungsraum 49 einbezogen sind. Wenn die gesamte minimale Querschnittsfläche Smin größer ist, strömt das Gas leichter in den Gasströmungsraum 49. Es sollte beachtet werden, dass die Querschnitte des ersten und zweiten Gasströmungsraums 49a und 49b in der 5 rechteckig sind, jedoch ist dies nicht beschränkend. Die Querschnitte des ersten und zweiten Gasströmungsraums 49a und 49b können kreisförmig sein oder in jedweder anderen Form vorliegen.
Es sollte beachtet werden, dass die Haftschicht 77 auf der linken und rechten Seite der Lufteinführungsschicht 48 und vor der Lufteinführungsschicht 48 vorliegt. Die Haftschicht 77 klebt die Substratschicht 3 an die erste Festelektrolytschicht 4. Die Haftschicht 77 bedeckt nahezu alle Bereiche zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4, wo die Lufteinführungsschicht 48 fehlt. Die Haftschicht 77 kann z.B. zwischen einer oberen Schicht der Lufteinführungsschicht 48 und der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 vorliegen. Die Haftschicht 77 weist wie die Schichten 1 bis 6 vorzugsweise eine Sauerstoffionenleitfähigkeit auf. In dieser Ausführungsform ist die Haftschicht 77 wie die Schichten 1 bis 6 aus einer Keramik hergestellt, die Zirkoniumoxid als eine Hauptkomponente enthält. Es sollte beachtet werden, dass eine Haftschicht zwischen den Schichten 1 bis 6 zusätzlich zu der Haftschicht zwischen der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt werden kann.
Nachstehend ist ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des Gassensors 100 beschrieben. Zuerst werden sechs ungebrannte Keramikgrünlagen hergestellt, die jeweils einen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten, wie z.B. Zirkoniumoxid, als Keramikkomponente enthalten. Eine Mehrzahl von Lagenlöchern, die zum Positionieren beim Drucken oder beim Stapeln verwendet werden, eine Mehrzahl von erforderlichen Durchgangslöchern und dergleichen werden im Vorhinein in den jeweiligen Grünlagen ausgebildet. Ein Raum, der den Messgas-Strömungsabschnitt bildet, wird im Vorhinein z.B. durch Stanzen in der Grünlage für die Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt. Anschließend werden ein Strukturdruckverfahren und ein Trocknungsverfahren zur Bildung von verschiedenen Strukturen in den jeweiligen Keramikgrünlagen durchgeführt, die jeweils der ersten Substratschicht 1, der zweiten Substratschicht 2, der dritten Substratschicht 3, der ersten Festelektrolytschicht 4, der Abstandshalterschicht 5 und der zweiten Festelektrolytschicht 6 entsprechen. Insbesondere umfassen die gebildeten Strukturen z.B. die jeweiligen Elektroden, die vorstehend beschrieben worden sind, Anschlussdrähte, die eine Verbindung mit den jeweiligen Elektroden herstellen, die Lufteinführungsschicht 48 und die Heizeinrichtungseinheit 70. Das Strukturdrucken wird durch Aufbringen einer Strukturbildungspaste, die gemäß den Eigenschaften bereitgestellt wird, die für jeden Gegenstand auf der Grünlage erforderlich sind, mit einer bekannten Siebdrucktechnik durchgeführt. Das Trocknungsverfahren nutzt ebenfalls jedwede bekannte Trocknungstechnik. Nach dem Ende des Strukturdruckens und Trocknens führt das Verfahren einen Druck- und Trocknungsvorgang zum Drucken und Trocknen einer Haftmittelpaste zum Stapeln und Verbinden der Grünlagen aus, die den jeweiligen Schichten entsprechen. Das Verfahren führt dann einen Pressverbindungsvorgang zum Positionieren der jeweiligen Grünlagen mit der Haftmittelpaste durch Ausrichten der Lagenlöcher, zum Stapeln der jeweiligen Grünlagen in einer vorgegebenen Abfolge und zum Druckverbinden der jeweiligen Grünlagen bei vorgegebenen Temperatur- und Druckbedingungen zur Bildung eines Schichtkörpers durch. Der resultierende Schichtkörper umfasst eine Mehrzahl von Sensorelementen 101. Der Schichtkörper wird zur Größe der Sensorelemente 101 geschnitten. Jedes ausgeschnittene Stück des Schichtkörpers wird bei einer vorgegebenen Brenntemperatur gebrannt, so dass das Sensorelement 101 bereitgestellt wird.
In dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren kann der Gasströmungsraum 49 aus einem verschwindenden Material (z.B. Kohlenstoff oder Theobromin) hergestellt sein, das durch Brennen verschwindet. Beispielsweise wird zum Zeitpunkt des Bildens einer Struktur, die der Lufteinführungsschicht 48 entspricht, auf einer Grünlage, die als die dritte Substratschicht 3 dient, eine Struktur der Lufteinführungsschicht 48 in einem Bereich zwischen dem Gasströmungsraum 49 und der Grünlage gebildet. Anschließend wird das verschwindende Material auf der Oberfläche der gebildeten Struktur aufgebracht und getrocknet, so dass das verschwindende Material mit der Form des Gasströmungsraums 49 gebildet wird. Das verschwindende Material kann z.B. mittels Siebdrucken, Photogravüre, Tintenstrahldrucken oder dergleichen aufgebracht werden. Das verschwindende Material kann durch mehrmaliges Wiederholen eines Aufbringens und Trocknens gebildet werden. Anschließend wird eine Struktur gebildet, die einem restlichen Bereich der Lufteinführungsschicht 48 entspricht. Während der Schichtkörper, der zu einer Größe des Sensorelements 101 geschnitten worden ist, gebrannt wird, wie es vorstehend beschrieben ist, verschwindet das verschwindende Material durch Brennen. Folglich wird der Teil des verschwindenden Materials der Gasströmungsraum 49 und die Lufteinführungsschicht 48, die den Gasströmungsraum 49 umfasst, wird gebildet.
Nach dem Erhalten des Sensorelements 101 erzeugt das Verfahren die Sensoranordnung 140 (vgl. die 1) mit dem darin vorliegenden Sensorelement 101 und montiert die Komponenten, wie z.B. die Schutzabdeckung 130 und den Kautschukstopfen 157, an der Sensoranordnung 140, so dass der Gassensor 100 vervollständigt wird. Dieses Verfahren zur Herstellung des Gassensors ist bekannt und z.B. in WO 2013 / 005 491 A1 beschrieben.
Nachstehend werden die Funktionen der Referenzgasregulierpumpzelle 90 detailliert beschrieben. Das Messgas wird von der Sensorelementkammer 133, die in der 1 gezeigt ist, zu dem Messgas-Strömungsabschnitt des Sensorelements 101, der z.B. die Gaseinlassöffnung 10 umfasst, eingeführt. Das Referenzgas (Luft) in dem in der 1 gezeigten Raum 149 wird andererseits in die Lufteinführungsschicht 48 des Sensorelements 101 eingeführt. Die Sensorelementkammer 133 und der Raum 149 werden durch die Sensoranordnung 140 (insbesondere die Grünlagen 145a und 145b) voneinander getrennt und abgedichtet, so dass das Strömen eines Gases zwischen diesen verhindert wird. Wenn der Druck des Messgases vorübergehend erhöht wird, kann das Messgas jedoch geringfügig in den Raum 149 eintreten. Dies bewirkt eine vorübergehende Verminderung der Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 und führt dadurch zu einer Veränderung des Referenzpotenzials, welches das Potenzial der Referenzelektrode 42 ist. Dies kann eine elektromotorische Kraft auf der Basis der Referenzelektrode 42 verändern, wie z.B. die elektromotorische Kraft V2 der Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Messpumpsteuerung 82, und die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration in dem Messgas vermindern. Die Referenzgasregulierpumpzelle 90 dient zum Unterdrücken einer solchen Verminderung der Erfassungsgenauigkeit. Die Referenzgasregulierpumpzelle 90 pumpt Sauerstoff in einer konstanten Menge von dem Randbereich der äußeren Pumpelektrode 23 zu dem Randbereich der Referenzelektrode 42 durch das Fließen des Steuerstroms Ip3. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, kompensiert dies eine Verminderung des Sauerstoffs und unterdrückt eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration, wenn die Sauerstoffkonzentration des Messgases in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 vorübergehend vermindert worden ist. Der Wert des Steuerstroms Ip3 (z.B. der Durchschnitt) kann im Vorhinein durch ein Experiment oder dergleichen auf der Basis dessen bestimmt werden, wie stark die Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 vermindert wird (wieviel Sauerstoff zu dem Randbereich der Referenzelektrode 42 gepumpt werden muss), wenn der Druck des Messgases ein angenommenes Maximum beträgt.
