DE102019008220A1 - Sensorelement und Gassensor - Google Patents

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oxygen
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Taku Okamoto
Nobukazu Ikoma
Osamu Nakasone
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NGK Insulators Ltd
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Abstract

Eine Sensorvorrichtung 101 ist eine Sensorvorrichtung, die zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases in einem zu messenden Gas einer fetten Atmosphäre mittels eines Grenzstromsystems verwendet wird, und umfasst ein Schichtprodukt (einzelne Schichten 1 bis 6), in dem ein Verteilungsabschnitt für ein zu messendes Gas, durch den das zu messende Gas eingeführt und verteilt wird, bereitgestellt ist, eine Hauptpumpzelle 21, die eine Innenseite-Pumpelektrode 22 aufweist, die in einem ersten inneren Hohlraum 20 angeordnet ist und die zum Einstellen der Konzentration von Sauerstoff in dem ersten inneren Hohlraum 20 dient, eine Messelektrode 44, die in einem dritten inneren Hohlraum 61 angeordnet ist, und eine Referenzelektrode 42, die innerhalb des Schichtprodukts angeordnet ist und in die ein Referenzgas eingeführt wird, das als Referenz zum Erfassen der Konzentration des spezifischen Gas dient. Die Innenseite-Pumpelektrode 22 enthält Pt und Au und das Au/Pt-Verhältnis (= die Fläche eines Abschnitts, bei dem Au freiliegt/die Fläche eines Abschnitts, bei dem Pt freiliegt), das mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) gemessen wird, ist größer als oder gleich 0,3, jedoch nicht größer als 0,63.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement und einen Gassensor.
  • STAND DER TECHNIK
  • Bisher ist ein Gassensor des Grenzstromtyps bekannt, der die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx, in einem Messgegenstandsgas, wie z.B. einem Verbrennungsgas, erfasst. Beispielsweise beschreibt PTL 1 einen Gassensor, der einen Schichtkörper mit einer Mehrzahl von Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschichten, eine Pumpelektrode, die eine elektrochemische Pumpzelle zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks eines inneren Hohlraums des Schichtkörpers bildet, und eine Messelektrode, die innerhalb des Schichtkörpers angeordnet ist, umfasst. In einem Fall, bei dem die Konzentration von NOx unter Verwendung dieses Gassensors erfasst wird, wird zuerst die Konzentration von Sauerstoff in einem Messgegenstandsgas mittels der Pumpelektrode in dem inneren Hohlraum eingestellt. Nach dem Einstellen der Sauerstoffkonzentration wird dann NOx in dem Messgegenstandsgas reduziert und die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas wird auf der Basis eines Stroms erfasst, der in der Messelektrode gemäß der Sauerstoffkonzentration nach der Reduktion fließt. Darüber hinaus beschreibt PTL 1, dass das Au-Häufigkeitsverhältnis an der Oberfläche von Pt-Teilchen, die an der Pumpelektrode vorliegen (das Au-Häufigkeitsverhältnis), größer als oder gleich 0,01, jedoch nicht größer als 0,3 ist. PTL 1 beschreibt, dass es dies ermöglicht, vorzugsweise die katalytische Aktivität an der Pumpelektrode zu vermindern und die NOx-Reduktion oder -Zersetzung an der elektrochemischen Pumpzelle zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks zu vermindern, wodurch eine ausreichende Messgenauigkeit erreicht wird.
  • DOKUMENTENLISTE
  • PATENTDOKUMENT
  • [PTL 1] JP 5323752 B
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Die Verwendung eines Gases einer fetten Atmosphäre als Messgegenstandsgas wurde bisher nicht so stark berücksichtigt. Gemäß Untersuchungen, die durch die Erfinder durchgeführt worden sind, kann in einem Fall, bei dem die Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas einer fetten Atmosphäre gemessen wird, die Messgenauigkeit schlechter werden, wenn die Pumpelektrode mit dem Au-Häufigkeitsverhältnis verwendet wird, das im PTL 1 beschrieben ist.
  • Die vorliegende Erfindung wurde zum Lösen dieses Problems gemacht und deren Hauptaufgabe ist die Unterdrückung einer Verminderung der Genauigkeit, mit der die Konzentration eines spezifischen Gases in einem Fall gemessen wird, bei dem ein Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt.
  • Die vorliegende Erfindung nutzt die folgenden Maßnahmen zum Lösen der vorstehend beschriebenen Hauptaufgabe.
  • Ein Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist
    ein Sensorelement, das zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas einer fetten Atmosphäre mittels eines Grenzstromverfahrens verwendet wird, wobei das Sensorelement
    einen Schichtkörper, der eine Mehrzahl von gestapelten Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschichten aufweist und in dem ein Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt zum Einführen und Verteilen des Messgegenstandsgases bereitgestellt ist,
    eine Einstellpumpzelle, die eine Einstellpumpelektrode aufweist, die in einem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum in dem Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt angeordnet ist und die zum Einstellen der Konzentration von Sauerstoff in dem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum dient,
    eine Messelektrode, die in einem Messraum angeordnet ist, der stromabwärts von dem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum in dem Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt angeordnet ist, und
    eine Referenzelektrode umfasst, die innerhalb des Schichtkörpers angeordnet ist und in die ein Referenzgas, das als Referenz zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases dient, eingeführt wird, und
    wobei die Einstellpumpelektrode Pt und Au enthält und das Au/Pt-Verhältnis (= die Fläche eines Abschnitts, bei dem Au freiliegt/die Fläche eines Abschnitts, bei dem Pt freiliegt), das mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) gemessen wird, größer als oder gleich 0,3, jedoch nicht größer als 0,63 ist.
  • Die Dichte eines spezifischen Gases kann mittels dieses Sensorelements wie folgt erfasst werden. Zuerst wird die Einstellpumpzelle betrieben und die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas, das in den Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt eingeführt wird, wird in dem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum eingestellt. Als Ergebnis erreicht das eingestellte Messgegenstandsgas den Messraum. Ein Erfassungswert, der Sauerstoff entspricht, der von dem spezifischen Gas stammt und in dem Messraum erzeugt wird, wird dann auf der Basis der Messspannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode erfasst und die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas wird auf der Basis des erfassten Erfassungswerts erfasst. Der „Sauerstoff, der von dem spezifischen Gas stammt und in dem Messraum erzeugt wird“, ist z.B. in einem Fall, bei dem das spezifische Gas ein Oxid ist, Sauerstoff, der durch Reduzieren des spezifischen Gases selbst in dem Messraum erzeugt wird, und in einem Fall, bei dem das spezifische Gas ein Nicht-Oxid ist, Sauerstoff, der durch Reduzieren eines Gases, das nach dem Umwandeln des spezifischen Gases in ein Oxid erhalten wird, in dem Messraum erzeugt wird. Wenn die Konzentration eines spezifischen Gases auf diese Weise erfasst wird, kann eine Verminderung der Genauigkeit, mit der die Konzentration eines spezifischen Gases gemessen wird, in einem Fall unterdrückt werden, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt, da das Au/Pt-Verhältnis der Einstellpumpelektrode größer als oder gleich 0,3 ist. Der Grund dafür kann wie folgt angenommen werden. Das Messgegenstandsgas einer fetten Atmosphäre weist einen niedrigen Sauerstoffpartialdruck auf und folglich wird davon ausgegangen, dass aufgrund der katalytischen Aktivität von Pt in der Einstellpumpelektrode das spezifische Gas selbst in einem Fall wahrscheinlich reduziert wird, bei dem das spezifische Gas ein Oxid ist, und ein Oxid, in welches das spezifische Gas umgewandelt ist, wird in einem Fall wahrscheinlich reduziert, bei dem das spezifische Gas ein Nicht-Oxid ist. Nachstehend werden diese Arten von Reduktion als „Reduktion des spezifischen Gases oder dergleichen“ bezeichnet. Wenn eine solche Reduktion des spezifischen Gases oder dergleichen in dem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum stattfindet, wird davon ausgegangen, dass die Menge von Sauerstoff, der von dem spezifischen Gas stammt und in dem Messraum erzeugt wird, abnimmt und die Messgenauigkeit der Konzentration eines spezifischen Gases abnimmt. Im Gegensatz dazu unterdrückt in dem Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung das Vorliegen von Au ausreichend die katalytische Aktivität von Pt, da das Au/Pt-Verhältnis der Einstellpumpelektrode größer als oder gleich 0,3 ist. Als Ergebnis wird davon ausgegangen, dass eine Reduktion des spezifischen Gases oder dergleichen in dem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum in einem Fall ausreichend unterdrückt wird, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt, und eine Abnahme der Genauigkeit, mit der die Konzentration eines spezifischen Gases erfasst wird, unterdrückt wird. Darüber hinaus wird in einem Fall, bei dem das Au/Pt-Verhältnis der Einstellpumpelektrode zu hoch ist, das Pumpleistungsvermögen der Einstellpumpzelle verschlechtert und ist es gegebenenfalls nicht möglich, die Sauerstoffkonzentration in dem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum in einer geeigneten Weise einzustellen oder das Anlegen einer hohen Spannung an die Einstellpumpzelle kann erforderlich sein, um das Pumpleistungsvermögen zu erhöhen. Im Gegensatz dazu kann in dem Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung eine Verminderung des Pumpleistungsvermögens der Einstellpumpzelle unterdrückt werden, da das Au/Pt-Verhältnis der Einstellpumpelektrode kleiner als oder gleich 0,63 ist.
  • In dem Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Schichtkörper drei oder mehr Elektroden umfassen, einschließlich die Einstellpumpelektrode und die Messelektrode, die in dem Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt angeordnet sind, und die Einstellpumpelektrode kann am weitesten stromaufwärts von den drei oder mehr Elektroden angeordnet sein, die in dem Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt angeordnet sind. Dabei kann in einem Fall, bei dem die Einstellpumpelektrode von der Mehrzahl von Elektroden, die in dem Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt angeordnet sind, am weitesten stromaufwärts angeordnet ist, die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas stromaufwärts von der Einstellpumpelektrode nicht eingestellt werden. Folglich ist es, wenn das Au/Pt-Verhältnis der Einstellpumpelektrode, die an einer solchen Position vorliegt, niedrig ist, wahrscheinlich, dass die Reduktion des spezifischen Gases oder dergleichen in dem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum in einem Fall stattfindet, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt. Folglich kann durch Einstellen des Au/Pt-Verhältnisses der Einstellpumpelektrode, die an einer solchen Position vorliegt, auf 0,3 oder höher eine Verminderung der Genauigkeit, mit der die Konzentration eines spezifischen Gases gemessen wird, in einem Fall mit einer größeren Sicherheit unterdrückt werden, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt.
