DE102019008512A1 - Gassensor - Google Patents

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Abstract

In einem Gassensor 100 führt eine Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 einen Steuerstrom Ip3 zwischen einer Referenzelektrode 42 und einer außenseitigen Pumpelektrode 23 und pumpt Sauerstoff aus der Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 in die Umgebung der Referenzelektrode 42. Soll A[µA] ein Grenzstrom sein, wenn Sauerstoff aus der Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 in die Umgebung der Referenzelektrode 42 mit einer porösen Schutzschicht 95, die einer Atmosphäre mit einer Sauerstoffkonzentration von 1000 ppm ausgesetzt ist, gepumpt wird, und B[µA] ein Grenzstrom sein, wenn Sauerstoff aus der Umgebung der Referenzelektrode 42 in die Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 mit einer Lufteinführungsschicht 48, die einer Luftatmosphäre ausgesetzt ist, gepumpt wird, dann ist das Verhältnis A/B größer oder gleich 0,005.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Es ist ein konventioneller Gassensor bekannt, der eine Konzentration eines spezifischen Gases wie NOx in einem Messgegenstandsgas, wie dem Abgas von Automobilen, erfasst. Zum Beispiel beschreibt PTL 1 einen Gassensor, der enthält: einen Schichtkörper, in dem mehrere sauerstoffionenleitende Festelektrolytschichten geschichtet sind; eine Referenzelektrode, die im Inneren des Schichtkörpers gebildet ist und in die ein Referenzgas aus dem Referenzgaseinführungsraum eingeführt wird; eine Messelektrode, die in einem Messgegenstandsgasstromsegment im Inneren des Schichtkörpers angeordnet ist; und eine Messgegenstandsgas-seitige Elektrode, die in einem Abschnitt des Schichtkörpers angeordnet ist, wobei der Abschnitt einem Messgegenstandsgas ausgesetzt ist. Der Gassensor erfasst eine spezifische Gaskonzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage einer elektromotorischen Kraft, die zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode erzeugt wird. Zusätzlich enthält der Gassensor eine Referenzgaseinstellvorrichtung, die einen Steuerstrom zwischen der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode führt und Sauerstoff in die Umgebung der Referenzelektrode pumpt. Die PTL 1 beschreibt, dass das Pumpen von Sauerstoff in die Umgebung der Referenzelektrode durch die Referenzgaseinstellvorrichtung die Möglichkeit bietet, die Verringerung der Sauerstoffkonzentration im Referenzgas in der Umgebung der Referenzelektrode zu kompensieren, und die Verringerung der Erfassungsgenauigkeit der spezifischen Gaskonzentration reduziert wird. Es ist zu beachten, dass die Reduzierung der Sauerstoffkonzentration im Referenzgas in der Umgebung der Referenzelektrode den Fall betrifft, dass das Messgegenstandsgas z.B. geringfügig in den Referenzgaseinführungsraum eintritt.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Aber selbst wenn der Sauerstoff in der Umgebung der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode in die Umgebung der Referenzelektrode gepumpt wird, kann die Menge des gepumpten Sauerstoffs nicht ausreichen und die Sauerstoffkonzentration im Referenzgas in der Umgebung der Referenzelektrode kann sich verringern.
  • Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um ein solches Problem zu lösen, und es ist die Hauptaufgabe, die Verringerung der Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode zu verringern.
  • Die vorliegende Erfindung wendet die folgende Lösung an, um die vorstehend beschriebene Hauptaufgabe zu lösen.
  • Ein Gassensor, umfassend:
    • einen Elementkörper mit einer sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschicht und innen mit einem Messgegenstandsgasstromsegment versehen, der ein Messgegenstandsgas einführt und das Gas strömen lässt;
    • eine Messelektrode, die auf einer inneren Oberfläche des Messgegenstandsgasstromsegments angeordnet ist;
    • eine Messgegenstandsgas-seitige Elektrode, die in einem Abschnitt des Elementkörpers angeordnet ist, wobei der Abschnitt dem Messgegenstandsgas ausgesetzt ist;
    • eine Referenzelektrode, die im Inneren des Elementkörpers angeordnet ist;
    • ein Messgegenstandsgaseinleitungssegment, das das Messgegenstandsgas einleitet und es dem Messgegenstandsgas ermöglicht, zur Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode zu strömen;
    • ein Referenzgas-Einleitungssegment, das ein Referenzgas einführt, das als Referenz für die Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration im Messgegenstandsgas dient, und das Referenzgas zur Referenzelektrode strömen lässt;
    • eine Detektionsvorrichtung, die die spezifische Gaskonzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage einer elektromotorischen Kraft, die zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode erzeugt wird, erfasst; und
    • eine Referenzgaseinstellvorrichtung, die einen Sauerstoff-Pumpstrom zwischen der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode führt und Sauerstoff aus der Umgebung der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode in die Umgebung der Referenzelektrode pumpt.
  • Soll A[µA] ein Grenzstrom sein, wenn Sauerstoff aus der Umgebung der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode in die Umgebung der Referenzelektrode gepumpt wird, wobei das Messgegenstandsgaseinleitungssegment einer Atmosphäre mit einer Sauerstoffkonzentration von 1000 ppm ausgesetzt ist, und soll B[µA] ein Grenzstrom sein, wenn Sauerstoff aus der Umgebung der Referenzelektrode in die Umgebung der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode gepumpt wird, wobei das Referenzgas-Einleitungssegment einer Luftatmosphäre ausgesetzt ist, dann ist ein Verhältnis A/B größer oder gleich 0,005.
  • Im Gassensor wird Sauerstoff in die Umgebung der Referenzelektrode gepumpt, indem ein Sauerstoff-Pumpstrom zwischen der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode geleitet wird. Dadurch kann z.B. die Verringerung der Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode kompensiert werden, wenn das Messgegenstandsgas in das Referenzgas-Einleitungssegment eintritt. Im Gassensor ist das Verhältnis A/B größer oder gleich 0,005, wobei A der Grenzstrom ist, wenn Sauerstoff aus der Umgebung der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode in die Umgebung der Referenzelektrode gepumpt wird, und B der Grenzstrom ist, wenn Sauerstoff aus der Umgebung der Referenzelektrode in die Umgebung der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode gepumpt wird. Dabei hat der Grenzstrom A eine negative Korrelation mit dem Diffusionswiderstand des Messgegenstandsgaseinleitungssegments. Außerdem hat der Grenzstrom B eine negative Korrelation mit dem Diffusionswiderstand des Referenzgas-Einleitungssegments. Da beim Gassensor das Verhältnis A/B größer oder gleich 0,005 ist, ist der Diffusionswiderstand des Messgegenstandsgaseinleitungssegments nicht zu hoch und der Diffusionswiderstand des Referenzgas-Einleitungssegments nicht zu niedrig, so dass die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode wahrscheinlich nicht reduziert wird.
  • In diesem Fall kann die Messgegenstandsgas-seitige Elektrode außerhalb des Elementkörpers oder an der inneren Oberfläche des Messgegenstandsgasstromsegments und an der stromaufwärtigen Seite des Messgegenstandsgases relativ zur Messelektrode angeordnet sein.
  • Im Gassensor der vorliegenden Erfindung kann das Verhältnis A/B größer oder gleich 0,4 sein. Bei dieser Einstellung ist es unwahrscheinlich, dass die Sauerstoffkonzentration im Referenzgas in der Umgebung der Referenzelektrode im Gassensor reduziert wird.
  • Im Gassensor der vorliegenden Erfindung kann das Verhältnis A/B kleiner oder gleich 125 sein. Bei dieser Einstellung kann eine zu hohe Sauerstoffkonzentration im Referenzgas in der Umgebung der Referenzelektrode aufgrund einer zu starken Akkumulation des in die Umgebung der Referenzelektrode gepumpten Sauerstoffs vermieden werden. In diesem Fall kann das Verhältnis A/B kleiner oder gleich 25 sein.
  • Im Gassensor der vorliegenden Erfindung kann der Grenzstrom A 1 µA bis 10000 µA betragen. Wenn der Grenzstrom A größer oder gleich 1 µA ist, lässt sich das Verhältnis A/B leicht auf 0,005 oder höher einstellen. Wenn der Grenzstrom A kleiner oder gleich 10000 µA ist, lässt sich das Verhältnis A/B leicht auf 125 oder weniger einstellen.
  • Im Gassensor der vorliegenden Erfindung kann der Grenzstrom B 8 µA bis 200 µA betragen. Wenn der Grenzstrom B größer oder gleich 8 µA ist, lässt sich das Verhältnis A/B leicht auf 125 oder weniger einstellen. Wenn der Grenzstrom B kleiner oder gleich 200 µA ist, kann das Verhältnis A/B leicht auf 0,005 oder höher eingestellt werden.
  • Im Gassensor der vorliegenden Erfindung sei C[mm2] die Fläche der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode und D[mm2] sei die Fläche der Referenzelektrode, dann kann die Fläche C größer oder gleich 1,0 mm2, die Fläche D größer oder gleich 0,5 mm2 und das Verhältnis C/D größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 20 sein. Dabei hat die Fläche C eine negative Korrelation mit dem Widerstandswert der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode. Außerdem hat die Fläche D eine negative Korrelation mit dem Widerstandswert der Referenzelektrode. Da die Fläche C größer oder gleich 1,0 mm2 ist, ist der Widerstandswert der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode nicht zu hoch. Da die Fläche D größer oder gleich 0,5 mm2 ist, ist der Widerstandswert der Referenzelektrode nicht zu hoch. Da das Verhältnis C/D größer oder gleich 1 ist, ist der Widerstandswert der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode in Bezug auf den Widerstandswert der Referenzelektrode nicht zu hoch. Da das Verhältnis C/D kleiner oder gleich 20 ist, ist der Widerstandswert der Referenzelektrode in Bezug auf den Widerstandswert der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode nicht zu hoch. Da die Fläche C größer oder gleich 1,0 mm2, die Fläche D größer oder gleich 0,5 mm2 und das Verhältnis C/D größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 20 ist, kann die Referenzgas-Einstelleinrichtung leicht einen geeigneten Sauerstoff-Pumpstrom führen.
  • Bei einem Gassensor in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, bei dem das Verhältnis C/D größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 20 ist, kann die Fläche C kleiner oder gleich 15,0 mm2 sein. Wenn die Fläche C kleiner oder gleich 15,0 mm2 ist, lässt sich das Verhältnis C/D leicht auf 20 oder weniger einstellen.
  • Im Gassensor gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, bei dem das Verhältnis C/D größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 20 ist, kann die Fläche D kleiner oder gleich 4,0 mm2 sein. Wenn die Fläche D kleiner oder gleich 4,0 mm2 ist, kann das Verhältnis C/D leicht auf 1 oder größer eingestellt werden.
  • Bei dem Gassensor dieser Erfindung kann das Messgegenstandsgaseinleitungssegment eine poröse Schutzschicht aufweisen, die einen Teil des Elementkörpers bedeckt, das Referenzgas-Einleitungssegment kann eine poröse Referenzgas-Einleitungsschicht aufweisen, die Porosität der porösen Schutzschicht kann größer oder gleich 20% und kleiner oder gleich 60% sein, und die Porosität der Referenzgas-Einleitungsschicht kann größer oder gleich 15% und kleiner oder gleich 50% sein.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Gassensors 100.
    • 2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Konfiguration einer Sensorvorrichtung 101 zeigt.
    • 3 ist ein schematischer Querschnitt, der die Konfiguration der Umgebung einer Lufteinführungsschicht 248 zeigt.
    • 4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Sensorvorrichtung 201 in einer Modifizierung.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG IM EINZELNEN
  • Als nächstes wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Gassensors 100 der vorliegenden Erfindung und 2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Konfiguration einer im Gassensor 100 enthaltenen Sensorvorrichtung 101 schematisch darstellt. Die Sensorvorrichtung 101 hat eine längliche rechteckige Parallelepipedform, die Längsrichtung (die horizontale Richtung von 2) der Sensorvorrichtung 101 ist die Richtung von vorne nach hinten und die Tiefenrichtung (die vertikale Richtung von 2) der Sensorvorrichtung 101 ist die vertikale Richtung. Auch die Breitenrichtung (die Richtung senkrecht zur Richtung von vorne nach hinten und zur vertikalen Richtung) ist die horizontale Richtung.