Typischerweise kann in einem Fall, bei dem Sauerstoff durch die Referenzgasregulierpumpzelle 90 in den Randbereich der Referenzelektrode 42 gepumpt wird, wie dies vorstehend der Fall ist, die Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 in manchen Fällen übermäßig hoch werden. Beispielsweise wird in dieser Ausführungsform der Steuerstrom Ip3 jedesmal fließen gelassen, wenn der Gassensor 100 die NOx-Konzentration erfasst, und zwar ungeachtet davon, ob das Messgas geringfügig in den Raum 149 eintritt oder nicht. In diesem Fall pumpt selbst dann, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Referenzgas in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 nicht vermindert ist, wie z.B. wenn das Messgas einen relativ niedrigen Druck aufweist und nicht in den Raum 149 eintritt, die Referenzgasregulierpumpzelle 90 Sauerstoff zu dem Randbereich der Referenzelektrode 42 hinein. Wenn ein solches übermäßiges Pumpen durchgeführt wird, diffundiert im Prinzip zusätzlicher Sauerstoff in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 durch die Lufteinführungsschicht 48 zu dem Raum 149. Der Diffusionswiderstand der Lufteinführungsschicht 48 erzeugt jedoch einen Sauerstoffkonzentrationsgradienten entlang der Referenzgasströmungsrichtung zwischen dem Randbereich der Referenzelektrode 42 und dem Einlassabschnitt 48c in der Lufteinführungsschicht 48. Wenn der Sauerstoffkonzentrationsgradient steil ist, ist die Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 übermäßig höher als eine ursprüngliche Sauerstoffkonzentration in dem Referenzgas. Dies verändert das Potenzial der Referenzelektrode 42, was zu einer Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration führt. Die Lufteinführungsschicht 48 umfasst in dieser Ausführungsform jedoch den Gasströmungsraum 49. Da ein Gas in dem Gasströmungsraum 49 leichter strömt als in dem anderen Abschnitt (poröser Abschnitt) der Lufteinführungsschicht 48, ist mindestens eines des Folgenden möglich: Sauerstoff in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 kann sofort den Einlassabschnitt 48c erreichen; und das Referenzgas kann ausgehend von dem Einlassabschnitt 48c sofort die Referenzelektrode 42 erreichen. Dies macht den vorstehend beschriebenen Sauerstoffkonzentrationsgradienten weniger steil als in einem nicht erfindungsgemäßen Fall, bei dem der Gasströmungsraum 49 nicht bereitgestellt ist. Folglich kann, da die Lufteinführungsschicht 48 den Gasströmungsraum 49 umfasst, verhindert werden, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 übermäßig höher ist als die Sauerstoffkonzentration in dem Referenzgas, und eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration kann unterdrückt werden.
Nachstehend ist die Entsprechungsbeziehung zwischen den Komponenten gemäß dieser Ausführungsform und Komponenten gemäß der vorliegenden Erfindung angegeben. Die erste Substratschicht 1, die zweite Substratschicht 2, die dritte Substratschicht 3, die erste Festelektrolytschicht 4, die Abstandshalterschicht 5 und die zweite Festelektrolytschicht 6 gemäß dieser Ausführungsform entsprechen einem Schichtkörper gemäß der vorliegenden Erfindung; die Messelektrode 44 entspricht einer Messelektrode, die äußere Pumpelektrode 23 entspricht einer Elektrode auf der Seite des Messgases; die Referenzelektrode 42 entspricht einer Referenzelektrode; die Lufteinführungsschicht 48 entspricht einer Referenzgaseinführungsschicht; und der Gasströmungsraum 49 entspricht einem Gasströmungsraum. Die Messpumpzelle 41 entspricht einer Erfassungsvorrichtung und die Referenzgasregulierpumpzelle 90 entspricht einer Referenzgasreguliervorrichtung.
In dem Gassensor 100 der Ausführungsform, die vorstehend spezifisch beschrieben worden ist, umfasst die Lufteinführungsschicht 48 des Sensorelements 101 den Einlassabschnitt 48c und den Gasströmungsraum 49, der über den Bereich R von dem Einlassabschnitt 48c zu der Referenzelektrode 42 in der Referenzgasströmungsrichtung bereitgestellt ist. Dies kann verhindern, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 übermäßig höher ist als die ursprüngliche Sauerstoffkonzentration in dem Referenzgas, und kann eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration des Sensorelements 101 unterdrücken.
Zusätzlich sind der erste und zweite Gasströmungsraum 49a und 49b, die in den Gasströmungsraum 49 einbezogen sind, jeweils von der Referenzelektrode 42 getrennt. Beispielsweise wenn die Referenzelektrode 42 dem Gasströmungsraum 49 zu dem Zeitpunkt ausgesetzt ist, bei dem das Messgas in die Lufteinführungsschicht 48 eintritt, kann eine vergiftende Substanz in dem Messgas durch den Gasströmungsraum 49 hindurchtreten, so dass sie in manchen Fällen die Referenzelektrode 42 erreicht. Im Gegensatz dazu ist es unwahrscheinlich, dass die vergiftende Substanz die Referenzelektrode 42 erreicht, da der erste und zweite Gasströmungsraum 49a und 49b jeweils von der Referenzelektrode 42 getrennt sind.
