DE102019001576A1

DE102019001576A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102019001576A1
Application number: DE102019001576.2A
Authority: DE
Inventors: Taku Okamoto
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2019-09-12
Also published as: CN110261462A; US20190277795A1; US10871465B2; JP2019158495A; JP6998802B2; CN110261462B

Abstract

Ein Gassensor mit gemischtem Potenzial beinhaltet: eine erste Messelektrode, die eine Pt-Au-Legierung enthält, und eine zweite Messelektrode, die Pt enthält, wobei die ersten und zweiten Messelektroden auf einer Oberfläche eines Sensorelements aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten auf einer vorderen Endseite vorgesehen sind; eine Referenzelektrode, die innerhalb des Sensorelements vorgesehen ist, um mit Luft in Kontakt zu kommen; eine Schutzabdeckung, die das eine vordere Endteil des Sensorelements umgibt und in das Messungsgas fließt; und ein Konzentrationsidentifikationselement, das konfiguriert ist, um eine Konzentration einer Messzielgaskomponente basierend auf Potenzialdifferenzen zwischen der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode und der Referenzelektrode zu identifizieren. Die ersten und zweiten Messelektroden sind so angeordnet, dass das in die Schutzabdeckung fließende Messungsgas früher als die zweite Messelektrode die erste Messelektrode erreicht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor mit gemischtem Potenzial und betrifft insbesondere dessen Empfindlichkeit.
Technischer Hintergrund
Ein Gassensor mit gemischtem Potenzial, der zum Erfassen von Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid, Ammoniak oder dergleichen konfiguriert ist, ist bereits bekannt (siehe z.B. Japanische Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2016-033510 und Japanische Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2017-116371 ).
Der Gassensor mit gemischtem Potenzial bestimmt die Konzentration einer Messzielgaskomponente unter Ausnutzung der Tatsache, dass eine Potenzialdifferenz (Sensorausgabe), die zwischen einer Messelektrode, die in Kontakt mit Messungsgas vorgesehen ist, und variabel im Potenzial entsprechend der Konzentration eines in dem Messungsgas vorhandenen Messzielgases und einer Referenzelektrode, die ein im Wesentlichen konstantes Potenzial aufweist, erzeugt wird, eine Korrelation mit der Konzentration des Messzielgases in dem Messungsgas aufweist.
In einem Fall, in dem der vorstehend beschriebene Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid, Ammoniak oder dergleichen erfasst werden soll, wenn neben dem Messzielgas im Messungsgas auch Sauerstoff vorhanden ist, stört der Sauerstoff die Sensorausgabe. In anderen Worten, da der Sensorausgabewert mit der in dem Messungsgas vorhandenen Sauerstoffkonzentration schwankt, ist es notwendig, die Sensorausgabe oder die Konzentration des Messzielgases basierend auf der Sauerstoffkonzentration zu korrigieren, um die Konzentration des Messzielgases genau zu bestimmen.
Soll beispielsweise Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid oder Ammoniak mit einem Gassensor mit gemischtem Potenzial in einem Abgasweg aus einer Verbrennung eines Automotors oder dergleichen erfasst werden, kann die Sauerstoffkonzentration anhand eines Ausgabewertes eines Sauerstoffsensors, eines A/F-Sensors, eines NOx-Sensors oder dergleichen, der separat vom Gassensor mit gemischtem Potenzial bereitgestellt wird, identifiziert werden.
Da diese Sensoren jedoch nicht unbedingt in der Nähe des Gassensors mit gemischtem Potenzial vorhanden sind, ist es notwendig, die Gasverzögerung zu berücksichtigen, um die Messgenauigkeit des Messzielgases zu verbessern. Zusätzlich ist die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases aus dem Verbrennungsmotor nicht konstant, sondern ändert sich ständig und somit ist es nicht unbedingt einfach, die Korrektur anhand der Sauerstoffkonzentration hervorragend durchzuführen.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor mit gemischtem Potenzial und insbesondere die Empfindlichkeit bzw. das Ansprechvermögen davon.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensor mit gemischtem Potenzial konfiguriert, um eine in Messungsgas enthaltene Messzielgaskomponente zu erfassen und eine Konzentration der Messzielgaskomponente zu identifizieren, der beinhaltet: ein Sensorelement, hergestellt aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten; eine erste Messelektrode als Cermet-Elektrode, die auf einer Oberfläche des Sensorelements auf einer vorderen Endteilseite vorgesehen ist und eine Pt-Au-Legierung enthält; eine zweite Messelektrode als Cermet-Elektrode, die auf der Oberfläche des Sensorelements auf der einen vorderen Endteilseite vorgesehen ist und Pt enthält; eine Referenzelektrode, die im Inneren des Sensorelements vorgesehen ist, um mit Luft in Kontakt gebracht zu werden; eine Elektrodenschutzschicht als poröse Schicht, die die ersten und zweiten Messelektroden abdeckt; ein Gehäuse, in dem das Sensorelement befestigt ist; eine Schutzabdeckung, die am Gehäuse befestigt ist und das eine vordere Endteil des Sensorelements umgibt und in das Messungsgas einströmt; und ein Konzentrationsidentifikationselement, das konfiguriert ist, um die Konzentration der Messzielgaskomponente im Messungsgas zu identifizieren, wobei das Konzentrationsidentifikationselement konfiguriert ist, um, während der Gassensor im Messungsgas angeordnet ist, eine erste Sensorausgabe als Potenzialdifferenz zu erfassen, die zwischen der ersten Messelektrode und der Referenzelektrode gemäß der Konzentration der Messzielgaskomponente und einer Konzentration von Sauerstoff auftritt, und eine zweite Sensorausgabe als Potenzialdifferenz, die zwischen der zweiten Messelektrode und der Referenzelektrode gemäß der Sauerstoffkonzentration auftritt, und Identifizieren der Konzentration der Messzielgaskomponente im Messungsgas basierend auf der ersten und zweiten Sensorausgabe. Die erste Messelektrode und die zweite Messelektrode sind auf der Oberfläche des Sensorelements auf der einen vorderen Endteilseite angeordnet, so dass das in die Schutzabdeckung fließende Messungsgas früher als die zweite Messelektrode die erste Messelektrode erreicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Konzentration einer Messzielgaskomponente ohne Sauerstoffstörung mit vorzüglicher Genauigkeit bestimmt werden, während eine Empfindlichkeit erreicht wird.
Die vorliegende Erfindung soll einen Gassensor bereitstellen, der Messzielgas auch unter Sauerstoffeinwirkung genau messen kann.
Figurenliste

1 ist ein Schnittschema, das die Konfiguration eines Hauptteils eines Gassensors 100A gemäß einem ersten Aspekt schematisch veranschaulicht;
2 ist eine Draufsicht zur Beschreibung der Anordnungspositionen einer ersten Messelektrode 10A und einer zweiten Messelektrode 10B auf einer Oberfläche Sa eines Sensorelements 101A und der Größen beider Elektroden;
3 ist ein Schema, das eine Konfiguration um das Sensorelement 101A im Gassensor 100A gemäß dem ersten Aspekt veranschaulicht;
4 ist ein Schnittschema, das schematisch die Konfiguration eines Hauptteils eines Gassensors 100B gemäß einem zweiten Aspekt veranschaulicht;
5 ist ein Schema, das eine Konfiguration um ein Sensorelement 101B im Gassensor 100B gemäß dem zweiten Aspekt veranschaulicht;
6 ist ein Fließdiagramm, das den Verfahrensablauf bei der Herstellung der Sensorelemente 101A und 101B veranschaulicht;
7A und 7B sind Diagramme, die schematisch eine Empfindlichkeitscharakteristik der Gassensoren 100A und 100B für den Fall veranschaulichen, dass eine Messzielgaskomponente Ammoniak (NH₃)-Gas ist;
8 ist ein Diagramm, das ein Antwortmessprofil veranschaulicht;
9 ist eine Draufsicht auf ein Sensorelement 101 mit paralleler Elektrodenanordnung;
10A und 10B sind Diagramme, die exemplarisch ein Antwortmessprofil der ersten Messelektrode 10A veranschaulichen; und
11A und 11B sind Diagramme, die exemplarisch ein Antwortmessprofil der zweiten Messelektrode 10B veranschaulichen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
<Übersicht über den Gassensor>
Ein Gassensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat zwei Aspekte mit unterschiedlichen Kombinationen der Anordnung jeder Messelektrode und der Form und Konfiguration jeder Schutzabdeckung. Jeder Aspekt wird nachstehend nacheinander beschrieben.
(Erster Aspekt)
1 ist ein Schnittschema, das die Konfiguration eines Hauptteils eines Gassensors 100A gemäß einem ersten Aspekt schematisch veranschaulicht;
Der Gassensor 100A ist ein so genannter Gassensor mit gemischtem Potenzial. Im Allgemeinen bestimmt der Gassensor 100A die Konzentration einer zu erfassenden Gaskomponente (Messzielgaskomponente) unter Ausnutzung der Tatsache, dass Potenzialdifferenz (elektromotorische Kraft) zwischen einer ersten Messelektrode 10A auf der Oberfläche des Sensorelements 101A, die hauptsächlich aus Keramik als sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, wie Zirkoniumoxid (ZrO₂), besteht, und einer im Sensorelement 101A vorgesehenen Referenzelektrode 20 auftritt, da die Konzentration der Messzielgaskomponente in den Umgebungen der Elektroden nach dem Prinzip des gemischten Potenzials unterschiedlich ist. Im Folgenden werden die erste Messelektrode 10A, die Referenzelektrode 20 und der Festelektrolyt zwischen beiden Elektroden als erste Mischpotenzialzelle bezeichnet.
Genauer gesagt, wird der Gassensor 100A verwendet, um die Konzentration einer vorbestimmten Gaskomponente (Messzielgaskomponente) in Messungsgas, dem Abgas in einem Abgasrohr eines Verbrennungsmotors, wie beispielsweise eines Dieselmotors oder eines Benzinmotors, exzellent zu bestimmen. Beispiele für die Messzielgaskomponente sind Kohlenwasserstoffgas, wie C₂H₄, C₃H₆ oder n-C₈, Kohlenmonoxid (CO) und Ammoniak (NH₃).