  • Wie in 1 dargestellt, enthält der Gassensor 100 die Sensorvorrichtung 101, eine Schutzabdeckung 130, die die vordere Endseite der Sensorvorrichtung 101 schützt, und einen Sensoraufbau 140 mit einem Verbinder 150, der elektrisch mit der Sensorvorrichtung 101 verbunden ist. Der Gassensor 100 wird, wie dargestellt, z.B. an einem Rohr 190, z.B. einem Abgasrohr eines Fahrzeugs, montiert und dient zur Messung der Konzentration eines spezifischen Gases (NOx in dieser Ausführung), das in einem als Messgegenstandsgas bereitgestellten Abgas enthalten ist. Die Sensorvorrichtung 101 enthält einen Elementkörper 101a und eine poröse Schutzschicht 95, die einen Teil des Elementkörpers 101a bedeckt.
  • Die Schutzabdeckung 130 enthält eine zylindrische Innenseiten-Schutzabdeckung 131 mit Boden, die das vordere Ende der Sensorvorrichtung 101 abdeckt, und eine zylindrische Außenseiten-Schutzabdeckung 132 mit Boden, die die Innenseiten-Schutzabdeckung 131 abdeckt. In der Innenseiten-Schutzabdeckung 131 und der Außenseiten-Schutzabdeckung 132 sind mehrere Löcher ausgebildet, um ein Messgegenstandsgas in die Schutzabdeckung 130 strömen zu lassen. Eine Sensorvorrichtungskammer 133 wird als der von der Innenseiten-Schutzabdeckung 131 umgebene Raum gebildet, und das vordere Ende der Sensorvorrichtung 101 wird in der Sensorvorrichtungskammer 133 angeordnet.
  • Der Sensoraufbau 140 beinhaltet einen Vorrichtungsabdichtungskörper 141, der die Sensorvorrichtung 101 abdichtet und befestigt, eine Mutter 147, ein Außenrohr 148, die auf dem Vorrichtungsabdichtungskörper 141 montiert sind, und einen Verbinder 150, der mit den Verbinderelektroden in Kontakt und elektrisch verbunden ist (nur der später beschriebene Heizungsverbinder 71 ist in 2 dargestellt), wobei die Verbinderelektroden auf der Oberfläche (vertikale Oberfläche) des hinteren Endes der Sensorvorrichtung 101 ausgebildet und nicht abgebildet sind.
  • Der Vorrichtungsabdichtungskörper 141 enthält ein rohrförmiges Hauptmetallanschlussstück 142, ein rohrförmiges Innenrohr 143, das koaxial mit dem Hauptmetallanschlussstück 142 verschweißt und befestigt ist, Keramikträger 144a bis 144c, Grünpellets 145a, 145b und einen Metallring 146, die in Durchgangsbohrungen im Inneren des Hauptmetallanschlussstücks 142 und des Innenrohrs 143 abgedichtet sind. Die Sensorvorrichtung 101 befindet sich auf der Mittelachse des Vorrichtungsabdichtungskörpers 141 und durchdringt den Vorrichtungsabdichtungskörper 141 in der Richtung von vorne nach hinten. Im Innenrohr 143 wird ein Segment mit vermindertem Durchmesser 143a zum Pressen des Grünpellets 145b in der zentralen axialen Richtung des Innenrohrs 143 und ein Segment mit vermindertem Durchmesser 143b zum Pressen der Keramikträger 144a bis 144c, der Grünpellets 145a, 145b über den Metallring 146 nach vorne gebildet. Die Grünpellets 145a, 145b werden zwischen dem Hauptmetallanschlussstück 142, dem Innenrohr 143 und der Sensorvorrichtung 101 durch eine Presskraft aus den Segmenten mit vermindertem Durchmesser 143a, 143b zusammengepresst, so dass die Grünpellets 145a, 145b zwischen der Sensorvorrichtungskammer 133 innerhalb der Schutzabdeckung 130 und dem Raum 149 innerhalb des Außenrohrs 148 abdichten sowie die Sensorvorrichtung 101 fixieren.
  • Die Mutter 147 ist koaxial an dem Hauptmetallanschlussstück 142 befestigt und an der äußeren Umfangsfläche ist ein Außengewindesegment ausgebildet. Das Außengewindesegment der Mutter 147 wird in ein Befestigungselement 191 eingesetzt, das an das Rohr 190 geschweißt ist und ein Innengewindesegment an der inneren Umfangsfläche aufweist. So wird der Gassensor 100 am Rohr 190 befestigt, wobei das vordere Ende der Sensorvorrichtung 101 und der Abschnitt der Schutzabdeckung 130 des Gassensors 100 in das Rohr 190 hineinragen.
  • Das Außenrohr 148 bedeckt die Umgebung des Innenrohrs 143, der Sensorvorrichtung 101 und des Verbinders 150 und mehrere mit dem Verbinder 150 verbundene Leitungsdrähte werden vom hinteren Ende nach außen gezogen. Die Leitungsdrähte 155 werden über den Verbinder 150 elektrisch mit den Elektroden (später beschrieben) der Sensorvorrichtung 101 verbunden. Der Spalt zwischen dem Außenrohr 148 und den Leitungsdrähten 155 wird mit einem Gummistopfen 157 abgedichtet. Der Raum 149 innerhalb des Außenrohrs 148 ist mit einem Referenzgas (Luft in dieser Ausführungsform) gefüllt. Das hintere Ende der Sensorvorrichtung 101 ist in dem Raum 149 angeordnet.
  • Wie in 2 dargestellt, ist die Sensorvorrichtung 101 eine Vorrichtung mit einem Schichtkörper, in dem sechs Schichten: eine erste Substratschicht 1, eine zweite Substratschicht 2, eine dritte Substratschicht 3, eine erste Festelektrolytschicht 4, eine Abstandsschicht 5 und eine zweite Festelektrolytschicht 6 in dieser Reihenfolge in der Zeichnungsansicht von der unteren Seite geschichtet sind, wobei die Schichten jeweils eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht wie Zirkoniumdioxid (ZrO2) sind. Außerdem ist der Festelektrolyt, der diese sechs Schichten bildet, extrem luftdicht. Eine solche Sensorvorrichtung 101 wird z.B. hergestellt, indem man eine vorbestimmte Verarbeitung durchführt und ein Schaltungsmuster auf jede der den Schichten entsprechenden keramischen Grünplatten druckt, die Platten schichtet und die Platten weiter kalziniert und integriert.
  • An einem vorderen Ende (einem Ende in Richtung der Vorderseite) der Sensorvorrichtung 101 sind zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 eine Gaseinführungsöffnung 10, ein erstes Diffusionssteuersegment 11, ein Pufferraum 12, ein zweites Diffusionssteuersegment 13, ein erster Innenraum 20, ein drittes Diffusionssteuersegment 30, ein zweiter Innenraum 40, ein viertes Diffusionssteuersegment 60 und ein dritter Innenraum 61 nebeneinander so ausgebildet, dass sie in dieser Reihenfolge miteinander kommunizieren können.
  • Die Gaseinführungsöffnung 10, der Pufferraum 12, der erste Innenraum 20, der zweite Innenraum 40 und der dritte Innenraum 61 sind Innenräume der Sensorvorrichtung 101, wobei der Innenraum so vorgesehen ist, dass die Abstandsschicht 5 gebohrt ist, und wobei der obere Teil, der untere Teil und der seitliche Teil durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bzw. die seitliche Oberfläche der Abstandsschicht 5 abgegrenzt sind.
  • Das erste Diffusionssteuersegment 11, das zweite Diffusionssteuersegment 13 und das dritte Diffusionssteuersegment 30 sind jeweils als zwei horizontal lange Schlitze vorgesehen (ihre Öffnung hat eine Längsrichtung in der Richtung senkrecht zu 2). Das vierte Diffusionssteuersegment 60 ist als ein horizontal langer Schlitz (seine Öffnung hat eine Längsrichtung in der Richtung senkrecht zu 2) vorgesehen, der als Spalt mit der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist. Es ist zu beachten, dass das Segment von der Gaseinführungsöffnung 10 bis zum dritten Innenraum 61 auch als Messgegenstandsgasstromsegment bezeichnet wird.
  • Zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ist eine Lufteinführungsschicht 48 vorgesehen. Die Lufteinführungsschicht 48 ist ein poröser Körper, der aus Keramik, wie z.B. Aluminiumoxid, besteht. Die Lufteinführungsschicht 48 hat ein Einlasssegment 48c an der hinteren Stirnseite und das Einlasssegment 48c ist der hinteren Stirnseite der Sensorvorrichtung 101 ausgesetzt. Das Einlasssegment 48c ist dem Raum 149 der 1 ausgesetzt (siehe 1). Ein Referenzgas zur Messung der NOx-Konzentration wird durch das Einlasssegment 48c in die Lufteinführungsschicht 48c eingeleitet. Das Referenzgas ist in dieser Ausführungsform Luft (die Atmosphäre im Raum 149 von 1). Außerdem wird die Lufteinführungsschicht 48 so gebildet, dass sie die Referenzelektrode 42 bedeckt. Die Lufteinführungsschicht 48 gibt dem durch das Einlasssegment 48c eingeführten Referenzgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand und führt das Referenzgas an der Referenzelektrode 42 ein.
  • Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die so ausgebildet ist, dass sie zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 liegt, und wie vorstehend beschrieben, ist die Umgebung der Elektrode mit der Lufteinführungsschicht 48 versehen. Die Referenzelektrode 42 ist direkt auf der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 ausgebildet, und bis auf den Abschnitt der Referenzelektrode 42, der mit der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 in Kontakt steht, sind alle von der Lufteinführungsschicht 48 bedeckt. Außerdem ist es, wie später beschrieben, möglich, die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in jedem von dem ersten Innenraum 20, dem zweiten Innenraum 40 und dem dritten Innenraum 61 unter Verwendung der Referenzelektrode 42 zu messen. Die Referenzelektrode 42 ist als poröse Cermet-Elektrode ausgebildet (z.B. eine Cermet-Elektrode zusammengesetzt aus Pt und ZrO2). Ohne sich hierauf besonders zu beschränken, hat die Referenzelektrode 42 eine Länge von z.B. 0,2 bis 2 mm in Richtung von vorne nach hinten, eine Breite von z.B. 0,2 bis 2,5 mm in horizontaler Richtung und eine Dicke von z.B. 5 bis 30 mm.
