DE112018000051B4 - Sensorelement und Gassensor - Google Patents

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Abstract

Sensorelement (101), umfassend:einen Element-Hauptkörper (102), der eine Vielzahl von gestapelten sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten (4, 6) aufweist und in dem ein Strömungsabschnitt eines Messobjektgases so angeordnet ist, dass ein Messobjektgas eingeführt und geleitet wird;eine Messelektrode (44), die im Strömungsabschnitt eines Messobjektgases angeordnet ist;eine Messelektrodenleitung (90) mit einem ersten Abschnitt (91), der mit der Messelektrode (44) verbunden ist und der im Strömungsabschnitt eines Messobjektgases angeordnet ist, und einem zweiten Abschnitt (92), der mit dem ersten Abschnitt (91) verbunden ist und der in den Element-Hauptkörper (102) eingebettet ist;eine hermetische Schicht (4, 94), die Teil des Element-Hauptkörpers (102) ist undeinen Endbereich (92E) des zweiten Abschnitts (92) umgibt, einschließlich des Randes mit dem ersten Abschnitt (91); undeine Leitungsisolierungsschicht (93), die Teil des Element-Hauptkörpers (102) ist und die mindestens einen Teil des zweiten Abschnitts (92) mit Ausnahme des Endbereichs (92E) umgibt,wobei die Länge (L) des Endbereichs (92E) im zweiten Abschnitt (92) 2 mm oder weniger beträgt, wobei die Länge (L) vom Rand mit dem ersten Abschnitt (91) in Längsrichtung der Messelektrodenleitung (90) ist, wenn in Stapelrichtung der Vielzahl von Festelektrolytschichten (4, 6) betrachtet.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement und einen Gassensor.
  • Technischer Hintergrund
  • Bisher waren Sensorelemente bekannt, die bestimmte Gaskonzentrationen von NOx und dergleichen in zu messenden Gasen, z.B. einem Automobilabgas, erfassen (z.B. PTL 1). Ein in PTL 1 beschriebenes Sensorelement beinhaltet eine Vielzahl von gestapelten Festelektrolytkörpern, eine Vielzahl von Elektroden, die in Innenräumen der Festelektrolytkörper angeordnet sind, Leitungen, die mit entsprechenden Elektroden verbunden sind, und Isolierschichten, die Leitungen isolieren. Die Isolierschicht ist auf der Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet und die Leitung ist auf der Isolierschicht angeordnet. Folglich isoliert die Isolierschicht die Leitung vom Festelektrolytkörper. Aluminiumoxid wird als das Material zur Bildung der Isolierschicht beschrieben. Dieses Sensorelement zersetzt NOx in einem Abgas in Stickstoff und Sauerstoff an den Elektroden und erfasst eine NOx-Konzentration auf der Grundlage eines Stroms, der aufgrund des entstehenden Sauerstoffs zwischen den Elektroden fließt. PTL 2 beschreibt ein Herstellungsverfahren für ein Sensorelement. PTL 3 bezieht sich auf einen Gassensor und PTL 4 offenbart ein Sensorelement und einen Gasensor.
  • Zitatenliste
  • Patentliteratur
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • In diesem Zusammenhang kann die Isolierschicht, die die Leitung isoliert, ein Element wie ein poröser Körper sein, der Sauerstoff durchlässt. Wenn also Pfade vorhanden sind, durch die Sauerstoff von außen in die Isolationsschicht gelangt, z.B. durch feine Räume, die bei der Herstellung des Sensorelements entstehen, Risse nach der Herstellung und dergleichen, kann Sauerstoff eine Elektrode erreichen, die über die Pfade oder die Isolierschicht mit der Leitung verbunden ist. Wenn dann, wie vorstehend beschrieben, Sauerstoff, der nicht aus einem bestimmten Gas stammt, die Elektrode erreicht, kann die Erfassungsgenauigkeit der bestimmten Gaskonzentration beeinträchtigt werden.
  • Die vorliegende Erfindung wurde realisiert, um ein solches Problem zu lösen, und es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit der bestimmten Gaskonzentration zu unterdrücken.
  • Lösung des Problems
  • Um die vorstehend beschriebene Aufgabe zu lösen, übernimmt die vorliegende Erfindung die folgende Konfiguration.
  • Ein Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet
    einen Element-Hauptkörper, der eine Vielzahl von gestapelten sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten aufweist und in dem ein Strömungsabschnitt eines Messobjektgases so angeordnet ist, dass ein Messobjektgas eingeführt und geleitet wird;
    eine Messelektrode, die im Strömungsabschnitt eines Messobjektgases angeordnet ist;
    eine Messelektrodenleitung mit einem ersten Abschnitt, der mit der Messelektrode verbunden ist und der im Strömungsabschnitt eines Messobjektgases angeordnet ist, und einem zweiten Abschnitt, der mit dem ersten Abschnitt verbunden ist und der in den Element-Hauptkörper eingebettet ist;
    eine hermetische Schicht, die Teil des Element-Hauptkörpers ist und einen Endbereich des zweiten Abschnitts umgibt, einschließlich des Randes mit dem ersten Abschnitt; und
    eine Leitungsisolierungsschicht, die Teil des Element-Hauptkörpers ist und die mindestens einen Teil des zweiten Abschnitts mit Ausnahme des Endbereichs umgibt,
    wobei die Länge L des Endbereichs im zweiten Abschnitt 2 mm oder weniger beträgt, wobei die Länge L vom Rand mit dem ersten Abschnitt in Längsrichtung der Messelektrodenleitung ist, wenn in Stapelrichtung der Vielzahl von Festelektrolytschichten betrachtet.
  • Im Sensorelement weist die Messelektrodenleitung den ersten Abschnitt, der im Strömungsabschnitt eines Messobjektgases angeordnet ist und den zweiten Abschnitt, der mit dem ersten Abschnitt verbunden und in den Element-Hauptkörper eingebettet ist, auf. Darüber hinaus umgibt die hermetische Schicht den Endbereich des zweiten Abschnitts, einschließlich des Randes mit dem ersten Abschnitt und die Leitungsisolierungsschicht umgibt zumindest einen Teil des zweiten Abschnitts mit Ausnahme des Endbereichs. Selbst wenn also Sauerstoff von außen in die Leitungsisolierungsschicht gelangt und sich Sauerstoff in der Leitungsisolierungsschicht bewegt, gelangt der Sauerstoff in der Leitungsisolierungsschicht nicht ohne weiteres in den Strömungsabschnitt eines Messobjektgases, da der Endbereich, der als Ausgang zum Strömungsabschnitt eines Messobjektgases im zweiten Abschnitt dient, von der hermetischen Schicht umgeben ist. Dadurch kann eine Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit der bestimmten Gaskonzentration durch Sauerstoffeintrag von außen in die Messelektrode unterdrückt werden.
  • In diesem Zusammenhang kann die Porosität der hermetischen Schicht 0 Vol.% oder mehr und 2 Vol.-% oder weniger betragen. Vorzugsweise ist die Messelektrodenleitung hermetisch. Die Porosität der Messelektrodenleitung kann 0 Vol.-% oder mehr und 10 Vol.-% oder weniger betragen. Die Porosität der Messelektrodenleitung beträgt vorzugsweise weniger als 5 Vol.-% und bevorzugter 2 Vol.-% oder weniger. Die Leitungsisolierungsschicht hat eine höhere Sauerstoffdurchlässigkeit als die hermetische Schicht. Die Leitungsisolierungsschicht kann die gleiche Sauerstoffdurchlässigkeit wie die Messelektrodenleitung oder eine höhere Sauerstoffdurchlässigkeit als die Messelektrodenleitung aufweisen. Die Leitungsisolierungsschicht kann eine Porosität von z.B. 5 Volumen-% oder mehr und 10 Volumen-% oder weniger aufweisen.
  • Im Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Länge L des Endbereichs im zweiten Abschnitt 0,25 mm oder mehr, wobei die Länge L vom Rand mit dem ersten Abschnitt in der Längsrichtung der Messelektrodenleitung, betrachtet in der Stapelrichtung der Vielzahl von Festelektrolytschichten, verläuft. Somit kann der vorstehend beschriebene Effekt der Unterdrückung der Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit der bestimmten Gaskonzentration zuverlässiger gewährleistet werden. In diesem Fall kann die vorstehend beschriebene Länge L 1,0 mm oder mehr betragen. Mit zunehmender Länge L wird der Effekt der Unterdrückung der Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit der bestimmten Gaskonzentration tendenziell verstärkt. Die Länge L kann 1,1 mm oder mehr betragen.
  • Im Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Länge L des Endbereichs im zweiten Abschnitt 2 mm oder weniger, wobei die Länge L vom Rand mit dem ersten Abschnitt in der Längsrichtung der Messelektrodenleitung, betrachtet in der Stapelrichtung der Vielzahl von Festelektrolytschichten, verläuft. Dadurch kann ein Einfluss durch einen Ableitstrom aus der Messelektrodenleitung unterdrückt werden.
  • Im Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Element-Hauptkörper Bondingschichten beinhalten, die die Festelektrolytschichten miteinander verbinden, wobei die Festelektrolytschichten in der Stapelrichtung aneinander angrenzen, und die hermetische Schicht kann die Bondingschicht sein oder die Festelektrolytschicht und die Bondingschicht sein. Somit ist ein Sensorelement im Vergleich zu dem Fall, dass eine andere hermetische Schicht als die Festelektrolytschicht oder die Bondingschicht verwendet wird, leicht zu erzeugen, da die Bondingschicht als hermetische Schicht verwendet werden kann oder die Festelektrolytschicht und die Bondingschicht als hermetische Schicht verwendet werden kann.
