DE19955125A1 - Gassensor und Verfahren zur Messung der Konzentration eines bestimmten Gases - Google Patents

Abstract

Ein Gassensor (1, 1') weist eine Probengaskammer (15, 17), in die ein Meßgas eingeleitet wird, und eine Bezugsgaskammer (16) auf, in die ein Bezugsgas eingeleitet wird. Eine Sensorzelle (3) ermittelt die Konzentration eines bestimmten Gases in der Probengaskammer. Eine Sauerstoffpumpzelle (2) pumpt Sauerstoffgas aus oder in die Probengaskammer. Ein Einleitungsdurchgang (100) schließt mindestens ein feines Loch ein, das auf der Oberfläche der Sauerstoffpumpzelle angeordnet ist, um das Meßgas in die probengaskammer einzuleiten. Die Oberfläche der Sauerstoffpumpzelle (2) liegt der Oberseite des Gassensors gegenüber bzw. ist ihr zugewandt. Eine poröse Diffusionswiderstandsschicht (10) ist so auf der Oberfläche der Sauerstoffpumpzelle angeordnet, daß sie den Bereich, der dem Einleitungsdurchgang (100) entspricht, bedeckt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gassensor, der in einer Gassensorvorrichtung verwendet wird, die in das Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors eines Automobils eingebaut werden kann, um einen bestimmten Gasbestandteil, wie die Konzentra­ tion eines NOx-Gases, das in dem Auspuffgas bzw. dem Abgas enthalten ist, zu ermitteln, oder sie bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung zur Ermittlung des Luft-Brennstoff-Ver­ hältnisses, die in einem System zur Überwachung des Luft- Brennstoff-Verhältnisses (L/B-Verhältnis) des Verbrennungs­ motors eingebaut ist, oder sie bezieht sich auf eine Sensor­ vorrichtung zur Ermittlung der Konzentration eines Sauer­ stoffgases.

Automobile stoßen schädliche Abgase, wie NOx, HC, CO, aus, die zu einer ernstzunehmenden Umweltverschmutzung führen. Heutzutage stellt das Phänomen der globalen Erwärmung der Erdatmosphäre, das durch CO₂ verursacht wird, ein großes soziales Problem dar, das gelöst werden muß.

Um die Luftverschmutzung zu verhindern, wurden in Hinblick auf eine deutliche Verringerung der aus Automobilen ausge­ stoßenen schädlichen Abgase und auch in Hinblick auf die Ermittlung schlechter Katalysatoren, die zur Reinigung der Abgase nicht taugen, strenge gesetzliche Regelungen er­ lassen.

Wirksame Maßnahmen zur Beendigung der globalen Erwärmung schließen eine Verringerung des CO₂-Ausstoßes, eine Ein­ schränkung beim Brennstoffverbrauch und Steuervergünstigun­ gen ein.

Für die Automobilbranche stellen die Verringerung schäd­ licher Emissionen und Verbesserungen beim Brennstoffver­ brauch Hauptziele dar, die erreicht werden müssen, um den Anforderungen einer modernen Gesellschaft gerecht zu werden.

Um diesen Ansprüchen zu genügen, wurden Magerverbrennungs­ motoren, einschließlich von Direkteinspritz-Motoren (in denen der Brennstoff direkt in die Verbrennungskammer ein­ gespritzt wird) als zukunftsträchtige Motoren mit der Fähig­ keit zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Brennstoff­ verbrauchs der Benzinmotoren entwickelt.

Die Magerverbrennungstechniken sind dadurch gekennzeichnet, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis (L/B-Verhältnis) so ein­ gestellt wird, daß es sich im Vergleich mit dem stöchio­ metrischen (oder theoretischen) Wert, d. h. 14,7, der üb­ lichen Motoren auf einem höheren Niveau bewegt. Im allgemei­ nen vergrößert eine Verschiebung des Luft-Brennstoff-Ver­ hältnisses hin zu einem höheren Niveau die NOx-Menge, die in dem Abgas enthalten ist. Die herkömmlichen Drei-Wege-Kataly­ satoren wurden hauptsächlich entwickelt, um die stöchio­ metrischen Abgase zu reinigen. Somit ist es notwendig, ein neues Abgasreinigungssystem zu entwickeln, das wirkungsvoll für die fortgeschrittene Magerverbrennungstechniken ein­ gesetzt werden kann.

Mittlererweile gibt es fortgeschrittene Dieselmotoren, die elektronisch gesteuert werden. Eine Verringerung des NOx- Gases ist auch für Dieselmotoren wichtig. In dieser Hinsicht ist die Entwicklung von sogenannten DeNOx-Katalysator- Systemen für die fortgeschrittenen Dieselmotoren unabding­ bar.

Um auf NOx-Katalysatoren beruhende Reinigungssysteme zu ent­ wickeln, ist es wichtig, das Reinigungsverhältnis des NOx-Katalysators genau zu regulieren oder Verschlechterungen des NOx-Katalysators zu überwachen. Um diese Ziele zu reali­ sieren, ist es erwünscht, daß die NOx-Gaskonzentration des Abgases direkt ermittelt wird.

Die Ungeprüfte Japanische Patentschrift Nr. 64-39545 (= Nr. 1-39545) offenbart einen Gassensor, der geeignet ist, die NOx-Gaskonzentration des Abgases direkt zu ermitteln. Dieser herkömmliche Gassensor umfaßt zwei Gruppen von Zellen, wobei jede aus einer Sauerstoffpumpzelle und einer Sensorzelle besteht. Jede Sauerstoffpumpzelle schließt Elektroden ein, die auf entgegengesetzten Seiten eines Fest­ elektrolytelements, das zwischen einer Probengaskammer und einem Abgasdurchgang angeordnet ist, aufgebracht sind. Jede Sensorzelle schließt Elektroden ein, die auf entgegenge­ setzten Seiten eines Festelektrolytelements, das zwischen der Probengaskammer und einer Bezugsgaskammer angeordnet ist, aufgebracht sind. Das Abgas wird mittels einer Ein­ leitungsöffnung in die Probengaskammer eingeleitet. Die Konzentration des NOx-Gases kann durch Messen des Unter­ schieds der Stromwerte der Sensorzellen ermittelt werden.

Die Fig. 9A und 9B sind Ansichten, die einen weiteren her­ kömmlichen Gassensor (der zum Beispiel in der Ungeprüften Japanischen Patentschrift Nr. 8-271476 offenbart ist) zei­ gen. Ein Gassensor 9 umfaßt zwei Festelektrolytelemente 901 und 902, zwischen denen ein Abstandselement angeordnet ist. Eine Probengaskammer ist in dem Abstandselement gebildet. Die Probengaskammer besteht aus einer ersten Kammer 903 und einer zweiten Kammer 904.

Das Probengas wird über einen Einleitungsdurchgang 905 in die erste Kammer 903 eingeleitet. Eine Sauerstoffsensor­ zelle 91 ermittelt die Konzentration des Sauerstoffgases in der ersten Kammer 903. Die Steuerspannung der ersten Sauer­ stoffpumpzelle 92 wird mittels Rückkopplung so eingestellt, daß die ermittelte Konzentration des Sauerstoffgases an einen vorgegebenen Wert angepaßt wird.

Die Sauerstoffsensorzelle 91 schließt die beiden Elektro­ den 911 und 912 ein, die auf der Oberfläche eines Fest­ elektrolytelements 902 angeordnet sind. Die Elektrode 911 ist in dem Lufteinleitungsdurchgang 907 der Luft ausgesetzt, und die andere Elektrode 912 ist dem Gas in der ersten Kammer 903 ausgesetzt. Die erste Sauerstoffpumpzelle 92 um­ faßt die beiden Elektroden 921 und 922, die auf entgegen­ gesetzten Oberflächen des Festelektrolytelements 901 auf­ gebracht sind. Die Elektrode 921 ist dem Probengas ausge­ setzt, und die andere Elektrode 922 ist dem Gas in der ersten Kammer 903 ausgesetzt.

Die zweite Kammer 904 steht über einen Durchgang 906 in Ver­ bindung mit der ersten Kammer 903. Eine zweite Sauerstoff­ pumpzelle 93 wird in der zweiten Kammer 904 bereitgestellt, um das Sauerstoffgas aus der zweiten Kammer 904 zu ent­ fernen. Die zweite Sauerstoffpumpzelle 93 umfaßt die beiden Elektroden 911 und 932, die auf der Oberfläche des Fest­ elektrolytelements 902 angeordnet sind. Die Elektrode 932, die NOx-Desoxidationseigenschaften aufweist, wird in der zweiten Kammer 904 dem Gas ausgesetzt.

In der zweiten Kammer 904 wird das in dem Abgas enthaltene NOx desoxidiert und zersetzt, um neues Sauerstoffgas zu er­ zeugen. Der Pumpstrom, der durch die zweite Sauerstoffpump­ zelle 93 fließt, nimmt als Reaktion auf das erzeugte Sauer­ stoffgas ab oder zu.

Das Sauerstoffgas, das in dem Probengas enthalten ist, das von der ersten Kammer 903 in die zweite Kammer 904 diffun­ diert, weist eine konstante Konzentration auf. Aufgrund dieser Tatsache wird angenommen, daß die Zu- oder Abnahme des Pumpstroms von der Desoxidation des NOx abhängt. Anders ausgedrückt kann die Konzentration des NOx-Gases durch die Messung des Pumpstromes ermittelt werden.

Der Einleitungsdurchgang des vorstehend beschriebenen Gas­ sensors ist ein Nadelstichloch bzw. ein feines Loch, das üblicherweise mittels mechanischer bzw. maschineller Bear­ beitung gebildet wird. Das feine Loch wird durch die Erzeu­ gung eines Durchgangslochs, das sich vertikal durch eine Schicht erstreckt, die als Festelektrolytelement dient, ge­ bildet.

Die Gasmenge, die durch das feine Loch diffundiert, ist von der Umgebungstemperatur T abhängig. Üblicherweise ist die Gasdiffusionsmenge proportional zu T^1,75, wenn das feine Loch mittels maschineller Bearbeitung hergestellt wird.

Aus diesem Grund weist der Ausgangsstrom des Sensors eine Temperaturabhängigkeit auf. Wenn sich die Temperatur des Abgases stark ändert, führt dies zu einem deutlichen Meß­ fehler.

Dies ist ein übliches Problem, das bei Gassensoren auftritt, die zur Ermittlung der Konzentration bestimmter Gasbestand­ teile, wie O₂, HC und CO, die in dem Probengas auftreten, verwendet werden.

Angesichts der vorstehenden Probleme, die im Stand der Technik auftreten, besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung eines Gassensors, der zur Beseitigung von Meßfehlern unter schwierigen Bedingungen, bei denen sich die Temperatur des Probengases stark ändert, geeignet ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereit­ stellung eines Verfahrens zur Messung der Konzentration eines bestimmten Gases, als auch der Konzentration des Sauerstoffgases eines Probengases mittels eines Sensors mit einer vereinfachten Struktur.

Um diese und andere Aufgaben zu lösen, stellt die Erfindung einen Gassensor zur Verfügung, der eine Probengaskammer, in die ein Probengas eingeleitet wird, eine Bezugsgaskammer, in die ein Bezugsgas eingeleitet wird, eine Sensorzelle, die sowohl in der Probengaskammer als auch der Bezugsgaskammer liegt, zur Ermittlung der Konzentration eines bestimmten Gases, das in dem Probengas enthalten ist, eine Sauerstoff­ pumpzelle, die in der Probengaskammer liegt, um Sauerstoff­ gas aus oder in die Probengaskammer zu pumpen, und einen Einleitungsdurchgang, der mindestens ein feines Loch ein­ schließt, das sich auf der äußeren Fläche der Sauerstoff­ pumpzelle befindet, um das Probengas in die Probengaskammer einzuleiten, umfaßt. Die Oberseite bzw. äußere Fläche der Sauerstoffpumpzelle ist der Oberseite bzw. äußeren Fläche des Gassensors gegenüberliegend angeordnet bzw. zugewandt. Eine poröse Diffusionswiderstandsschicht ist so auf der äußeren Fläche der Sauerstoffpumpzelle angeordnet, das sie den Bereich bedeckt, der dem Einleitungsdurchgang ent­ spricht.

Der Gassensor der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Einleitungsdurchgang, der von dem feinen Loch gebildet wird, auf der Oberfläche der Sauerstoffpumpzelle angeordnet ist, und der Eingang des Einleitungsdurchgangs von der porösen Diffusionswiderstandsschicht bedeckt wird. Die Ober­ fläche der Sauerstoffpumpzelle ist der äußeren Fläche des Gassensors direkt oder indirekt gegenüberliegend angeordnet. Das Probengas, z. B. das Abgas, wird von außen über den Ein­ leitungsdurchgang in die Probengaskammer in dem Gassensor eingeleitet.

Der Einleitungsdurchgang kann ein feines Loch (Durchgangs­ loch) mit einem kreisförmigen oder mehreckigen Querschnitt sein. Es ist möglich, mehrere Einleitungsdurchgänge zur Ver­ fügung zu stellen.

Die poröse Diffusionswiderstandsschicht kann auf einem be­ grenzten Oberflächenbereich des Festelektrolytelements auf­ gebracht sein. In diesem Fall schließt der begrenzte Ober­ flächenbereich die Oberfläche der Sauerstoffpumpzelle ein. Oder aber es ist möglich, die gesamte Oberfläche des Fest­ elektrolytelements mit der porösen Diffusionswiderstands­ schicht zu bedecken.

Es ist bevorzugt, eine Abfangschicht, die die Oberfläche der porösen Diffusionswiderstandsschicht bedeckt, zur Verfügung zu stellen. Die Abfangschicht fungiert als Einrichtung zum Abfangen giftiger Substanzen in dem Probengas, wodurch die giftigen Substanzen an einem Erreichen der porösen Diffu­ sionswiderstandsschicht gehindert wurden. Desweiteren ist es möglich, wenn der Gassensor der Erfindung zur Messung eines bestimmten Gasbestandteils verwendet wird, der in einem Ab­ gas eingeschlossen ist, das von Motoren ausgestoßen wird, eine katalytische Schicht zur Verfügung zu stellen, um die unverbrannten Gase in dem Abgas ins Gleichgewicht zu bringen.

Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen schließt die Sauer­ stoffpumpzelle eine innengelegene bzw. innere Pumpelektrode und eine außengelegene bzw. äußere Pumpelektrode ein, die auf der entgegengesetzten Oberfläche des Festelektrolyt­ elements angeordnet ist. In diesem Fall liegt die innere Pumpelektrode der Probengaskammer gegenüber bzw. ist ihr zu­ gewandt und die äußere Pumpelektrode liegt der äußeren Fläche des Gassensors gegenüber bzw. ist ihr zugewandt. Der Einleitungsdurchgang befindet sich auf der äußeren Pump­ elektrode.

Der Gassensor der Erfindung funktioniert auf die nachstehend beschriebene Weise.

Zunächst dringt das Probengas in die poröse Diffusionswider­ standsschicht ein oder passiert sie, bevor es den Einlaß des Einleitungsdurchgangs erreicht. Anschließend wird das Probengas über den Einleitungsdurchgang in die Probengas­ kammer eingeleitet.

Die Diffusion des Probengases in die poröse Diffusionswider­ standsschicht schließt sowohl eine Knudsen-Diffusion als auch eine molekulare Diffusion ein. Somit ist die verur­ sachte Diffusion weniger temperaturabhängig. Die Diffusions­ menge des in die Probengaskammer eingeleiteten Probengases ist im wesentlichen konstant, ungeachtet der Höhe (oder der Zunahme oder der Abnahme) der Temperatur.

Die Sauerstoffpumpzelle der Erfindung fungiert als Ein­ richtung zum Auspumpen von Sauerstoffgases aus der Proben­ gaskammer, um die Konzentration in der Probengaskammer auf einen konstanten Wert einzustellen, oder als Einrichtung zum Entfernen des Sauerstoffgases aus der Probengaskammer.

Die Sensorzelle ist zur Desoxidierung eines bestimmten Gas­ bestandteils (z. B. NOx-Gas) in der Probengaskammer geeignet. Sauerstoffionen werden aufgrund dieser Desoxidationsfunktion von dem bestimmten Gas abgetrennt. Die erzeugten Sauerstoff­ ionen erzeugen einen Ionenstrom. Durch die Messung dieses Ionenstroms wird es möglich, einen Ausgangsstrom zu er­ halten, der auf die Menge des bestimmten Probengases in der Probengaskammer reagiert bzw. anspricht.

Gemäß dem Gassensor der Erfindung ist die Diffusionsmenge des Probengases weniger temperaturabhängig. Somit wird eine konstante Menge des Probengases in die Probengaskammer ein­ geleitet, ungeachtet der Höhe der Temperatur. Die gemessene Konzentration des bestimmten Gases in der Probengaskammer ist der tatsächlichen Konzentration des bestimmten Gases des Meßgases proportional, ungeachtet hoher und tiefer Tempera­ turen. Somit stellt die Erfindung einen Gassensor mit einer kleinen oder vernachlässigbaren Temperaturabhängigkeit der Meßgenauigkeit zur Verfügung. Deshalb kann der Gassensor der Erfindung bevorzugt unter schwierigen Bedingungen verwendet werden, bei denen die Meßtemperatur des Gases in breitem Um­ fang schwankt.

Desweiteren wird der Einleitungsdurchgang in dem Bereich zur Verfügung gestellt, der der Sauerstoffpumpzelle entspricht. Dies ist insofern vorteilhaft, als daß die Sauerstoffpump­ zelle das Sauerstoffgas, unmittelbar nachdem das Probengas in die Probengaskammer eingeleitet wird, wirkungsvoll aus oder in die Probengaskammer pumpen (entfernen oder ein­ leiten) kann. Somit wird es möglich, das Sauerstoffgas auf sichere Weise aus dem Probengas zu pumpen, bevor das Proben­ gas die Sensorzelle erreicht. Auf diese Weise kann der schädliche Einfluß der Sauerstoffgaskonzentration auf den Ausgangsstrom des Gassensors auf sichere Weise beseitigt werden.

Es ist bevorzugt, daß die Sauerstoffpumpzelle eine äußere Pumpelektrode umfaßt, die auf ihrer äußeren Fläche ange­ ordnet ist, und die Beziehung A/B ≦ 0,5 gilt, wenn "A" den Abstand einer zentral gelegenen Position des Einleitungs­ durchgangs von der Vorderkante der äußeren Pumpelektrode und "B" die Länge der äußeren Pumpelektrode darstellt. Mit dieser Anordnung kann die Sauerstoffpumpzelle eine erhöhte und ausreichende Sauerstoffgas-Entnahme-Funktion aufweisen. Anders ausgedrückt kann ein Offset-Strom (d. h. der Strom, der erhalten wird, wenn kein bestimmtes Gas in dem Probengas enthalten ist) stabilisiert werden.

Wenn das Verhältnis A/B größer als 0,5 ist, kann das Sauer­ stoffgas in der Probengaskammer nicht in ausreichendem Maß von der Sauerstoffpumpzelle entfernt werden. Wenn das Probengas, das überschüssiges oder verbliebenes Sauerstoff­ gas enthält, die Sensorzelle erreicht, schließt der ge­ messene Sensorstrom einen Fehleranteil ein, der dem über­ schüssigen oder verbliebenen Sauerstoffgas entspricht. Anders ausgedrückt weicht der Offset-Strom vom wahren Wert ab. Somit kann der Ausgabewert des Sensors eine Abhängigkeit von der Konzentration des Sauerstoffgases aufweisen.

Der Minimalwert des Verhältnisses A/B beträgt Null. Wenn das Verhältnis A/B Null ist, liegt der Einleitungsdurchgang am Anfang der äußeren Pumpelektrode. In diesem Fall ist die Sensorzelle weit weg von dem Einleitungsdurchgang und auf der gleichen Seite wie das andere (d. h. das rückwärtige) Ende der äußeren Pumpelektrode angeordnet.

Die zentral gelegene Position des Einleitungsdurchganges ist das geometrische Zentrum oder ein Flächenmittelpunkt des Querschnitts des Einleitungsdurchganges. Wenn mehrere Ein­ leitungsdurchgänge bereitgestellt werden, ist der Abstand "A" so definiert, daß er sich auf die zentral gelegene Position des vom Anfang der Pumpelektrode am weitesten entfernten Einleitungsdurchganges bezieht.

Die Länge der äußeren Pumpelektrode ist der Abstand von ihrem Anfang zu ihrem rückwärtigen Ende.

Bevorzugt weist der Einleitungsdurchgang eine Gesamtquer­ schnittsfläche in einem Bereich von 0,02 bis 0,8 mm² auf.

Wenn die Gesamtquerschnittsfläche nicht größer als 0,02 mm² ist, ist der Einleitungsdurchgang zu klein, um das feine Loch in dem Herstellungsverfahren des Gassensors genau zu erzeugen. Desweiteren ist der erhältliche Ausgangsstrom der Sensorvorrichtung zu klein, um den schädlichen Einfluß eines Rauschens oder ähnliches zu verhindern.

Wenn die Gesamtquerschnittsfläche nicht kleiner als 0,8 mm² ist, wird über den Einleitungsdurchgang auf einem Schlag eine übermäßige Menge an Probengas in die Probengaskammer eingeleitet. In solch einem Fall kann die Sauerstoffpump­ zelle das Sauerstoffgas nicht in ausreichendem Maße pumpen. Der von der Sensorzelle erhaltene Ausgangsstrom gibt die Konzentration des bestimmten Gases nicht mehr genau an.

Der Einleitungsdurchgang wird bevorzugt mittels maschineller Bearbeitung erzeugt.

Die Herstellung des Gassensors wird vereinfacht. Der Wert des Sensorstroms wird stabilisiert.

Bevorzugt weist die poröse Diffusionswiderstandsschicht eine Dicke in einem Bereich von 0,05 bis 0,3 mm auf.

Dadurch wird die poröse Diffusionswiderstandsschicht auf wirkungsvolle Weise von einem Zerbrechen während des Sinter­ verfahrens des Gassensors abgehalten. Die Sensoreigenschaf­ ten können stabilisiert werden.

Wenn die Dicke der porösen Diffusionswiderstandsschicht weniger als 0,05 mm beträgt, verschlechtert sich die Tempe­ raturabhängigkeit des Gassensors. Wenn die Dicke der porösen Diffusionswiderstandsschicht 0,3 mm überschreitet, ver­ schlechtert sich das Ansprechvermögen des Sensors.

Die poröse Diffusionswiderstandsschicht weist bevorzugt einen mittleren Porendurchmesser in einem Bereich von 200 bis 2000 Å auf. Die Sensoreigenschaften können stabilisiert werden.

Wenn der mittlere Porendurchmesser weniger als 200 Å be­ trägt, kann das Probengas nicht glatt in die poröse Diffu­ sionswiderstandsschicht diffundieren. Das Ansprechvermögen des Sensors verschlechtert sich und der Ausgangsstrom wird klein. Wenn der mittlere Porendurchmesser größer als 2000 Å ist, wird die Diffusion des Probengases instabil. Die Sensorausgabe kann eine Abhängigkeit von der Konzentration des Sauerstoffgases aufweisen.

Die poröse Diffusionswiderstandsschicht weist bevorzugt eine Porosität in einem Bereich von 3 bis 20% auf. Die Sensor­ eigenschaften können stabilisiert werden.

Wenn die Porosität kleiner als 3% ist, kann das Probengas nicht glatt in die poröse Diffusionswiderstandsschicht dif­ fundieren. Das Ansprechvermögen des Sensors verschlechtert sich und der Ausgangsstrom wird klein. Wenn die Porosität größer als 20% ist, kann die Sensorausgabe eine Abhängigkeit von der Konzentration des Sauerstoffgases aufweisen.

Die Probengaskammer liegt bevorzugt sowohl einem ersten Festelektrolytelement als auch einem zweiten Festelektrolyt­ element gegenüber. Die Bezugsgaskammer liegt dem zweiten Festelektrolytelement gegenüber. Die Sauerstoffpumpzelle ist auf dem ersten Festelektrolytelement angeordnet und die Sensorzelle ist auf dem zweiten Festelektrolytelement an­ geordnet.

Diese Anordnung ist wirkungsvoll, um die zwischen der Sauer­ stoffpumpzelle und der Sensorzelle verursachte Strominter­ ferenz zu beseitigen. Es wird möglich, die Gaskonzentration genau zu messen.

Bevorzugt gilt die Beziehung 0,5 ≦ D2/(D1 + D2) ≦ 0,9, wenn D1 den Diffusionswiderstand des Einleitungsdurchganges und D2 den Diffusionswiderstand der porösen Diffusionswider­ standsschicht repräsentiert. Die Sensorausgabe kann stabili­ siert werden.

Wenn das Verhältnis D2/(D1 + D2) kleiner als 0,5 ist, wird der Diffusionswiderstand des Einleitungsdurchgangs (d. h. die molekulare Diffusion) zu groß, um die Temperaturabhängigkeit in der Sensorausgabe zu unterdrücken oder zu beseitigen.

Wenn das Verhältnis D2/(D1 + D2) größer als 0,9 ist, wird der Diffusionswiderstand der porösen Diffusionswiderstands­ schicht zu groß, um eine geeignetes Ansprechvermögen des Sensors zu erhalten.

Wenn die anderen Diffusionswiderstände in dem Innenraum im Vergleich zu den beiden beschriebenen repräsentativen Diffusionswiderständen vernachlässigbar klein sind, können D1 und D2 auf die nachstehende Weise ausgedrückt werden.

Is = (D1 + D2)ln{P/((1 - P_NOx)}

worin Is den Ausgangsstrom des Sensors, P_NOx den Partial­ druck des NOx und P den Gesamtdruck repräsentiert.

D1 und D2 hängen von der geometrischen Struktur ab und kön­ nen indirekt aus der Sensorstromdifferenz zwischen einem Sensor ohne poröse Diffusionswiderstandsschicht und einem Sensor mit einer porösen Diffusionswiderstandsschicht gemessen werden.

Unter einem anderer Aspekt stellt die Erfindung ein Ver­ fahren zum Messen der Konzentration eines bestimmten Gases eines Probengases unter Verwendung eines einfachen Gas­ sensors zur Verfügung. Der Gassensor umfaßt eine Sensor­ zelle, die eine Meßelektrode und eine Bezugselektrode ein­ schließt, die auf einem Festelektrolytelement angeordnet sind, wobei die Meßelektrode in einer Probengaskammer liegt und die Bezugselektrode in einer Bezugsgaskammer liegt, eine Pumpzelle, die ein Paar aus Pumpelektroden einschließt, die auf entgegengesetzten Seiten eines weiteren Festelektrolyt­ elements angeordnet sind, wobei eine der Pumpelektroden in der Probengaskammer liegt, eine Sensorschaltung zum Messen eines Stromes, der in der Sensorzelle fließt, der ein erstes Amperemeter und eine erste Spannungsquelle einschließt, und eine Pumpschaltung zum Messen eines Stromes, der in der Pumpzelle fließt, der ein zweites Amperemeter und eine variable Spannungsquelle einschließt. Das Verfahren der Erfindung umfaßt einen ersten Schritt der Messung der Konzentration des Sauerstoffgases eines Probengases, basierend auf einem Stromwert, der mittels des zweiten Amperemeters gemessen wurde, einen zweiten Schritt der Steuerung der variablen Spannungsquelle, basierend auf dem gemessenen Wert der Konzentration des Sauerstoffgases, und einen dritten Schritt des Messens der Konzentration eines bestimmten Gases des Probengases, basierend auf dem mittels des ersten Amperemeter gemessenen Stromwert.

Gemäß dem Meßverfahren der Erfindung schließt die Pump­ schaltung eine variable Spannungsquelle zum Anlegen einer Spannung an die Pumpzelle ein. Die Pumpschaltung schließt das zweite Amperemeter ein. Als Reaktion auf die an der Pumpzelle angelegte Spannung wird das Sauerstoffgas in der Probengaskammer auf der Oberfläche der Pumpelektrode ionisiert. Sauerstoffionen werden über das Festelektrolyt­ element aus der Probengaskammer entfernt.