  • Im Messgegenstandsgasstromsegment ist die Gaseinführungsöffnung 10 ein zum Außenraum hin offener Teil und ein Messgegenstandsgas ist so ausgelegt, dass es aus dem Außenraum durch die Gaseinführungsöffnung 10 in die Sensorvorrichtung 101 geleitet werden kann. Das erste Diffusionssteuersegment 11 ist ein Segment, das dem durch die Gaseinführungsöffnung 10 entnommenen Messgegenstandsgas einen vorgegebenen Diffusionswiderstand verleiht. Der Pufferraum 12 ist der Raum, der für die Einführung des Messgegenstandsgases, das von dem ersten Diffusionssteuersegment 11 eingeführt wurde, in das zweite Diffusionssteuersegment 13 vorgesehen ist. Das zweite Diffusionssteuersegment 13 ist ein Segment, das vom Pufferraum 12 in den ersten Innenraum 20 eingeleiteten Messgegenstandsgas einen vorgegebenen Diffusionswiderstand verleiht. Wenn das Messgegenstandsgas von der Außenseite der Sensorvorrichtung 101 in den ersten Innenraum 20 eingeführt wird, wird das Messgegenstandsgas durch die Druckänderung (Pulsation des Abgasdrucks, wenn das Messgegenstandsgas ein Abgas eines Kraftfahrzeugs ist) des Messgegenstandsgases im Außenraum nicht direkt in den ersten Innenraum 20 eingeführt, aber die Druckschwankung des Messgegenstandsgases wird durch das erste Diffusionssteuersegment 11, den Pufferraum 12 und das zweite Diffusionssteuersegment 13 aufgehoben, dann wird das Messgegenstandsgas in den ersten Innenraum 20 eingeleitet. Folglich ist die Druckschwankung des in den ersten Innenraum 20 eingeleiteten Messgegenstandsgases nahezu vernachlässigbar. Der erste Innenraum 20 ist als Raum für die Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks im Messgegenstandsgas vorgesehen, das durch das zweite Diffusionssteuersegment 13 eingeführt wird. Dieser Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
  • Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine innenseitige Pumpelektrode 22 mit einem Deckenelektrodensegment 22a, das im Wesentlichen auf der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die dem ersten Innenraum 20 zugewandt ist, vorgesehen ist; eine außenseitige Pumpelektrode 23, die so vorgesehen ist, dass sie dem Außenraum (der Sensorvorrichtungskammer 133 von 1) in einem Bereich, der dem Deckenelektrodensegment 22a entspricht, der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgesetzt ist; und die zweite Festelektrolytschicht 6, die zwischen diesen Elektroden angeordnet ist, enthält.
  • Die innenseitige Pumpelektrode 22 wird über die oberen und unteren Festelektrolytschichten (die zweite Festelektrolytschicht 6 und die erste Festelektrolytschicht 4), die den ersten Innenraum 20 abgrenzen, und die Abstandsschicht 5, die die Seitenwand bildet, gebildet. Insbesondere ist das Deckenelektrodensegment 22a in der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die die Deckenoberfläche des ersten Innenraums 20 bildet, ein unteres Elektrodensegment 22b ist direkt in der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die die untere Oberfläche bildet, ein seitliches Elektrodensegment (nicht abgebildet) wird in der Seitenwandoberfläche (inneren Oberfläche) der Abstandsschicht 5 gebildet, die die beiden Seitenwandsegmente des ersten Innenraumes 20 bildet, so dass das Deckenelektrodensegment 22a und das untere Elektrodensegment 22b verbunden sind, und diese Segmente in einer Struktur als Tunnelform an der Anordnungsposition des seitlichen Elektrodensegments angeordnet sind.
  • Die innenseitige Pumpelektrode 22 und die außenseitige Pumpelektrode 23 sind jeweils als poröse Cermet-Elektrode ausgebildet (z.B. eine Cermet-Elektrode, die aus Pt mit 1 % Au und ZrO2 besteht). Es ist zu beachten, dass die innenseitige Pumpelektrode 22 in Kontakt mit dem Messgegenstandsgas unter Verwendung eines Materials gebildet wird, das eine geschwächte Reduktionsfähigkeit gegenüber dem NOx-Gehalt im Messgegenstandsgas aufweist.
  • In der Hauptpumpzelle 21 wird eine gewünschte Pumpspannung Vp0 zwischen der innenseitigen Pumpelektrode 22 und der außenseitigen Pumpelektrode 23 angelegt, um einen Pumpstrom Ip0 in positiver oder negativer Richtung zwischen der innenseitigen Pumpelektrode 22 und der außenseitigen Pumpelektrode 23 strömen zu lassen, wodurch es möglich ist, den Sauerstoff im ersten Innenraum 20 in den Außenraum herauszupumpen oder den Sauerstoff im Außenraum in den ersten Innenraum 20 zu pumpen.
  • Um die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in der Atmosphäre im ersten Innenraum 20 zu erfassen, ist außerdem eine elektrochemische Sensorzelle, insbesondere eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 80 zur Hauptpumpensteuerung vorgesehen, die die innenseitige Pumpelektrode 22, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandsschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 umfasst.
  • Die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im ersten Innenraum 20 ist durch Messung einer elektromotorischen Kraft V0 in der Sauerstoff-Partialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 80 zur Hauptpumpensteuerung bekannt. Darüber hinaus wird der Pumpstrom Ip0 durch eine Rückkopplungsregelung der Pumpspannung Vp0 einer variablen Stromversorgung 25 so gesteuert, dass die elektromotorische Kraft konstant ist. So kann die Sauerstoffkonzentration im ersten Innenraum 20 auf einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten werden.
  • Das dritte Diffusionssteuersegment 30 ist ein Segment, das dem Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 im ersten Innenraum 20 gesteuert wird, eine vorbestimmte Diffusion verleiht und das Messgegenstandsgas in den zweiten Innenraum 40 einführt.
  • Der zweite Innenraum 40 ist als Raum für die weitere Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks eines Messgegenstandsgases durch eine Hilfspumpzelle 50 vorgesehen, wobei das Gas durch das dritte Diffusionssteuersegment 30 eingeführt wurde, nachdem die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im ersten Innenraum 20 vorab eingestellt wurde. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum 40 mit hoher Genauigkeit konstant gehalten werden, so dass die NOx-Konzentration mit dem Gassensor 100 mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.
  • Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die eine Hilfspumpelektrode 51 mit einem Deckenelektrodensegment 51a, das im Wesentlichen auf der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die dem zweiten Innenraum 40 zugewandt ist, vorgesehen ist; die außenseitige Pumpelektrode 23 (ist nicht auf die außenseitige Pumpelektrode 23 beschränkt, aber eine geeignete Elektrode außerhalb der Sensorvorrichtung 101 reicht aus); und die zweite Festelektrolytschicht 6 enthält.
  • Eine solche Hilfspumpelektrode 51 ist im zweiten Innenraum 40 in einer Struktur in Form eines Tunnels angeordnet, der der im ersten genannten Innenraum 20 vorgesehenen innenseitigen Pumpelektrode 22 ähnlich ist. Insbesondere ist das Deckenelektrodensegment 51a für die zweite Festelektrolytschicht 6 gebildet, die die Deckenoberfläche des zweiten Innenraums 40 bildet, ein unteres Elektrodensegment 51b ist direkt auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 gebildet, die die untere Oberfläche des zweiten Innenraums 40 bildet, und ein seitliches Elektrodensegment (nicht abgebildet), das das Deckenelektrodensegment 51a und das untere Elektrodensegment 51b verbindet, ist auf jeder der beiden Wandoberflächen der Abstandsschicht 5 gebildet, die die Seitenwand des zweiten Innenraums 40 bildet, und hat eine Struktur in Form eines Tunnels. Es ist zu beachten, dass ähnlich wie die innenseitige Pumpelektrode 22 auch die Hilfspumpelektrode 51 unter Verwendung eines Materials gebildet wird, das eine geschwächte Reduktionsfähigkeit gegenüber dem NOx-Gehalt im Messgegenstandsgas aufweist.
  • In der Hilfspumpenzelle 50 ist es möglich, den Sauerstoff in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 40 in den Außenraum zu pumpen oder den Sauerstoff im Außenraum in den zweiten Innenraum 40 zu pumpen, indem eine gewünschte Spannung Vp1 über die Hilfspumpelektrode 51 und die außenseitige Pumpelektrode 23 angelegt wird.
  • Zusätzlich ist zur Regelung des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 40 eine elektrochemische Sensorzelle, insbesondere eine Sauerstoff-Partialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 81 zur Hilfspumpensteuerung vorgesehen, die die Hilfspumpelektrode 51, die Referenzelektrode 42, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandsschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4 und die dritte Substratschicht 3 enthält.
  • Es ist zu beachten, dass die Hilfspumpenzelle 50 das Pumpen mit einer variablen Stromversorgung 52 durchführt, deren Spannung auf der Grundlage einer elektromotorischen Kraft V1 gesteuert wird, die von der Sauerstoff-Partialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 81 zur Hilfspumpensteuerung erfasst wird. So wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 40 auf einen niedrigen Partialdruck geregelt, der im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Messung von NOx hat.
  • Daneben wird ein Pumpstrom Ip1 zur Steuerung der elektromotorischen Kraft der Sauerstoff-Partialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 80 für die Hauptpumpensteuerung verwendet. Konkret wird der Pumpstrom Ip1 der Sauerstoff-Partialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 80 zur Hauptpumpensteuerung als Steuersignal zugeführt und die elektromotorische Kraft V0 so geregelt, dass der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks des aus dem dritten Diffusionssteuersegment 30 in den zweiten Innenraum 40 eingeleiteten Messgegenstandsgases immer konstant geregelt wird. Wenn die Sauerstoff-Partialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 80 für die Hauptpumpensteuerung als NOx-Sensor verwendet wird, wird die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum 40 durch die Funktion der Hauptpumpenzelle 21 und der Hilfspumpenzelle 50 auf einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten.
  • Das vierte Diffusionssteuersegment 60 ist ein Segment, das dem Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 im zweiten Innenraum 40 gesteuert wird, einen vorbestimmten diffusen Widerstand verleiht und das Messgegenstandsgas in den dritten Innenraum 61 einleitet. Das vierte Diffusionssteuersegment 60 hat die Funktion, die Menge an NOx, die in den dritten Innenraum 61 geflossen ist, zu begrenzen.
  • Der dritte Innenraum 61 ist als Raum für die Durchführung der Verarbeitung in Bezug auf die Messung der Stickoxid (NOx)-Konzentration in einem Messgegenstandsgas vorgesehen, wobei das Gas durch das vierte Diffusionssteuersegment 60 eingeführt wurde, nachdem die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im zweiten Innenraum 40 im Voraus eingestellt wurde. Die Messung der NOx-Konzentration erfolgt durch den Betrieb einer Pumpzelle 41 zur Messung hauptsächlich im dritten Innenraum 61.
  • Die Pumpzelle 41 zur Messung misst die NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas im dritten Innenraum 61. Die Pumpzelle 41 für die Messung ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine Messelektrode 44, die direkt auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet ist, die dem dritten Innenraum 61 zugewandt ist, die außenseitige Pumpelektrode 23, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandsschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 enthält. Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermet-Elektrode. Die Messelektrode 44 fungiert auch als NOx-Reduktionskatalysator, der das in der Atmosphäre im dritten Innenraum 61 vorhandene NOx reduziert.
  • Die Pumpzelle 41 für die Messung kann Sauerstoff, der durch die Zersetzung von Stickstoffoxid in der Atmosphäre der Umgebung der Messelektrode 44 erzeugt wird, pumpen und die Menge der Erzeugung als Pumpstrom Ip2 erfassen.
  • Um den Sauerstoffpartialdruck in der Umgebung der Messelektrode 44 zu erfassen, ist außerdem eine Sauerstoff-Partialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 82 zur Messpumpensteuerung vorgesehen, die die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 umfasst. Eine variable Stromversorgung 46 wird auf der Grundlage einer elektromotorischen Kraft V2 gesteuert, die von der Sauerstoff-Partialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 82 zur Messpumpensteuerung erfasst wird.
  • Das in den zweiten Innenraum 40 eingeleitete Messgegenstandsgas gelangt über das vierte Diffusionssteuersegment 60 zur Messelektrode 44 des dritten Innenraums 61, wo der Sauerstoffpartialdruck geregelt wird. Das Stickoxid im Messgegenstandsgas in der Umgebung der Messelektrode 44 wird reduziert (2NO → N2 + O2) und es entsteht Sauerstoff. Der erzeugte Sauerstoff wird von der Pumpzelle 41 zur Messung gepumpt und zu diesem Zeitpunkt wird eine Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so gesteuert, dass die von der Sauerstoff-Partialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 82 zur Messpumpensteuerung erfasste elektromotorische Kraft V2 konstant gehalten wird. Die Menge des in der Umgebung der Messelektrode 44 erzeugten Sauerstoffs ist proportional zur Konzentration des Stickoxids im Messgegenstandsgas, daher wird die Stickoxidkonzentration im Messgegenstandsgas unter Verwendung des Pumpstroms Ip2 in der Pumpzelle 41 für die Messung berechnet.