  • Das Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Hilfspumpzelle umfassen, die eine Hilfspumpelektrode aufweist, die in einem Hilfseinstellraum stromabwärts von dem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum in dem Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt angeordnet ist und die zum Einstellen der Konzentration von Sauerstoff in dem Hilfseinstellraum dient, wobei die Hilfspumpelektrode Pt und Au enthalten kann, und das Au/Pt-Verhältnis (= die Fläche eines Abschnitts, bei dem Au freiliegt/die Fläche eines Abschnitts, bei dem Pt freiliegt), das mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) gemessen wird, kann niedriger sein als das Au/Pt-Verhältnis der Einstellpumpelektrode. Dabei erreicht selbst in einem Fall, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt, das Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration eingestellt worden ist, den Hilfseinstellraum, der stromabwärts von dem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum angeordnet ist. Folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass die vorstehend beschriebene Reduktion des spezifischen Gases oder dergleichen in dem Hilfseinstellraum auftritt als in dem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum. Folglich ist es selbst dann, wenn das Au/Pt-Verhältnis der Hilfspumpelektrode einen niedrigeren Wert aufweist als derjenige der Einstellpumpelektrode, weniger wahrscheinlich, dass eine Abnahme der Genauigkeit, mit der die Konzentration eines spezifischen Gases gemessen wird, in einem Fall auftritt, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt. Dann kann durch Einstellen des Au/Pt-Verhältnisses der Hilfspumpelektrode auf einen relativ niedrigen Wert das Pumpleistungsvermögen der Hilfspumpzelle relativ hoch gemacht werden. In diesem Fall kann das Au/Pt-Verhältnis der Hilfspumpelektrode kleiner als oder gleich 0,3 sein oder kann auch weniger als 0,3 sein. Das Au/Pt-Verhältnis der Hilfspumpelektrode kann auch größer als oder gleich 0,01 sein.
  • In dem Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Au/Pt-Verhältnis der Einstellpumpelektrode auch über 0,3 sein. Darüber hinaus kann die Konzentration eines spezifischen Gases auch die Konzentration von NOx oder die Konzentration von Ammoniak sein.
  • Das Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Sensorelement sein, das zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases im Abgas eines Benzinmotors verwendet wird. Das Abgas eines Benzinmotors liegt relativ wahrscheinlich in einer fetten Atmosphäre vor und folglich ist es sinnvoll, das Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwenden.
  • Ein Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst
    das Sensorelement gemäß einem der vorstehend beschriebenen Modi;
    eine Einstellpumpzelle-Steuervorrichtung, welche die Einstellpumpzelle derart betreibt, dass die Konzentration von Sauerstoff in dem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum eine Zielkonzentration wird;
    eine Messspannung-Erfassungsvorrichtung, die eine Messspannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode erfasst; und
    eine Vorrichtung zur Erfassung eines spezifischen Gases, die auf der Basis der Messspannung einen Erfassungswert erfasst, der dem Sauerstoff entspricht, der von dem spezifischen Gas stammt und in dem Messraum erzeugt wird, und die auf der Basis des Erfassungswerts die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst.
  • Dieser Gassensor umfasst das Sensorelement gemäß einem der vorstehend beschriebenen Modi. Folglich weist dieser Gassensor einen Effekt auf, der demjenigen des vorstehend beschriebenen Sensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht, und weist beispielsweise einen Effekt des Unterdrückens einer Verminderung der Messgenauigkeit der Konzentration eines spezifischen Gases in einem Fall auf, wenn das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt.
  • In diesem Fall kann die Vorrichtung zur Erfassung eines spezifischen Gases Sauerstoff, der von dem spezifischen Gas stammt und in dem Messraum erzeugt wird, aus dem Messraum auf der Basis der Messspannung nach außen hinauspumpen, so dass die Sauerstoffkonzentration innerhalb des Messraums eine vorgegebene niedrige Konzentration wird, und der Messpumpstrom, der fließt, wenn das Hinauspumpen durchgeführt wird, kann als der Erfassungswert erfasst werden. Darüber hinaus kann in einem Fall, bei dem das Sensorelement die Hilfspumpzelle umfasst, der Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung eine Hilfspumpzelle-Steuervorrichtung umfassen, welche die Hilfspumpzelle so betreibt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Hilfseinstellraum eine Zielkonzentration wird.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Schnittansicht eines Gassensors 100.
    • 2 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuervorrichtung 90 und einzelnen Zellen zeigt.
    • 3 ist eine schematische Schnittansicht eines Sensorelements 201.
    • 4 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen A/F eines Messgegenstandsgases und einer relativen Ip2-Empfindlichkeit in jedem der experimentellen Beispiele 1 bis 6 zeigt.
    • 5 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Pumpspannung Vp0 und einem Pumpstrom Ip0 in jedem der experimentellen Beispiele 1 bis 6 zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Als nächstes wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mittels der Zeichnungen beschrieben. Die 1 ist eine schematische Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel für den Aufbau eines Gassensors 100 zeigt, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Die 2 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuervorrichtung 90 und einzelnen Zellen zeigt. Der Gassensor 100 ist beispielsweise an einer Leitung, wie z.B. einer Abgasleitung eines Verbrennungsmotors, angebracht. Der Gassensor 100 behandelt ein Abgas des Verbrennungsmotors als Messgegenstandsgas und erfasst die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx oder Ammoniak, in dem Messgegenstandsgas. In der vorliegenden Ausführungsform misst der Gassensor 100 die NOx-Konzentration als Konzentration eines spezifischen Gases. Der Gassensor 100 umfasst ein Sensorelement 101 mit einer langen rechteckigen Parallelepipedform, Zellen 21, 41, 50 und 80 bis 83, die das Sensorelement 101 aufweist, variable Stromquellen 24, 46 und 52 und die Steuervorrichtung 90 zum Steuern der Gesamtheit des Gassensors 100.
  • Das Sensorelement 101 ist eine Vorrichtung mit einem Schichtkörper, der durch Stapeln von sechs Schichten erhalten wird, die 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 betrachtet in der Zeichnung von unten sind, wobei jede Schicht aus einer Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschicht, wie z.B. Zirkoniumoxid (ZrO2), zusammengesetzt ist. Darüber hinaus weisen die Festelektrolyte, welche diese sechs Schichten bilden, eine hohe Dichte auf und sind luftdicht. Das Sensorelement 101 wird beispielsweise durch Stapeln von Keramikgrünlagen, die den jeweiligen Schichten entsprechen, nachdem die Keramikgrünlagen einer vorgegebenen Verarbeitung, einem Schaltkreisdrucken und dergleichen unterzogen worden sind, und dann durch Sintern und Integrieren der Keramikgrünlagen hergestellt.
  • Auf der Seite des Spitzenabschnitts (der Seite des linken Endabschnitts in der 1) des Sensorelements 101 sind ein Gaseinlass 10, eine erste Diffusionssteuereinheit 11, ein Pufferraum 12, eine zweite Diffusionssteuereinheit 13, ein erster innerer Hohlraum 20, eine dritte Diffusionssteuereinheit 30, ein zweiter innerer Hohlraum 40, eine vierte Diffusionssteuereinheit 60 und ein dritter innerer Hohlraum 61 so ausgebildet, dass sie in dieser Reihenfolge miteinander in Verbindung stehen und dass sie zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 aneinander angrenzen.
  • Der Gaseinlass 10, der Pufferraum 12, der erste innere Hohlraum 20, der zweite innere Hohlraum 40 und der dritte innere Hohlraum 61 sind ein Innenraum des Sensorelements 101. Der Innenraum wird durch Bohren der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt und der obere Abschnitt des Innenraums wird durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, der untere Abschnitt wird durch die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 und der Seitenabschnitt wird durch eine Seitenoberfläche der Abstandshalterschicht 5 unterteilt.
  • Jedwede der ersten Diffusionssteuereinheit 11, der zweiten Diffusionssteuereinheit 13 und der dritten Diffusionssteuereinheit 30 ist als zwei horizontal lange Schlitze (die Richtung der Länge von jeder Öffnung ist eine Richtung senkrecht zur Zeichnung) bereitgestellt. Darüber hinaus ist die vierte Diffusionssteuereinheit 60 als ein horizontal langer Schlitz bereitgestellt, der als Lücke unterhalb der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 (die Richtung der Länge der Öffnung ist eine Richtung senkrecht zur Zeichnung) ausgebildet ist. Es sollte beachtet werden, dass ein Abschnitt, der sich von dem Gaseinlass 10 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 erstreckt, auch als Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt bezeichnet wird.
  • Darüber hinaus ist an einer Position, die weiter von der Seite des Spitzenendes entfernt ist als der Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt, ein Referenzgas-Einführungsraum 43 an einer Position bereitgestellt, bei der ein Seitenabschnitt des Referenzgas-Einführungsraums 43 durch eine Seitenoberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 unterteilt ist. Als Referenzgas, das verwendet wird, wenn die NOx-Konzentration gemessen wird, wird beispielsweise Luft in den Referenzgas-Einführungsraum 43 eingeführt.
  • Eine Lufteinführungsschicht 48 ist eine poröse Keramikschicht und das Referenzgas wird durch die Lufteinführungsschicht 48 in den Referenzgas-Einführungsraum 43 eingeführt. Darüber hinaus ist die Lufteinführungsschicht 48 so ausgebildet, dass sie eine Referenzelektrode 42 bedeckt.
  • Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die so ausgebildet ist, dass sie durch die obere Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 sandwichartig umgeben ist, wie es vorstehend beschrieben ist, und die Lufteinführungsschicht 48, die zu dem Referenzgas-Einführungsraum 43 führt, ist um die Referenzelektrode 42 bereitgestellt. Darüber hinaus können, wie es nachstehend beschrieben ist, mittels der Referenzelektrode 42 die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20, diejenige innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 und diejenige innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61 gemessen werden. Die Referenzelektrode 42 ist als poröse Cermet-Elektrode (beispielsweise eine Cermet-Elektrode, die Pt und ZrO2 enthält) ausgebildet.