Der Strom der Pumpzelle nimmt proportional mit der ange­ legten Spannung zu, wenn der Wert der anliegenden Spannung klein ist, wie später unter Bezugnahme auf die Fig. 16 be­ schrieben werden wird. Wenn die angelegte Spannung einen vorgegebenen Pegel erreicht, hört der Pumpzellenstrom unge­ achtet der Änderung der angelegten Spannung auf, anzu­ wachsen. Auf diesen Bereich wird als Grenzstrombereich Bezug genommen. Wenn die angelegte Spannung auf einen noch höheren Pegel ansteigt, beginnt der Pumpzellenstrom erneut propor­ tional mit der angelegten Spannung zuzunehmen. Im allgemei­ nen verschiebt sich die Strom-Spannungskennlinie als Reaktion auf die Konzentration des Sauerstoffgases entlang einer schrägen Linie, die in rechter Richtung ansteigt.

Dementsprechend wird, basierend auf dem gemessenen Strom des zweiten Amperemeters, eine eingestellte Spannung, die von der variablen Spannungsquelle stammt, an die Pumpzelle ange­ legt, damit der Grenzstrom durch die Pumpzelle fließt. Das Sauerstoffgas wird aus der Probengaskammer entfernt, um das Luft-Brennstoff-Verhältnis in der Probengaskammer auf einen theoretischen (d. h. stöchiometrischen) Wert einzustellen. Dementsprechend wird die Sauerstoffmenge in der Probengas­ kammer auf einen konstanten Wert von ungefähr 9,81 × 10^-2 Pa (1 × 10^-6 atm) gehalten.

Da der Wert des Grenzstroms proportional zur Konzentration des Sauerstoffgases ist, kann die Pumpschaltung zur Messung der Konzentration des Sauerstoffgases des Probengases, das in die Probengaskammer eingeleitet wurde, verwendet werden.

Mittels der Spannungsquelle in der Sensorschaltung wird eine Spannung an die Sensorzelle angelegt. Die Sensorschaltung schließt ein erstes Amperemeter ein.

Das bestimmte Gas (z. B. NOx-Gas), das in dem Probengas ent­ halten ist, wird auf der Meßelektrode als Reaktion auf die an die Sensorzelle angelegte Spannung desoxidiert. Da die Spannung zwischen der Meßelektrode und der Bezugselektrode anliegt, führen die erzeugten Sauerstoffionen zu einem Ionenstrom, der durch das Festelektrolytelement der Sensor­ zelle als ein Strom fließt, der den bestimmten Gasbestand­ teil repräsentiert, der in dem Probengas enthalten ist.

Der Ionenstrom fließt in der Sensorschaltung, die mit der Sensorzelle verbunden ist. Das erste Amperemeter mißt den Ionenstrom. Der Ionenstrom variiert in Abhängigkeit von der Konzentration des bestimmten Gases. Somit ist es möglich, die Konzentration des bestimmten Gases, basierend auf dem Wert des gemessenen Stromes des ersten Amperemeters, zu messen.

Desweiteren wird beinahe das gesamte Sauerstoffgas, das sich in der Probengaskammer befindet, zuvor durch die Pump­ elektrode entfernt. Es wird deshalb angenommen, daß alle Sauerstoffionen, die auf der Sensorzelle ionisiert werden, von der Desoxidation des bestimmten Gases stammen. Somit ist es möglich, die Konzentration des bestimmten Gases, basierend auf dem Wert des von dem ersten Amperemeter ge­ messenen Stromes, zu messen.

Auf diese Weise stellt die Erfindung ein Verfahren sowohl zum Messen der Konzentration eines bestimmten Gases als auch der Konzentration des Sauerstoffgases unter Verwendung von lediglich der Pumpzelle und der Sensorzelle zur Verfügung. Auf diese Weise stellt die Erfindung ein Verfahren zur Mes­ sung der Gaskonzentration zur Verfügung, das mittels einer vereinfachten Sensorstruktur verwirklicht wird. Der Gas­ sensor kann auf einfache Weise hergestellt werden. Da die erforderliche Anzahl an Elektroden klein ist, wird es mög­ lich, die Gesamtmenge an teuren Edelmetallen oder wertvollen Metallen zu verringern. Auf diese Weise können die Her­ stellungskosten gesenkt werden.

Erfindungsgemäß kann das Gaskonzentrationselement zur Mes­ sung der Konzentration verschiedener bestimmter Gase durch eine Änderung der Art (oder Eigenschaften) der Meßelektrode der Sensorzelle verwendet werden.

Beispielsweise fungiert der Gassensor der Erfindung durch die Verwendung einer Meßelektrode mit chemischer Aktivität gegenüber NOx-Gas als NOx-Gassensor. Genauer gesagt ist es bevorzugt, daß die Meßelektrode durch ein Material aufgebaut wird, das geeignet ist, NOx-Gas zu Stickstoffionen und Sauerstoffionen zu zersetzen.

Die zersetzten Sauerstoffionen fließen durch die Fest­ elektrolytkammer und erzeugen einen Ionenstrom. Durch Messen dieses Ionenstroms wird es möglich, die Daten zu erhalten, die die NOx-Gaskonzentration wiedergeben. Auf diese Weise kann der Gassensor der Erfindung als NOx-Gassensor betrieben werden.

Neben dem NOx-Gas kann der Gassensor der Erfindung verwendet werden, um die Konzentration anderer bestimmter Bestand­ teile, wie CO, HC und H₂O zu messen, die in dem Abgas ent­ halten sind, das aus den Verbrennungsmotoren ausgestoßen wird.

Gemäß dem Gassensor der Erfindung werden die Pumpelektroden dem Probengas ausgesetzt. Es ist deshalb erforderlich, Pump­ elektroden zu verwenden, die keine chemische Aktivität gegenüber dem Probengas aufweisen.

Wie vorstehend beschrieben, mißt der Gassensor der Erfindung die Konzentration des bestimmten Gases auf Grundlage der Menge der mittels der Zersetzung des bestimmten Gases er­ zeugten Sauerstoffionen. Dementsprechend ist es erforder­ lich, um die Genauigkeit der Messung der Konzentration des bestimmten Gases sicherzustellen, die Pumpzelle an einen Verbrauch des bestimmten Gases zu hindern, bevor das be­ stimmte Gas die Sensorzelle erreicht.

Es ist möglich, die Pumpzelle so anzuordnen, daß sie der Probengaskammer und auch der äußeren Fläche des Gassensors gegenüberliegt. Oder aber es ist möglich, die Pumpzelle so anzuordnen, daß sie sowohl der Probengaskammer als auch der Bezugsgaskammer gegenüberliegt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Gassensor nur eine Probengaskammer auf, die mit einem porösen Element gefüllt ist. Das poröse Element weist eine Porosität in einem Bereich von 3 bis 30% auf. Ein Füllen der Probengas­ kammer mit dem porösen Element ist wirkungsvoll, um die Struktur der Probengaskammer während des Herstellungsver­ fahrens oder bei der Verwendung des Gassensors beizubehal­ ten. Der Gassensor ist somit von Deformationen oder Größen­ fehlern frei. In jedem Sensor ist die Abweichung von den charakteristischen Eigenschaften minimal. Die Herstellungs­ kosten werden verringert und das Herstellungsverfahren ver­ einfacht sich. Da die Probengaskammer eine feste Struktur aufweist, ermöglicht die Erfindung die Bereitstellung eines Gassensors mit höherer Meßgenauigkeit.

Das Probengas diffundiert in das poröse Element, mit dem die Probengaskammer gefüllt ist. In diesem Fall schließt die Diffusion des Probengases sowohl eine Knudsen-Diffusion als auch eine molekulare Diffusion ein. Somit wird die Tempera­ turabhängigkeit der Sensorausgabe auf ein geeignetes Maß be­ schränkt. Dementsprechend liefert die Erfindung einen Gas­ sensor mit ausgezeichneter Meßgenauigkeit.

Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher.

Fig. 1A ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A, die in Fig. 2 gezeigt ist, die die detaillierte Anordnung eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 1B ist eine Draufsicht, die die Anordnung einer Proben­ gaskammer des Gassensors, der in Fig. 1A gezeigt ist, zeigt;

Fig. 2 ist eine Draufsicht, die den Gassensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die die Beziehung zwischen dem Abstand "A" und der Länge "B" in dem Gassensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, worin "A" den Abstand einer zentral gelegenen Position des Einlei­ tungsdurchgangs von der Vorderkante der äußeren Pump­ elektrode und "B" die Länge "B" der äußeren Pumpelektrode repräsentiert;

Fig. 4A ist eine Schnittansicht, die die detaillierte Anord­ nung eines anderen Gassensors gemäß einer ersten Aus­ führungsform der Erfindung zeigt, in der nur eine Probengas­ kammer zur Verfügung gestellt wird;

Fig. 4B ist eine Draufsicht, die die Anordnung der Proben­ gaskammer des in Fig. 4A gezeigten Gassensors zeigt;

Fig. 5 ist eine Tabelle, die die Beurteilung des Leistungs­ verhaltens des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 6A ist eine Schnittansicht, die die detaillierte An­ ordnung eines Gassensors als Vergleichsbeispiel zeigt, der der Probe 6 entspricht, die keine poröse Diffusionswider­ standsschicht umfaßt;

Fig. 6B ist eine Draufsicht, die die Anordnung der Proben­ gaskammer des in Fig. 6A gezeigten Gassensors zeigt;

Fig. 7A ist eine Schnittansicht, die die detaillierte An­ ordnung eines Gassensors zeigt, der der Probe 7 entspricht, die eine Probengaskammer umfaßt, die mit einem porösen Element gefüllt ist;

Fig. 7B ist eine Draufsicht, die die Anordnung der Proben­ gaskammer des in Fig. 7A gezeigten Gassensors zeigt;

Fig. 8A ist eine Schnittansicht, die die detaillierte Anord­ nung eines Gassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt, in der eine Sauerstoffsensorzelle zur Verfügung gestellt wird;

Fig. 8B ist eine Draufsicht, die die Anordnung der Proben­ gaskammer des in Fig. 8A gezeigten Gassensors zeigt;

Fig. 9A ist eine Draufsicht, die einen herkömmlichen Gas­ sensor zeigt;

Fig. 9B ist eine Schnittansicht, die den in Fig. 9A ge­ zeigten herkömmlichen Gassensor zeigt;

Fig. 10 ist eine Schnittansicht, die die detaillierte Anord­ nung eines Gassensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 11 ist eine Draufsicht, die den Gassensor gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 12 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein Meß­ system für den Gassensor der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 13 ist ein Schaltplan, der die detaillierte Anordnung des in Fig. 12 gezeigten Meßsystems zeigt;

Fig. 14 ist ein Fließdiagramm, das einen Regelvorgang zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration und der Konzentration des bestimmten Gases gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 15 ist ein schematisches Blockdiagramm des Meßsystems, das einen Mikrocomputer einschließt, gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 16 ist eine Graphik, die eine Vielzahl an Strom- Spannungskennlinien einer Pumpzelle zeigt, die verschiedenen Werten der Konzentration des Sauerstoffgases entsprechen;

Fig. 17 ist eine Graphik, die eine Vielzahl an Strom- Spannungskennlinien einer Sensorzelle zeigt, die verschie­ denen Werten der Konzentration des NOx-Gases entsprechen;

Fig. 18 ist ein Schaltplan, der eine Meßschaltung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 19 ist eine Schnittansicht, die die detaillierte An­ ordnung eines Gassensors gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 20 ist eine Schnittansicht, die die detaillierte An­ ordnung eines Gassensors gemäß einer sechsten Ausführungs­ form der Erfindung zeigt; und

Fig. 21 ist eine Graphik, die die Strom-Spannungskennlinie einer Sensorzelle gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nach­ stehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Erste Ausführungsform

Die Fig. 1A bis 4B zeigen einen Gassensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, der bevorzugt in einem Abgas­ system eines Verbrennungsmotors installiert wird, um die NOx-Gaskonzentration des Abgases zu messen.

Wie in den Fig. 1A und 1B gezeigt ist, umfaßt der Gas­ sensor 1 der ersten Ausführungsform eine Probengaskammer 15, eine Sensorzelle 3, eine Sauerstoffpumpzelle 2 und einen Einleitungsdurchgang 100. Das Probengas, z. B. das Abgas, wird in die Probengaskammer 15 eingeleitet. Eine Seite der Sensorzelle 3 (d. h. die Oberseite in Fig. 1A) liegt der zweiten Kammer 152 der Probengaskammer 15 gegenüber und die entgegengesetzte Seite (d. h. die Unterseite in Fig. 1A) liegt der Bezugsgaskammer 16 gegenüber. Luft, die als Bezugsgas dient, wird in die Bezugsgaskammer 16 eingeleitet. Die Sensorzelle 3 ermittelt die NOx-Gaskonzentration in der Probengaskammer 15. Die Sauerstoffpumpzelle 2, die sich an einer Stelle befindet, die von der Sensorzelle 3 in Längs­ richtung versetzt angeordnet ist, liegt der ersten Kammer 151 der Probengaskammer 15 gegenüber. Die Sauerstoff­ pumpzelle 2 pumpt (entfernt oder leitet ein) Sauerstoffgas aus oder zu der Probengaskammer 15. Über den Einleitungs­ durchgang 100, der sich senkrecht zur Sauerstoffpumpzelle 2 erstreckt, wird das Probengas in die Probengaskammer 15 eingeleitet.