  • Eine elektrochemische Sensorzelle 83 enthält außerdem die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandsschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die außenseitige Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42. Der Sauerstoffpartialdruck im Messgegenstandsgas außerhalb des Sensors ist durch eine elektromotorische Kraft Vref, die von der Sensorzelle 83 erhalten wird, nachweisbar.
  • Zusätzlich enthält eine elektrochemische Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandsschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die außenseitige Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42. Die elektrochemische Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 führt das Pumpen aus, indem sie einen Steuerstrom (Sauerstoff-Pumpstrom) Ip3 führt, der durch eine Steuerspannung Vp3 verursacht wird, die von einem zwischen der außenseitigen Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 angeschlossenen Stromversorgungskreis 92 angelegt wird. So pumpt die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 Sauerstoff aus dem Raum (der Sensorvorrichtungskammer 133 von 1) in der Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 in die Umgebung der Referenzelektrode 42.
  • In dem Gassensor 100, der eine solche Konfiguration aufweist, wird ein Messgegenstandsgas mit einem Sauerstoffpartialdruck, der die ganze Zeit auf einem konstant niedrigen Wert gehalten wird (ein Wert, der im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Messung von NOx hat), der Pumpzelle 41 zur Messung durch Betrieb der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 zugeführt. So kann die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage des Pumpstroms Ip2 bekannt sein, der durch das Pumpen von Sauerstoff durch die Pumpzelle 41 zur Messung transportiert wird, wobei der Sauerstoff im Wesentlichen proportional zur Konzentration des NOx im Messgegenstandsgas ist und durch die Reduktion des NOx erzeugt wird.
  • Darüber hinaus enthält die Sensorvorrichtung 101 eine Heizeinheit 70, die eine Funktion der Temperatureinstellung durch Beheizung der Sensorvorrichtung 101 und Aufrechterhaltung der Temperatur hat, um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu verbessern. Die Heizeinheit 70 enthält eine Heizungsverbinderelektrode 71, eine Heizung 72, eine Durchgangsbohrung 73, eine Heizungsisolierschicht 74, eine Druckdiffusionsöffnung 75 und einen Leitungsdraht 76.
  • Die Heizungsverbinderelektrode 71 ist eine Elektrode, die so geformt ist, dass sie eine Verbindung mit der unteren Oberfläche des ersten Substrats 1 ermöglicht. Es ist möglich, die Heizeinheit 70 von außen mit elektrischer Energie zu versorgen, indem man die Heizungsverbinderelektrode 71 an eine äußere Stromversorgung anschließt.
  • Die Heizung 72 ist ein elektrischer Widerstand, der so ausgebildet ist, dass er vertikal zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 angeordnet wird. Die Heizung 72 ist über den Leitungsdraht 76 und die Durchgangsbohrung 73 mit der Heizungsverbinderelektrode 71 verbunden, wird durch die elektrische Versorgung vom Elektrolyten von außen durch die Heizungsverbinderelektrode 71 beheizt und führt die Erwärmung und Temperaturerhaltung des Festkörpers durch, der die Sensorvorrichtung 101 bildet.
  • Außerdem ist die Heizung 72 über die gesamte Fläche vom ersten Innenraum 20 bis zum dritten Innenraum 61 eingebettet und kann die gesamte Sensorvorrichtung 101 auf eine Temperatur einstellen, die eine Aktivierung des Festelektrolyts bewirkt.
  • Die Heizungsisolierschicht 74 ist eine Isolierschicht, die poröses Aluminiumoxid enthält, die aus einem Isolator wie Aluminiumoxid besteht. Die Heizungsisolierschicht 74 wird gebildet, um eine elektrische Isolierung zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der Heizung 72 und eine elektrische Isolierung zwischen der dritten Substratschicht 3 und der Heizung 72 zu erhalten.
  • Die Druckdiffusionsöffnung 75 ist ein Segment, das vorgesehen ist, um die dritte Substratschicht 3 und die Lufteinführungsschicht 48 zu durchdringen, und der zum Zweck der Verringerung des Anstiegs eines Innendrucks in Verbindung mit dem Temperaturanstieg in der Heizungsisolierschicht 74 gebildet wird.
  • Es ist zu beachten, dass die in 2 dargestellten variablen Stromversorgungen 25, 46, 52 tatsächlich über Leitungsdrähte (nicht abgebildet), die in der Sensorvorrichtung 101 und dem Verbinder 150 und den Leitungsdrähten 155 von 1 gebildet werden, mit Elektroden verbunden sind.
  • Wie in 1, 2 dargestellt, ist ein Teil (hier der vordere Endteil des Elementkörpers 101a) des Elementkörpers 101a von der porösen Schutzschicht 95 bedeckt. Wie in 2 dargestellt, bedeckt die poröse Schutzschicht 95 einen Teil der oberen und unteren Oberfläche des Elementkörpers 101a, und obwohl eine Abbildung weggelassen wurde, bedeckt die poröse Schutzschicht 95 auch einen Teil der linken Oberfläche und rechten Oberfläche des Elementkörpers 101a. Die poröse Schutzschicht 95 bedeckt die Stirnseite der Oberfläche des vorderen Endes. Die poröse Schutzschicht 95 bedeckt die außenseitige Pumpelektrode 23. Die poröse Schutzschicht 95 bedeckt auch den Gaseinführungsanschluss 10. Da es sich bei der porösen Schutzschicht 95 um einen porösen Körper handelt, kann das Messgegenstandsgas in der Sensorvorrichtungs-Kammer 133 die außenseitige Pumpelektrode 23 oder die Gaseinführungsöffnung 10 erreichen, indem es durch die Innenseite der porösen Schutzschicht 95 strömt. So fungiert die poröse Schutzschicht 95 als ein Messgegenstandsgaseinleitungssegment, das ein Messgegenstandsgas von außen einleitet (hier die Sensorvorrichtungs-Kammer 133) und das Gas zur außenseitigen Pumpelektrode 23 strömen lässt. Die poröse Schutzschicht 95 bedeckt einen Teil des Elementkörpers 101a und schützt diesen Teil. Die poröse Schutzschicht 95 hat zum Beispiel die Funktion, vor dem Auftreten von Rissen des Elementkörpers 101a aufgrund des Anhaftens von Wasser im Messgegenstandsgas an den Elementkörper 101a zu schützen. Darüber hinaus hat die poröse Schutzschicht 95 die Funktion, das Anhaften von Vergiftungsstoffen, wie Ölgehalt im Messgegenstandsgas, an der außenseitigen Pumpelektrode 23 zu vermeiden und den Abbau der außenseitigen Pumpelektrode 23 zu vermindern.
  • Die poröse Schutzschicht 95 ist ein poröser Körper, der als Bestandteilsteilchen Keramikteilchen enthält. Bei dieser Ausführungsform wird angenommen, dass die poröse Schutzschicht 95 aus einem porösen Aluminiumoxidmaterial besteht. Die Porosität der porösen Schutzschicht 95 ist z.B. größer oder gleich 20% und kleiner oder gleich 60%. Die Dicke der porösen Schutzschicht 95 ist z.B. größer oder gleich 100 µm und kleiner oder gleich 800 µm.
  • Die vorstehend beschriebene Lufteinführungsschicht 48 fungiert als Referenzgas-Einleitungssegment, das ein Referenzgas (hier Luft) einleitet, das als Referenz zur Erfassung der NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas dient und das Referenzgas zur Referenzelektrode 42 strömen lässt. Die Porosität der Lufteinführungsschicht 48 ist beispielsweise größer oder gleich 15% und kleiner oder gleich 50%.
  • Als nächstes wird nachstehend ein Beispiel für ein Herstellungsverfahren für den Gassensor 100 beschrieben. Zunächst werden sechs unkalzinierte keramische Grünplatten hergestellt, die als Keramikgehalt einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, wie Zirkoniumoxid, enthalten. In den Grünplatten werden mehrere Plattenlöcher und notwendige Durchgangsbohrungen gebildet, die für die Positionierung zum Zeitpunkt des Drucks oder zum Zeitpunkt der Schichtung verwendet werden. Zusätzlich wird eine Grünplatte für die Abstandsschicht 5 mit einem Raum versehen, der als Messgegenstandsgasstromsegment dient, indem eine Stanzbearbeitung oder ähnliches durchgeführt wird. Für jede der ersten Substratschicht 1, der zweiten Substratschicht 2, der dritten Substratschicht 3, der ersten Festelektrolytschicht 4, der Abstandsschicht 5 und der zweiten Festelektrolytschicht 6 werden die Musterdruckbearbeitung und die Trockenbearbeitung durchgeführt, um verschiedene Muster auf einer entsprechenden keramischen Grünplatte zu bilden. Konkret sind die gebildeten Muster z.B. die vorstehend beschriebenen Elektroden und die mit den Elektroden verbundenen Leitungsdrähte, die Lufteinführungsschicht 48 und die Heizeinheit 70. Das Drucken von Mustern erfolgt durch Auftragen von musterbildender Paste auf eine Grünplatte unter Verwendung einer bekannten Siebdrucktechnik, wobei die musterbildende Paste entsprechend den für einen zu formendes Gegenstand erforderlichen Eigenschaften vorbereitet wird. Die Trockenbearbeitung wird ebenfalls unter Verwendung einer bekannten Trocknungsvorrichtung durchgeführt. Wenn der Musterdruck und die Trocknung abgeschlossen sind, wird der Druck und die Trockenbearbeitung auf einer Bondingpaste für die Schichtung und Verklebung der den Schichten entsprechenden Grünplatten durchgeführt. Die Grünplatten, auf denen die Bondingpaste gebildet wird, werden mit den Plattenlöchern positioniert, in einer vorbestimmten Reihenfolge geschichtet und durch Anwendung vorbestimmter Temperatur- und Druckbedingungen unter Druck verklebt. So wird eine Druck-Bondingbearbeitung durchgeführt, um einen Einschichtkörper zu erhalten. Der so erhaltene Schichtkörper enthält mehrere Vorrichtungskörper 101a. Der Schichtkörper wird geschnitten und in Stücke von der Größe des Elementkörpers 101a geteilt. Der geteilte Schichtkörper wird bei einer vorgegebenen Kalzinierungstemperatur kalziniert, um die einzelnen Vorrichtungskörper 101a zu erhalten.
  • Anschließend wird die poröse Schutzschicht 95 im Elementkörper 101a gebildet, um die Sensorvorrichtung 101 zu erhalten. Die poröse Schutzschicht 95 kann z.B. unter Verwendung von Plasmaspritzen, Siebdruck, Gelgussverfahren oder Tauchen hergestellt werden. Wenn die poröse Schutzschicht 95 durch ein Verfahren das Kalzinierung, wie Siebdruck oder Tauchen beinhaltet, gebildet wird, kann die poröse Schutzschicht 95 vor der Kalzinierung im Elementkörper 101a vor der Kalzinierung gebildet werden, und die Sensorvorrichtung 101 kann durch Kalzinierung beider erhalten werden.
  • Wenn die Sensorvorrichtung 101 auf diese Weise hergestellt wird, wird der Sensoraufbau 140 (siehe 1), der die Sensorvorrichtung 101 beinhaltet, hergestellt und der Gassensor 100 wird durch Montage der Schutzabdeckung 130 und eines Gummistopfens 157 auf dem Sensoraufbau 140 hergestellt.
