DE112019006436T5

DE112019006436T5 - Gassensorelement und gassensor

Info

Publication number: DE112019006436T5
Application number: DE112019006436.3T
Authority: DE
Inventors: Chika Kuroki; Satoshi Suzuki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2021-09-09
Also published as: JP7040437B2; CN113227775A; US20210318262A1; JP2020106438A; WO2020137180A1; CN113227775B

Abstract

Ein Gassensorelement (10) und ein Gassensor, der das Gassensorelement beinhaltet, werden bereitgestellt. Das Gassensorelement beinhaltet einen Festelektrolytkörper (10), einen Messelektrodenfilm (31) und eine Messgaseinlassöffnung (15). Der Messelektrodenfilm (31) beinhaltet einen Edelmetallbereich (311), einen Festelektrolytbereich (312) und einen Mischbereich (313), in dem ein Edelmetall und ein Festelektrolyt miteinander vermischt werden. Der Messelektrodenfilm (31) weist eine Verteilungsstruktur auf, in der eine durchschnittliche Dicke (D1) des Mischbereichs (313), der in einem ersten Bereich (315) vorhanden ist, größer ist als eine durchschnittliche Dicke des Mischbereichs (313), der in einem Bereich vorhanden ist, der näher an einem Zentrum (O1) des Messelektrodenfilms (31) ist als der erste Bereich in einer Richtung entlang einer Einlassrichtung (DG) eines Messgases. Der erste Bereich (315) ist ein Bereich von einem Elektrodenende (314) auf der Seite der Messgaseinlassöffnung (15) bis zu 1/4 einer Gesamtlänge (L) des Messelektrodenfilms (31) in der Richtung entlang der Einlassrichtung (DG) des Messgases.

Description

Querverweis auf ähnliche Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der Japanischen Patentanmeldung mit der Nr. 2018 - 246 366 , eingereicht am 28. Dezember 2018, deren Beschreibung hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen wird.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Gassensorelement und einen Gassensor.
Stand der Technik
Beispielsweise wird ein Gassensor, der ein Gassensorelement umfasst, bei der Erfassung eines Abgases verwendet, das von einer internen Verbrennungsmaschine ausgestoßen wird. Das Gassensorelement weist einen Festelektrolytkörper, der Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, einen Messelektrodenfilm, der auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers bereitgestellt wird, und einen Referenzelektrodenfilm, der auf einer anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers bereitgestellt wird, auf. Der Messelektrodenfilm enthält Edelmetallpartikel wie beispielsweise Platin (Pt) und Festelektrolytpartikel, die eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweisen.
In PTL 1 ist eine Gassensorelektrode offenbart, die ein Edelmetall, einen Festelektrolyten und einen Mischbereich aufweist, in den das Edelmetall und der Festelektrolyt gegenseitig eingearbeitet sind. Der Mischbereich ist in der Elektrode ausgebildet. Somit nimmt eine Dreiphasengrenzfläche zwischen einem Edelmetallbereich, einem Festelektrolytbereich und einem Gasphasenbereich eines Messgases zu. Daher steigt die Aktivität der Elektrode. Folglich verringert sich der Elektrodengrenzflächenwiderstand und Schwankungen in der Sensorausgabe können unterbunden werden.
Liste der Entgegenhaltungen
Patentliteratur
PTL 1: JP-A 2014 - 122 878
Kurzfassung der Erfindung
Während der Mischbereich des Messelektrodenfilms zu einer Erhöhung der Dreiphasengrenzfläche führt, führt der Mischbereich auch zu einer Erhöhung der Kapazität. Die Erhöhung der Kapazität kann einen Faktor in der Verringerung der Reaktion bzw. Reaktionsfähigkeit auf Änderungen in dem Messgas darstellen, wie etwa die Reaktion auf eine sprunghafte Veränderung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases. Daher besteht Raum für eine weitere Verbesserung der Reaktionsfähigkeit bzw. der Ansprechempfindlichkeit des Gassensors.
Die vorliegende Offenbarung stellt ein Gassensorelement und einen Gassensor bereit, die eine kurze Elektrodenaktivierungszeit und eine ausgezeichnete Reaktionsfähigkeit aufweisen.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein Gassensorelement bereit, das Folgendes beinhaltet: einen Festelektrolytkörper; einen Messelektrodenfilm, der auf einer Hauptoberfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet und einem Messgas ausgesetzt ist; und eine Messgaseinlassöffnung, in die das Messgas eingeleitet wird. Bei dem Gassensorelement weist der Messelektrodenfilm einen Edelmetallbereich, der ein Edelmetall umfasst, einen Festelektrolytbereich, der einen Festelektrolyt umfasst, und einen Mischbereich, in dem das Edelmetall und der Festelektrolyt miteinander vermischt sind, auf.
Der Messelektrodenfilm weist eine Verteilungsstruktur auf, in der eine durchschnittliche Dicke D₁ des Mischbereichs, der innerhalb eines ersten Bereichs von einem Elektrodenende auf der Seite der Messgaseinlassöffnung bis zu 1/4 einer Gesamtlänge L des Messelektrodenfilms in einer Richtung entlang einer Einlassrichtung des Messgases vorhanden ist, größer ist als eine durchschnittliche Dicke des Mischbereichs, der innerhalb eines Bereichs vorhanden ist, der näher an einer Mitte des Messelektrodenfilms ist als der erste Bereich in der Richtung entlang der Einlassrichtung.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt einen Gassensor bereit, der das oben beschriebene Gassensorelement beinhaltet.
Der Messelektrodenfilm in dem oben beschriebenen Gassensorelement weist den Mischbereich auf, in dem das Edelmetall und der Festelektrolyt miteinander vermischt sind. Der Mischbereich erhöht eine Menge einer Dreiphasengrenzfläche, die als Reaktionsabschnitt des Edelmetalls, des Festelektrolyts und des Messgases dient. Im Ergebnis wird die Elektrodenaktivierungszeit des Messgases verkürzt und das Gassensorelement kann das Messgas in einem frühen Stadium erfassen.
Zusätzlich weist der Messelektrodenfilm eine Verteilung in der Dicke des Mischbereichs auf. Die durchschnittliche Dicke D₁ des Mischbereichs, der innerhalb des ersten Bereichs vorhanden ist, der an der Messgaseinlassöffnung positioniert ist, ist größer als die durchschnittliche Dicke des Mischbereichs, der innerhalb des Bereichs vorhanden ist, der näher an der Mitte des ersten Bereichs liegt. Das heißt, dass bei einer Messelektrode eine Verteilung in der Menge der Dreiphasengrenzfläche gebildet wird. Die Menge an Dreiphasengrenzfläche auf der Seite der Messgaseinlassöffnung ist groß. Da das Messgas von der Messgaseinlassöffnung in das Gassensorelement eingeführt wird, passiert das Messgas der Messelektrodenfilm entlang der Einlassrichtung.
Zu dieser Zeit läuft bei dem Gassensorelement, das wie oben beschrieben konfiguriert ist, die Elektrodenreaktion an dem Elektrodenende auf der Seite der Messgaseinlassöffnung, in der die Dicke des Mischbereichs groß ist, ausreichend ab. Das Messgas, in dem Sauerstoff durch die Elektrodenreaktion verbraucht wird, tritt in der Richtung entlang der Einlassrichtung von dem Elektrodenende aus. Folglich wird die Elektrodenaktivität ausreichend hoch gehalten, selbst wenn die Verteilungsstruktur bereitgestellt wird.
Ferner kann die Verteilungsstruktur die Dicke des Mischbereichs in dem Bereich, der näher an der Mitte liegt als der erste Bereich, reduzieren. Daher kann die Kapazität des gesamten Messelektrodenfilms reduziert werden, während die Elektrodenaktivität hoch gehalten wird. Folglich wird das Laden/Entladen schneller, und es kann verhindert werden, dass die Reaktion auf Änderungen des Messgases abnimmt.
Auf diese Weise weist das vorstehend beschriebene Gassensorelement die Verteilungsstruktur in der Dicke des Mischbereichs zwischen dem ersten Bereich und dem Bereich näher an der Mitte als der erste Bereich auf. Im Ergebnis kann eine Mischbereichsmenge in dem gesamten Messelektrodenfilm unterdrückt werden, während die Mischbereichsmenge, die für die Elektrodenaktivität erforderlich ist, beibehalten wird und eine Reduzierung der Kapazität erreicht wird. Folglich kann die Reaktionsfähigkeit des Gassensorelements und des Gassensors, der das Gassensorelement beinhaltet, verbessert werden, während die Elektrodenaktivierungszeit davon verkürzt wird.
Wie vorstehend beschrieben können gemäß den vorstehend beschriebenen Aspekten ein Gassensorelement und ein Gassensor bereitgestellt werden, der sowohl eine hohe Elektrodenaktivität als auch eine ausgezeichnete Reaktionsfähigkeit bereitstellt.
Bezugszeichen in Klammern in dem Schutzumfang von Ansprüchen geben entsprechende Beziehungen zu spezifischen Mitteln an, die gemäß nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen beschrieben werden, und beschränken nicht den technischen Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung.
Figurenliste
Die oben beschriebene Aufgabe, andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden durch die detaillierte Beschreibung hierunter mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen klargestellt. Es zeigt / Es zeigen:

1 eine Querschnittsansicht eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 eine Querschnittsansicht in einer Längsrichtung eines Gassensorelements gemäß der ersten Ausführungsform.
3 eine Querschnittsansicht in einer Querrichtung des Gassensorelements gemäß der ersten Ausführungsform.
4 eine Draufsicht auf eine Messelektrodenfilmbildungsfläche eines Festelektrolytkörpers in dem Gassensorelement gemäß der ersten Ausführungsform.
5 ein erläuterndes Diagramm eines Mechanismus, durch den eine effektive Elektrodenfläche in einem Messelektrodenfilm gemäß der ersten Ausführungsform vorhanden ist.
6 ein erläuterndes Diagramm, das eine Verteilungsstruktur eines Mischbereichs in dem Messelektrodenfilm gemäß der ersten Ausführungsform schematisch zeigt.
7 ein erläuterndes Diagramm, das eine Dicke des Mischbereichs in einem ersten Bereich gemäß der ersten Ausführungsform schematisch zeigt.
8 ein erläuterndes Diagramm, das schematisch die Dicke des Mischbereichs in eines zweiten Bereichs gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
9 ein erläuterndes Diagramm, das ein Gasreaktionsmodell des Gassensorelements gemäß der ersten Ausführungsform schematisch zeigt.