Die äußere Fläche (d. h. die Oberseite) der Sauerstoffpump­ zelle 2 liegt der äußeren Fläche des Gassensors 1 gegenüber. Eine poröse Diffusionswiderstandsschicht 10 ist auf der äußeren Fläche (d. h. der Oberseite) der Sauerstoffpump­ zelle 2 so angeordnet, daß der Bereich, der dem Einleitungs­ durchgang 100 entspricht, von der porösen Diffusionswider­ standsschicht 10 bedeckt wird. Die poröse Diffusionswider­ standsschicht 10, die aus einem Aluminiumoxid-Keramikwerk­ stoff gefertigt ist, weist eine Dicke von 0,1 mm, einen mittleren Porendurchmesser von 1100 Å und eine Porosität von 12% auf. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird nur ein Ein­ leitungsdurchgang 100 bereitgestellt. Der Einleitungsdurch­ gang 100 weist eine Querschnittsfläche von 0,125 mm² auf. Die Beziehung D2/(D1 + D2) = 0,7 ist erfüllt, wenn D1 den Diffusionswiderstand des Einleitungsdurchgangs 100 und D2 den Diffusionswiderstand der porösen Diffusionswiderstands­ schicht 10 repräsentiert.

Genauer gesagt umfaßt der Gassensor 1, wie in Fig. 1A ge­ zeigt ist, ein erstes Festelektrolytelement 11, ein erstes Abstandselement 12, um die Probengaskammer 15 zu begrenzen, ein zweites Festelektrolytelement 13, ein zweites Abstands­ element 14, um die Bezugsgaskammer 16 zu begrenzen, und ein Heizelement 19. Die planaren Elemente 11 bis 14 und 19 sind so laminiert oder gestapelt, daß sie einen mehrlagigen Sensorkörper bilden.

Jedes der ersten und zweiten Festelektrolytelemente 11 und 13 ist aus einem teilweise stabilisierten Zirkonium(IV)-oxid mit Sauerstoffleitfähigkeit hergestellt. Jedes der ersten und zweiten Abstandselemente 12 und 14 ist aus einem Aluminiumoxid-Keramikwerkstoff mit Isoliereigenschaften hergestellt. Der Gassensor der ersten Ausführungsform weist zwei Zellen, d. h. die Sauerstoffpumpzelle 2 und die Sensor­ zelle 3 auf.

Die Sauerstoffpumpzelle 2 umfaßt eine innere Pumpelektro­ de 212 und eine äußere Pumpelektrode 211, die auf entgegen­ gesetzten Oberflächen (d. h. der Unter- und Oberseite) des ersten Festelektrolytelements 11 angeordnet sind. Die innere Pumpelektrode 212 liegt der ersten Kammer 151 der Probengas­ kammer 15 gegenüber. Die äußere Pumpelektrode 211 liegt der äußeren Fläche des Gassensors 1 gegenüber.

Ein feines Loch, das als Einleitungsdurchgang 100 dient, wird als Durchgangsloch zur Verfügung gestellt, das sich in senkrechter Richtung über die laminierten Schichten aus der Pumpelektrode 211 und 212 und dem ersten Festelektrolyt­ element 11 erstreckt. Der Einlaß 101 des Einleitungsdurch­ gangs 100 ist auf der Oberfläche der äußeren Pumpelektro­ de 211 angeordnet.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, bedeckt die poröse Diffusions­ widerstandsschicht 10 den Oberflächenbereich, einschließlich des Einlasses 101 des Einleitungsdurchganges 100, die äußere Pumpelektrode 211 und einen Teil des ersten Festelektrolyt­ elements 11. Die äußere Oberfläche der porösen Diffusions­ widerstandsschicht 10 wird von einer Abfangschicht 199 be­ deckt. Die Abfangschicht 199 schützt die poröse Diffusions­ widerstandsschicht 10 vor giftigen Substanzen, die in dem Probengas enthalten sind.

Die innere Pumpelektrode 212 ist eine Pt-Au-Elektrode. Die äußere Pumpelektrode 211 ist eine Pt-Elektrode.

Wie in Fig. 1B gezeigt ist, besteht die Probengaskammer 15 aus einer ersten Kammer 151, in der die Sauerstoffpump­ zelle 2 liegt und der zweiten Kammer 152, in der die Sensor­ zelle 3 liegt. Die erste Kammer 151 steht mit der zweiten Kammer 152 über einen Diffusionsdurchgang 150 in Verbindung, um es dem Probengas zu ermöglichen, in die Richtung von der ersten Kammer 151 zu der zweiten Kammer 152 oder in die um­ gekehrte Richtung zu strömen.

Wie in Fig. 1A gezeigt ist, umfaßt die Sensorzelle 3 eine Meßelektrode 311 und eine Bezugselektrode 312, die auf ent­ gegengesetzten Oberflächen (d. h. der Ober- und der Unter­ seite) des zweiten Festelektrolytelementes 13 angeordnet sind. Die Meßelektrode 311 liegt der zweiten Kammer 152 der Probengaskammer 15 gegenüber. Die Bezugselektrode 312 liegt der Bezugsgaskammer 16 gegenüber, die von dem zweiten Ab­ standselement 14 begrenzt wird, das an dem zweite Fest­ elektrolytelement 13 angrenzt. Sowohl die Meßelektrode 311 als auch die Bezugselektrode 312 bestehen aus Pt-Elektroden.

Das Heizelement 19 liegt neben (unter) dem zweiten Abstands­ element 14, das die Bezugsgaskammer 16 eingrenzt. Das Heiz­ element 19 umfaßt ein Heizelementsubstrat 191, einen Heiz­ abschnitt 190, Zuleitungen und ein Abschirmsubstrat 192, das diese Elemente bedeckt. Sowohl das Heizelementsubstrat 191 als auch das Abschirmsubstrat 192 ist aus Aluminiumoxid her­ gestellt.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, beträgt der Abstand "A" des Gas­ sensors 1 gemäß der ersten Ausführungsform 1 mm und die Länge "B" 10 mm. Somit beträgt das Verhältnis A/B 0,1. In diesem Fall stellt "A" den Abstand der zentral gelegenen Position 109 des Einleitungsdurchgangs 100 von der Vorder­ kante 219 der äußeren Pumpelektrode 211, und "B" die Länge der äußeren Pumpelektrode 211 dar.

Obwohl dies in Fig. 1A nicht gezeigt ist, werden Zuleitungen und Anschlüsse der äußeren Pumpelektrode 211 und der inneren Pumpelektrode 212 auf dem ersten Festelektrolytelement 11 zur Verfügung gestellt. Eine Sauerstoffpumpzellen-Schaltung wird bereitgestellt, um mittels der Zuleitungen und An­ schlüsse eine Spannung an die Sauerstoffpumpzelle 2 anzu­ legen. Die Sauerstoffpumpzellen-Schaltung 29 umfaßt eine Spannungsquelle 291, um an die Sauerstoffpumpzelle 2 eine Spannung anzulegen, und ein Amperemeter 292, um den Strom in der Sauerstoffpumpzellen-Schaltung 29 zu messen.

Auf die gleiche Weise werden Zuleitungen und Anschlüsse der Meßelektrode 311 und der Bezugselektrode 312 auf dem zweiten Festelektrolytelement 13 zur Verfügung gestellt. Eine Sensorschaltung 39 ist mit den Zuleitungen und Anschlüssen der Meßelektrode 311 und der Bezugselektrode 312 verbunden. Die Sensorschaltung 39 umfaßt eine Spannungsquelle 391 zum Anlegen einer Spannung an die Sensorzelle 3, und ein Ampere­ meter 392 zum Messen des Stromes in der Sensorschaltung 39. Der Gassensor 1 wird auf die nachstehende Weise hergestellt.

Jedes der beiden Festelektrolytelemente, d. h. das erste Festelektrolytelement 11 und das zweite Festelektrolyt­ element 13 besteht aus einer ZrO₂-Schicht.

Zunächst werden 94 Gew.-% eines Pulvers aus ZrO₂ mit 6 Gew.-% eines Pulvers aus Y₂O₃ gemischt, um ein teilweise mit Y₂O₃ stabilisiertes ZrO₂ mit einer mittleren Korngröße von 0,5 µm zu erhalten. Anschließend wird das resultierende, teilweise mit Y₂O₃ stabilisierte ZrO₂ (100 Gewichtsteile) mit Materialien aus α-Al₂O₃ (1 Gewichtsteil), PVB (5 Ge­ wichtsteile), DBP (10 Gewichtsteile), Ethanol (10 Gewichts­ teile) und Toluol (10 Gewichtsteile) gemischt, um eine Keramikmischung zu erhalten. PVB ist Polyvinylbutyral und DBP ist Dibutylphthalat.

Anschließend wird in einer Kugelmühle eine Aufschlämmung der hergestellten Keramikmischung erzeugt. Die resultierende Aufschlämmung wird unter Anwendung eines Rakelklingen-Ver­ fahrens getrocknet, um eine ungebrannte bzw. rohe Zirkonium­ oxidschicht mit einer Dicke von 0,2 mm in getrocknetem Zu­ stand zu erhalten.

Die rohe Schicht des ersten Festelektrolytelements 11 wird auf die nachstehende Weise hergestellt.

Die zirkoniumoxidhaltige Rohschicht wird in ein Rechteck mit Abmessungen von 5 mm × 80 mm zerschnitten. Ein vertikales Durchgangsloch wird entlang der zirkoniumoxidhaltigen Schicht erzeugt, um eine assoziierte Elektrode über eine Zu­ leitung mit einem Anschluß zu verbinden.

Danach wird eine Pt-Paste, die 1 bis 10 Gew.-% Au enthält, mittels eines Siebdruckverfahrens auf die Oberfläche der zirkoniumoxidhaltigen Rohschicht aufgetragen, um das Druck­ muster der inneren Pumpelektrode 212 zu bilden. Auf die gleiche Weise wird unter Verwendung einer Pt-Paste sowohl ein Druckmuster der äußeren Pumpelektrode 211, als auch Druckmuster der assoziierten Zuleitungen und Anschlüsse gebildet.

Danach wird ein feines Loch mit einem Durchmesser von 0,5 mm (entsprechend einer Querschnittsfläche von 0,2 mm²), das als Einleitungsdurchgang 100 dient, unter Verwendung einer Stanzmaschine oder ähnlichem erzeugt. Die Position dieses feinen Lochs liegt in dem Bereich, der dem Druckmuster der äußeren Pumpelektrode 211 entspricht.

Wenn die Rohschicht gesintert wird, schrumpfen ihre Abmes­ sungen um 20%. Somit weist der Durchmesser des Einleitungs­ durchgangs 100 im getrockneten Zustand (d. h. dem gesinter­ ten) der Schicht 0,4 mm (= 0,125 mm² in der Querschnitts­ fläche) auf.

Die Rohschicht des zweiten Festelektrolytelements 13 wird auf die nachstehende Weise hergestellt.

Die zirkoniumoxidhaltige Rohschicht wird zu einem Rechteck mit Abmessungen von 5 mm × 80 mm zerschnitten. Ein vertika­ les Durchgangsloch wird entlang der zirkoniumoxidhaltigen Schicht erzeugt, um eine assoziierte Elektrode über eine Zuleitung mit einem Anschluß zu verbinden.

Anschließend werden unter Verwendung einer Pt-Paste die Druckmuster der Meßelektrode 311 und der Bezugselektrode 312, als auch die Druckmuster der assozierten Zuleitungen und Anschlüsse gebildet.

Die Rohschicht für das erste Abstandselement 12, das zweite Abstandselement 14, das Heizelementsubstrat 191 und das Ab­ schirmsubstrat 192 wird auf die nachstehende Weise herge­ stellt.

Ein Pulver aus α-Al₂O₃ mit einer mittleren Korngröße von 0,3 µm (98 Gewichtsteile) wird mit dem vorstehend beschrie­ benen, teilweise mit Y₂O₃ stabilisierten ZrO₂ (3 Gewichts­ teile), PVB (10 Gewichtsteile), DBP (10 Gewichtsteile) Ethanol (30 Gewichtsteile) und Toluol (30 Gewichtsteile) gemischt, um eine Keramikmischung zu erhalten. Wie vor­ stehend beschrieben, ist das teilweise mit Y₂O₃ stabili­ sierte ZrO₂ eine Mischung aus 94 Gew.-% eines Pulvers aus ZrO₂ und 6 Gew.-% eines Pulvers aus Y₂O₃.

Anschließend wird in einer Kugelmühle eine Aufschlämmung der hergestellten Keramikmischung erzeugt. Die resultierende Aufschlämmung wird unter Anwendung eines Rakelklingen-Ver­ fahrens getrocknet, um eine aluminiumoxidhaltige Rohschicht mit einer Dicke von 0,2 mm bis 1,0 mm in getrocknetem Zu­ stand zu erhalten.

Die erhaltene Aluminiumoxid-Rohschicht wird mit einer Aus­ schneidevorrichtung (Fenster) mit Abmessungen 2 mm × 75 mm zu einer U-förmigen Struktur mit 5 mm × 80 mm zerschnitten. Die resultierende Schicht dient als das zweite Abstands­ element 14 zur Begrenzung der Bezugsgaskammer. Eine andere Aluminiumoxid-Rohschicht wird zu einem Rechteck mit Ab­ messungen von 5 mm × 80 mm und zwei elliptischen Bohrungen, die wie in Fig. 1B gezeigt über einen dünnen Durchgang mit­ einander verbunden sind, zerschnitten. Die resultierende Schicht dient als das erste Abstandselement 12.

Eine weitere Aluminiumoxid-Rohschicht wird zu einem Rechteck mit Abmessungen von 5 mm × 80 mm zerschnitten. Eine elek­ trisch leitfähige Paste, die 90 Gew.-% Pt und 10 Gew.-% Al₂O₃ enthält, wird auf die Oberfläche dieser Aluminiumoxidschicht aufgebracht, um Druckmuster des Heiz­ abschnitts 190 und der assozierten Zuleitungen zu bilden. Die resultierende Schicht dient als das Heizelement­ substrat 191.

Eine weitere Aluminiumoxid-Rohschicht wird zu einem Rechteck mit Abmessungen von 5 mm × 80 mm zerschnitten. Die resultie­ rende Schicht dient als Abschirmsubstrat 192.

Eine Rohschicht für die poröse Diffusionswiderstands­ schicht 10 wird auf die nachstehende Weise hergestellt.