  • Das Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Außenpumpelektrode beinhalten, die auf der äußeren Oberfläche des Element-Hauptkörpers angeordnet ist. In der Zwischenzeit kann das Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung eine Bezugselektrode beinhalten, die im Inneren des Element-Hauptkörpers angeordnet ist, und der Element-Hauptkörper kann eine Bezugsgaseinleitschicht beinhalten, die ein Bezugsgas in die Bezugselektrode einleitet, wobei das Bezugsgas als Referenz für die Erfassung der bestimmten Gaskonzentration im Messobjektgas dient. Das Bezugsgas kann die Luft sein. Indes kann das Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung eine Innenpumpelektrode beinhalten, die im Strömungsabschnitt eines Messobjektgases angeordnet ist.
  • Ein Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Sensorelement gemäß einem der vorstehend beschriebenen Aspekte. Folglich kann der Gassensor die gleichen Effekte wie das vorstehend beschriebene Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung erzielen, z.B. den Effekt der Unterdrückung der Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit der bestimmten Gaskonzentration.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Schnittansicht eines Gassensors 100.
    • 2 ist eine Schnittansicht, die einen Teil des Querschnitts entlang der Linie A-A in 1 zeigt.
    • 3 ist eine Schnittansicht, die den Querschnitt entlang der Linie B-B in 2 zeigt.
    • 4 ist eine Schnittansicht, die einen Teil des Querschnitts entlang der Linie C-C in 2 zeigt.
    • 5 ist eine Schnittansicht, die eine Leitungsisolierungsschicht 193 eines Vergleichsbeispiels zeigt.
    • 6 ist eine schematische Schnittansicht eines Gassensors 100 eines modifizierten Beispiels.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Anschließend wird eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine schematische Querschnittansicht eines Gassensors 100 mit einem Sensorelement 101, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. 2 ist eine Querschnittansicht um eine Messelektrode 44 und eine Messelektrodenleitung 90 im Querschnitt entlang der Linie A-A in 1. 3 ist eine Querschnittansicht, die den Querschnitt entlang der Linie B-B in 2 zeigt. 4 ist eine Querschnittansicht, die einen Teil des Querschnitts entlang der Linie C-C in 2 zeigt. Der Gassensor 100 beinhaltet das Sensorelement 101, das die Konzentration eines bestimmten Gases (NOx in der vorliegenden Ausführungsform) in einem Messobjektgas erfasst. Das Sensorelement 101 hat eine lange rechteckige Quaderform, die Längsrichtung des Sensorelements 101 (Querrichtung in 1) ist als Vorwärts- und Rückwärtsrichtung eingestellt, und die Dickenrichtung des Sensorelements 101 (Vertikalrichtung in 1) ist als Vertikalrichtung eingestellt. Zusätzlich wird die Breitenrichtung des Sensorelements 101 (Richtung senkrecht zur Vorwärts- und Rückwärtsrichtung und zur Vertikalrichtung) als Querrichtung eingestellt.
  • Das Sensorelement 101 ist ein Element mit einer Struktur, in der sechs Schichten einer ersten Substratschicht 1, einer zweiten Substratschicht 2, einer dritten Substratschicht 3, einer ersten Festelektrolytschicht 4, einer Abstandshalterschicht 5 und einer zweiten Festelektrolytschicht 6 in dieser Reihenfolge von unten in 1 gestapelt werden, wobei jede Schicht aus einer sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschicht, zum Beispiel Zirkoniumdioxid (ZrO2), besteht. Darüber hinaus ist der Festelektrolyt zur Bildung dieser sechs Schichten dicht und hermetisch. Das vorstehend beschriebene Sensorelement 101 kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass keramische Grünschichten, die den jeweiligen Schichten entsprechen, einer vorbestimmten Verarbeitung unterzogen werden, ein Schaltungsmuster oder dergleichen gedruckt, die keramischen Grünschichten gestapelt und ein Brand durchgeführt wird, um eine Integration zu bewirken.
  • Ein Gaseinlass 10, ein erster Diffusions-gesteuerter Abschnitt 11, ein Pufferraum 12, ein zweiter Diffusions-gesteuerter Abschnitt 13, ein erster Innenraum 20, ein dritter Diffusions-gesteuerter Abschnitt 30 und ein zweiter Innenraum 40 sind nacheinander so angeordnet, dass sie in dieser Reihenfolge in einem vorderen Endabschnitt zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 im Sensorelement 101 miteinander kommunizieren.
  • Der Gaseinlass 10, der Pufferraum 12, der erste Innenraum 20 und der zweite Innenraum 40 bilden einen Raum, der in Form einer Aushöhlung der Abstandshalterschicht 5 innerhalb des Sensorelements 101 angeordnet ist, wobei der obere Abschnitt, der untere Abschnitt und die Seitenabschnitte des Raumes durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bzw. die seitlichen Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 begrenzt sind.
  • Jeder des ersten Diffusions-gesteuerten Abschnitts 11, des zweiten Diffusions-gesteuerten Abschnitts 13 und des dritten Diffusions-gesteuerten Abschnitts 30 ist als zwei landschaftsorientierte Schlitze angeordnet (die Längsrichtung der Öffnung ist eine Richtung senkrecht zur Zeichnung). In diesem Zusammenhang wird der Abschnitt vom Gaseinlass 10 bis zum zweiten Innenraum 40 auch als Strömungsabschnitt eines Messobjektgases bezeichnet.
  • Indes befindet sich ein Bezugsgaseinleitungsraum 43 an einem Ort, der weiter entfernt ist als der Strömungsabschnitt eines Messobjektgases vom vorderen Endabschnitt und ein Ort zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 5, wo die Seitenabschnitte durch die Seitenoberflächen der ersten Festelektrolytschicht 4 abgegrenzt sind. So wird beispielsweise die Luft, die bei der Messung der NOx-Konzentration als Bezugsgas dient, in den Bezugsgaseinleitungsraum 43 eingeleitet.
  • Eine Lufteinführungsschicht 48 ist eine Schicht, die aus einer porösen Keramik zusammengesetzt ist, und das Bezugsgas wird in die Lufteinführungsschicht 48 durch den Bezugsgaseinleitungsraum 43 eingeführt. In dieser Hinsicht wird die Lufteinführungsschicht 48 so angeordnet, um eine Bezugselektrode 42 abzudecken.
  • Die Bezugselektrode 42 ist eine Elektrode, die in der Form zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet ist, und die Lufteinführungsschicht 48, die mit dem Bezugsgaseinleitungsraum 43 verbunden ist, ist, wie vorstehend beschrieben, um die Bezugselektrode 42 angeordnet. Inzwischen können die Sauerstoffkonzentrationen (Sauerstoffpartialdrücke) im ersten Innenraum 20 und im zweiten Innenraum 40 mit der Bezugselektrode 42 gemessen werden, wie später beschrieben.
  • Im Strömungsabschnitt eines Messobjektgases ist der Gaseinlass 10 ein nach außen offener Abschnitt und das Messobjektgas wird vom Außenraum durch den Gaseinlass 10 in das Sensorelement 101 aufgenommen. Der erste Diffusions-gesteuerte Abschnitt 11 ist ein Abschnitt, der dem Messobjektgas einen vorgegebenen Diffusionswiderstand bietet, wobei das Gas durch den Gaseinlass 10 geleitet wird. Der Pufferraum 12 ist ein Raum, der so angeordnet ist, dass er das Messobjektgas, das vom ersten Diffusions-gesteuerten Abschnitt 11 zum zweiten Diffusions-gesteuerten Abschnitt 13 geleitet wird, leitet. Der zweite Diffusions-gesteuerte Abschnitt 13 ist ein Abschnitt, der dem Messobjektgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand bietet, wobei das Gas aus dem Pufferraum 12 in den ersten Innenraum 20 eingeleitet wird. Wenn das Messobjektgas von außerhalb des Sensorelements 101 in den ersten Innenraum 20 eingeführt wird, wird das Messobjektgas, d.h. das Gas, das aufgrund von Druckschwankungen (Pulsation des Abgasdrucks, wenn das Messobjektgas ein Automobilabgas ist) des Messobjektgases im Außenraum schnell in das Sensorelement 101 durch den Gaseinlass 10 geleitet wird, nicht direkt in den ersten Innenraum 20 eingeführt, sondern in den ersten Innenraum 20, nachdem die Schwankung der Konzentration des Messobjektgases durch den ersten Diffusions-gesteuerten Abschnitt 11, den Pufferraum 12 und den zweiten Diffusions-gesteuerten Abschnitt 13 aufgehoben wurde. Infolgedessen wird die Schwankung der Konzentration des Messobjektgases, das in den ersten Innenraum 20 eingeleitet wird, zu einem Ausmaß, das fast vernachlässigt werden kann. Der erste Innenraum 20 ist als Raum zur Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks im Messobjektgas angeordnet, wobei das Gas über den zweiten Diffusions-gesteuerten Abschnitt 13 eingeleitet wird. Ein solcher Sauerstoffpartialdruck wird durch einen Betrieb der Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
  • Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer Innenpumpelektrode 22 mit einem Deckenelektrodenabschnitt 22a, angeordnet auf fast der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die zu dem ersten Innenraum 20 weist, einer Außenpumpelektrode 23, angeordnet in einem Bereich, der dem Deckenelektrodenabschnitt 22a auf der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 entspricht, während er dem Außenraum ausgesetzt ist, und die zweite Festelektrolytschicht 6 zwischen der Innenpumpelektrode 22 und der Außenpumpelektrode 23 angeordnet ist, zusammengesetzt ist.