Wenn in dem Messungsgas eine Vielzahl von Gasarten vorhanden sind, die vom Gassensor 100A erfasst werden können, ist die zwischen der ersten Messelektrode 10A und der Referenzelektrode 20 erzeugte Potenzialdifferenz ein Wert, der auf die Vielzahl von Gasarten zurückzuführen ist, und somit ist der bestimmte Konzentrationswert die Summe der Konzentrationen der Vielzahl von Gasarten. Insbesondere in einer Vielzahl von Situationen, in denen der Gassensor 100A verwendet wird, enthält das Abgas als Messungsgas Sauerstoff, der vom Gassensor 100A erfasst werden kann, ähnlich wie die vorstehend beschriebene Messzielkomponente. Selbst wenn also Gas einer anderen Art als Sauerstoff als Messzielkomponente angenommen wird, hängt die Potenzialdifferenz, die zwischen der ersten Messelektrode 10A und der Referenzelektrode 20 in der ersten Mischpotenzialzelle erzeugt wird, auch von der Sauerstoffkonzentration des Messungsgases ab. Diese Eigenschaft, dass die Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden in der ersten Mischpotenzialzelle und eine Konzentration einer auf Basis der Potenzialdifferenz identifizierten Messzielgaskomponente durch die Existenz von Sauerstoff im Messungsgas beeinflusst wird, wird beispielsweise als O₂-Störung bezeichnet. Die O₂-Störung muss entfernt werden, um die Messgenauigkeit der Messzielgaskomponente zu erreichen.
Im Sensorelement 101A ist, ähnlich wie bei der ersten Messelektrode 10A, eine zweite Messelektrode 10B auf der Oberfläche des Sensorelements 101A vorgesehen, um diesen Zweck zu erfüllen. Wenn die Konzentration der Messzielgaskomponente identifiziert wird, erfolgt die Korrektur unter Verwendung der Potenzialdifferenz, die zwischen der zweiten Messelektrode 10B und der Referenzelektrode 20 gemäß der Sauerstoffkonzentration des Messungsgases erzeugt wird. Nachfolgend wird die zweite Messelektrode 10B, die Referenzelektrode 20 und der Festelektrolyt zwischen beiden Elektroden als zweite Mischpotenzialzelle bezeichnet.
Darüber hinaus beinhaltet das Sensorelement 101A hauptsächlich einen Referenzgaseinleitungsraum 30, in dem die Referenzelektrode 20 angeordnet ist, eine Schutzschicht 40, die die erste Messelektrode 10A und die zweite Messelektrode 10B abdeckt, sowie die erste Messelektrode 10A, die zweite Messelektrode 10B und die vorstehend beschriebene Referenzelektrode 20.
« Einzelheiten der Komponenten»
Das Sensorelement 101A weist eine Struktur auf, in der sechs Schichten einer ersten Festelektrolytschicht 1, einer zweiten Festelektrolytschicht 2, einer dritten Festelektrolytschicht 3, einer vierten Festelektrolytschicht 4, einer fünften Festelektrolytschicht 5 und einer sechsten Festelektrolytschicht 6, die aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyt bestehen, in der angegebenen Reihenfolge von unten in den Zeichnungen gestapelt sind, und beinhaltet zusätzlich Elektroden und andere Komponenten hauptsächlich zwischen den Schichten oder auf einer äußeren Umfangsfläche des Elements. Der Festelektrolyt, aus dem die sechs Schichten bestehen, ist vollständig dicht und luftdicht. Ein solches Sensorelement 101A wird beispielsweise hergestellt, indem keramische Grünplatten entsprechend den einzelnen Schichten, die einem vorgegebenen Verfahren unterzogen wurden, laminiert und ein Schaltungsmuster gedruckt wird, und außerdem die laminierten Schichten durch Brennen integriert werden.
Es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, dass der Gassensor 100A das Sensorelement 101A als einen solchen sechsschichtigen laminierten Körper beinhaltet. Das Sensorelement 101A kann als laminierter Körper mit einer größeren oder kleineren Anzahl von Schichten ausgebildet sein oder mag keine laminierte Struktur aufweisen.
In der folgenden Beschreibung wird aus Gründen der Übersichtlichkeit eine Oberfläche, die sich oberhalb der sechsten Festelektrolytschicht 6 in den Zeichnungen befindet, als vordere Oberfläche Sa des Sensorelements 101A bezeichnet und eine Oberfläche, die sich unterhalb der ersten Festelektrolytschicht 1 in den 1A und 1B befindet, als hintere Oberfläche Sb des Sensorelements 101A bezeichnet. Wenn der Gassensor 100A zum Bestimmen der Konzentration der Messzielgaskomponente in dem Messungsgas verwendet wird, wird ein vorbestimmter Bereich, der sich von einem vorderen Endteil E1 als einem Endteil des Sensorelements 101A erstreckt und mindestens die erste Messelektrode 10A und die zweite Messelektrode 10B beinhaltet, in einer Messungsgasatmosphäre angeordnet, und der verbleibende Teil mit einem Basisendteil E2 als der andere Endteil wird nicht in Kontakt mit der Messungsgasatmosphäre angeordnet.
Die erste Messelektrode 10A erfasst die Messzielgaskomponente. Die erste Messelektrode 10A ist als poröse Cermet-Elektrode ausgebildet, die eine Legierung beinhaltet, die Au mit einem vorgegebenen Verhältnis und Pt, also eine Pt-Au-Legierung, und Zirkoniumoxid enthält. Die katalytische Aktivität der ersten Messelektrode 10A für die Messzielgaskomponente wird in einem vorgegebenen Konzentrationsbereich desaktiviert, indem die Zusammensetzung der Pt-Au-Legierung als Material der Messelektrode 10 ausgezeichnet bestimmt wird. In anderen Worten wird die Zersetzungsreaktion der Messzielgaskomponente an der ersten Messelektrode 10A unterdrückt. Dementsprechend variiert im Gassensor 100A das Potenzial der ersten Messelektrode 10A selektiv für die Messzielgaskomponente entsprechend (in Korrelation mit) der Konzentration der Messzielgaskomponente. In anderen Worten weist die erste Messelektrode 10A eine solche Eigenschaft auf, dass ihr Potenzial eine hohe Konzentrationsabhängigkeit von der Messzielgaskomponente in einem vorgegebenen Konzentrationsbereich aufweist, aber eine geringe Konzentrationsabhängigkeit von jeder anderen Komponente des Messungsgases aufweist.
Genauer gesagt, wird die erste Messelektrode 10A so bereitgestellt, dass sie auf der Oberfläche der die Elektrode bildenden Pt-Au-Legierungsteilchen ein Au-Überschuss-Verhältnis aufweist, wodurch eine bemerkenswerte Abhängigkeit des Potenzials von den Konzentrationen der Messzielgaskomponente und des Sauerstoffs besteht.
Das Au-Überschuss-Verhältnis wird vorzugsweise auf zum Beispiel 0,4 oder höher eingestellt, wenn die Messzielgaskomponente Ammoniakgas ist, oder 0,3 oder höher, wenn die Messzielgaskomponente Kohlenwasserstoffgas ist.
In der Beschreibung ist das Au-Überschuss-Verhältnis das Flächenverhältnis eines von Au abgedeckten Teils zu einem Teil, bei dem Pt auf der Oberfläche eines in der ersten Messelektrode 10A enthaltenen Edelmetallteilchens (Pt-Au-Legierungsteilchen) freiliegt. Beispielsweise kann das Au-Überschuss-Verhältnis durch die folgende Gleichung berechnet werden, indem die erfassten Werte von Au und Pt in einem Augerspektrum verwendet werden, das durch die Durchführung einer Auger-Elektronenspektroskopie (AES)-Analyse auf der Oberfläche des Edelmetallteilchens erhalten wurde: $Au-Überschuss-Verhältnis = Au-Erkennungswert/Pt-Erkennungswert$
Alternativ kann das Au-Überschuss-Verhältnis auch nach einem relativen Empfindlichkeitskoeffizientenverfahren basierend auf den Peakintensitäten von Au und Pt bei Detektionspeaks berechnet werden, die durch Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) erhalten werden können. Das Au-Überschuss-Verhältnis ist 1, wenn die Fläche des Teils, an dem Pt exponiert ist, gleich der Fläche des von Au abgedeckten Teils ist.
Die erste Messelektrode 10A kann so gebildet werden, dass sie eine Porosität von gleich oder mehr als 10% und gleich oder weniger als 40% und eine Dicke von gleich oder mehr als 5 µm und von gleich oder weniger als 35 µm aufweist. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform kann die Porosität jeder der verschiedenen Arten von Elektroden und Schichten aus einem Binärbild eines Querschnitts-SEM-Bildes (sekundäres Elektronenbild) der Zielelektrode oder -schicht nach einem bekannten Verfahren identifiziert werden.
Die zweite Messelektrode 10B erfasst Sauerstoff. Die zweite Messelektrode 10B ist als poröse Cermet-Elektrode aus Pt und Zirkoniumoxid ausgebildet. Da die zweite Messelektrode 10B kein Au enthält, hat die zweite Messelektrode 10B eine katalytische Aktivität für die Messzielgaskomponente. Somit wird die zweite Messelektrode 10B bereitgestellt, um eine starke Abhängigkeit des Potenzials von der Sauerstoffkonzentration aufzuzeigen.
Die zweite Messelektrode 10B kann so geformt werden, dass sie eine Porosität von gleich oder mehr als 10% und gleich oder weniger als 40% aufweist, und eine Dicke von gleich oder mehr als 5 µm und gleich oder weniger als 35 µm.
2 ist eine Draufsicht zur Beschreibung der Anordnungspositionen einer ersten Messelektrode 10A und einer zweiten Messelektrode 10B auf einer Oberfläche Sa eines Sensorelements 101A und der Größen beider Elektroden. In 2 entfällt jedoch die Veranschaulichung der Elektrodenschutzschicht 40. Das Sensorelement 101 hat eine Größe L0 in Elementlängsrichtung und eine Größe w0 in Elementbreitenrichtung rechtwinklig zur Elementlängsrichtung.