Ein Pulver aus α-Al₂O₃ mit einer mittleren Korngröße von 0,5 µm (98 Gewichtsteile) wird mit dem vorstehenden, teil­ weise mit Y₂O₃ stabilisierten ZrO₂ (3 Gewichtsteile), PVB (10 Gewichtsteile), DBP (10 Gewichtsteile), Ethanol (30 Ge­ wichtsteile) und Toluol (30 Gewichtsteile) gemischt, um eine Keramikmischung zu erhalten. Wie vorstehend beschrieben, ist das teilweise mit Y₂O₃ stabilisierte ZrO₂ eine Mischung aus 94 Gew.-% eines Pulvers aus ZrO₂ und 6 Gew.-% eines Pulvers aus Y₂O₃.

Anschließend wird in einer Kugelmühle eine Aufschlämmung der hergestellten Keramikmischung erzeugt. Die resultierende Aufschlämmung wird unter Anwendung eines Rakelklingen-Ver­ fahrens getrocknet, um eine rohe Aluminiumoxidschicht mit einer Dicke von 0,12 mm in getrocknetem Zustand zu erhalten.

Die erhaltene Aluminiumoxid-Rohschicht wird zu einem Recht­ eck mit Abmessungen von 5 mm × 30 mm zerschnitten. Die re­ sultierende Schicht dient als die poröse Diffusionswider­ standsschicht 10.

Die vorstehend beschriebenen Schichten werden auf die in Fig. 1A gezeigte Weise laminiert oder übereinandergelegt und mittels einer druckempfindlichen Klebstoffpaste bei Raum­ temperatur vereinigt. Anschließend wird der resultierende laminierte Körper bei ungefähr 1500°C eine Stunde lang an der Luft gesintert, um den mehrlagigen Gassensor 1 zu er­ halten.

Danach wird durch Eintauchen eine Aufschlämmung aus Al₂O₃ (50 Gewichtsteile), einem anorganischen Bindemittel (10 Ge­ wichtsteile) und Wasser (40 Gewichtsteile) auf die gesinter­ te poröse Diffusionswiderstandsschicht 10 aufgebracht. Die aufgebrachte Aufschlämmung wird getrocknet und eine Stunde lang bei einer Temperatur von 500°C gebrannt, wodurch die Abfangschicht 199 gebildet wird.

Mit dem Gassensor der vorstehend beschriebenen ersten Aus­ führungsform wird die NOx-Gaskonzentration des Probengases auf die nachstehende Weise ermittelt.

Das Probengas dringt in die Abfangschicht 199 und die poröse Diffusionswiderstandsschicht 10 ein. Anschließend wird das Probengas durch den Einlaß 101 über den Einleitungsdurch­ gang 100 in die erste Kammer 151 der Probengaskammer 15 ein­ geleitet.

Eine Spannung wird mittels der Spannungsquelle 291 an die äußere Pumpelektrode 211 und die innere Pumpelektrode 212 der Sauerstoffpumpzelle 2 angelegt. Die innere Pump­ elektrode 212 ist eine Pt-Au-Elektrode, die gegenüber NOx- Gas inaktiv ist. Dementsprechend pumpt die Sauerstoffpump­ zelle 2 Sauerstoffgas in einer Menge, die der angelegten Spannung entspricht, und entfernt das gepumpte Sauerstoffgas aus dem Gassensor 1.

In diesem Fall wird die von der Spannungsquelle 291 stammende, angelegte Spannung auf solch einen vorgegebenen Wert eingestellt, daß es zu keiner Zersetzung des NOx-Gas kommt und das Sauerstoffgas glatt aus der Probengaskammer 15 entfernt werden kann.

Um diese Einstellung vorzunehmen, wird der tatsächliche Wert des Stromes, der durch die Sauerstoffpumpzelle 2 fließt, zu­ vor durch Anlegen einer bestimmten Spannung gemessen. Basierend auf dem Wert des Stromes, der mittels einer Steuerschaltung oder ähnlichem gemessen wird, wird im voraus eine optimale Spannung, die dann von der Spannungsquelle 291 zur Verfügung gestellt wird, berechnet.

Das Probengas, das im wesentlichen kein Sauerstoffgas ent­ hält, wird über den Diffusionsdurchgang 150 von der ersten Kammer 151 zur zweiten Kammer 152 geschickt. Zu diesem Zeit­ punkt mißt das Amperemeter 292 den Strom, der in der Sauer­ stoffpumpzellen-Schaltung 29 fließt. Der gemessene Stromwert ist der Menge des gepumpten Sauerstoffgases proportional. Somit kann die Konzentration des Sauerstoffgases des Proben­ gases aus dem gemessenen Strom ermittelt werden.

Die Meßelektrode 311 der Sensorzelle 3 ist eine Pt-Elektro­ de, die chemische Aktivität gegenüber NOx-Gas aufweist. Eine Spannung, die von der Spannungsquelle 391 stammt, wird zwischen die Meßelektrode 311 und die Bezugselektrode 312 der Sensorzelle 3 angelegt. Die Meßelektrode 311 zersetzt das NOx-Gas zu Stickstoffionen und zu Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen verursachen einen Ionenstrom, der durch das zweite Festelektrolytelement 13 fließt und auf die Bezugs­ gaskammer 16 zubewegt. Das Amperemeter 392 der Sensorschal­ tung 39 mißt diesen Ionenstrom. Somit kann die Konzentration des NOx-Gases des Probengases aus dem Wert des gemessenen Ionenstromes ermittelt werden.

Der Gassensor 1 der ersten Ausführungsform funktioniert auf die nachstehende Weise.

Der Gassensor 1 weist den Einleitungsdurchgang 100 mit dem Einlaß 101 auf, der von der porösen Diffusionswiderstands­ schicht 10 bedeckt ist.

Das Probengas erfährt, während es die poröse Diffusions­ widerstandsschicht 10 passiert oder in sie eindringt, eine Diffusion. Diese Diffusion schließt sowohl eine Knudsen- Diffusion als auch eine molekulare Diffusion ein. Somit ist die verursachte Diffusion weniger temperaturabhängig. Die Diffusionsmenge des in die Probengaskammer 15 eingeleiteten Probengases ist im wesentlichen konstant, ungeachtet einer hohen oder tiefen Temperatur (oder einer Zunahme oder einer Abnahme der Temperatur).

Da die erste Ausführungsform die Temperaturabhängigkeit der Diffusionsmenge des Probengases unterdrücken oder beseitigen kann, kann die Probengaskammer 15 im wesentlichen eine konstante Menge des Probengases aufnehmen, ungeachtet der Temperatur. Somit ist die Menge des NOx-Gases in der Proben­ gaskammer 15 immer proportional zu der Konzentration des NOx-Gases in dem Meßgas. Somit wird es möglich, einen Gas­ sensor 1 zur Verfügung zu stellen, der den schädlichen Temperatureinfluß auf die Meßgenauigkeit unterdrücken oder beseitigen kann.

Dementsprechend liefert die erste Ausführungsform einen Gas­ sensor, der bevorzugt unter schwierigen Bedingungen ver­ wendet wird, bei denen die Temperatur stark schwankt.

Desweiteren genügt der Gassensor der ersten Ausführungsform der Beziehung A/B ≦ 0,5, wenn "A" den Abstand der zentral gelegenen Position 109 des Einleitungsdurchganges von der Vorderkante 219 der äußeren Pumpelektrode 211, und "B" die Länge der äußeren Pumpelektrode 211 darstellt. Dies ist wirkungsvoll, um den Offset-Strom wirkungsvoll zu stabili­ sieren, der den Sensorstrom darstellt, der erhalten wird, wenn das NOx-Gas nicht vorhanden ist.

Der in den Fig. 1A und 1B offenbarte Gassensor 1 schließt die Probengaskammer 15 ein, die in die erste Kammer 151 und die zweite Kammer 152 unterteilt ist. Es ist jedoch möglich, die Struktur der Probengaskammer zu verändern.

Die Fig. 4A und 4B zeigen einen modifizierten Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, in dem lediglich eine Probengaskammer 17 bereitgestellt wird.

Nachstehend wird das Leistungsverhalten des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die in Fig. 5 gezeigte Tabelle erklärt.

In Fig. 5 weisen die Proben 1 bis 5 und 8 bis 17 im wesent­ lichen die gleiche Struktur wie diejenige des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung auf. Die Proben 1 bis 5 und 8 bis 17 unterscheiden sich voneinander sowohl in den Abmessungen des Einleitungsdurchganges als auch in der Dicke, der Porosität und der Porengröße der porösen Diffusionswiderstandsschicht.

Wie in den Fig. 6A und 6B gezeigt ist, ist die Probe 6 ein Gassensor 81 ohne poröse Diffusionswiderstandsschicht, wobei die restliche Struktur im wesentlichen mit derjenigen des vorstehend beschriebenen Gassensors der ersten Ausführungs­ form identisch ist.

Wie in den Fig. 7A und 7B gezeigt ist, ist die Probe 7 ein Gassensor 82 mit einer Probengaskammer 85, die aus einer ersten Kammer 851 und einer zweiten Kammer 852 besteht, die über einen Diffusionsdurchgang 850 miteinander verbunden sind. Der Innenraum der Probengaskammer 85 ist mit einem porösen Diffusionswiderstandselement gefüllt, wie in Fig. 7B gezeigt ist. Der Einlaß 101 des Einleitungsdurchganges 100 wird von dem porösen Diffusionswiderstandselement nicht be­ deckt. Der Rest der Struktur ist im wesentlichen mit der­ jenigen des vorstehend beschriebenen Gassensors der ersten Ausführungsform identisch.

1. Temperaturabhängigkeit

Ein vorbereitetes Modellgas schließt auf N₂ basierendes NO-Gas (d. h. eine Art von NOx-Gas) mit einer Konzentration von 1000 ppm ein.

In einem Zustand, in dem das Modellgas mit vorgegebener Ge­ schwindigkeit (1 Liter/min) strömt, wurde der Ausgangsstrom einer jeden Probe (Gassensor) gemessen. Genauer gesagt wurde unter Verwendung einer Konstantspannungsquelle eine konstante Spannung (0,5 V) an die Sensorzelle eines jeden Sensors angelegt. Ein Amperemeter wurde mit der Sensorzelle verbunden, um den Ausgangsstrom zu messen.

In diesem Fall wurde die Temperatur des Sensors in einem Bereich von 800±20°C im Zentrum seiner Elektrode variiert, um die maximale Ausgabe und die minimale Ausgabe zu messen. Die Temperatursteuerung erfolgte mittels einer Steuerung der Spannung, die an das Heizelement angelegt wurde, das einstückig mit dem Sensor hergestellt worden war. Wenn der Unterschied zwischen dem maximalen Ausgangsstrom und dem minimalen Ausgangsstrom weniger als 10% betrug, wurde die Temperaturabhängigkeit in der Bewertungstabelle mit O angegeben. Wenn der Unterschied zwischen dem maximalen Ausgangsstrom und dem minimalen Ausgangsstrom gleich oder größer als 10% war, wurde die Temperaturabhängigkeit in der Bewertungstabelle mit X angegeben.

2. Rißbildung beim Sintern

Die Bildung von Rissen während des Sinterverfahrens wurde durch die Anwendung eines Farbtests untersucht. Der Farbtest wurde, nachdem der Sensor gesintert worden war, in einem Bereich, der der porösen Diffusionswiderstandsschicht und ihrem benachbarten Festelektrolytelement entsprach, durch­ geführt. Wenn die Rate der Erzeugung von Rissen gleich oder kleiner als 1% war, wurde die Erzeugung von Rissen in der Tabelle mit O bewertet. Wenn die Rate der Erzeugung von Rissen größer als 1% war, wurde die Erzeugung von Rissen in der Tabelle mit X bewertet.

3. Ausgangsstrom

Der Ausgangsstrom eines jeden Gassensors wurde auf die gleiche Weise wie bei der Messung der Temperaturabhängigkeit mittels der Steuerung der Gasdurchflußmenge gemessen. Der von dem Modellgas, das 1000 ppm NOx-Gas enthielt, erhaltene Ausgangsstrom wurde mit einem Ausgangsstrom verglichen, der von einem Bezugsgas erhalten wurde, das kein NOx-Gas ent­ hielt. Wenn der Unterschied der Ausgangsströme gleich oder größer als 1 µA war, wurde dies unter der Rubrik Ausgangs­ strom in der Bewertungstabelle mit O angegeben. Wenn der Unterschied der Ausgangsströme kleiner als 1 µA war, wurde dies unter der Rubrik Ausgangsstrom in der Bewertungstabelle mit X angegeben.

4. Abhängigkeit von der Konzentration des Sauerstoffgases

Um die Abhängigkeit des Ausgangsstromes des Gassensors von der Konzentration des Sauerstoffgases zu messen, wurde die Konzentration des Sauerstoffgases in dem Modellgas in einem Bereich von 1 bis 20% variiert.

Die Konzentration des NO-Gases in dem Modellgas wurde durch die Einstellung der Durchflußmenge auf 1000 ppm einge­ stellt. Die an die Pumpzelle angelegte Spannung wurde unter Anwendung einer auf einer graphischen Abbildung beruhenden Steuerschaltung (map controlling circuit) eingestellt. Die auf einer graphischen Abbildung beruhende Steuerung er­ möglicht eine Messung des Stromes, der durch die Pumpzelle fließt, im voraus, und das Anlegen einer Spannung, die dem gemessenen Strom entspricht. Die an dem Gassensor angelegte Spannung betrug 0,5 V. Der Ausgangsstrom wurde mittels eines Amperemeters gemessen.

Wenn die Schwankung des Ausgangsstromes weniger als ±10% be­ trug, wurde die Abhängigkeit von der Konzentration des Sauerstoffgases in der Bewertungstabelle mit O angegeben. Wenn die Schwankung des Ausgangsstromes gleich oder größer ±10% war, wurde die Abhängigkeit von der Konzentration des Sauerstoffgases in der Bewertungstabelle mit X angegeben.

5. Ansprechempfindlichkeit

Die Ansprechempfindlichkeit des Gassensors wurde auf die nachstehende Weise gemessen.

Die NO-Gaskonzentration des Modellgases wurde von 1000 ppm auf 100 ppm verändert. Während dieser Änderung wurde die Ansprechempfindlichkeit anhand der Zeitdauer ermittelt, die verstrich, bis sich der Ausgangsstrom auf 60% des anfäng­ lichen Wertes, der einer NO-Gaskonzentration von 1000 ent­ sprach, verringerte.