  • Die Innenpumpelektrode 22 ist so angeordnet, dass sie sich über obere und untere Festelektrolytschichten (zweite Festelektrolytschicht 6 und erste Festelektrolytschicht 4) erstreckt, die den ersten Innenraum 20 und die Abstandshalterschicht 5, die die Seitenwände bildet, abgrenzen. Insbesondere wird der Deckenelektrodenabschnitt 22a auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 mit der Deckenoberfläche des ersten Innenraumes 20 und einem Bodenelektrodenabschnitt 22b auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 mit der unteren Oberfläche gebildet. Zusätzlich werden Seitenelektrodenabschnitte (nicht in der Zeichnung dargestellt) zum Verbinden des Deckenelektrodenabschnitts 22a mit dem Bodenelektrodenabschnitt 22b auf den Seitenwandoberflächen (innere Oberflächen) der Abstandshalterschicht 5 gebildet, die beide Seitenwände des ersten Innenraumes 20 bilden. Folglich ist die Innenpumpelektrode 22 so angeordnet, dass sie in dem Teilabschnitt, in dem die Seitenelektrodenabschnitte angeordnet sind, eine Tunnelformstruktur aufweisen.
  • Die Innenpumpelektrode 22 und die Außenpumpelektrode 23 sind als poröse Cermet-Elektroden ausgebildet (Cermet-Elektroden von z.B. Pt und ZrO2, die1 % Au enthalten). In diesem Zusammenhang wird die Innenpumpelektrode 22, die mit dem Messobjektgas in Kontakt kommt, durch die Verwendung eines Materials mit einer geschwächten Fähigkeit zur Reduzierung von NOx-Komponenten im Messobjektgas gebildet.
  • Bei der Hauptpumpzelle 21 kann Sauerstoff im ersten Innenraum 20 in den Außenraum gepumpt werden oder Sauerstoff im Außenraum kann in den ersten Innenraum 20 gepumpt werden, indem eine vorbestimmte Pumpspannung Vp0 zwischen der Innenpumpelektrode 22 und der Außenpumpelektrode 23 angelegt wird, so dass ein Pumpstrom Ip0 zwischen der Innenpumpelektrode 22 und der Außenpumpelektrode 23 in positiver oder negativer Richtung fließt.
  • Um die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in der Atmosphäre in dem ersten Innenraum 20 zu erfassen, bilden die Innenpumpelektrode 22, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Bezugselektrode 42 indes eine elektrochemische Sensorzelle aus, die eine Hauptpumpe zur Steuerung der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 80 ist.
  • Die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im ersten Innenraum 20 kann durch Messung der elektromotorischen Kraft V0 in der Hauptpumpe zur Steuerung der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 80 bestimmt werden. Weiterhin wird der Pumpstrom Ip0 durch Rückkopplungssteuerung der Pumpspannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 so gesteuert, dass die elektromotorische Kraft V0 konstant wird. Somit kann die Sauerstoffkonzentration im ersten Innenraum 20 auf einem vorbestimmten konstanten Wert gehalten werden.
  • Der dritte Diffusions-gesteuerte Abschnitt 30 ist ein Teilabschnitt, der dem Messobjektgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand bietet, wobei das Gas eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) aufweist, die durch einen Betrieb der Hauptpumpzelle 21 im ersten Innenraum 20 gesteuert wird, und der das Messobjektgas zum zweiten Innenraum 40 führt.
  • Der zweite Innenraum 40 ist als Raum angeordnet, in dem die Verarbeitung in Bezug auf die Messung der Stickoxid-(NOx)-Konzentration im Messobjektgas, das durch den dritten Diffusions-gesteuerten Abschnitt 30 eingeleitet wird, durchgeführt wird. Bei der Messung der NOx-Konzentration wird die NOx-Konzentration hauptsächlich im zweiten Innenraum 40 gemessen, in dem die Sauerstoffkonzentration durch die Hilfspumpzelle 50 durch den weiteren Betrieb einer Messpumpzelle 41 eingestellt wird.
  • Im zweiten Innenraum 40 wird der Sauerstoffpartialdruck des Messobjektgases, das über den dritten Diffusions-gesteuerten Abschnitt 30 eingeleitet wird, nachdem die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im ersten Innenraum 20 vorab eingestellt wurde, durch die Hilfspumpzelle 50 weiter eingestellt. Somit kann die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum 40 mit hoher Genauigkeit konstant gehalten werden und somit kann der vorstehend beschriebene Gassensor 100 die NOx-Konzentration mit hoher Genauigkeit messen.
  • Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpe bestehend aus der Hilfspumpelektrode 51 mit dem Deckenelektrodenabschnitt 51a, der auf fast der gesamten unteren Oberfläche der dem zweiten Innenraum 40 zugewandten zweiten Festelektrolytschicht 6, der Außenpumpelektrode 23 (nicht beschränkt auf die Außenelektrode 23, sofern die Elektrode eine geeignete Elektrode außerhalb des Sensorelements 101 ist) und der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet ist.
  • Die Hilfspumpelektrode 51 ist im zweiten Innenraum 40 so angeordnet, dass sie die gleiche Tunnelformstruktur aufweist wie die vorstehend beschriebene Innenpumpelektrode 22, die im ersten Innenraum 20 angeordnet ist. Das heißt, bezüglich der Tunnelformstruktur wird der Deckenelektrodenabschnitt 51a auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 gebildet, die die Deckenoberfläche des zweiten Innenraumes 40 bereitstellt, ein Bodenelektrodenabschnitt 51b wird auf der ersten Festelektrolytschicht 4, die die untere Oberfläche des zweiten Innenraumes 40 bereitstellt, gebildet, und beide Seitenelektrodenabschnitte (nicht in der Zeichnung dargestellt) zur Verbindung des Deckenelektrodenabschnitts 51a mit dem Bodenelektrodenabschnitt 51 b werden auf den jeweiligen Seitenwandoberflächen der Abstandshalterschicht 5, die Seitenwände des zweiten Innenraumes 40 bereitstellt, gebildet. In diesem Zusammenhang wird die Hilfspumpelektrode 51 unter Verwendung eines Materials mit geschwächter Fähigkeit zur Reduktion bzw. Verminderung von NOx-Komponenten im Messobjektgas in gleicher Weise wie die Innenpumpelektrode 22 gebildet.
  • Bei der Hilfspumpzelle 50 kann Sauerstoff in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 40 in den Außenraum gepumpt werden oder Sauerstoff im Außenraum kann in den zweiten Innenraum 40 gepumpt werden, indem zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Außenpumpelektrode 23 eine vorbestimmte Pumpspannung Vp1 angelegt wird.
  • Um den Sauerstoffpartialdurck in der Atmosphäre in dem zweiten Innenraum 40 zu steuern, bilden die Hilfspumpelektrode 51, die Bezugselektrode 42, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4 und die dritte Substratschicht 3 indes eine elektrochemische Sensorzelle aus, das heißt eine Hilfspumpe zur Steuerung der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 81.
  • In diesem Zusammenhang führt die Hilfspumpzelle 50 das Pumpen durch eine variable Stromversorgung 52 durch, die spannungsgesteuert ist, basierend auf der von der Hilfspumpe zur Steuerung der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 81 erfassten bzw. delektierten elektromotorischen Kraft V1. Somit wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 40 auf einen niedrigen Partialdruck geregelt bzw. gesteuert, der die Messung von NOx nicht wesentlich beeinflusst.
  • Darüber hinaus wird der Pumpstrom Ip1 der Hilfspumpzelle 50 zur Steuerung der elektromotorischen Kraft der Hauptpumpe zur Steuerung der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 80 verwendet. Konkret wird der als Steuersignal dienende Pumpstrom Ip1 in die Hauptpumpe zur Steuerung der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 80 eingegeben, die elektromotorische Kraft V0 wird geregelt bzw. gesteuert und damit wird der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks im Messobjektgas, das vom dritten Diffusions-gesteuerten Abschnitt 30 in den zweiten Innenraum 40 eingeleitet wird, immer konstant geregelt. Bei Einsatz als NOx-Sensor wird die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum 40 durch die Funktionen der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 auf einem konstanten Wert von ungefähr 0,001 ppm gehalten.
  • Die Messpumpzelle 41 misst die NOx-Konzentration in dem Messobjektgas in dem zweiten Innenraum 40. Die Messpumpzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die durch eine Messelektrode 44 aufgebaut ist, welche auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet ist, die zu dem zweiten Innenraum 40 weist und an der Position beabstandet von dem dritten Diffusions-gesteuerten Abschnitt 30, der Außenpumpelektrode 23, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4.
  • Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermet-Elektrode. Die Messelektrode 44 fungiert auch als NOx-Reduktionskatalysator zur Reduktion bzw. Verminderung des in der Atmosphäre im zweiten Innenraum 40 vorhandenen NOx. Weiterhin ist die Messelektrode 44 mit einem vierter Diffusions-gesteuerten Abschnitt 45 abgedeckt.
  • Der vierte Diffusions-gesteuerte Abschnitt 45 ist ein Film, der aus einem porösen Keramikkörper besteht. Der vierte Diffusions-gesteuerte Abschnitt 45 hat die Funktion, die NOx-Menge, die in die Messelektrode 44 strömt, zu begrenzen und zusätzlich eine Funktion als Schutzfilm für die Messelektrode 44. In der Messpumpzelle 41 wird der durch die Zersetzung von Stickoxiden in der Atmosphäre um die Messelektrode 44 erzeugte Sauerstoff abgepumpt und die Menge des erzeugten Sauerstoffs kann als Pumpstrom Ip2 erfasst werden.