10 ein erläuterndes Diagramm, das ein äquivalentes Schaltungsmodell während Änderungen einer Gaszusammensetzung in dem Gasreaktionsmodell in 9 zeigt;
11 zeigt durch (a) ein Rasterelektronenmikroskopbild, das den Mischbereich innerhalb des ersten Bereichs des Messelektrodenfilms zeigt, und durch (b) ein Rasterelektronenmikroskopbild, das den Mischbereich innerhalb des zweiten Bereichs des Messelektrodenfilms zeigt;
12 eine Querschnittsansicht in Querrichtung eines Gassensorelements gemäß einer zweiten Ausführungsform.
13 eine Querschnittsansicht in Längsrichtung des Gassensorelements gemäß der zweiten Ausführungsform.
14 eine Draufsicht einer Messelektrodenfilmbildungsoberfläche eines Festelektrolytkörpers in dem Gassensorelement gemäß der zweiten Ausführungsform;
15 eine Querschnittsansicht in Querrichtung des Gassensorelements bei einer ersten Modifikation.
16 ein erläuterndes Diagramm, das eine Verteilung eines Mischbereichs in einem Messelektrodenfilm in einem ersten Vergleichsbeispiel schematisch veranschaulicht;
17 eine Querschnittsansicht in Längsrichtung eines Gassensorelements gemäß einer dritten Ausführungsform.
18 eine Querschnittsansicht in der Querrichtung des Gassensorelements gemäß dem dritten Element.
19 eine Draufsicht, in der eine Diffusionswiderstandsschicht und ein Messelektrodenfilm auf eine Bildungs- bzw. Formationsfläche eines Wärmeerzeugungskörpers einer Heizeinrichtung in einem Gassensorelement projiziert sind, das eine Messgaseinlassöffnung an einem Spitzenende aufweist, gemäß einer vierten Ausführungsform;
20 eine Draufsicht, in der eine Diffusionswiderstandsschicht und einen Messelektrodenfilm gemäß der vierten Ausführungsform auf eine Bildungsfläche eines Wärmeerzeugungskörpers einer Heizeinrichtung in einem Gassensorelement projiziert werden, das eine Messgaseinlassöffnung auf einer Seitenfläche aufweist.
21 ein Rasterelektronenmikroskopbild, das einen Messelektrodenfilm in einem ersten Versuchsbeispiel zeigt;
22 ein Diagramm, das Einstellungen zur Binärisierung bzw. Binarisierung auf Grundlage von Luminanzschwellen in dem ersten Versuchsbeispiel zeigt.
23 ein Rasterelektronenmikroskopbild, das einen Edelmetallbereich zeigt, die auf Grundlage der Luminanz in dem ersten Versuchsbeispiel binarisiert ist.
24 ein Rasterelektronenmikroskopbild, das einen Mischbereich zeigt, der auf Grundlage der Luminanz in dem ersten Versuchsbeispiel binarisiert ist.
25 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer durchschnittlichen Dicke D₁ des Mischbereichs im ersten Bereich und einem Aktivierungszeitverhältnis des Gassensors im ersten Versuchsbeispiel zeigt; und
26 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer durchschnittlichen Dicke D₃ des Mischbereichs in dem gesamten Messelektrodenfilm und einem Disbalanceverhältnis des Gassensors in dem ersten Versuchsbeispiel zeigt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 11 werden ein Gassensorelement und ein Gassensor gemäß einer ersten Ausführungsform beschrieben werden. Wie in Beispielen in den 2 bis 4 gezeigt wird, weist ein Gassensorelement 10 mindestens einen Festelektrolytkörper 20, einen Messelektrodenfilm 31 und eine Messgaseinlassöffnung 15 auf.
Der Messelektrodenfilm 31 ist auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers 20 ausgebildet. Die Messgaseinlassöffnung 15 ist ein Eingang bzw. Einlass für ein Messgas G in das Gassensorelement 10. Das Messgas G wird von der Messgaseinlassöffnung 15 in das Gassensorelement 10 eingeführt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Messgaseinlassöffnung 15 an einem Spitzenende 13 in einer Längsrichtung X des Gassensorelements 10 ausgebildet. Das Spitzenende 13 ist ein Endabschnitt des Gassensorelements auf einer Seite, die dem Messgas G ausgesetzt ist. Ein Endabschnitt des Gassensorelements auf einer Seite gegenüber dem Spitzenende 13 ist ein Basisende 14. Wie in den Beispielen in den 2 und 3 gezeigt wird, kann das Gassensorelement 10 ferner einen Referenzelektrodenfilm 32, eine Heizeinrichtung 5 und dergleichen beinhalten. Zusätzlich weist ein Gassensor 1 das Gassensorelement 10 auf. Die Details werden untenstehend beschrieben werden.
Wie in den 1 bis 4 gezeigt wird, ist der Gassensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Abgassystemsensor, der mit einem Abgas, das von einem Verbrennungsmotor als das Messgas G und atmosphärische Luft als ein Referenzgas A abgeführt wird, eine Sauerstoffkonzentration, eine spezifische Gaskomponentenkonzentration oder dergleichen in dem Messgas G misst. Der Gassensor 1 und das Gassensorelement 10 weisen eine längliche Form auf, die in der Längsrichtung X länglich ist.
Insbesondere ist der Gassensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein A/F-Sensor (Luft-Kraftstoff-Verhältnis), der in einem Abgasrohr eines Motors angeordnet ist, der als der Verbrennungsmotor mit interner Verbrennung dient, und wobei das Abgas, das durch das Abgasrohr strömt, als das Messgas G und die atmosphärische Luft als das Referenzgas A dient, die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas G bestimmt und das A/F in dem Motor auf Grundlage der Sauerstoffkonzentration bestimmt. Insbesondere kann der Gassensor 1 als ein A/F-Sensor dienen, der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors unter Verwendung einer Grenzstromcharakteristik quantitativ bestimmt, die auf einer Diffusionssteuerung des Messgases G basiert. Der Gassensor 1 kann auch ein Konzentrationszellentyp sein, der erfasst, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das ein Mischungsverhältnis von Kraftstoff und Luft in dem Motor ist, in einem fetten Zustand ist, der überschüssigen Kraftstoff aufweist, oder in einem mageren Zustand, der überschüssige Luft in Bezug auf ein theoretisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufweist.
Der Gassensor 1 kann als anderer Gassensor 1 als der A/F-Sensor konfiguriert sein. Das heißt, solange der Gassensor 1 das Gassensorelement 10 beinhaltet, auf das eine Konfiguration anwendbar ist, in der der Messelektrodenfilm 31 einen Mischbereich 313 und eine Beziehung D₁ > D₂ aufweist, die oben beschrieben ist, kann der Gassensor 1 auf Gassensoren wie etwa den A/F-Sensor, einen Sauerstoffsensor, einen NOx -Sensor und dergleichen angewendet werden.
Der Gassensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet das Gassensorelement 10, einen Isolator 62, ein Gehäuse 61, eine Innenabdeckung 7 und eine Außenabdeckung 8. Der Isolator 62 hält bzw. lagert das Gassensorelement. Das Gehäuse 61 hält den Isolator 62. Die Innenabdeckung 7 und die Außenabdeckung 8 werden durch das Gehäuse gehalten.
Das Gassensorelement 10 weist einen vorstehenden Abschnitt 11 auf, der von dem Isolator 62 vorsteht. Die Innenabdeckung 7 und die Außenabdeckung 8 bedecken den vorstehenden Abschnitt 11 des Gassensorelements 10. Ein Gasmessabschnitt 12, der zu dem Messgas G freigelegt ist und die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas G misst, ist in dem vorstehenden Abschnitt 11 bereitgestellt.
In der Innenabdeckung 7 sind innere Durchgangslöcher 711 und 721 ausgebildet, durch die das Messgas G hindurchtritt. Äußere Durchgangslöcher 811 und 821, durch welche das Messgas G strömt, sind in der Außenabdeckung 8 ausgebildet. Anstelle einer doppellagigen Schutzabdeckung, die die Innenabdeckung 7 und die Außenabdeckung 8 ist, kann hier eine einschichtige Schutzabdeckung verwendet werden. Zusätzlich ist die Anordnung der inneren Durchgangslöcher 711 und 721 und der äußeren Durchgangslöcher 811 und 821 nicht besonders beschränkt.
Wie in den 2 und 3 gezeigt wird, weist der Gasmessabschnitt 12 die Messgaseinlassöffnung 15, den Messelektrodenfilm 31, den Referenzelektrodenfilm 32 und einen Abschnitt des Festelektrolytkörpers 20 auf, der sandwichartig zwischen den Elektrodenfilmen eingeschoben ist. Der Messelektrodenfilm 31 ist dem Messgas G ausgesetzt und der Referenzelektrodenfilm 32 ist dem Referenzgas A ausgesetzt. Die Heizeinrichtung 5 zum Erwärmen und Aktivieren des Festelektrolytkörpers 20, der Messelektrodenfilm 31 und der Referenzelektrodenfilm 32 sind auf den Festelektrolytkörper 20 in dem Gassensorelement 10 laminiert.
Formen des Gassensorelements 10 und des Festelektrolytkörpers 20 können Formen sein, die eine Konfiguration ermöglichen, bei der das Messgas G über den Messelektrodenfilm 31 entlang einer Einlassrichtung D_G innerhalb des Gassensorelements 10 strömt. Wie beispielsweise in den Beispielen in den 2 bis 4 gezeigt, ist die Form des Gassensorelements eine Plattenform, die die Längsrichtung X aufweist. Das plattenförmige Gassensorelement 10 weist die Längsrichtung X, eine Querrichtung Y und eine Dickenrichtung Z auf. Unter der Längsrichtung X, der Querrichtung Y und der Dickenrichtung Z ist eine Richtung orthogonal zu den anderen beiden Richtungen.
Der Festelektrolytkörper 20 ist aus einem Festelektrolyten wie stabilisiertem Zirconiumdioxid oder teilstabilisiertem Zirconiumdioxid hergestellt, der ein Seltenerdmetallelement oder ein Erdalkalimetallelement enthält. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Festelektrolytkörper 20 spezifisch aus Yttriumoxid hergestellt, das teilweise stabilisiert ist.
