DE112022000733T5

DE112022000733T5 - Sensorelement und Gassensor

Info

Publication number: DE112022000733T5
Application number: DE112022000733.8T
Authority: DE
Inventors: Takayuki Sekiya; Yusuke Watanabe; Kodai Ichikawa
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2023-11-23
Also published as: CN117043593A; JPWO2022210348A1; WO2022210348A1; US20240011938A1

Abstract

Ein Sensorelement 101 dient zum Erfassen einer speziellen Gaskonzentration in einem Messgegenstandsgas und enthält: einen Elementkörper (Schichten eins bis sechs), der eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht enthält und innen mit einem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt versehen ist, der das Messgegenstandsgas einleitet und bewirkt, dass das Messgegenstandsgas durch ihn hindurchströmt; eine Hauptpumpzelle 21 mit einer inneren Pumpelektrode 22, die in einem ersten inneren Hohlraum 20 des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts angeordnet ist, und einer äußeren Pumpelektrode 23p, die außerhalb des Elementkörpers angeordnet ist, wobei die Hauptpumpzelle 21 so konfiguriert ist, dass sie Sauerstoff aus dem ersten inneren Hohlraum 20 abpumpt oder Sauerstoff in den ersten inneren Hohlraum 20 pumpt; und eine Vref-Erfassungssensorzelle 83 mit einer äußeren Spannungselektrode 23s, die außerhalb des Elementkörpers angeordnet ist, und einer Referenzelektrode 42, die innerhalb des Elementkörpers angeordnet ist, um in Kontakt mit einem Referenzgas zu sein, das in einen Referenzgas-Einführungsabschnitt 49 eingeführt wird, wobei die Vref-Erfassungssensorzelle 83 so konfiguriert ist, dass sie eine Spannung Vref basierend auf der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Elementkörpers erzeugt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement und einen Gassensor.
Technischer Hintergrund
Ein bisher bekannter Gassensor erfasst die Konzentration eines bestimmten Gases, wie NOx, in einem Messgegenstandsgas, wie dem Abgas eines Automobils. In der Patentliteratur 1 wird beispielsweise ein Gassensor beschrieben, der ein längliches, plattenförmiges Sensorelement enthält, das durch Stapeln einer Vielzahl von sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten hergestellt wird.
Eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Konfiguration eines Gassensors 900 in einem solchen verwandten Stand der Technik schematisch darstellt, ist in 9 dargestellt. Wie dargestellt, enthält der Gassensor 900 ein Sensorelement 901. Das Sensorelement 901 ist ein Element mit einer Struktur, in der sauerstoffionenleitende Festelektrolytschichten 911 bis 916 gestapelt sind. In dem Sensorelement 901 ist zwischen der unteren Oberfläche der Festelektrolytschicht 916 und der oberen Oberfläche der Festelektrolytschicht 914 ein Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt ausgebildet, der ein Messgegenstandsgas einleitet, und der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt ist mit einem ersten inneren Hohlraum 920, einem zweiten inneren Hohlraum 940 und einem dritten inneren Hohlraum 961 versehen. Eine innere Pumpelektrode 922 ist in dem ersten inneren Hohlraum 920 angeordnet, eine Hilfspumpelektrode 951 ist in dem zweiten inneren Hohlraum 940 angeordnet und eine Messelektrode 944 ist in dem dritten inneren Hohlraum 961 angeordnet. Darüber hinaus ist eine äußere Pumpelektrode 923 auf der oberen Oberfläche der Festelektrolytschicht 916 angeordnet. Im Gegensatz dazu ist zwischen der oberen Oberfläche der Festelektrolytschicht 913 und der unteren Oberfläche der Festelektrolytschicht 914 eine Referenzelektrode 942 angeordnet, die mit einem Referenzgas (z.B. atmosphärisches Gas) in Kontakt steht, das als Referenz zur Erfassung einer speziellen Gaskonzentration in einem Messgegenstandsgas dient. Eine Hauptpumpzelle 921 wird durch die innere Pumpelektrode 922, die äußere Pumpelektrode 923 und die Festelektrolytschichten 914 bis 916 gebildet. Eine Messpumpzelle 941 wird durch die Messelektrode 944, die äußere Pumpelektrode 923 und die Festelektrolytschicht 914 bis 916 gebildet. Eine Messpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 982 wird durch die Messelektrode 944, die Referenzelektrode 942 und die Festelektrolytschichten 914, 913 gebildet. Eine Vref-Erfassungssensorzelle 983 wird durch die äußere Pumpelektrode 923, die Referenzelektrode 942 und die Festelektrolytschichten 913 bis 916 gebildet. Die äußere Pumpelektrode 923, die Referenzelektrode 942 und die Festelektrolytschichten 913 bis 916 bilden eine Referenzgas-Einstellpumpzelle 990. Im Gassensor 900 wird, wenn ein Messgegenstandsgas in den Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt eingeleitet wird, Sauerstoff durch die Hauptpumpzelle 921 zwischen dem ersten inneren Hohlraum 920 und der Außenseite des Sensorelements herausgepumpt oder hineingepumpt, und Sauerstoff wird weiter zwischen dem zweiten inneren Hohlraum 940 und der Außenseite des Sensorelements herausgepumpt oder hineingepumpt, um die Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt anzupassen. NOx im Messgegenstandsgas wird nach der Einstellung der Sauerstoffkonzentration in dem Umfang bzw. Umfeld der Messelektrode 944 reduziert. Eine an die Messpumpzelle 941 angelegte Spannung Vp2 wird rückgekoppelt, so dass die in der Messpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 982 erzeugte Spannung V2 einen vorbestimmten Zielwert erreicht, so dass die Messpumpzelle 941 den Sauerstoff in den Umfang der Messelektrode 944 abpumpt. Die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas wird anhand des Pumpstroms Ip2 ermittelt, der dann durch die Messpumpzelle 941 fließt. Die Referenzgas-Einstellpumpzelle 990 pumpt Sauerstoff in den Umfang der Referenzelektrode 942, indem sie einen Pumpstrom Ip3 durch eine an die Referenzelektrode 942 und die äußere Pumpelektrode 923 angelegte Spannung Vp3 leitet. Wenn also die Sauerstoffkonzentration des Referenzgases in dem Umfang der Referenzelektrode 942 abnimmt, kann die Abnahme der Sauerstoffkonzentration kompensiert werden, und eine Verringerung der Genauigkeit der Erfassung der speziellen Gaskonzentration wird verhindert. Außerdem wird zwischen der äußeren Pumpelektrode 923 und der Referenzelektrode 942 in der Vref-Erfassungssensorzelle 983 eine Spannung Vref erzeugt. Die Spannung Vref ermöglicht es, die Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas außerhalb des Sensorelements 901 zu erfassen.
Zitatenliste
Patentliteratur
PTL 1: WO 2020/004356 A1
Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
Für die Erfassung der Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas außerhalb des Sensorelements mit der Spannung einer Sensorzelle, wie der Spannung Vref der vorstehend erwähnten Vref-Erfassungssensorzelle 983, ist indes eine weitere Verbesserung der Genauigkeit der Erfassung der Sauerstoffkonzentration gefordert worden.
Die vorliegende Erfindung erfolgte, um das vorstehend genannte Problem zu lösen, und eine Hauptaufgabe davon ist die Verbesserung der Genauigkeit der Erfassung der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas unter Verwendung einer äußeren Sensorzelle.
Lösung des Problems
Um die vorstehend genannte Hauptaufgabe zu lösen, werden in der vorliegenden Erfindung die folgenden Lösungen verwendet.
Ein Sensorelement der vorliegenden Erfindung

dient zur Erfassung einer bestimmten Gaskonzentration in einem Messgegenstandsgas und enthält:
- einen Elementkörper, der eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht enthält und im Inneren mit einem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt versehen ist, der ein Messgegenstandsgas einleitet und bewirkt, dass das Messgegenstandsgas durch ihn hindurchströmt;
- eine Einstellkammer-Pumpzelle mit einer Einstellelektrode, die in einer Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts angeordnet ist, und einer äußeren Pumpelektrode, die außerhalb des Elementkörpers angeordnet ist, wobei die Einstellkammer-Pumpzelle so konfiguriert ist, dass sie Sauerstoff aus der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer abpumpt oder Sauerstoff in die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer pumpt;
- eine Messpumpzelle mit einer Messelektrode, die in einer Messkammer angeordnet ist, die stromabwärts der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts vorgesehen ist, und der äußeren Pumpelektrode, wobei die Messpumpzelle so konfiguriert ist, dass sie aus dem speziellen Gas in der Messkammer erzeugten Sauerstoff abpumpt;
- einen Referenzgas-Einführungsabschnitt, der innerhalb des Elementkörpers angeordnet ist, wobei der Referenzgas-Einführungsabschnitt so konfiguriert ist, dass er ein Referenzgas einführt, das als Referenz zum Erfassen einer speziellen Gaskonzentration in dem Messgegenstandsgas dient; und
- eine äußere Sensorzelle mit einer äußeren Spannungselektrode, die außerhalb des Elementkörpers angeordnet ist, und einer Referenzelektrode, die innerhalb des Elementkörpers so angeordnet ist, dass sie mit dem in den Referenzgas-Einführungsabschnitt eingeführten Referenzgas in Kontakt ist, wobei die äußere Sensorzelle so konfiguriert ist, dass sie eine Spannung auf der Grundlage einer Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Elementkörpers erzeugt.

Das Sensorelement enthält: eine Einstellkammer-Pumpzelle, die Sauerstoff aus der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer im Inneren des Elementkörpers abpumpt oder Sauerstoff in die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer pumpt; eine Messpumpzelle, die Sauerstoff aus der Messkammer abpumpt, die stromabwärts der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer vorgesehen ist; und eine äußere Sensorzelle, die eine Spannung auf der Grundlage einer Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Elementkörpers erzeugt. Die äußere Pumpelektrode, die einen Teil der Einstellkammer-Pumpzelle und der Messpumpzelle bildet, und die äußere Spannungselektrode, die einen Teil der äußeren Sensorzelle bildet, sind jeweils außerhalb des Elementkörpers angeordnet. Mit anderen Worten, in dem Sensorelement sind die äußere Pumpelektrode und die äußere Spannungselektrode separat außerhalb des Elementkörpers angeordnet. Anders als bei einer Elektrode, die sowohl als äußere Pumpelektrode als auch als äußere Spannungselektrode dient (z.B. in dem in 9 dargestellten Sensorelement 901 dient die äußere Pumpelektrode 923 als Elektrode der Hauptpumpzelle 921 und der Messpumpzelle 941 sowie als Elektrode der Vref-Erfassungssensorzelle 983), fließt der Pumpstrom der Einstellkammer-Pumpzelle und der Messpumpzelle nicht durch die äußere Spannungselektrode, so dass die Spannung der äußeren Sensorzelle keinen Spannungsabfall der äußeren Spannungselektrode aufgrund des Pumpstroms enthält. Folglich weist die Spannung der äußeren Sensorzelle einen Wert auf, der mit höherer Genauigkeit der Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas außerhalb des Elementkörpers entspricht, wodurch die Genauigkeit der Erfassung der Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas unter Verwendung der äußeren Sensorzelle verbessert wird.
Ein Sensorelement der vorliegenden Erfindung kann weiterhin eine Referenzgas-Einstellpumpzelle mit der äußeren Pumpelektrode und der Referenzelektrode enthalten, wobei die Referenzgas-Einstellpumpzelle so konfiguriert ist, dass sie Sauerstoff in einen Umfang der Referenzelektrode von einem Umfang der äußeren Pumpelektrode pumpt. Auf diese Weise pumpt die Referenzgas-Einstellpumpzelle Sauerstoff in den Umfang der Referenzelektrode, wodurch eine Verringerung der Sauerstoffkonzentration des Referenzgases in dem Umfang der Referenzelektrode ergänzt werden kann.
In dem Sensorelement der vorliegenden Erfindung kann die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer den ersten inneren Hohlraum aufweisen, der in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt vorgesehen ist, und den zweiten inneren Hohlraum, der stromabwärts des ersten inneren Hohlraums in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt vorgesehen ist, die Einstellelektrode kann eine innere Pumpelektrode aufweisen, die in dem ersten inneren Hohlraum angeordnet ist, und eine Hilfspumpelektrode, die in dem zweiten inneren Hohlraum angeordnet ist, und die Einstellkammer-Pumpzelle kann eine Hauptpumpzelle, die die innere Pumpelektrode und die äußere Pumpelektrode aufweist und Sauerstoff aus dem ersten inneren Hohlraum abpumpt oder Sauerstoff in den ersten inneren Hohlraum pumpt, und eine Hilfspumpzelle, die die Hilfspumpelektrode und die äußere Pumpelektrode aufweist und Sauerstoff aus dem zweiten inneren Hohlraum abpumpt oder Sauerstoff in den zweiten inneren Hohlraum pumpt, aufweisen.
Ein Gassensor der vorliegenden Erfindung enthält:

das Sensorelement nach einem der vorstehend beschriebenen Aspekte;
einen Einstellkammer-Pumpzellen-Controller, der die Einstellkammer-Pumpzelle veranlasst, Sauerstoff aus der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer herauszupumpen oder Sauerstoff in die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer hineinzupumpen, indem sie die Einstellkammer-Pumpzelle so steuert, dass eine Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer eine vorbestimmte niedrige Konzentration erreicht; und
einen Sauerstoffkonzentrationsdetektor, der eine Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Elementkörpers auf der Grundlage der Spannung der äußeren Sensorzelle erfasst.