  • In dem Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt ist der Gaseinlass 10 ein Abschnitt, der zum Außenraum offen ist, und das Messgegenstandsgas wird von dem Außenraum durch den Gaseinlass 10 in das Sensorelement 101 eingeführt. Die erste Diffusionssteuereinheit 11 ist ein Abschnitt zum Ausüben eines vorgegebenen Diffusionswiderstands auf das Messgegenstandsgas, das von dem Gaseinlass 10 eingeführt worden ist. Der Pufferraum 12 ist ein Raum, der zum Leiten des Messgegenstandsgases, das durch die erste Diffusionssteuereinheit 11 eingeführt worden ist, zu der zweiten Diffusionssteuereinheit 13 bereitgestellt ist. Die zweite Diffusionssteuereinheit 13 ist ein Abschnitt zum Ausüben eines vorgegebenen Diffusionswiderstands auf das Messgegenstandsgas, das von dem Pufferraum 12 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird. Wenn das Messgegenstandsgas von außerhalb des Sensorelements 101 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, wird das Messgegenstandsgas von dem Gaseinlass 10 aufgrund von Änderungen des Drucks des Messgegenstandsgases in dem Außenraum schnell in das Sensorelement 101 aufgenommen (in einem Fall, bei dem das Messgegenstandsgas ein Kraftfahrzeugabgas ist, das Pulsieren des Abgasdrucks). Das Messgegenstandsgas wird nicht direkt in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt, sondern wird in den ersten inneren Hohlraum 20 nach dem Aufheben von Änderungen des Drucks des Messgegenstandsgases durch die erste Diffusionssteuereinheit 11, den Pufferraum 12 und die zweite Diffusionssteuereinheit 13 eingeführt. Als Ergebnis dessen liegen die Änderungen beim Druck des Messgegenstandsgases, das in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, auf einem nahezu vernachlässigbaren Niveau. Der erste innere Hohlraum 20 ist als Raum zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas ausgebildet, das durch die zweite Diffusionssteuereinheit 13 darin eingeführt worden ist. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
  • Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die durch eine Innenseite-Pumpelektrode 22, eine Außenseite-Pumpelektrode 23 und die zweite Festelektrolytschicht 6, welche diese Elektroden sandwichartig umgibt, ausgebildet ist. Die Innenseite-Pumpelektrode 22 weist einen obersten Elektrodenabschnitt 22a auf, der auf nahezu der Gesamtheit der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt ist, die auf den ersten inneren Hohlraum 20 gerichtet ist. Die Außenseite-Pumpelektrode 23 ist in einem Bereich bereitgestellt, der dem obersten Elektrodenabschnitt 22a entspricht und der so auf der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet ist, dass die Außenseite-Pumpelektrode 23 zum Außenraum freiliegt.
  • Die Innenseite-Pumpelektrode 22 ist so ausgebildet, dass sie sich über die obere und die untere Festelektrolytschicht (die zweite Festelektrolytschicht 6 und die erste Festelektrolytschicht 4), die den ersten inneren Hohlraum 20 unterteilen, und die Abstandshalterschicht 5, die eine Seitenwand bereitstellt, erstreckt. Insbesondere ist der oberste Elektrodenabschnitt 22a auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die eine oberste Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 20 bereitstellt, und ein unterer Elektrodenabschnitt 22b ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die eine untere Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 20 bereitstellt. Ein Seitenelektrodenabschnitt (nicht gezeigt) ist auf einer Seitenwand (der Innenwand) der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die beide Seitenwandabschnitte des ersten inneren Hohlraums 20 bildet, und ist derart in einer Tunnelkonfiguration an der Anordnungsposition des Seitenelektrodenabschnitts angeordnet, dass der oberste Elektrodenabschnitt 22a mit dem unteren Elektrodenabschnitt 22b verbunden ist.
  • Die Innenseite-Pumpelektrode 22 und die Außenseite-Pumpelektrode 23 sind als poröse Cermet-Elektroden (beispielsweise Cermet-Elektroden, die Au, Pt und ZrO2 enthalten) ausgebildet. Es sollte beachtet werden, dass die Innenseite-Pumpelektrode 22, die das Messgegenstandsgas kontaktiert, unter Verwendung eines Materials ausgebildet wird, dessen Reduktionsleistungsvermögen bezogen auf die NOx-Komponente in dem Messgegenstandsgas geschwächt ist.
  • In der Hauptpumpzelle 21 kann durch Anlegen einer gewünschten Pumpspannung Vp0 zwischen der Innenseite-Pumpelektrode 22 und der Außenseite-Pumpelektrode 23, so dass ein Pumpstrom Ip0 in einer positiven oder negativen Richtung zwischen der Innenseite-Pumpelektrode 22 und der Außenseite-Pumpelektrode 23 fließt, Sauerstoff innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 in den Außenraum hinausgepumpt werden oder Sauerstoff in dem Außenraum kann in den ersten inneren Hohlraum 20 hineingepumpt werden.
  • Darüber hinaus ist zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in der Atmosphäre in dem ersten inneren Hohlraum 20 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sensorzelle zur Erfassung eines Sauerstoffpartialdrucks 80 zur Hauptpumpsteuerung, aus der Innenseite-Pumpelektrode 22, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3 und der Referenzelektrode 42 ausgebildet.
  • Die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 ergibt sich durch Messen einer elektromotorischen Kraft V0 an der Sensorzelle zur Erfassung eines Sauerstoffpartialdrucks 80 zur Hauptpumpsteuerung. Ferner wird der Pumpstrom Ip0 durch Durchführen einer Regelung der Pumpspannung Vp0 einer variablen Stromquelle 24 derart gesteuert, dass die elektromotorische Kraft V0 einen Zielwert erreicht. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 bei einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten werden.
  • Die dritte Diffusionssteuereinheit 30 ist ein Abschnitt zum Ausüben eines vorgegebenen Diffusionswiderstands auf das Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 in dem ersten inneren Hohlraum 20 eingestellt wird, und zum Leiten des Messgegenstandsgases in den zweiten inneren Hohlraum 40.
  • Der zweite innere Hohlraum 40 ist als Raum zum weiteren Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das durch die dritte Diffusionssteuereinheit 30 eingeführt wird, nachdem die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20 im Vorhinein eingestellt worden ist, mittels einer Hilfspumpzelle 50 bereitgestellt. Als Ergebnis kann die Sauerstoffkonzentration innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 mit hoher Genauigkeit konstant gehalten werden, und folglich kann der Gassensor 100 die NOx-Konzentration mit hoher Genauigkeit messen.
  • Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die aus einer Hilfspumpelektrode 51, der Außenseite-Pumpelektrode 23 und der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist. Die Hilfspumpelektrode 51 weist einen obersten Elektrodenabschnitt 51a auf, der nahezu auf der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die auf den zweiten inneren Hohlraum 40 gerichtet ist, bereitgestellt ist. Die Außenseite-Pumpelektrode 23 muss nicht verwendet werden und jedwede geeignete Elektrode auf der Außenseite des Sensorelements 101 reicht aus.
  • Die Hilfspumpelektrode 51 ist innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 in einer Tunnelkonfiguration entsprechend wie diejenige für die Innenseite-Pumpelektrode 22 ausbildet, die innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 bereitgestellt ist, wie es vorstehend beschrieben ist. D.h., die Tunnelkonfiguration ist derart ausgebildet, dass der oberste Elektrodenabschnitt 51a auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist, die eine oberste Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bereitstellt, ein unterer Elektrodenabschnitt 51b auf der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist, die eine untere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bereitstellt, und ein Seitenelektrodenabschnitt (nicht gezeigt), der den obersten Elektrodenabschnitt 51a mit dem unteren Elektrodenabschnitt 51b verbindet, auf beiden Wänden der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet ist, die Seitenwände des zweiten inneren Hohlraums 40 bereitstellen. Es sollte beachtet werden, dass entsprechend der Innenseite-Pumpelektrode 22 die Hilfspumpelektrode 51 ebenfalls unter Verwendung eines Materials gebildet wird, dessen Reduktionsleistungsvermögen in Bezug auf die NOx-Komponente in dem Messgegenstandsgas abgeschwächt ist.
  • In der Hilfspumpzelle 50 kann durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp1 zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Außenseite-Pumpelektrode 23 Sauerstoff in der Atmosphäre innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 in den Außenraum hinausgepumpt werden oder Sauerstoff kann von dem Außenraum in den zweiten inneren Hohlraum 40 hineingepumpt werden.
  • Darüber hinaus ist zum Steuern des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sensorzelle zur Erfassung eines Sauerstoffpartialdrucks 81 zur Hilfspumpsteuerung, aus der Hilfspumpelektrode 51, der Referenzelektrode 42, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3 ausgebildet.
  • Es sollte beachtet werden, dass die Hilfspumpzelle 50 ein Pumpen unter Verwendung einer variablen Stromquelle 52 durchführt, deren Spannung auf der Basis einer elektromotorischen Kraft V1 eingestellt wird, die durch die Sensorzelle zur Erfassung eines Sauerstoffpartialdrucks 81 zur Hilfspumpsteuerung erfasst wird. Folglich wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 auf einen niedrigen Partialdruck eingestellt, der die NOx-Messung in der Praxis nicht beeinflusst.
  • Darüber hinaus wird zusammen damit ein Pumpstrom Ip1 für die Hilfspumpzelle 50 zum Steuern der elektromotorischen Kraft V0 der Sensorzelle zur Erfassung eines Sauerstoffpartialdrucks 80 zur Hauptpumpsteuerung verwendet. Insbesondere wird eine Steuerung durch Einspeisen des Pumpstroms Ip1 als Steuersignal in die Sensorzelle zur Erfassung eines Sauerstoffpartialdrucks 80 zur Hauptpumpsteuerung derart, dass die elektromotorische Kraft V0 gesteuert wird, derart durchgeführt, dass der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das in den zweiten inneren Hohlraum 40 von der dritten Diffusionssteuereinheit 30 eingeführt wird, stets konstant ist. Wenn er als NOx-Sensor verwendet wird, wird die Sauerstoffkonzentration innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 aufgrund des Betriebs der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 bei einem konstanten Wert in der Größenordnung von etwa 0,001 ppm gehalten.
  • Die vierte Diffusionssteuereinheit 60 ist ein Abschnitt zum Ausüben eines vorgegebenen Diffusionswiderstands auf das Messgegenstandsgas, in dem die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 in dem zweiten inneren Hohlraum 40 gesteuert wird, und zum Leiten des Messgegenstandsgases in den dritten inneren Hohlraum 61. Die vierte Diffusionssteuereinheit 60 dient zum Steuern der Menge von NOx für ein Strömen in den dritten inneren Hohlraum 61.
  • Der dritte innere Hohlraum 61 ist als Raum zum Durchführen einer Verarbeitung bezüglich der Messung der Stickstoffoxid (NOx)-Konzentration in dem Messgegenstandsgas mit dem Messgegenstandsgas, das durch die vierte Diffusionssteuereinheit 60 eingeführt wird, nachdem die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im Vorhinein in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eingestellt worden ist, bereitgestellt. Die Messung der NOx-Konzentration wird vorwiegend durch den Betrieb einer Messpumpzelle 41 an dem dritten inneren Hohlraum 61 durchgeführt.