Sowohl die erste Messelektrode 10A als auch die zweite Messelektrode 10B sind in der Draufsicht rechteckig. Die erste Messelektrode 10A ist an einer von einem vorderen Endteil E1 als einem Endteil der Elementlängsrichtung um einen vorgegebenen Abstand d1 auf der Oberfläche Sa des Sensorelements 101A abgetrennten Position vorgesehen, und die zweite Messelektrode 10B ist an einer von der ersten Messelektrode 10A um einen vorgegebenen Abstand d2 auf einer dem vorderen Endteil E1 in der Elementlängsrichtung gegenüberliegenden Seite vorgesehen. Diese Anordnung entspricht dem Fluss des Messungsgases, der von außen zur ersten Messelektrode 10A und zur zweiten Messelektrode 10B reicht. Dies wird später im Einzelnen beschrieben.
Es ist bevorzugt, dass eine Größe t1 der ersten Messelektrode 10A und eine Größe t2 der zweiten Messelektrode 10B in der Elementlängsrichtung gleich zueinander sind, und eine Größe w1 der ersten Messelektrode 10A und eine Größe w2 der zweiten Messelektrode 10B in der Elementbreitenrichtung gleich zueinander sind. Es ist bevorzugt, dass t1 = t2 = 0,5 mm bis 1,5 mm, w1 = w2 = 2 mm, d1 = 3 mm bis 5 mm und d2 = 0,3 mm bis 0,5 mm für L0 = 45 mm bis 70 mm und w0 = 4 mm bis 6 mm. Wenn die Werte von w1, t1, w2 und t2 zu groß sind, wird eine Detektionsempfindlichkeit erreicht, aber eine Varianz in der Empfindlichkeit (wie später beschrieben) tritt möglicherweise in jeder Messelektrode auf, und somit sind die Werte nicht bevorzugt. Wenn d2 zu groß ist, sind beide Messelektroden zu stark getrennt, und somit ist eine räumliche Varianz in der Konzentration des Messungsgases sehr wahrscheinlich, um einen großen Einfluss auszuüben. Im Ergebnis kann die Korrektur auf der Grundlage der Potenzialdifferenz in der zweiten Mischpotenzialzelle möglicherweise nicht hervorragend durchgeführt werden und somit ist der Wert nicht bevorzugt.
Bei Verwendung des Gassensors 100A wird ein Teil des Sensorelements 101A, das sich vom vorderen Endteil E1 bis mindestens zu einem Teil erstreckt, in dem die Elektrodenschutzschicht 40 zur Abdeckung der ersten Messelektrode 10A vorgesehen ist, dem Messungsgas ausgesetzt ist (direkt in Kontakt mit diesem) (siehe 3).
Die Referenzelektrode 20 mit einer im Wesentlichen rechteckigen Form in der Draufsicht ist im Inneren von Sensorelement 101A vorgesehen und dient als Referenz zur Bestimmung der Messungsgaskonzentration. Die Referenzelektrode 20 ist als poröse Cermet-Elektrode aus Pt und Zirkoniumoxid ausgebildet.
Die Referenzelektrode 20 kann so geformt werden, dass sie eine Porosität von gleich oder mehr als 10% und gleich oder weniger als 30% und eine Dicke von gleich oder mehr als 5 µm und gleich oder weniger als 15 µm aufweist. Wie in 1 exemplarisch veranschaulicht, kann die Ebenengröße der Referenzelektrode 20 kleiner oder im Wesentlichen gleich der der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B sein.
Die Referenzelektrode 20 ist im Referenzgaseinleitungsraum 30 im Sensorelement 101A freigelegt.
Der Referenzgaseinleitungsraum 30 ist ein in einem vorgegebenen Bereich vom Basisendteil E2 des Sensorelements 101A vorgesehener Innenraum. Luft (Sauerstoff) als Referenzgas zur Berechnung der Konzentration der Messzielgaskomponente wird von außen in den Referenzgaseinleitungsraum 30 eingebracht. Dementsprechend wird bei Verwendung des Gassensors 100A der Umfang der Referenzelektrode 20 immer mit der Luft (Sauerstoff) gefüllt. Somit hat die Referenzelektrode 20 bei Verwendung des Gassensors 100A ständig ein konstantes Potenzial.
Der Referenzgaseinleitungsraum 30 wird durch den umgebenden Festelektrolyten an der Kontaktierung mit Messungsgas gehindert. Somit kommt die Referenzelektrode 20 auch dann nicht mit dem Messungsgas in Kontakt, wenn die erste Messelektrode 10A und die zweite Messelektrode 10B dem Messungsgas ausgesetzt sind.
In der in 1 exemplarisch dargestellten Konfiguration ist der Referenzgaseinleitungsraum 30 als Raum vorgesehen, in dem ein Teil der fünften Festelektrolytschicht 5 auf der Basisendteil E2-Seite des Sensorelements 101A mit der Außenseite verbunden ist.
Die Elektrodenschutzschicht 40 ist eine poröse Schicht aus Aluminiumoxid, die so vorgesehen ist, dass sie mindestens die erste Messelektrode 10A und die zweite Messelektrode 10B auf der vorderen Oberfläche Sa des Sensorelements 101A abdeckt. Die Elektrodenschutzschicht 40 ist als Elektrodenschutzschicht vorgesehen, die den Abbau der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B aufgrund der kontinuierlichen Belastung durch ein Messungsgas während der Verwendung des Gassensors 100A verhindert oder vermindert.
Es ist bevorzugt, dass die Elektrodenschutzschicht 40 eine Porosität von 30% bis 45% und eine Dicke von 5 µm bis 25 µm aufweist.
In 1 wird der Fall, dass die Elektrodenschutzschicht 40 nur in der Nähe der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B gebildet wird, exemplarisch dargestellt, aber die Elektrodenschutzschicht 40 kann auf einen größeren Bereich erweitert werden. Alternativ kann die Elektrodenschutzschicht 40 als vordere Endschutzschicht auch über das vordere Endteil E1 bereitgestellt werden. Weiterhin wird alternativ nach der Bildung der Elektrodenschutzschicht 40 wie in 1 dargestellt die vordere Endschutzschicht zur Abdeckung der Elektrodenschutzschicht 40 bereitgestellt. Im letzteren Fall wird die vordere Endschutzschicht so gebildet, dass sie eine größere Porosität aufweist als die Elektrodenschutzschicht 40, um die Empfindlichkeit nicht zu beeinträchtigen. Eine solche vordere Endschutzschicht kann durch ein bekanntes Verfahren, wie Plasmaspritzen, Sprühbeschichten, Gelgießen oder Tauchen um das Sensorelement 101A (gebrannter Körper) herum durch ein Rohplattenverfahren erhalten werden, das später beschrieben wird. Die Dicke der vorderen Endschutzschicht kann mit einem beliebigen der Verfahren leicht kontrolliert werden.
Wie in 1 veranschaulicht, ist der Gassensor 100A mit einem ersten Potentiometer 60A ausgestattet, das eine Potenzialdifferenz zwischen der ersten Messelektrode 10A und der Referenzelektrode 20 messen kann, und einem zweiten Potentiometer 60B, das eine Potenzialdifferenz zwischen der zweiten Messelektrode 10B und der Referenzelektrode 20 messen kann. Obwohl 1 die Verdrahtung sowohl zwischen der ersten Messelektrode 10A als auch der Referenzelektrode 20 schematisch veranschaulicht und dem ersten Potentiometer 60A und die Verdrahtung sowohl zwischen der zweiten Messelektrode 10B als auch der Referenzelektrode 20 und dem zweiten Potentiometer 60B in einem tatsächlichen Sensorelement 101A, sind Anschlussklemmen (nicht dargestellt) entsprechend den jeweiligen Elektroden auf der vorderen Oberfläche Sa oder der hinteren Oberfläche Sb auf der Basisendteil E2-Seite vorgesehen, und es werden Verdrahtungsmuster (nicht dargestellt), die die jeweiligen Elektroden und die entsprechenden Anschlussklemmen verbinden, auf der vorderen Oberfläche Sa und innerhalb des Elements gebildet. 2 veranschaulicht exemplarisch die Zuleitungslinien 11A und 11B als Teil der Drähte. Die erste Messelektrode 10A und die Referenzelektrode 20 sind mit dem ersten Potentiometer 60A elektrisch verbunden, und die zweite Messelektrode 10B und die Referenzelektrode 20 sind über die Verdrahtungsmuster und die Anschlussklemmen mit dem zweiten Potentiometer 60B elektrisch verbunden.
Im Folgenden wird eine Potenzialdifferenz zwischen der ersten Messelektrode 10A und der Referenzelektrode 20, die mit dem ersten Potentiometer 60A gemessen wird, auch als erste Sensorausgabe oder EMF1 bezeichnet, und eine Potenzialdifferenz zwischen der zweiten Messelektrode 10B und der Referenzelektrode 20, die mit dem zweiten Potentiometer 60B gemessen wird, wird auch als zweite Sensorausgabe oder EMF2 bezeichnet. Die erste Sensorausgabe und die zweite Sensorausgabe werden beide an die Steuerung 150 ausgegeben, die den Betrieb des Gassensors 100A steuert. Die erste Sensorausgabe und die zweite Sensorausgabe, die der Steuerung 150 zur Verfügung gestellt werden, werden weiterhin an eine elektronische Steuereinheit (ECU) 160 geliefert, die den Verbrennungsmotor vollständig steuert. Die elektronische Steuereinheit (ECU) 160 führt Berechnungen basierend auf diesen Ausgaben durch, um dabei die Konzentration der Messzielgaskomponente in der Nähe des Sensorelements 101A zu bestimmen.
Das Sensorelement 101A beinhaltet weiterhin einen Heizteil 70, der konfiguriert ist, um eine Temperaturanpassung mit Erwärmung und Temperaturerhaltung des Sensorelements 101A durchzuführen, um die Sauerstoff-Ionen-Leitfähigkeit des Festelektrolyten zu erhöhen. Der Heizteil 70 beinhaltet einen Heizer 72, eine Heizisolierschicht 74 und ein Druckdiffusionsloch 75.