Im Gassensor steuert der Einstellkammer-Pumpzellen-Controller die Einstellkammer-Pumpzelle so, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer eine vorbestimmte niedrige Konzentration erreicht. In dieser Situation schaltet, wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas beispielsweise zwischen einem hohen Zustand, in dem die Sauerstoffkonzentration höher als eine vorbestimmte niedrige Konzentration ist, und einem niedrigen Zustand wechselt, der Einstellkammer-Pumpzellen-Controller die Richtung des von der Einstellkammer-Pumpzelle bewegten Sauerstoffs in die umgekehrte Richtung. Somit wird die Richtung des Pumpstroms, der durch die Einstellkammer-Pumpzelle fließt, in die umgekehrte Richtung umgeschaltet. Wenn eine Elektrode sowohl als äußere Pumpelektrode als auch als äußere Spannungselektrode dient, wird die Änderung der Spannung der äußeren Sensorzelle aufgrund der Zeit, die für die Stromänderung erforderlich ist, wenn die Richtung des durch die Einstellkammer-Pumpzelle fließenden Pumpstroms in die umgekehrte Richtung umgeschaltet wird, ebenfalls langsam. Im Gegensatz dazu ist der Gassensor der vorliegenden Erfindung mit der äußeren Pumpelektrode und der äußeren Spannungselektrode getrennt vorgesehen, so dass die Spannung der äußeren Sensorzelle nicht durch die erforderliche Zeit für die Änderung in dem Pumpstrom, der durch die Einstellkammer-Pumpzelle fließt, beeinflusst wird, und daher wird die Änderung in der Spannung der äußeren Sensorzelle nicht langsam werden. Mit anderen Worten, wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas zwischen einem hohen Zustand, in dem die Sauerstoffkonzentration höher als eine vorbestimmte niedrige Konzentration ist, und einem niedrigen Zustand umgeschaltet wird, ist es unwahrscheinlich, dass die Reaktionsfähigkeit der Spannung abnimmt.
Der Gassensor der vorliegenden Erfindung kann eine Referenzgaseinstelleinheit enthalten, die die Referenzgas-Einstellpumpzelle veranlasst, Sauerstoff in den Umfang der Referenzelektrode zu pumpen, indem eine wiederholt ein- und ausgeschaltete Steuerspannung an die Referenzgas-Einstellpumpzelle angelegt wird. In diesem Fall kann der Sauerstoffkonzentrationsdetektor die Spannung der äußeren Sensorzelle in einem Zeitraum erhalten, in dem die wiederholt EIN- und AUSgeschaltete Steuerspannung ausgeschaltet ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Konfiguration eines Gassensors 100 schematisch darstellt.
2 ist eine Draufsicht auf eine äußere Pumpelektrode 23p und eine äußere Spannungselektrode 23s.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuervorrichtung 95 und den Zellen eines Sensorelements 101 zeigt.
4 zeigt Diagramme, die die Änderung der Ansprechzeit der Spannung Vref vor und nach einem Dauertest in der Atmosphäre veranschaulichen.
5 zeigt Diagramme, die die Art der zeitlichen Änderung der Spannung Vref in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 nach einem Dauertest an der Atmosphäre veranschaulichen.
6 ist ein erläuterndes Diagramm, das ein Beispiel für die zeitliche Änderung der Spannung Vp3 zeigt.
7 ist ein erläuterndes Diagramm, das ein Beispiel für die zeitliche Änderung der Spannung Vref zeigt.
8 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Gassensors 200 gemäß einer Modifizierung.
9 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel eines Gassensors 900 als herkömmliches Beispiel schematisch darstellt.
10 ist eine Teilquerschnittsansicht, die eine Diffusionsschicht 26 zeigt, die die äußere Pumpelektrode 23p bedeckt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Konfiguration eines Gassensors 100 in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt. 2 ist eine Draufsicht auf eine äu-ßere Pumpelektrode 23p und eine äußere Spannungselektrode 23s eines Sensorelements 101. 3 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuervorrichtung 95 und den Zellen des Sensorelements 101 zeigt. Der Gassensor 100 enthält: das Sensorelement 101, das eine längliche, rechteckige Parallelepipedform aufweist, und die Steuervorrichtung 95, die den gesamten Gassensor 100 steuert. Der Gassensor 100 enthält außerdem: einen Elementdichtungskörper (nicht abgebildet), der das Sensorelement 101 abdichtet und fixiert; und eine zylindrische Schutzabdeckung mit Boden (nicht abgebildet), die das vordere Ende des Sensorelements 101 schützt. Das Sensorelement 101 enthält die Zellen 21, 41, 50, 80 bis 83, 90 und einen Heizerabschnitt 70.
Der Gassensor 100 wird an einem Rohr wie z.B. dem Abgasrohr eines Verbrennungsmotors montiert. Der Gassensor 100 erfasst die Konzentration eines speziellen Gases wie NOx und Ammoniak in einem Messgegenstandsgas, das ein Abgas eines Verbrennungsmotors ist. In dieser Ausführungsform misst der Gassensor 100 die NOx-Konzentration als spezielle Gaskonzentration. Die Längsrichtung (d.h. die Links-Rechts-Richtung in 1) des Sensorelements 101 ist als die Vorne-Hinten-Richtung definiert, und die Dickenrichtung (d.h. die Oben-Unten-Richtung in 1) des Sensorelements 101 ist als die Oben-Unten-Richtung definiert. Darüber hinaus ist die Breitenrichtung (d.h. die Richtung senkrecht zur Vorne-Hinten-Richtung und zur Oben-Unten-Richtung) des Sensorelements 101 als die Links-Rechts-Richtung definiert.
Wie in 1 dargestellt, weist das Sensorelement 101 einen Schichtkörper auf, der durch Stapeln von sechs Schichten erhalten wird, nämlich einer ersten Substratschicht 1, einer zweiten Substratschicht 2, einer dritten Substratschicht 3, einer ersten Festelektrolytschicht 4, einer Abstandshalterschicht 5 und einer zweiten Festelektrolytschicht 6, die aus sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten gebildet werden, die beispielsweise aus Zirkoniumdioxid (ZrO₂) bestehen, und zwar in dieser Reihenfolge in der Zeichnung von unten. Der Festelektrolyt, der zur Bildung jeder dieser sechs Schichten verwendet wird, ist dicht und hermetisch. Das Sensorelement 101 wird z.B. hergestellt, indem ein Schaltkreismuster auf keramische Grünplatten, die den einzelnen Schichten entsprechen, vorab bearbeitet und gedruckt wird, die Platten anschließend gestapelt und dann durch Kalzinierung zusammengefügt werden.
An der vorderen Endseite (Vorderendseite) des Sensorelements 101 und zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 sind ein Gaseinlass 10, ein erster Diffusionssteuerungsabschnitt 11, ein Pufferraum 12, ein zweiter Diffusionssteuerungsabschnitt 13, ein erster innerer Hohlraum 20, ein dritter Diffusionssteuerungsabschnitt 30, ein zweiter innerer Hohlraum 40, ein vierter Diffusionssteuerungsabschnitt 60 und ein dritter innerer Hohlraum 61 nebeneinander in dieser Reihenfolge ausgebildet, um miteinander zu kommunizieren.
Der Gaseinlass 10, der Pufferraum 12, der erste innere Hohlraum 20, der zweite innere Hohlraum 40, der dritte innere Hohlraum 61 bilden einen Raum im Inneren des Sensorelements 101, wobei der Raum durch Aushöhlung der Abstandshalterschicht 5 und Unterteilung des oberen Teils des Raums durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, des unteren Teils durch die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 und des seitlichen Teils durch die seitliche Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt wird.
Der erste Diffusionssteuerungsabschnitt 11, der zweite Diffusionssteuerungsabschnitt 13 und der dritte Diffusionssteuerungsabschnitt 30 sind jeweils als zwei horizontal lange Schlitze (mit einer Öffnung mit einer Längsrichtung in der Richtung senkrecht zur Zeichnung) vorgesehen. Darüber hinaus ist der vierte Diffusionssteuerungsabschnitt 60 als ein horizontal langer Schlitz (mit einer Öffnung, die eine Längsrichtung in der Richtung senkrecht zur Zeichnung aufweist) vorgesehen, der als ein Spalt von der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 gebildet wird. Man beachte, dass der Abschnitt vom Gaseinlass 10 bis zum dritten inneren Hohlraum 61 auch als Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bezeichnet wird.
Das Sensorelement 101 enthält einen Referenzgas-Einführungsabschnitt 49, der bewirkt, dass ein Referenzgas zur Messung der NOx-Konzentration von der Außenseite des Sensorelements 101 durch eine Referenzelektrode 42 strömt. Der Referenzgas-Einführungsabschnitt 49 weist einen Referenzgas-Einführungsraum 43 und eine Referenzgaseinführungsschicht 48 auf. Der Referenzgas-Einführungsraum 43 ist ein Raum, der sich von der hinteren Endoberfläche des Sensorelements 101 nach innen erstreckt. Der Referenzgas-Einführungsraum 43 ist zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 und an der Position vorgesehen, an der der seitliche Teil durch die seitliche Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 unterteilt ist. Der Referenzgas-Einführungsraum 43 weist eine Öffnung in der hinteren Endoberfläche des Sensorelements 101 auf und ein Referenzgas wird in den Referenzgas-Einführungsraum 43 durch die Öffnung eingeführt. Der Referenzgas-Einführungsabschnitt 49 leitet das von der Außenseite des Sensorelements 101 eingeleitete Referenzgas zur Referenzelektrode 42, wobei dem Referenzgas ein vorbestimmter Diffusionswiderstand hinzugefügt wird. In dieser Ausführungsform ist das Referenzgas ein atmosphärisches Gas.
Die Referenzgaseinführungsschicht 48 befindet sich zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4. Die Referenzgaseinführungsschicht 48 ist ein poröser Körper, der aus Keramik, wie Aluminiumoxid, aufgebaut ist. Ein Teil der oberen Oberfläche der Referenzgaseinführungsschicht 48 ist dem Referenzgas-Einführungsraum 43 ausgesetzt. Die Referenzgaseinführungsschicht 48 ist so geformt, dass sie die Referenzelektrode 42 bedeckt. Die Referenzgaseinführungsschicht 48 bewirkt, dass das Referenzgas aus dem Referenzgas-Einführungsraum 43 zur Referenzelektrode 42 strömt. Der Referenzgas-Einführungsabschnitt 49 braucht den Referenzgas-Einführungsraum 43 nicht zu enthalten. In diesem Fall sollte die Referenzgaseinführungsschicht 48 der hinteren Endoberfläche des Sensorelements 101 ausgesetzt sein.
Die Referenzelektrode 42 ist zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet, und wie vorstehend beschrieben, ist in dem Umfang der Referenzelektrode 42 die Referenzgaseinführungsschicht 48 vorgesehen, die mit dem Referenzgas-Einführungsraum 43 verbunden ist. Darüber hinaus ist es, wie später beschrieben, mit der Referenzelektrode 42 möglich, die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20, dem zweiten inneren Hohlraum 40 und dem dritten inneren Hohlraum 61 zu messen. Die Referenzelektrode 42 ist als poröse Cermet-Elektrode ausgebildet (z.B. eine Cermet-Elektrode, die aus Pt und ZrO₂ aufgebaut ist).
Im Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt ist der Gaseinlass 10 ein Abschnitt, der zum Außenraum hin geöffnet ist und dazu dient, das Messgegenstandsgas aus dem Außenraum durch den Gaseinlass 10 in das Sensorelement 101 zu leiten. Der erste Diffusionssteuerungsabschnitt 11 fügt dem durch den Gaseinlass 10 angesaugten Messgegenstandsgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand hinzu. Der Pufferraum 12 ist vorgesehen, um das vom ersten Diffusionssteuerungsabschnitt 11 eingeleitete Messgegenstandsgas zum zweiten Diffusionssteuerungsabschnitt 13 zu leiten. Der zweite Diffusionssteuerungsabschnitt 13 fügt dem Messgegenstandsgas, das aus dem Pufferraum 12 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleitet wird, einen vorbestimmten Diffusionswiderstand hinzu. Wenn das Messgegenstandsgas von der Außenseite des Sensorelements 101 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleitet wird, wird das Messgegenstandsgas, das durch eine Druckschwankung (Pulsation des Abgasdrucks, wenn das Messgegenstandsgas ein Autoabgas ist) des Messgegenstandsgases im Außenraum plötzlich durch den Gaseinlass 10 in das Sensorelement 101 aufgenommen wird, nicht direkt in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleitet, sondern wird in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleitet, nachdem die Druckschwankung im Messgegenstandsgas durch den ersten Diffusionssteuerungsabschnitt 11, den Pufferraum 12 und den zweiten Diffusionssteuerungsabschnitt 13 aufgehoben wurde. Folglich ist die Druckschwankung im Messgegenstandsgas, das in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, nahezu vernachlässigbar. Der erste innere Hohlraum 20 dient als Raum zur Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks in dem durch den zweiten Diffusionssteuerungsabschnitt 13 eingeleiteten Messgegenstandsgas. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die enthält: eine innere Pumpelektrode 22 mit einem Deckenelektrodenabschnitt 22a, der im Wesentlichen auf der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen ist, die dem ersten inneren Hohlraum 20 zugewandt ist; eine äußere Pumpelektrode 23p, die so vorgesehen ist, dass sie in einer Fläche, die dem Deckenelektrodenabschnitt 22a auf der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 entspricht, dem Außenraum ausgesetzt ist; und die zweite Festelektrolytschicht 6, die zwischen diesen Elektroden liegt.
Die innere Pumpelektrode 22 ist zwischen der oberen und unteren Festelektrolytschicht (der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4), die den ersten inneren Hohlraum 20 bilden, und der Abstandshalterschicht 5, die eine Seitenwand bildet, ausgebildet. Insbesondere ist der Deckenelektrodenabschnitt 22a an der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die die Deckenoberfläche des ersten inneren Hohlraums 20 bildet, ein Bodenelektrodenabschnitt 22b ist an der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die die Bodenoberfläche bildet, und ein seitlicher Elektrodenabschnitt (nicht dargestellt) ist auf der seitlichen Wandoberfläche (Innenoberfläche) der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die beide Seitenwände des ersten inneren Hohlraums 20 bildet, um den Deckenelektrodenabschnitt 22a und den Bodenelektrodenabschnitt 22b zu verbinden, so dass diese Elektroden in einer Struktur mit einer Tunnelform an der Anordnungsposition des seitlichen Elektrodenabschnitts angeordnet sind.