  • Die Messpumpzelle 41 misst die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61. Die Messpumpzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer Messelektrode 44, der Außenseite-Pumpelektrode 23, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist. Die Messelektrode 44 ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt, die auf den dritten inneren Hohlraum 61 gerichtet ist. Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermet-Elektrode, die aus einem Material zusammengesetzt ist, dessen Reduktionsleistungsvermögen in Bezug auf die NOx-Komponente in dem Messgegenstandsgas höher gemacht ist als dasjenige der Innenseite-Pumpelektrode 22. Die Messelektrode 44 wirkt auch als NOx-Reduktionskatalysator, der NOx reduziert, das in der Atmosphäre innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61 vorliegt.
  • In der Messpumpzelle 41 wird Sauerstoff, der als Ergebnis der Zersetzung von Stickstoffoxiden in einer Atmosphäre um die Messelektrode 44 erzeugt wird, hinausgepumpt und dessen Erzeugungsmenge kann als Pumpstrom Ip2 erfasst werden.
  • Zusätzlich ist zum Erfassen des Sauerstoffpartialdrucks um die Messelektrode 44 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sensorzelle zur Erfassung eines Sauerstoffpartialdrucks 82 zur Messpumpsteuerung, aus der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3, der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42 ausgebildet. Eine variable Stromquelle 46 wird auf der Basis einer elektromotorischen Kraft V2 gesteuert, die durch die Sensorzelle zur Erfassung eines Sauerstoffpartialdrucks 82 zur Messpumpsteuerung erfasst wird.
  • Das Messgegenstandsgas, das in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, erreicht die Messelektrode 44 innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61 durch die vierte Diffusionssteuereinheit 60 unter Umständen, bei denen der Sauerstoffpartialdruck gesteuert wird. Die Stickstoffoxide in dem Messgegenstandsgas um die Messelektrode 44 werden reduziert, so dass Sauerstoff erzeugt wird (2NO → N2 + O2). Der erzeugte Sauerstoff wird durch die Messpumpzelle 41 gepumpt. In diesem Fall wird eine Spannung Vp2 der variablen Stromquelle 46 so gesteuert, dass die elektromotorische Kraft V2, die durch die Sensorzelle zur Erfassung eines Sauerstoffpartialdrucks 82 zur Messpumpsteuerung erfasst wird, konstant wird. Die Menge von Sauerstoff, die um die Messelektrode 44 erzeugt wird, ist proportional zu der Stickstoffoxid-Konzentration in dem Messgegenstandsgas, und folglich wird die Stickstoffoxid-Konzentration in dem Messgegenstandsgas unter Verwendung des Pumpstroms Ip2 an der Messpumpzelle 41 berechnet.
  • Darüber hinaus kann dann, wenn die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungsvorrichtung durch Kombinieren der Messelektrode 44, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3 und der Referenzelektrode 42 als elektrochemische Sensorzelle ausgebildet ist, die elektromotorische Kraft, die der Differenz zwischen der Menge von Sauerstoff, der durch Reduzieren der NOx-Komponente in der Atmosphäre um die Messelektrode 44 erzeugt wird, und der Menge von Sauerstoff entspricht, die in einer Referenzatmosphäre enthalten ist, erfasst werden und folglich kann die Konzentration der NOx-Komponente in dem Messgegenstandsgas erfasst werden.
  • Darüber hinaus ist eine elektrochemische Sensorzelle 83 aus der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3, der Außenseite-Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 ausgebildet. Der Sauerstoffpartialdruck in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensors kann unter Verwendung einer elektromotorischen Kraft Vref erfasst werden, die durch die Sensorzelle 83 erfasst wird.
  • In dem Gassensor 100, der diesen Aufbau aufweist, wird das Messgegenstandsgas, in dem der Sauerstoffpartialdruck durch Betreiben der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 stets bei einem konstanten niedrigen Wert gehalten wird (einem Wert, der die NOx-Messung in der Praxis nicht beeinflusst), der Messpumpzelle 41 zugeführt. Folglich kann die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2, bei dem bewirkt wird, dass er etwa proportional zu der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas fließt, und durch die Messpumpzelle 41, die Sauerstoff hinauspumpt, der durch Reduzieren von NOx erzeugt wird, erfasst werden.
  • Ferner weist zur Verbesserung der Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten das Sensorelement 101 eine Heizeinrichtungseinheit 70 mit einer Temperatureinstellfunktion auf, durch die das Sensorelement 101 erwärmt und warmgehalten wird. Die Heizeinrichtungseinheit 70 umfasst eine Heizeinrichtungsverbindungselektrode 71, eine Heizeinrichtung 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizeinrichtungsisolierschicht 74 und ein Druckablassloch 75.
  • Die Heizeinrichtungsverbindungselektrode 71 ist eine Elektrode, die so ausgebildet ist, dass sie die untere Oberfläche der ersten Substratschicht 1 kontaktiert. Durch Verbinden der Heizeinrichtungsverbindungselektrode 71 mit einer externen Stromquelle kann der Heizeinrichtungseinheit 70 von außen Strom zugeführt werden.
  • Die Heizeinrichtung 72 ist ein elektrischer Widerstand, der so ausgebildet ist, dass er von oberhalb und unterhalb zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 sandwichartig angeordnet ist. Die Heizeinrichtung 72 ist über das Durchgangsloch 73 mit der Heizeinrichtungsverbindungselektrode 71 verbunden, erzeugt dadurch Wärme, dass sie von außerhalb durch die Heizeinrichtungsverbindungselektrode 71 mit Strom versorgt wird, erwärmt den Festelektrolyten, der das Sensorelement 101 bildet, und hält den Festelektrolyten warm.
  • Darüber hinaus ist die Heizeinrichtung 72 in dem gesamten Bereich von dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 eingebettet und kann die Temperatur des gesamten Sensorelements 101 auf eine Temperatur einstellen, bei welcher der vorstehend beschriebene Festelektrolyt aktiviert wird.
  • Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist eine Isolierschicht, die aus einem Isoliermaterial, wie z.B. Aluminiumoxid, zusammengesetzt ist und auf oberen und unteren Oberflächen der Heizeinrichtung 72 ausgebildet ist. Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist ausgebildet, um 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 zu erreichen.
  • Das Druckablassloch 75 ist ein Abschnitt, der so bereitgestellt ist, dass er durch die dritte Substratschicht 3 und die Lufteinführungsschicht 48 verläuft und mit dem Referenzgas-Einführungsraum 43 in Verbindung steht, und er ist ausgebildet, um einen Innendruck zu vermindern, der durch einen Temperaturanstieg innerhalb der Heizeinrichtungsisolierschicht 74 verursacht wird.
  • Die Innenseite-Pumpelektrode 22 und die Hilfspumpelektrode 51 sind Elektroden, die Pt und Au enthalten. Insbesondere ist die Innenseite-Pumpelektrode 22 eine Elektrode, die aus einem Cermet zusammengesetzt ist, der aus Pt und Au, die als Edelmetall dienen, und einem Sauerstoffionen-leitenden Oxid (in diesem Fall ZrO2) zusammengesetzt ist. Für jede der Innenseite-Pumpelektrode 22 und der Hilfspumpelektrode 51 beträgt das Volumenverhältnis zwischen der Edelmetallkomponente und Zirkoniumoxid beispielsweise von 5:5 bis 8:2.
  • Für die Innenseite-Pumpelektrode 22 ist das Au/Pt-Verhältnis (= die Fläche eines Abschnitts, bei dem Au freiliegt/die Fläche eines Abschnitts, bei dem Pt freiliegt), das mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) gemessen wird, größer als oder gleich 0,3, jedoch nicht größer als 0,63. Ein höheres Au/Pt-Verhältnis bedeutet, dass die Fläche eines Abschnitts, bei dem Pt-Teilchen mit Au bedeckt sind, von den Pt-Teilchen, die in der Innenseite-Pumpelektrode 22 vorliegen, größer ist. Die Innenseite-Pumpelektrode 22 kann beispielsweise unter Verwendung einer leitenden Paste gebildet werden, die durch Mischen eines beschichteten Mischpulvers, das durch Beschichten von Pt-Pulver mit Au erhalten wird, von Zirkoniumoxidpulver und eines Bindemittels hergestellt wird. Darüber hinaus kann das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 durch Ändern des Gewichtsverhältnisses zwischen Pt und Au in dem beschichteten Pulver je nach Erfordernis eingestellt werden.
  • Die Steuervorrichtung 90 ist ein Mikroprozessor, der beispielsweise mit einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) 92 und einem Speicher 94 ausgestattet ist. Die Steuervorrichtung 90 empfängt die elektromotorische Kraft V0, die durch die Sensorzelle zur Erfassung eines Sauerstoffpartialdrucks 80 zur Hauptpumpsteuerung erfasst wird, die elektromotorische Kraft V1, die durch die Sensorzelle zur Erfassung eines Sauerstoffpartialdrucks 81 zur Hilfspumpsteuerung erfasst wird, die elektromotorische Kraft V2, die durch die Sensorzelle zur Erfassung eines Sauerstoffpartialdrucks 82 zur Messpumpsteuerung erfasst wird, die elektromotorische Kraft Vref, die durch die Sensorzelle 83 erfasst wird, den Pumpstrom Ip0, der durch die Hauptpumpzelle 21 erfasst wird, den Pumpstrom Ip1, der durch die Hilfspumpzelle 50 erfasst wird, und den Pumpstrom Ip2, der durch die Messpumpzelle 41 erfasst wird. Darüber hinaus gibt die Steuervorrichtung 90 ein Steuersignal an die variablen Stromquellen 24, 46 und 52 aus und steuert die Hauptpumpzelle 21, die Messpumpzelle 41 und die Hilfspumpzelle 50.
  • Die Steuervorrichtung 90 führt eine Regelung der Pumpspannung Vp0 der variablen Stromquelle 24 derart durch, dass die elektromotorische Kraft V0 einen Zielwert erreicht (als Zielwert V0* bezeichnet) (d.h., derart, dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 eine Zielkonzentration wird). Folglich ändert sich der Pumpstrom Ip0 gemäß der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas und durch Erhöhen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F) und des Luftüberschussverhältnisses λ (= das Luftvolumen, das dem Verbrennungsmotor zugeführt wird/ein theoretisch erforderliches minimales Luftvolumen) des Messgegenstandsgases.