Wenn die benötigte Zeitdauer weniger als 1 Sekunde betrug, wurde die Ansprechempfindlichkeit in der Bewertungstabelle mit O angegeben. Wenn die benötigte Zeitdauer gleich oder größer als 1 Sekunde war, wurde die Ansprechempfindlichkeit in der Bewertungstabelle mit X angegeben.

Gemäß der in Fig. 5 gezeigten Tabelle wurden alle Proben mit einer porösen Diffusionswiderstandsschicht, die den Einlaß des Einleitungsdurchganges bedeckte, in bezug auf die Temperaturabhängigkeit mit O bewertet. Anders ausgedrückt, wurde der Ausgangsstrom des Sensors nicht wesentlich von der Temperatur beeinflußt.

Andererseits wies die Probe 6 keine poröse Diffusionswider­ standsschicht auf. Der Ausgangsstrom der Probe 6 variiert in breitem Umfang als Reaktion auf die Temperatur.

Die Probe 7 ist ein Gassensor mit einem porösen Diffusions­ widerstandselement in der Probengaskammer. Eine relativ große Anzahl an Rissen wurde in dem Festelektrolytelement während des Sinterverfahrens der Probe 7 erzeugt, wobei die Temperaturabhängigkeit der Probe 7 mit denjenigen der Proben 1 bis 5 vergleichbar war. Es wird angenommen, daß der Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen dem porösen Diffusionswiderstandselement (Aluminiumoxid) und dem Fest­ elektrolytelement (Zirkonium(IV)-oxid) zur Erzeugung von Rissen führt.

Desweiteren wies die Probe 7 einen relativ unzureichenden Ausgangsstrom auf. Es wird angenommen, daß das poröse Diffusionswiderstandselement in der Probengaskammer den Diffusionswiderstand vergrößert.

Wenn die Sensorausgabe klein ist, kann das S/R-Verhältnis (Signal-Rausch-Verhältnis) unzufriedenstellend sein und die Meßgenauigkeit des Sensors kann sich verschlechtern.

Wie aus der in Fig. 5 gezeigten Tabelle hervorgeht, zeigen die Proben 10, 12, 14 und 16 auf allen Gebieten, d. h. der Temperaturabhängigkeit, der Rißbildung, dem Ausgangsstrom, der Abhängigkeit von der Konzentration des Sauerstoffgases und der Ansprechempfindlichkeit, ausgezeichnete Eigenschaf­ ten. Anders ausgedrückt weisen die Proben 10, 12, 14 und 16 in bezug auf die Abmessungen (A/B-Wert, Querschnitt) des Einleitungsdurchganges als auch in bezug auf die Dicke, die Porosität und die Porengröße der porösen Diffusionswider­ standsschicht bevorzugt Werte auf.

Die Probe 8 war in bezug auf die Ansprechempfindlichkeit un­ zufriedenstellend. Es wird angenommen, daß die poröse Dif­ fusionswiderstandsschicht zu dick ist, um es dem Probengas zu gestatten, glatt durch die poröse Diffusionswiderstands­ schicht zu diffundieren.

Die Probe 9 weist einen großen Wert des A/B-Verhältnisses auf. Dies ist insofern unerwünscht, als daß das Probengas die Sensorzelle erreicht, bevor die Pumpzelle das Sauer­ stoffgas in ausreichendem Maße entfernt hat. Somit variiert der Ausgangsstrom als Reaktion auf die Konzentration des Sauerstoffgases empfindlich. Die Meßgenauigkeit kann sich verschlechtern, wenn die Konzentration des Sauerstoffgases groß wird.

Die Probe 13 weist einen großen Querschnitt des Einleitungs­ durchganges auf. Somit ermöglicht es die Probe 13, daß eine große Menge des Probengases gleichzeitig in die Probengas­ kammer eintritt. Es wird angenommen, daß die Sauerstoffpump­ zelle das Sauerstoffgas nicht in ausreichendem Maß entfernen kann. Dementsprechend war die Probe 13 in bezug auf die Ab­ hängigkeit von der Konzentration des Sauerstoffgases unzu­ friedenstellend.

Die Probe 15 weist sowohl eine geringe Porosität als auch einen kleinen mittleren Porendurchmesser der porösen Dif­ fusionswiderstandsschicht auf. Es wird angenommen, daß keine ausreichende Menge des Probengases die poröse Diffusions­ widerstandsschicht passieren kann. Somit war die Probe 15 in bezug auf den Ausgangsstrom und die Ansprechempfindlichkeit unzufriedenstellend.

Die Probe 17 weist sowohl eine große Porosität als auch einen großen mittleren Porendurchmesser der porösen Diffu­ sionsschicht auf. Somit ermöglicht es die Probe 17, daß eine große Menge des Probengases gleichzeitig in die Probengas­ kammer eintritt. Es wird angenommen, daß die Sauerstoffpump­ zelle das Sauerstoffgas nicht in ausreichendem Maß entfernen kann. Dementsprechend war die Probe 17 in bezug auf die Ab­ hängigkeit von der Konzentration des Sauerstoffgases unzu­ friedenstellend.

Zweite Ausführungsform

Die zweite Ausführungsform besteht aus einem Gassensor, der zusätzlich zu der Sauerstoffpumpzelle und der Sensorzelle eine Sauerstoffsensorzelle umfaßt.

Wie in den Fig. 8A und 8B gezeigt ist, umfaßt der Gas­ sensor 1' der zweiten Ausführungsform eine Probengas­ kammer 15, einen Einleitungsdurchgang 100 zum Einleiten des Meßgases in die Probengaskammer 15, die Sensorzelle 3 und die Sauerstoffpumpzelle 2. Desweiteren schließt der Gas­ sensor 1' eine Sauerstoffsensorzelle 4 ein, die zum Messen der Konzentration des Sauerstoffgases in der Probengas­ kammer 15 geeignet ist.

Ein Einlaß 100 des Einleitungsdurchganges 100 wird von der porösen Diffusionswiderstandsschicht 10 bedeckt.

Genauer gesagt umfaßt der Gassensor 1' der zweiten Aus­ führungsform, wie in Fig. 8A gezeigt ist, ein erstes Fest­ elektrolytelement 11, ein erstes Abstandselement 12, um die Probengaskammer 15 zu begrenzen, ein zweites Festelektrolyt­ element 13, ein zweites Abstandselement 14, um die Bezugs­ gaskammer 16 zu begrenzen, und ein Heizelement 19. Diese planaren Elemente 11 bis 14 und 19 sind so laminiert oder gestapelt, daß die einen mehrlagigen Sensorkörper bilden.

Die Sauerstoffpumpzelle 2 umfaßt eine innere Pumpelektro­ de 212 und eine äußere Pumpelektrode 211, die auf entgegen­ gesetzten Oberflächen (d. h. der Ober- und Unterseite) des ersten Festelektrolytelements 11 angeordnet sind. Die innere Pumpelektrode 212 liegt der ersten Kammer 151 der Probengas­ kammer 15 gegenüber. Die äußere Pumpelektrode 211 liegt der äußeren Fläche des Gassensors 1 gegenüber.

Die Sensorzelle 3 umfaßt die Meßelektrode 311 und die Be­ zugselektrode 312, die auf entgegengesetzten Oberflächen (d. h. der Ober- und Unterseite) des zweiten Festelektrolyt­ elements 13 angeordnet sind. Die Meßelektrode 311 liegt der zweiten Kammer 152 der Probengaskammer 15 gegenüber. Die Bezugselektrode 312 liegt der Bezugsgaskammer 16 gegenüber, die von dem zweiten Abstandselement 14 begrenzt wird, das an dem zweiten Festelektrolytelement 13 angrenzt.

Das Heizelement 19 liegt neben (unter) dem zweiten Abstands­ element 14, das die Bezugsgaskammer 16 begrenzt.

Die Sauerstoffsensorzelle 4 umfaßt die Elektrode 411, die auf der Oberfläche des ersten Festelektrolytelements 11 an­ geordnet ist. Die andere Elektrode der Sauerstoffsensor­ zelle 4 ist die Meßelektrode 311 der Sensorzelle 3. Anders ausgedrückt verwenden die Sensorzelle 3 und die Sauerstoff­ zelle 4 die Meßelektrode 311 gemeinsam. Die Elektrode 411 und die Meßelektrode 311 sind in der zweiten Kammer 152 einander gegenüberliegend angeordnet.

Obwohl dies in Fig. 8A nicht gezeigt ist, sind auf dem ersten Festelektrolytelement 11 Zuleitungen und Anschlüsse der äußeren Pumpelektrode 211 und der inneren Pump­ elektrode 212 aufgebracht. Eine Sauerstoffpumpzellen- Schaltung 29 wird bereitgestellt, um über die Zuleitungen und Anschlüsse eine elektrische Spannung an die Sauerstoff­ pumpzelle 29 anzulegen. Die Sauerstoffpumpzellen- Schaltung 29 umfaßt eine Spannungsquelle 291 zum Anlegen einer Spannung an die Sauerstoffpumpzelle und ein Ampere­ meter 292 zum Messen des Stromes in der Sauerstoffpump­ zellen-Schaltung 29.

Auf die gleiche Weise sind auf dem zweiten Festelektrolyt­ element 13 Zuleitungen und Anschlüsse der Meßelektrode 311 und der Bezugselektrode 312 angeordnet. Eine Sensor­ schaltung 39 ist mit den Zuleitungen und Anschlüssen der Meßelektrode 311 und der Bezugselektrode 312 verbunden. Die Sensorschaltung 39 umfaßt eine Spannungsquelle 391 zum Anlegen einer Spannung an die Sensorzelle 3 und ein Ampere­ meter 392 zum Messen des Stromes in der Sensorschaltung 39. Auf die gleiche Weise ist die Sauerstoffsensorzelle 4 über Zuleitungen und Anschlüsse mit der Schaltung 49 verbunden. Die Schaltung 49 umfaßt das Voltmeter 492.

Gemäß dem Gassensor 1' der zweiten Ausführungsform pumpt die Sauerstoffpumpzelle 2 (entfernt oder leitet ein) das Sauer­ stoffgas aus oder zu der ersten Kammer 151 und die Sensor­ zelle 3 ermittelt die NOx-Gaskonzentration. Das Voltme­ ter 492 wird zur Messung der Spannung zwischen der Elektro­ de 411 und der Elektrode 311 verwendet, damit das Sauer­ stoffgas durch die Pumptätigkeit der Sauerstoffzelle 2 genauestens entfernt werden kann. Die verursachte Spannung ist eine elektromotorische Kraft, die durch die Nernstsche Gleichung ausgedrückt werden kann, und der Konzentration des Sauerstoffgases in der zweiten Kammer 152 proportional ist.

Dementsprechend wird eine geeignete Rückkopplungssteuer­ schaltung zwischen der Schaltung 49 und der Schaltung 29 zur Verfügung gestellt. Die Spannungsquelle 291 in der Schal­ tung 29 wird mittels der Rückkopplungssteuerschaltung so gesteuert, daß die Pumpoperation des Sauerstoffgases sicher durchgeführt werden kann. Somit stellt die zweite Aus­ führungsform der Erfindung einen Gassensor zur Verfügung, der für ein genaues Messen der Konzentration des NOx-Gases geeignet ist.

Es ist überflüssig darauf hinzuweisen, daß das bestimmte Gas, das mittels des Gassensors der Erfindung gemessen werden kann, nicht auf NOx-Gas und Sauerstoffgas beschränkt ist. Der Gassensor der Erfindung kann zur Messung anderer Gase, wie HC und CO, verwendet werden. Somit stellt die Erfindung einen Gassensor zur Verfügung, der für eine genaue Messung des bestimmten Gasbestandteils selbst unter schwierigen Bedingungen, bei denen die Temperatur in breitem Umfang schwankt, geeignet ist.

Dritte Ausführungsform

Die dritte Ausführungsform offenbart ein Verfahren zur Messung einer Gaskonzentration und die Anordnung eines verwendeten Gassensors.

Wie in Fig. 10 gezeigt ist, umfaßt der Gassensor 20 eine Sensorzelle 102 und eine Pumpzelle 103. Die Sensorzelle 102 umfaßt eine Meßelektrode 121 und eine Bezugselektrode 122, die auf entgegengesetzten Oberflächen eines Festelektrolyt­ elements 113 angeordnet sind. Die Meßelektrode 121 liegt der Probengaskammer 201 gegenüber. Die Bezugselektrode 122 liegt der Bezugsgaskammer 202 gegenüber. Die Pumpzelle 103 umfaßt eine äußere Pumpelektrode 131 und eine innere Pumpelektro­ de 132, die auf entgegengesetzten Oberflächen des anderen Festelektrolytelements 111 angeordnet sind. Die äußere Pump­ elektrode 131 liegt der äußeren Fläche des Gassensors 20 gegenüber, die innere Pumpelektrode 132 liegt der Proben­ gaskammer 201 gegenüber.

Die Sensorzelle 102 ist mit einer Sensorschaltung 125 ver­ bunden, die ein erstes Amperemeter 251 und eine Spannungs­ quelle 253 umfaßt. Die Pumpzelle 103 ist mit einer Pump­ schaltung 135 verbunden, die ein zweites Amperemeter 351 und eine variable Spannungsquelle 353 umfaßt.

Der Gassensor 20 wird auf Grundlage des durch das zweite Amperemeter 351 ermittelten Stromwertes zur Messung der Konzentration des Sauerstoffgases in dem Meßgas verwendet. Die variable Spannungsquelle 353 wird basierend auf der ge­ messenen Konzentration des Sauerstoffgases gesteuert. Des­ weiteren mißt der Gassensor 20 basierend auf dem von dem ersten Amperemeter 251 ermittelten Stromwert die Konzentra­ tion eines bestimmten Gases in dem Meßgas.

Die Probengaskammer 201 wird von einer einzelnen Kammer ge­ bildet, die mit einem porösen Element gefüllt ist.