Die innere Pumpelektrode 22 ist als poröse Cermet-Elektrode ausgebildet (z.B. eine Cermet-Elektrode, die aus Pt mit 1 % Au und ZrO₂ aufgebaut ist). Es ist zu beachten, dass die innere Pumpelektrode 22, die mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt steht, aus einem Material aufgebaut ist, das ein verringertes Reduktionsvermögen für die NOx-Komponente im Messgegenstandsgas aufweist.
In der Hauptpumpzelle 21 kann Sauerstoff im ersten inneren Hohlraum 20 in den Außenraum gepumpt werden oder Sauerstoff im Außenraum kann in den ersten inneren Hohlraum 20 gepumpt werden, indem eine gewünschte Spannung Vp0 über die innere Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23p angelegt wird, um zu bewirken, dass ein Pumpstrom Ip0 in einer positiven Richtung oder einer negativen Richtung zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23p fließt.
Um die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in einer Atmosphäre im ersten inneren Hohlraum 20 zu erfassen, wird außerdem eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine V0-Erfassungssensorzelle 80 (auch als Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle für die Hauptpumpsteuerung bezeichnet) durch die innere Pumpelektrode 22, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 gebildet.
Die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im ersten inneren Hohlraum 20 kann durch Messung der Spannung V0 in der V0-Erfassungssensorzelle 80 ermittelt werden. Darüber hinaus wird der Pumpstrom Ip0 durch Rückkopplungssteuerung der Spannung Vp0 einer variablen Stromversorgung 24 so gesteuert, dass die Spannung V0 einen Zielwert erreicht. Auf diese Weise kann die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 auf einem vorbestimmten konstanten Wert gehalten werden. Die Spannung V0 ist eine Spannung zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der Referenzelektrode 42.
Der dritte Diffusionssteuerungsabschnitt 30 fügt dem Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 im ersten inneren Hohlraum 20 gesteuert wird, einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu und leitet das Messgegenstandsgas in den zweiten inneren Hohlraum 40 ein.
Nachdem die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im ersten inneren Hohlraum 20 vorab eingestellt wurde, wird der zweite innere Hohlraum 40 als Raum für die weitere Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks des durch den dritten Diffusionssteuerungsabschnitt 30 eingeleiteten Messgegenstandsgases durch die Hilfspumpzelle 50 bereitgestellt. Daher kann die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 mit hoher Genauigkeit auf einem konstanten Niveau gehalten werden, wodurch eine hochgenaue Messung der NOx-Konzentration im Gassensor 100 ermöglicht wird.
Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, enthaltend: eine Hilfspumpelektrode 51 mit einem Deckenelektrodenabschnitt 51a, der im Wesentlichen auf der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen ist, die dem zweiten inneren Hohlraum 40 zugewandt ist; die äußere Pumpelektrode 23p; und die zweite Festelektrolytschicht 6.
Die Hilfspumpelektrode 51 ist in dem zweiten inneren Hohlraum 40 in einer Struktur mit einer Tunnelform wie bei der inneren Pumpelektrode 22, die in dem vorstehend erwähnten ersten inneren Hohlraum 20 vorgesehen ist, angeordnet. Insbesondere ist der Deckenelektrodenabschnitt 51a für die zweite Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die die Deckenoberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet, der Bodenelektrodenabschnitt 51b ist für die erste Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die die Bodenoberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet, und ein seitlicher Elektrodenabschnitt (nicht dargestellt), der den Deckenelektrodenabschnitt 51a und den Bodenelektrodenabschnitt 51b verbindet, ist in jeder der beiden Wandoberflächen der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die die Seitenwand des zweiten inneren Hohlraums 40 bilden, wodurch eine Struktur in Tunnelform realisiert wird. Man beachte, dass wie bei der inneren Pumpelektrode 22 auch die Hilfspumpelektrode 51 aus einem Material mit einem verringerten Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten im Messgegenstandsgas gebildet wird.
In der Hilfspumpzelle 50 kann Sauerstoff aus einer Atmosphäre im zweiten inneren Hohlraum 40 in den Außenraum gepumpt werden oder Sauerstoff aus dem Außenraum in den zweiten inneren Hohlraum 40 gepumpt werden, indem eine gewünschte Spannung Vp1 über die Hilfspumpelektrode 51 und die äußere Pumpelektrode 23p angelegt wird.
Um den Sauerstoffpartialdruck in einer Atmosphäre im zweiten inneren Hohlraum 40 zu steuern, wird außerdem eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine V1-Erfassungssensorzelle 81 (auch als Hilfspumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle bezeichnet) durch die Hilfspumpelektrode 51, die Referenzelektrode 42, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4 und die dritte Substratschicht 3 gebildet.
Man beachte, dass die Hilfspumpzelle 50 den Pumpvorgang mit Hilfe einer variablen Stromversorgung 52 durchführt, deren Spannung auf der Grundlage der von der V1-Erfassungssensorzelle 81 erfassten Spannung V1 gesteuert wird. Somit wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre im zweiten inneren Hohlraum 40 auf einen niedrigen Partialdruck gesteuert, der im Wesentlichen keine Auswirkungen auf die Messung von NOx aufweist. Die Spannung V1 ist eine Spannung zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42.
Parallel dazu wird der Pumpstrom Ip1 zur Steuerung der elektromotorischen Kraft der V0-Erfassungssensorzelle 80 verwendet. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 in die V0-Erfassungssensorzelle 80 als Steuersignal eingegeben, und der vorstehend erwähnte Zielwert der Spannung V0 wird so gesteuert, dass die Steigung des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das von dem dritten Diffusionssteuerungsabschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, die ganze Zeit auf einem konstanten Niveau gesteuert wird. Wenn der Gassensor 100 als NOx-Sensor verwendet wird, wird die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 auf einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten.
Der vierte Diffusionssteuerungsabschnitt 60 fügt dem Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 im zweiten inneren Hohlraum 40 gesteuert wird, einen vorbestimmten Diffusionswiderstand zu und leitet das Messgegenstandsgas in den dritten inneren Hohlraum 61 ein. Der vierte Diffusionssteuerungsabschnitt 60 weist die Aufgabe auf, die NOx-Menge zu regulieren, die in den dritten inneren Hohlraum 61 strömt.
Nachdem die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im Voraus im zweiten inneren Hohlraum 40 eingestellt wurde, wird der dritte innere Hohlraum 61 als Raum zur Durchführung eines Prozesses bereitgestellt, der sich auf die Messung der Stickoxidkonzentration (NOx) im Messgegenstandsgas auf dem Messgegenstandsgas bezieht, das durch den vierten Diffusionssteuerungsabschnitt 60 eingeführt wird. Die NOx-Konzentration wird hauptsächlich durch den Betrieb der Messpumpzelle 41 im dritten inneren Hohlraum 61 gemessen.
Die Messpumpzelle 41 misst die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas im dritten inneren Hohlraum 61. Die Messpumpzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpzelle, enthaltend: eine Messelektrode 44, die auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 vorgesehen ist, die dem dritten inneren Hohlraum 61 zugewandt ist; die äußere Pumpelektrode 23p; die zweite Festelektrolytschicht 6; die Abstandshalterschicht 5; und die erste Festelektrolytschicht 4. Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermet-Elektrode, die ein Material enthält, das ein höheres Reduktionsvermögen für die NOx-Komponente im Messgegenstandsgas als das Reduktionsvermögen der inneren Pumpelektrode 22 aufweist. Die Messelektrode 44 fungiert auch als NOx-Reduktionskatalysator, um das in der Atmosphäre im dritten inneren Hohlraum 61 vorhandene NOx zu reduzieren.
In der Messpumpzelle 41 wird der Sauerstoff, der durch die Zersetzung von Stickoxid in einer Atmosphäre in dem Umfang der Messelektrode 44 erzeugt wird, abgepumpt, und die Menge des erzeugten Sauerstoffs kann als Pumpstrom Ip2 erfasst werden.
Um den Sauerstoffpartialdruck in dem Umfang der Messelektrode 44 zu erfassen, wird durch die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine V2-Erfassungssensorzelle 82 (auch als Messpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle bezeichnet) gebildet. Eine variable Stromversorgung 46 wird auf der Grundlage der von der V2-Erfassungssensorzelle 82 erfassten Spannung V2 gesteuert. Die Spannung V2 ist eine Spannung zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42.
Das in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeleitete Messgegenstandsgas erreicht die Messelektrode 44 im dritten inneren Hohlraum 61 durch den vierten Diffusionssteuerungsabschnitt 60 in einer Situation, in der der Sauerstoffpartialdruck gesteuert wird. Das Stickstoffoxid im Messgegenstandsgas in dem Umfang der Messelektrode 44 wird reduziert (2NO → N₂ +O₂), um Sauerstoff zu erzeugen. Der erzeugte Sauerstoff wird dann von der Messpumpzelle 41 gepumpt und in diesem Prozess wird die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so gesteuert, dass die von der V2-Erfassungssensorzelle 82 erfasste Spannung V2 konstant ist (Zielwert). Die in dem Umfang der Messelektrode 44 erzeugte Sauerstoffmenge steht im Verhältnis zur Stickoxidkonzentration im Messgegenstandsgas, so dass die Stickoxidkonzentration im Messgegenstandsgas anhand des Pumpstroms Ip2 in der Messpumpzelle 41 berechnet wird.
Eine elektrochemische Vref-Erfassungssensorzelle 83 wird durch die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die äußere Spannungselektrode 23s und die Referenzelektrode 42 gebildet, und der Sauerstoffpartialdruck in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensors ist mit der von der Vref-Erfassungssensorzelle 83 erhaltenen Spannung Vref erfassbar. Die Spannung Vref ist eine Spannung zwischen der äußeren Spannungselektrode 23s und der Referenzelektrode 42.
Darüber hinaus wird eine elektrochemische Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 durch die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die äußere Pumpelektrode 23p und die Referenzelektrode 42 gebildet. Die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 pumpt Sauerstoff, indem sie den Pumpstrom Ip3 unter Verwendung einer Steuerspannung (Spannung Vp3) fließen lässt, die von einer zwischen der äußeren Pumpelektrode 23p und der Referenzelektrode 42 angeschlossenen Stromversorgungsschaltung 92 angelegt wird. Auf diese Weise pumpt die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 Sauerstoff aus dem Raum um die äußere Pumpelektrode 23p in den Umfang der Referenzelektrode 42.
In dem Gassensor 100 mit einer solchen Konfiguration wird das Messgegenstandsgas mit einem Sauerstoffpartialdruck, der immer auf einem konstant niedrigen Wert gehalten wird (ein Wert, der im Wesentlichen keine Auswirkung auf die Messung von NOx ausübt), der Messpumpzelle 41 durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 zugeführt. Daher kann die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage des Pumpstroms Ip2 ermittelt werden, der durch das Abpumpen von Sauerstoff durch die Messpumpzelle 41 fließt, wobei der Sauerstoff durch Reduktion von NOx in einer Menge erzeugt wird, die ungefähr proportional zur NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas ist.
Um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu verbessern, enthält das Sensorelement 101 außerdem einen Heizerabschnitt 70, der die Aufgabe aufweist, die Temperatur des Sensorelements 101 einzustellen und seine Temperatur zu halten. Der Heizerabschnitt 70 enthält eine Heizer-Verbindungselektrode 71, einen Heizer 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizer-Isolierschicht 74 und ein Druckdiffusionsloch 75.
Die Heizer-Verbindungselektrode ist so ausgebildet, dass sie mit der unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 1 in Kontakt steht. Die Verbindung der Heizer-Verbindungselektrode 71 mit einer äußeren Stromversorgung ermöglicht es, den Heizerabschnitt 70 von außen mit Strom zu versorgen.
Der Heizer 72 ist ein elektrischer Widerstand, der so ausgebildet ist, dass er vertikal zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 angeordnet ist. Der Heizer 72 ist über das Durchgangsloch 73 mit der Heizer-Verbindungselektrode 71 gekoppelt, erzeugt Wärme, indem er von außen durch die Heizer-Verbindungselektrode 71 mit Strom versorgt wird, und erwärmt und hält die Temperatur des Festelektrolyten, der das Sensorelement 101 bildet.
Der Heizer 72 ist über die gesamte Region vom ersten inneren Hohlraum 20 bis zum dritten inneren Hohlraum 61 eingelassen, und das gesamte Sensorelement 101 kann auf eine Temperatur eingestellt werden, bei der der Festelektrolyt aktiviert wird.
Die Heizer-Isolierschicht 74 ist aus einem Isolator, wie Aluminiumoxid, auf der oberen und unteren Oberfläche des Heizers 72 aufgebaut. Die Heizer-Isolierschicht 74 wird gebildet, um eine elektrisch isolierende Eigenschaft zwischen der zweiten Substratschicht 2 und dem Heizer 72 sowie eine elektrisch isolierende Eigenschaft zwischen der dritten Substratschicht 3 und dem Heizer 72 zu erzielen.
Das Druckdiffusionsloch 75 ist ein Abschnitt, der vorgesehen ist, um die dritte Substratschicht 3 und die Referenzgaseinführungsschicht 48 zu durchdringen, um mit dem Referenzgas-Einführungsraum 43 in Verbindung zu stehen, und ist zu dem Zweck gebildet, einen inneren Druckanstieg zu vermindern, der mit einem Temperaturanstieg in der Heizer-Isolierschicht 74 einhergeht.