Der plattenförmige Festelektrolytkörper 20 weist zwei Hauptoberflächen 21 auf. Ein Messgasraum 41, in den das Messgas G eingeführt wird, ist auf einer ersten Hauptoberfläche 211 ausgebildet. Ein Referenzgasraum 42, in welchen das Referenzgas A eingeführt wird, ist auf einer zweiten Hauptoberfläche 212 ausgebildet. Das heißt, die erste Hauptoberfläche 211 ist dem Messgasraum 41 zugewandt und die zweite Hauptoberfläche 212 ist dem Referenzgasraum 42 zugewandt. Die erste Hauptoberfläche 211 und die zweite Hauptoberfläche 212 sind Flächen des Festelektrolytkörpers 20, die sich auf einander gegenüberliegenden Seiten befinden.
Der Messelektrodenfilm 31 ist in dem Messgasraum 41 angeordnet. Der Messgasraum 41 ist derart ausgebildet, dass er durch den Festelektrolytkörper 20, einen Isolierkörper 43 und die Diffusionswiderstandsschicht 44 umgeben ist. Die Diffusionswiderstandsschicht 44 ermöglicht es dem Messgas G, mit einer vorgegebenen Diffusionsdrehzahl zu passieren. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Diffusionswiderstandsschicht 44 auf dem Spitzenende 13 in der Längsrichtung X des Gassensorelements 10 bereitgestellt, das die Messgaseinlassöffnung 15 ist.
Wie in dem Beispiel in 2 gezeigt ist, weist der Messelektrodenfilm 31 ein erstes Elektrodenende 319 und ein zweites Elektrodenende 317 an beiden Enden des Gassensorelements 10 in der Längsrichtung X auf. Das erste Elektrodenende 319 ist ein Elektrodenende auf der Seite des Spitzenendes 13 und das zweite Elektrodenende 317 ist das Elektrodenende auf der Seite des Basisendes. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Messgaseinlassöffnung 15 auf dem Spitzenende 13 des Gassensorelements 10 ausgebildet. Daher ist das erste Elektrodenende 319 des Messelektrodenfilms ein Elektrodenende 314 auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15. Das zweite Elektrodenende 317 ist ein Elektrodenende auf einer Seite gegenüber der Seite der Messgaseinlassöffnung 15. Eine Elektrodenleitung 318 ist mit dem zweiten Elektrodenende 317 verbunden.
Wie in Beispielen in den 6 bis 8 und 11 gezeigt, weist der Messelektrodenfilm 31 einen Edelmetallbereich 311, einen Festelektrolytbereich 312 und den Mischbereich 313 auf. Der Edelmetallbereich 311 beinhaltet ein Edelmetall. Das Edelmetall ist Pt, Pd, Rh, Au, Ag, Ir oder dergleichen. Aus der Perspektive einer ausgezeichneten Haltbarkeit in einer Hochtemperaturkorrosionsumgebung ist das Edelmetall vorzugsweise Pt. Zum Beispiel beinhaltet den Festelektrolytbereich 312 einen Festelektrolyten, der dem Festelektrolytkörper 20 ähnlich ist. Der Mischbereich 313 ist ein Bereich, in dem das Edelmetall und der Festelektrolyt miteinander vermischt sind.
Insbesondere ist der Mischbereich 313 ein Bereich, in dem sich das Edelmetall und der Festelektrolyt in einem wechselseitig dreidimensional eingebauten Zustand auf einer Nanoebene befinden. Der Edelmetallbereich 311, der Festelektrolytbereich 312 und der Mischbereich 313 können durch Bildanalyse unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (sem) unterschieden werden. Obwohl Details in einem Versuchsbeispiel beschrieben werden, ist in einem SEM-Bild in 11 durch (a) eine weiße bis hellgraue Fläche der Edelmetallbereich, eine dunkelgraue Fläche der Festelektrolytbereich und eine Fläche, die von einer gepunkteten Linie umgeben ist, der Mischbereich. Hier sind schwarze Anteile Luftlöcher.
Wie in den Beispielen in den 2 bis 8 gezeigt wird, weist der Messelektrodenfilm 31 eine Verteilungsstruktur in einer Dicke des Mischbereichs 313 auf. Insbesondere weist der Messelektrodenfilm 31 eine Verteilungsstruktur auf, in der eine durchschnittliche Dicke des Mischbereichs 313, der in einem ersten Bereich 315 vorhanden ist, größer ist als die Dicke des Mischbereichs 313, der in einem Bereich vorhanden ist, der näher an einem Zentrum O₁ als der erste Bereich 315 in einer Richtung entlang der Einlassrichtung D_G vorhanden ist. Die Verteilungsstruktur ist durch eine Beziehung D₁ > D₂ definiert. Diese Beziehung wird untenstehend beschrieben werden.
2 eine Querschnittsansicht auf einer Ebene entlang sowohl der Längsrichtung X als auch der Dickenrichtung Z des Gassensorelements und auch eine Querschnittsansicht auf einer Ebene entlang einer Laminierungsrichtung (d. h. der Dickenrichtung Z) des Gassensorelements und der Einlassrichtung D_G .
Wie in dem Beispiel in 2 gezeigt wird, weist der Messelektrodenfilm 31 den ersten Bereich 315 und einen zweiten Bereich 316 auf. Der erste Bereich 315 ist ein Bereich von dem Elektrodenende 314 auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 des Messelektrodenfilms 31 bis 1/4 einer Gesamtlänge L des Messelektrodenfilms 31 in der Richtung entlang der Einlassrichtung D_G des Messgases G. Der zweite Bereich 316 ist ein Bereich von einer Position bei 1/4 der Gesamtlänge L des Messelektrodenfilms 31 bis zur Mitte O₁ der Gesamtlänge L des Messelektrodenfilms 31 in der Richtung entlang der Einlassrichtung D_G des Messgases G. Hier ist die Mitte O₁ der Gesamtlänge L des Messelektrodenfilms 31 eine Position bei 1/2 der Gesamtlänge L des Messelektrodenfilms 31.
Die Gesamtlänge L des Messelektrodenfilms 31 ist eine Länge des Messelektrodenfilms 31 in der Richtung entlang der Einlassrichtung D_G . Die Gesamtlänge L des Messelektrodenfilms 31 beinhaltet keine Länge der Elektrodenleitung 318. Wenn die Messgaseinlassöffnung 15 an dem Spitzenende 13 in der Längsrichtung X des Gassensorelements 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet ist, ist die Gesamtlänge L des Messelektrodenfilms 31 die Länge des Messelektrodenfilms 31 in der Längsrichtung X des Gassensorelements 10.
Die Einlassrichtung D_G ist eine Richtung, in welcher das Messgas G in das Gassensorelement 10 aufgenommen wird, und ist eine Richtung entlang einer Formationsoberfläche des Messelektrodenfilms 31. Wenn die Messgaseinlassöffnung 15 an dem Spitzenende 13 in der Längsrichtung X des Gassensorelements 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet ist, ist die Einlassrichtung D_G die Richtung entlang der Längsrichtung X. Die „Richtung entlang...Richtung“ ist gleichbedeutend mit einer „Richtung parallel zu...Richtung“.
Die Verteilungsstruktur des Mischbereichs 313 ist durch eine durchschnittliche Dicke D₁ des Mischbereichs 313 in dem ersten Bereich 315 definiert, die größer ist als eine durchschnittliche Dicke D₂ des Mischbereichs 313 in dem zweiten Bereich 316. Das heißt, dass eine Beziehung D₁ > D₂ hergestellt ist. Wie in dem Beispiel in 7 gezeigt, wird angenommen, dass die durchschnittliche Dicke D₁ groß ist, weil in dem ersten Bereich 315 eine Dicke D₁₁ des Mischbereichs 313 groß ist und es viele Formationsstellen des Mischbereichs 313 gibt.
Wie in dem Beispiel in 8 gezeigt wird, wird angenommen, dass die durchschnittliche Dicke D₂ klein ist, weil in dem zweiten Bereich 316 die Dicke D₁₁ des Mischbereichs 313 klein ist und es wenige Formationsstellen des Mischbereichs 313 gibt. Die durchschnittliche Dicke des Mischbereichs 313 weist eine Korrelation mit einer Menge des Mischbereichs 313 auf. Es wird angenommen, dass der Gehalt des Mischbereichs 313 zunimmt, wenn die durchschnittliche Dicke des Mischbereichs 313 zunimmt. Ein Messverfahren für die durchschnittliche Dicke des Mischbereichs 313 wird in dem Versuchsbeispiel beschrieben werden. Aus einer Perspektive der Verbesserung sowohl der Aktivierungszeit als auch der Reaktionsfähigkeit bei höheren Niveaus ist D₁ - D₂ vorzugsweise gleich oder größer als 0,01 µm und noch bevorzugter gleich oder größer als 0,02 µm.
In dem der Messelektrodenfilm 31 erfüllen die durchschnittliche Dicke D₁ des Mischbereichs 313 und eine durchschnittliche Dicke D₃ des Mischbereichs 313, der in der Messelektrodenfolie 31 vorhanden ist, vorzugsweise eine Beziehung D₁ > D₃. Aus der Perspektive der Verbesserung sowohl der Aktivierungszeit als auch der Reaktionsfähigkeit auf höheren Ebenen ist D₁ - D₃ vorzugsweise gleich oder größer als 0,01 µm und noch bevorzugter gleich oder größer als 0,02 µm.
Als ein Modus, in dem die Beziehung D₁ > D₂ erfüllt ist, und ein Modus, in dem die Beziehung D₁ > D₃ erfüllt ist, ist in 6 als ein Beispiel eine Verteilungsstruktur angegeben, in der die Dicke des Mischbereichs 313 von der Seite des Messgaseinlassöffnung 15 zu dem Zentrum O₁ in der Richtung entlang der Einlassrichtung D_G abnimmt. Allerdings ist die Verteilungsstruktur nicht auf diese Struktur beschränkt. Solange die Struktur mindestens die Beziehung D₁ > D₂ erfüllt, entspricht die Struktur der Verteilungsstruktur.
Aus einer Perspektive des Verkürzens der Elektrodenaktivierungszeit und aus einer Perspektive des Verringerns von Variationen in der Elektrodenaktivierungszeit ist die durchschnittliche Dicke D₁ des Mischbereichs 313 in dem ersten Bereich 315 vorzugsweise gleich oder größer als 0,1 µm und noch bevorzugter gleich oder größer als 0,17 µm. In der Zwischenzeit, wenn die Dicke des Mischbereichs 313 zu groß ist, kann die Festigkeit des Messelektrodenfilms 31 aufgrund des Fortschreitens der Verringerung des Festelektrolyts abnehmen. Aus einer Perspektive der ausreichenden Aufrechterhaltung der Festigkeit des Messelektrodenfilms beträgt die mittlere Dicke D₁ vorzugsweise gleich oder weniger als 0,3 µm.