  • Um den Sauerstoffpartialdruck um die Messelektrode 44 herum zu erfassen, wird indes eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine Messpumpe zur Steuerung der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 82, durch die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die Messelektrode 44 und die Bezugselektrode 42 aufgebaut. Eine variable Stromversorgung 46 wird auf Basis der von der Messpumpe zur Steuerung der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 82 erfassten elektromotorischen Kraft V2 gesteuert.
  • Das Messobjektgas, das in den zweiten Innenraum 40 eingeleitet wird, erreicht die Messelektrode 44 über den vierten Diffusions-gesteuerten Abschnitt 45 unter Umständen, in denen der Sauerstoffpartialdruck gesteuert wird. Stickoxide im Messobjektgas um die Messelektrode 44 werden reduziert (2NO → N2 + O2) und es entsteht Sauerstoff. Der entstehende Sauerstoff wird dann von der Messpumpzelle 41 gepumpt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so gesteuert, dass die von der Messpumpe zur Steuerung der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 82 erfasste elektromotorische Kraft V2 konstant bleibt. Die um die Messelektrode 44 erzeugte Sauerstoffmenge ist pro Abschnitt proportional zur Konzentration der Stickoxide im Messobjektgas und somit wird die Stickoxidkonzentration im Messobjektgas unter Verwendung des Pumpstroms Ip2 der Messpumpzelle 41 berechnet.
  • Darüber hinaus kann bei der Kombination der Messelektrode 44, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3 und der Bezugselektrode 42 zu einer Sauerstoffpartialdruckerfassungsvorrichtung als elektrochemische Sensorzelle die elektromotorische Kraft entsprechend der Differenz zwischen der durch Reduktion von NOx-Komponenten in der Atmosphäre um die Messelektrode 44 erzeugten Sauerstoffmenge und der in der Bezugsluft enthaltenen Sauerstoffmenge ermittelt und damit die Konzentration von NOx-Komponenten im Messobjektgas bestimmt werden.
  • Weiterhin wird eine elektrochemische Sensorzelle 83 durch die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die Außenpumpelektrode 23 und die Bezugselektrode 42 aufgebaut. Der Sauerstoffpartialdruck im Messobjektgas außerhalb des Sensors kann durch die von der Sensorzelle 83 erhaltene elektromotorische Kraft Vref erfasst werden.
  • Im Gassensor 100 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird das Messobjektgas, das einen Sauerstoffpartialdruck aufweist, durch Betätigen der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 immer auf einem niedrigen konstanten Wert gehalten (Wert, der die Messung von NOx nicht wesentlich beeinflusst), der Messpumpzelle 41 zugeführt. Daher kann die NOx-Konzentration im Messobjektgas auf der Grundlage des Pumpstroms Ip2 bestimmt werden, der aufgrund von Sauerstoff, der durch die Reduktion von NOx nahezu proportional erzeugt wird, zur NOx-Konzentration im Messobjektgas, das durch die Messpumpzelle 41 abgepumpt wird, fließt.
  • Um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu verbessern, beinhaltet das Sensorelement 101 einen Heizvorrichtungsabschnitt 70 mit der Funktion der Temperatureinstellung, die das Erwärmen des Sensorelements 101 und das Halten der Temperatur beinhaltet. Der Heizvorrichtungsabschnitt 70 beinhaltet eine Heizvorrichtung 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizvorrichtungsisolierschicht 74 und eine Druckentlastungsbohrung 75.
  • Die Heizvorrichtung 72 ist ein elektrischer Widerstand, der zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 in vertikaler Richtung angeordnet ist. Die Heizvorrichtung 72 ist über das Durchgangsloch 73 mit einem unteren Anschlusspad 86 verbunden und erzeugt Wärme, indem sie von außen durch das untere Anschlusspad 86 mit Strom versorgt wird, um den Festelektrolyten des Sensorelements 101 zu erwärmen und die Temperatur zu halten.
  • Indes ist die Heizvorrichtung 72 über einen gesamten Bereich vom ersten Innenraum 20 bis zum zweiten Innenraum 40 eingebettet, und die Gesamtheit des Sensorelements 101 kann auf eine Temperatur eingestellt werden, bei der der vorstehend beschriebene Festelektrolyt aktiviert wird.
  • Die Heizvorrichtungsisolierschicht 74 ist eine Isolierschicht, die auf der oberen und der unteren Oberfläche der Heizvorrichtung 72 unter Verwendung eines Isolators, z.B. Aluminiumoxid, gebildet wird. Die Heizvorrichtungsisolierschicht 74 wird gebildet, um eine elektrische Isolierung zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der Heizvorrichtung 72 und eine elektrische Isolierung zwischen der dritten Substratschicht 3 und der Heizvorrichtung 72 herzustellen.
  • Die Druckentlastungsbohrung 75 ist ein Teilabschnitt, der so angeordnet ist, dass er durch die dritte Substratschicht 3 hindurchgeht und mit dem Bezugsgaseinleitungsraum 43 kommuniziert und zur Reduktion bzw. Verminderung eines mit einem Temperaturanstieg in der Heizvorrichtungsisolierschicht 74 verbundenen Innendruckanstiegs gebildet wird.
  • Ein oberes Anschlusspad 85 ist am hinteren Endabschnitt der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet (siehe 1). Ebenso ist das untere Anschlusspad 86 auf dem hinteren Endabschnitt der unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 1 angeordnet. Das obere Anschlusspad 85 und das untere Anschlusspad 86 fungieren als Anschlusselektroden, die das Sensorelement 101 nach außen elektrisch verbinden. Eine Vielzahl von oberen Anschlusspads 85 und eine Vielzahl von unteren Anschlusspads 86 (jeweils vier in der vorliegenden Ausführungsform) sind angeordnet, obwohl sie in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Eines der oberen Anschlusspads 85 ist mit dem in den 2 bis 4 dargestellten Messelektrodenleitung 90 verbunden und wird über die Messelektrodenleitung 90 mit der Messelektrode 44 verbunden. Jede der anderen Elektroden als die Messelektrode 44 ist über eine Elektrodenleitung mit einem der oberen Anschlusspads 85 und der unteren Anschlusspads 86 verbunden, obwohl nicht in der Zeichnung dargestellt. An jede Elektrode (Innenpumpelektrode 22, Außenpumpelektrode 23, Bezugselektrode 42, Messelektrode 44 und Hilfspumpelektrode 51) des Sensorelements 101 kann von außen eine Spannung oder ein Strom angelegt werden oder die Spannung oder der Strom jeder Elektrode kann über die oberen Anschlusspads 85 oder die unteren Anschlusspads 86 gemessen werden. In der Praxis erfolgt das Anlegen der Spannung durch die variable Stromversorgung 24, die variable Stromversorgung 46 und die variable Stromversorgung 52 sowie das Erfassen der Pumpenströme Ip0, Ip1 und Ip2, der elektromotorischen Kräfte V0, V1, V2 und Vref und dergleichen über die oberen Anschlusspads 85 und die unteren Anschlusspads 86.
  • Indes ist, wie in den 2 bis 4 dargestellt, obwohl nicht in 1 dargestellt, eine hermetische Bondingschicht 94 auf der ersten Festelektrolytschicht 4 vorhanden. Die Bondingschicht 94 verbindet die erste Festelektrolytschicht 4 mit der Abstandshalterschicht 5, die in der Stapelrichtung der Schichten 1 bis 6 (hier vertikale Richtung) nebeneinander liegen. Die Bondingschicht 94 umfasst fast die gesamte obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ohne den Strömungsabschnitt eines Messobjektgases, zum Beispiel den Pufferraum 12, den ersten Innenraum 20 und den zweiten Innenraum 40. Es ist vorzuziehen, dass die Bondingschicht 94 die Sauerstoff-Ionen-Leitfähigkeit in gleicher Weise aufweist wie jede der Schichten 1 bis 6. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Bondingschicht 94 als Keramik mit Zirkoniumdioxid als Primärkomponente in gleicher Weise wie jede der Schichten 1 bis 6 eingestellt. Darüber hinaus ist die Bondingschicht, obwohl nicht in der Zeichnung dargestellt, nicht nur zwischen der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4, sondern auch zwischen den in der Stapelrichtung benachbarten Schichten der Schichten 1 bis 6 vorhanden.
  • In diesem Zusammenhang werden im Sensorelement 101 die Schichten 1 bis 6, die Bondingschichten zwischen den Schichten einschließlich der Bondingschicht 94 und dergleichen als Element-Hauptkörper 102 bezeichnet. Der Element-Hauptkörper 102 beinhaltet weder Räume (Strömungsabschnitt eines Messobjektgases, Bezugsgasleitungsraum 43 und Druckentlastungsbohrung 75) noch Elemente (Elektroden, Elektrodenleitungen, obere Anschlusspads 85, untere Anschlusspads 86 und Heizvorrichtung 72), die unter Spannung stehen.