  • Hier werden die Funktionen der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 im Einzelnen beschrieben. Ein Messgegenstandsgas wird aus der in 1 dargestellten Sensorvorrichtungs-Kammer 133 in das Messgegenstandsgasstromsegment, wie die Gaseinführungsöffnung 10, der Sensorvorrichtung 101 eingeführt. Im Gegensatz dazu wird ein Referenzgas (Luft) innerhalb des in 1 dargestellten Raumes 149 in die Lufteinführungsschicht 48 der Sensorvorrichtung 101 eingeleitet. Die Sensorvorrichtungs-Kammer 133 und der Raum 149 werden durch den Sensoraufbau 140 (insbesondere die Grünpellets 145a, 145b) abgegrenzt und abgedichtet, so dass kein Gas von einem zum anderen strömt. Es kann jedoch eine geringe Menge Gas aus der Sensorvorrichtungs-Kammer 133 in den Raum 149 eindringen. Wenn also die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode 42 reduziert wird, ändert sich das Referenzpotential, das das Potential der Referenzelektrode 42 ist. Dadurch wird eine elektromotorische Kraft relativ zur Referenzelektrode 42, wie die elektromotorische Kraft V2 der Sauerstoff-Partialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 82 zur Messpumpensteuerung, verändert und die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas reduziert. Die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 hat die Funktion, eine solche Verringerung der Erfassungsgenauigkeit zu reduzieren. Die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 führt den Steuerstrom Ip3 (Sauerstoff-Pumpstrom), indem die Steuerspannung Vp3 über die Referenzelektrode 42 und die außenseitige Pumpelektrode 23 angelegt wird, wodurch Sauerstoff aus der Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 in die Umgebung der Referenzelektrode 42 gepumpt wird. So kann die Reduzierung der Sauerstoffkonzentration durch die Versorgung der Umgebung der Referenzelektrode 42 mit Sauerstoff verringert werden und die Erfassungsgenauigkeit kann verringert werden. Wie vorstehend beschrieben, wird das Messgegenstandsgas in der Sensorvorrichtungs-Kammer 133 durch die poröse Schutzschicht 95 in die Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 eingeleitet. So pumpt die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 den Sauerstoff des Messgegenstandsgases, der die Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 erreicht hat, durch die poröse Schutzschicht 95 in die Umgebung der Referenzelektrode 42.
  • In dieser Ausführungsform ist das Verhältnis A/B größer oder gleich 0,005, wobei A[µA] der Grenzstrom ist, wenn Sauerstoff aus der Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 in die Umgebung der Referenzelektrode 42 gepumpt wird, wobei die poröse Schutzschicht 95 einer Atmosphäre mit einer Sauerstoffkonzentration von 1000 ppm ausgesetzt ist, und B[µA] der Grenzstrom ist, wenn Sauerstoff aus der Umgebung der Referenzelektrode 42 in die Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 gepumpt wird, wobei die Lufteinführungsschicht 48 der Luftatmosphäre ausgesetzt ist. Das Verhältnis A/B ist auf 0,005 oder größer eingestellt, so dass die von der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 in die Umgebung der Referenzelektrode 42 gepumpte Sauerstoffmenge wahrscheinlich nicht ausreicht. Folglich ist es unwahrscheinlich, dass beim Gassensor 100 dieser Ausführungsform die Sauerstoffkonzentration im Referenzgas in der Umgebung der Referenzelektrode 42 reduziert wird.
  • Das Messverfahren für den Grenzstrom A ist wie folgt: Zunächst wird die poröse Schutzschicht 95 der Sensorvorrichtung 101 einem atmosphärischen Gas mit Stickstoff als Grundgas und einer Sauerstoffkonzentration von 1000 ppm ausgesetzt. Zum Beispiel wird der Gassensor 100 auf dem Rohr 190 montiert, wie in 1 dargestellt, und das atmosphärische Gas wird durch das Rohr 190 geleitet. So wird der vordere Endabschnitt, einschließlich der porösen Schutzschicht 95, der Sensorvorrichtung 101 dem atmosphärischen Gas ausgesetzt. Obwohl die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Lufteinführungsschicht 48 im Wesentlichen keinen Einfluss auf einen Messwert des Grenzstromes A hat, ist der hintere Endabschnitt, einschließlich der Lufteinführungsschicht 48, der Sensorvorrichtung 101 der Luftatmosphäre ausgesetzt. Als nächstes wird die Sensorvorrichtung 101 auf eine vorbestimmte Temperatur (z.B. 800°C) aufgeheizt, indem die Heizung 72 eingeschaltet wird. Jede der variablen Stromversorgungen 25, 46, 52 und der Stromversorgungskreis 92 befinden sich in einem Zustand, in dem keine Spannung daran angelegt ist. Nachdem sich die Temperatur der Sensorvorrichtung 101 stabilisiert hat, wird die Steuerspannung Vp3 über die außenseitige Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42 angelegt, so dass Sauerstoff aus der Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 in die Umgebung der Referenzelektrode 42 gepumpt wird. Der Steuerstrom Ip3 (Sauerstoff-Pumpstrom), der zu diesem Zeitpunkt zwischen den beiden Elektroden 23, 42 fließt, wird gemessen. Die Steuerspannung Vp3 wird als Gleichspannung angenommen. Anschließend wird mit der allmählichen Erhöhung der Steuerspannung Vp3 auch der Steuerstrom Ip3 allmählich erhöht, aber letztlich wird auch bei der Erhöhung der Steuerspannung Vp3 der Steuerstrom Ip3 nicht erhöht und erreicht eine obere Grenze. Die obere Grenze zu diesem Zeitpunkt wird als Grenzstrom A gemessen. Das Durchflussvolumen des Gases, das durch das Messgegenstandsgaseinleitungssegment (hier die poröse Schutzschicht 95) in die Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 gelangt, ist abhängig vom Diffusionswiderstand der porösen Schutzschicht 95. Insbesondere hängt das Durchflussvolumen des Gases, das die Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 erreicht, vom Diffusionswiderstand (im Folgenden einfach „Diffusionswiderstand der porösen Schutzschicht 95“ genannt) des Abschnitts der porösen Schutzschicht 95 ab, der als Weg des Gases von der Außenseite zur außenseitigen Pumpelektrode 23 dient. Was sich besonders auf den Diffusionswiderstand der porösen Schutzschicht 95 auswirkt, ist der Diffusionswiderstand des umgebenden Abschnitts der außenseitigen Pumpelektrode 23, wie z.B. der Abschnitt unmittelbar über der außenseitigen Pumpelektrode 23, der porösen Schutzschicht 95. Der Grenzstrom A hat eine negative Korrelation mit dem Diffusionswiderstand der porösen Schutzschicht 95, hat also einen kleineren Wert für einen größeren Diffusionswiderstand. Der Grenzstrom A kann durch Änderung der Porosität der porösen Schutzschicht 95, durch Änderung der Länge (der Dicke der porösen Schutzschicht 95) des Gases in Strömungsrichtung von der Außenseite der Sensorvorrichtung 101 zur außenseitigen Pumpelektrode 23 der porösen Schutzschicht 95 oder durch Änderung der Querschnittsfläche der porösen Schutzschicht 95, wenn die poröse Schutzschicht 95 durch eine Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases von der Außenseite der Sensorvorrichtung 101 zur außenseitigen Pumpelektrode 23 der porösen Schutzschicht 95 geschnitten wird, eingestellt werden.
  • Das Messverfahren für den Grenzstrom B ist wie folgt: Zunächst wird die Lufteinführungsschicht 48 der Luftatmosphäre ausgesetzt. Zum Beispiel wird, ähnlich wie bei dem vorstehend beschriebenen Messverfahren für den Grenzstrom A, der Gassensor 100 auf das Rohr 190 montiert und der hintere Endabschnitt, der die Lufteinführungsschicht 48 enthält, der Sensorvorrichtung 101 der Luftatmosphäre ausgesetzt. Obwohl die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der porösen Schutzschicht 95 im Wesentlichen keinen Einfluss auf einen Messwert des Grenzstromes B hat, wird das Innere des Rohres 190 in die Luftatmosphäre gesetzt, und die poröse Schutzschicht 95 ist der Luftatmosphäre ausgesetzt. Als nächstes wird der Grenzstrom B auf die gleiche Weise gemessen wie der Grenzstrom A, mit dem Unterschied, dass die Steuerspannung Vp3 so angelegt wird, dass Sauerstoff aus der Umgebung der Referenzelektrode 42 in die Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 gepumpt wird. Insbesondere wird auch bei einer Erhöhung der Steuerspannung Vp3 der Steuerstrom Ip3 (Sauerstoff-Pumpstrom) nicht erhöht und eine Obergrenze des Steuerstroms Ip3 erreicht und der Grenzstrom B wird als Wert der Obergrenze gemessen. Das Durchflussvolumen des Gases, das über das Referenzgas-Einleitungssegment (hier die Lufteinführungsschicht 48) in die Umgebung der Referenzelektrode 42 gelangt, hängt vom Diffusionswiderstand der Lufteinführungsschicht 48 ab. Somit hat der Grenzstrom B eine negative Korrelation mit der Lufteinführungsschicht 48 und hat einen kleineren Wert für einen größeren Diffusionswiderstand. Der Grenzstrom B kann durch Änderung der Porosität der Lufteinführungsschicht 48, durch Änderung der Länge des Gases in Strömungsrichtung (hier die Richtung von vorne nach hinten) von der Außenseite der Sensorvorrichtung 101 zur Referenzelektrode 42 der Lufteinführungsschicht 48 oder durch Änderung der Querschnittsfläche der Lufteinführungsschicht 48, wenn die Lufteinführungsschicht 48 durch eine Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases von der Außenseite der Sensorvorrichtung 101 zur Referenzelektrode 42 der Lufteinführungsschicht 48 geschnitten wird, eingestellt werden.
  • Hier ist es bei einem zu kleinen Grenzstrom A, d.h. bei einem zu hohen Diffusionswiderstand der porösen Schutzschicht 95, für das Messgegenstandsgas schwierig, in die Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 zu gelangen, so dass der Sauerstoff in der Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 wahrscheinlich nicht ausreicht. In diesem Fall ist die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 möglicherweise nicht in der Lage, eine ausreichende Menge Sauerstoff in die Umgebung der Referenzelektrode 42 zu pumpen. Auch wenn der Grenzstrom zu groß ist, d.h. der Diffusionswiderstand der Lufteinführungsschicht 48 zu hoch ist, wird der von der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 in die Umgebung der Referenzelektrode 42 gepumpte Sauerstoff wahrscheinlich über die Lufteinführungsschicht 48 nach außen strömen, die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode 42 wird möglicherweise nicht eingehalten. Um dem gerecht zu werden, ist beim Gassensor 100 in dieser Ausführungsform das Verhältnis A/B größer oder gleich 0,005, so dass der Diffusionswiderstand der porösen Schutzschicht 95 nicht zu hoch und der Diffusionswiderstand der Lufteinführungsschicht 48 nicht zu niedrig ist. Es ist daher unwahrscheinlich, dass die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode 42 reduziert wird.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird der Grenzstrom A in einer Atmosphäre mit einer Sauerstoffkonzentration von 1000 ppm (= 0,1%) gemessen und der Grenzstrom B wird in einer Atmosphäre (Sauerstoffkonzentration 20,5%) gemessen. Wenn also der Diffusionswiderstand der porösen Schutzschicht 95 gleich dem Diffusionswiderstand der Lufteinführungsschicht 48 ist, ergibt sich das Verhältnis A/B = (0,1%)/(20,5%), das etwa 0,005 beträgt. Mit anderen Worten, das Verhältnis A/B größer als 0,005 bedeutet, dass der Diffusionswiderstand der porösen Schutzschicht 95 kleiner oder gleich dem Diffusionswiderstand der Lufteinführungsschicht 48 ist. Das Verhältnis A/B ist vorzugsweise größer als gleich 0,4. In diesem Fall ist es unwahrscheinlicher, dass die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode 42 reduziert wird.
  • Ist der Grenzstrom A relativ groß, d.h. der Diffusionswiderstand der porösen Schutzschicht 95 ist relativ gering, ist der Grenzstrom B zu klein, d.h. der Diffusionswiderstand der Lufteinführungsschicht 48 ist zu hoch, wird der in die Umgebung der Referenzelektrode 42 gepumpte Sauerstoff zu stark angereichert und die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode 42 kann zu hoch werden. Daher ist das Verhältnis A/B vorzugsweise kleiner oder gleich 125 und bevorzugter kleiner oder gleich 25.