Aus einer Perspektive des Erhöhens der Reaktionsfähigkeit des Gassensors 1 beträgt die durchschnittliche Dicke D₃ vorzugsweise gleich oder weniger als 0,08 µm und mehr bevorzugt gleich oder weniger als 0,03 µm.Aus einer Perspektive des Unterdrückens des Auftretens von Schwankungen in der Dicke des Mischbereichs 313 und des Unterdrückens des Auftretens von Schwankungen in der Ansprechempfindlichkeit des Gassensors 1 ist die durchschnittliche Dicke D₃ vorzugsweise gleich oder größer als 0,01 µm.
Wie in dem Beispiel in 2 gezeigt wird, weist der Referenzelektrodenfilm 32 ein erstes Elektrodenende 329 und ein zweites Elektrodenende 327 an beiden Enden in der Längsrichtung X des Gassensorelements 10 auf. Das erste Elektrodenende 329 ist ein Elektrodenende auf der Spitzenendseite 13 und das zweite Elektrodenende 327 ist ein Elektrodenende auf der Basisendseite. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Messgaseinlassöffnung 15 auf dem Spitzenende 13 des Gassensorelements 10 ausgebildet. Daher ist das erste Elektrodenende 319 des Referenzelektrodenfilms 32 ein Elektrodenende 324 auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15. Das zweite Elektrodenende 327 ist ein Elektrodenende auf der Seite gegenüber der Seite der Messgaseinlassöffnung 15. Das zweite Elektrodenende 327 ist mit einer Elektrodenleitung 328 verbunden.
Der Referenzelektrodenfilm 32 ist in dem Referenzgasraum 42 angeordnet. Die Heizeinrichtung 5 ist auf der zweiten Hauptoberfläche 212 Seite des Festelektrolytkörpers 20 laminiert. Die Heizeinrichtung 5 beinhaltet einen Wärmeerzeugungskörper 52, der Wärme durch Erregung bzw. Bestromung erzeugt, und ein Keramiksubstrat 51, in dem der Wärmeerzeugungskörper 52 eingebettet ist. Der Referenzgasraum 42 ist derart ausgebildet, dass er durch den Festelektrolytkörper 20 und das Keramiksubstrat 51 umgeben ist. Das Referenzgas A wird von einer Referenzgaseinlassöffnung 16 in den Referenzgasraum 42 aufgenommen.
Zum Beispiel ist die Referenzgaseinlassöffnung 16 an dem Basisende 14 in der Längsrichtung X des Gassensorelements 10 bereitgestellt. Die Referenzgaseinlassöffnung 16 ist in einer Position auf der Seite gegenüber der Messgaseinlassöffnung 15 in der Längsrichtung X des Gassensorelements 10 ausgebildet.
Bei der Herstellung des Gassensorelements 10 wird eine Festelektrolytfolie durch eine Paste eines Elektrodenmaterials gebildet, das die Elektrodenfilme 31 und 32 zusammensetzt, und die Elektrodenleitungen 318 und 328 werden auf eine Keramikfolie eines Festelektrolyten aufgebracht. Zusätzlich wird ein laminierter Körper durch Folien zum Bilden des Isolierkörpers 43, der Diffusionswiderstandsschicht 44, eines Isolierkörpers 45, der als Abstandshalter dient, und der Heizeinrichtung 5 gebildet, und die Festelektrolytfolie wird laminiert.
In einem Zustand, in welchem Druck in einer Laminierungsrichtung des laminierten Körpers aufgebracht wird, wird der laminierte Körper gebrannt. Die Laminierungsrichtung ist eine Richtung entlang der Dickenrichtung Z des Gassensorelements. Vor dem Brennen durch eine kreisscheibenförmige Schneidklinge wird eine Nut in einem Heizsubstrat im Voraus gebildet. Somit ist der Referenzgasraum in dem Schichtkörper ausgebildet. Das Gassensorelement 10 kann durch Zünden erhalten werden.
Der Mischbereich 313 wird aufgrund von Bestromung zwischen dem Messelektrodenfilm 31 und dem Referenzelektrodenfilm 32 und aufgrund von Bestromung der Heizeinrichtung 5 des Gassensorelements 10 gebildet. Zu dieser Zeit werden eine Positionsbeziehung zwischen dem Messelektrodenfilm 31 und dem Referenzelektrodenfilm 32 und eine Wärmeerzeugungsverteilung der Heizeinrichtung 5 eingestellt. Somit kann die vorstehend beschriebene Verteilungsstruktur in der Dicke des Mischbereichs 313 ausgebildet sein. Einzelheiten werden gemäß einer dritten Ausführungsform und einer vierten Ausführungsform beschrieben werden.
Ein Grund, aus dem die Elektrodenaktivierungszeit des Gassensorelements 10 verkürzt wird und die Reaktionsfähigkeit verbessert wird, wenn der Referenzelektrodenfilm 31 die Verteilungsstruktur des Mischbereichs 313 aufweist, wird beschrieben werden. Die Elektrodenaktivierungszeit ist wesentlich von aktiven Reaktionsstellen des Messelektrodenfilm 31 abhängig. Die aktiven Reaktionsstellen beziehen sich auf eine Menge an Dreiphasengrenzfläche zwischen Edelmetall, Festelektrolyt und Gas. Als ein Verfahren zum Vergrößern der aktiven Reaktionsstellen ist zum Beispiel ein Verfahren bekannt, bei dem der Mischbereich 313 durch einen Anregungsprozess gebildet wird. Da die Kapazität des Elektrodenfilms jedoch von einer Kondensatorkapazität einer Schnittstelle bzw. einer Grenzfläche zwischen dem Edelmetall und dem Festelektrolyt abhängt, erhöht sich die Kapazität auch mit der Menge des Mischbereichs 313.
Wie in 5 gezeigt wird, wird das Messgas G, das von dem Messgaseinlasskanal 15 eingeführt wird, in der Einlassrichtung D_G ausgebreitet. Unter Berücksichtigung eines Reaktionsmechanismus auf dem Messelektrodenfilm 31 wird eine Sauerstoffpumpreaktion nahe der Messgaseinlassöffnung 15 gestartet. Somit wird eine Sauerstoffkonzentrationsverteilung auf dem Messelektrodenfilm 31 aufgrund von Sauerstoffgasdiffusion und Sauerstoffpumpen gebildet. Im Ergebnis nimmt eine Sauerstoffverarbeitungsmenge durch Pumpen weiter weg von der Messgaseinlassöffnung 15 entlang der Einlassrichtung D_G ab.
Das heißt, dass bei dem Messelektrodenfilm 31 ein effektiver Elektrodenbereich als Elektrodenaktivität vorhanden ist. Ein Bereich der effektiven Elektrodenfläche ist ein Bereich von dem Elektrodenende 314 auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 bis zu 1/4 der Gesamtlänge L des Messelektrodenfilms 31 in der Richtung entlang der Einlassrichtung D_G . Das heißt, der Bereich, in dem die effektive Elektrodenfläche vorhanden ist, ist der erste Bereich 315. Hier in 5 wird die Sauerstoffkonzentrationsverteilung auf dem Messelektrodenfilm 31 innerhalb des Messgasraums 41 durch Abschattung durch Punktschraffur ausgedrückt. Die Sauerstoffverarbeitungsmenge durch Pumpen wird durch eine Dicke eines Pfeils in einer Abwärtsrichtung auf einer Papieroberfläche ausgedrückt.
Der Messelektrodenfilm 31 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist die Verteilungsstruktur in der Dicke des Mischbereichs auf, wie vorstehend beschrieben ist. Das heißt, die Dicke des Mischbereichs 313 in dem ersten Bereich 315, die für die Elektrodenaktivität erforderlich ist, ist größer als die in der Umgebung. Auf diese Weise kann die Menge des Mischbereichs 313, die für die Aktivität erforderlich ist, durch eine gegebene Verteilung in dem Mischbereich 313 aufrechterhalten werden, während die Menge des Mischbereichs 313 in dem gesamten Messelektrodenfilm 31 unterdrückt werden kann. Somit kann die Kapazität reduziert werden. Folglich wird die Elektrodenaktivierungszeit des Gassensors verkürzt und die Reaktionsfähigkeit verbessert. Dies kann aus folgendem Grund als verursacht angesehen werden.
Wie in 9 gezeigt wird, kann das folgende Gasreaktionsmodell in Betracht gezogen werden. Bei diesem Modell tritt auf der Seite des Messelektrodenfilms 31 eine Reaktion O₂ + 2e^- → 2O^2- auf. Das erzeugte O^2- bewegt sich durch den Festelektrolytkörper 20 zu der Seite des Referenzelektrodenfilms 32. Dann findet auf dem Referenzelektrodenfilm 32 eine Reaktion 2O^2- →O₂ + 2e^- statt. Im Ergebnis fließt ein Sensorausgangsstrom Is. Zusätzlich wird, wenn dieses Gasreaktionsmodell durch einen Ersatzschaltkreis ersetzt wird, ein Ersatzschaltungsmodell, wie etwa das, das in 10 gezeigt wird, erhalten.
Hier ist Cdl in dem Ersatzschaltungsmodell in 10 eine Kapazität, die eine Kondensatorkomponente einer Elektrodenreaktion ist. Rf ist ein Grenzflächenwiderstand in einem Elektrodenfilm. Zw ist Gasdiffusionswiderstand. Ip ist ein Sauerstoffpumpstrom. Is ist ein Sensorausgangsstrom. Ir ist ein Sperrstrom bzw. Rückwärtsstrom. Auf Grundlage des Ersatzschaltungsmodells in 10 ändert sich während Änderungen in einer Gaszusammensetzung der Gasdiffusionswiderstand Zw. Somit fließt der Sperrstrom Ir zu der Kapazität Cdl, die die Kondensatorkomponente der Elektrodenreaktion ist. Aufgrund des Sperrstroms Ir erfolgt ein Laden/Entladen in der Kondensatorkomponente. Die Ansprechempfindlichkeit des Gassensors 1 während Änderungen der Gaszusammensetzung verschlechtert sich, wenn die Zeit, die für das Laden/Entladen in der Kondensatorkomponente benötigt wird, zunimmt.