  • Darüber hinaus führt die Steuervorrichtung 90 eine Regelung der Spannung Vp1 der variablen Stromquelle 52 derart durch, dass die elektromotorische Kraft V1 ein konstanter Wert wird (als Zielwert V1* bezeichnet) (d.h., derart, dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine vorgegebene niedrige Sauerstoffkonzentration erreicht, welche die NOx-Messung in der Praxis nicht beeinflusst). Zusammen damit stellt die Steuervorrichtung 90 den Zielwert V0* für die elektromotorische Kraft V0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 derart ein (führt eine Regelung mit dem Zielwert V0* durch), dass der Pumpstrom Ip1, bei dem bewirkt wird, dass er durch die Spannung Vp1 fließt, ein konstanter Wert wird (als Zielwert Ip1* bezeichnet). Als Ergebnis wird der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das von der dritten Diffusionssteuereinheit 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, stets konstant. Darüber hinaus wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 auf einen niedrigen Partialdruck eingestellt, der die NOx-Messung in der Praxis nicht beeinflusst. Der Zielwert V0* wird auf einen Wert eingestellt, mit dem die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 höher als 0 % wird und niedrig bleibt.
  • Ferner führt die Steuervorrichtung 90 eine Regelung der Spannung Vp2 der variablen Stromquelle 46 derart durch, dass die elektromotorische Kraft V2 ein konstanter Wert wird (als Zielwert V2* bezeichnet) (d.h., derart, dass die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 eine vorgegebene niedrige Konzentration wird). Als Ergebnis wird Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 derart hinausgepumpt, dass die Menge von Sauerstoff, die durch Reduzieren von NOx in dem Messgegenstandsgas in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt wird, praktisch Null wird. Die Steuervorrichtung 90 erfasst dann den Pumpstrom Ip2 als Erfassungswert, der Sauerstoff entspricht, der von dem spezifischen Gas (in diesem Fall NOx) stammt und in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt wird, und berechnet auf der Basis des Pumpstroms Ip2 die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas. Dabei wird ein System, in dem Sauerstoff, der von dem Messgegenstandsgas stammt, das in das Sensorelement 101 eingeführt wird, hinausgepumpt wird und die Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis der Menge des hinausgepumpten Sauerstoffs erfasst wird (auf der Basis des Pumpstroms Ip2 in der vorliegenden Ausführungsform), als Grenzstromverfahren bezeichnet.
  • In dem Speicher 94 ist beispielsweise ein Beziehungsausdruck (beispielsweise eine lineare Funktionsgleichung) oder ein Kennfeld als Entsprechungsbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration gespeichert. Der Beziehungsausdruck oder das Kennfeld kann durch ein Experiment im Vorhinein erhalten werden.
  • Beispiele für die Verwendung des auf diese Weise ausgebildeten Gassensors 100 werden nachstehend beschrieben. Es soll davon ausgegangen werden, dass die CPU 92 der Steuervorrichtung 90 in einem Zustand vorliegt, in dem die CPU 92 jede der vorstehend beschriebenen Pumpzellen 21, 41 und 50 steuert und jede der Spannungen V0, V1, V2 und Vref von den vorstehend beschriebenen jeweiligen Sensorzellen 80 bis 83 erfasst. In diesem Zustand tritt in einem Fall, bei dem das Messgegenstandsgas von dem ersten Gaseinlass 10 eingeführt wird, das Messgegenstandsgas durch die erste Diffusionssteuereinheit 11, den Pufferraum 12 und die zweite Diffusionssteuereinheit 13 hindurch und erreicht den ersten inneren Hohlraum 20. Als nächstes wird die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas durch die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 in dem ersten inneren Hohlraum 20 und dem zweiten inneren Hohlraum 40 eingestellt und das eingestellte Messgegenstandsgas erreicht den dritten inneren Hohlraum 61. Die CPU 92 erfasst dann die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des erfassten Pumpstroms Ip2 und der Entsprechungsbeziehung, die in dem Speicher 94 gespeichert ist.
  • In der vorliegenden Ausführungsform kann in einem Fall, bei dem die CPU 92 die NOx-Konzentration unter Verwendung des Sensorelements 101 auf diese Weise erfasst, wenn das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 größer als oder gleich 0,3 ist, wie es vorstehend beschrieben ist, eine Verminderung der Genauigkeit, mit der die NOx-Konzentration gemessen wird, in einem Fall unterdrückt werden, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre (mit dem Luftüberschussverhältnis λ < 1) vorliegt. Der Grund dafür kann wie folgt angenommen werden. Da der Sauerstoffpartialdruck in dem Messgegenstandsgas einer fetten Atmosphäre niedrig ist, wird in einem Fall, bei dem das Messgegenstandsgas einer fetten Atmosphäre in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, davon ausgegangen, dass die NOx-Reduktion innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 aufgrund der katalytischen Aktivität von Pt, das in der Innenseite-Pumpelektrode 22 enthalten ist, stattfindet, bevor das Messgegenstandsgas einer fetten Atmosphäre den dritten inneren Hohlraum 61 erreicht. In einem Fall, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt, da beispielsweise Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid als unverbrannte Komponenten in dem Messgegenstandsgas vorliegen, wird davon ausgegangen, dass NOx mit den unverbrannten Komponenten reagiert und NOx mit einer größeren Wahrscheinlichkeit innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 reduziert wird. Wenn eine solche NOx-Reduktion in dem ersten inneren Hohlraum 20 stattfindet, wird davon ausgegangen, dass die Menge von Sauerstoff, die von NOx stammt und in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt wird, abnimmt und die Messgenauigkeit der NOx-Konzentration abnimmt. Im Gegensatz dazu unterdrückt in dem Sensorelement 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Vorliegen von Au die katalytische Aktivität von Pt ausreichend, da das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 größer als oder gleich 0,3 ist. Folglich wird davon ausgegangen, dass die NOx-Reduktion in dem ersten inneren Hohlraum 20 in einem Fall ausreichend unterdrückt wird, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt und eine Verminderung der Genauigkeit, mit der die NOx-Konzentration erfasst wird, unterdrückt wird.
  • Dabei steuert in einem Fall, bei dem das Messgegenstandsgas, das den ersten inneren Hohlraum 20 erreicht hat, in einer mageren Atmosphäre vorliegt, die Steuervorrichtung 90 im Wesentlichen die Hauptpumpzelle 21, so dass Sauerstoff aus dem ersten inneren Hohlraum 20 hinausgepumpt wird. In diesem Fall werden nicht nur Sauerstoffmoleküle innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 hinausgepumpt, sondern es kann auch Sauerstoff in NOx als Ergebnis der NOx-Reduktion hinausgepumpt werden. Zum Unterdrücken einer NOx-Reduktion, die durch das Hinauspumpen von Sauerstoff auf diese Weise verursacht wird, ist ein Au/Pt-Verhältnis zwischen 0,01 und 0,3, einschließlich, ausreichend. Im Gegensatz dazu steuert in einem Fall, bei dem das Messgegenstandsgas, das den ersten inneren Hohlraum 20 erreicht hat, in einer fetten Atmosphäre vorliegt, die Steuervorrichtung 90 die Hauptpumpzelle 21 derart, dass Sauerstoff in den ersten inneren Hohlraum 20 gepumpt wird, und folglich tritt die vorstehend beschriebene NOx-Reduktion, die durch das Hinauspumpen von Sauerstoff verursacht wird, nicht auf. Stattdessen wird davon ausgegangen, dass ungeachtet des Betriebs der Hauptpumpzelle 21 die vorstehend beschriebene NOx-Reduktion innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 aufgrund der katalytischen Aktivität von Pt auftritt, das in der Innenseite-Pumpelektrode 22 enthalten ist. Zum Unterdrücken der NOx-Reduktion auf der Basis dieses Grunds kann ein Au/Pt-Verhältnis zwischen 0,01 und 0,3, einschließlich, ausreichend sein und das Au/Pt-Verhältnis muss größer als oder gleich 0,3 sein. Bisher wurde die Verwendung eines Gases einer fetten Atmosphäre als Messgegenstandsgas nicht besonders berücksichtigt, so dass diese Erkenntnisse von den Erfindern neu gefunden wurden.
  • Da auf diese Weise das Sensorelement 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Verminderung der Genauigkeit, mit der die NOx-Konzentration gemessen wird, in einem Fall unterdrücken kann, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre (mit dem Luftüberschussverhältnis λ < 1) vorliegt, ist es besonders für einen Fall geeignet, bei dem die NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas einer fetten Atmosphäre gemessen wird. Darüber hinaus kann das Sensorelement 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auch zur Messung der NOx-Konzentration in einem Fall verwendet werden, bei dem ein Messgegenstandsgas nicht in einer fetten Atmosphäre vorliegt. Folglich ist das Sensorelement 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zur Messung der NOx-Konzentration nicht nur in „einem Messgegenstandsgas, das zum Zeitpunkt der Messung stets in einer fetten Atmosphäre vorliegt“ geeignet, sondern auch in „einem Messgegenstandsgas, das zum Zeitpunkt der Messung in einer fetten Atmosphäre vorliegen kann“. Beispielsweise bleibt in einem Benzinmotor das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Abgases häufig in der Nähe eines theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, und das Messgegenstandsgas kann stets in einer fetten Atmosphäre vorliegen oder es kann häufig in einer fetten Atmosphäre vorliegen. Folglich ist das Sensorelement 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zum Erfassen der NOx-Konzentration im Abgas eines Benzinmotors geeignet. Darüber hinaus ist es umso wahrscheinlicher, dass die vorstehend beschriebene NOx-Reduktion in dem ersten inneren Hohlraum 20 stattfindet, je niedriger A/F des Messgegenstandsgases ist (je niedriger das Luftüberschussverhältnis λ ist), und folglich ist es sinnvoll, das Sensorelement 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zu verwenden, in dem das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 größer als oder gleich 0,3 ist. Beispielsweise ist das Sensorelement 101 zum Erfassen der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas geeignet, in dem A/F kleiner als oder gleich 13,5 ist (das Luftüberschussverhältnis λ kleiner als oder gleich 0,918 ist). Das Messgegenstandsgas kann ein A/F von 11 oder höher aufweisen (das Luftüberschussverhältnis λ ist größer als oder gleich 0,748).
  • Je größer das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 ist, desto stärker kann die vorstehend beschriebene NOx-Reduktion in dem ersten inneren Hohlraum 20 unterdrückt werden. Diesbezüglich liegt das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 vorzugsweise über 0,3 und mehr bevorzugt über 0,35. Darüber hinaus kann das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 auch über 0,5 liegen.