  • Die Konfiguration der Messelektrodenleitung 90 und darum herum wird mit Bezug auf die 2 bis 4 beschrieben. Wie in 2 dargestellt, ist die Messelektrodenleitung 90 links neben der Messelektrode 44 im Sensorelement 101 angeordnet. Die Messelektrodenleitung 90 hat einen ersten Abschnitt 91, der mit der Messelektrode 44 verbunden ist und im zweiten Innenraum 40 im Strömungsabschnitt eines Messobjektgases angeordnet ist und einen zweiten Abschnitt 92, der links vom ersten Abschnitt 91 angeschlossen ist und in den Element-Hauptkörper 102 des Sensorelements 101 eingebettet ist. Wie in den 2 und 3 dargestellt, ist der erste Abschnitt 91 ein Abschnitt von dem mit der Messelektrode 44 verbundenen Teil zu einer linken Seitenoberfläche 40a des zweiten Innenraumes 40 in der Messelektrodenleitung 90. Der erste Abschnitt 91 hat eine lineare Form. Der erste Abschnitt 91 befindet sich direkt auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4. Ein Teil des ersten Abschnitts 91 ist dem zweiten Innenraum 40 ausgesetzt und der andere Teil ist mit der Messelektrode 44 und dem vierten Diffusions-gesteuerten Abschnitt 45 abgedeckt. Der zweite Abschnitt 92 hat einen ersten linearen Abschnitt 92a zu einem dritten linearen Abschnitt 92c. Der erste lineare Abschnitt 92a ist in Querrichtung angeordnet, während das rechte Ende mit dem linken Endabschnitt des ersten Abschnitts 91 verbunden ist. Der zweite lineare Abschnitt 92b ist in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung angeordnet und erstreckt sich bis in die Nähe des hinteren Endes des Sensorelements 101, während das vordere Ende mit dem linken Endabschnitts des ersten linearen Abschnitts 92a verbunden ist. Der dritte lineare Abschnitt 92c ist in Querrichtung angeordnet und erstreckt sich bis zum linken Ende des Sensorelements 101, während das rechte Ende mit dem hinteren Endabschnitt des zweiten linearen Abschnitts 92b verbunden ist. Der linke Endabschnitt des dritten linearen Abschnitts 92c ist an der linken Seitenoberfläche des Sensorelements 101 freigelegt und wird über die seitliche Oberflächenleitung mit einem der oberen Anschlusspads 85 verbunden, obwohl in der Zeichnung nicht dargestellt. Der Rand zwischen dem ersten Abschnitt 91 und dem zweiten Abschnitt 92 ist mit der linken Seitenoberfläche 40a des zweiten Innenraums 40 bündig. Die Messelektrodenleitung 90 ist beispielsweise ein Cermet-Leiter, der ein Edelmetall wie Platin oder ein hochschmelzendes Metall wie Wolfram oder Molybdän enthält und Zirkoniumdioxid enthält, das dem Primärbestandteil der ersten Festelektrolytschicht 4 entspricht. Die Messelektrodenleitung 90 ist hermetisch und gibt kaum Sauerstoff ab. Die Messelektrodenleitung 90 kann eine Porosität von z.B. 0 Vol.-% oder mehr und 10 Vol.-% oder weniger aufweisen. Die Messelektrodenleitung 90 weist eine Porosität von vorzugsweise weniger als 5 Vol.-% und bevorzugter 2 Vol.-% oder weniger auf.
  • Ein Teil der Messelektrodenleitung 90 ist von der Leitungsisolierungsschicht 93 umgeben. Der zum zweiten Abschnitt 92 gehörende Endbereich 92E (siehe 2) ist unterdessen nicht von der Leitungsisolierungsschicht 93 umgeben. Im zweiten Abschnitt 92 ist der Endbereich 92E ein Endbereich, der an den ersten Abschnitt 91 angrenzt und den Rand mit dem ersten Abschnitt 91 beinhaltet. In der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet der Endbereich 92E den gesamten ersten linearen Abschnitt 92a und einen vorderen Teil des zweiten linearen Abschnitts 92b. Bei Betrachtung des Endbereichs 92E in der Stapelrichtung des Element-Hauptkörpers 102 (hier vertikale Richtung) wird die Länge des zweiten Abschnitts 92 vom Rand mit dem ersten Abschnitt 91 in der Längsrichtung der Messelektrodenleitung 90 als Länge L bezeichnet. Die Längsrichtung der Messelektrodenleitung 90 ist die Achsrichtung der Mittelachse der Messelektrodenleitung 90 und ist die Flussrichtung eines durch die Messelektrodenleitung 90 fließenden Stroms. In 2 ist die Länge des gebogenen Liniensegments, das durch abwechselnd lange und kurze gestrichelte Linien im Endbereich 92E gekennzeichnet ist, die Länge L. Indes ist die Summe aus einer Länge L1 des ersten linearen Abschnitts 92a in 3 und einer Länge L2 in 4 die Länge L. In diesem Zusammenhang ist die Länge L1 in 3 die Länge von der linken Seitenoberfläche 40a bis zur Mittelachse des zweiten linearen Abschnitts 92b in Querrichtung des ersten linearen Abschnitts 92a in der Draufsicht. Die Länge L2 in 4 ist die Länge von der Mittelachse des ersten linearen Abschnitts 92a bis zum vorderen Ende der Leitungsisolierungsschicht 93 in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des zweiten linearen Abschnitts 92b in der Draufsicht. In diesem Zusammenhang wird, wie in 4 dargestellt, der Endbereich 92E direkt auf der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet und im zweiten linearen Abschnitt 92b der andere Abschnitt als der Endbereich 92E auf der Leitungsisolierungsschicht 93 angeordnet. Daher weist im Endbereich 92E die Nähe des Endabschnitts aneinander angrenzend an die Leitungsisolierungsschicht 93 eine Stufe mit einem vertikalen Höhenunterschied auf. Wie vorstehend beschrieben, ist jedoch die Länge L die Länge, wenn man sie in der Stapelrichtung betrachtet. Daher wird beim Wert der Länge L der Wert einer solchen Höhendifferenz in der Stapelrichtung nicht berücksichtigt. Die Länge L ist vorzugsweise 0,25 mm oder mehr, bevorzugter 1,0 mm oder mehr und weiter bevorzugt 1,1 mm oder mehr (der Grund wird später beschrieben). Darüber hinaus ist die Länge Lerfindungsgemäß 2 mm oder weniger. Die erste Festelektrolytschicht 4 ist unter dem Endbereich 92E vorhanden und die Bondingschicht 94 ist auf der Oberseite, der Vorderseite, der Rückseite und beiden Seiten des Endbereichs 92E vorhanden. Daher wird der Endbereich 92E zwischen der ersten Festelektrolytschicht 4 und der Bondingschicht 94 eingefügt und von diesen umgeben. Die erste Festelektrolytschicht 4 und die Bondingschicht 94 sind, wie vorstehend beschrieben, hermetisch und entsprechen den hermetischen Schichten gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem Zusammenhang kann die Porosität der hermetischen Schicht (hier die erste Festelektrolytschicht 4 und die Bondingschicht 94) beispielsweise 0 Vol.-% oder mehr und 2 Vol.-% oder weniger betragen. Die Porosität der ersten Festelektrolytschicht 4 kann 0 Vol.-% oder mehr und 2 Vol.-% oder weniger betragen. Die Porosität der Bondingschicht 94 kann 0 Vol.-% oder mehr und 2 Vol.-% oder weniger betragen.
  • Die Leitungsisolierungsschicht 93 ist Teil des Element-Hauptkörpers 102 und umschließt zumindest einen Teil eines Abschnitts mit Ausnahme des Endbereichs 92E des zweiten Abschnitts 92 der Messelektrodenleitung 90, um den Abschnitt von der ersten Festelektrolytschicht 4 und der Abstandshalterschicht 5 zu isolieren. Die Leitungsisolierungsschicht 93 ist so angeordnet, dass die Längsrichtung mit der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung übereinstimmt. Die Leitungsisolierungsschicht 93 umschließt die Oberseite, die Unterseite und beide Seiten eines Abschnitts mit Ausnahme des Endbereichs 92E des zweiten linearen Abschnitts 92b. Darüber hinaus umschließt die Leitungsisolierungsschicht 93 die Oberseite, die Unterseite, die Vorderseite und die Rückseite eines Abschnitts mit Ausnahme der Nähe des linken Endabschnitts des Sensorelements 101 des dritten linearen Abschnitts 92c. Das heißt, die Leitungsisolierungsschicht 93 umgibt den gesamten zweiten Abschnitt 92 mit Ausnahme des Endbereichs 92E und des Bereichs mit dem Endabschnitt gegenüber dem Endbereich 92E. In diesem Zusammenhang umgibt die Leitungsisolierungsschicht 93 weder den ersten Abschnitt 91 noch den linken Endabschnitt des dritten linearen Abschnitts 92c. Dadurch wird die Leitungsisolierungsschicht 93 daran gehindert, Abschnitte abzudecken, z.B. den Verbindungsabschnitt zwischen dem ersten Abschnitt 91 und der Messelektrode 44 und dem linken Endabschnitt des dritten linearen Abschnitts 92c, die bei der Herstellung des Sensorelements 101 elektrisch verbunden werden müssen.
  • Die Leitungsisolierungsschicht 93 ist ein keramischer Isolator, zum Beispiel Aluminiumoxid. Die Leitungsisolierungsschicht 93 hat eine höhere Sauerstoffdurchlässigkeit als die hermetische Schicht (hier die erste Festelektrolytschicht 4 und die Bondingschicht 94). Die Leitungsisolierungsschicht 93 weist eine Sauerstoffdurchlässigkeit auf, die höher oder gleich der Sauerstoffdurchlässigkeit der Messelektrodenleitung 90 ist. Die Porosität der Leitungsisolierungsschicht 93 kann beispielsweise 5 Vol.-% oder mehr und 10 Vol.-% oder weniger betragen. Die Leitungsisolierungsschicht 93 wird zwischen der ersten Festelektrolytschicht 4 und der Bondingschicht 94 eingefügt und von diesen umgeben. In der Zwischenzeit kann der Mindestabstand zwischen der Leitungsisolierungsschicht 93 und dem Strömungsabschnitt eines Messobjektgases (hier der zweite Innenraum 40) 0,25 mm oder mehr oder 0,3 mm oder mehr betragen. In 2 ist der Mindestabstand zwischen der Leitungsisolierungsschicht 93 und dem zweiten Innenraum 40 der Abstand zwischen dem vorderen rechten Endabschnitt der Leitungsisolierungsschicht 93 und dem hinteren linken Endabschnitt des zweiten Innenraums 40.