Wenn die Verteilungsstruktur jedoch wie vorstehend beschrieben bereitgestellt wird, ist die durchschnittliche Dicke des Mischbereichs 313 in dem ersten Bereich 315, der für die Elektrodenaktivität wirksam ist, groß, und die durchschnittliche Dicke des Mischbereichs 313 ist in dem zweiten Bereich 316, der sich in der Nähe davon befindet, klein. Daher kann die Kapazität des gesamten Messelektrodenfilms 31 reduziert werden. Daher wird das Laden/Entladen des Kondensatorbauteils bei Änderungen der Gaszusammensetzung des gesamten Messelektrodenfilms 31 schnell durchgeführt. Im Ergebnis wird angenommen, dass die Ansprechempfindlichkeit des Gassensors 1 während Änderungen der Gaszusammensetzung verbessert ist.
Ein Aspekt der Verteilungsstruktur wird in 11 durch (a) und (b) durch (SEM bzw.) REM-Bilder eines tatsächlichen gasseitigen Elektrodenfilms gezeigt. 11 zeigt durch (a) einen Zustand eines Mischbereichs nahe der Messgaseinlassöffnung 15 in dem ersten Bereich 315. 11 zeigt durch (b) einen Zustand eines Mischbereichs in einem Bereich, die näher an der Mitte O₁ ist als der erste Bereich 315. Wie aus 11 durch (a) und (b) deutlich wird, sind die Mischbereiche 313 zahlreich und mit einer großen Dicke nahe der Messgaseinlassöffnung 15 ausgebildet. Die Mischbereiche 313 sind kaum auf der Seite weiter in Richtung des Zentrums O₁ als der erste Bereich 315 ausgebildet.
Wie in dem Beispiel in 5 gezeigt wird, kann der Referenzelektrodenfilm 32 auch eine Konfiguration aufweisen, die der des Messelektrodenfilms 31 ähnlich ist. Das heißt, der Referenzelektrodenfilm 32 kann den Edelmetallbereich 311, den Festelektrolytbereich 312 und den Mischbereich 313 aufweisen. Der Referenzelektrodenfilm 32 kann die Verteilungsstruktur in dem Mischbereich 313 aufweisen. Auch wenn der Referenzelektrodenfilm 32 keine Verteilungsstruktur aufweist, kann die Elektrodenaktivierungszeit des Gassensors 1 verkürzt werden, wenn der Messelektrodenfilm 31 die vorstehend beschriebene Verteilungsstruktur aufweist, und die Ansprechempfindlichkeit kann verbessert werden. Solche erwünschten Effekte können erhalten werden.
Wie vorstehend beschrieben ist eine Verteilung in der Dicke des Mischbereichs 313 des Messelektrodenfilms 31 bereitgestellt. Dadurch können das Gassensorelement 10 und der Gassensor 1, der sowohl eine hohe Elektrodenaktivität als auch eine ausgezeichnete Ansprechempfindlichkeit bereitstellt, bereitgestellt werden.
Zweite Ausführungsform
Als nächstes wird das Gassensorelement 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben werden. In dieser Ausführungsform ist die Messgaseinlassöffnung 15 auf einer Seitenoberfläche des Gassensorelements 10 vorgesehen. Bei Referenznummern, die gemäß der zweiten und nachfolgenden Ausführungsformen verwendet werden, geben Referenznummern, die die gleichen sind wie die, die gemäß einer vorherigen Ausführungsform verwendet werden, Bestandteilelemente und dergleichen an, die denen gemäß der vorherigen Ausführungsform ähneln, sofern dies nicht anderweitig angegeben ist. Zusätzlich ähneln in Bezug auf Konfigurationen gemäß der zweiten und nachfolgenden Ausführungsformen Konfigurationen, die nicht besonders bemerkt werden, Konfigurationen, die nicht widersprüchlich sind, und dergleichen jenen gemäß der vorherigen Ausführungsform.
Wie in Beispielen in den 12 bis 14 gezeigt, weist das Gassensorelement 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Messgaseinlassöffnung 15 an einer Seitenfläche des plattenförmigen Gassensorelements 10 auf, das heißt in einem Endabschnitt 19 in der Querrichtung Y. 12 ist eine Querschnittsansicht auf einer Ebene entlang der Querrichtung Y und der Dickenrichtung Z des Gassensorelements 10 und ist auch eine Querschnittsansicht auf einer Ebene entlang der Laminierungsrichtung (das heißt der Dickenrichtung Z) des Gassensorelements 10 und der Gaseinlassrichtung D_G . Die Diffusionswiderstandsschicht 44 ist in der Querrichtung Y des Gassensorelements 10 in der Messgaseinlassöffnung 15 ausgebildet und die Diffusionswiderstandsschicht 44 ist in dem Endabschnitt 19 ausgebildet.
Wenn die Messgaseinlassöffnung 15 in einem Endabschnitt in der Querrichtung Y des Gassensorelements 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet ist, ist die Einlassrichtung DG des Messgases G eine Richtung entlang der Querrichtung Y. Die Messgaseinlassöffnung 15 kann an beiden Enden in der Querrichtung Y des Gassensorelements 10 ausgebildet sein oder kann in einem der beiden Endabschnitte in der Querrichtung Y ausgebildet sein. Beispielsweise ist die Messgaseinlassöffnung 15 nahe der Seite des Spitzenendes 13 in der Längsrichtung X ausgebildet.
Auf eine Weise, die der gemäß der ersten Ausführungsform ähnlich ist, weist der Messelektrodenfilm 31 eine Verteilungsstruktur in einer Richtung entlang der Einlassrichtung D_G auf. Insbesondere weist der Messelektrodenfilm 31 den ersten Bereich 315 und den zweiten Bereich 316 auf, die die Beziehung D₁ > D₂ erfüllen. Wenn die Messgaseinlassöffnung 15 in dem Endabschnitt 19 (d. h. der Seitenfläche des Gassensorelements 10) in der Querrichtung Y des Gassensorelements 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet ist, ist die Gesamtlänge L des Messelektrodenfilms 31 eine Länge des Messelektrodenfilms 31 in der Querrichtung Y des Gassensorelements 10.
Da die Messgaseinlassöffnung 15 auf der Seitenfläche ausgebildet ist, sind der erste Bereich 315 und der zweite Bereich 316 derart ausgebildet, dass sie entlang der Querrichtung Y verlaufen. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das Messgas G von dem Messgaseinlasskanal 15 angesaugt, der in dem Endabschnitt 19 in der Querrichtung Y des Gassensorelements 10 bereitgestellt ist. Die Verteilungsstruktur des Mischbereichs 313 ist jedoch in der Richtung entlang der Einlassrichtung D_G in einer Weise vorgesehen, die derjenigen gemäß der ersten Ausführungsform ähnlich ist. Wenn die Messgaseinlassöffnung 15 an beiden Enden in der Querrichtung vorgesehen ist, kann die Verteilungsstruktur in jedem der Messgaseinlasskanäle 15 ausgebildet sein.
Zum Beispiel können zwei Verteilungsstrukturen innerhalb des Messelektrodenfilms 31 ausgebildet sein. Aus einer ähnlichen Perspektive kann in dem Gassensorelement 10, das eine Vielzahl von Messgaseinlassöffnungen 15 aufweist, eine Vielzahl von Verteilungsstrukturen entlang der Einlassrichtung D_G ausgebildet sein. Andere Konfigurationen können denen der ersten Ausführungsform ähneln. Das Gassensorelement 10 und der Gassensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform können Effekte erzielen, die denen der ersten Ausführungsform ähneln.
(Erste Änderung)
Ein vorliegendes Beispiel ist eine Modifikation des Gassensorelements, bei dem die Messgaseinlassöffnung 15 auf der Seitenoberfläche ausgebildet ist. 15 eine Querschnittsansicht auf einer Ebene entlang sowohl der Querrichtung Y als auch der Dickenrichtung Z des Gassensorelements 10 und auch eine Querschnittsansicht auf einer Ebene entlang der Laminierungsrichtung (d. h. der Dickenrichtung Z) des Gassensorelements 10 und der Gaseinlassrichtung D_G .
Wie in einem Beispiel in 15 gezeigt wird, beinhaltet das Gassensorelement 10 des vorliegenden Beispiels einen Messgasraum, der von dem Festelektrolytkörper 20, dem Isolierkörper 45 und der Diffusionswiderstandsschicht 44 umgeben ist. Die Diffusionswiderstandsschicht 44 ist auf eine laminierte Weise ausgebildet, um einem Abschnitt des Festelektrolytkörpers 20 in der Dickenrichtung Z des Gassensorelements 10 entgegenzuwirken. Eine poröse Schutzschicht 18 ist in der Messgaseinlassöffnung 15 ausgebildet. Giftige Bestandteile in dem Messgas G werden von der porösen Schutzschicht 18 eingefangen.
Ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform ist die Einlassrichtung D_G des Messgases G in dem Gassensorelement 10 des vorliegenden Beispiels die Querrichtung Y des Gassensorelements 10. Daher wird die oben beschriebene Verteilungsstruktur in dem Messelektrodenfilm 31 entlang der Querrichtung Y des Gassensorelements 10 gebildet. Somit können Effekte erhalten werden, die denen gemäß der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform ähneln. Andere Konfigurationen können denen gemäß der ersten Ausführungsform ähneln.
(Vergleichsbeispiel)
Als nächstes wird ein Gassensorelement 90 beschrieben werden, das keine Verteilungsstruktur eines Mischbereichs in einem Messelektrodenfilm aufweist. Wie in einem Beispiel in 16 gezeigt wird, weist das Gassensorelement 90 gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Mischbereich 313 in einem Messelektrodenfilm 91 auf. Allerdings ist die Dicke des Mischbereichs 313 in der Richtung entlang der Einlassrichtung DG des Messgases nicht klein. Es gibt keinen Unterschied zwischen der durchschnittlichen Dicke des Mischbereichs 313 in dem oben beschriebenen ersten Bereich 315 und der durchschnittlichen Dicke des Mischbereichs 313 in dem zweiten Bereich 316. Als ein konkretes Beispiel wird ein Fall angegeben, bei welchem der Mischbereich 313 mit einer gleichmäßigen Dicke über den gesamten Messelektrodenfilm 91 gebildet wird.