Der Heizer 72 ist ein elektrischer Widerstand im Inneren des Sensorelements 101A. Der Heizer 72, der mit einer Heizer-Elektrode (nicht dargestellt) verbunden ist, die mit der hinteren Oberfläche Sb des Sensorelements 101A (einer unteren Oberfläche des ersten Festelektrolytschicht 1 in 1) in Kontakt steht, erzeugt Wärme, indem der Heizer-Elektrode Strom zugeführt wird, um die das Sensorelement 101A bildenden Festelektrolyte zu erwärmen und ihre Temperaturen aufrechtzuerhalten.
In dem in 1 dargestellten Fall ist der Heizer 72 eingelassen, während er vertikal zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 2 und der dritten Festelektrolytschicht 3 eingeklemmt ist, so dass er vom Basisendteil E2 bis zu den Positionen unter der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B nahe dem vorderen Endteil E1 reicht. Mit dieser Konfiguration kann das gesamte Sensorelement 101A auf eine Temperatur eingestellt werden, bei der der Festelektrolyt aktiviert wird.
Die Heizisolierschicht 74 besteht aus Isolator wie Aluminiumoxid und ist an der oberen und unteren Oberfläche des Heizers 72 ausgebildet. Die Heizisolierschicht 74 ist so ausgebildet, dass sie eine elektrische Isolierung zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 2 und dem Heizer 72 und eine elektrische Isolierung zwischen der dritten Festelektrolytschicht 3 und dem Heizer 72 gewährleistet.
Das Druckdiffusionsloch 75 ist eine Stelle, die durch die dritte Festelektrolytschicht 3 und die vierte Festelektrolytschicht 4 hindurchgeht und mit dem Referenzgaseinleitungsraum 30 kommuniziert. Das Druckdiffusionsloch 75 wird gebildet, um den Anstieg des Innendrucks sowie den Temperaturanstieg innerhalb der Heizisolierschicht 74 zu vermindern.
«Abdichtung von Sensorelement und Schutzabdeckung»
3 ist ein Schema, das eine Konfiguration um das Sensorelement 101A (insbesondere um das vordere Endteil E1) im Gassensor 100A gemäß dem ersten Aspekt darstellt.
Im Gassensor 100A ist das Sensorelement 101A in einem Gehäuse 102A untergebracht, das ein hohles zylindrisches Element ohne die Nähe des vorderen Endteils E1 ist. Genauer gesagt, vor einem solchen Gehäuse werden ringförmige Komponenten wie der Keramikträger 103A und der Pulverpressling 104A um den Außenumfang des Sensorelements 101A herum montiert, das Gehäuse 102A wird ringförmig am Außenumfang der ringförmigen Komponenten montiert, anschließend wird der Pulverpressling 104A durch Aufbringen einer äußeren Kraft komprimiert, wodurch ein Zustand erreicht wird, in dem das Sensorelement 101A im Gehäuse 102A fixiert ist und der Raum zwischen dem vorderen Endteil E1 und dem Basisendteil E2 luftdicht verschlossen ist. Diese Befestigung erfolgt so, dass die Mittelachse des Sensorelements 101A mit der Mittelachse C des Innenraums des zylindrischen Gehäuses 102A übereinstimmt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in 3 nur ein Keramikträger 103A und ein Pulverpressling 104A dargestellt, wobei jedoch eine Vielzahl von Keramikträgern 103A und eine Vielzahl von Pulverpresslingen 104A abwechselnd gestapelt sind.
Weiterhin ist um den Außenumfang des Gehäuses 102A eine Überwurfmutter 120A vorgesehen, und der Gassensor 100A ist mit einem Außengewindeteil am Außenumfang der Überwurfmutter 120A zu verschrauben und an der Messstelle zu befestigen.
Weiterhin beinhaltet der Gassensor 100A eine Schutzabdeckung 105, die einen vorbestimmten Bereich umgibt, einschließlich des vorderen Endteils E1 des Sensorelements 101A und der Formationspositionen der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B und sind an einem vorderen Endteil des Gehäuses 102A (dem unteren Endteil in 3) befestigt. Die Schutzabdeckung 105 hat einen zweischichtigen Aufbau aus einer äußeren Schutzabdeckung 105A und einer inneren Schutzabdeckung 105B.
Die äußere Schutzabdeckung 105A ist ein Teil, der bei Verwendung des Gassensors 100A in direkten Kontakt mit dem Messungsgas kommt. Die äußere Schutzabdeckung 105A hat eine gestufte Querschnittsform und beinhaltet einen zylindrischen Großdurchmesserteil 106 mit einem Befestigungsteil an einem unteren Endteil des Außenumfangs des Gehäuse 102A, wie in der Zeichnung betrachtet, einen unteren zylindrischen Kleindurchmesserteil 107 mit einem kleineren Durchmesser als der des Großdurchmesserteils 106 und einen Stufenteil 108, der den Großdurchmesserteil 106 und den Kleindurchmesserteil 107 verbindet. Der Großdurchmesserteil 106 und der Stufenteil 108 beinhalten Durchgangslöcher 106h bzw. 108h, durch die das Messungsgas in die äußere Schutzabdeckung 105A strömt. Eine Vielzahl der Durchgangslöcher 106h und 108h sind in geeigneten Abständen in Umfangsrichtung vorgesehen. Der Kleindurchmesserteil 107 und ein Unterteil 109 davon beinhalten Durchgangslöcher 107h und 109h, durch die das Messungsgas aus der äußeren Schutzabdeckung 105A strömt. Eine Vielzahl der Durchgangslöcher 107h sind in geeigneten Abständen in Umfangsrichtung vorgesehen.
Die innere Schutzabdeckung 105B beinhaltet einen zylindrischen ersten Teil 105B1, der sich vom Befestigungsteil bis zum unteren Endteil des Gehäuses 102A, wie in der Zeichnung betrachtet, erstreckt, und einen zweiten Teil 105B2, der außerhalb des ersten Teils 105B1 angebracht ist, wobei der zweite Teil 105B2 mit einem Crimpteil 110 von außen versehen ist, der am ersten Teil 105B1 so befestigt ist, dass zwischen dem zweiten Teil 105B2 und dem ersten Teil 105B1 ein Strömungsweg 111 gebildet und an der Ecke zwischen dem Kleindurchmesserteil 107 und dem gestuften Teil 108 der äußeren Schutzabdeckung 105A verriegelt wird.
Ein unterer Endteil des ersten Teils 105B1, wie in der Zeichnung betrachtet, ist offen, während ein unterer Endteil des zweiten Teils 105B2, wie in der Zeichnung betrachtet, ein Kegelteil 112 ist, und ein Durchgangsloch 112h an einem vorderen Endteil (unterer Endteil) davon vorgesehen ist. Der vordere Endteil E1 des Sensorelements 101A ragt, wie in der Zeichnung betrachtet, leicht aus dem unteren Endteil des ersten Teils 105B1 heraus. Der Abstand zwischen dem vorderen Endteil E1 und dem unteren Teil 109 der äußeren Schutzabdeckung 105A beträgt ungefähr 10 mm.
Wenn der Gassensor 100A einschließlich der Schutzabdeckung 105 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration verwendet wird, fließt das Messungsgas in einen Raum zwischen der äußeren Schutzabdeckung 105A und der inneren Schutzabdeckung 105B durch die Durchgangslöcher 106h und 108h, wie mit den Pfeilen AR1 und AR2 angegeben. Das Messungsgas fließt weiter in einen Raum in der inneren Schutzabdeckung 105B, in dem ein Nachbarteil des vorderen Endteils E1 des Sensorelements 101A existiert, durch den Strömungsweg 111 zwischen dem ersten Teil 105B1 und dem zweiten Teil 105B2 der inneren Schutzabdeckung 105B, wie mit den Pfeilen AR3 und AR4 angegeben. Wie bei Pfeil AR5 angedeutet, gelangt ein Teil des auf diese Weise in den Raum geflossenen Messungsgases in die Nähe der Elektrodenschutzschicht 40, die die erste Messelektrode 10A und die zweite Messelektrode 10B von der vorderen Endteil E1-Seite abdeckt, und erreicht dann die erste Messelektrode 10A und die zweite Messelektrode 10B durch die Elektrodenschutzschicht 40.
Auf diese Weise wird die Schutzabdeckung 105 gemäß dem ersten Aspekt so bereitgestellt, dass das Messungsgas von der vorderen Endteil E1-Seite des darin positionierten Sensorelements 101A in die Schutzabdeckung 105 einfließt. Eine Schutzabdeckung mit einer solchen Konfiguration wird auch als „vorderer End-Einströmungs-Typ“ Schutzabdeckung bezeichnet.
Das Messungsgas in der inneren Schutzabdeckung 105B wird durch das Durchgangsloch 112h und weiter durch die Durchgangslöcher 107h und 109h, wie geeignet, nach außen geleitet.
(Zweiter Aspekt)
4 ist ein Schnittschema, das schematisch die Konfiguration eines Hauptteils eines Gassensors 100B gemäß einem zweiten Aspekt darstellt; ähnlich wie der Gassensor 100A gemäß dem ersten Aspekt beinhaltet der Gassensor 100B ein Sensorelement 101B, das hauptsächlich aus Keramik als sauerstoffionenleitendem Festelektrolyt, wie Zirkoniumoxid (ZrO₂), besteht. Darüber hinaus hat das Sensorelement 101B eine Konfiguration wie das Sensorelement 101A, mit der Ausnahme, dass die Dispositionspositionen der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B denen des Sensorelements 101A, das im Gassensor 100A gemäß dem ersten Aspekt enthalten ist, entgegengesetzt sind. Insbesondere hat der Gassensor 100B eine Konfiguration wie der Gassensor 100A gemäß dem ersten Aspekt, mit der Ausnahme, dass die Anordnungspositionen der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B, wie in 2 veranschaulicht, vertauscht werden und folglich die Anschlussziele eines Verdrahtungsmusters einschließlich der Zuleitungen 11A und 11B vertauscht werden. Somit ist jede mit der des Gassensors 100A identische Komponente durch ein identisches Referenzzeichen gekennzeichnet und daher wird eine detaillierte Beschreibung davon im Folgenden weggelassen.