Darüber hinaus weist der Gasströmungsraum 49 eine gesamte minimale Querschnittsfläche Smin von nicht weniger als 0,0001 mm² auf. Demgemäß ist es wahrscheinlich, dass der vorstehend beschriebene Effekt des Verhinderns, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 übermäßig hoch wird, ausreichend ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann durch eine Vielzahl von anderen Konfigurationen implementiert werden, ohne von dem technischen Umfang der Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise umfasst in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Gasströmungsraum 49 zwei Räume, die der erste und zweite Gasströmungsraum 49a und 49b sind, jedoch ist dies nicht beschränkend. Der Gasströmungsraum 49 kann einen Raum oder mehrere Räume umfassen. Darüber hinaus handelt es sich bei dem ersten und zweiten Gasströmungsraum 49a und 49b in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform jeweils um einen linearen Raum, jedoch ist dies nicht beschränkend. Beispielsweise können, wie dies bei dem Gasströmungsraum 49 gemäß einer Modifizierung der Fall ist, die in der 6 gezeigt ist, der erste und zweite Gasströmungsraum 49a und 49b jeweils in der Form einer Zickzack-Linie vorliegen oder sie können gekrümmt sein. Der Gasströmungsraum 49 liegt in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform oberhalb der Referenzelektrode 42 vor, jedoch ist dies nicht beschränkend. Der Gasströmungsraum 49 kann auf der linken oder rechten Seite der Referenzelektrode 42 vorliegen (z.B. 6). Darüber hinaus weist, wie es in der 4 gezeigt ist, der Gasströmungsraum 49 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform einen im Wesentlichen konstanten Abstand von der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 in der vertikalen Richtung auf, jedoch ist dies nicht beschränkend.
Obwohl der Gasströmungsraum 49 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform nicht mit dem Druckablassloch 75 in Verbindung steht, kann der Gasströmungsraum 49 mit dem Druckablassloch 75 in Verbindung stehen. Die 7 ist eine Schnittansicht des Gasströmungsraums 49 gemäß einer Modifizierung dieses Falls. Der Gasströmungsraum 49 in der 7 ist ein einzelner Raum, der in der Mitte des Sensorelements 101 in der Links-rechts-Richtung ausgebildet ist und steht mit dem Druckablassloch 75 in Verbindung. Es sollte beachtet werden, dass das Druckablassloch 75 in diesem Fall in den Gasströmungsraum 49 einbezogen ist.
Die Lufteinführungsschicht 48 ist von der Referenzelektrode 42 zu der hinteren Endoberfläche des Sensorelements 101 in der Längsrichtung bereitgestellt, jedoch ist dies nicht beschränkend. Die 8 ist ein schematisches Schnittdiagramm eines Sensorelements 201 gemäß einer Modifizierung dieses Falls. Die 9 ist eine D-D-Schnittansicht von 8. Die 10 ist eine E-E-Schnittansicht von 9. Wie es in der 8 gezeigt ist, umfasst das Sensorelement 201 einen Referenzgaseinführungsraum 43 oberhalb einer Lufteinführungsschicht 248. Der Referenzgaseinführungsraum 43 ist ein Raum, der zwischen einer oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und einer unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt ist. Ferner sind Seitenabschnitte des Referenzgaseinführungsraums 43 durch Seitenoberflächen der Festelektrolytschicht 4 festgelegt. Ein hinteres Ende des Referenzgaseinführungsraums 43 ist zu einer hinteren Endoberfläche des Sensorelements 201 offen. Der Referenzgaseinführungsraum 43 ist so bereitgestellt, dass er in der Vorne-hinten-Richtung vor dem Druckablassloch 75 liegt, und das Druckablassloch 75 ist zu dem Referenzgaseinführungsraum 43 hin offen. Anders als die Lufteinführungsschicht 48 ist die Lufteinführungsschicht 248 nicht für ein hinteres Ende des Sensorelements 201 bereitgestellt. Folglich liegt die Lufteinführungsschicht 248 nicht zu der hinteren Endoberfläche des Sensorelements 201 frei. Stattdessen liegt, wie es in der 10 gezeigt ist, ein Teil einer oberen Oberfläche der Lufteinführungsschicht 248 zu dem Referenzgaseinführungsraum 43 frei. Der freiliegende Abschnitt dient als Einlassabschnitt 48c der Lufteinführungsschicht 248. Es sollte beachtet werden, dass eine Linie, die durch Projizieren einer Kontur des Einlassabschnitts 48c, betrachtet von oberhalb des Querschnitts in der 9, in der 9 durch eine Zweipunkt-Strich-Linie dargestellt ist. Das Referenzgas wird in die Lufteinführungsschicht 248 von dem Einlassabschnitt 48c durch den Referenzgaseinführungsraum 43 eingeführt. Die Lufteinführungsschicht 248 umfasst einen Gasströmungsraum 249. Der erste und zweite Gasströmungsraum 49a und 49b, die in den Gasströmungsraum 24 einbezogen sind, sind über den Bereich R (vgl. die 9 und 10) von dem Einlassabschnitt 48c (in dieser Modifizierung dem vorderen Ende des Einlassabschnitts 48c) zu der Referenzelektrode 42 (in dieser Modifizierung dem hinteren Ende des Referenzelektrode 42) in einer Referenzgasströmungsrichtung (in dieser Modifizierung