In dem vorliegenden Beispiel ist zum Beispiel der Mischbereich 313 in dem Messelektrodenfilm 91 mit einer gleichmäßigen Dicke in der Einlassrichtung D_G ausgebildet. Zum Beispiel ist der Mischbereich 313 mit einer Dicke gemäß einer Ausführungsform vorhanden, die vergleichsweise größer ist, selbst in einem anderen Bereich als dem ersten Bereich 315, in dem die Sauerstoffverarbeitungsmenge aufgrund von Sauerstoffpumpen, wie etwa dem zweiten Bereich 316, gering ist. Daher erhöht sich die Kapazität des Messelektrodenfilms 91, die Lade-/Entladezeit während Änderungen der Gaszusammensetzung wird lang und die Ansprechempfindlichkeit des Gassensors verschlechtert sich.
Dritte Ausführungsform
Als nächstes wird das Gassensorelement 10 gemäß einer dritten Ausführungsform beschrieben werden. In diesem Gassensorelement 10 unterscheiden sich die Positionen des Elektrodenendes 324 des Referenzelektrodenfilms 32 und des Elektrodenendes 314 des Messelektrodenfilms 31 auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15.
Wie in Beispielen in den 17 und 18 gezeigt, ist in dem Gassensorelement 10 gemäß einer vorliegenden Ausführungsform das Elektrodenende 324 auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 des Referenzelektrodenfilms 32 näher an der Messgaseinlassöffnung 15 angeordnet, als das Elektrodenende 314 auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 des Messelektrodenfilms 31 ist. Das heißt, das Elektrodenende 324 auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 des Referenzelektrodenfilms 32 ist bereitgestellt, um sich weiter zu der Seite des Messgaseinlassanschlusses 15 zu erstrecken, als das Elektrodenende 314 auf der Seite des Messgaseinlassanschlusses 15 des Messelektrodenfilms 31 ist.
Wie in dem Beispiel in 17 gezeigt, ist das Elektrodenende 324 auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 des Referenzelektrodenfilms 32 bereitgestellt, um sich näher an dem Spitzenende 13 des Gassensorelements 10 zu erstrecken, als das Elektrodenende 314 auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 des Messelektrodenfilms 31 ist, wenn die Messgaseinlassöffnung 15 auf der Seite des Spitzenendes 13 des Gassensorelements 10 bereitgestellt ist.
Wie in dem Beispiel in 18 gezeigt, ist das Elektrodenende 324 auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 des Referenzelektrodenfilms 32 bereitgestellt, um sich näher an die Seitenfläche 19 des Gassensorelements 10 zu erstrecken, als das Elektrodenende 314 auf der Seite des Messgaseinlassanschlusses 15 des Messelektrodenfilms 31 ist, wenn der Messgaseinlassanschluss 15 auf der Seitenfläche (d. h. in dem Endabschnitt 19 in der Querrichtung Y) des Gassensorelements 10 bereitgestellt ist. In jedem Fall ist eine Abweichungsbreite ΔW zwischen dem Elektrodenende 314 des Messelektrodenfilms 31 und dem Elektrodenende 324 des Referenzelektrodenfilms 32 vorhanden.
In einer Konfiguration gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der Erregungsprozess zwischen dem Messelektrodenfilm 31 und dem Referenzelektrodenfilm 32 durchgeführt. Somit wird eine Stromverteilung auf das Elektrodenende 314 auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 des Messelektrodenfilms 31 konzentriert. Aufgrund dieser Stromkonzentration nimmt eine Reduktionsreaktionsmenge am Elektrodenende 314 auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 des Messelektrodenfilms 31 stärker zu als in dessen Nähe. Im Ergebnis wird der Mischbereich 313 mit einer größeren Dicke als in den anderen Bereichen auf dem Elektrodenende 314 auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 des Messelektrodenfilms 31 gebildet. Daher kann in der Konfiguration gemäß der vorliegenden Ausführungsform die oben beschriebene Verteilungsstruktur des Mischbereichs 313 durch den Bestromungsprozess gebildet werden.
Vierte Ausführungsform
Als nächstes wird das Gassensorelement 10 gemäß einer vierten Ausführungsform beschrieben werden. Dieses Gassensorelement 10 ist derart konfiguriert, dass eine höchste Temperaturposition in der Wärmeerzeugungsverteilung in dem Messelektrodenfilm 31 näher an der Messgaseinlassöffnung 15 liegt als die Mitte _O1 der Messelektrodenfolie 31. 19 und 20 zeigen Diagramme, in denen die Diffusionswiderstandsschicht 44 und der Messelektrodenfilm 31 in der Dickenrichtung Z auf eine Bildungsfläche eines Wärmeerzeugungskörpers der Heizeinrichtung 5 in dem Gassensorelement projiziert sind.
Das Gassensorelement 10 beinhaltet die Heizeinrichtung 5, die das Gassensorelement 10 erwärmt. Die Heizeinrichtung 5 weist den Wärmeerzeugungskörper 52, einen Leitungsabschnitt 53, der den Wärmeerzeugungskörper 52 mit Energie versorgt, und das Keramiksubstrat 51 auf, in dem der Wärmeerzeugungskörper 52 und der Leitungsabschnitt 53 eingebettet sind. Der Wärmeerzeugungskörper 52 wird durch ein Elektrodenmuster gebildet, das durch Drucken auf das Keramiksubstrat 51 gebildet wird. Die höchste Temperaturposition in der Wärmeerzeugungsverteilung kann durch eine Form des Wärmeerzeugungskörpers 52 eingestellt werden. Der Wärmeerzeugungskörper 52 ist typischerweise in einer Form einer Welle ausgebildet, die eine Amplitude in der Längsrichtung X des Gassensorelements 10 aufweist.
Wie in einem Beispiel in 19 gezeigt, wird ein herkömmlicher Wärmeerzeugungskörper 52 durch ein wellenförmiges sich wiederholendes Muster gebildet, das eine große Amplitude aufweist, die einen Bildungsbereich des Messelektrodenfilms 31 in der Längsrichtung X übersteigt. Wenn sich die Messgaseinlassöffnung 15 an dem Spitzenende 13 des Gassensorelements 10 befindet, kann die höchste Temperaturposition in der Wärmeerzeugungsverteilung so eingestellt werden, dass sie näher an der Messgaseinlassöffnung 15 der Messgaseinlassöffnung 15 liegt.
Um die höchste Temperaturposition in der Wärmeerzeugungsverteilung einzustellen, kann zum Beispiel ein Amplitudenende 529 auf der Basisendseite des wellenförmigen Wärmeerzeugungskörpers 52 näher an das Spitzenende 13 eingestellt werden als das Elektrodenende (d. h. das zweite Elektrodenende 317) auf der Seite, die dem Elektrodenende 314 (d. h. dem ersten Elektrodenende 319) auf der Spitzenend13-Seite des Messelektrodenfilms 31 gegenüberliegt. Alternativ kann eine Mittelposition O₂ in der Einlassrichtung D_G des Wärmeerzeugungskörpers 52 näher an dem Spitzenende 13 angeordnet sein, als die Mittelposition O₁ in der Einlassrichtung D_G des Messelektrodenfilms 31 ist. Hier ist die Mittenposition O₂ eine Mittenposition in der Einlassrichtung D_G des sich wiederholenden Musters.
Wenn sich die Messgaseinlassöffnung 15 auf der Seitenfläche des Gassensorelements 10 befindet, wird der herkömmliche Wärmeerzeugungskörper 52 durch ein großes, wellenförmiges sich wiederholendes Muster gebildet, das einen Bildungsbereich des Messelektrodenfilms 31 in der Querrichtung Y überschreitet.
Wenn sich die Messgaseinlassöffnung 15 auf der Seitenfläche des Gassensorelements 10 befindet, um die höchste Temperaturposition in der Wärmeerzeugungsverteilung näher an dem Messgaseinlasskanal 15 des Messgaseinlasskanals 15 einzustellen, wie in einem Beispiel in 20 gezeigt wird, können zum Beispiel die Abstände d₁ und d₂ in dem wellenförmigen Wiederholungsmuster auf der Seite des Messgaseinlasskanals 15 verengt werden, um die höchste Temperaturposition in der Wärmeerzeugungsverteilung näher an dem Messgaseinlasskanal 15 einzustellen. Insbesondere werden Abstände in dem wellenförmigen sich wiederholenden Muster, das eine Amplitude in der Längsrichtung X aufweist, ungleichmäßig gemacht, und der Abstand d₂ auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 wird kleiner als der Abstand d₁ in einer Mittelposition in der Querrichtung Y gemacht.
Zusätzlich kann, wie in dem Beispiel in 20 gezeigt wird, zum Beispiel der Wärmeerzeugungskörper 52 durch ein wellenförmiges sich wiederholendes Muster gebildet werden, das eine Amplitude in der Querrichtung Y aufweist, und ein wellenförmiges sich wiederholendes Muster, das eine Amplitude aufweist, die das Elektrodenende 314 (insbesondere eine Projektionslinie 314a davon) auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 des Messelektrodenfilms 31 sandwichartig anordnet, kann gebildet werden. Die Projektionslinie 314a ist eine virtuelle Linie, die gebildet wird, wenn der Messelektrodenfilm 31 auf eine Formationsfläche des wärmeerzeugenden Körpers 52 bzw. des Wärmeerzeugungskörpers in der Dickenrichtung Z des Gassensorelements 10 projiziert wird.
Auf diese Weise wird ein Formationsmuster des Wärmeerzeugungskörpers 52 geändert. Im Ergebnis kann die höchste Temperaturposition in der Wärmeerzeugungsverteilung in dem Messelektrodenfilm 31 näher an der Messgaseinlassöffnung 15 eingestellt werden, als das Zentrum O₁ der Messgaseinlassöffnung 15 ist. Somit wird, wenn die Heizeinrichtung 5 Wärme durch Erregung erzeugt, die Verteilungsstruktur des Mischbereichs 313 gebildet.
Die Bildung des Mischbereichs 313 durch Erregungswärmeerzeugung erfolgt in den folgenden Schritten (1) bis (3):

(1) Reduktion des Festelektrolyts aufgrund der Erregungswärmeerzeugung der Heizeinrichtung;
(2) Bildung eines Festlösungszustands durch gegenseitige Diffusion des reduzierten Festelektrolyten und des Edelmetalls; und
(3) Bildung des Mischbereichs 313 durch Oxidieren des reduzierten Festelektrolyten.