  • Als nächstes wird ein Beispiel für das Verfahren zur Herstellung des vorstehend beschriebenen Gassensors 100 beschrieben. Zunächst werden sechs ungebrannte keramische Grünschichten hergestellt, die einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, zum Beispiel Zirkoniumdioxid, als keramische Komponente enthalten. Eine Vielzahl von Schichtlöchern, die zum Ausrichten beim Drucken und Stapeln verwendet werden, notwendige Durchgangslöcher und dergleichen befinden sich im Voraus in den Grünschichten. Darüber hinaus befindet sich in der Grünschicht, die als Abstandshalterschicht 5 dient, ein Raum, der als Strömungsabschnitt eines Messobjektgases dient, durch vorherige Stanzbehandlung oder dergleichen. Anschließend werden eine Musterdruckbehandlung, bei der verschiedene Muster auf der keramischen Grünschicht gemäß der ersten Substratschicht 1, der zweiten Substratschicht 2, der dritten Substratschicht 3, der ersten Festelektrolytschicht 4, der Abstandshalterschicht 5 und der zweiten Festelektrolytschicht 6 gebildet werden, und eine Trocknungsbehandlung durchgeführt. Insbesondere handelt es sich bei den gebildeten Mustern um Muster von z.B. Elektroden der vorstehend beschriebenen Messelektrode 44 und dergleichen, Leitungsdrähten wie der an Elektroden anzuschließenden Messelektrodenleitung 90, der Leitungsisolierungsschicht 93, den oberen Anschlusspads 85, den unteren Anschlusspads 86, der Lufteinführungsschicht 48 und dem Heizvorrichtungsabschnitt 70. Der Musterdruck erfolgt durch Beschichten der Grünschichten mit musterbildenden Pasten, die entsprechend den Eigenschaften der jeweils zu formenden Gegenstände unter Verwendung einer bekannten Siebdrucktechnologie hergestellt werden. Die Trocknungsbehandlung erfolgt ebenfalls unter Verwendung einer bekannten Trocknungsvorrichtung. Nachdem der Musterdruck und die Trocknung abgeschlossen sind, werden Druck- und Trocknungsbehandlungen einer als Bondingschichten dienenden Bondingpaste zum Bonden von Grünschichten entsprechend den jeweiligen Schichten untereinander durchgeführt. Anschließend werden die mit den Bondingpasten versehenen Grünschichten durch Schichtlöcher registriert und in der vorgegebenen Reihenfolge gestapelt, und es wird eine Kontaktbondingbehandlung durchgeführt, um einen einzelnen mehrschichtigen Körper herzustellen, indem das Kontaktbonding unter vorgegebenen Temperatur- und Druckbedingungen bewirkt wird. Der so erhaltene mehrschichtige Körper beinhaltet eine Vielzahl von Sensorelementen 101. Der resultierende mehrschichtige Körper wird geschnitten und in die Größe eines Sensorelements 101 aufgeteilt. Der geteilte mehrschichtige Körper wird bei einer vorbestimmten Brenntemperatur gebrannt, um das Sensorelement 101 zu erhalten.
  • In diesem Zusammenhang können Muster, die als Messelektrodenleitung 90 und die Leitungsisolierungsschicht 93 dienen, auf der Grünschicht, die als erste Festelektrolytschicht 4 dient, gebildet werden, wie beispielsweise nachstehend beschrieben. Auf der Grünschicht bildet sich zunächst ein Muster, das als Abschnitt dient, der den unteren Teil der Messelektrodenleitung 90 der Leitungsisolierungsschicht 93 abdeckt. Anschließend wird ein Muster gebildet, das als Messelektrodenleitung 90 dient. Dann wird ein Abschnitt gebildet, der das Seitenteil und den oberen Teil der Messelektrodenleitung 90 der Leitungsisolierungsschicht 93 abdeckt. In diesem Zusammenhang kann das als Messelektrodenleitung 90 dienende Muster in einer Vielzahl von Chargen gebildet werden.
  • Danach wird der Gassensor 100, der mit dem Sensorelement 101 verbunden ist, hergestellt. So wird beispielsweise ein Elementabdichtkörper am Sensorelement 101 befestigt, um das Abdichten und Befestigen zu ermöglichen, und Stecker und Zuleitungsdrähte werden am hinteren Ende des Sensorelements 101 befestigt, um elektrisch mit den oberen Anschlusspads 85 oder den unteren Anschlusspads 86 verbunden zu sein. Indes wird eine Schutzabdeckung am Elementdichtungskörper am vorderen Ende des Sensorelements 101 angebracht. Zusätzlich ist am Elementdichtungskörper am hinteren Ende des Sensorelements 101 ein Außenzylinder befestigt, während sich der Zuleitungsdraht vom Außenzylinder aus erstreckt. In diesem Zusammenhang sind die Schritte der Montage des Gassensors 100 mit einem solchen Sensorelement 101 bekannt und werden beispielsweise in JP 2015-178988 A beschrieben.
  • Hier wird der Grund dafür beschrieben, dass der Endbereich 92E der Messelektrodenleitung 90 von der hermetischen Schicht (erste Festelektrolytschicht 4 und Bondingschicht 94) im Gassensor 100 umgeben ist. Im Sensorelement 101 können Wege vorhanden sein, über die Sauerstoff von außen in die Leitungsisolierungsschicht 93 gelangt. Solche Wege können z.B. durch Staub entstehen, der bei der Herstellung des Sensorelements eindringt oder nach der Herstellung Risse aufweist. Wenn solche Wege vorhanden sind, kann Sauerstoff (z.B. die sauerstoffhaltige Luft) von außerhalb des Sensorelements 101 die Leitungsisolierungsschicht 93 erreichen und der Sauerstoff kann sich in der Leitungsisolierungsschicht 93 weiter bewegen. Erreicht dieser Sauerstoff dann den zweiten Innenraum 40, steigt der nicht von NOx abgeleitete Sauerstoff um die Messelektrode 44 herum an, und die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration wird beeinträchtigt. Steigt beispielsweise der nicht von NOx abgeleitete Sauerstoff, ändert sich der Pumpstrom Ip2 und die in 1 gezeigte elektromotorische Kraft V2, und wenn die NOx-Konzentration mit mindestens einem davon erfasst wird, verschlechtert sich die Erfassungsgenauigkeit. Im Gassensor 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Endbereich 92E jedoch nicht von der Leitungsisolierungsschicht 93 umgeben, die Sauerstoff durchlässt, sondern von der hermetischen Schicht (erste Festelektrolytschicht 4 und Bondingschicht 94), die stattdessen kaum Sauerstoff durchlässt. Wenn der Endbereich 92E, also ein Abschnitt, der als Ausgang zum zweiten Innenraum 40 im zweiten Abschnitt 92 der Messelektrodenleitung 90 dient, von der hermetischen Schicht umgeben ist, wie vorstehend beschrieben, erreicht der Sauerstoff in der Leitungsisolierungsschicht 93 nicht ohne weiteres den zweiten Innenraum 40. Folglich erreicht der Sauerstoff von außen nicht ohne weiteres die Messelektrode 44 und der vorstehend beschriebene Abbau der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration kann unterdrückt werden. Dabei wird beispielsweise der Fall berücksichtigt, dass eine Leitungsisolierungsschicht 193 den Abschnitt entsprechend dem Endbereich 92E umgibt und an der linken Seitenoberfläche 40a (entsprechend dem Fall, in dem die Länge L = 0 ist), wie im Vergleichsbeispiel in 5 dargestellt. In diesem Vergleichsbeispiel tritt der vorstehend beschriebene Abbau der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration leicht auf, da Sauerstoff über die Leitungsisolierungsschicht 93, wie durch Pfeile angegeben, leicht in den zweiten Innenraum 40 gelangt.
  • In diesem Zusammenhang kann im Vergleichsbeispiel in 5, auch wenn kein Weg von außen zur Leitungsisolierungsschicht 93 vorhanden ist, Sauerstoff (z.B. die sauerstoffhaltige Luft) ohne Verwendung des Sensorelements 101 aus dem Strömungsabschnitt eines Messobjektgases in die Leitungsisolierungsschicht 93 gelangen. In diesem Fall kann die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration beeinträchtigt werden, da während der Verwendung des Sensorelements 101 Sauerstoff in der Leitungsisolierungsschicht 93 in den zweiten Innenraum 40 eingespeist wird. Die Erfassungsgenauigkeit wird durch das Pumpen der Hilfspumpzelle 50 wiederhergestellt, so dass der aus der Leitungsisolierungsschicht 93 zugeführte Sauerstoff nach außen gepumpt wird. Die Erfassungsgenauigkeit ist jedoch mindestens während einer Zeit, in der das Pumpen unzureichend ist, in einem verschlechterten Zustand, z.B. wenn die Verwendung des Sensorelements 101 gestartet wird. Daher kann es im Vergleichsbeispiel in 5 einige Zeit dauern, bis das Signal des Sensorelements 101 (z.B. Pumpstrom Ip2) bei einem Wert stabilisiert ist, der eine korrekte NOx-Konzentration anzeigt. Andererseits umgibt die hermetische Schicht im Gassensor 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Endbereich 92E der Messelektrodenleitung 90 und Sauerstoff in der Leitungsisolierungsschicht 93 wird nicht ohne weiteres an den zweiten Innenraum 40 abgegeben. Somit kann die Zeitspanne vom Beginn der Nutzung des Sensorelements 101 bis zur Stabilisierung des Signals verkürzt werden. Wie vorstehend beschrieben, kann beim Gassensor 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration für den Fall, dass Wege des Sauerstoffs von außen vorhanden sind, unterdrückt werden und die Zeit zur Stabilisierung des Signals des Sensorelements 101 kann weiter vermindert werden.