5 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration um das Sensorelement 101B im Gassensor 100B gemäß dem zweiten Aspekt (insbesondere um das vordere Endteil E1) veranschaulicht.
Ähnlich wie beim Gassensor 100A gemäß dem ersten Aspekt ist beim Gassensor 100B das Sensorelement 101B bis auf die Nähe des vorderen Endteils E1 in einem hohlzylindrischen Gehäuse 102B untergebracht. Beim Gehäuse wird die Fixierung des Sensorelements 101B durch Ringkomponenten, wie Keramikträger 103B und einen Pulverpressling 104B, und die luftdichte Abdichtung des Raumes zwischen dem vorderen Endteil E1 und dem Basisendteil E2 in ähnlicher Weise erreicht. Darüber hinaus wird in ähnlicher Weise eine Überwurfmutter 120B bereitgestellt.
Darüber hinaus beinhaltet der Gassensor 100B, ähnlich wie der Gassensor 100A gemäß dem ersten Aspekt, eine Schutzabdeckung 205, die das vordere Endteil E1 des Sensorelements 101B umgibt und an einem vorderen Endteil (unterer Endteil in 5) des Gehäuses 102B befestigt ist. Ähnlich wie die Schutzabdeckung 105, die dem Gassensor 100A gemäß dem ersten Aspekt zur Verfügung gestellt wird, weist die Schutzabdeckung 205 eine zweischichtige Struktur aus einer äußeren Schutzabdeckung 205A und einer inneren Schutzabdeckung 205B auf. Jedoch unterscheiden sich ihre Strukturen leicht von denen der äußeren Schutzabdeckung 105A und der inneren Schutzabdeckung 105B, die in der Schutzabdeckung 105 enthalten sind.
Die äußere Schutzabdeckung 205A weist eine gestufte Querschnittsform auf, die ein zylindrisches Großdurchmesserteil 206, das sich von einem Befestigungsteil bis zu einem unteren Endteil des Außenumfangs des Gehäuses 102B, wie in der Zeichnung betrachtet, erstreckt, ein unteres zylindrisches Kleindurchmesserteil 207 mit einem kleineren Durchmesser als der des Großdurchmesserteils 206 und ein gestuftes Teil 208, das das Großdurchmesserteil 206 und das Kleindurchmesserteil 207 verbindet, beinhaltet. Der Großdurchmesserteil 206 beinhaltet ein Durchgangsloch 206h, durch das das Messungsgas in die äußere Schutzabdeckung 205A strömt. Eine Vielzahl der Durchgangslöcher 206h wird in geeigneten Abständen in Umfangsrichtung in der Nähe des gestuften Teils 208 bereitgestellt. Ein unteres Teil 209 des Kleindurchmesserteils 207 beinhaltet ein Durchgangsloch 209h, durch das das Messungsgas aus der äußeren Schutzabdeckung 205A austritt.
Die innere Schutzabdeckung 205B hat eine gestufte Querschnittsform mit einem zylindrischen Großdurchmesserteil 210, das sich vom Befestigungsteil bis zum unteren Endteil des Gehäuses 102B, wie in der Zeichnung betrachtet, erstreckt, einem unteren zylindrischen Kleindurchmesserteil 211 mit einem Durchmesser, der kleiner als der Großdurchmesserteil 210 ist, und einem gestuften Teil 212, der den Großdurchmesserteil 210 und das Kleindurchmesserteil 211 verbindet. Jedoch steht das Großdurchmesserteil 210 mit dem Kleindurchmesserteil 207 der äußeren Schutzabdeckung 205A in Eingriff und das Kleindurchmesserteil 211 der inneren Schutzabdeckung 205B ist im Kleindurchmesserteil 207 positioniert.
Seiten-Oberflächen des Großdurchmesserteils 210 und des Kleindurchmesserteils 211 beinhalten Durchgangslöcher 210h bzw. 211h. Eine Vielzahl der Durchgangslöcher 210h wird in geeigneten Abständen in Umfangsrichtung in der Nähe des Befestigungsteils der inneren Schutzabdeckung 205B zum Gehäuse 102B bereitgestellt. Eine Vielzahl der Durchgangslöcher 211h wird in geeigneten Abständen in Umfangsrichtung bereitgestellt.
Das Sensorelement 101B ist im Gehäuse 102B an einer solchen Position befestigt, dass die Formationspositionen der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B näher am Kleindurchmesserteil 211 liegen als die Formationsposition des Durchgangslochs 210h. Der Abstand zwischen dem vorderen Endteil E1 und dem unteren Teil 209 der äußeren Schutzabdeckung 205A beträgt etwa 10 mm.
Wenn der Gassensor 100B einschließlich der Schutzabdeckung 205 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration verwendet wird, fließt das Messungsgas in den Raum zwischen der äußeren Schutzabdeckung 205A und der inneren Schutzabdeckung 205B durch das Durchgangsloch 206h, wie mit Pfeil AR6 angegeben. Dann, wie mit Pfeil AR7 angegeben, fließt das Messungsgas in den Raum in der inneren Schutzabdeckung 205B, in dem das Sensorelement 101B vorhanden ist, durch das Durchgangsloch 210h, das an der Seiten-Oberfläche der inneren Schutzabdeckung 205B vorgesehen ist. Wie mit Pfeil AR8 angedeutet, gelangt ein Teil des auf diese Weise in den Raum geflossenen Messungsgases in die Nähe der Elektrodenschutzschicht 40, die die erste Messelektrode 10A und die zweite Messelektrode 10B von einer Seite des Sensorelements 101B abdeckt, und erreicht dann die erste Messelektrode 10A und die zweite Messelektrode 10B durch das Innere der Elektrodenschutzschicht 40.
Auf diese Weise wird die Schutzabdeckung 205 gemäß dem zweiten Aspekt so bereitgestellt, dass das Messungsgas aus der Nähe (Seite) der Seiten-Oberfläche des darin untergebrachten Sensorelements 101B in die Schutzabdeckung 205 einströmt. Eine Schutzabdeckung mit einer solchen Konfiguration wird auch als „Seiten-Oberflächen-Einströmungs-Typ“ Schutzabdeckung bezeichnet.
Das Messungsgas in der inneren Schutzabdeckung 205B wird durch das Durchgangsloch 211h und gegebenenfalls weiter durch das Durchgangsloch 209h nach außen abgegeben.
<Herstellungsverfahren des Sensorelements>
Als nächstes wird das Verfahren zur Herstellung der Sensorelemente 101A und 101B anhand eines Beispielfalls beschrieben, bei dem die Sensorelemente die in den 1 und 4 veranschaulichten Schichtstrukturen aufweisen. Im Allgemeinen werden das in 1 veranschaulichte Sensorelement 101A und das in 4 veranschaulichte Sensorelement 101B jeweils durch Bilden eines laminierten Körpers aus Grünplatten mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, wie beispielsweise Zirkoniumoxid als Keramikkomponente, und durch Schneiden und Brennen des laminierten Körpers hergestellt. Beispiele für den sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten sind Yttrium teilstabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ).
6 ist ein Diagramm, das den Verfahrensablauf bei der Herstellung der Sensorelemente 101A und 101B veranschaulicht. Wenn die Sensorelemente 101A und 101B hergestellt werden, wird zunächst eine Leerplatte (nicht dargestellt) hergestellt, die eine Grünplatte ist, auf der kein Muster gebildet wird (Schritt S1). Insbesondere werden sechs Leerplatten, die den ersten bis sechsten Festelektrolytschichten 1 bis 6 entsprechen, bei der Herstellung der Sensorelemente 101A und 101B hergestellt. Jede Leerplatte ist mit einer Vielzahl von Plattenlöchern versehen, die zur Positionierung beim Drucken und Laminieren verwendet werden. Für eine Grünplatte, deren entsprechende Schicht der Referenzgaseinleitungsraum 30 ist, wird ein dem Referenzgaseinleitungsraum 30 entsprechendes Durchdringungsteil ebenfalls im Voraus beispielsweise durch die gleiche Stanzbearbeitung bereitgestellt. Alle Leerplatten, die den jeweiligen Schichten der Sensorelemente 101A und 101B entsprechen, müssen nicht die gleiche Dicke aufweisen.
Bei der Herstellung der Leerplatten entsprechend den jeweiligen Schichten werden Musterdruck und Trockenbearbeitung durchgeführt, um auf jeder Leerplatte verschiedene Arten von Mustern zu bilden (Schritt S2). Insbesondere werden z.B. Elektrodenmuster der ersten Messelektrode 10A, der zweiten Messelektrode 10B, der Referenzelektrode 20 und dergleichen, Muster der Elektrodenschutzschicht 40, Muster des Heizers 72, der Heizisolierschicht 74 und dergleichen sowie Muster von Innendrähten (nicht dargestellt) gebildet.
Der Druck jedes Musters erfolgt durch Auftragen einer Musterbildungspaste auf einer Leerplatte, die gemäß einer für jedes Formationsziel geforderten Eigenschaft unter Verwendung einer bekannten Siebdrucktechnik hergestellt wird. Für die Trockenbearbeitung nach dem Druck können bekannte Trocknungsmittel verwendet werden.
Für die Bildung der ersten Messelektrode 10A wird leitfähige Paste verwendet, die so aufbereitet ist, dass sie das vorstehend beschriebene Au-Überschuss-Verhältnis hervorragend erreicht. Es ist bevorzugt, leitfähige Paste zu verwenden, die unter Verwendung einer Au-Ionen enthaltenden Flüssigkeit als Au-Ausgangsmaterial und Mischen der Au-Ionen enthaltenden Flüssigkeit mit pulverisiertem Pt, pulverisiertem Zirkoniumoxid und einem Bindemittel hergestellt wird. Alternativ kann die leitfähige Paste unter Verwendung von beschichtetem Pulver hergestellt werden, das durch Beschichtung von pulverisiertem Pt mit Au als Pt-Au-Legierungs-Ausgangsrohmaterial erhalten wird. Beide können mit bekannten Techniken realisiert werden.