Daher wird die Menge des Mischbereichs 313 durch eine Menge einer festen Lösung in Schritt (2) bestimmt, wenn es einen Zustand gibt, in dem eine ausreichende Reduktionsmenge in Schritt (1) vorhanden ist. Die Menge des Anstiegs des Mischbereichs 313 bedeutet, dass die Dicke zunimmt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die höchste Temperaturposition in der Wärmeerzeugungsverteilung in dem Messelektrodenfilm 31 näher an der Messgaseinlassöffnung 15 eingestellt als die Mitte O₁ der Einlassöffnung 15 für Messgas. Im Ergebnis wird ein Hochtemperaturbereich des Messelektrodenfilms 31 nahe der Messgaseinlassöffnung 15 eingestellt. Im Hochtemperaturbereich nimmt ein Reduktionspotential ab. Somit nimmt die Reduktionsmenge des Festelektrolyts zu. Eine gegenseitige Diffusionsgeschwindigkeit nimmt ebenfalls zu, und die Menge der festen Lösung nimmt zu. Aufgrund der Zunahme der Reduktionsmenge und der Feststofflösungsmenge ist die Dicke des Mischbereichs 313 auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 des Messelektrodenfilms 31, der der Hochtemperaturbereich ist, so ausgebildet, dass sie dick ist.
Die Wärmeerzeugungsverteilung des Messelektrodenfilms 31 und die höchste Temperaturposition darin werden durch Thermographie gemessen. Für die Thermographie wird ein TH9100PMV verwendet, das von der NEC Corporation hergestellt wird. Konkret wird eine Temperaturverteilung einer Heizfläche des Gassensorelements 10 durch Linienanalyse gemessen. Die Heizfläche bezieht sich auf eine Außenfläche 500 des Gassensorelements, die der Heizvorrichtung 5 am nächsten ist, die innerhalb des Gassensorelements 10 und parallel zur Laminierungsrichtung (d. h. der Dickenrichtung Z) bereitgestellt ist. Eine Analyseposition für die Linienanalyse wird entlang der Einlassrichtung einschließlich der Messgaseinlassöffnung durchgeführt und über einen Bereich durchgeführt, in dem der Messelektrodenfilm 31 auf die Heizfläche projiziert wird.
Dabei fällt die Temperaturverteilung auf der Heizfläche mit der Wärmeerzeugungsverteilung in dem Messelektrodenfilm 31 zusammen. Daher ist eine höchste Temperaturposition in der Temperaturverteilung auf der Heizfläche die höchste Temperaturposition in der Wärmeerzeugungsverteilung in dem Messelektrodenfilm 31. Auf diese Weise kann die höchste Temperaturposition in der Wärmeerzeugungsverteilung bestimmt werden.
Zusätzlich können bei der Konfiguration, die in dem Beispiel in 19 gezeigt wird, die folgenden Effekte ferner erhalten werden. Die höchste Temperaturposition in der Wärmeerzeugungsverteilung in dem Messelektrodenfilm 31 ist näher an der Messgaseinlassöffnung 15 eingestellt, die an dem Spitzenende 13 in der Längsrichtung X des Gassensorelements 10 vorgesehen ist. In diesem Fall kann die Richtwirkung einer Strömung des Messgases G, wie etwa des Abgases, im Vergleich zu dem Fall, in dem die Messgaseinlassöffnung 15 beispielsweise auf der Seitenfläche ausgebildet ist, reduziert werden.
Zusätzlich kann in dem Gassensorelement 10, um das Messgas G, das von dem Spitzenende 13 angesaugt wird, wirksam zu erfassen, eine Struktur sein, in der der Gasmessabschnitt 12, der eine Sensorzelle umfasst, auf der Seite des Spitzenendes 13 des Gassensorelements 10 angeordnet ist und Wärme in einer konzentrierten Weise auf der Seite des Spitzenendes 13 des Elements erzeugt wird. Bei einer solchen Struktur kann eine Länge in Längsrichtung X des Gassensorelements 10 verkürzt werden. Daher kann der Gassensor 1 verkürzt und ein Bauraum verkleinert ausgeführt werden. Im Ergebnis wird eine Anpassung an zukünftige Montageumgebungen des Gassensors 1, in denen Abgasleitungen dazu neigen, komplex zu werden, möglich.
Wenn das Gassensorelement 10 gekürzt wird, wird das Gassensorelement 10 außerdem typischerweise leicht durch Umgebungstemperatur außerhalb des Gassensorelements 10 beeinflusst, und es wird schwierig, das Auftreten einer Sinkmarkierung aufgrund von Wärme zu unterdrücken. Die höchste Temperaturposition in der Wärmeerzeugungsverteilung in dem Messelektrodenfilm 31 ist jedoch so eingestellt, dass sie näher an dem Spitzenende 13 in der Längsrichtung X des Gassensorelements 10 angeordnet ist.
Somit kann die Nähe der Messgaseinlassöffnung 15 bevorzugt konzentriert erwärmt werden. Daher wird die Temperatur in der Nähe der Messgaseinlassöffnung 15 nicht leicht durch die Umgebungstemperatur beeinflusst. Das heißt, die Temperatur in der Nähe der Messgaseinlassöffnung 15 wird nicht leicht durch das Auftreten einer Senkenmarkierung aufgrund von Wärme beeinflusst, die durch Änderungen der Umgebungstemperatur verursacht wird, und ein aktiver Zustand kann stabil aufrechterhalten werden.
Erstes Versuchsbeispiel
In einem vorliegenden Beispiel werden Beziehungen zwischen den durchschnittlichen Dicken der Mischbereiche 313 in dem ersten Bereich 315 des Messelektrodenfilms 31 und in dem gesamten Messelektrodenfilm 31 und der Elektrodenaktivierungszeit und der Reaktionsfähigkeit verglichen und bewertet. Zuerst wird das Messverfahren für die durchschnittliche Dicke des Mischbereichs 313 durch Bildanalyse beschrieben werden.
Reflexionselektronenbilder (d. h. Rückstreuelektronen- [BSE-] Bilder) von Querschnitten des Messelektrodenfilms 31 in Messzielbereichen, wie etwa der erste Bereich 315 und der zweite Bereich 316, werden durch ein Rasterelektronenmikroskop erhalten. Ein eigentlicher Messbereich im BSE-Bild ist ein Bereich, der eine Breite von 2,5 µm und eine Länge in Dickenrichtung Z von 4 µm aufweist. Beispielsweise beträgt die Vergrößerung des Rasterelektronenmikroskops das 30.000-fache.
21 zeigt ein Beispiel des BSE-Bildes. In dem vorliegenden Beispiel wurde ein SU8220, das durch Hitachi High-Technologies Corporation hergestellt wird, als das Rasterelektronenmikroskop verwendet. Als nächstes wurde das BSE-Bild auf Grundlage der Luminanz in den Edelmetallbereich 311 und den Mischbereich 313 getrennt. Insbesondere wird die Trennung durch Binarisierung auf Grundlage der Luminanz durchgeführt. Wie in einem Beispiel in 22 gezeigt wird, werden der Edelmetallbereich 311 und der Mischbereich 313 durch Luminanz deutlich unterschieden. In 23 wird ein BSE-Bild des Edelmetallbereichs 311 nach der Trennung gezeigt. In 24 wird ein BSE-Bild des Mischbereichs 313 gezeigt.
Ein Umfang L1 des Edelmetallbereichs 311 wird auf Grundlage des BSE-Bildes des Edelmetallbereichs 311 berechnet. Der Umfang L1 ist ein Umfang (Einheit: µm /µm2) des Edelmetallbereichs 311 pro Einheitsquerschnittsfläche. Zusätzlich wird eine Fläche S1 des Mischbereichs 313 auf Grundlage des BSE-Bildes des gemischten Bereichs 313 berechnet. Die Fläche S1 ist eine Fläche (Einheit: µm2 / µm2) des Mischbereichs 313 pro Einheitsquerschnittsfläche. Der Umfang L1 und die Fläche S1 werden durch Bildanalyse der BSE-Bilder nach Trennung gemessen.
Für die Bildanalyse wurde die Analysesoftware WinROOF der MITANI Corporation verwendet. Eine durchschnittliche Dicke DS des Mischbereichs 313 innerhalb des Messbereichs wird auf Grundlage des nachstehenden Ausdrucks 1 vom Umfang L1 und der Fläche S1 berechnet. Die oben beschriebene mittlere Dicke DS wird für jeden von insgesamt fünf Messbereichen innerhalb des Messzielbereichs berechnet. Ein arithmetischer Durchschnittswert der durchschnittlichen Dicken DS der Messbereiche ist die durchschnittliche Dicke des Mischbereichs 313 in dem Messzielbereich. $DS = S 1 /L 1$
Eine Vielzahl von Gassensoren 1, die die Gassensorelemente 10 beinhalten, von denen sich die durchschnittliche Dicke D₁ des Mischbereichs 313 in dem ersten Bereich 315 von dem Elektrodenende 314 auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 des Messelektrodenfilms 31 bis 1/4 der Gesamtlänge L des Messelektrodenfilms unterscheidet, wurden vorbereitet, und eine Aktivierungszeit, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas G durch jeden Gassensor 1 gemessen wird, wurde bestimmt.
Konkret wurde eine Spannung an die Heizeinrichtung 5 des Gassensorelements 1 angelegt und die Heizung 5 wurde dazu gebracht, Wärme zu erzeugen. Mit einem Sensorausgabewert bei einer Steuertemperatur als Referenz wurde eine Zeitspanne gemessen, bis ein Ausgabewert erhalten wird, der 50 % der Referenz beträgt. Hier ist die durchschnittliche Dicke D₁ eine durchschnittliche Dicke des Mischbereichs 313, wenn der oben beschriebene Messzielbereich der erste Bereich 315 ist.
Ein Aktivierungszeitverhältnis ist ein Verhältnis der Aktivierungszeit des Gassensors 1 zu einer Aktivierungszeit eines Gassensors, bei dem die durchschnittliche Dicke des Mischbereichs 313 in dem ersten Bereich 315 0,01 µm beträgt. Eine Beziehung zwischen der durchschnittlichen Dicke D₁ des Mischbereichs 313 in dem ersten Bereich 315 und dem Aktivierungszeitverhältnis ist in 25 gezeigt.