Im Folgenden werden die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s im Einzelnen beschrieben. Die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s entsprechen einem Aspekt, bei dem die äußere Pumpelektrode 923 in 9 in zwei Elektroden unterteilt ist. Insbesondere dient die äußere Pumpelektrode 923 in 9 als Elektrode der Hauptpumpzelle 921, durch die der Pumpstrom Ip0 geleitet wird, als Elektrode der Messpumpzelle 941, durch die der Pumpstrom Ip2 geleitet wird, als Elektrode der Referenzgas-Einstellpumpzelle 990, durch die der Pumpstrom Ip3 geleitet wird, und als Elektrode der Vref-Erfassungssensorzelle 983, die die Spannung Vref erfasst. Im Gegensatz dazu sind in dieser Ausführungsform die äußere Pumpelektrode 23p der Hauptpumpzelle 21, der Hilfspumpzelle 50, der Messpumpzelle 41 und der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 sowie die äußere Spannungselektrode 23s der Vref-Erfassungssensorzelle 83 beide außerhalb des Sensorelements 101 als unabhängige Elektroden angeordnet.
In dieser Ausführungsform, wie in 2 dargestellt, haben die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s in der Draufsicht jeweils eine annähernd viereckige Form. Die äußere Spannungselektrode 23s befindet sich hinter der äußeren Pumpelektrode 23p. Die äußere Spannungselektrode 23s weist eine kürzere Länge in der Vorne-Hinten-Richtung und eine kleinere Fläche als die äußere Pumpelektrode 23p auf. Man beachte, dass die Fläche einer Elektrode diejenige ist, die in der Richtung senkrecht zur Oberfläche, auf der die Elektrode angeordnet ist, gesehen wird. Zum Beispiel sind die Flächen der äußeren Pumpelektrode 23p und der äußeren Spannungselektrode 23s jeweils eine Fläche in einer Draufsicht.
Die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s enthalten jeweils ein Edelmetall (z.B. mindestens eines von Pt, Rh, Pd, Ru und Ir) mit katalytischer Aktivität. Die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s bestehen vorzugsweise aus einem Cermet, das ein Edelmetall und ein Oxid (in diesem Fall ZrO₂) mit Sauerstoffionenleitfähigkeit enthält. Die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s sind vorzugsweise ein poröser Körper. Das in der äußeren Pumpelektrode 23p enthaltene Edelmetall und das in der äußeren Spannungselektrode 23s enthaltene Edelmetall können in Art und Mengenverhältnis gleich sein oder sich in mindestens einer Art und einem Mengenverhältnis unterscheiden. In dieser Ausführungsform sind die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s jeweils eine poröse Cermet-Elektrode, die aus Pt und ZrO₂ aufgebaut ist.
Wie in 3 dargestellt, enthält die Steuervorrichtung 95 die vorstehend erwähnten variablen Stromversorgungen 24, 46, 52, eine Heizerstromversorgung 78, die vorstehend erwähnte Stromversorgungsschaltung 92 und einen Controller 96. Der Controller 96 ist ein Mikroprozessor mit einer CPU 97, einem nicht dargestellten RAM und einer Speichereinheit 98. Bei der Speichereinheit 98 handelt es sich beispielsweise um einen nichtflüchtigen Speicher wie ein ROM, in dem eine Vorrichtung vorhanden ist, die verschiedene Daten speichert. Der Controller 96 erhält Eingänge für die Spannungen V0 bis V2 und die Spannung Vref der Sensorzellen 80 bis 83. Der Controller 96 erhält Eingänge für die Pumpströme Ip0 bis Ip3, die die jeweiligen Pumpzellen 21, 50, 41, 90 durchfließen. Der Controller 96 steuert die von den variablen Stromversorgungen 24, 46, 52 und der Stromversorgungsschaltung 92 ausgegebenen Spannungen Vp0 bis Vp3, indem er ein Steuersignal an die variablen Stromversorgungen 24, 46, 52 und die Stromversorgungsschaltung 92 ausgibt und dadurch die Pumpzellen 21, 41, 50, 90 steuert. Der Controller 96 steuert die elektrische Leistung, die dem Heizer 72 von der Heizerstromversorgung 78 zugeführt wird, indem er ein Steuersignal an die Heizerstromversorgung 78 ausgibt, wodurch die Temperatur des Sensorelements 101 eingestellt wird. Die Speichereinheit 98 speichert die unten genannten Zielwerte V0*, V1*, V2*, Ip1*.
Der Controller 96 steuert die Spannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 rückwirkend so, dass die Spannung V0 einen Zielwert V0* erreicht (mit anderen Worten, dass die Sauerstoffkonzentration im ersten inneren Hohlraum 20 eine Zielkonzentration erreicht).
Der Controller 96 steuert die Spannung Vp1 der variablen Stromversorgung 52 so zurück, dass die Spannung V1 einen konstanten Wert (als Zielwert V1* bezeichnet) erreicht (mit anderen Worten, so dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine vorbestimmte niedrige Sauerstoffkonzentration erreicht, die im Wesentlichen keine Auswirkungen auf die Messung von NOx ausübt). Parallel dazu stellt der Controller 96 den Zielwert V0* der Spannung V0 auf der Grundlage des Pumpstroms Ip1 so ein (rückgekoppelt), dass der durch die Spannung Vp1 fließende Pumpstrom Ip1 einen konstanten Wert erreicht (als Zielwert Ip1* bezeichnet). Folglich wird die Steigung des Sauerstoffpartialdrucks im Messgegenstandsgas, das aus dem dritten Diffusionssteuerungsabschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeleitet wird, ständig konstant. Darüber hinaus wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre im zweiten inneren Hohlraum 40 auf einen niedrigen Partialdruck gesteuert, der im Wesentlichen keine Auswirkungen auf die Messung von NOx ausübt. Der Zielwert V0* wird auf einen Wert eingestellt, der bewirkt, dass die Sauerstoffkonzentration im ersten inneren Hohlraum 20 höher als 0 % ist und eine niedrige Sauerstoffkonzentration erreicht.
Der Controller 96 steuert die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so, dass die Spannung V2 einen konstanten Wert (als Zielwert V2* bezeichnet) erreicht (mit anderen Worten, die Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 erreicht eine vorbestimmte niedrige Konzentration). Auf diese Weise wird Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 herausgepumpt, so dass der durch die Reduktion des speziellen Gases (in diesem Fall NOx) im Messgegenstandsgas im dritten inneren Hohlraum 61 erzeugte Sauerstoff im Wesentlichen Null wird. Der Controller 96 erhält dann den Pumpstrom Ip2 als einen Erfassungswert, der dem aus NOx im dritten inneren Hohlraum 61 erzeugten Sauerstoff entspricht, und berechnet die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage des Pumpstroms Ip2. Der Zielwert V2* ist ein vorbestimmter Wert, so dass der Pumpstrom Ip2, der durch die rückgekoppelte Spannung Vp2 fließt, zu einem Grenzstrom wird. Die Speichereinheit 98 speichert einen relationalen Ausdruck (z.B. den Ausdruck einer linearen Funktion) und ein Kennfeld als Korrespondenzbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration. Ein solcher relationaler Ausdruck und ein Kennfeld können im Voraus durch ein Experiment ermittelt werden. Der Controller 96 ermittelt dann die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage des erhaltenen Pumpstroms Ip2 und der vorgenannten Korrespondenzbeziehung, die in der Speichereinheit 98 gespeichert ist. Auf diese Weise wird Sauerstoff aus dem speziellen Gas im Messgegenstandsgas, das in das Sensorelement 101 eingeleitet wird, abgepumpt, und die spezielle Gaskonzentration wird auf der Grundlage der abgepumpten Sauerstoffmenge (in dieser Ausführungsform auf der Grundlage des Pumpstroms Ip2) ermittelt. Dieses Verfahren wird als Strombegrenzungsverfahren bezeichnet.
Der Controller 96 lässt den Pumpstrom Ip3 fließen, indem er die Stromversorgungsschaltung 92 so steuert, dass die Spannung Vp3 an die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 angelegt wird. Das Fließen des Pumpstroms Ip3 bewirkt, dass die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 Sauerstoff vom Umfang der äußeren Pumpelektrode 23p zum Umfang der Referenzelektrode 42 pumpt.
Die Funktion der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 wird im Folgenden beschrieben. Das Messgegenstandsgas, das in die vorstehend erwähnte Schutzabdeckung (nicht abgebildet) geflossen ist, wird in einen Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt, wie den Gaseinlass 10, des Sensorelements 101 eingeleitet. Im Gegensatz dazu wird ein Referenzgas (Atmosphäre) in den Referenzgas-Einführungsabschnitt 49 des Sensorelements 101 eingeleitet. Die Seite des Gaseinlasses 10 des Sensorelements 101 und die Eingangsseite des Referenzgas-Einführungsabschnitts 49, kurz gesagt, die vordere Endseite und die hintere Endseite des Sensorelements 101 sind durch den vorstehend erwähnten Elementdichtungskörper (nicht abgebildet) getrennt und abgedichtet, um einen Gasfluss zwischen den Seiten zu verhindern. Wenn jedoch der Druck auf der Seite des Messgegenstandsgases hoch ist, kann das Messgegenstandsgas leicht in die Referenzgasseite eindringen, und die Sauerstoffkonzentration des Referenzgases in dem Umfang der hinteren Endseite des Sensorelements 101 kann abnehmen. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Sauerstoffkonzentration in dem Umfang der Referenzelektrode 42 ebenfalls abnimmt, ändert sich auch das Referenzpotenzial, d.h. das elektrische Potenzial der Referenzelektrode 42. Die Spannungen V0 bis V2, Vref der vorstehend erwähnten Sensorzellen 80 bis 83 sind jeweils eine Spannung relativ zum elektrischen Potenzial der Bezugselektrode 42, so dass bei einer Änderung des Bezugspotenzials die Genauigkeit der Erfassung der NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas abnehmen kann. Die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 dient dazu, eine solche Abnahme der Erfassungsgenauigkeit zu verhindern. Die Steuervorrichtung 95 steuert die Stromversorgungsschaltung 92 und legt als Spannung Vp3 eine Impulsspannung an, die mit einem vorbestimmten Zyklus (z.B. 10 ms) wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, und zwar über die Referenzelektrode 42 und die äußere Pumpelektrode 23p der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90. Der durch die Spannung Vp3 verursachte Fluss des Pumpstroms Ip3 durch die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 ermöglicht das Einpumpen von Sauerstoff vom Umfang der äußeren Pumpelektrode 23p zum Umfang der Referenzelektrode 42. Folglich kann, wie vorstehend beschrieben, wenn das Messgegenstandsgas eine Abnahme der Sauerstoffkonzentration in dem Umfang der Referenzelektrode 42 verursacht, der verminderte Sauerstoff ergänzt werden, und eine Verringerung der Genauigkeit der Erfassung der NOx-Konzentration kann verhindert werden.
Man beachte, dass zusätzlich zu den variablen Stromversorgungen 24, 46, 52, der Heizerstromversorgung 78 und der Stromversorgungsschaltung 92, die in 3 dargestellt sind, die Steuervorrichtung 95 tatsächlich mit den Elektroden innerhalb des Sensorelements 101 durch nicht dargestellte Leitungsdrähte, die in dem Sensorelement 101 ausgebildet sind, und nicht dargestellte Verbinderelektroden (nur die Heizer-Verbinderelektrode 71 ist in 1 dargestellt), die an der hinteren Endseite des Sensorelements 101 ausgebildet sind, verbunden ist.
Im Folgenden wird das Verfahren beschrieben, das von dem Controller 96 zum Zeitpunkt der Erfassung der NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas durch den Gassensor 100 durchgeführt wird. Zunächst beginnt die CPU 97 des Controllers 96 mit der Ansteuerung des Sensorelements 101. Konkret überträgt die CPU 97 ein Steuersignal an die Heizerstromversorgung 78, um das Sensorelement 101 durch den Heizer 72 zu erwärmen. Die CPU 97 heizt dann das Sensorelement 101 auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur (z.B. 800°C) auf. Als Nächstes beginnt die CPU 97 mit der Steuerung der vorgenannten Pumpzellen 21, 41, 50, 90 und erhält die Spannungen V0 bis V2, Vref von den vorgenannten Sensorzellen 80 bis 83. Wenn das Messgegenstandsgas in diesem Zustand durch den Gaseinlass 10 eingeleitet wird, durchströmt das Messgegenstandsgas den ersten Diffusionssteuerungsabschnitt 11, den Pufferraum 12 und den zweiten Diffusionssteuerungsabschnitt 13 und erreicht den ersten inneren Hohlraum 20. Anschließend wird die Sauerstoffkonzentration des Messgegenstandsgases durch die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 im ersten inneren Hohlraum 20 und im zweiten inneren Hohlraum 40 eingestellt, und das Messgegenstandsgas erreicht nach der Einstellung den dritten inneren Hohlraum 61. Die CPU 97 ermittelt dann die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage des erhaltenen Pumpstroms Ip2 und der in der Speichereinheit 98 gespeicherten Korrespondenzbeziehung.
In dem Sensorelement 101 des Gassensors 100 sind, wie vorstehend beschrieben, die äußere Pumpelektrode 23p, die einen Teil jeder der Pumpzellen 21, 41, 50, 90 bildet, und die äußere Spannungselektrode 23s, die einen Teil der Vref-Erfassungssensorzelle 83 bildet, jeweils außerhalb des Sensorelements 101 angeordnet. Mit anderen Worten, in dem Sensorelement 101 sind die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s separat außerhalb des Sensorelements 101 angeordnet. Anders als bei einer Elektrode, die als äußere Pumpelektrode 23p und als äußere Spannungselektrode 23s dient (z.B. in dem in 9 dargestellten Sensorelement 901 dient die äußere Pumpelektrode 923 als Elektrode der Hauptpumpzelle 921, der Elektrode der Messpumpzelle 941, der Elektrode der Referenzgas-Einstellpumpzelle 990 und der Elektrode der Vref-Erfassungssensorzelle 983), fließen die Pumpströme Ip0 bis Ip3 der Hauptpumpzelle 21, der Messpumpzelle 41, der Hilfspumpzelle 50 und der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 nicht durch die äußere Spannungselektrode 23s. Daher enthält die Spannung Vref der Vref-Erfassungssensorzelle 83 keinen Spannungsabfall der äußeren Spannungselektrode 23s aufgrund der Pumpströme Ip0 bis Ip3. Folglich weist die Spannung Vref der Vref-Erfassungssensorzelle 83 einen Wert auf, der mit höherer Genauigkeit der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensorelements 101 entspricht, wodurch die Genauigkeit der Erfassung der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas unter Verwendung der Vref-Erfassungssensorzelle 83 verbessert wird.