Nach dem Ende des Musterdrucks erfolgen der Druck und die Trockenbearbeitung auf der Bondingpaste, mit der die Grünplatten entsprechend den jeweiligen Schichten gestapelt und verklebt werden (Schritt S3). Der Druck der Bondingpaste kann mit einer bekannten Siebdrucktechnologie und die Trockenbearbeitung nach dem Druck mit bekannten Trocknungsmitteln erfolgen.
Anschließend erfolgt die Pressbondingverarbeitung, bei der die Grünplatten auf das Bondingmittel aufgebracht werden, in einer vorgegebenen Reihenfolge gestapelt und durch Pressen unter vorgegebenen Temperatur- und Druckbedingungen zu einem laminierten Körper gebondet werden (Schritt S4). Insbesondere werden die Grünplatten als Laminierziele gestapelt und auf einer vorgegebenen Stapelvorrichtung (nicht dargestellt) durch Positionierung in Bezug auf die Plattenlöcher gehalten und dann von einer Stapelmaschine, wie beispielsweise einer bekannten hydraulischen Druckpressenmaschine, zusammen mit der Stapelvorrichtung erwärmt und mit Druck beaufschlagt. Druck, Temperatur und Zeit, mit der die Erwärmung und die Druckbeaufschlagung durchgeführt werden, hängen vom verwendeten Laminierer ab, es können jedoch geeignete Bedingungen bestimmt werden, um eine günstige Laminierung zu erreichen.
Nachdem der laminierte Körper wie vorstehend beschrieben erhalten wurde, wird der laminierte Körper anschließend durch Schneiden an mehreren Stellen in einzelne Einheiten (sog. Elementkörper) der Sensorelemente 101A und 101B unterteilt (Schritt S5). Die ausgeschnittenen Elementkörper werden unter vorgegebenen Bedingungen gebrannt, dabei werden die Sensorelemente 101A und 101B wie vorstehend beschrieben (Schritt S6) erzeugt. Die Sensorelemente 101A und 101B werden durch Integrationsbrand von Festelektrolytschichten und Elektroden erzeugt. Die Temperatur des Brandes ist vorzugsweise gleich oder mehr als 1200°C und gleich oder weniger als 1500°C (z.B. 1400°C). Wenn der Integrationsbrand auf diese Weise durchgeführt wird, weist jede Elektrode in den Sensorelementen 101A und 101B eine ausreichende Haftfestigkeit auf.
Das durch dieses Verfahren erhaltene Sensorelement 101A und 101B ist im Gehäuse 102A oder 102B untergebracht, wie in 3 oder 5 veranschaulicht.
<Identifikation der Messzielgaskomponentenkonzentration>
Im Folgenden wird ein Fall beschrieben, in dem die Konzentration der Messzielgaskomponente im Messungsgas durch die Verwendung des Gassensors 100A oder 100B mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration erhalten wird. Es wird davon ausgegangen, dass neben der Messzielgaskomponente auch Sauerstoff im Messungsgas enthalten ist. Der Gassensor 100A oder 100B hat eine Konfiguration, die auf der Empfindlichkeitsdifferenz zwischen der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B basiert, wie später beschrieben, aber die Empfindlichkeit wird zur Vereinfachung der Beschreibung im Folgenden nicht erläutert.
Wenn die Konzentration der Messzielgaskomponente unter Verwendung der Gassensoren 100A und 100B bestimmt wird, werden nur die vorbestimmten Bereiche der Sensorelemente 101A und 101B, die sich vom vorderen Endteil E1 erstrecken und mindestens die erste Messelektrode 10A und die zweite Messelektrode 10B beinhalten, in einem Raum positioniert, in dem das Messungsgas wie vorstehend beschrieben existiert (fließt), während die Basisendteil E2-Seite vom Raum isoliert ist. Anschließend wird dem Referenzgaseinleitungsraum 30 Luft (Sauerstoff) zugeführt. Die Sensorelemente 101A und 101B werden durch den Heizer 72 auf eine angemessene Temperatur (z.B. 650°C) von 450°C bis 700°C erwärmt. Die Erwärmungstemperatur der Sensorelemente 101A und 101B durch den Heizer 72 wird bei Verwendung der Gassensoren 100A und 100B auch als Antriebstemperatur bezeichnet.
In diesem Zustand wird eine Potenzialdifferenz zwischen der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B, die dem Messungsgas ausgesetzt ist, und der in der Luft angeordneten Referenzelektrode 20 erzeugt. Wie vorstehend beschrieben, wird jedoch das Potenzial der in der Luft angeordneten Referenzelektrode 20 (konstante Sauerstoffkonzentration) konstant gehalten, aber das Potenzial der ersten Messelektrode 10A ist konzentrationsabhängig von der Messzielgaskomponente im Messungsgas. Das Potenzial der zweiten Messelektrode 10B hat keine Konzentrationsabhängigkeit von der Messzielgaskomponente, sondern eine Konzentrationsabhängigkeit von Sauerstoff. Somit wird ein bestimmter funktionaler Zusammenhang (bezeichnet als ein Sensitivitätsmerkmal) zwischen der Konzentration der Messzielgaskomponente und der ersten Sensorausgabe (EMF1) hergestellt. Es besteht keine Abhängigkeit zwischen der Konzentration der Messzielgaskomponente und der zweiten Sensorausgabe (EMF2), aber die zweite Sensorausgabe hat einen Wert entsprechend der Sauerstoffkonzentration des Messungsgases.
In der folgenden Beschreibung kann beispielsweise das Sensitivitätsmerkmal für die erste Sensorausgabe als erstes Sensitivitätsmerkmal bezeichnet werden.
Bei der eigentlichen Bestimmung der Konzentration der Messzielgaskomponente werden im Voraus die ersten und zweiten Sensitivitätsmerkmale experimentell identifiziert, indem die erste Sensorausgabe und die zweite Sensorausgabe für jedes aus einer Vielzahl von verschiedenen Mischgasen wie das Messungsgas gemessen werden, die jeweils eine bekannte Konzentration der Messzielgaskomponente aufweisen. Die resultierenden ersten und zweiten Sensitivitätsmerkmale werden dann in der ECU 160 gespeichert.
7A und 7B sind Diagramme, die schematisch ein Sensitivitätsmerkmal der Gassensoren 100A und 100B darstellen, falls es sich bei der Messzielgaskomponente um Ammoniak (NH₃)-Gas handelt. 7A veranschaulicht exemplarisch das erste Sensitivitätsmerkmal und 7B veranschaulicht exemplarisch das zweite Sensitivitätsmerkmal. Die Ammoniak-(NH₃)-Gaskonzentration auf der horizontalen Achse liegt im logarithmischen Bereich.
Wie in 7A veranschaulicht, hängt das erste Sensitivitätsmerkmal von der Konzentration der Messzielgaskomponente (Ammoniak (NH₃)-Gas) und der Konzentration an Sauerstoff ab, ist aber linear zum logarithmischen Wert der Konzentration der Messzielgaskomponente unter der Bedingung einer konstanten Sauerstoff (O₂)-Konzentration. Wie in 7B veranschaulicht, hängt das zweite Sensitivitätsmerkmal nur von der Sauerstoff-(O₂)-Konzentration ab, nicht aber von der Konzentration der Messzielgaskomponente. Obwohl die 7A und 7B die Sensitivitätsmerkmale für die Sauerstoff-(O₂)-Konzentrationen von 1%, 10% und 20% nur exemplarisch darstellen, können die Sensitivitätsmerkmale für eine größere Anzahl von Sauerstoffkonzentrationen für jeden der Gassensoren 100A und 100B identifiziert werden.
Wenn die Gassensoren 100A und 100B tatsächlich verwendet werden, werden die erste Sensorausgabe (EMF1) und die zweite Sensorausgabe (EMF2), die sich entsprechend der Konzentration der Messzielgaskomponente kurzzeitig ändern, ständig von der ersten Mischpotenzialzelle und der zweiten Mischpotenzialzelle durch die Steuerung 150 erfasst und der ECU 160 bereitgestellt. Bei der ECU 160 wird zunächst die Sauerstoffkonzentration des Messungsgases auf der Grundlage des erfassten Wertes der zweiten Sensorausgabe identifiziert. Dann wird die Konzentration der Messzielgaskomponente im Messungsgas aus dem Wert der ersten Sensorausgabe identifiziert, wobei das erste Sensitivitätsmerkmal der oben identifizierten Sauerstoffkonzentration entspricht. Wenn das zweite Sensitivitätsmerkmal, das die Sauerstoffkonzentration entsprechend dem Wert der zweiten Sensorausgabe liefert, nicht in der ECU 160 gespeichert ist, wird die Sauerstoffkonzentration des Messungsgases durch Interpolation mit den vorhandenen zweiten Sensitivitätsmerkmalen identifiziert. Wenn nicht auch das erste Sensitivitätsmerkmal, das der identifizierten Sauerstoffkonzentration entspricht, in der ECU 160 gespeichert ist, wird die Sauerstoffkonzentration des Messungsgases durch Interpolation mit den vorhandenen ersten Sensitivitätsmerkmalen identifiziert.
Diese Verarbeitung wird jedes Mal durchgeführt, wenn die erste Sensorausgabe und die zweite Sensorausgabe von der Steuerung 150 und weiter von der ECU 160 erfasst werden. Selbst wenn das Messungsgas zusätzlich zur Messzielgaskomponente Sauerstoff enthält, können die Gassensoren 100A und 100B somit die Konzentration der Messzielgaskomponente basierend auf dem ersten Sensitivitätsmerkmal gemäß der Sauerstoffkonzentration identifizieren. In diesem Fall fungieren die Steuerung 150 und die ECU 160 als Konzentrationsidentifikationsmittel zur Identifizierung der Konzentration der Messzielgaskomponente.