Genauer gesagt ist der Gassensor 20 der dritten Ausführungs­ form, wie in Fig. 10 gezeigt ist, ein mehrlagiger Sensor, der mehrere Festelektrolytelemente, 111 bis 113, ein Ab­ standselement 114 und ein Heizelement 115 einschließt, die aufeinander gestapelt oder laminiert sind.

Ein Paar aus (d. h. äußere und innere) Pumpelektroden 131 und 132 ist auf entgegengesetzten Oberflächen des Fest­ elektrolytelements 111 angeordnet. Die untere Pumpelektro­ de 132 liegt der Probengaskammer 201 gegenüber. Die Proben­ gaskammer 201 wird von den Festelektrolytelementen 111, 112 und 113 umgeben. Das poröse Element, mit dem die Proben­ gaskammer 201 gefüllt ist, weist eine Porosität von 12% auf. Das poröse Element weist einen geeigneten Diffusionswider­ stand für das Meßgas auf, das in die Probengaskammer 201 eingeleitet wird. Das Probengas diffundiert durch dieses poröse Element, wenn es die Meßelektrode 121 der Sensor­ zelle 102 oder die untere Elektrode 132 der Pumpzelle 103 erreicht.

Die Meßelektrode 121 und die Bezugselektrode 122 sind auf entgegengesetzten Oberflächen des Festelektrolytelements 113 angeordnet. Die Meßelektrode 121 ist eine Platinelektrode (Pt-Elektrode), die das NOx-Gas zu Stickstoffionen und Sauerstoffionen zersetzt, wenn eine geeignete Spannung an die Sensorzelle 102 angelegt wird. Die Sauerstoffionen ver­ ursachen einen Ionenstrom, der durch das Festelektrolyt­ element 113 fließt und sich zur Bezugsgaskammer 202 bewegt. Die Meßelektrode 121 weist chemische Aktivität gegenüber NOx-Gas auf. Die Bezugselektrode 122 ist ebenfalls eine Pt-Elektrode, obwohl es möglich ist, die Bezugselektrode 122 unter Verwendung einer Au-Pt-Elektrode herzustellen.

Jede der Pumpelektroden 131 und 132 ist eine Au-Pt-Elektrode, die das NOx-Gas nicht zersetzt. Die Pumpzelle 103 fungiert als Einrichtung, die Sauerstoffionen in eine Rich­ tung pumpt, die sich von der Probengaskammer 201 zu der Außenseite oder in entgegengesetzter Richtung erstreckt, wenn eine geeignete Spannung an die Pumpzelle 103 angelegt wird.

Desweiteren weist die Pumpzelle 103, wie in Fig. 11 gezeigt ist, eine Zuleitung 1311 auf, die mit der Pumpelektrode 131 verbunden ist. Die Spannung an die Pumpzelle 103 wird über die Zuleitung 1311 angelegt. Obwohl dies in den Fig. 10 und 11 nicht gezeigt ist, weisen die andere Pumpelektro­ de 132, die Meßelektrode 121 und die Bezugselektrode 122 Zuleitungen und Anschlüsse zum Anlegen von Spannungen oder zur Ausgabe von ermittelten Signalen auf.

Das Heizelement 115 ist neben dem Abstandselement 114 ange­ ordnet. Die Bezugsgaskammer 202 wird von dem Festelektrolyt­ element 113, dem Abstandselement 114 und dem Heizelement 115 umgeben. Das Heizelement 115 umfaßt ein Heizelement­ substrat 1151, ein Abschirmsubstrat 1152 und ein Wärmeerzeu­ gungselement 1150, die schichtweise zwischen den Substra­ ten 1151 und 1152 angeordnet sind. Das Wärmeerzeugungs­ element 1150 ist ein Element, das Platin enthält. Obwohl dies in der Zeichnung nicht gezeigt ist, ist das Heiz­ element 115 mit Zuleitungen zum Anlegen einer elektrischen Spannung an das Wärmeerzeugungselement 1150 versehen. Wenn auf die Richtung geblickt wird, die die Normale zu den Ober­ flächen der Festelektrolytelemente 111 bis 114 darstellt, ist es bevorzugt, daß das Wärmeerzeugungselement 1150 sich in einer Fläche erstreckt, die die Gesamtheit aus der Meß­ elektrode 121, der Bezugselektrode 122 und den Pump­ elektroden 131 und 132 bedeckt.

Jede der Elektroden 121, 122, 131 und 132 beginnt nach dem Anstieg der Temperatur auf einen vorgegebenen Wert (d. h. die Aktivierungstemperatur) mit der Pumptätigkeit und zersetzt auch das NOx-Gas. Somit ist es wichtig, das Heizelement wirksam anzuordnen, um alle Elektroden, 121, 122, 131 und 132, rasch zu erwärmen.

Als nächstes wird das Herstellungsverfahren des Gas­ sensors 20 beschrieben.

Zunächst werden auf die nachstehende Weise zirkoniumoxid­ haltige Rohschichten für die Festelektrolytelemente 111, 112 und 113 hergestellt.

94 Mol-% eines Pulvers aus Zirkonium(IV)-oxid werden mit 6 Mol-% eines Pulvers aus Yttriumoxid gemischt, um ein teil­ weise mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonium(IV)-oxid mit einer mittleren Korngröße von 0,5 µm zu erhalten. An­ schließend wird das resultierende, teilweise mit Yttriumoxid stabilisierte Zirkonium(IV)-oxid (100 Gewichtsteile) mit Materialien aus α-Aluminiumoxid (1 Gewichtsteil), PVB (5 Ge­ wichtsteile), DBP (10 Gewichtsteile), Ethanol (10 Gewichts­ teile) und Toluol (10 Gewichtsteile) gemischt, um eine Keramikmischung zu erhalten. PVB steht für Polyvinylbutyral und DBP steht für Dibutylphthalat.

Anschließend wird eine Aufschlämmung der hergestellten Keramikmischung in einer Kugelmühle erzeugt. Die resultie­ rende Aufschlämmung wird unter Anwendung eines Rakelklingen- Verfahrens getrocknet, um eine zirkoniumoxidhaltige Roh­ schicht mit einer Dicke von 0,3 mm in getrocknetem Zustand zu erhalten.

Die zirkoniumoxidhaltige Rohschicht wird in ein Rechteck mit Abmessungen von 5 mm × 70 mm zerschnitten. Eine Paste, die mit 1 bis 10 Gew.-% Au versetztes Platin und 10 Gew.-% Zirkonium(IV)-oxid enthält, wird mittels eines Siebdruck­ verfahrens auf die Oberfläche der zirkoniumoxidhaltigen Roh­ schicht aufgebracht, um das Druckmuster für die Pump­ elektrode 132 zu bilden. Anschließend wird eine andere Paste, die mit 10 Gew.-% Zirkonium(IV)-oxid versetztes Platin enthält, auf die entgegengesetzte Oberfläche der gleichen zirkoniumoxidhaltigen Rohschicht mittels eines Siebdruckverfahrens aufgetragen, um Druckmuster für die verbliebene Pumpelektrode 131 zu bilden. Die Druckmuster der Zuleitungen, die mit den Pumpelektroden 131 und 132 ver­ bunden sind, werden gleichfalls unter Verwendung der mit 10 Gew.-% Zirkonium(IV)oxid versetzten Platinpaste gebildet. Auf diese Weise wird eine zirkoniumoxidhaltige Rohschicht für das Festelektrolytelement 111 erhalten.

Eine weitere zirkoniumoxidhaltige Rohschicht wird in eine U-förmige, rechteckige Struktur mit einem Außenumfang von 5 mm × 70 mm und einem ausgeschnittenen Innenumfang von 2 mm × 15 mm zerschnitten, wodurch eine zirkoniumoxidhaltige Rohschicht für das Festelektrolytelement 112 erhalten wird.

Eine weitere zirkoniumoxidhaltige Rohschicht wird in ein Rechteck mit Abmessungen von 5 mm × 70 mm zerschnitten. Ein Druckmuster für die Meßelektrode 121 wird auf der Oberfläche der zirkoniumoxidhaltigen Rohschicht unter Verwendung der mit 10 Gew.-% Zirkonium(IV)-oxid versetzten Platinpaste ge­ bildet. Desweiteren wurden auf die gleiche Weise Druckmuster für die Bezugselektrode 122 und die mit den Elektroden 121 und 122 verbundenen Zuleitungen unter Verwendung der mit 10 Gew.-% Zirkonium(IV)oxid versetzten Platinpaste gebildet.

Anschließend wurden auf die nachstehende Weise Aluminium­ oxid-Rohschichten für das Abstandselement 114, das Heiz­ elementsubstrat 1151 und das Abschirmsubstrat 1152 her­ gestellt.

Ein Pulver aus α-Aluminiumoxid mit einer mittleren Korngröße von 0,3 µm (98 Gewichtsteile) wird mit 6 Mol-% teilweise mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonium(IV)-oxid (3 Gewichts­ teile), PVB (10 Gewichtsteile), DBP (10 Gewichtsteile), Ethanol (30 Gewichtsteile) und Toluol (30 Gewichtsteile) gemischt, um eine Keramikmischung zu erhalten. Anschließend wird in einer Kugelmühle eine Aufschlämmung der hergestell­ ten Keramikmischung erzeugt. Die resultierende Aufschlämmung wird unter Anwendung eines Rakelklingen-Verfahrens ge­ trocknet, um eine Aluminiumoxid-Rohschicht mit einer Dicke von 0,3 mm in getrocknetem Zustand zu erhalten.

Die erhaltene Aluminiumoxid-Rohschicht wird zu einer U-förmigen, rechteckigen Struktur mit einem Außenumfang von 5 mm × 70 mm und einem geschlossenen Innenumfang von 2 mm × 65 mm zerschnitten, wodurch eine Aluminiumoxid- Rohschicht für das Abstandselement 114 erhalten wird.

Eine andere Aluminiumoxid-Rohschicht wird in ein Rechteck mit Abmessungen von 5 mm × 70 mm zerschnitten. Eine Paste, die 90 Gew.-% Pt und 10 Gew.-% Aluminiumoxid einschließt, wird mittels eines Siebdruckverfahrens auf die Oberfläche dieser Aluminiumoxid-Rohschicht aufgebracht, um Druckmuster für das Wärmeerzeugungselement 1150 und die assoziierten Zuleitungen zu bilden. Auf diese Weise wird eine Aluminium­ oxid-Rohschicht für das Heizelementsubstrat 1150 erhalten.

Desweiteren wird durch Zerschneiden der Aluminiumoxid-Roh­ schicht in ein Rechteck mit Abmessungen von 5 mm × 70 mm eine Aluminiumoxid-Rohschicht für das Abschirmsubstrat 1152 erhalten.

Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des porösen Elements, mit dem die Probengaskammer 201 gefüllt wird, erläutert.

Eine Aluminiumoxidpaste wird zur Herstellung des porösen Elements gebildet.

PVB (10 Gewichtsteile), das als Bindemittel dient, DBP (5 Gewichtsteile), das als Plastifiziermittel dient, Span 85-Sorbitantriolat (1 Gewichtsteil), das als Anti­ schäumungsmittel dient, Terpineol (50 Gewichtsteile), das als Lösungsmittel dient, und Aluminiumoxidpulver (100 Ge­ wichtsteile) werden gemischt und 20mal in einer Dreiwalzen­ mühle verarbeitet, um eine Aluminiumoxidpaste zu erhalten.

Die erzeugten Rohschichten werden auf die nachstehende Weise laminiert oder aufeinander gelegt.

Zunächst werden die zirkoniumoxidhaltige Rohschicht für das Festelektrolytelement 112 und die zirkoniumoxidhaltige Roh­ schicht für das Festelektrolytelement 113 mittels eines Thermokompressionsbindungsverfahrens miteinander vereinigt.

Anschließend wird der Hohlraum des Festelektrolytele­ ments 112 mittels des Siebdruckverfahrens mit der vor­ stehenden Aluminiumoxidpaste gefüllt, wodurch die Proben­ gaskammer 201 gebildet wird.

Anschließend werden die verbliebenen Rohschichten, wie in Fig. 10 gezeigt ist, nacheinander mit den vorstehenden Roh­ schichten mittels des Thermokompressionsbindungsverfahrens laminiert, wodurch ein mehrlagiger Sensorkörper gebildet wird. Der resultierende mehrlagige Sensorkörper wird an der Luft bei einer Temperatur von 1500°C eine Stunde lang ge­ sintert. Auf diese Weise wird der Gassensor 20 der dritten Ausführungsform erhalten.

Anschließend wird ein Verfahren zur Messung eines bestimmten Gasbestandteils und der Konzentration des Sauerstoffgases unter Verwendung des Gassensors 20 erläutert.

Wie in Fig. 12 gezeigt ist, ist der Gassensor 20 mit einer Steuerschaltung 104 verbunden, die eine Einrichtung 106 zur Ermittlung der Konzentration des Sauerstoffgases, die mit der Pumpzelle 103 verbunden ist, und eine Einrichtung 105 zur Ermittlung der Konzentration des bestimmten Gases, die mit der Sensorzelle 102 verbunden ist, umfaßt. Die Einrich­ tung 106 zur Ermittlung der Konzentration des Sauerstoff­ gases erzeugt ein Signal 1S, das die Konzentration des Sauerstoffgases repräsentiert. Die Einrichtung 105 zur Ermittlung der Konzentration des bestimmten Gases erzeugt ein Signal 2S, das die Konzentration des NOx-Gases repräsen­ tiert.

Fig. 13 zeigt die detaillierte Anordnung der Steuerschal­ tung 104. Die Pumpelektrode 132 und die Meßelektrode 121 sind beide geerdet. Anders ausgedrückt werden die Pump­ elektrode 132 und die Meßelektrode 121 auf dem gemeinsamen Potential Va gehalten. Die Einrichtung 106 zur Ermittlung der Konzentration des Sauerstoffgases umfaßt eine Schal­ tung 61 zur Steuerung der Pumpzellenspannung, eine Verstär­ kerschaltung 62 und einen Widerstand 63. Die Schaltung 61 zur Steuerung der Pumpzellenspannung erzeugt eine Steuer­ spannung Vb, um die an die Pumpzelle 103 angelegte Spannung einzustellen. Die Verstärkerschaltung 62 weist einen nicht- invertierenden Eingang auf, der die Steuerspannung Vb von der Schaltung 61 zur Steuerung der Pumpzellenspannung auf­ nimmt. Der Widerstand 63 wird zur Ermittlung des Pumpzellen­ stromes, der auf die Konzentration des Sauerstoffgases an­ spricht, verwendet.