  • Gemäß dem Gassensor 100 der vorstehend ausführlich beschriebenen vorliegenden Ausführungsform umschließt die hermetische Schicht den Endbereich 92E der Messelektrodenleitung 90 und somit kann eine Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration durch Sauerstoff von außen, der die Messelektrode 44 erreicht, unterdrückt werden. Darüber hinaus wird ein solcher Effekt der Unterdrückung der Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration zuverlässiger erreicht, indem die Länge L auf 0,25 mm oder mehr eingestellt wird. In diesem Zusammenhang wird mit zunehmender Länge L ein solcher Effekt der Unterdrückung der Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration tendenziell verstärkt.
  • Darüber hinaus wird bei einer Länge L des Endbereichs 92E von 2 mm oder weniger ein Einfluss eines Ableitstroms aus der Messelektrodenleitung 90 unterdrückt.
  • Weiterhin beinhaltet der Element-Hauptkörper 102 die Bondingschicht 94, die die erste Festelektrolytschicht 4 mit dem in der Stapelrichtung benachbarten Abstandhalter 5 verbindet, und die hermetische Schicht um den Endbereich 92E ist die erste Festelektrolytschicht 4 und die Bondingschicht 94. Somit können die erste Festelektrolytschicht 4 und die Bondingschicht 94 als hermetische Schicht verwendet werden und damit kann das Sensorelement 101 leicht hergestellt werden, verglichen mit dem Fall, dass der Endbereich 92E von der ersten Festelektrolytschicht 4 oder der Bondingschicht 94 bei Verwendung einer anderen hermetischen Schicht umgeben ist.
  • Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung natürlich nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt ist und im technischen Umfang der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Formen realisiert werden kann.
  • So beinhaltet beispielsweise der Endbereich 92E in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform den gesamten ersten linearen Abschnitt 92a und den vorderen Teil des zweiten linearen Abschnitts 92b, aber der Endbereich 92E ist nicht darauf beschränkt. So kann beispielsweise der Endbereich 92E nur ein Teil des ersten linearen Abschnitts 92a sein. Die Form der Messelektrodenleitung 90 (Weg des Leitungsdrahts) ist indes nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt. So wird beispielsweise in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Rand zwischen dem ersten Abschnitt 91 und dem zweiten Abschnitt 92 als die linke Seitenoberfläche 40a des zweiten Innenraum 40 ausgebildet, wobei der Rand jedoch nicht darauf beschränkt ist. Der Rand kann die rechte Oberfläche oder die hintere Oberfläche des zweiten Innenraumes 40 sein.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die hermetische Schicht um den Endbereich 92E als die erste Festelektrolytschicht 4 und die Bondingschicht 94 festgelegt, aber die hermetische Schicht ist nicht darauf beschränkt. So kann beispielsweise die Bondingschicht 94 auch unter dem Endbereich 92E vorhanden sein, und die Endzone 92E kann von der Bondingschicht 94 umgeben sein. Das heißt, die hermetische Schicht kann die Bondingschicht 94 sein. Alternativ kann die hermetische Schicht um den Endbereich 92E ein weiteres hermetisches Element sein, das sich von der ersten Festelektrolytschicht 4 oder der Bondingschicht 94 unterscheidet.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umgibt die Leitungsisolierungsschicht 93 den gesamten zweiten Abschnitt 92 mit Ausnahme des Endbereichs 92E und den Bereich mit dem Endabschnitt gegenüber dem Endbereich 92E, wobei die Leitungsisolierungsschicht 93 nicht darauf beschränkt ist. Die Leitungsisolierungsschicht 93 kann mindestens einen Teil des zweiten Abschnitts 92 mit Ausnahme des Endbereichs 92E umgeben.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist das Sensorelement 101 des Gassensors 100 so eingestellt, dass es den ersten Innenraum 20 und den zweiten Innenraum 40 beinhaltet, aber das Sensorelement 101 ist nicht darauf beschränkt. So kann z.B. ein dritter Innenraum weiter eingebunden werden. 6 ist eine schematische Teilabschnittsansicht des Gassensors 100 eines modifizierten Beispiels in diesem Fall. Wie in 6 dargestellt, ist die Messelektrode 44 im Gassensor 100 dieses modifizierten Beispiels nicht mit dem vierten Diffusions-gesteuerten Abschnitt 45 abgedeckt. Ein vierter Diffusions-gesteuerter Abschnitt 60 ähnlich dem dritten Diffusions-gesteuerten Abschnitt 30 ist stattdessen zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Messelektrode 44 angeordnet. Folglich sind der zweite Innenraum 40, der vierte Diffusions-gesteuerte Abschnitt 60 und der dritte Innenraum 61 nacheinander so angeordnet, dass sie in dieser Reihenfolge miteinander kommunizieren und Teil des Strömungsabschnitts eines Messobjektgases sind. In diesem Zusammenhang ist die Hilfspumpelektrode 51 im zweiten Innenraum 40 angeordnet und die Messelektrode 44 ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 gegenüber dem dritten Innenraum 61 angeordnet. Der Gassensor 100 des modifizierten Beispiels kann die NOx-Konzentration im Messobjektgas in gleicher Weise wie die vorstehend beschriebene Ausführungsform erfassen, da der vierte Diffusions-gesteuerte Abschnitt 60 die gleiche Funktion hat wie der vierte Diffusions-gesteuerte Abschnitt 45 in 1. Darüber hinaus umgibt die hermetische Schicht in Bezug auf den Gassensor 100 des modifizierten Beispiels in gleicher Weise wie die vorstehend beschriebene Ausführungsform den Endbereich der Messelektrodenleitung und damit kann eine Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration durch Sauerstoff von außen bis zur Messelektrode 44 unterdrückt werden.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so gesteuert, dass die elektromotorische Kraft V2 konstant wird, und die NOx-Konzentration im Messobjektgas wird unter Verwendung des zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Pumpstroms Ip2 berechnet. Die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt, solange eine bestimmte Konzentration im Messobjektgas auf der Grundlage der Spannung zwischen der Bezugselektrode 42 und der Messelektrode 44 erfasst wird. Wenn beispielsweise eine Sauerstoffpartialdruckerfassungsvorrichtung als elektrochemische Zelle durch Kombination der Messelektrode 44, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3 und der Bezugselektrode 42 aufgebaut ist, kann eine elektromotorische Kraft entsprechend der Differenz zwischen der Menge an Sauerstoff, der durch Reduktion von NOx-Komponenten in der Atmosphäre um die Messelektrode 44 erzeugt wird, und der Menge an Sauerstoff, die im Bezugsgas enthalten ist, erfasst werden, und somit kann die Konzentration der NOx-Komponenten im Messobjektgas bestimmt werden. In diesem Zusammenhang umgibt in gleicher Weise wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die hermetische Schicht den Endbereich der Messelektrodenleitung und damit kann eine Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration durch Sauerstoff von außen bis zur Messelektrode 44 unterdrückt werden.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erfasst das Sensorelement 101 die NOx-Konzentration als die bestimmte Gaskonzentration im Messobjektgas, wobei die bestimmte Gaskonzentration nicht darauf beschränkt ist. So kann beispielsweise das Sensorelement 101 eine Sauerstoffkonzentration als bestimmte Gaskonzentration erfassen.
  • BEISPIELE
  • Fälle, in denen die Sensorelemente speziell produziert werden, werden im Folgenden als Beispiele beschrieben. In diesem Zusammenhang ist die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
  • [Beispiel 1]
  • In Beispiel 1 wurde das in den 1 bis 4 dargestellte Sensorelement 101 gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung des Sensorelements 101 gebildet. Bei der Herstellung des Sensorelements 101 wurden keramische Grünschichten, die als Schichten 1 bis 6 dienen, durch Mischen von Zirkoniumdioxidteilchen, die 4 Mol-% Yttriumdioxid als Stabilisator enthalten, einem organischen Bindemittel und einem organischen Lösungsmittel hergestellt und eine Bandbildung durchgeführt. Eine Paste zur Bildung der Messelektrodenleitung 90 wurde durch Mischen von 11,2 Massenprozent Zirkoniumdioxidteilchen, die 4 Mol-% Yttriumdioxid als Stabilisator enthalten, 60 Massenprozent Platin, dem organischen Bindemittel und dem organischen Lösungsmittel hergestellt. Eine Paste zur Bildung der Leitungsisolierungsschicht 93 wurde durch Mischen eines Aluminiumoxidpulvers und einer Bindemittellösung in einem Gewichtsverhältnis von 1:2 hergestellt. Eine Paste zur Bildung der Bondingschicht 94 wurde durch Mischen von Zirkoniumdioxidteilchen hergestellt, die 4 Mol-% Yttriumdioxid als Stabilisator, das organische Bindemittel und das organische Lösungsmittel enthalten. Im Sensorelement 101 wurde die Länge L des Endbereichs 92E der Messelektrodenleitung 90 auf 1,1 mm eingestellt. Die Leitungsisolierungsschicht 93 hatte eine höhere Porosität als die erste Festelektrolytschicht 4, die Bondingschicht 94 und die Messelektrodenleitung 90. Daher wird vermutet, dass die Leitungsisolierungsschicht 93 eine höhere Sauerstoffpermeabilität aufweist als die erste Festelektrolytschicht 4, die Bondingschicht 94 und die Messelektrodenleitung 90.