Man beachte, dass, wenn eine äußere Pumpelektrode 923 vorgesehen ist und die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s nicht unabhängig sind, wie in dem Sensorelement 901 in einem konventionellen Beispiel, zusätzlich zu der elektromotorischen Kraft, die auf der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Umfang der äußeren Pumpelektrode 923 und dem Umfang der Referenzelektrode 942 basiert, die Spannung Vref der Vref-Erfassungssensorzelle 983 den Wert (Spannungsabfall) enthält, der durch Multiplikation des Gesamtwerts der durch die äußere Pumpelektrode 923 fließenden Pumpströme mit dem Widerstand der äußeren Pumpelektrode 923 erhalten wird. Was die Größe eines Spannungsabfalls in der äußeren Pumpelektrode 923 betrifft, so können aufgrund der Wirkung einer Herstellungsvariation (z.B. einer Variation im Zustand, wie Dicke, Porositätsgrad, Oberflächenbereich) der äußeren Pumpelektrode 923, wenn mehrere Sensorelemente 901 hergestellt werden, individuelle Unterschiede für jedes Sensorelement 901 auftreten. Daher kann die Genauigkeit der Erfassung der Sauerstoffkonzentration außerhalb des Sensorelements 901 unter Verwendung der Spannung Vref für jedes Sensorelement 901 unterschiedlich sein. Im Gegensatz dazu tritt bei dem Sensorelement 101 in dieser Ausführungsform kein Spannungsabfall in der äu-ßeren Spannungselektrode 23s auf, da die Pumpströme Ip0 bis Ip3 nicht weitergeleitet werden, so dass selbst dann, wenn mehrere Sensorelemente 101 eine Fertigungsschwankung in der äußeren Spannungselektrode 23s aufweisen, die Genauigkeit der Erfassung der Sauerstoffkonzentration außerhalb des Sensorelements 101 unter Verwendung der Spannung Vref wahrscheinlich keine Schwankung aufweisen wird.
Wie vorstehend beschrieben, steuert der Controller 96 die Hauptpumpzelle 21 so, dass die Spannung V0 den Zielwert V0* erreicht, d.h. dass die Sauerstoffkonzentration im ersten inneren Hohlraum 20 eine vorbestimmte niedrige Konzentration erreicht. In dieser Situation, wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas beispielsweise zwischen einem hohen Zustand, in dem die Sauerstoffkonzentration höher als eine vorbestimmte niedrige Konzentration ist, und einem niedrigen Zustand wechselt, schaltet der Controller 96 die Richtung des von der Hauptpumpzelle 21 bewegten Sauerstoffs in die umgekehrte Richtung. Somit wird die Richtung des durch die Hauptpumpzelle 21 fließenden Pumpstroms Ip0 in die umgekehrte Richtung geschaltet. Wenn beispielsweise das Messgegenstandsgas von einer mageren Atmosphäre auf eine fette Atmosphäre umgeschaltet wird, wird die Richtung des durch die Hauptpumpzelle 21 fließenden Pumpstroms Ip0 von der Richtung, in der Sauerstoff aus dem ersten inneren Hohlraum 20 herausgepumpt wird, in die Richtung umgeschaltet, in der Sauerstoff in den ersten inneren Hohlraum 20 gepumpt wird. Die magere Atmosphäre bezeichnet einen Zustand, in dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Messgegenstandsgases höher als ein theoretisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und die fette Atmosphäre bezeichnet einen Zustand, in dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Messgegenstandsgases niedriger als ein theoretisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. In einer fetten Atmosphäre enthält das Messgegenstandsgas einen unverbrannten Kraftstoff, und die richtige Menge an Sauerstoff, die zur Verbrennung des unverbrannten Kraftstoffs erforderlich ist, entspricht der Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre. Daher wird die Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre als negativer Wert ausgedrückt. Wenn sich das Messgegenstandsgas also in einer fetten Atmosphäre befindet, steuert der Controller 96 die Hauptpumpzelle 21, um Sauerstoff in den ersten inneren Hohlraum 20 zu pumpen, um eine negative Sauerstoffkonzentration in eine vorbestimmte niedrige Konzentration (einen Zustand, in dem die Sauerstoffkonzentration höher als 0 % ist) zu ändern, die dem Zielwert V0* entspricht. Wenn also eine Elektrode sowohl als äußere Pumpelektrode 23p als auch als äußere Spannungselektrode 23s dient, wird die Änderung der Spannung Vref aufgrund der für die Stromänderung erforderlichen Zeit ebenfalls langsam, wenn die Richtung des durch die Hauptpumpzelle 21 fließenden Pumpstroms Ip0 in die umgekehrte Richtung umgeschaltet wird. Im Gegensatz dazu sind in dieser Ausführungsform die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s separat vorgesehen, so dass die Spannung Vref nicht durch die Zeit beeinflusst wird, die für die Änderung des Pumpstroms Ip0 erforderlich ist, und daher wird die Änderung der Spannung Vref nicht langsam. Mit anderen Worten, wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas zwischen einem hohen Zustand, in dem die Sauerstoffkonzentration höher als eine vorbestimmte niedrige Konzentration ist, und einem niedrigen Zustand umgeschaltet wird, ist es unwahrscheinlich, dass die Reaktionsfähigkeit der Spannung Vref abnimmt.
Wenn eine Elektrode sowohl als äußere Pumpelektrode 23p als auch als äu-ßere Spannungselektrode 23s dient, verschlechtert sich die Elektrode mit der Verwendung, so dass die vorstehend erwähnte Zeit, die für eine Stromänderung erforderlich ist, wenn die Richtung des Pumpstroms Ip0 in die umgekehrte Richtung umgeschaltet wird, weiter erhöht werden kann. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass sich die Kapazitätskomponenten der Elektrode aufgrund der Verschlechterung der Elektrode verändern. Die Verschlechterung einer Elektrode ist auf die Oxidation des Edelmetalls in der Elektrode zurückzuführen, die z.B. durch den Stromfluss durch die Elektrode verursacht wird. Wenn beispielsweise die äußere Pumpelektrode 923 des Sensorelements 901 Pt enthält, kann ein Teil des Pt oxidiert werden, wobei PtO, PtO₂ entsteht. Aufgrund der Verschlechterung der äußeren Pumpelektrode 923 des Gassensors 900 kann die Reaktionsfähigkeit der Spannung Vref mit der Verwendung abnehmen (im Folgenden als „Verschlechterung der Reaktionsfähigkeit“ bezeichnet). Im Gegensatz dazu ist es bei dieser Ausführungsform unwahrscheinlich, dass sich die äußere Spannungselektrode 23s verschlechtert, da die Pumpströme Ip0 bis Ip3 nicht durch die äußere Spannungselektrode 23s geleitet werden. Selbst wenn sich die äußere Spannungselektrode 23s verschlechtert, wird der Pumpstrom Ip0 nicht durch die äußere Spannungselektrode 23s geleitet, so dass die äußere Spannungselektrode 23s nicht vom Umschalten der Richtung des Pumpstroms Ip0 in die umgekehrte Richtung betroffen ist. Folglich ist es unwahrscheinlich, dass sich die Reaktionsfähigkeit der Spannung Vref verschlechtert, selbst wenn das Sensorelement 101 über einen längeren Zeitraum verwendet wird.
Die Reaktionsfähigkeit der Spannung Vref und die Art der Verschlechterung der Reaktionsfähigkeit wurden auf folgende Weise untersucht. Zunächst wird Beispiel 1 durch die Herstellung des Sensorelements 101 und des Gassensors 100 in der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform umgesetzt. Außerdem wird Vergleichsbeispiel 1 durch die Herstellung eines Gassensors umgesetzt, der dem Beispiel 1 entspricht, mit der Ausnahme, dass die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s nicht enthalten sind, aber die äußere Pumpelektrode 923 aus 9 enthalten ist. In Vergleichsbeispiel 1 bildet die äußere Pumpelektrode 923 einen Teil jeder der Hauptpumpzelle 21, der Hilfspumpzelle 50, der Messpumpzelle 41, der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 und der Vref-Erfassungssensorzelle 83. Das gleiche Material wird für die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s in Beispiel 1 und die äußere Pumpelektrode 923 in Vergleichsbeispiel 1 verwendet.
Für Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 wurde die Reaktionsfähigkeit der Spannung Vref untersucht. Zunächst wurde der Gassensor aus Beispiel 1 auf ein Rohr montiert. Der Heizer 72 wurde eingeschaltet, um eine Temperatur von 800°C zu erreichen und das Sensorelement 101 zu erhitzen. Es wird ein Zustand erreicht, in dem die vorgenannten Pumpzellen 21, 41, 50 durch den Controller 96 gesteuert werden und die Spannungen V0, V1, V2, Vref von den vorgenannten Sensorzellen 80 bis 83 erhalten werden. Es wird ein Zustand erreicht, in dem die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 nicht durch den Controller 96 gesteuert wird. In diesem Zustand wird als Messgegenstandsgas ein Gas, das ein Abgas in einem mageren Zustand simuliert, durch ein Rohr geleitet, und anschließend wird ein Gas, das ein Abgas in einem fetten Zustand simuliert, durch das Rohr geleitet, so dass der Wechsel des Messgegenstandsgases von einem mageren Zustand zu einem fetten Zustand simuliert wurde. Die Spannung Vref wurde dann kontinuierlich gemessen und die Art der zeitlichen Änderung der Spannung Vref wurde untersucht. In ähnlicher Weise wurde auch für Vergleichsbeispiel 1 die Art der zeitlichen Änderung der Spannung Vref untersucht.
Wenn das durch die Leitung zu leitende Gas von einem mageren Zustand in einen fetten Zustand umgeschaltet wird, steigt die Spannung Vref in jeweils Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 an. Der Wert der Spannung Vref unmittelbar vor dem Anstieg wird mit 0 % angenommen, der Wert der Spannung Vref nach der Stabilisierung nach dem Anstieg wird mit 100 % angenommen, und die Ansprechzeit [ms] der Spannung Vref ist durch die Zeit definiert, die die Spannung Vref benötigt, um von 10 % auf 90 % zu wechseln. Eine kürzere Ansprechzeit deutet auf eine höhere Reaktionsfähigkeit der Spannung Vref hin. Die Ansprechzeit in Beispiel 1 betrug 380 ms und die Ansprechzeit in Vergleichsbeispiel 1 betrug 400 ms. Anhand dieses Ergebnisses wurde festgestellt, dass die Reaktionsfähigkeit beim Ansteigen der Spannung Vref in Beispiel 1, in dem sowohl die äußere Pumpelektrode 23p als auch die äußere Spannungselektrode 23s vorhanden sind, höher als in Vergleichsbeispiel 1 ist, in dem die äußere Pumpelektrode 923 anstelle dieser Elektroden angeordnet ist. Die Reaktionsfähigkeit des Absinkens der Spannung Vref zum Zeitpunkt des Umschaltens des durch die Leitung zu leitenden Gases von einem fetten Zustand zu einem mageren Zustand wurde auf die gleiche Weise untersucht, und die Reaktionsfähigkeit war in Beispiel 1 höher als in Vergleichsbeispiel 1.
Als Nächstes wurde in einem Zustand, in dem der Gassensor 100 in Beispiel 1 in der Atmosphäre platziert wurde, ein Dauertest in der Atmosphäre auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben durchgeführt, d.h. das Sensorelement 101 wurde von dem Controller 96 so gesteuert, dass er bis zum Ablauf von 500 Stunden arbeitet. Für den Gassensor in Vergleichsbeispiel 1 wurde ebenfalls ein Dauertest in der Atmosphäre auf die gleiche Weise durchgeführt. Die Atmosphäre weist eine höhere Sauerstoffkonzentration als das Abgas auf, und das Edelmetall in der Elektrode wird wahrscheinlich oxidiert und verschlechtert, so dass der Dauertest in der Atmosphäre ein beschleunigter Verschlechterungstest für die Elektrode ist. Für Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 wurde nach der Durchführung des Dauertests in der Atmosphäre die Ansprechzeit [ms] der Spannung Vref nach dem vorstehend genannten Verfahren gemessen.
4 zeigt Diagramme, die die Änderung der Ansprechzeit der Spannung Vref vor und nach dem Dauertest in Atmosphäre in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 erläutern. Wie in 4 dargestellt, ist in Vergleichsbeispiel 1 die Ansprechzeit (580 ms) nach dem Dauertest in Atmosphäre (verstrichene Zeit ist 500 Stunden) länger als die Ansprechzeit (400 ms) vor dem Dauertest in Atmosphäre (verstrichene Zeit ist 0 Stunde), d.h. die Reaktionsfähigkeit hat sich verschlechtert. Im Gegensatz dazu änderte sich in Beispiel 1 die Ansprechzeit nur vor und nach dem Dauertest in Atmosphäre von 380 ms auf 385 ms, so dass die Änderung der Ansprechzeit gering war. Aus diesem Ergebnis geht hervor, dass die Verschlechterung der Ansprechzeit der Spannung Vref bei Verwendung des Gassensors in Beispiel 1, in dem sowohl die äußere Pumpelektrode 23p als auch die äußere Spannungselektrode 23s vorhanden sind, weiter vermindert wird als in Vergleichsbeispiel 1, in dem die äußere Pumpelektrode 923 anstelle dieser Elektroden angeordnet ist. 5 zeigt Diagramme, die die Art der zeitlichen Änderung der Spannung Vref in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 nach dem Dauertest in Atmosphäre veranschaulichen. In 5 sind die Spannungen Vref, die 10 % und 90 % entsprechen, für Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 dargestellt, wobei der Wert der Spannung Vref unmittelbar vor dem Anstieg als 0 % angenommen wird und der Wert der Spannung Vref nach der Stabilisierung nach dem Anstieg als 100 % angenommen wird. Darüber hinaus wurde in 5 der Wert der vorstehend erwähnten Ansprechzeit für jedes Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 gezeigt, wobei die Ansprechzeit als die Zeit gemessen wurde, die für die Änderung der Spannung Vref von 10% auf 90% erforderlich ist.