der Vorne-hinten-Richtung) bereitgestellt. In den 9 und 10 sind der erste und zweite Gasströmungsraum 49a und 49b jeweils so bereitgestellt, dass sie sich derart nach vorne und hinten erstrecken, dass sie länger sind als der Bereich R. Auch in dem Sensorelement 201 gemäß der Modifizierung kann, da der Gasströmungsraum 249 mindestens über den Bereich R ausgebildet ist, verhindert werden, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 übermäßig höher ist als die ursprüngliche Sauerstoffkonzentration in dem Referenzgas wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Ein Fall, bei dem der Referenzgaseinführungsraum 43 fehlt und der Einlassabschnitt 48c der Lufteinführungsschicht 48 nur an der hinteren Endoberfläche des Sensorelements 101 vorliegt, wie dies in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Fall ist, ist jedoch bevorzugt, da ein Eindringen der vergiftenden Substanz in die Referenzelektrode 42 effektiver unterdrückt werden kann. Es sollte beachtet werden, dass ein hinteres Ende der Lufteinführungsschicht 248 für das hintere Ende des Sensorelements 201 in dem Sensorelement 201 bereitgestellt sein kann.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst das Sensorelement 101 des Gassensors 100 den ersten inneren Hohlraum 20, den zweiten inneren Hohlraum 40 und den dritten inneren Hohlraum 61, jedoch ist dies nicht beschränkend. Beispielsweise kann, wie in dem vorstehend beschriebenen Sensorelement 201, das in der 8 gezeigt ist, der dritte innere Hohlraum 61 weggelassen werden. In dem Sensorelement 201 gemäß der Modifizierung, die in der 8 gezeigt ist, sind die Gaseinlassöffnung 10, der erste Diffusionseinstellabschnitt 11, der Pufferraum 12, der zweite Diffusionseinstellabschnitt 13, der erste innere Hohlraum 20, der dritte Diffusionseinstellabschnitt 30 und der zweite innere Hohlraum 40 zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 derart bereitgestellt, dass sie in dieser Reihenfolge aneinander angrenzen und miteinander in Verbindung stehen. Die Messelektrode 44 ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 in dem zweiten inneren Hohlraum 40 bereitgestellt. Die Messelektrode 44 wird dadurch gebildet, dass sie mit einem vierten Diffusionseinstellabschnitt 45 bedeckt ist. Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 45 ist ein Film, der aus einem keramischen porösen Material, wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), hergestellt ist. Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 45 dient zur Beschränkung der Menge von NOx, das in die Messelektrode 44 strömt, wie dies bei dem vierten Diffusionseinstellabschnitt 60 gemäß der vorstehend beschriebene Ausführungsform der Fall ist. Darüber hinaus dient der vierte Diffusionseinstellabschnitt 45 auch als Schutzfilm der Messelektrode 44. Der obere Elektrodenabschnitt 51a der Hilfspumpelektrode 51 ist unmittelbar oberhalb der Messelektrode 44 ausgebildet. Das Sensorelement 201, das einen solchen Aufbau aufweist, kann wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die NOx-Konzentration durch die Verwendung der Messpumpzelle 41 erfassen.
Es sollte beachtet werden, dass in dem in der 8 gezeigten Sensorelement 201 keine Modifizierung mit dem Referenzgaseinführungsraum 43, der Lufteinführungsschicht 248 und dem Gaseinführungsraum 249 durchgeführt werden muss, und der vierte Diffusionseinstellabschnitt 60 und der dritte innere Hohlraum 61 wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform bereitgestellt werden können. Darüber hinaus muss in dem Sensorelement 101 gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform keine Modifizierung des vierten Diffusionseinstellabschnitts 60 und des dritten inneren Hohlraums 61 durchgeführt werden, und derselbe Aufbau wie bei dem Referenzgaseinführungsraum 43, der Lufteinführungsschicht 248 und dem Gaseinführungsraum 249, der in den 8 bis 10 gezeigt ist, kann eingesetzt werden.
Obwohl die Lufteinführungsschicht 48 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform auch als die Isolierschicht des Referenzelektrodenanschlusses 47 dient, kann eine Isolierschicht des Referenzelektrodenanschlusses 47 zusätzlich zu der Lufteinführungsschicht 48 vorliegen. In diesem Fall kann die Lufteinführungsschicht 48 in jedweder Konfiguration bereitgestellt sein, solange das Referenzgas eingeführt werden kann. Beispielsweise muss in den 9 und 10 mindestens ein Teil der Lufteinführungsschicht 248 zu dem Referenzgaseinführungsraum 43 freiliegen und kann z.B. von der Seite der Referenzelektrode 42 zu dem hinteren Ende des Umleitungsabschnitts 47d bereitgestellt sein.
Obwohl dies in der vorstehenden Ausführungsform nicht spezifisch beschrieben ist, unterscheidet sich der Gasströmungsraum 49 von Poren der Lufteinführungsschicht 48. Beispielsweise kann mindestens eines der Größe und Form des Gasströmungsraums 49 von einem Entsprechenden der Poren der Lufteinführungsschicht 48 verschieden sein.