  • Der Grenzstrom A beträgt vorzugsweise 1 µA bis 10000 µA. Wenn der Grenzstrom A größer oder gleich 1 µA ist, kann das Verhältnis A/B leicht auf 0,005 oder höher eingestellt werden. Wenn der Grenzstrom A kleiner oder gleich 10000 µA ist, kann das Verhältnis A/B leicht auf 125 oder weniger eingestellt werden. Der Grenzstrom A kann größer oder gleich 10 µA oder größer oder gleich 20 µA sein. Der Grenzstrom A kann kleiner oder gleich 1000 µA, kleiner oder gleich 500 µA oder kleiner oder gleich 400 µA sein.
  • Der Grenzstrom B beträgt vorzugsweise 8 µA bis 200 µA. Der Grenzstrom B kann größer oder gleich 10 µA oder größer oder gleich 20 µA sein. Der Grenzstrom B kann kleiner oder gleich 100 µA oder kleiner oder gleich 80 µA sein.
  • Sei C[mm2] die Fläche der außenseitigen Pumpelektrode 23, D[mm2] die Fläche der Referenzelektrode 42, dann ist es bevorzugt, dass mindestens eine der folgenden drei Bedingungen erfüllt ist. Die Fläche C ist größer oder gleich 1,0 mm2, die Fläche D ist größer oder gleich 0,5 mm2 und das Verhältnis C/D ist größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 20. Es ist bevorzugter, wenn alle drei Bedingungen erfüllt sind. Die Fläche C der außenseitigen Pumpelektrode 23 ist die Fläche (hier die Fläche der oberen Oberfläche der außenseitigen Pumpelektrode 23), gesehen in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche (hier die obere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6), auf der die außenseitige Pumpelektrode 23 angeordnet ist. Die Fläche D der Referenzelektrode 42 ist die Fläche (hier die Fläche der oberen Oberfläche der Referenzelektrode 42), gesehen in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche (hier die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4), auf der die Referenzelektrode 42 angeordnet ist. Hier hat die Fläche C eine negative Korrelation mit dem Widerstandswert der außenseitigen Pumpelektrode 23. Außerdem hat die Fläche D eine negative Korrelation mit dem Widerstandswert der Referenzelektrode 42. Da die Fläche C größer oder gleich 1,0 mm2 ist, ist der Widerstandswert der außenseitigen Pumpelektrode 23 nicht zu hoch. Da die Fläche D größer oder gleich 0,5 mm2 ist, ist der Widerstandswert der Referenzelektrode 42 nicht zu hoch. Da das Verhältnis C/D größer oder gleich 1 ist, ist der Widerstandswert der außenseitigen Pumpelektrode 23 nicht zu hoch im Vergleich zum Widerstandswert der Referenzelektrode 42. Da das Verhältnis C/D kleiner oder gleich 20 ist, ist der Widerstandswert der Referenzelektrode im Vergleich zum Widerstandswert der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode nicht zu hoch. Wenn die Fläche C größer oder gleich 1,0 mm2, die Fläche D größer oder gleich 0,5 mm2 und das Verhältnis C/D größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 20 ist, kann daher von der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 aus leicht ein entsprechender Steuerstrom Ip3 (Sauerstoff-Pumpstrom) geführt werden.
  • Die Fläche C ist vorzugsweise größer oder gleich 1,0 mm2 und kleiner oder gleich 15,0 mm2. Wenn die Fläche C größer oder gleich 1,0 mm2 ist, lässt sich das Verhältnis C/D leicht auf 1 oder größer einstellen. Wenn die Fläche C kleiner oder gleich 15,0 mm2 ist, ist es einfach, das Verhältnis C/D auf 20 oder weniger einzustellen.
  • Die Fläche D ist vorzugsweise größer oder gleich 0,5 mm2 und kleiner oder gleich 4,0 mm2. Wenn die Fläche D größer oder gleich 0,5 mm2 ist, ist es leicht, das Verhältnis C/D auf 20 oder weniger einzustellen. Wenn die Fläche D kleiner oder gleich 4,0 mm2 ist, ist es leicht, das Verhältnis C/D auf 1 oder größer einzustellen.
  • Da die Fläche D der Referenzelektrode 42 vergrößert wird, erhöht sich auch die elektrostatische Kapazität zwischen der Referenzelektrode 42 und einer anderen Elektrode. Wenn also die Fläche D der Referenzelektrode 42 zu groß ist, dauert es bei Änderung der elektromotorischen Kräfte V0, V1, V2, die relativ zur Referenzelektrode 42 gemessen werden, länger, bis jede Spannung stabil wird, wodurch die Ansprechempfindlichkeit der Sensorvorrichtung 101 reduziert werden kann. Auch in dieser Hinsicht ist die Fläche D vorzugsweise kleiner oder gleich 4,0 mm2.
  • Die Dicke der außenseitigen Pumpelektrode 23 ist z.B. größer oder gleich 10 µm und kleiner oder gleich 40 µm. Die Dicke der Referenzelektrode 42 ist z.B. größer oder gleich 10 µm und kleiner oder gleich 40 µm. Die außenseitige Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42 sind jeweils eine dünne, flache, plattenförmige Elektrode, so dass die vorstehend beschriebenen Flächen C, D mehr Effekt auf die Leistung der Sensorvorrichtung 101 haben als die Dicke. Zusätzlich zur Einstellung des Verhältnisses C/D auf 1 oder größer ist es jedoch auch bevorzugt, dass ein Verhältnis E/F auf 1 oder größer eingestellt wird, wobei E das Volumen der außenseitigen Pumpelektrode 23 und F das Volumen der Referenzelektrode 42 ist.
  • Der Steuerstrom Ip3 (Sauerstoff-Pumpstrom), der von der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 getragen wird, kann im Voraus bestimmt werden, damit die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode 42 auf einem geeigneten Wert gehalten werden kann (z.B. die Luftatmosphäre, d.h. die Sauerstoffkonzentration beträgt 20,5%). Wenn beispielsweise P[µA] der Durchschnittswert des Steuerstroms (Sauerstoff-Pumpstrom) Ip3 ist, kann das Verhältnis B/P auf 0,8 bis 10 ausgelegt werden. Der Durchschnittswert P kann 1 bis 30 µA betragen. Je höher der Grenzstrom B ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass Sauerstoff in der Umgebung der Referenzelektrode 42 verbleibt. So kann die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode 42 leicht auf einem geeigneten Wert gehalten werden, indem man den Durchschnittswert P entsprechend dem Grenzstrom B einstellt. Selbst wenn der Grenzstrom A bei Einstellung eines geeigneten Durchschnittswerts P zu klein ist, d.h. wenn der Diffusionswiderstand der porösen Schutzschicht 95 zu hoch ist, kann der Sauerstoff in der Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 im Laufe der Zeit nicht mehr ausreichen und der Durchschnittswert des Steuerstromes Ip3 kann kleiner als ein vorgegebener Wert (Durchschnittswert P) werden. Da das Verhältnis A/B größer oder gleich 0,005 ist, ist es jedoch unwahrscheinlich, dass der Sauerstoff in der Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 im Gassensor 100 dieser Ausführungsform nicht ausreichend ist. Daher wird der Durchschnittswert des Steuerstroms Ip3 wahrscheinlich selbst dann auf einem vorbestimmten Wert (Durchschnittswert P) gehalten, wenn Sauerstoff über eine lange Zeit von der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 gepumpt wird.
  • Hierin wird das Korrespondenzverhältnis zwischen den Komponenten dieser Ausführungsform und den Komponenten der vorliegenden Erfindung erläutert. Der Elementkörper 101a dieser Ausführungsform entspricht dem Elementkörper der vorliegenden Erfindung, die Messelektrode 44 entspricht der Messelektrode, die außenseitige Pumpelektrode 23 entspricht der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode, die Referenzelektrode 42 entspricht der Referenzelektrode, die poröse Schutzschicht 95 entspricht dem Messgegenstandsgaseinleitungssegment, die Lufteinführungsschicht 48 entspricht der Referenzgas-Einleitungsschicht, die Pumpzelle 41 für die Messung entspricht der Detektionsvorrichtung und die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 entspricht der Referenzgaseinstellvorrichtung.
  • Mit dem vorstehend ausführlich beschriebenen Gassensor 100 dieser Ausführungsform pumpt die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 Sauerstoff in die Umgebung der Referenzelektrode 42, so dass es möglich ist, die Verringerung der Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode 42 zu kompensieren. Da das Verhältnis A/B größer oder gleich 0,005 ist, ist auch der Diffusionswiderstand der porösen Schutzschicht 95 nicht zu hoch und der Diffusionswiderstand der Lufteinführungsschicht 48 nicht zu niedrig. Es ist daher unwahrscheinlich, dass die Sauerstoffkonzentration des Referenzgases in der Umgebung der Referenzelektrode 42 reduziert wird.
  • Da das Verhältnis A/B größer als gleich 0,4 ist, ist es außerdem unwahrscheinlich, dass die Sauerstoffkonzentration im Referenzgas in der Umgebung der Referenzelektrode 42 verringert wird. Da das Verhältnis A/B weniger als 125 beträgt, ist es auch möglich, eine übermäßige Sauerstoffkonzentration im Referenzgas in der Umgebung der Referenzelektrode zu unterdrücken, wobei die übermäßige Sauerstoffkonzentration durch zu viel in die Umgebung der Referenzelektrode gepumpten Sauerstoff verursacht wird.
  • Da der Grenzstrom A 1 µA bis 10000 µA beträgt, ist es außerdem leicht, das Verhältnis A/B auf 0,005 oder mehr und 125 oder weniger einzustellen. Da der Grenzstrom B 8 µA bis 200 µA beträgt, ist es leicht, das Verhältnis A/B auf 0,005 oder mehr und 125 oder weniger einzustellen.
  • Da außerdem die Fläche C größer oder gleich 1,0 mm2, die Fläche D größer oder gleich 0,5 mm2 und das Verhältnis C/D größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 20 ist, führt die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 leicht einen entsprechenden Steuerstrom Ip3 (Sauerstoff-Pumpstrom). Da die Fläche C kleiner oder gleich 15,0 mm2 ist, kann das Verhältnis C/D leicht auf 20 oder weniger eingestellt werden. Da die Fläche D kleiner oder gleich 4,0 mm2 ist, ist es leicht, das Verhältnis C/D auf 1 oder größer einzustellen.
  • Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt ist. Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung im Rahmen des technischen Umfangs der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Arten ausgeführt werden.