  • Darüber hinaus wird in einem Fall, bei dem das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 zu hoch ist, das Pumpleistungsvermögen der Hauptpumpzelle 21 verschlechtert und es kann gegebenenfalls nicht möglich sein, die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 in einer geeigneten Weise einzustellen, oder ein Anlegen der Pumpspannung Vp0 kann zur Verbesserung des Pumpleistungsvermögens erforderlich sein. Im Gegensatz dazu kann in dem Sensorelement 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Verminderung des Pumpleistungsvermögens der Hauptpumpzelle 21 unterdrückt werden, da das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 kleiner als oder gleich 0,63 ist.
  • Das Au/Pt-Verhältnis der Hilfspumpelektrode 51 kann größer als oder gleich 0,3, jedoch nicht größer als 0,63 sein, wie dies bei der Innenseite-Pumpelektrode 22 der Fall ist; vorzugsweise ist jedoch das Au/Pt-Verhältnis der Hilfspumpelektrode 51 niedriger als dasjenige der Innenseite-Pumpelektrode 22. Dabei erreicht jedoch selbst in einem Fall, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt, das Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration eingestellt worden ist, den zweiten inneren Hohlraum 40, der stromabwärts von dem ersten inneren Hohlraum 20 angeordnet ist. Insbesondere erreicht das Messgegenstandsgas, in das Sauerstoff durch die Hauptpumpzelle 21 hineingepumpt worden ist, den zweiten inneren Hohlraum 40. Folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass die vorstehend beschriebene NOx-Reduktion in dem zweiten inneren Hohlraum 40 stattfindet als in dem ersten inneren Hohlraum 20. Folglich ist es selbst dann, wenn das Au/Pt-Verhältnis der Hilfspumpelektrode 51 einen niedrigeren Wert aufweist als dasjenige der Innenseite-Pumpelektrode 22, weniger wahrscheinlich, dass eine Verminderung der Messgenauigkeit der NOx-Konzentration in einem Fall auftritt, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt. Durch Einstellen des Au/Pt-Verhältnisses der Hilfspumpelektrode 51 auf einen relativ niedrigen Wert kann das Pumpleistungsvermögen der Hilfspumpzelle 50 relativ hoch gemacht werden. Das Au/Pt-Verhältnis der Hilfspumpelektrode 51 ist vorzugsweise kleiner als oder gleich 0,3 und mehr bevorzugt kleiner als 0,3. Darüber hinaus kann das Au/Pt-Verhältnis der Hilfspumpelektrode 51 auch größer als oder gleich 0,01 sein.
  • Hier wird eine Entsprechungsbeziehung zwischen Strukturelementen der vorliegenden Ausführungsform und Strukturelementen der vorliegenden Erfindung verdeutlicht. Der Schichtkörper, der durch Stapeln der sechs Schichten, welche 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 der vorliegenden Ausführungsform sind, in dieser Reihenfolge erhalten wird, entspricht einem Schichtkörper gemäß der vorliegenden Erfindung. Der erste innere Hohlraum 20 entspricht einem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Innenseite-Pumpelektrode 22 entspricht einer Einstellpumpelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Hauptpumpzelle 21 entspricht einer Einstellpumpzelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Der dritte innere Hohlraum 61 entspricht einem Messraum gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Messelektrode 44 entspricht einer Messelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Referenzelektrode 42 entspricht einer Referenzelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung. Darüber hinaus entspricht der zweite innere Hohlraum 40 einem Hilfseinstellraum gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Hilfspumpelektrode 51 entspricht einer Hilfspumpelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Hilfspumpzelle 50 entspricht einer Hilfspumpzelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Ferner entsprechen die CPU 92 und die variable Stromquelle 24 einer Einstellpumpzelle-Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung. Die CPU 92 entspricht einer Vorrichtung zur Erfassung eines spezifischen Gases gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Sensorzelle zur Erfassung eines Sauerstoffpartialdrucks 82 zur Messpumpsteuerung entspricht einer Messspannung-Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Pumpstrom Ip2 entspricht einem Erfassungswert gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Bei dem Gassensor 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, der vorstehend beschrieben worden ist, ist das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 größer als oder gleich 0,3, und folglich kann eine Verminderung der Genauigkeit, mit der die NOx-Konzentration gemessen wird, in einem Fall unterdrückt werden, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt. Darüber hinaus ist das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 kleiner als oder gleich 0,63, und folglich kann eine Verminderung des Pumpleistungsvermögens der Hauptpumpzelle 21 unterdrückt werden.
  • Darüber hinaus umfasst der Schichtkörper (die einzelnen Schichten 1 bis 6) des Sensorelements 101 drei oder mehr Elektroden (in diesem Fall drei Elektroden, welche die Innenseite-Pumpelektrode 22, die Hilfspumpelektrode 51 und die Messelektrode 44 sind), die in dem Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt angeordnet sind. Die Innenseite-Pumpelektrode 22 ist von diesen Elektroden am weitesten stromaufwärts angeordnet. Dabei kann in einem Fall, bei dem die Innenseite-Pumpelektrode 22 von der Mehrzahl von Elektroden, die in dem Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt angeordnet sind, am weitesten stromaufwärts angeordnet ist, die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas nicht stromaufwärts von der Innenseite-Pumpelektrode 22 eingestellt werden. Folglich ist es, wenn das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22, die an einer solchen Position vorliegt, niedrig ist, wahrscheinlich, dass eine NOx-Reduktion in dem ersten inneren Hohlraum 20 in einem Fall stattfindet, wenn das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt. Folglich kann durch Einstellen des Au/Pt-Verhältnisses der Innenseite-Pumpelektrode 22, die an einer solchen Position vorliegt, auf 0,3 oder höher eine Verminderung der Genauigkeit, mit der die NOx-Konzentration gemessen wird, in einem Fall, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt, mit einer größeren Sicherheit untedrückt werden.
  • Ferner ist das Au/Pt-Verhältnis der Hilfspumpelektrode 51 niedriger als das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 und folglich kann das Pumpleistungsvermögen der Hilfspumpzelle 50 relativ hoch gemacht werden. Ferner ist es relativ wahrscheinlich, dass das Abgas eines Benzinmotors in einer fetten Atmosphäre vorliegt und folglich ist es sinnvoll, das Sensorelement 101 zum Erfassen der NOx-Konzentration in diesem Abgas zu verwenden.
  • Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht in irgendeiner Weise auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, und es ist selbstverständlich, dass verschiedene Modi ausgeführt werden können, solange sie innerhalb des technischen Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erfasst der Gassensor 100 die NOx-Konzentration als die Konzentration eines spezifischen Gases; was erfasst wird, ist jedoch nicht darauf beschränkt und auch die Konzentration eines anderen Oxids kann als die Konzentration eines spezifischen Gases erfasst werden. In einem Fall, bei dem das spezifische Gas ein Oxid ist, wird entsprechend wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform Sauerstoff erzeugt, wenn das spezifische Gas selbst in dem dritten inneren Hohlraum 61 reduziert wird. Folglich kann die CPU 92 die Konzentration eines spezifischen Gases durch Erfassen eines Erfassungswerts, der diesem Sauerstoff entspricht, erfassen. Darüber hinaus kann das spezifische Gas auch ein Nicht-Oxid, wie z.B. Ammoniak, sein. In einem Fall, bei dem das spezifische Gas ein Nicht-Oxid ist, wird durch Umwandeln des spezifischen Gases in ein Oxid (beispielsweise wird es in dem Fall von Ammoniak in NO umgewandelt) Sauerstoff erzeugt, wenn das Gas, das aus der Umwandlung resultiert, in dem dritten inneren Hohlraum 61 reduziert wird. Folglich kann die CPU 92 die Konzentration eines spezifischen Gases durch Erfassen eines Erfassungswerts, der diesem Sauerstoff entspricht, erfassen. Beispielsweise steuert in einem Fall, bei dem das Messgegenstandsgas, das den ersten inneren Hohlraum 20 erreicht hat, in einer fetten Atmosphäre vorliegt, die Steuervorrichtung 90 die Hauptpumpzelle 21 derart, dass sie Sauerstoff in den ersten inneren Hohlraum 20 pumpt, und folglich kann Ammoniak durch eine Reaktion mit Sauerstoff, der in den ersten inneren Hohlraum 20 gepumpt wird, in NO umgewandelt werden. Danach kann die Ammoniakkonzentration im Wesentlichen auf der Basis desselben Prinzips wie bei der Messung der NOx-Konzentration erfasst werden. Darüber hinaus wird auch in diesem Fall in einem Fall, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt, davon ausgegangen, dass NO, das durch Umwandeln von Ammoniak erzeugt wird, aufgrund der katalytischen Aktivität von Pt, das in der Innenseite-Pumpelektrode 22 enthalten ist, wahrscheinlich reduziert wird. Im Gegensatz dazu wird, da das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 größer als oder gleich 0,3 ist, entsprechend wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die NO-Reduktion in dem ersten inneren Hohlraum 20 ausreichend unterdrückt und eine Verminderung der Genauigkeit, mit der die Ammoniakkonzentration gemessen wird, kann unterdrückt werden.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfassen sowohl die Hauptpumpzelle 21 als auch die Hilfspumpzelle 50 die Außenseite-Pumpelektrode 23 als ein Bestandteilselement; jedoch ist das, was einbezogen werden kann, nicht darauf beschränkt. D.h., die Außenseite-Pumpelektrode 23 dient sowohl als eine äußere Einstellelektrode der Hauptpumpzelle 21 als auch als eine äußere Hilfselektrode der Hilfspumpzelle 50; jedoch ist das, was einbezogen werden kann, nicht darauf beschränkt. Die äußere Einstellelektrode und die äußere Hilfselektrode können auch getrennt an einem Außenabschnitt des Schichtkörpers (den einzelnen Schichten 1 bis 6) bereitgestellt sein, der dem Messgegenstandsgas ausgesetzt ist.
  • 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 das, was das Sensorelement 101 umfasst, nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann, wie in dem Sensorelement 201 von 3, der dritte innere Hohlraum 61 weggelassen sein. In dem Sensorelement 201 gemäß einer Modifizierung, die in der 3 gezeigt ist, sind der Gaseinlass 10, die erste Diffusionssteuereinheit 11, der Pufferraum 12, die zweite Diffusionssteuereinheit 13, der erste innere Hohlraum 20, die dritte Diffusionssteuereinheit 30 und der zweite innere Hohlraum 40 so ausgebildet, dass sie in dieser Reihenfolge verbunden sind und zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 aneinander angrenzen. Darüber hinaus ist die Messelektrode 44 auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 bereitgestellt. Die Messelektrode 44 ist durch eine vierte Diffusionssteuereinheit 45 bedeckt. Die vierte Diffusionssteuereinheit 45 ist ein Film, der aus einem porösen Keramikmaterial, wie z.B. Aluminiumoxid (Al2O3), zusammengesetzt ist. Entsprechend der vierten Diffusionssteuereinheit 60 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform dient die vierte Diffusionssteuereinheit 45 zum Steuern der Menge von NOx, so dass es auf die Messelektrode 44 strömt. Darüber hinaus arbeitet die vierte Diffusionssteuereinheit 45 auch als Schutzfilm der Messelektrode 44. Der oberste Elektrodenabschnitt 51a der Hilfspumpelektrode 51 ist so ausgebildet, dass er sich direkt zu oberhalb der Messelektrode 44 erstreckt. Entsprechend der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann selbst das Sensorelement 201 mit diesem Aufbau beispielsweise die NOx-Konzentration auf der Basis des Pumpstroms Ip2 erfassen. In diesem Fall arbeitet ein Raum um die Messelektrode 44 als Messraum.