Das Druckablassloch 75 verläuft in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform durch die Lufteinführungsschicht 48, jedoch ist dies nicht beschränkend. Das Druckablassloch 75 kann mit mindestens einem von Poren der Lufteinführungsschicht 48 und des Gasströmungsraums 49 in Verbindung stehen.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann das Druckablassloch 75 in dem Sensorelement 101 weggelassen sein, wie es in der 11 gezeigt ist. In diesem Fall kann der Umleitungsabschnitt 47d in dem Referenzelektrodenanschluss 47 weggelassen werden. In der 11 umfasst der Referenzelektrodenanschluss 47 nicht den Umleitungsabschnitt 47d und der erste lineare Abschnitt 47a erstreckt sich direkt zu dem dritten linearen Abschnitt 47c, um mit dem dritten linearen Abschnitt 47c verbunden zu sein. Darüber hinaus kann in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Form der Lufteinführungsschicht 48 verändert werden. Da beispielsweise das Sensorelement 101 in der 11 nicht das Druckablassloch 75 und den Umleitungsabschnitt 47d umfasst, umfasst die Lufteinführungsschicht 48 nicht den breiten Abschnitt 48a und den schmalen Abschnitt 48b, und die Breite in der Links-rechts-Richtung ist in der Vorne-hinten-Richtung identisch.
Der Steuerstrom Ip3 ist in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ein Gleichstrom mit einem konstanten Wert, jedoch ist dies nicht beschränkend. Beispielsweise kann der Steuerstrom Ip3 ein gepulster und diskontinuierlicher Strom sein. Darüber hinaus ist der Steuerstrom Ip3 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ein Gleichstrom bei einem konstanten Wert, der immer in der Richtung fließt, in der Sauerstoff zu dem Randbereich der Referenzelektrode 42 hineingepumpt wird, jedoch ist dies nicht beschränkend. Beispielsweise kann ein Zeitraum vorliegen, während dem der Steuerstrom Ip3 in der Richtung fließt, in der Sauerstoff von dem Randbereich der Referenzelektrode 42 hinausgepumpt wird. In diesem Fall kann die allgemeine Bewegungsrichtung von Sauerstoff in einem ausreichend langen Zeitraum die Richtung sein, in der Sauerstoff zu dem Randbereich der Referenzelektrode 42 hineingepumpt wird.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform dient die äußere Pumpelektrode 23, die als die Außenelektrode der Messpumpzelle 41 dient, auch als die Elektrode auf der Seite des Messgases der Referenzgasregulierpumpzelle 90, jedoch ist dies nicht beschränkend. Die Außenelektrode der Messpumpzelle 41 und die Elektrode auf der Seite des Messgases der Referenzgasregulierpumpzelle 90 können separat auf der Außenoberfläche des Sensorelements 101 ausgebildet sein. Darüber hinaus ist, solange die Elektrode auf der Seite des Messgases der Referenzgasregulierpumpzelle 90 in einem Abschnitt bereitgestellt ist, der dem Messgas in dem Sensorelement 101 ausgesetzt ist, die Bereitstellungsposition nicht auf die Außenoberfläche beschränkt. Beispielsweise kann die Elektrode auf der Seite des Messgases in dem Messgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt sein.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so einstellt, dass die elektromotorische Kraft V2, die durch the Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Messpumpsteuerung 82 erfasst wird, konstant gehalten wird, und die Konzentration von Stickstoffoxiden in dem Messgas wird mittels des gesteuerten Pumpstrom Ip2 berechnet. Dies ist jedoch nicht beschränkend, solange die spezifische Gaskonzentration in dem Messgas auf der Basis der Spannung zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 erfasst wird. Beispielsweise können die Messelektrode 44, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 kombiniert werden, so dass sie eine elektrochemische Sensorzelle bilden, die als Sauerstoffpartialdruckerfassungsvorrichtung dient. Diese elektrochemische Sensorzelle kann eine elektromotorische Kraft gemäß einer Differenz zwischen der Menge von Sauerstoff, die durch die Reduktion der NOx-Komponente in der Umgebungsatmosphäre der Messelektrode 44 erzeugt wird, und der Menge von Sauerstoff in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 erfassen, und bestimmt dadurch die Konzentration der NOx-Komponente in dem Messgas. In diesem Fall entspricht diese elektrochemische Sensorzelle der Erfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Die Referenzelektrode 42 ist in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform direkt auf der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 ausgebildet, jedoch ist dies nicht beschränkend. Beispielsweise kann die Referenzelektrode 42 direkt auf der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet sein.
Das Referenzgas ist in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform Luft. Das Referenzgas ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern es kann sich um jedwedes Gas handeln, das als Standard zur Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration in dem Messgas verwendet werden kann. Beispielsweise kann der Raum 149 mit einem Gas mit einer Sauerstoffkonzentration, die im Vorhinein auf einen vorgegebenen Wert eingestellt ist (> Sauerstoffkonzentration in dem Messgas) als das Referenzgas gefüllt sein.
Das Sensorelement 101 erfasst in der vorstehend beschriebene Ausführungsform die NOx-Konzentration in dem Messgas, jedoch ist dies nicht beschränkend. Das Sensorelement kann jedwede spezifische Gaskonzentration in dem Messgas erfassen, z.B. die Sauerstoffkonzentration in the Messgas.