  • Zum Beispiel kann in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 Sauerstoff in die Umgebung der Referenzelektrode 42 pumpen, indem sie einen Impulsstrom als Steuerstrom (Sauerstoff-Pumpstrom) Ip3 zwischen der Referenzelektrode 42 und der außenseitigen Pumpelektrode 23 führt, wobei der Impulsstrom mit einer vorbestimmten Periode ein- und ausgeschaltet wird. Die Pumpzelle 41 für die Messung kann die NOx-Gaskonzentration im Messgegenstandsgas während einer Zeitspanne erfassen, in der der Steuerstrom (Sauerstoff-Pumpstrom) Ip3 ausgeschaltet ist. Da der Steuerstrom (Sauerstoff-Pumpstrom) Ip3 ausgeschaltet ist, wenn die NOx-Gaskonzentration im Messgegenstandsgas erfasst wird, kann auf diese Weise die Abnahme der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Gaskonzentration durch den Steuerstrom (Sauerstoff-Pumpstrom) Ip3 reduziert werden. Es ist zu beachten, dass selbst in einer Zeitspanne, in der der Steuerstrom (Sauerstoff-Pumpstrom) Ip3 ausgeschaltet ist, der Stromwert aufgrund der elektrostatischen Kapazität zwischen der Referenzelektrode 42 und der außenseitigen Pumpelektrode 23 nicht unbedingt Null ist.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform beinhaltet das Referenzgas-Einleitungssegment nur die Lufteinführungsschicht 48, was jedoch nicht immer der Fall ist. Das Referenzgas-Einleitungssegment bezieht sich auf ein Segment, das das Referenzgas einleitet und das Gas zur Referenzelektrode 42 strömen lässt. So kann z.B. anstelle der Lufteinführungsschicht 48 eine Lufteinführungsschicht 248, wie in 3 dargestellt, verwendet werden. In 3 ist an der hinteren Stirnseite des Elementkörpers 101a ein Hohlraum 43 nach innen vorgesehen und die obere Oberfläche der porösen Lufteinführungsschicht 248 ist dem Hohlraum 43 ausgesetzt. Der Hohlraum 43 wird in seiner Form durch Einkerben der ersten Festelektrolytschicht 4, die zwischen der dritten Substratschicht 3 und der Abstandsschicht 5 eingefügt ist, von der hinteren Stirnseite her gebildet. Im Beispiel von 3 entsprechen der Hohlraum 43 und die Lufteinführungsschicht 248 dem Referenzgas-Einleitungssegment. So wirkt sich nicht nur die Lufteinführungsschicht 248, sondern auch die Form des Hohlraums 43 auf den Grenzstrom B aus.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform dient die außenseitige Pumpelektrode 23 als äußere Elektrode der Pumpzelle 41 zur Messung auch als Messgegenstandsgas-seitige Elektrode der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90, dies ist jedoch nicht immer der Fall. Die Außenelektrode der Pumpzelle 41 für die Messung und die Messgegenstandsgas-seitige Elektrode der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 können außerhalb des Elementkörpers 101a separat ausgebildet werden. Auch die Messgegenstandsgas-seitige Elektrode der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 ist nicht unbedingt außerhalb des Sensorkörpers 101a angeordnet, solange die Messgegenstandsgas-seitige Elektrode in einem dem Messgegenstandsgas ausgesetzten Abschnitt der Sensorvorrichtung 101 angeordnet ist. So kann z.B. die Messgegenstandsgas-seitige Elektrode innerhalb des Messgegenstandsgas-Verteilungssegments angeordnet werden. So kann z.B. die innenseitige Pumpelektrode 22 auch als Messgegenstandsgas-seitige Elektrode der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 dienen. In diesem Fall entsprechen der Diffusionswiderstand der porösen Schutzschicht 95 (insbesondere ein Segment der porösen Schutzschicht 95, das als Weg für das Gas von der Außenseite zur Gaseinführungsöffnung 10 dient) und der Weg (konkret das erste Diffusionssteuersegment 11, der Pufferraum 12 und das zweite Diffusionssteuersegment 13 sowie der erste Innenraum 20) für das Gas von der Gaseinführungsöffnung 10 zur innenseitigen Pumpelektrode 22 des Messgegenstandsgas-Verteilungssegments dem Messgegenstandsgasverteilungssegment. So wirken sich z.B. die Formen des ersten Diffusionssteuersegments 11 und des zweiten Diffusionssteuersegments 13 auch auf den Grenzstrom A aus. So bedeutet das Messgegenstandsgaseinleitungssegment nicht nur die poröse Schutzschicht 95, sondern auch ein Segment, das das Messgegenstandsgas einleitet und das Gas zur Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode strömen lässt.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform beinhaltet die Sensorvorrichtung 101 des Gassensors 100 den ersten Innenraum 20, den zweiten Innenraum 40 und den dritten Innenraum 61, was jedoch nicht immer der Fall ist. Zum Beispiel darf die Sensorvorrichtung 101 nicht den dritten Innenraum 61 wie bei der Sensorvorrichtung 201 in 4 enthalten. In der Sensorvorrichtung 201 sind in einer in 4 dargestellten Modifizierung zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 die Gaseinführungsöffnung 10, das erste Diffusionssteuersegment 11, der Pufferraum 12, das zweite Diffusionssteuersegment 13, der erste Innenraum 20, das dritte Diffusionssteuersegment 30 und der zweite Innenraum 40 in dieser Reihenfolge nebeneinander angeordnet, so dass eine Kommunikation miteinander möglich ist. Außerdem ist die Messelektrode 44 auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 im zweiten Innenraum 40 angeordnet. Die Messelektrode 44 wird von einem Diffusionssteuersegment 45 abgedeckt. Das Diffusionssteuersegment 45 ist ein Film, der aus einem keramischen porösen Material wie Aluminiumoxid (Al2O3) besteht. Ähnlich wie das vierte Diffusionssteuersegment 60 dieser Ausführungsform, die vorstehend beschrieben wurde, hat das Diffusionssteuersegment 45 die Funktion, die Menge an NOx zu begrenzen, die in die Messelektrode 44 strömt. Außerdem fungiert das Diffusionssteuersegment 45 als Schutzfilm für die Messelektrode 44. Das Deckenelektrodensegment 51a der Hilfspumpelektrode 51 wird bis zu einer Position unmittelbar über der Messelektrode 44 gebildet. Auch mit der Sensorvorrichtung 201 in dieser Konfiguration kann die NOx-Konzentration von der Pumpzelle 41 für die Messung auf die gleiche Weise wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erfasst werden.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so geregelt, dass die von der Sauerstoff-Partialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 82 zur Messpumpensteuerung erfasste Steuerspannung (elektromotorische Kraft) V2 konstant ist und die Stickoxidkonzentration im Messgegenstandsgas mit dem zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Pumpstrom Ip2 berechnet wird. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, solange aufgrund der Spannung zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 eine spezifische Konzentration im Messgegenstandsgas detektiert wird. Wenn z.B. eine Sauerstoffpartialdruck-Detektionsvorrichtung als elektrochemische Sensorzelle konfiguriert wird, indem die Messelektrode 44, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 kombiniert werden, ist es möglich, eine elektromotorische Kraft entsprechend der Differenz zwischen der durch die Reduzierung des NOx-Gehalts in der Atmosphäre in der Umgebung der Messelektrode 44 erzeugten Sauerstoffmenge und der im Referenzgas enthaltenen Sauerstoffmenge zu erfassen. Damit kann die Konzentration des NOx-Gehaltes im Messgegenstandsgas bestimmt werden. In diesem Fall entspricht die elektrochemische Sensorzelle der Detektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Referenzelektrode 42 direkt auf der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 ausgebildet, was jedoch nicht immer der Fall ist. Die Referenzelektrode 42 kann z.B. direkt auf der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 gebildet werden.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist das Referenzgas Luft. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, solange das Referenzgas als Referenz für den Nachweis der Konzentration eines spezifischen Gases im Messgegenstandsgas dient. So kann z.B. ein Gas mit einer angepassten vorbestimmten Sauerstoffkonzentration (> der Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas) den Raum 149 als Referenzgas ausfüllen.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erfasst die Sensorvorrichtung 101 die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, solange die Sensorvorrichtung 101 die Konzentration eines spezifischen Gases im Messgegenstandsgas erfasst. So kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration oder Ammoniakkonzentration im Messgas erfasst werden.
  • [Ausführungsform]
  • Nachfolgend wird ein Beispiel, in dem der Gassensor speziell hergestellt wird, als eine Ausführungsform beschrieben. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die nachstehende Ausführungsform beschränkt ist.
  • [Versuchsbeispiel 1]
  • Der in 1, 2 dargestellte Gassensor 100 wurde gemäß dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellt, das als Versuchsbeispiel 1 bezeichnet wird. Bei der Herstellung der Sensorvorrichtung 101 wurden Zirkoniumdioxidteilchen mit 4 Mol-% Yttriumoxid als Stabilisierungsmittel, einem organischen Bindemittel und einem organischen Lösungsmittel gemischt und die Grünplatten durch Bandgießen geformt. Die Grünpellets 145a, 145b von 1 wurden durch die Formung von Talkumteilchen gewonnen. Die poröse Schutzschicht 95 und die Lufteinführungsschicht 48 sind poröse Aluminiumoxidmaterialien. Die poröse Schutzschicht 95 wurde durch Plasmaspritzen gebildet. Die Porositätsgrade der porösen Schutzschicht 95 und der Lufteinführungsschicht 48 lagen jeweils bei 20%. Die Fläche C der außenseitigen Pumpelektrode 23 wurde auf 7,50 mm2 und die Fläche D der Referenzelektrode 42 auf 1,85 mm2 eingestellt. Das Verhältnis C/D betrug 4,05. Die Dicken der außenseitigen Pumpelektrode 23 und der Lufteinführungsschicht 48 betrugen jeweils 20 µm. Bei der Messung der Grenzströme A, B gemäß dem vorstehend beschriebenen Messverfahren betrug der Grenzstrom A 500 µA, der Grenzstrom B 20 µA und das Verhältnis A/B 25,0.
  • [Versuchsbeispiele 2 bis 11]
  • Der Gassensor 100 wurde auf die gleiche Weise hergestellt wie im Versuchsbeispiel 1, mit der Ausnahme, dass die Grenzströme A, B wie in Tabelle 1 dargestellt eingestellt wurden und die Versuchsbeispiele 2 bis 11 erhalten wurden.
  • [Versuchsbeispiele 12 bis 15]
  • Der Gassensor 100 wurde auf die gleiche Weise wie im Versuchsbeispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Verhältnis A/B auf 0,40 festgelegt wurde und die Grenzströme A, B wie in Tabelle 2 dargestellt eingestellt wurden, und die Versuchsbeispiele 12 bis 15 erhalten wurden. Auch das Versuchsbeispiel 4 ist in Tabelle 2 nochmals aufgeführt.
  • [Versuchsbeispiele 16 bis 23]
  • Der Gassensor 100 wurde auf die gleiche Weise wie im Versuchsbeispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Verhältnis A/B auf 25,0 festgelegt wurde, die Grenzströme A, B, die Flächen C, D, die Dicke E der außenseitigen Pumpelektrode 23 und die Dicke F der Referenzelektrode 42 wie in Tabelle 3 dargestellt eingestellt wurden und die Versuchsbeispiele 16 bis 23 erhalten wurden. Auch das Versuchsbeispiel 1 ist in Tabelle 3 nochmals aufgeführt.
  • [Bewertung der Erfassungsgenauigkeit]
  • Der Gassensor im Versuchsbeispiel 1 wurde auf einem Rohr montiert. Die Temperatur wurde durch Einschalten der Heizung 72 auf 800°C eingestellt, und die Sensorvorrichtung 101 wurde beheizt. Die von dem Stromversorgungskreis 92 der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 angelegte Steuerspannung Vp3 wurde auf eine Impulsspannung (Tastverhältnis von 20%) mit einer Periode T von 10 ms, einer EIN-Zeit T-ein von 2 ms und einer AUS-Zeit T-aus von 8 ms eingestellt. Die von dem Stromversorgungskreis 92 angelegte Steuerspannung Vp3 wurde so eingestellt, dass der Steuerstrom Ip3 (Sauerstoff-Pumpstrom), der zum Zeitpunkt der Spannung EIN durch die Referenzelektrode 42 fließt, 20 µA beträgt. Der Durchschnittswert P des Steuerstroms Ip3 beträgt 4 µA(= 20 µA×20%). In diesem Zustand wurde ein Modellgas mit Stickstoff als Grundgas, einer Sauerstoffkonzentration von 10 % und einer NOx-Konzentration von 500 ppm hergestellt und als Messgegenstandsgas in das Rohr geleitet. Dieser Zustand wurde 20 Minuten lang aufrechterhalten und die elektromotorische Kraft Vref wurde während dieser Zeit gemessen. Die Messung wurde in den Versuchsbeispielen 2 bis 23 in ähnlicher Weise durchgeführt. Jedoch wurde die Steuerspannung Vp3 in den Versuchsbeispielen 16 bis 23 auf den gleichen Wert wie die Steuerspannung Vp3 in Versuchsbeispiel 1 eingestellt. Konkret betrug in den Versuchsbeispielen 1 bis 15 der Durchschnittswert P des Steuerstroms Ip3 jeweils 4 µA, in den Versuchsbeispielen 16 bis 23 wurde der Durchschnittswert P des Steuerstroms Ip3 jedoch entsprechend den Widerstandswerten der außenseitigen Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 verändert. Außerdem wurde in jedem der Versuchsbeispiele 1 bis 23 der Durchschnittswert P des Steuerstroms Ip3 reduziert, wenn der Sauerstoff in der Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 im Laufe der Zeit abnimmt.