Zusätzlich wurde eine Vielzahl von Gassensoren 1, die die Gassensorelemente 10 beinhalten, von denen sich die durchschnittliche Dicke D₃ des Mischbereichs 313 innerhalb des Messelektrodenfilms 31 unterscheidet, hergestellt und die Ansprechempfindlichkeit jedes Gassensors 1 wurde bewertet. Die durchschnittliche Dicke D₃ ist eine durchschnittliche Dicke des Mischbereichs 313 in dem gesamten Messelektrodenfilm 31. Das heißt, dass die durchschnittliche Dicke D₃ eine durchschnittliche Dicke des Mischbereichs 313 ist, wenn der vorstehend beschriebene Messzielbereich der gesamte Messelektrodenfilm 31 ist. Die mittlere Dicke D₃ wird gemessen, indem die oben beschriebenen fünf Messbereiche aus einem Querschnitt in der Einlassrichtung D_G des Messelektrodenfilms 31 bestimmt werden.
Beim Bestimmen der Messbereiche werden die Messbereiche ohne Vorspannung nicht nur von dem Endabschnitt auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 bestimmt, sondern auch von der Mitte des Messelektrodenfilms 31 in der Einlassrichtung D_G , einem Bereich zwischen dem Endabschnitt auf der Seite der Messgaseinlassöffnung 15 und der Mitte des Messelektrodenfilms 31 und dergleichen.
Die Disbalancereaktionsfähigkeit des Gassensors 1 wurde als eine solche Disbalancereaktionsfähigkeit bewertet, die gemessen wird, wenn der Gassensor 1 die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas G misst. Die Disbalancereaktionsfähigkeit wird durch ein Verhältnis (A2 / A1) einer Amplitude A1 eines theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F) ausgedrückt, das auf Änderungen der Sauerstoffkonzentration in dem Messgas G basiert, das dem Gassensor 1 zugeführt wird, und einer Amplitude A2 eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das tatsächlich von dem Gassensor 1 ausgegeben wird, und drückt eine Reaktionsgeschwindigkeit aus, um eine Disbalance zu bestimmen, die eine Differenz der Luft-Kraftstoff-Verhältnisse ist, die zwischen Zylindern des Motors auftritt.
Ein Ungleichgewichtsverhältnis bzw. Disbalanceverhältnis wurde aus einem Verhältnis der Aktivierungszeit jedes Gassensors 1 zu der Ungleichgewichtsreaktionsfähigkeit eines Gassensors berechnet, bei dem die durchschnittliche Dicke des Mischbereichs 313 innerhalb des Messelektrodenfilms 31 0,01 µm beträgt. Eine Beziehung zwischen der durchschnittlichen Dicke D₃ des Mischbereichs 313 innerhalb des Messelektrodenfilms 31 und dem Disbalanceverhältnis wird in 26 gezeigt.
Wie aus 25 deutlich wird, beeinflusst die durchschnittliche Dicke D₁ des Mischbereichs 313 in dem ersten Bereich 315 die Aktivierungszeit. Es ist klar, dass das Aktivierungszeitverhältnis abnimmt, wenn die durchschnittliche Dicke D₁ erhöht wird. Wie in 25 gezeigt wird, wird die durchschnittliche Dicke D₁ auf 0,1 µm oder mehr eingestellt. Im Ergebnis kann die Aktivierungszeit deutlich verkürzt werden.
Wie aus 26 ersichtlich ist, beeinflusst die durchschnittliche Dicke D₃ der Mischbereich 313 die Disbalancereaktionsfähigkeit. Es ist klar, dass die Reaktionsfähigkeit verbessert wird, wenn die durchschnittliche Dicke D₃ verringert wird. Wie in 26 gezeigt wird, wird die durchschnittliche Dicke D₃ auf 0,08 µm oder weniger eingestellt. Im Ergebnis kann die Reaktionsfähigkeit signifikant verbessert werden.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Es sind verschiedene Modifikationen möglich, ohne sich von dem Geist der Offenbarung zu entfernen. Zum Beispiel bilden der Festelektrolytkörper 20, die Messelektrode 31 und der Referenzelektrodenfilm 32 in dem Gassensorelement 10 gemäß einer Ausführungsform eine Sensorzelle 25 aus (siehe 2 und 12). Ein bestimmtes Gas in dem Messgas G kann durch die Sauerstoffpumpreaktion der Sensorzelle 25 erfasst werden. Das Gassensorelement 10 kann ferner eine (nicht näher dargestellte) Pumpzelle beinhalten.
Die Pumpenzelle wird durch einen Festelektrolytkörper und ein Paar Pumpenelektroden gebildet, die in dem Festelektrolytkörper gebildet sind. Die Pumpenelektrode kann in demselben Festelektrolytkörper wie die Sensorzelle 25 ausgebildet sein. Die Pumpelektrode kann jedoch auch in einem Festelektrolytkörper (nicht gezeigt) ausgebildet sein, der separat von dem Festelektrolytkörper 20 bereitgestellt wird, der die Sensorzelle 25 konfiguriert. In diesem Fall weist das Gassensorelement den ersten Festelektrolytkörper 20 auf, der die Sensorzelle bildet, und einen zweiten Festelektrolytkörper (nicht gezeigt), der die Pumpenzelle bildet.
Auch in dem Sensorelement, das die Pumpzelle aufweist, wird die Verteilungsstruktur des Mischbereichs 313 in dem Messelektrodenfilm 31 gebildet. Im Ergebnis wird die Elektrodenaktivierungszeit verkürzt und die Reaktionsfähigkeit verbessert. Solche Effekte können erhalten werden. Die Pumpelektrode muss nicht notwendigerweise die Verteilungsstruktur des Mischbereichs aufweisen. Allerdings kann die Verteilungsstruktur in der Pumpelektrode ausgebildet sein.
Die vorliegende Offenbarung wird auf Grundlage der Ausführungsformen beschrieben. Allerdings versteht es sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die Ausführungsformen und Konstruktionen beschränkt ist. Die vorliegende Offenbarung soll vielmehr auch verschiedene Modifikationen und Beispiele abdecken, die im Äquivalenzbereich enthalten sind. Zusätzlich sind verschiedene Kombinationen und Konfigurationen und ferner andere Kombinationen und Konfigurationen, die weitere, weniger oder nur ein einziges Element davon beinhalten, ebenfalls im Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung beinhaltet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018246366 [0001]
JP 2014122878 A [0005]

Claims

Gassensorelement (10), aufweisend: einen Festelektrolytkörper (20); einen Messelektrodenfilm (31), der auf einer Hauptoberfläche (21) des Festelektrolytkörpers ausgebildet ist und einem Messgas (G) ausgesetzt ist; und eine Messgaseinlassöffnung (15), in welche das Messgas eingeführt wird, wobei der Messelektrodenfilm einen Edelmetallbereich (311), der ein Edelmetall beinhaltet, einen Festelektrolytbereich (312), der einen Festelektrolyt beinhaltet, und einen Mischbereich (313), in dem das Edelmetall und der Festelektrolyt miteinander vermischt sind, aufweist, und der Messelektrodenfilm eine Verteilungsstruktur aufweist, in der eine durchschnittliche Dicke (D₁) des Mischbereichs, die innerhalb eines ersten Bereichs (315) von einem Elektrodenende (314) auf der Seite der Einlassöffnung für das Messgas bis zu 1/4 einer Gesamtlänge (L) des Messelektrodenfilms in einer Richtung entlang einer Einlassrichtung (D_G) des Messgases vorhanden ist, größer ist als eine durchschnittliche Dicke des Mischbereichs, die innerhalb eines Bereichs vorhanden ist, der näher an einer Mitte (O₁) des Messelektrodenfilms als der erste Bereich in der Richtung entlang der Einlassrichtung vorhanden ist.
Gassensorelement gemäß Anspruch 1, wobei: die durchschnittliche Dicke (D₁) des Mischbereichs innerhalb des ersten Bereichs und eine durchschnittliche Dicke (D₃) des Mischbereichs, die in einem Gesamtmesselektrodenfilm vorhanden ist, eine Beziehung von D₁ > D₃ erfüllen.
Gassensorelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei: die durchschnittliche Dicke (D₁) des Mischbereichs innerhalb des ersten Bereichs gleich oder größer als 0,1 Mikrometer ist.
Gassensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: die mittlere Dicke (D₃) des Mischbereichs, der in dem gesamten Messelektrodenfilm vorhanden ist, gleich oder kleiner als 0,08 Mikrometer ist.
Gassensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: die Hauptoberfläche eine erste Hauptoberfläche (211) ist, der Festelektrolytkörper eine zweite Hauptoberfläche (212) aufweist, die auf einer Seite gegenüber der ersten Hauptoberfläche positioniert ist, ein Referenzelektrodenfilm (32), der einem Referenzgas (A) ausgesetzt ist, auf der zweiten Hauptoberfläche ausgebildet ist, und ein Elektrodenende (324) auf der Seite der Messgaseinlassöffnung des Referenzelektrodenfilms näher an der Messgaseinlassöffnung angeordnet ist als das Elektrodenende auf der Seite der Messgaseinlassöffnung des Messelektrodenfilms.
Gassensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: das Gassensorelement ferner eine Heizeinrichtung (5) beinhaltet, die das Gassensorelement erwärmt; und die Heizeinrichtung derart konfiguriert ist, dass eine Position höchster Temperatur in einer Wärmeerzeugungsverteilung in dem Messelektrodenfilm näher an der Messgaseinlassöffnung als die Mitte in der Richtung entlang der Einlassrichtung der Messelektrodenfolie ist.
Gassensorelement gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei das Gassensorelement das Folgende beinhaltet: einen Messgasraum (41), in den das Messgas ausgehend von der Messgaseinlassöffnung eingeführt wird, eine Referenzgaseinlassöffnung (16), in welche das Referenzgas eingeführt wird, und einen Referenzgasraum (42), in den das Referenzgas von der Referenzgaseinlassöffnung eingeführt wird; der Festelektrolytkörper zwischen dem Messgasraum und dem Referenzgasraum angeordnet ist, wobei die erste Hauptoberfläche des Festelektrolytkörpers dem Messgasraum zugewandt ist und die zweite Hauptoberfläche dem Referenzgasraum zugewandt ist; und das Gassensorelement eine Form aufweist, die sich in einer Längsrichtung erstreckt, die Messgaseinlassöffnung in einem Spitzenende in der Längsrichtung des Gassensorelements ausgebildet ist und die Referenzgaseinlassöffnung auf einer Seite gegenüber dem Spitzenende in der Längsrichtung ausgebildet ist.
Gassensor (1), aufweisend: das Gassensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.