BEISPIELE
Nachstehend sind konkrete Beispiele zur Herstellung von Gassensoren als Beispiele beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
[Experimentelles Beispiel 1]
Der in den 1 bis 5 gezeigte Gassensor 100 wurde durch das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren als experimentelles Beispiel 1 erzeugt. Die keramischen Grünlagen, die zur Herstellung des Sensorelements 101 verwendet wurden, wurden durch Bandgießen eines Gemischs aus Zirkoniumoxidteilchen, die 4 mol-% Yttriumoxid als Stabilisierungsmittel enthielten, mit einem organischen Bindemittel und einem organischen Lösungsmittel gebildet. Bei den Grünpresskörpern 145a und 145b, die in der 1 gezeigt sind, handelte es sich um gepresstes Talkpulver. Die Lufteinführungsschicht 48 wurde aus einer Aluminiumoxidkeramik hergestellt und der Gasströmungsraum 49 ist aus Theobromin als ein verschwindendes Material hergestellt. Die Länge des Bereichs R in der Vorne-hinten-Richtung betrug 60 mm und die Länge des Gasströmungsraums 49 in der Vorne-hinten-Richtung betrug 61 mm. Die gesamte minimale Querschnittsfläche Smin des Gasströmungsraums 49 betrug 0,00001 mm². Die Porosität der Lufteinführungsschicht 48 betrug 40 Volumen-%.
[Experimentelle Beispiele 2 bis 10]
Gassensoren 100 der experimentellen Beispiele 2 bis 10 wurden in der gleichen Weise wie im experimentellen Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die gesamte minimale Querschnittsfläche Smin so verändert wurde, wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist.
Es sollte beachtet werden, dass von den experimentellen Beispielen 1 bis 10 in den experimentellen Beispielen 1 bis 6 nur der erste Gasströmungsraum 49a als Gasströmungsraum 49 gebildet wurde, und in den experimentellen Beispielen 7 bis 10 nur die ersten und zweiten Gasströmungsräume 49a als Gasströmungsraum 49 gebildet wurden.
[Vergleichsbeispiel 1]
Ein Gassensor wurde in der gleichen Weise wie im experimentellen Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Gasströmungsraum 49 weggelassen wurde.
[Bewertung der Erfassungsgenauigkeit]
Der Gassensor des experimentellen Beispiels 1 wurde an einer Leitung montiert. Die Heizeinrichtung 72 wurde dann mit Strom versorgt, so dass sie das Sensorelement 101 bei einer Temperatur von 800 °C erwärmte. Anschließend wurden die variablen Stromversorgungen 25, 46, 52 und 92 mit dem Gassensor des experimentellen Beispiels 1 verbunden. Die Spannung Vp3 der variablen Stromversorgung 92 wurde so eingestellt, dass der Steuerstrom Ip3 ein Gleichstrom von 20 µA ist. In diesem Zustand wurde unter Verwendung von Stickstoff als Basisgas ein Modellgas mit einer Sauerstoffkonzentration von 10 % und einer NOx-Konzentration von 500 ppm hergestellt und als Messgas in die Leitung geleitet. Dieser Zustand wurde für 20 Minuten beibehalten und die elektromotorische Kraft Vref (Spannung zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42) während dieses Zeitraums wurde gemessen. Die Messung wurde in der gleichen Weise in den experimentellen Beispielen 2 bis 10 und im Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt. Es sollte beachtet werden, dass es wahrscheinlich ist, dass die elektromotorische Kraft Vref im Zeitverlauf von dem Wert ab dem Beginn der Messung zunimmt, da die Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 höher wird als die Sauerstoffkonzentration in dem Referenzgas. Darüber hinaus ist es wahrscheinlich, dass der Pumpstrom Ip2 ausgehend von dem korrekten Wert (einem Wert, der einer NOx-Konzentration von 500 ppm entspricht) abnimmt, wenn die elektromotorische Kraft Vref erhöht wird. Demgemäß wurde durch Einstellen des Werts der elektromotorischen Kraft Vref zu Beginn der Messung als 100 % dann, wenn die gemessene elektromotorische Kraft Vref nach 20 Minuten in einem vorgegebenen Bereich liegt (nicht mehr als 120 %), die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration als übermäßig hoch festgelegt („A“). Wenn die gemessene elektromotorische Kraft Vref nach 15 Minuten und vor 20 Minuten über dem vorgegebenen Bereich liegt, wurde die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration als hoch festgelegt („B“). Wenn die gemessene elektromotorische Kraft Vref vor 15 Minuten über dem vorgegebenen Bereich liegt, wurde die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration als niedrig festgelegt („F“).