Wenn der Controller 96 die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensorelements 101 auf der Grundlage der Spannung Vref der Vref-Erfassungssensorzelle 83 als eine Art der Erfassung der Sauerstoffkonzentration erfasst, kann auf der Grundlage der Spannung Vref bestimmt werden, ob sich das Messgegenstandsgas außerhalb des Sensorelements 101 in einem fetten Zustand oder einem mageren Zustand befindet. Beispielsweise ist ein vorbestimmter Schwellenwert zur Bestimmung, ob sich die Spannung Vref in einem ansteigenden oder abfallenden Zustand befindet, in der Speichereinheit 98 vorgespeichert, und der Controller 96 kann eine erhaltene Spannung Vref auf der Grundlage des Schwellenwerts binarisieren und kann bestimmen, ob sich das Messgegenstandsgas in einem fetten oder mageren Zustand befindet. Auf diese Weise funktioniert der Gassensor 100 nicht nur als NOx-Sensor, sondern auch als Lambda-Sensor (Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor).
Es ist zu beachten, dass die Spannung Vref zusätzlich zu der vorstehend erwähnten elektromotorischen Kraft, die auf der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Umfang der äußeren Spannungselektrode 23s und dem Umfang der Referenzelektrode 42 basiert, auch die thermische elektromotorische Kraft der äußeren Spannungselektrode 23s enthält. Um die Genauigkeit der Erfassung der Sauerstoffkonzentration unter Verwendung der Vref-Erfassungssensorzelle 83 weiter zu verbessern, ist es daher bevorzugt, die thermische elektromotorische Kraft der äußeren Spannungselektrode 23s zu verringern. Beispielsweise kann eine Temperaturschwankung in der äußeren Spannungselektrode 23s vermindert werden, indem die Fläche der äußeren Spannungselektrode 23s so weit wie möglich verkleinert wird, wodurch die thermische elektromotorische Kraft der äußeren Spannungselektrode 23s vermindert werden kann. Die äußere Spannungselektrode 23s kann einen hohen Widerstandswert aufweisen, da die Pumpströme Ip0 bis Ip3 nicht durch sie hindurchfließen, wodurch sie daher in ihrer Fläche leichter zu vermindern ist als die äußere Pumpelektrode 23p. In dieser Ausführungsform wird, wie vorstehend beschrieben, die Fläche der äußeren Spannungselektrode 23s kleiner gestaltet als die Fläche der äußeren Pumpelektrode 23p, so dass die thermische elektromotorische Kraft der äu-ßeren Spannungselektrode 23s relativ klein gestaltet werden kann.
Man beachte, dass die Spannung Vref zusätzlich zu der vorstehend erwähnten elektromotorischen Kraft, die auf der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Umfang der äußeren Spannungselektrode 23s und dem Umfang der Referenzelektrode 42 basiert, und der thermischen elektromotorischen Kraft der äußeren Spannungselektrode 23s den Wert (Spannungsabfall) enthält, der durch Multiplikation des Pumpstroms Ip3 der Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 mit dem Widerstand der Referenzelektrode 42 erhalten wird. Mit anderen Worten, das Referenzpotenzial, d.h. das elektrische Potenzial der Referenzelektrode 42, ändert sich um den Betrag des Spannungsabfalls, der in Abhängigkeit von dem durch die Referenzelektrode 42 fließenden Pumpstrom Ip3 auftritt, und somit ändert sich auch die Spannung Vref. Dies wird beschrieben. 6 ist ein erläuterndes Diagramm, das ein Beispiel für die zeitliche Änderung der Spannung Vp3 zeigt. 7 ist ein erläuterndes Diagramm, das ein Beispiel für die zeitliche Änderung der Spannung Vref zeigt. Wenn die Impulsspannung von 6 über die Referenzelektrode 42 und die äußere Spannungselektrode 23s als Spannung Vp3 angelegt wird, variiert die Spannung Vref über die Referenzelektrode 42 und die äußere Spannungselektrode 23s wie die Wellenform von 7. Insbesondere, wenn die Impulsspannung der Spannung Vp3 eingeschaltet wird, steigt die Spannung Vref allmählich entsprechend an, während, wenn die Impulsspannung der Spannung Vp3 ausgeschaltet wird, fällt die Spannung Vref allmählich entsprechend ab und die Spannung Vref hat einen Minimalwert unmittelbar bevor die Impulsspannung anschließend eingeschaltet wird. Der Grund, warum die Spannung Vref auf diese Weise variiert, ist, dass die Spannung Vref einen Spannungsabfall enthält, der durch den Pumpstrom Ip3 verursacht wird, der durch die Referenzelektrode 42 fließt. Insbesondere wird das Ansteigen und Abfallen des Pumpstroms Ip3 aufgrund der Impulsspannung wie in der Wellenform in 7 wiederholt, so dass die Größe des Spannungsabfalls der Referenzelektrode 42 auch entsprechend dem Pumpstrom Ip3 variiert, und die Spannung Vref variiert wie die Wellenform in 7. In 7 ist der ursprüngliche Wert (die Spannung, die auf der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Umfang der Referenzelektrode 42 und dem Umfang der äußeren Pumpelektrode 23p basiert) der Spannung Vref als Basisspannung Vrefb dargestellt. Die Restspannung DVref, die sich aus der Differenz zwischen der Spannung Vref und der Basisspannung Vrefb ergibt, beinhaltet einen Spannungsabfall an der Referenzelektrode 42. Je kleiner die Restspannung DVref ist, desto geringer ist die Änderung des elektrischen Potenzials der Referenzelektrode 42 aufgrund des Pumpstroms Ip3 und desto geringer ist die Änderung der Spannung Vref, die durch die Änderung des elektrischen Potenzials der Referenzelektrode 42 verursacht wird. Daher erhält der Controller 96 vorzugsweise die Spannung Vref in einer Periode, in der die Spannung Vp3 AUS ist, und bevorzugter erhält er die Spannung Vref zu einem Zeitpunkt, in dem die Restspannung DVref in der AUS-Schaltperiode der Spannung Vp3 so niedrig wie möglich ist. Auf diese Weise kann eine Verringerung der Messgenauigkeit der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensorelements 101, die durch den Pumpstrom Ip3 verursacht wird, verhindert werden, und die Spannung Vref weist einen Wert auf, der mit höherer Genauigkeit der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensorelements 101 entspricht.
Insbesondere kann der Zeitpunkt, an dem die Restspannung DVref so niedrig wie möglich ist, ein beliebiger Zeitpunkt im folgenden Zeitraum sein. Konkret wird zunächst angenommen, dass in einem Zyklus von EIN und AUS der Spannung Vp3 das Maximum des Wertes der Spannung Vref bei 100% und das Minimum bei 0% liegt. Die Periode mit einer niedrigen Restspannung DVref sei die Periode seit dem Absinken der Spannung Vref unter 10% nach dem AUS-Schalten der Spannung Vp3 bis zum Ansteigen der Spannung Vref durch das EIN-Schalten der Spannung Vp3 im nächsten Zyklus. Der Controller 96 erhält die Spannung Vref vorzugsweise zu einem beliebigen Zeitpunkt innerhalb dieser Periode. Bevorzugter erhält der Controller 96 die Spannung Vref zum Zeitpunkt eines Minimums DVrefmin (siehe 7) der Restspannung DVref in einem Zyklus von EIN und AUS der Spannung Vp3. Wenn die Spannung Vref in einer AUS-Periode der Spannung Vp3 stabil ist (bis die Spannung Vp3 anschließend EIN-geschaltet wird), wie in der Wellenform von 7, kann der Controller 96 die Spannung Vref zu einem beliebigen Zeitpunkt in der Periode erhalten, in der die Spannung Vref stabil ist. Auf diese Weise kann der Controller 96 die Spannung Vref zu dem Zeitpunkt abrufen, zu dem die Restspannung DVref das Minimum DVrefmin erreicht. Andererseits, wenn die Spannung Vref in einer AUS-Periode der Spannung Vp3 instabil ist, erreicht die Restspannung DVref das Minimum DVrefmin zu dem Zeitpunkt unmittelbar vor dem nachfolgenden Einschalten in der AUS-Periode der Spannung Vp3, so dass der Controller 96 die Spannung Vref vorzugsweise zu diesem Zeitpunkt erhält. Der Zeitpunkt, zu dem der Controller 96 die Spannung Vref erhält, kann im Voraus durch ein Experiment auf der Grundlage des EIN/AUS-Zyklus der Spannung Vp3 und der Wellenformen der zeitlichen Änderung des Pumpstroms Ip3 und der Spannung Vref, die durch die Spannung Vp3 verursacht wird, bestimmt werden.
Zur Erläuterung sei angemerkt, dass 7 die Wellenform der Spannung Vref zeigt, wenn die Basisspannung Vrefb konstant ist, insbesondere wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas in dem Umfang der äußeren Spannungselektrode 23s konstant ist. Tatsächlich variiert die Basisspannung Vrefb zum Beispiel wie in 5 in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas in dem Umfang der äußeren Spannungselektrode 23s.
Wie die Spannung Vref werden auch die Spannungen V0, V1, V2 durch den Pumpstrom Ip3 beeinflusst. Wie bei der Spannung Vref erhält der Controller 96 daher die Spannungen V0, V1, V2 vorzugsweise in einer AUS-Periode der Spannung Vp3, bevorzugter in der vorgenannten Periode mit einer niedrigen Restspannung DVref, und noch bevorzugter zu einem beliebigen Zeitpunkt in der Periode, in der die Spannung Vref stabil ist, oder zu dem Zeitpunkt unmittelbar vor dem nachfolgenden Einschalten in einer AUS-Periode der Spannung Vp3. Außerdem erhält der Controller 96 wie bei der Spannung Vref die Pumpströme Ip0 bis Ip3 vorzugsweise in einer AUS-Periode der Spannung Vp3, bevorzugter in der vorgenannten Periode mit einer niedrigen Restspannung DVref und noch bevorzugter zu einem beliebigen Zeitpunkt in der Periode, in der die Spannung Vref stabil ist, oder zu dem Zeitpunkt unmittelbar vor dem nachfolgenden Einschalten in einer AUS-Periode der Spannung Vp3. In dieser Ausführungsform erhält der Controller 96 die Spannungen V0, V1, V2, Vref und die Pumpströme Ip0 bis Ip3 zu dem Zeitpunkt unmittelbar vor dem nachfolgenden Einschalten in einer AUS-Periode der Spannung Vp3.
Die Zusammenhänge zwischen den Komponenten dieser Ausführungsform und den Komponenten der vorliegenden Erfindung sollen nun verdeutlicht werden. Die erste Substratschicht 1, die zweite Substratschicht 2, die dritte Substratschicht 3, die erste Festelektrolytschicht 4, die Abstandshalterschicht 5 und die zweite Festelektrolytschicht 6 entsprechen einem Elementkörper gemäß der vorliegenden Erfindung, der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 entsprechen einer Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer, die äußere Pumpelektrode 23p entspricht einer äußeren Pumpelektrode, die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 entsprechen einer Einstellkammer-Pumpzelle, der dritte innere Hohlraum 61 entspricht einer Messkammer, die Messelektrode 44 entspricht einer Messelektrode, die Messpumpzelle 41 entspricht einer Messpumpzelle, der Referenzgas-Einführungsabschnitt 49 entspricht einem Referenzgas-Einführungsabschnitt, die äußere Spannungselektrode 23s entspricht einer äußeren Spannungselektrode, die Referenzelektrode 42 entspricht einer Referenzelektrode und die Vref-Erfassungssensorzelle 83 entspricht einer äußeren Sensorzelle. Darüber hinaus entspricht die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 einer Referenzgas-Einstellpumpzelle und der Controller 96 entspricht einem Einstellkammer-Pumpzellen-Controller, einem Sauerstoffkonzentrationsdetektor und einer Referenzgaseinstelleinheit.
Im Gassensor 100 dieser vorstehend im Einzelnen beschriebenen Ausführungsform sind die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s separat außerhalb des Sensorelements 101 angeordnet. Dementsprechend flie-ßen die Pumpströme Ip0 bis Ip3 nicht durch die äußere Spannungselektrode 23s, so dass die Spannung Vref der Vref-Erfassungssensorzelle 83 keinen Spannungsabfall der äußeren Spannungselektrode 23s aufgrund der Pumpströme Ip0 bis Ip3 enthält. Folglich weist die Spannung Vref einen Wert auf, der mit höherer Genauigkeit der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensorelements 101 entspricht, wodurch die Genauigkeit der Erfassung der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas unter Verwendung der Vref-Erfassungssensorzelle 83 verbessert wird.
Darüber hinaus enthält das Sensorelement 101 eine Referenzgas-Einstellpumpzelle 90, die die äußere Pumpelektrode 23p und die Referenzelektrode 42 aufweist und so konfiguriert ist, dass sie Sauerstoff von dem Umfang der äußeren Pumpelektrode 23p in den Umfang der Referenzelektrode 42 pumpt. Auf diese Weise pumpt die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 Sauerstoff in den Umfang der Referenzelektrode 42, wodurch die Verringerung der Sauerstoffkonzentration des Referenzgases in dem Umfang der Referenzelektrode 42 ergänzt werden kann.