  • [Beispiel 2]
  • In Beispiel 2 wurde das Sensorelement 101 auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Länge L auf 0,25 mm eingestellt wurde. In diesem Zusammenhang wurde in Beispiel 2 der Endbereich 92E nur als Teil des ersten linearen Abschnitts 92a festgelegt.
  • [Vergleichsbeispiel 1]
  • Im Vergleichsbeispiel 1 wurde das Sensorelement 101 auf die gleiche Weise wie Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Muster der Leitungsisolierungsschicht 193 gebildet wurde, während die Länge L auf 0 mm eingestellt wurde, wie in 5 dargestellt.
  • [Bewertung der Erfassungsgenauigkeit]
  • Für jedes der Beispiele 1 und 2 und das Vergleichsbeispiel 1 wurde die Erfassungsgenauigkeit des Messobjektgases des Sensorelements 101 bewertet. In diesem Zusammenhang wurden bei der Bewertung der Erfassungsgenauigkeit bewusst Sauerstoffpfade von außen zur Leitungsisolierungsschicht 93 durch die Anordnung von Fremdstoffen, wie Haaren und Fasern, der Kleidung zwischen den als erste Festelektrolytschicht 4 dienenden Grünschichten und dem Abstandshalter 5 gebildet, bevor die Schichten während der Produktion in den Beispielen 1 und 2 und dem Vergleichsbeispiel 1 gestapelt wurden. Anschließend wurde für jedes der Beispiele 1 und 2 und das Vergleichsbeispiel 1 nach der Produktion die Erfassungsgenauigkeit bewertet. Konkret wurde das Sensorelement 101 zunächst in der Luft angeordnet und die Heizvorrichtung 72 durch Anlegen einer Spannung am Heizvorrichtungsabschnitt 70 so bestromt, dass die Temperatur der Heizvorrichtung 72 zu einer vorgegebenen Temperatur wurde. Unterdessen wurde ein Modellgas, bei dem das Basisgas Stickstoff war, die Sauerstoffkonzentration 18% betrug und die NOx-Konzentration 0 ppm betrug, in den Gasstromabschnitt eingeführt. Anschließend wurde jede der Zellen 21, 41, 50 und 80 bis 83 angetrieben. Nachdem der Wert des Pumpstroms Ip2 stabilisiert wurde, wurde der resultierende Wert des Pumpstroms Ip2 gemessen. Dann wurde der Fall, in dem der Wert des Pumpstroms Ip2 innerhalb eines zulässigen Bereichs (0 µA oder mehr und 1 µA oder weniger) lag, während die Sauerstoffkonzentration 18% betrug, als gut (A) bewertet und der Fall, in dem der Wert außerhalb des zulässigen Bereichs lag, als fehlerhaft (F) bewertet. Der Wert der Länge L und das Ergebnis der Bewertung der einzelnen Beispiele 1 und 2 sowie des Vergleichsbeispiels 1 sind in Tabelle 1 dargestellt. [Tabelle 1]
    Länge L [mm] Bewertung der Erfassungsgenauigkeit
    Beispiel 1 1,1 A
    Beispiel 2 0,25 A
    Vergleichsbeispiel 1 0 F
  • Wie in Tabelle 1 dargestellt, war bei Vergleichsbeispiel 1, in dem die Länge L 0 mm betrug, das Bewertungsergebnis der Erfassungsgenauigkeit fehlerhaft, während die Bewertungsergebnisse der Erfassungsgenauigkeit der Beispiele 1 und 2, in denen die Länge L 0,25 mm oder mehr betrug, gut waren. In diesem Zusammenhang war im Vergleichsbeispiel 1 der Wert des Pumpstroms Ip2 größer als der zulässige Bereich. Mit zunehmendem Sauerstoffgehalt an der Messelektrode 44 steigt der Pumpstrom Ip2 tendenziell an. Daher wird vermutet, dass im Vergleichsbeispiel 1 der Sauerstoff im Modellgas von außen den zweiten Innenraum 40 erreichte und damit der Wert des Pumpstroms Ip2 zum großen Wert wurde.
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-118937, eingereicht am 16. Juni 2017, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die vorliegende Erfindung ist für ein Sensorelement und einen Gassensor verwendbar, die die Konzentration eines bestimmten Gases wie NOx in einem Messobjektgas, zum Beispiel einem Automobilabgas, erfassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    erste Substratschicht
    2
    zweite Substratschicht
    3
    dritte Substratschicht
    4
    erster Festelektrolytschicht
    5
    Abstandshalterschicht
    6
    zweite Festelektrolytschicht
    10
    Gaseinlass
    11
    erster Diffusions-gesteuerter Abschnitt
    12
    Pufferraum
    13
    zweiter Diffusions-gesteuerter Abschnitt
    20
    erster Innenraum
    21
    Hauptpumpzelle
    22
    Innenpumpelektrode
    22a
    Deckenelektrodenabschnitt
    22b
    Bodenelektrodenabschnitt
    23
    Außenpumpelektrode
    24
    variable Stromversorgung
    30
    dritter Diffusions-gesteuerter Abschnitt
    40
    zweiter Innenraum
    40a
    linke Seitenoberfläche
    41
    Messpumpzelle
    42
    Bezugselektrode
    43
    Bezugsgaseinleitungsraum
    44
    Messelektrode
    45
    vierter Diffusions-gesteuerter Abschnitt
    46
    variable Stromversorgung
    48
    Lufteinführungsschicht
    50
    Hilfspumpzelle
    51
    Hilfspumpelektrode
    51a
    Deckenelektrodenabschnitt
    51b
    Bodenelektrodenabschnitt
    52
    variable Stromversorgung
    70
    Heizvorrichtungsabschnitt
    72
    Heizvorrichtung
    73
    Durchgangsloch
    74
    Heizvorrichtungsisolierschicht
    75
    Druckentlastungsbohrung
    80
    Hauptpumpe zur Steuerung der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle
    81
    Hilfspumpe zur Steuerung der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle
    82
    Messpumpe zur Steuerung der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle
    83
    Sensorzelle
    85
    oberes Anschlusspad
    86
    unteres Anschlusspad
    90
    Messelektrodenleitung
    91
    erster Abschnitt
    92
    zweiter Abschnitt
    92a bis 92c
    erster bis dritter gerader Leitungsabschnitt
    92E
    Endbereich
    93
    Leitungsisolierungsschicht
    94
    Bondingschicht
    100
    Gassensor
    101
    Sensorelement
    102
    Element-Hauptkörper
    193
    Leitungsisolierungsschicht

Claims (5)

  1. Sensorelement (101), umfassend: einen Element-Hauptkörper (102), der eine Vielzahl von gestapelten sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten (4, 6) aufweist und in dem ein Strömungsabschnitt eines Messobjektgases so angeordnet ist, dass ein Messobjektgas eingeführt und geleitet wird; eine Messelektrode (44), die im Strömungsabschnitt eines Messobjektgases angeordnet ist; eine Messelektrodenleitung (90) mit einem ersten Abschnitt (91), der mit der Messelektrode (44) verbunden ist und der im Strömungsabschnitt eines Messobjektgases angeordnet ist, und einem zweiten Abschnitt (92), der mit dem ersten Abschnitt (91) verbunden ist und der in den Element-Hauptkörper (102) eingebettet ist; eine hermetische Schicht (4, 94), die Teil des Element-Hauptkörpers (102) ist und einen Endbereich (92E) des zweiten Abschnitts (92) umgibt, einschließlich des Randes mit dem ersten Abschnitt (91); und eine Leitungsisolierungsschicht (93), die Teil des Element-Hauptkörpers (102) ist und die mindestens einen Teil des zweiten Abschnitts (92) mit Ausnahme des Endbereichs (92E) umgibt, wobei die Länge (L) des Endbereichs (92E) im zweiten Abschnitt (92) 2 mm oder weniger beträgt, wobei die Länge (L) vom Rand mit dem ersten Abschnitt (91) in Längsrichtung der Messelektrodenleitung (90) ist, wenn in Stapelrichtung der Vielzahl von Festelektrolytschichten (4, 6) betrachtet.
  2. Sensorelement (101) nach Anspruch 1, wobei die Länge (L) des Endbereichs (92E) im zweiten Abschnitt (92) 0,25 mm oder mehr beträgt, wobei die Länge (L) von dem Rand mit dem ersten Abschnitt (91) in Längsrichtung der Messelektrodenleitung (90) ist, wenn in Stapelrichtung der Vielzahl von Festelektrolytschichten (4, 6) betrachtet.
  3. Sensorelement (101) nach Anspruch 2, wobei die Länge (L) 1,0 mm oder mehr beträgt.
  4. Sensorelement (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Element-Hauptkörper (102) Bondingschichten (94) beinhaltet, die die Festelektrolytschichten (4, 6) miteinander verbinden, wobei die Festelektrolytschichten (4, 6) in Stapelrichtung aneinander angrenzen, und die hermetische Schicht (4, 94) die Bondingschicht (94) ist oder die Festelektrolytschicht (4) und die Bondingschicht (94) ist.
  5. Gassensor (100), umfassend das Sensorelement (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
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