  • [Beispiele]
  • Nachstehend wird ein Beispiel, in dem ein Sensorelement spezifisch hergestellt wird, als Beispiel beschrieben. Die experimentellen Beispiele 3 bis 5 entsprechen Beispielen der vorliegenden Erfindung und die experimentellen Beispiele 1, 2 und 6 entsprechen Vergleichsbeispielen. Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt ist.
  • [Herstellung eines Sensorelements der experimentellen Beispiele 1 bis 6]
  • Das Sensorelement 101, das in der 1 gezeigt ist, wurde in den experimentellen Beispielen 1 bis 6 hergestellt. In den experimentellen Beispielen 1 bis 6 wurde das Sensorelement in der gleichen Weise hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Wert des Au/Pt-Verhältnisses der Innenseite-Pumpelektrode 22 von experimentellem Beispiel zu experimentellem Beispiel verschieden war. Zuerst wurden sechs Keramikgrünlagen hergestellt, die durch Mischen von 4 Mol-% Yttriumoxid-stabilisierten Zirkoniumoxidteilchen, eines organischen Bindemittels und eines organischen Lösungsmittels und Durchführen einer Bandbildung gebildet wurden. In diesen Grünlagen wurde eine Mehrzahl von Lagenlöchern, die zum Positionieren zum Zeitpunkt des Druckens und zum Zeitpunkt des Schichtstapelns verwendet werden, eine Mehrzahl von erforderlichen Durchgangslöchern und dergleichen im Vorhinein ausgebildet. Darüber hinaus wurde eine Struktur aus einer leitenden Paste zur Bildung jeder Elektrode auf jede der Grünlagen gedruckt. Die sechs Grünlagen wurden in einer vorgegebenen Reihenfolge gestapelt und bei vorgegebenen Temperatur- und Druckbedingungen gepresst und verbunden. Ein ungebrannter Schichtkörper mit einer Größe des Sensorelements 101 wurde aus dem auf diese Weise erhaltenen pressverbundenen Körper herausgeschnitten. Der herausgeschnittene ungebrannte Schichtkörper wurde dann gebrannt und das Sensorelement 101 wurde erhalten. Eine leitende Paste für die Innenseite-Pumpelektrode 22 wurde durch Mischen eines beschichteten Pulvers, das durch Beschichten eines Pt-Pulvers mit Au erhalten wurde, von Zirkoniumoxidpulver und einem Bindemittel hergestellt. In den experimentellen Beispielen 1 bis 6 wurde das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 von experimentellem Beispiel zu experimentellem Beispiel durch Ändern des Gewichtsverhältnisses zwischen Pt und Au in dem beschichteten Pulver je nach Erfordernis verschieden eingestellt. Eine leitende Paste für die Hilfspumpelektrode 51 wurde entsprechend hergestellt. Die leitende Paste für die Hilfspumpelektrode 51 wurde in allen experimentellen Beispielen 1 bis 6 verwendet.
  • [Messung des Au/Pt-Verhältnisses]
  • Eine Mehrzahl von Sensorelementen 101 des experimentellen Beispiels 1 wurde hergestellt und einige (drei) der Sensorelemente 101 wurden geschnitten, so dass die Oberfläche der Innenseite-Pumpelektrode 22 nach außen freilag. Das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 wurde mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) gemessen. Das Au/Pt-Verhältnis wurde unter Verwendung eines relativen Empfindlichkeitsfaktor-Verfahrens auf der Basis der Peakintensität eines erfassten Peaks von Au und demjenigen von Pt berechnet. Als relativer Empfindlichkeitsfaktor wurde ein relativer Atomempfindlichkeitsfaktor (ARSF) verwendet. Der Durchschnitt der gemessenen Au/Pt-Verhältnisse der drei Innenseite-Pumpelektroden 22 wurde als Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 des experimentellen Beispiels 1 verwendet. Das Au/Pt-Verhältnis wurde entsprechend auch für die experimentellen Beispiele 2 bis 6 gemessen. Die Messbedingungen für das Au/Pt-Verhältnis waren wie folgt.
  • Messgerät: QuanteraS, hergestellt von Physical Electronics Inc.;
    Röntgenquelle: Monochromatisch gemachtes Al (1486,6 eV);
    Erfassungsbereich: 100 µm∅;
    Erfassungstiefe: Etwa 4 bis 5 nm
    Spektroskop: Eine elektrostatische halbkugelförmige Energieanalyseeinrichtung
    Extraktionswinkel: 45°
    Winkel zwischen Röntgenstrahl und Spektroskop: 90°
    Erfasstes Spektrum (erfasster Peak): Au4f, Pt4f
  • Messergebnisse für das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 waren 0 im experimentellen Beispiel 1, 0,21 im experimentellen Beispiel 2, 0,3 im experimentellen Beispiel 3, 0,47 im experimentellen Beispiel 4, 0,63 im experimentellen Beispiel 5 und 1 im experimentellen Beispiel 6. Darüber hinaus wurde das Au/Pt-Verhältnis der Hilfspumpelektrode 51 entsprechend gemessen und es betrug 0,20 in jedwedem der experimentellen Beispiele 1 bis 6.
  • [Bewertungstest 1: Bewertung der Messgenauigkeit]
  • Das Sensorelement 101 des experimentellen Beispiels 1 wurde mit der Steuervorrichtung 90 und den variablen Stromquellen 24, 46 und 5, die vorstehend beschrieben worden sind, verbunden, und das Sensorelement 101 wurde durch die Steuervorrichtung 90 entsprechend wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform angesteuert. Der Pumpstrom Ip2 wurde dann gemessen, während A/F des Messgegenstandsgases, das noch nicht in den Gaseinlass 10 des Sensorelements 101 eingeführt worden ist, verschiedenartig verändert wurde. Als Messgegenstandsgas wurde ein Modellgas verwendet. In dem Modellgas wurden Stickstoff als Basisgas und 500 ppm NO als spezifische Gaskomponente verwendet und dessen Feuchtigkeitskonzentration betrug 3 Vol.-%. Ethylengas (C2H4) wurde als Verbrennungsgas verwendet und A/F des Modellgases wurde durch verschiedenartiges Verändern der Ethylengas-Konzentration und der Sauerstoffkonzentration in dem Modellgas verschiedenartig verändert. Das Modellgas wurde so eingestellt, dass es eine Temperatur von 250 °C aufwies, und wurde in einer Leitung mit einem Durchmesser von 20 mm bei einer Flussrate von 200 L/min umgewälzt. Der Pumpstrom Ip2 wurde nach dem Beginn des Umwälzens des Modellgases gestartet und der Pumpstrom Ip2 wurde ausreichend stabil. Darüber hinaus wurden zehn Modellgase, die sich bezüglich des A/F unterscheiden, als Messgegenstandsgas verwendet. Für jedes A/F wurde der Pumpstrom Ip2, der dem A/F entsprach, gemessen. Das A/F wurde mit einem MEXA-760λ gemessen, das von HORIBA, Ltd. hergestellt worden ist. Der Pumpstrom Ip2, wenn A/F des Messgegenstandsgases 15,27 betrug, wurde auf einen Wert von 100 eingestellt, und der Wert, in dem der gemessene Pumpstrom Ip2 als Relativwert angegeben war (als relative Ip2-Empfindlichkeit bezeichnet), wurde abgeleitet. Auch für die experimentellen Beispiele 2 bis 6 wurde die relative Ip2-Empfindlichkeit unter Verwendung von im Wesentlichen dem gleichen Verfahren abgeleitet. Für jedes der experimentellen Beispiele 1 bis 6 sind das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 und die relative Ip2-Empfindlichkeit, die dem A/F des Messgegenstandsgases entspricht, in der Tabelle 1 gezeigt. Darüber hinaus ist die 4 ein Graph, der eine Beziehung zwischen dem A/F des Messgegenstandsgases und der relativen Ip2-Empfindlichkeit in jedem der experimentellen Beispiele 1 bis 6 zeigt. Dies zeigt, dass die Messgenauigkeit der NOx-Konzentration umso geringer wird, je stärker die relative Ip2-Empfindlichkeit von 100 abweicht. In der Tabelle 1 ist auch das Luftüberschussverhältnis λ (= (A/F)/14,7), das aus dem A/F umgerechnet worden ist, angegeben. In der 4 sind auch die Luftüberschussverhältnisse λ, die einem A/F von 14,7 und einem A/F von 13,5 entsprechen, in Klammern angegeben.