Darüber hinaus veranlasst der Controller 96 die Hauptpumpzelle 21, Sauerstoff aus dem ersten inneren Hohlraum 20 abzupumpen oder Sauerstoff in den ersten inneren Hohlraum 20 zu pumpen, indem er die Hauptpumpzelle 21 so steuert, dass die Sauerstoffkonzentration eine vorbestimmte niedrige Konzentration erreicht. In diesem Fall kann die Richtung des Pumpstroms Ip0, der durch die Hauptpumpzelle 21 fließt, in die umgekehrte Richtung umgeschaltet werden. Da jedoch die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s separat im Sensorelement 101 vorgesehen sind, wird die Spannung Vref nicht durch die für die Änderung des Pumpstroms Ip0 erforderliche Zeit beeinflusst. Wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas zwischen einem hohen Zustand, in dem die Sauerstoffkonzentration höher als eine vorbestimmte niedrige Konzentration ist, und einem niedrigen Zustand umgeschaltet wird, ist es daher unwahrscheinlich, dass die Reaktionsfähigkeit der Spannung Vref abnimmt.
Die vorliegende Erfindung ist in keiner Weise auf die vorstehend genannten Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Ausführungsformen sind möglich, solange sie in den technischen Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung fallen.
Zum Beispiel sind in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die äu-ßere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s nebeneinander in der Vorne-Hinten-Richtung angeordnet, können aber auch nebeneinander in der Links-Rechts-Richtung angeordnet sein. Es ist zu beachten, dass es bevorzugt ist, die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s mit einem gewissen Spalt zueinander angeordnet sind, so dass sich die Spannung Vref nicht aufgrund der Wirkung des in den Umfang der äußeren Pumpelektrode 23p gepumpten Sauerstoffs ändert.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der vierte Diffusionssteuerungsabschnitt 60 als schlitzförmiger Spalt ausgebildet, ist aber nicht darauf beschränkt. Der vierte Diffusionssteuerungsabschnitt 60 kann als poröser Körper (z.B. ein keramischer poröser Körper wie Aluminiumoxid (Al₂O₃)) ausgebildet sein. Beispielsweise kann der vierte Diffusionssteuerungsabschnitt 60, der als poröser Körper ausgebildet ist, die Messelektrode 44 abdecken. In diesem Fall fungiert der Umfang der Messelektrode 44 als eine Messkammer. Mit anderen Worten, der Umfang der Messelektrode 44 weist die gleiche Funktion wie der dritte innere Hohlraum 61 auf.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann der Controller 96 nicht nur die Spannung Vref über der äußeren Spannungselektrode 23s und der Referenzelektrode 42, sondern auch die Spannung über der äußeren Pumpelektrode 23p und der Referenzelektrode 42 erhalten. 8 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Gassensors 200 gemäß einer Modifizierung. Ein Sensorelement 201 des Gassensors 200 enthält eine Vref1-Erfassungssensorzelle 83a und eine Vref2-Erfassungssensorzelle 83b. Die Vref1-Erfassungssensorzelle 83a ist die gleiche Sensorzelle wie die Vref-Erfassungssensorzelle 83 des Sensorelements 101. In der Vref1-Erfassungssensorzelle 83a wird eine Spannung Vref1 zwischen der äu-ßeren Spannungselektrode 23s und der Referenzelektrode 42 erzeugt. Die Vref2-Erfassungssensorzelle 83b ist eine elektrochemische Sensorzelle, enthaltend: die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die äußere Pumpelektrode 23p und die Referenzelektrode 42. In der Vref2-Erfassungssensorzelle 83b wird eine Spannung Vref2 zwischen der äußeren Pumpelektrode 23p und der Referenzelektrode 42 erzeugt. Der Gassensor 200 kann anhand der Differenz zwischen der Spannung Vref1 und der Spannung Vref2 feststellen, ob die äußere Pumpelektrode 23p beschädigt ist. Beispielsweise ermittelt der Controller 96 einen Strom Ip4 (z.B. den Gesamtwert der Pumpströme Ip0 bis Ip3), der durch die äußere Pumpelektrode 23p fließt, die Spannung Vref1 und die Spannung Vref2 zu einem vorbestimmten Verschlechterungsbestimmungszeitpunkt und berechnet die Differenz Da zwischen der Spannung Vref1 und der erhaltenen Spannung Vref2. Als Nächstes berechnet der Controller 96 einen Referenzwert für die Differenz zwischen der Spannung Vref1 und der Spannung Vref2 basierend auf dem erhaltenen Strom Ip4. Der Referenzwert ist ein Wert, der der Differenz zwischen der Spannung Vref1 und der Spannung Vref2 in einem Zustand entspricht, in dem die äußere Pumpelektrode 23p nicht beschädigt ist. Die Differenz zwischen der Spannung Vref1 und der Spannung Vref2 beinhaltet einen Spannungsabfall in der äußeren Pumpelektrode 23p aufgrund des Stroms, der durch die äußeren Pumpelektrode 23p fließt, und der Controller 96 berechnet einen Referenzwert auf der Grundlage des erhaltenen Pumpstroms Ip4. Zum Beispiel werden ein relationaler Ausdruck (z.B. der Ausdruck einer linearen Funktion) und ein Kennfeld, das eine Korrespondenzbeziehung zwischen dem Strom Ip4 und dem Referenzwert darstellt, in der Speichereinheit 98 vorgespeichert, und der Controller 96 berechnet einen Referenzwert unter Verwendung des erhaltenen Stroms Ip4 und der Korrespondenzbeziehung. Es ist zu beachten, dass, wenn die Rate des Stroms Ip0 zum Strom Ip4 (der Gesamtwert der Ströme Ip0 bis Ip3) hoch ist, ein Referenzwert auf der Grundlage des Stroms Ip0 und nicht des Stroms Ip4 berechnet werden kann. Ob die äußere Pumpelektrode 23p beschädigt ist, wird anhand der Abweichung der Differenz Da vom Referenzwert ermittelt (z.B. ob die Differenz zwischen der Differenz Da und dem Referenzwert einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet). Die Pumpströme Ip0 bis Ip3 fließen bei Verwendung des Sensorelements 201 durch die äußere Pumpelektrode 23p, wodurch sich die äußere Pumpelektrode 23p verschlechtert. Selbst wenn der Strom, der durch die äußere Pumpelektrode 23p fließt, der gleiche wie vor der Verschlechterung ist, ist der Spannungsabfall in der äußeren Pumpelektrode 23p aufgrund des Stromflusses größer als vor der Verschlechterung. Daher nimmt die Differenz Da zwischen der Spannung Vref1 und der Spannung Vref2 tendenziell zu, wenn sich die äußere Pumpelektrode 23p verschlechtert. Daher kann der Controller 96 feststellen, ob die äußere Pumpelektrode 23p beschädigt ist, indem er die Differenz Da mit dem vorgenannten Referenzwert vergleicht. Wenn die äußere Pumpelektrode 23p sich verschlechtert, kann die Genauigkeit der Messung der NOx-Konzentration durch eine Änderung der Werte der Pumpströme Ip0 bis Ip3, die durch die jeweiligen Spannungen Vp0 bis Vp3 fließen, verringert werden. Wenn der Controller 96 in der Lage ist, eine Verschlechterung der äußeren Pumpelektrode 23p festzustellen, kann der Controller 96 beispielsweise verhindern, dass die Messgenauigkeit der NOx-Konzentration auf einem niedrigen Niveau bleibt, indem er beispielsweise Fehlerinformationen an eine Motorsteuervorrichtung übermittelt. Es ist zu beachten, dass der Controller 96 nicht nur feststellen kann, ob die äußere Pumpelektrode 23p beschädigt ist, sondern auch den Grad der Beschädigung der äußeren Pumpelektrode 23p basierend auf der Größe der Differenz Da oder basierend auf dem Grad der Abweichung (z.B. der Größe der Differenz zwischen der Differenz Da und dem Referenzwert) zwischen der Differenz Da und dem Referenzwert. Darüber hinaus kann der Controller 96 die Steuerung des Sensorelements 201 so ändern, dass die Auswirkung der Verschlechterung entsprechend dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Verschlechterung oder dem Grad der Verschlechterung der äußeren Pumpelektrode 23p aufgehoben wird. Beispielsweise kann der Controller 96 mindestens einen der vorgenannten Zielwerte V0*, V1*, V2* und Ip1* auf der Grundlage der Differenz Da oder auf der Grundlage der Differenz zwischen der Differenz Da und dem Referenzwert ändern. Alternativ kann der Controller 96 die in den Umfang der Referenzelektrode 42 gepumpte Sauerstoffmenge ändern, indem er die Spannung Vp3 ändert, um den Pumpstrom Ip3 auf der Grundlage der Differenz Da oder auf der Grundlage der Differenz zwischen der Differenz Da und dem Referenzwert zu ändern.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann das Sensorelement 101 die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 nicht enthalten, und der Controller 96 kann die Stromversorgungsschaltung 92 nicht enthalten, so dass das Pumpen von Sauerstoff in den Umfang der Referenzelektrode 42 durch die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 nicht vorgesehen sein kann. Es ist zu beachten, dass, wenn die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 Sauerstoff in den Referenzgas-Einführungsabschnitt 49 pumpt, nicht nur die Pumpströme Ip0 bis Ip2, sondern auch der Pumpstrom Ip3 fließt, so dass eine Elektrode (z.B. die äußere Pumpelektrode 923 in 9), durch die diese Pumpströme Ip0 bis Ip3 fließen, eher beschädigt wird im Vergleich dazu wenn der Pumpstrom Ip3 nicht fließen würde. Daher wird, wenn die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 Sauerstoff pumpt, der Verhinderung einer Verschlechterung der Reaktionsfähigkeit der Spannung Vref durch getrennte Bereitstellung der äußeren Pumpelektrode 23p und der äußeren Spannungselektrode 23s wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform große Bedeutung beigemessen.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform pumpt die Referenzgas-Einstellpumpzelle 90 Sauerstoff aus dem Umfang der äußeren Pumpelektrode 23p in den Umfang der Referenzelektrode 42, kann jedoch Sauerstoff aus dem Umfang der Referenzelektrode 42 herauspumpen.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Elementkörper des Sensorelements 101 ein Schichtkörper mit einer Vielzahl von Festelektrolytschichten (Schichten 1 bis 6), ist aber nicht darauf beschränkt. Der Elementkörper des Sensorelements 101 kann mindestens eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht enthalten und kann im Inneren mit einem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt versehen sein. In 1 können beispielsweise die Schichten 1 bis 5 mit Ausnahme der zweiten Festelektrolytschicht 6 Strukturschichten (z.B. Schichten aus Aluminiumoxid) sein, die aus einem anderen Material als die Festelektrolytschichten bestehen. In diesem Fall können die Elektroden, die das Sensorelement 101 besitzt, in der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet sein. Zum Beispiel kann die Messelektrode 44 in 1 auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet sein. Auch kann der Referenzgas-Einführungsraum 43 in der Abstandshalterschicht 5 statt in der ersten Festelektrolytschicht 4 vorgesehen sein, die Referenzgaseinführungsschicht 48 kann zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Abstandshalterschicht 5 statt zwischen der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3 vorgesehen sein, und die Referenzelektrode 42 kann hinter dem dritten inneren Hohlraum 61 und auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen sein.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform stellt der Controller 96 den Zielwert V0* der Spannung V0 auf der Grundlage des Pumpstroms Ip1 ein (steuert zurück), so dass der Pumpstrom Ip1 den Zielwert Ip1* erreicht, und der Controller 96 steuert die Spannung Vp0 zurück, so dass die Spannung V0 den Zielwert V0* erreicht, kann aber auch eine andere Steuerung durchführen. Beispielsweise kann der Controller 96 die Spannung Vp0 auf der Grundlage des Pumpstroms Ip1 zurücksteuern, so dass der Pumpstrom Ip1 den Zielwert Ip1* erreicht. Mit anderen Worten, der Controller 96 kann die Spannung Vp0 (bzw. den Pumpstrom Ip0) direkt auf der Grundlage des Pumpstroms Ip1 steuern, ohne die Spannung V0 von der V0-Erfassungssensorzelle 80 zu erhalten und den Zielwert V0* einzustellen. Auch in dieser Situation steuert der Controller 96 die Spannung Vp1 zurück, so dass die Spannung V1 den Zielwert V1* erreicht, so dass der Controller 96 die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 stromaufwärts des zweiten inneren Hohlraums 40 bei einer vorbestimmten niedrigen Konzentration unter Verwendung der Hauptpumpzelle 21 steuert, so dass der Pumpstrom Ip1 den Zielwert Ip1* erreicht und die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine vorbestimmte niedrige Konzentration erreicht (eine Sauerstoffkonzentration, die der Spannung V1 entspricht). Daher wird die Richtung des Pumpstroms Ip0 in die umgekehrte Richtung umgeschaltet, wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas zwischen einem hohen Zustand, in dem die Sauerstoffkonzentration höher als eine vorbestimmte niedrige Konzentration ist, und einem niedrigen Zustand umgeschaltet wird, selbst wenn eine Steuerung gemäß einer solchen Modifizierung durchgeführt wird, wie in der Beschreibung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Somit wird, selbst wenn die Steuerung gemäß einer solchen Modifizierung durchgeführt wird, der Effekt des Verhinderns einer verringerten Reaktionsfähigkeit der Spannung Vref wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform durch getrenntes Bereitstellen der äußeren Pumpelektrode 23p und der äußeren Spannungselektrode 23s wie in der Ausführungsform erzielt.