Wie vorstehend beschrieben, wird in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform die Konzentration der Messzielgaskomponente basierend auf der Sauerstoffkonzentration so korrigiert, dass verschiedene Sensitivitätsmerkmale entsprechend der Sauerstoffkonzentration aufgebracht werden. Durch die Durchführung der Korrektur können die Gassensoren 100A und 100B gemäß der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform die Konzentration der Messzielgaskomponente ohne die O₂-Störung identifizieren.
<Anordnung von Messelektrode und Schutzabdeckungs-Typ>
Die Identifizierung der Konzentration der Messzielgaskomponente in dem vorstehend beschriebenen Aspekt ist insofern wirksam, als die O₂-Störung ausgeschlossen ist. Dieser Aspekt basiert jedoch auf der Annahme, dass die an der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B zu identischen Zeiten auftretenden elektromotorischen Kräfte (Sensorausgaben) zur Identifizierung der Konzentration der Messzielgaskomponente herangezogen werden. Genauer gesagt ist bekannt, dass unter der ersten Sensorausgabe und der zweiten Sensorausgabe für das Messungsgas, das die beiden Elektroden zu gleichen Zeiten erreicht hat, letztere von der Steuerung 150 früher ausgegeben wird. Mit anderen Worten, die erste Sensorausgabe und die zweite Sensorausgabe, die von der Steuerung 150 zu gleichen Zeiten erfasst werden, sind Werte für das Messungsgas, das die erste Messelektrode 10A und die zweite Messelektrode 10B zu unterschiedlichen Zeiten erreicht hat. Denn die Elektrodenreaktionsrate der ersten Messelektrode 10A mit Pt-Au-Legierung als Metallkomponente ist langsamer als die Elektrodenreaktionsrate der zweiten Messelektrode 10B mit nur Pt.
Somit reagiert die zweite Sensorausgabe, die von der zweiten Mischpotenzialzelle einschließlich der zweiten Messelektrode 10B erhalten wird, schneller auf Veränderungen in den Komponenten des Messungsgases und ändert sich dadurch schneller als die erste Sensorausgabe, die von der ersten Mischpotenzialzelle einschließlich der ersten Messelektrode 10A erhalten wird. Mit anderen Worten, die zweite Messelektrode 10B (oder die zweite Mischpotenzialzelle mit der zweiten Messelektrode 10B) hat eine kürzere Reaktionszeit oder eine (relativ) exzellentere Empfindlichkeit als die erste Messelektrode 10A (oder die erste Mischpotenzialzelle mit der ersten Messelektrode 10A).
Wenn die Konzentration der Messzielgaskomponente in dem vorstehend beschriebenen Aspekt basierend auf der ersten Sensorausgabe und der zweiten Sensorausgabe, die die Steuerung 150 zu identischen Zeiten erhält, während es eine solche Reaktionszeitdifferenz oder Empfindlichkeitsdifferenz gibt, identifiziert wird, wird die Identifizierung der Sauerstoffkonzentration basierend auf der zweiten Sensorausgabe basierend auf dem Messungsgas durchgeführt, das sich von dem Messungsgas unterscheidet, wenn die erste Sensorausgabe erhalten wird, und dadurch kann die Zuverlässigkeit einer schließlich erhaltenen Konzentration der Messzielgaskomponente möglicherweise erniedrigt werden.
Im Folgenden wird die Definition der Ansprechzeit einer Messelektrode in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform beschrieben. 8 ist ein Diagramm, das ein Antwortmessprofil für die Beschreibung darstellt.
In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform wird die Ansprechzeit jeder Messelektrode basierend auf einem Ergebnis der Messung der Änderung der Sensorausgabe (elektromotorische Kraft) der Messelektrode bestimmt, wenn die Sauerstoffkonzentration im Modellgas sofort von 20% auf 1% geändert wird, während der Gassensor 100A oder 100B im Modellgas angeordnet ist. Das Modellgas enthält neben Sauerstoff auch H₂O von 5% und N₂ als Rest. Das Modellgas hat eine Temperatur von 120°C und eine Durchflussmenge von 200 l/min, und das Sensorelement 101 hat eine Betriebstemperatur von 650°C. Im Folgenden wird eine Bedingung zum Erhalten dieser Reaktionszeiten als Ansprechzeitmessbedingung bezeichnet.
Insbesondere, wie in 8 veranschaulicht, ändert sich der Wert der elektromotorischen Kraft entsprechend, wenn die Sauerstoffkonzentration im Modellgas sofort von 20% auf 1% geändert wird. Ein in diesem Fall erhaltenes zeitliches Änderungsprofil des in 8 dargestellten elektromotorischen Kraftwertes wird als Antwortmessprofil bezeichnet. Im Antwortmessprofil wird der Zeitpunkt der Änderung der Sauerstoffkonzentration im Modellgas auf t = 0 gesetzt, V₀ stellt den elektromotorischen Kraftwert (die erste Sensorausgabe oder die zweite Sensorausgabe) dar, bevor die Sauerstoffkonzentration im Modellgas auf 1% geändert wird, V₁₀₀ stellt den Wert der elektromotorischen Kraft dar, wenn die elektromotorische Kraft stabil wird, nachdem die Sauerstoffkonzentration bei t = 0 auf 1% geändert wurde, V₁₀ stellt den Wert der elektromotorischen Kraft dar, wenn die Änderung um 10% des Differenzwertes zwischen den Werten auf halbem Weg durch die Änderung des Wertes der elektromotorischen Kraft von V₀ auf V₁₀₀ erfolgt, und V₉₀ stellt den Wert der elektromotorischen Kraft dar, wenn die Änderung um 90% ähnlich erfolgt. Darüber hinaus stellt V₁₀ den Wert der elektromotorischen Kraft bei t = t₁₀ dar, V₉₀ stellt den Wert der elektromotorischen Kraft bei t = t₉₀ dar, und der Wert von tr = t₉₀ - t₁₀ als Differenzwert dazwischen ist als die Ansprechzeit der Messelektrode definiert. Die Empfindlichkeit ist ausgezeichneter, da die Ansprechzeit kürzer ist.
In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform wird für jede der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B eine Ansprechzeit von 10 Sekunden oder kürzer erreicht, indem die Elektrodenschutzschicht 40 gebildet wird, um eine Porosität von gleich oder mehr als 30% und gleich oder weniger als 45% und eine Dicke von gleich oder mehr als 5 µm und gleich oder weniger als 25 µm aufzuweisen. Obwohl in einigen Fällen wie vorstehend beschrieben eine vordere Endschutzschicht vorgesehen ist, wird die vordere Endschutzschicht unter Vermeidung einer Erhöhung der Ansprechzeit bereitgestellt.
Darüber hinaus wird in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform angesichts der Empfindlichkeitsdifferenz, die die erste Messelektrode 10A und die zweite Messelektrode 10B aufgrund der vorstehend beschriebenen Zusammensetzungsdifferenz besitzen, der Einfluss der Ansprechzeitdifferenz zwischen der ersten Mischpotenzialzelle und der zweiten Mischpotenzialzelle im Hinblick auf die Messgenauigkeit durch die Kombination der Anordnung der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B und der Art der Schutzabdeckung als ausreichend klein eingestuft.
Insbesondere wird im Gassensor 100A gemäß dem ersten Aspekt, in dem die vorderen End-Einströmungs-Typ-Schutzabdeckung 105 verwendet wird, die erste Messelektrode 10A mit einer Empfindlichkeit, die weniger ausgezeichnet ist als die der zweiten Messelektrode 10B, näher am vorderen Elektroden-Endteil E1 des Sensorelements 101A angeordnet als die zweite Messelektrode 10B, wie in 3 dargestellt. Mit anderen Worten, die erste Messelektrode 10A ist näher am Strömungsweg 111 als Einströmposition des Messungsgases in die innere Schutzabdeckung 105 angeordnet als die zweite Messelektrode 10B. Andererseits ist im Gassensor 100B gemäß dem zweiten Aspekt, in dem die Seiten-Oberfläche-Einströmungs-Typ-Schutzabdeckung 205 verwendet wird, die erste Messelektrode 10A weit entfernt vom vorderen Endteil E1 des Sensorelements 101B angeordnet als die zweite Messelektrode 10B, wie in 5 dargestellt. Mit anderen Worten, die erste Messelektrode 10A ist näher am Durchgangsloch 210h als Einströmposition des Messungsgases in die innere Schutzabdeckung 205 angeordnet als die zweite Messelektrode 10B.
Bei dieser Konfiguration, d.h. in einem beliebigen des Gassensors 100A gemäß dem ersten Aspekt und des Gassensors 100B gemäß dem zweiten Aspekt, erreicht das in die innere Schutzabdeckung 105B oder 205B eingeflossene Messungsgas zunächst die Nähe der ersten Messelektrode 10A und erreicht danach mit leichter Verzögerung die zweite Messelektrode 10B. Mit anderen Worten, in einem der Gassensoren 100A und 100B sind die erste Messelektrode 10A und die zweite Messelektrode 10B so angeordnet, dass die erste Messelektrode 10A das Messungsgas früher als die zweite Messelektrode 10B kontaktiert. Dann kompensiert in den Gassensoren 100A und 100B die erreichte Zeitdifferenz des Messungsgases zwischen beiden Elektroden die Empfindlichkeitsdifferenz zwischen beiden Elektroden, die auf die Differenz der Elektrodenreaktionsrate zurückzuführen ist, und die Konzentration der Messzielgaskomponente kann mit einer bevorzugten Genauigkeit ohne O₂-Störung identifiziert werden.
Wenn die Ansprechzeitdifferenz zwischen der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B 2 Sekunden oder kürzer ist, kann man sagen, dass die Konzentration der Messzielgaskomponente mit ausgezeichneter Genauigkeit ohne O₂-Störung in den Gassensoren 100A und 100B identifiziert wird. Wenn die Ansprechzeitdifferenz 1 Sekunde oder kürzer ist, kann man außerdem sagen, dass die Konzentration der Messzielgaskomponente mit einer extrem hohen Genauigkeit ohne O₂-Störung in den Gassensoren 100A und 100B identifiziert wird.