Die Tabelle 1 zeigt die Bewertungstestergebnisse. Wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist, ist die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration im Vergleichsbeispiel 1, das den Gasströmungsraum 49 nicht umfasst, niedrig, wohingegen die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration in den experimentellen Beispielen 1 bis 10, die den Gasströmungsraum 49 umfassen, hoch ist. Darüber hinaus ist die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration in den experimentellen Beispielen 3 bis 10, bei denen die gesamte minimale Querschnittsfläche Smin nicht weniger als 0,0001 mm² beträgt, übermäßig hoch. In keinem des Vergleichsbeispiels 1 und der experimentellen Beispiele 1 bis 10 wurde die elektromotorische Kraft Vref ausgehend von dem Wert zu Beginn der Messung (100 %) übermäßig niedrig. Diese Ergebnisse zeigen, dass jedwedes des Vergleichsbeispiels 1 und der experimentellen Beispiele 1 bis 10 eine ausreichende Menge Sauerstoff aufweist, der durch die Referenzgasregulierpumpzelle 90 zu dem Randbereich der Referenzelektrode 42 hineingepumpt wird. Wenn die Sauerstoff-Hineinpumpmenge ausreichend ist, wurde die Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 im Vergleichsbeispiel 1 übermäßig höher als die Sauerstoffkonzentration in dem Referenzgas, wohingegen die Sauerstoffkonzentration in den experimentellen Beispielen 1 bis 10 nicht übermäßig hoch wurde, da der Gasströmungsraum 49 einbezogen ist. [Tabelle 1]

	Gesamte minimale Querschnittsfläche S [mm²]	Bewertung der Erfassunqsqenauiqkeit
Vergleichsbeispiel 1	0	F
Experimentelles Beispiel 1	0,00001	B
Experimentelles Beispiel 2	0,00005	B
Experimentelles Beispiel 3	0,0002	A
Experimentelles Beispiel 4	0,0005	A
Experimentelles Beispiel 5	0,001	A
Experimentelles Beispiel 6	0,006	A
Experimentelles Beispiel 7	0,01	A
Experimentelles Beispiel 8	0,02	A
Experimentelles Beispiel 9	0,05	A
Experimentelles Beispiel 10	0,08	A

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-067780 ( JP 2018 - 169 329 A ), die am 30. März 2017 eingereicht worden ist und deren gesamter Inhalt unter Bezugnahme hierin einbezogen ist.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist auf einen Gassensor anwendbar, der eine spezifische Gaskonzentration, wie z.B. von NOx, in einem Messgas, wie z.B. einem Abgas eines Kraftfahrzeugs, erfasst.

Claims

Sensorelement, umfassend: einen Schichtkörper, der eine Mehrzahl von gestapelten Schichten aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten umfasst und der einen Messgas-Strömungsabschnitt umfasst, in den ein Messgas eingeführt und einströmen gelassen wird; eine Messelektrode, die auf einer Innenumfangsoberfläche des Messgas-Strömungsabschnitts bereitgestellt ist; eine Elektrode auf der Seite des Messgases, die in einem Bereich des Schichtkörpers bereitgestellt ist, der dem Messgas ausgesetzt ist; eine Referenzelektrode, die innerhalb des Schichtkörpers ausgebildet ist; und eine Referenzgaseinführungsschicht, die aus einem porösen Material hergestellt ist und die ein Referenzgas einführt, das als Standard zur Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration in dem Messgas verwendet wird, und die das Referenzgas zu der Referenzelektrode leitet, wobei die Referenzgaseinführungsschicht einen Einlassabschnitt, der als Einlass für das Referenzgas dient, und einen oder mehrere Gasströmungsraum oder -räume umfasst, der oder die über einen Bereich von dem Einlassabschnitt zu der Referenzelektrode in einer Richtung bereitgestellt ist oder sind, in der das Referenzgas strömt, und wobei der Gasströmungsraum oder jeder der mehreren Gasströmungsräume von der Referenzelektrode getrennt ist.
Sensorelement nach Anspruch 1, bei dem die Referenzgaseinführungsschicht von der Referenzelektrode zu einer Endoberfläche des Schichtkörpers in einer Längsrichtung bereitgestellt ist, und der Einlassabschnitt ein Abschnitt der Referenzgaseinführungsschicht ist, welcher der Endoberfläche ausgesetzt ist.
Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der eine Gasströmungsraum oder die mehreren Gasströmungsräume eine gesamte minimale Querschnittsfläche Smin von nicht weniger als 0,0001 mm² aufweist oder aufweisen, wobei die gesamte minimale Querschnittsfläche Smin die Gesamtheit von minimalen Querschnittsflächen jeweils senkrecht zur Richtung ist, in der das Referenzgas strömt.
Gassensor, der das Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 umfasst.
Gassensor nach Anspruch 4, ferner umfassend: eine Erfassungsvorrichtung, welche die spezifische Gaskonzentration in dem Messgas auf der Basis einer elektromotorischen Kraft erfasst, die zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode erzeugt wird; und eine Referenzgasreguliervorrichtung, die einen Steuerstrom zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases fließen lässt, um Sauerstoff zu einem Randbereich der Referenzelektrode hineinzupumpen.