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer den ersten inneren Hohlraum 20 und den zweiten inneren Hohlraum 40 auf, ohne hierauf beschränkt zu sein, kann die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer jedoch beispielsweise einen weiteren inneren Hohlraum enthalten, oder einer der ersten inneren Hohlräume 20 und der zweite innere Hohlraum 40 kann weggelassen werden. In ähnlicher Weise weist die Einstellpumpzelle in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 auf, jedoch kann die Einstellpumpzelle, ohne hierauf beschränkt zu sein, beispielsweise eine weitere Pumpzelle enthalten, und eine der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 kann weggelassen werden. Wenn beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas nur durch die Hauptpumpzelle 21 ausreichend auf eine niedrige Sauerstoffkonzentration vermindert werden kann, kann die Hilfspumpzelle 50 weggelassen werden. Wenn die Hilfspumpzelle 50 weggelassen wird, kann der Controller 96 die vorstehend erwähnte Einstellung des Zielwerts V0* auf der Grundlage des Pumpstroms Ip1 unterlassen. Insbesondere wird ein vorbestimmter Zielwert V0* in der Speichereinheit 98 vorgespeichert, und der Controller 96 kann die Hauptpumpzelle 21 durch Rückkopplungssteuerung der Spannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 so steuern, dass die Spannung V0 den Zielwert V0* erreicht.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erfasst der Gassensor 100 die NOx-Konzentration als spezielle Gaskonzentration, jedoch kann, ohne darauf beschränkt zu sein, auch eine andere Oxidkonzentration als spezielle Gaskonzentration verwendet werden. In dem Fall, in dem das spezielle Gas ein Oxid ist, wird bei der Reduktion des speziellen Gases selbst in dem dritten inneren Hohlraum 61 Sauerstoff erzeugt, wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, so dass der Controller 96 eine spezielle Gaskonzentration auf der Grundlage des Erfassungswertes entsprechend dem Sauerstoff erfassen kann. Alternativ kann es sich bei dem speziellen Gas auch um ein Nicht-Oxid wie z.B. Ammoniak handeln. In dem Fall, in dem das spezielle Gas ein Nicht-Oxid ist, wenn das spezielle Gas in ein Oxid umgewandelt wird (z.B. Ammoniak wird oxidiert und in NO umgewandelt), zum Beispiel in dem ersten inneren Hohlraum 20, und das umgewandelte Oxid in dem dritten inneren Hohlraum 61 reduziert wird, wird Sauerstoff erzeugt, so dass der Controller 96 einen Erfassungswert entsprechend dem Sauerstoff erhalten und eine spezielle Gaskonzentration erfassen kann. Auf diese Weise kann der Gassensor 100 unabhängig davon, ob es sich bei dem speziellen Gas um ein Oxid oder ein Nicht-Oxid handelt, eine spezielle Gaskonzentration auf der Grundlage des aus dem speziellen Gas in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugten Sauerstoffs erfassen.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s zur Außenseite des Sensorelements 101 hin freiliegend, was jedoch nicht darauf beschränkt ist. Wie in 10 dargestellt, kann die äußere Pumpelektrode 23p beispielsweise von einer Diffusionsschicht 26 bedeckt sein. Die Diffusionsschicht 26 ist auf der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet, um die gesamte äußere Pumpelektrode 23p zu bedecken. Die Diffusionsschicht 26 bedeckt nicht die äußere Spannungselektrode 23s, die an der Außenseite des Sensorelements 101 freiliegt. Die Diffusionsschicht 26 ist als poröser Körper ausgebildet (z.B. ein keramischer poröser Körper wie Aluminiumoxid (Al₂O₃)) und fügt dem Messgegenstandsgas, das die äußere Pumpelektrode 23p von der Außenseite des Sensorelements 101 erreicht, einen Diffusionswiderstand hinzu. Eine Verschlechterung der Messgenauigkeit der NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas kann durch die Abdeckung der äußeren Pumpelektrode 23p mit der Diffusionsschicht 26 verhindert werden. Der Grund dafür ist wahrscheinlich der Folgende. Erstens enthält die äußere Pumpelektrode 23p, wie vorstehend beschrieben, ein Edelmetall mit katalytischer Aktivität, so dass die Reduktion von NOx im Messgegenstandsgas in dem Umfang der äußeren Pumpelektrode 23p stattfinden kann. Insbesondere wenn sich das Messgegenstandsgas in einer fetten Atmosphäre befindet (auch in einer leicht fetten Atmosphäre) oder ein theoretisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis (stöchiometrisches Verhältnis) aufweist, steuert der Controller 96 die Hauptpumpzelle 21, um Sauerstoff in den ersten inneren Hohlraum 20 zu pumpen, wodurch die Sauerstoffkonzentration in dem Umfang der äußeren Pumpelektrode 23p verringert wird, um eine reduzierende Atmosphäre zu erzeugen, und die NOx-Reduktion wahrscheinlich in dem Umfang der äußeren Pumpelektrode 23p stattfindet. Wenn die NOx-Reduktion in dem Umfang der äußeren Pumpelektrode 23p auftritt, wird das Messgegenstandsgas mit einer verringerten NOx-Konzentration durch den Gaseinlass 10 in den Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt des Sensorelements 101 eingeleitet, und die Messgenauigkeit der NOx-Konzentration kann verringert werden. An diesem Punkt, wenn die äußere Pumpelektrode 23p von der Diffusionsschicht 26 bedeckt ist, ist es für das Messgegenstandsgas schwierig, den Umfang der äußeren Pumpelektrode 23p zu erreichen, so dass die Menge an NOx, die pro Zeiteinheit in dem Umfang der äußeren Pumpelektrode 23p reduziert wird, verringert wird. Da die äußere Pumpelektrode 23p von der Diffusionsschicht 26 bedeckt ist, wird außerdem die Menge des Messgegenstandsgases, das einen Weg von der Ankunft zum Umfang der äußeren Pumpelektrode 23 zum Gaseinlass 10 zurücklegt, verringert. Dadurch wird die bereits erwähnte Abnahme der Messgenauigkeit der NOx-Konzentration aufgrund der NOx-Reduktion in dem Umfang der äußeren Pumpelektrode 23p verhindert. Da die äußere Spannungselektrode 23s dagegen nicht von der Diffusionsschicht 26 bedeckt ist, ist es wahrscheinlicher, dass das Messgegenstandsgas außerhalb des Sensorelements 101 die äußere Pumpelektrode 23p erreicht, als wenn die äußere Spannungselektrode 23s von der Diffusionsschicht 26 bedeckt ist. Daher wird eine Verringerung der Reaktionsfähigkeit der Spannung Vref im Vergleich zu der Situation, in der die äußere Spannungselektrode 23s von der Diffusionsschicht 26 bedeckt ist, verhindert. Wie vorstehend beschrieben, ist die äußere Spannungselektrode 23s flächenmäßig kleiner als die äußere Pumpelektrode 23p, es fließt kein Strom durch die äußere Spannungselektrode 23s, und es wird kein Sauerstoff aus dem Umfang der äußeren Spannungselektrode 23s in den Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt gepumpt, so dass eine NOx-Reduktion im Umfang der äußeren Spannungselektrode 23s unwahrscheinlich ist. Selbst wenn die äußere Spannungselektrode 23s nicht von der Diffusionsschicht 26 bedeckt ist, ist es daher unwahrscheinlich, dass eine NOx-Reduktion stattfindet.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform enthalten die äußere Pumpelektrode 23p und die äußere Spannungselektrode 23s jeweils ein Edelmetall mit katalytischer Aktivität, jedoch kann die äußere Pumpelektrode 23p weiterhin ein Edelmetall (z.B. Au) mit einer Fähigkeit zur Hemmung der katalytischen Aktivität enthalten, um die katalytische Aktivität zu hemmen. Die NOx-Reduktion kann in dem Umfang der äußeren Pumpelektrode 23p verhindert werden, indem ein Edelmetall mit einer Fähigkeit zur Hemmung der katalytischen Aktivität in der äußeren Pumpelektrode 23p enthalten ist, wodurch die vorstehend erwähnte Abnahme der Messgenauigkeit der NOx-Konzentration aufgrund der NOx-Reduktion verhindert wird. Obwohl ein Edelmetall mit einer Fähigkeit zur Hemmung der katalytischen Aktivität in der äußeren Spannungselektrode 23s enthalten sein kann, ist es bevorzugt, dass kein Edelmetall mit einer Fähigkeit zur Hemmung der katalytischen Aktivität in der äußeren Spannungselektrode 23s enthalten ist, da in diesem Fall eine Abnahme der Reaktionsfähigkeit der Spannung Vref verhindert wird. Die Erfinder haben dies durch Experimente und Analysen überprüft. Ein Edelmetall mit der Fähigkeit zur Hemmung der katalytischen Aktivität kann in der äußeren Pumpelektrode 23p enthalten sein und die äußere Pumpelektrode 23p kann von der in 10 dargestellten Diffusionsschicht 26 bedeckt sein.
Die vorliegende Anmeldung genießt die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2021-059122 , die am 31. März 2021 eingereicht wurde, deren gesamter Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist auf einen Gassensor anwendbar, der die Konzentration eines bestimmten Gases, wie NOx, in einem Messgegenstandsgas, wie dem Abgas eines Kraftfahrzeugs, erfasst.
Bezugszeichenliste

1: erste Substratschicht,
2: zweite Substratschicht,
3: dritte Substratschicht,
4: erste Festelektrolytschicht,
5: Abstandshalterschicht,
6: zweite Festelektrolytschicht,
10: Gaseinlass,
11: erster Diffusionssteuerungsabschnitt,
12: Pufferraum,
13: zweiter Diffusionssteuerungsabschnitt,
20: erster innerer Hohlraum,
21: Hauptpumpzelle,
22: innere Pumpelektrode,
22a: Deckenelektrodenabschnitt,
22b: Bodenelektrodenabschnitt,
23p: äußere Pumpelektrode,
23s: äußere Spannungselektrode,
24: variable Stromversorgung,
26: Diffusionsschicht,
30: dritter Diffusionssteuerungsabschnitt,
40: zweiter innerer Hohlraum,
41: Messpumpzelle,
42: Referenzelektrode,
43: Referenzgas-Einführungsraum,
44: Messelektrode,
46: variable Stromversorgung,
47: Referenzelektrodenleitung,
48: Referenzgaseinführungsschicht,
49: Referenzgas-Einführungsabschnitt,
50: Hilfspumpzelle,
51: Hilfspumpelektrode,
51a: Deckenelektrodenabschnitt,
51b: Bodenelektrodenabschnitt,
52: variable Stromversorgung,
60: vierter Diffusionssteuerungsabschnitt,
61: dritter innerer Hohlraum,
70: Heizerabschnitt,
71: Heizer-Verbindungselektrode,
72: Heizer,
73: Durchgangsloch,
74: Heizer-Isolierschicht,
75: Druckdiffusionsloch,
78: Heizer-Stromversorgung,
80: V0-Erfassungssensorzelle,
81: V1-Erfassungssensorzelle,
82: V2-Erfassungssensorzelle,
83: Vref-Erfassungssensorzelle,
83a: Vref1-Erfassungssensorzelle,
83b: Vref2-Erfassungssensorzelle,
90: Referenzgas-Einstellpumpzelle,
92: Stromversorgungsschaltung,
95: Steuervorrichtung,
96: Controller,
97: CPU,
98: Speichereinheit,
100 bis 200: Gassensor,
101 bis 201: Sensorelement,
900: Gassensor,
901: Sensorelement,
911 bis 916: Festelektrolytschicht,
920: erster innerer Hohlraum,
921: Hauptpumpzelle,
922: innere Pumpelektrode,
923: äußere Pumpelektrode,
940: zweiter innerer Hohlraum,
941: Messpumpzelle,
942: Referenzelektrode,
944: Messelektrode,
951: Hilfspumpelektrode,
961: dritter innerer Hohlraum,
982: Messpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle,
983: Vref-Erfassungssensorzelle,
990: Referenzgas-Einstellpumpzelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2020004356 A1 [0004]
JP 2021059122 [0096]

Claims

Sensorelement zum Erfassen einer speziellen Gaskonzentration in einem Messgegenstandsgas, wobei das Sensorelement umfasst: einen Elementkörper, der eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht enthält und im Inneren mit einem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt versehen ist, der ein Messgegenstandsgas einleitet und bewirkt, dass das Messgegenstandsgas durch ihn hindurchströmt; eine Einstellkammer-Pumpzelle mit einer Einstellelektrode, die in einer Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer des Messgegenstandsgas-strömungsabschnitts angeordnet ist, und einer äußeren Pumpelektrode, die außerhalb des Elementkörpers angeordnet ist, wobei die Einstellkammer-Pumpzelle so konfiguriert ist, dass sie Sauerstoff aus der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer abpumpt oder Sauerstoff in die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer pumpt; eine Messpumpzelle mit einer Messelektrode, die in einer Messkammer angeordnet ist, die stromabwärts der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts vorgesehen ist, und der äußeren Pumpelektrode, wobei die Messpumpzelle so konfiguriert ist, dass sie aus dem speziellen Gas in der Messkammer erzeugten Sauerstoff abpumpt; einen Referenzgas-Einführungsabschnitt, der innerhalb des Elementkörpers angeordnet ist, wobei der Referenzgas-Einführungsabschnitt so konfiguriert ist, dass er ein Referenzgas einführt, das als Referenz zum Erfassen einer speziellen Gaskonzentration in dem Messgegenstandsgas dient; und eine äußere Sensorzelle mit einer äußeren Spannungselektrode, die außerhalb des Elementkörpers angeordnet ist, und einer Referenzelektrode, die innerhalb des Elementkörpers so angeordnet ist, dass sie mit dem in den Referenzgas-Einführungsabschnitt eingeführten Referenzgas in Kontakt ist, wobei die äußere Sensorzelle so konfiguriert ist, dass sie eine Spannung auf der Grundlage einer Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Elementkörpers erzeugt.
Sensorelement nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Referenzgas-Einstellpumpzelle mit der äußeren Pumpelektrode und der Referenzelektrode, wobei die Referenzgas-Einstellpumpzelle so konfiguriert ist, dass sie Sauerstoff von einem Umfang der äußeren Pumpelektrode in einen Umfang der Referenzelektrode pumpt.
Gassensor, umfassend: das Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2; einen Einstellkammer-Pumpzellen-Controller, der die Einstellkammer-Pumpzelle veranlasst, Sauerstoff aus der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer herauszupumpen oder Sauerstoff in die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer hineinzupumpen, indem er die Einstellkammer-Pumpzelle so steuert, dass eine Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer eine vorbestimmte niedrige Konzentration erreicht; und einen Sauerstoffkonzentrationsdetektor, der eine Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Elementkörpers auf der Grundlage der Spannung der äußeren Sensorzelle erfasst.