[Beispiel]
Es wurden insgesamt sechs Arten von Gassensoren (Nr. 1 bis Nr. 6) mit unterschiedlichen Kombinationen des Typs (nachfolgend Elektrodenanordnungstyp genannt) der Anordnung der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B und dem Typ der Schutzabdeckung hergestellt. Was die Größen der in 2 dargestellten Komponenten betrifft, so betrug L0 63 mm, w0 4 mm, t1 und t2 waren 1 mm, w1 und w2 waren 2 mm, d1 war 4 mm und d2 war 0,5 mm.
Die Anordnung der Elektrode in den Gassensoren wurde in drei Typen variiert. Insbesondere wurden die Gassensoren in einem beliebigen Typ (im Folgenden als „1→2. Typ“ bezeichnet) hergestellt, bei dem die erste Messelektrode 10A näher am vorderen Endteil E1 liegt als die zweite Messelektrode 10B wie im Gassensor 100A gemäß dem ersten Aspekt, ein Typ (im Folgenden als „2→1“Typ bezeichnet), bei dem die zweite Messelektrode 10B näher am vorderen Endteil E1 liegt als die erste Messelektrode 10A wie im Gassensor 100B gemäß dem zweiten Aspekt, und ein Typ (im Folgenden als Paralleltyp bezeichnet), bei dem die erste Messelektrode 10A und die zweite Messelektrode 10B parallel zueinander in der Elementlängsrichtung und symmetrisch zur Elementlängsrichtung vorgesehen sind. 9 ist eine Draufsicht auf ein Sensorelement 101 mit der parallelen Elektrodenanordnung. Die Größen der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B waren identisch mit denen des „1.→t2.“ Typs und des „2.→1.“ Typs, aber mit nur unterschiedlichen Ausrichtungen. Die Abmessungen der anderen Teile waren identisch mit denen des „ersten→zweiten“ Typs und des „zweiten→tersten“Typs.
Die Schutzabdeckung wurde in zwei Typen der vorderen End-Einströmungs-Typ und der Seiten-Oberfläche-Einströmungs-Typ unterschieden.
Der Gassensor Nr. 3 entspricht dem Gassensor 100A gemäß dem ersten Aspekt und der Gassensor Nr. 5 entspricht dem Gassensor 100B gemäß dem zweiten Aspekt.
Der Gassensor Nr. 2 war der Gassensor 100A, bei dem der Schutzabdeckungstyp unverändert blieb, aber nur der Elektrodenanordnungstyp in den „2. ->1.“ Typ geändert wurde und der Gassensor Nr. 6 war der Gassensor 100B, bei dem der Schutzabdeckungstyp unverändert blieb, aber nur der Elektrodenanordnungstyp in den „1.→2.“ Typ geändert wurde. In den Gassensoren Nr. 2 und Nr. 6 kontaktiert die zweite Messelektrode 10B das Messungsgas früher als die erste Messelektrode 10A.
In den Gassensoren Nr. 1 und Nr. 4 entsprachen die erste Messelektrode 10A und die zweite Messelektrode 10B dem Fluss des Messungsgases.
Anschließend wurden die Ansprechzeiten der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B für jeden so erhaltenen Gassensor gemäß der vorstehend beschriebenen Ansprechzeit-Messbedingung gemessen und die Ansprechzeitdifferenz berechnet. Die Qualität der Empfindlichkeit jedes Gassensors wurde basierend auf dem Ergebnis bestimmt.

10A und 10B sind Diagramme, die exemplarisch das Antwortmessprofil der ersten Messelektrode 10A für die sechs Arten von Gassensoren darstellen. 10A veranschaulicht das Antwortmessprofil für die Gassensoren Nr. 1 bis Nr. 3 und 10B veranschaulicht das Antwortmessprofil für die Gassensoren Nr. 4 bis Nr. 6. Die 11A und 11B sind Diagramme, die exemplarisch das Antwortmessprofil der zweiten Messelektrode 10B für die sechs Arten von Gassensoren darstellen. 11A veranschaulicht das Antwortmessprofil für die Gassensoren Nr. 1 bis Nr. 3 und 11B veranschaulicht das Antwortmessprofil für die Gassensoren Nr. 4 bis Nr. 6. Tabelle 1 listet für jede der sechs Arten von Gassensoren die Elektrodenanordnungstypen, die Schutzabdeckungs-Dispositionstypen, die Ansprechzeiten der ersten Messelektrode 10A und der zweiten Messelektrode 10B, berechnet aus dem Antwortmessprofil, die Ansprechzeitdifferenz als Differenzwert zwischen den Ansprechzeiten und ein Ergebnis der Qualitätsbestimmung der Empfindlichkeit des Gassensors aus dem Wert auf. [Tabelle 1]

Nr.	Elektrodenanordnungstyp	Schutzabdeckungstyp	erste Messelektrode Ansprechzeit (s)	zweite Messelektrode Ansprechzeit (s)	AnsprechzeitDifferenz (s)	Qualitätsbestimmung
1	Parallel	Vordere End-Einströmung	2,9	1,1	1,8	Δ
2	2.→1.	Vordere End-Einströmung	6,5	1,1	5,4	×
3	1. →2.	Vordere End-Einströmung	3,5	3,5	0,0	◯
4	Parallel	Seiten-Oberfläche-Einströmung	2,9	1,1	1,8	Δ
5	2.→1.	Seiten-Oberfläche-Einströmung	3,5	3,5	0,0	◯
6	1.→2.	Seiten-Oberfläche-Einströmung	6,5	3,3	3,2	×

Die Qualitätsbestimmung der Empfindlichkeit des Gassensors wurde anhand der folgenden Kriterien durchgeführt.
„Äußerst gute Empfindlichkeit“ (Kreise in Tabelle 1):
Die Ansprechzeitdifferenz ist 1 Sekunde oder kürzer;
„Ausgezeichnete Empfindlichkeit“ (Dreiecke in Tabelle 1):
Die Ansprechzeitdifferenz ist länger als 1 Sekunde und gleich oder kleiner als 2 Sekunden;
„Weniger gute Empfindlichkeit“ (Kreuze in Tabelle 1):
Andere als die vorstehend beschriebenen Fälle 2 zwei Fälle.
Wie in Tabelle 1 dargestellt, wurde bestätigt, dass die ausgezeichnete Empfindlichkeit in den Gassensoren Nr. 1 und Nr. 3 bis Nr. 5 erreicht wurde und insbesondere die sehr gute Empfindlichkeit mit der Ansprechzeitdifferenz von Null Sekunden in den Gassensoren Nr. 3 und Nr. 5 erreicht wurde. In den Gassensoren Nr. 2 und Nr. 6 war die Ansprechzeitdifferenz zwischen den beiden Elektroden signifikant.
Um die Messung mit der exzellenten Empfindlichkeit ohne O2-Störung durchzuführen, ist es daher bevorzugt, dass die erste Messelektrode 10A und die zweite Messelektrode 10B so angeordnet sind, dass die erste Messelektrode 10A das Messungsgas früher kontaktiert als die zweite Messelektrode 10B gemäß der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016033510 [0002]
JP 2017116371 [0002]

Claims

Gassensor mit gemischtem Potenzial, der konfiguriert ist, um eine in Messungsgas enthaltene Messzielgaskomponente zu erfassen und eine Konzentration der Messzielgaskomponente zu identifizieren, wobei der Gassensor umfasst: ein Sensorelement aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten; eine erste Messelektrode als Cermet-Elektrode, die auf einer Oberfläche des Sensorelements auf einer vorderen Endteilseite vorgesehen ist und eine Pt-Au-Legierung enthält; eine zweite Messelektrode als Cermet-Elektrode, die auf der Oberfläche des Sensorelements auf der einen vorderen Endteilseite vorgesehen ist und Pt enthält; eine Referenzelektrode, die im Inneren des Sensorelements vorgesehen ist, um mit Luft in Kontakt zu kommen; eine Elektrodenschutzschicht als poröse Schicht, die die erste und zweite Messelektrode bedeckt; ein Gehäuse, in dem das Sensorelement befestigt ist; eine Schutzabdeckung, die an dem Gehäuse befestigt ist und den einen vorderen Endteil des Sensorelements umgibt und wohinein Messungsgas strömt; und ein Konzentrationsidentifikationselement, das konfiguriert ist, um die Konzentration der Messzielgaskomponente in dem Messungsgas zu identifizieren, wobei das Konzentrationsidentifikationselement konfiguriert ist, um während der Gassensor in dem Messungsgas angeordnet ist, eine erste Sensorausgabe als Potenzialdifferenz, die zwischen der ersten Messelektrode und der Referenzelektrode gemäß der Konzentration der Messzielgaskomponente und einer Sauerstoffkonzentration auftritt, und eine zweite Sensorausgabe als Potenzialdifferenz, die zwischen der zweiten Messelektrode und der Referenzelektrode gemäß der Sauerstoffkonzentration auftritt, zu erfassen und die Konzentration der Messzielgaskomponente in dem Messungsgas basierend auf der ersten und zweiten Sensorausgabe zu identifizieren, wobei die erste Messelektrode und die zweite Messelektrode auf der Oberfläche des Sensorelements auf der einen vorderen Endteilseite so angeordnet sind, dass das in die Schutzabdeckung strömende Messungsgas die erste Messelektrode früher als die zweite Messelektrode erreicht.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Schutzabdeckung so ausgebildet ist, dass das Messungsgas von der einen vorderen Endteilseite des Sensorelements, die innerhalb der Schutzabdeckung angeordnet ist, in die Schutzabdeckung strömt, und die erste Messelektrode näher an dem einen vorderen Endteil als die zweite Messelektrode in dem Sensorelement vorgesehen ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Schutzabdeckung so ausgebildet ist, dass das Messungsgas von einer Seite des Sensorelements, die innerhalb der Schutzabdeckung angeordnet ist, in die Schutzabdeckung strömt, und die erste Messelektrode näher an einer Einströmposition des Messungsgases in die Schutzabdeckung vorgesehen ist als die zweite Messelektrode in dem Sensorelement.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersten und die zweiten Elektroden in einem Abstand von gleich oder mehr als 0,3 mm und gleich oder weniger als 0,5 mm in Längsrichtung des Sensorelements voneinander getrennt sind.