    [Tabelle 1]
    Experimentelles Beispiel 1 Experimentelles Beispiel 2 Experimentelles Beispiel 3 Experimentelles Beispiel 4 Experimentelles Beispiel 5 Experimentelles Beispiel 6
    Au/Pt-Verhältnis 0 0,21 0,3 0,47 0,63 1
    A/F λ Relative Ip2-Empfindlichkeit
    16,23 1,104 102,27 98,79 101,10 101,17 101.10 141,54
    15,27 1,039 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00
    14,53 0,988 96,59 99,31 98,76 98,72 98,75 67,15
    14,52 0,988 96,94 99,50 98,42 98,39 98,42 67,08
    14,24 0,969 32,07 95,09 98,53 98,60 93,54 60,84
    14,02 0,954 19,06 97,26 97,39 97,13 94,39 58,03
    13,89 0,945 15,33 97,30 97,17 96,64 94,17 58,15
    13,25 0,902 7,52 93,70 96,82 96,86 93,82 49,78
    12,71 0,865 5,20 86,08 96,94 96,48 92,95 38,86
    12,22 0,831 4,47 74,54 95,72 96,57 91,72 28,77
  • Wie es aus der Tabelle 1 und der 4 ersichtlich ist, war in einem Fall, bei dem das Messgegenstandsgas ein theoretisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F = 14,7, λ = 1) aufwies, oder in einer mageren Atmosphäre (A/F > 14,7, λ > 1) die relative Ip2-Empfindlichkeit in jedwedem der experimentellen Beispiele 1 bis 5 100 oder ein Wert nahe 100, und selbst wenn sich das A/F (und λ) änderte, wurde eine Verminderung der Messgenauigkeit nicht festgestellt. Im Gegensatz dazu wurden in einem Fall, bei dem das Messgegenstandsgas im Bereich einer fetten Atmosphäre (A/F < 14,7, λ < 1) vorlag, in den experimentellen Beispielen 1 und 2, in denen das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 weniger als 0,3 betrug, die relative Ip2-Empfindlichkeit und die Messgenauigkeit der NOx-Konzentration Messgenauigkeit umso niedriger, je niedriger A/F (und λ) wurde. Im Gegensatz dazu wurde in den experimentellen Beispiele 3 bis 5, in denen das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 größer als oder gleich 0,3 war, selbst wenn A/F (und λ) im Bereich der fetten Atmosphäre niedrig wurde, eine Verminderung der relativen Ip2-Empfindlichkeit nicht so deutlich festgestellt, und die Messgenauigkeit der NOx-Konzentration blieb hoch. Darüber hinaus wurde im experimentellen Beispiel 1 eine Verminderung der Messgenauigkeit der NOx-Konzentration in einem Bereich festgestellt, bei dem A/F des Messgegenstandsgases kleiner als oder gleich 14,7 (λ war kleiner als oder gleich 1) war. Im experimentellen Beispiel 2 wurde eine Verminderung der Messgenauigkeit der NOx-Konzentration nur in einem Bereich festgestellt, bei dem A/F des Messgegenstandsgases kleiner als oder gleich 13,5 (λ ist kleiner als oder gleich 0,918) war. Darüber hinaus zeigte der Vergleich zwischen den experimentellen Beispielen 1 und 2, dass mit abnehmendem Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 eine Tendenz zur Verminderung der Messgenauigkeit der NOx-Konzentration in einem Fall ausgeprägt vorlag, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorlag.
  • Darüber hinaus änderte sich im experimentellen Beispiel 6, in dem das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 1 betrug, ungeachtet dessen, ob das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorlag, das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufwies oder in einer mageren Atmosphäre vorlag, die relative Ip2-Empfindlichkeit, wenn sich A/F (und λ) änderte. Um dies weiter zu untersuchen, wird für die experimentellen Beispiele 1 bis 6 das Pumpleistungsvermögen der Hauptpumpzelle 21 des Sensorelements 101 wie folgt bewertet.
  • [Bewertungstest 2: Bewertung des Pumpleistungsvermögens der Hauptpumpzelle]
  • Ein Modellgas, in dem das Basisgas Stickstoff war, die Sauerstoffkonzentration 1 Vol.-% betrug und die Feuchtigkeitskonzentration 3 % betrug, wurde als Messgegenstandsgas hergestellt und in den Gaseinlass 10 des Sensorelements 101 des experimentellen Beispiels 1 eingeführt. Das Messgegenstandsgas wurde so eingestellt, dass es eine Temperatur von 250 °C aufwies, und wurde in einer Leitung mit einem Durchmesser von 20 mm bei einer Flussrate von 200 L/min umgewälzt. In diesem Zustand wurde der Pumpstrom Ip0, der in der Hauptpumpzelle 21 fließt, gemessen, während die Pumpspannung Vp0 der Hauptpumpzelle 21, die durch die variable Stromquelle 24 angelegt wurde, zwischen 0,02 V und 0,6 V verschiedenartig verändert wurde. Für die experimentellen Beispiele 2 bis 6 wurde der Pumpstrom Ip0 im Wesentlichen in der gleichen Weise gemessen. Für jedes der experimentellen Beispiele 1 bis 6 ist die Beziehung zwischen dem Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22, der Pumpspannung Vp0 und dem Pumpstrom Ip0 in der Tabelle 2 und der 5 gezeigt.
    [Tabelle 2]
    Experimentelles Beispiel 1 Experimentelles Beispiel 2 Experimentelles Beispiel 3 Experimentelles Beispiel 4 Experimentelles Beispiel 5 Experimentelles Beispiel 6
    Au/Pt-Verhältnis 0 0,21 0,3 0,47 0,63 1
    Pumpspannung Vp0 [V] Pumpstrom Ip0 [A]
    0,02 0,0001 0,00008 0,00005 0,00003 0,00002 0
    0,1 0,00029 0,00028 0.00026 0,00024 0,00022 0,00012
    0,2 0,0003 0,000295 0,00028 0,00028 0,00027 0,00016
    0,3 0,0003 0,0003 0,00029 0,00029 0,000285 0,00019
    0,4 0,0003 0.0003 0,0003 0,000295 0,000295 0,00022
    0,5 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,00024
    0,6 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,00025
  • Wie es aus der Tabelle 2 und der 5 ersichtlich ist, war in jedwedem der experimentellen Beispiele 1 bis 5, in denen das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 kleiner als oder gleich 0,63 war, der Pumpstrom Ip0 in einem Bereich, bei dem mindestens die Pumpspannung Vp0 größer als oder gleich 0,4 V war, nahezu konstant. Dies bedeutet, dass die Hauptpumpzelle 21 Sauerstoff in dem Messgegenstandsgas ausreichend hinauspumpen konnte und der Pumpstrom Ip0 ein Grenzstrom wurde. Im Gegensatz dazu wurde im experimentellen Beispiel 6, in dem das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 über 0,63 betrug, der Pumpstrom Ip0 nicht der Grenzstrom, wenn die Pumpspannung Vp0 im Bereich von 0,02 V bis 0,6 V lag. Dies bedeutet, dass das Pumpleistungsvermögen der Hauptpumpzelle 21 im experimentellen Beispiel 6 niedrig war. Wenn das Pumpleistungsvermögen der Hauptpumpzelle 21 niedrig ist, kann in einem Fall, bei dem das Messgegenstandsgas in einer mageren Atmosphäre vorliegt, Sauerstoff in dem ersten inneren Hohlraum 20 nicht ausreichend hinausgepumpt werden und der Pumpstrom Ip2 wird höher als der korrekte Wert, welcher der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas entspricht. Darüber hinaus kann, wenn das Pumpleistungsvermögen der Hauptpumpzelle 21 niedrig ist, in einem Fall, bei dem das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre vorliegt, Sauerstoff nicht ausreichend in den ersten inneren Hohlraum 20 gepumpt werden und der Pumpstrom Ip2 wird niedriger als der korrekte Wert, welcher der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas entspricht. Aufgrunddessen ist es im experimentellen Beispiel 6 ersichtlich, dass, je höher A/F (und λ) des Messgegenstandsgases ist, die relative Ip2-Empfindlichkeit umso niedriger ist (je niedriger A/F und λ sind, desto niedriger ist die relative Ip2-Empfindlichkeit), wie es in der 4 gezeigt ist. Dieses Ergebnis zeigt, dass das Au/Pt-Verhältnis der Innenseite-Pumpelektrode 22 vorzugsweise kleiner als oder gleich 0,63 ist.
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2018-240983 , die am 25. Dezember 2018 eingereicht worden ist und die in ihrer Gesamtheit unter Bezugnahme hierin einbezogen ist.
  • GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
  • Die vorliegende Erfindung ist z.B. für die industrielle Herstellung eines Gassensors des Grenzstromtyps geeignet, der die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx, in einem zu messenden Gas, wie z.B. einem Verbrennungsgas, erfasst.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 5323752 B [0003]
    • JP 2018240983 [0086]

Claims (7)

  1. Sensorelement, das zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas einer fetten Atmosphäre mittels eines Grenzstromverfahrens verwendet wird, wobei das Sensorelement umfasst: einen Schichtkörper, der eine Mehrzahl von gestapelten Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschichten aufweist und in dem ein Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt zum Einführen und Verteilen des Messgegenstandsgases bereitgestellt ist; eine Einstellpumpzelle, die eine Einstellpumpelektrode aufweist, die in einem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum in dem Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt angeordnet ist und die zum Einstellen der Konzentration von Sauerstoff in dem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum dient; eine Messelektrode, die in einem Messraum angeordnet ist, der stromabwärts von dem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum in dem Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt angeordnet ist; und eine Referenzelektrode, die innerhalb des Schichtkörpers angeordnet ist und in die ein Referenzgas, das als Referenz zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases dient, eingeführt wird, wobei die Einstellpumpelektrode Pt und Au enthält und das Au/Pt-Verhältnis (= die Fläche eines Abschnitts, bei dem Au freiliegt/die Fläche eines Abschnitts, bei dem Pt freiliegt), das mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) gemessen wird, größer als oder gleich 0,3, jedoch nicht größer als 0,63 ist.
  2. Sensorelement nach Anspruch 1, bei dem der Schichtkörper drei oder mehr Elektroden, einschließlich die Einstellpumpelektrode und die Messelektrode, die in dem Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt angeordnet sind, umfasst, und die Einstellpumpelektrode von den drei oder mehr Elektroden, die in dem Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt angeordnet sind, am weitesten stromaufwärts angeordnet ist.
  3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: eine Hilfspumpzelle, die eine Hilfspumpelektrode aufweist, die in einem Hilfseinstellraum stromabwärts von dem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum in dem Messgegenstandsgas-Verteilungsabschnitt angeordnet ist und die zum Einstellen der Konzentration von Sauerstoff in dem Hilfseinstellraum dient, wobei die Hilfspumpelektrode Pt und Au enthält und das Au/Pt-Verhältnis (= die Fläche eines Abschnitts, bei dem Au freiliegt/die Fläche eines Abschnitts, bei dem Pt freiliegt), das mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) gemessen wird, niedriger als das Au/Pt-Verhältnis der Einstellpumpelektrode ist.
  4. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Au/Pt-Verhältnis der Einstellpumpelektrode über 0,3 beträgt.
  5. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Konzentration eines spezifischen Gases die Konzentration von NOx oder die Konzentration von Ammoniak ist.
  6. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Sensorelement zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases im Abgas eines Benzinmotors verwendet wird.
  7. Gassensor, umfassend: das Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6; eine Einstellpumpzelle-Steuervorrichtung, welche die Einstellpumpzelle derart betreibt, dass die Konzentration von Sauerstoff in dem Sauerstoffkonzentration-Einstellraum eine Zielkonzentration wird; eine Messspannung-Erfassungsvorrichtung, die eine Messspannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode erfasst; und eine Vorrichtung zur Erfassung eines spezifischen Gases, die auf der Basis der Messspannung einen Erfassungswert erfasst, der dem Sauerstoff entspricht, der von dem spezifischen Gas stammt und in dem Messraum erzeugt wird, und die auf der Basis des Erfassungswerts die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst.
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