  • Da die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode 42 höher wird als die Sauerstoffkonzentration in der Luft, steigt die elektromotorische Kraft Vref im Laufe der Zeit tendenziell vom Wert zu Beginn der Messung an. Wenn die elektromotorische Kraft Vref erhöht wird, neigt der Pumpstrom Ip2 dazu, von einem richtigen Wert (Wert entsprechend der NOx-Konzentration 500 ppm) abzunehmen. Da dagegen die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode 42 geringer wird als die Sauerstoffkonzentration in der Luft, nimmt die elektromotorische Kraft Vref im Laufe der Zeit tendenziell von dem Wert zu Beginn der Messung ab. Wenn die elektromotorische Kraft Vref verringert wird, steigt der Pumpstrom Ip2 tendenziell vom richtigen Wert an.
  • Daher wird der Wert der elektromotorischen Kraft Vref zu Beginn der Messung mit 100% angenommen und wenn eine gemessene elektromotorische Kraft Vref innerhalb eines vorgegebenen Bereichs (80% oder mehr und 120% oder weniger) liegt, wird selbst nach Ablauf von 20 Minuten festgestellt, dass die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration signifikant hoch ist („A“). Wenn eine gemessene elektromotorische Kraft Vref nach Ablauf von 15 Minuten und vor Ablauf von 20 Minuten außerhalb des vorgegebenen Bereichs lag, wird festgestellt, dass die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration hoch ist („B“). Wenn eine gemessene elektromotorische Kraft Vref vor Ablauf von 15 Minuten außerhalb des vorgegebenen Bereichs lag, wird festgestellt, dass die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration gering ist („F“).
  • Die Ergebnisse der vorstehend beschriebenen Bewertungsversuche sind in den Tabellen 1 bis 3 dargestellt. In den Tabellen 1 bis 3 gab es jeweils kein Versuchsbeispiel, bei dem die elektromotorische Kraft Vref die Obergrenze des vorgegebenen Bereichs überschritten hat. Mit anderen Worten, in jedem der Versuchsbeispiele in den Tabellen 1 und 3, bei denen die Bestimmung B oder F war, war die elektromotorische Kraft Vref niedriger als die Untergrenze des vorgegebenen Bereichs und lag außerhalb des vorgegebenen Bereichs. Tabelle 1
    Grenzstrom A [µA] Grenzstrom B [µA] Verhältnis A/B Bestimmung
    Versuchsbeispiel 1 500 20 25,0 A
    Versuchsbeispiel 2 10000 80 125,0 A
    Versuchsbeispiel 3 20 20 1,0 A
    Versuchsbeispiel 4 10 25 0,40 A
    Versuchsbeispiel 5 400 30 13,3 A
    Versuchsbeispiel 6 18 50 0,36 B
    Versuchsbeispiel 7 10 65 0,15 B
    Versuchsbeispiel 8 5 100 0,05 B
    Versuchsbeispiel 9 1,0 200 0,005 B
    Versuchsbeispiel 10 1,0 300 0,003 F
    Versuchsbeispiel 11 1,0 500 0,002 F
    Tabelle 2
    Grenzstrom A [µA] Grenzstrom B [µA] Verhältnis A/B Bestimmung
    Versuchsbeispiel 4 10 25 0,40 A
    Versuchsbeispiel 12 20 50 0,40 A
    Versuchsbeispiel 13 6 15 0,40 A
    Versuchsbeispiel 14 30 75 0,40 A
    Versuchsbeispiel 15 50 125 0,40 A
    Tabelle 3
    Grenzstrom A [µA] Grenzstrom B [µA) Verhältnis A/B Fläche C [mm2] Fläche D [mm2] Verhältnis C/D Dicke E [µm] Dicke F [µm] Bestimmung
    Versuchsbeispiel 1 500 20 25,0 7,5 1,85 4,05 20 20 A
    Versuchsbeispiel 16 1000 40 25,0 7,5 1,85 4,05 40 40 A
    Versuchsbeispiel 17 200 8 250 7,5 1,85 4,05 10 10 A
    Versuchsbeispiel 16 500 20 25,0 3,0 3,0 1,00 20 20 A
    Versuchsbeispiel 16 500 20 25,0 15,0 4,0 3,75 20 20 A
    Versuchsbeispiel 20 500 20 25,0 1,0 1,0 1,00 20 20 B
    Versuchsbeispiel 21 500 20 25,0 8,0 0,5 16,00 20 20 B
    Versuchsbeispiel 22 500 20 25,0 1,0 0,7 1,43 20 20 B
    Versuchsbeispiel 23 500 20 25,0 2,0 3,0 0,57 20 20 B
  • Wie aus Tabelle 1 bis 3 hervorgeht, war die Bewertung „A“ oder „B“, wenn das Verhältnis A/B größer oder gleich 0,005 ist und die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration hoch (Versuchsbeispiele 1 bis 9, 12 bis 15, 16 bis 23). Andererseits, wenn das Verhältnis A/B weniger als 0,005 beträgt, war die Bewertung „F“ und die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration war gering (Versuchsbeispiele 10, 11). Wie auch aus dem Ergebnis von Tabelle 1 hervorgeht, in der dieselben Bedingungen mit Ausnahme der Grenzströme A, B gelten, wenn das Verhältnis A/B größer oder gleich 0,4 ist, war die Bewertung „A“ und die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration war signifikant hoch (Versuchsbeispiele 1 bis 5). Wie auch aus dem Ergebnis von Tabelle 2 hervorgeht, in der das Verhältnis A/B festgelegt ist und die Grenzströme A, B geändert werden, selbst bei unterschiedlichen Werten der Grenzströme A, B, wenn das Verhältnis A/B den gleichen Wert hat, war die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration nahezu gleich (Versuchsbeispiele 4, 12 bis 15). Aus diesem Ergebnis geht hervor, dass das Verhältnis A/B und nicht die Werte der Grenzströme wahrscheinlich mehr Einfluss auf die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration hat. Auch wenn das Verhältnis A/B kleiner oder gleich 125 ist, überschreitet die elektromotorische Kraft Vref nicht die Obergrenze des vorgegebenen Bereichs, d.h. die Sauerstoffkonzentration des Referenzgases in der Umgebung der Referenzelektrode 42 wird nicht zu hoch (Versuchsbeispiele 1 bis 23).
  • Außerdem ist, wie in Tabelle 3 gezeigt, bei größeren Werten der Fläche C größer oder gleich 1,0 mm2 und kleiner oder gleich 15,0 mm2, der Fläche D größer oder gleich 0,5 mm2 und kleiner oder gleich 4,0 mm2 und dem Verhältnis C/D größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 20 (Versuchsbeispiele 1, 16 bis 22), die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration tendenziell höher. In den Versuchsbeispielen 18, 20 bis 22 hat beispielsweise mindestens eine der Fläche C, der Fläche D und das Verhältnis C/D den gleichen Wert wie die Untergrenze des vorstehend genannten Bereichs, in den Versuchsbeispielen 20 bis 22 darunter war die Bewertung „B“. In den Versuchsbeispielen 1, 16, 17, 19 dagegen hat jede der Fläche C, der Fläche D und das Verhältnis C/D einen Wert, der höher als die Untergrenze des vorstehend genannten Bereichs ist und die Bewertung für jeden war „A“. Auch im Versuchsbeispiel 23, in dem das Verhältnis C/D unter den Bereich von 1 oder mehr und 20 oder weniger fällt, lautete die Bewertung „B“. Obwohl die Bewertung für das Versuchsbeispiel 23 das gleiche „B“ für die Versuchsbeispiele 20 bis 22 ist, ist die Zeit, die für eine gemessene elektromotorische Kraft Vref benötigt wird, um vom vorgegebenen Bereich abzuweichen, kürzer als in den Versuchsbeispielen 20 bis 22. Mit anderen Worten, im Versuchsbeispiel 23 ist die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration hoch, jedoch im Vergleich zu den Versuchsbeispielen 1, 16 bis 22, in denen das Verhältnis C/D größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 20 ist, reduziert.
  • Es ist zu beachten, dass die Versuchsbeispiele 1 bis 9, 12 bis 23 den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entsprechen und die Versuchsbeispiele 10, 11 einem Vergleichsbeispiel entsprechen.
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 12. Dezember 2018 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2018-232677 , deren gesamter Inhalt hierdurch diesen Hinweis aufgenommen wird.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Die vorliegende Erfindung ist auf einen Gassensor anwendbar, der eine Konzentration eines spezifischen Gases wie NOx in einem Messgegenstandsgas, wie z.B. dem Abgas eines Automobils, 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 2018232677 [0109]

Claims (9)

  1. Gassensor, umfassend: einen Elementkörper mit einer sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschicht und innen mit einem Messgegenstandsgasstromsegment versehen, das ein Messgegenstandsgas einführt und das Gas strömen lässt; eine Messelektrode, die auf einer inneren Oberfläche des Messgegenstandsgasstromsegments angeordnet ist; eine Messgegenstandsgas-seitige Elektrode, die in einem Abschnitt des Elementkörpers angeordnet ist, wobei der Abschnitt dem Messgegenstandsgas ausgesetzt ist; eine Referenzelektrode, die im Inneren des Elementkörpers angeordnet ist; ein Messgegenstandsgaseinleitungssegment, das das Messgegenstandsgas einleitet und es dem Messgegenstandsgas ermöglicht, zur Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode zu strömen; ein Referenzgas-Einleitungssegment, das ein Referenzgas einführt, das als Referenz für die Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration im Messgegenstandsgas dient, und das Referenzgas zur Referenzelektrode strömen lässt; eine Detektionsvorrichtung, die die spezifische Gaskonzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage einer elektromotorischen Kraft, die zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode erzeugt wird, erfasst; und eine Referenzgaseinstellvorrichtung, die einen Sauerstoff-Pumpstrom zwischen der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode führt und Sauerstoff aus der Umgebung der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode in die Umgebung der Referenzelektrode pumpt, wobei A[µA] ein Grenzstrom sein soll, wenn Sauerstoff aus der Umgebung der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode in die Umgebung der Referenzelektrode gepumpt wird, wobei das Messgegenstandsgaseinleitungssegment einer Atmosphäre mit einer Sauerstoffkonzentration von 1000 ppm ausgesetzt ist, und B[µA] ein Grenzstrom sein soll, wenn Sauerstoff aus der Umgebung der Referenzelektrode in die Umgebung der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode gepumpt wird, wobei das Referenzgas-Einleitungssegment einer Luftatmosphäre ausgesetzt ist, dann ist ein Verhältnis A/B größer oder gleich 0,005.
  2. Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis A/B größer oder gleich 0,4 ist.
  3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhältnis A/B kleiner oder gleich 125 ist.
  4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Grenzstrom A 1 µA bis 10000 µA beträgt.
  5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Grenzstrom B 8 µA bis 200 µA beträgt.
  6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei C[mm2] eine Fläche der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode sein soll und D[mm2] eine Fläche der Referenzelektrode sein soll, dann ist die Fläche C größer oder gleich 1,0 mm2, die Fläche D ist größer oder gleich 0,5 mm2 und ein Verhältnis C/D ist größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 20.
  7. Gassensor nach Anspruch 6, wobei die Fläche C kleiner oder gleich 15,0 mm2 ist.
  8. Gassensor nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Fläche D kleiner oder gleich 4,0 mm2 ist.
  9. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Messgegenstandsgaseinleitungssegment eine poröse Schutzschicht aufweist, die einen Teil des Elementkörpers abdeckt, das Referenzgas-Einleitungssegment eine poröse Referenzgas-Einleitungsschicht aufweist, eine Porosität der porösen Schutzschicht größer oder gleich 20 % und kleiner oder gleich 60 % ist, und eine Porosität der Referenzgas-Einleitungsschicht größer oder gleich 15% und kleiner oder gleich 50% ist.
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