Der Ausgang der Verstärkerschaltung 62 ist mit dem einen Ende 631 des Widerstands 63 verbunden. Der Anschluß 633 zur Ermittlung des Stromes, der auf die Konzentration des Sauer­ stoffgases anspricht, ist ebenfalls mit dem Anschluß 631 des Widerstands 63 verbunden. Vd gibt den Spannungspegel des Anschlusses 633 wieder.

Das andere Ende 632 des Widerstands 63 ist mit der Pump­ elektrode 131 des Gassensors 20 verbunden. Der Anschluß 632 des Widerstands 63 ist ebenfalls mit einem invertierenden Eingang der Verstärkerschaltung 62 und mit einem An­ schluß 634 verbunden, der den Strom ermittelt, der auf die Sauerstoffgaskonzentration anspricht. Der Anschluß 634 weist das gleiche Potential auf, wie die Steuerspannung Vb, die von der Schaltung 61 zur Steuerung der Pumpzellenspannung stammt.

Dementsprechend wird die Steuerspannung Vb von der Schaltung 61 zur Steuerung der Pumpzellenspannung erzeugt und an die Pumpzelle 103 angelegt. Der Pumpzellenstrom, der auf die Konzentrati 22366 00070 552 001000280000000200012000285912225500040 0002019955125 00004 22247on des Sauerstoffgases anspricht, fließt durch den Widerstand 63. Der Pumpzellenstrom kann auf Grundlage des Unterschieds der Spannungen zwischen Vd und Vb gemäß der nachstehenden Gleichung gemessen werden:

Pumpzellenstrom Ip = (Vd - Vb)/R63

worin R63 den Widerstandswert des Widerstands 63 angibt. Der erhaltene Pumpzellenstrom repräsentiert die Sauerstoffgas­ konzentration.

Die Einrichtung 105 zur Ermittlung der Konzentration des be­ stimmten Gases umfaßt eine Schaltung 51 zur Steuerung der Sensorzellenspannung, eine Verstärkerschaltung 52 und einen Widerstand 53. Die Schaltung 51 zur Steuerung der Sensor­ zellenspannung erzeugt eine Steuerspannung Vc, um die an die Sensorzelle 102 angelegte Spannung einzustellen. Die Ver­ stärkerschaltung 52 weist einen nicht-invertierenden Eingang auf, der die Steuerspannung Vc aus der Schaltung 51 zur Steuerung der Sensorzellenspannung empfängt. Der Wider­ stand 53 wird zur Ermittlung des Stromes in der Sensorzelle, der auf die Konzentration des NOx-Gases anspricht, ver­ wendet.

Ein Ausgang der Verstärkerschaltung 52 ist mit dem einen Ende 531 des Widerstands 53 verbunden. Der Anschluß 533 zur Ermittlung des Stromes, der auf die Konzentration des NOx- Gases anspricht, ist ebenfalls mit dem Ende 531 des Wider­ stands 53 verbunden. Ve repräsentiert den Spannungspegel des Anschlusses 533.

Das andere Ende 532 des Widerstandes 53 ist mit der Bezugs­ elektrode 122 des Gassensors 20 verbunden. Der Anschluß 532 des Widerstandes 53 ist ebenfalls mit einem invertierenden Eingang der Verstärkerschaltung 52 und mit einem An­ schluß 534 verbunden, der den Strom ermittelt, der auf die Konzentration des NOx-Gases anspricht. Der Anschluß 534 weist das gleiche Potential wie die Steuerspannung Vc auf, die von der Schaltung 51 zur Steuerung der Sensorzellen­ spannung zugeführt wird.

Dementsprechend wird von der Schaltung 51 zur Steuerung der Sensorzellenspannung eine Steuerspannung Vc erzeugt und an die Sensorzelle 102 angelegt. Der Sensorzellenstrom, der auf die Konzentration des NOx-Gases anspricht, fließt durch den Widerstand 53. Der Sensorzellenstrom kann auf Grundlage des Spannungsunterschiedes zwischen Ve und Vc gemäß der nach­ stehenden Gleichung ermittelt werden.

Sensorzellenstrom Is = (Ve - Vc)/R53

worin R53 den Widerstandswert des Widerstandes 53 darstellt. Der erhaltene Sensorzellenstrom repräsentiert die Konzentra­ tion des NOx-Gases.

Wie in Fig. 15 gezeigt ist, werden die Schaltung 61 zur Steuerung der Pumpzellenspannung und die Schaltung 51 zur Steuerung der Sensorzellenspannung praktischerweise mittels eines Mikrocomputers 66, eines A/D-Wandlers 65 und eines D/A-Wandlers 67 realisiert.

Fig. 14 ist ein Fließdiagramm, das den detaillierten Betrieb der Schaltung 61 zur Steuerung der Pumpzellenspannung und der Schaltung 51 zur Steuerung der Sensorzellenspannung zeigt.

In den Schritten 581 und 582 werden die Anschlußspannun­ gen Vd und Vb an den Anschlüssen 631 und 632 des Wider­ standes 63 ermittelt, der den Strom ermittelt, der durch die Pumpzelle 103 fließt. Genauer gesagt ist die Spannung Vd des einen Anschlusses 631 des Widerstands 63 die Eingabe des Analog/Digital-Wandlers A/D1, wie in den Fig. 13 und 15 ge­ zeigt ist. Der Mikrocomputer 66 liest die digitalen Daten ein, die Vd entsprechen, die von dem A/D1-Wandler erzeugt werden. Auf die gleiche Weise ist die Spannung Vb des anderen Anschlusses 632 des Widerstands 63 die Eingabe des Analog/Digital-Wandlers A/D2. Der Mikrocomputer 66 liest die digitalen Daten ein, die Vb entsprechen, die von dem Wandler A/D2 erzeugt werden.

In den Schritten 583 und 584 werden die Spannungen Ve und Vc an den Anschlüssen 531 und 532 des Widerstandes 53 ermit­ telt, der den Strom ermittelt, der durch die Sensorzelle 102 fließt. Genauer gesagt ist die Spannung Ve des einen An­ schlusses 531 des Widerstands 53 die Eingabe des Analog/Di­ gital-Wandlers A/D3. Der Mikrocomputer 66 liest die digita­ len Daten ein, die Ve entsprechen, die von dem Wandler A/D3 erzeugt werden. Auf die gleiche Weise ist die Spannung Vc des anderen Anschlusses 532 des Widerstands 53 die Eingabe des Analog/Digital-Wandlers A/D4. Der Mikrocomputer 66 liest die digitalen Daten ein, die Vc entsprechen, die von dem Wandler A/D4 erzeugt werden.

Im Schritt 585 wird der Strom Ip der Pumpzelle auf Grundlage der ermittelten Werte der Anschlußspannungen Vd und Vd und des Widerstandswert R63 des Widerstandes 63 berechnet.

Im Schritt 586 wird unter Bezugnahme auf die in Fig. 16 ge­ zeigte Linie LX1, die angelegte Spannungen wiedergibt (application voltage line LX1), eine Spannung erhalten, die angelegt werden muß, um den berechneten Strom Ip der Pump­ zelle zu erhalten. Das heißt, die an die Pumpzelle anzu­ legende, vorgegebene Spannung (target application voltage) wird mittels einer Berechnung unter Bezugnahme auf eine graphische Darstellung (map calculation) erhalten.

Fig. 16 zeigt die Strom-Spannungskennlinien der Pumpzelle, die den Werten verschiedener Konzentration des Sauerstoff­ gases entsprechen, worin die Ordinate (d. h. die vertikale Achse) den Strom Ip der Pumpzelle und die Abszisse (d. h. die Längsachse) die an die Pumpzelle angelegte Spannung dar­ stellt. Die Linie LX1, die angelegte Spannungen wiedergibt, ist eine gerade Linie, die die Mittelpunkte der flachen Bereiche (Grenzstrombereiche) der entsprechenden Strom- Spannungskennlinien 1 bis 5, die verschiedenen Werten der Konzentration des Sauerstoffgases entsprechen, verbindet. In der Praxis schließt das Probengas zusätzlich zu dem Sauer­ stoffgas eine kleine Menge NOx-Gas ein. Somit sollte die vorgegebene anzulegende Spannung in einen Bereich gelegt werden, in dem es zu keiner Zersetzung des NOx-Gases kommt.

Im Schritt 587 wird die erhaltene, an die Pumpzelle 103 anzulegende Spannung mittels des Digital/Analog-Wandlers D/A1 als neue Steuerspannung Vb ausgegeben.

Anschließend wird im Schritt 588 auf Grundlage der ermittel­ ten, an den Anschlüssen anliegenden Spannungen Ve und Vc und des Widerstandswertes R53 des Widerstandes 53 der Strom Is der Sensorzelle berechnet.

Im Schritt 589 wird unter Bezugnahme auf die in Fig. 17 ge­ zeigte Linie LX2, die angelegte Spannungen wiedergibt, eine Spannung erhalten, die angelegt werden muß, um den berechne­ ten Strom Is der Sensorzelle zu erhalten. Das heißt, die an die Sensorzelle anzulegende, vorgegebene Spannung wird aus einer Berechnung mittels einer graphischen Darstellung er­ halten.

Fig. 17 zeigt die Spannung-Strom-Kennlinien der Sensorzelle, die den Werten verschiedener Konzentrationen des NOx-Gases entsprechen, wobei die Ordinate (d. h. die vertikale Achse) den Strom Is der Sensorzelle und die Abszisse (d. h. die Längsachse) die an die Sensorzelle angelegte Spannung re­ präsentiert. Die Linie LX2, die angelegte Spannungen wieder­ gibt, ist eine gerade Linie, die die Mittelpunkte der flachen Bereiche der entsprechenden Strom-Spannungskenn­ linien 1 bis 3, die verschiedenen Werten der Konzentration des NOx-Gases entsprechen, verbindet.

In Schritt 590 wird die erhaltene, an die Sensorzelle 102 anzulegende Spannung mittels des Digital/Analog-Wandlers D/A2 als neue Steuerspannung Vc ausgegeben.

Auf diese Weise mißt der Gassensor 20 der dritten Aus­ führungsform sowohl die Konzentration des Sauerstoffgases als auch die Konzentration des NOx-Gases.

Der Gassensor der dritten Ausführungsform funktioniert auf die nachstehend beschriebene Weise.

Wie aus Fig. 16 hervorgeht, nimmt der Strom der Pumpzelle im Verhältnis zu der angelegten Spannung zu, wenn der Wert der angelegten Spannung klein ist. Wenn die angelegte Spannung einen vorgegebenen Pegel erreicht, nimmt der Strom der Pump­ zelle nicht mehr zu, ungeachtet der Änderung der angelegten Spannung. Auf diesen Bereich wird als Grenzstrombereich Bezug genommen. Wenn die angelegte Spannung auf einen noch höheren Pegel ansteigt, beginnt der Strom der Pumpzelle er­ neut im Verhältnis zur angelegten Spannung zu wachsen. Wie in Fig. 16 gezeigt ist, verschiebt sich die Strom-Spannungs­ kennlinie als Reaktion auf eine Konzentrationszunahme des Sauerstoffgases entlang einer schrägen, nach rechts auf­ steigenden Linie.

Dementsprechend wird auf Grundlage des von dem zweiten Amperemeter 351 gemessenen Stromes eine eingestellte Spannung an die Pumpzelle 103 angelegt, die von der variablen Spannungsquelle 353 stammt, damit ein Grenzstrom durch die Pumpzelle 103 fließt. Das Sauerstoffgas wird aus der Probengaskammer 201 entfernt, um das Luft-Kraftstoff- Verhältnis in der Probengaskammer auf einen theoretischen (d. h. stöchiometrischen) Wert einzustellen. Dementsprechend wird die Sauerstoffmenge in der Probengaskammer auf einen konstanten Wert von ungefähr 9,81 × 10^-2 Pa (1 × 10^-6 atm) gehalten.

Da der Wert des Grenzstromes der Sauerstoffkonzentration proportional ist, kann die Pumpschaltung 135 zur Messung der Konzentration des Sauerstoffgases verwendet werden, das in dem Meßgas enthalten ist, das in die Probengaskammer einge­ leitet wird.

Die Spannungsquelle 253 in der Sensorschaltung 125 liefert die Spannung, die an der Sensorzelle 102 anliegt. Die Sensorschaltung 125 schließt das erste Amperemeter 251 ein.

Das in dem Probengas enthaltene bestimmte Gas (NOx-Gas) wird auf der Meßelektrode als Reaktion auf die an die Sensorzelle angelegte Spannung desoxidiert. Da die Spannung zwischen der Meßelektrode und der Bezugselektrode anliegt, führen die er­ zeugten Sauerstoffionen zu einem Ionenstrom, der durch das Festelektrolytelement der Sensorzelle als ein Strom fließt, der den bestimmten Gasbestandteil, der in dem Probengas ent­ halten ist, repräsentiert.

Der Ionenstrom fließt in der Sensorschaltung, die mit der Sensorzelle verbunden ist. Das erste Amperemeter mißt den Ionenstrom. Wie in Fig. 17 gezeigt ist, variiert der Ionen­ strom entsprechend der Konzentration des bestimmten Gases. Somit ist es möglich, auf Grundlage des von dem ersten Amperemeter gemessenen Stromwertes die Konzentration des bestimmten Gases zu messen.

Desweiteren wird, wie vorstehend beschrieben, beinahe das gesamte Sauerstoffgas, das sich in der Probengaskammer be­ findet, zuvor mittels der Pumpelektrode entfernt. Es wird deshalb angenommen, daß alle Sauerstoffionen, die auf der Sensorzelle ionisiert werden, von der Desoxidation des bestimmten Gases stammen. Somit ist es möglich, die Kon­ zentration des bestimmten Gases auf Grundlage des von dem ersten Amperemeter gemessene Stromwertes zu messen.

Auf diese Weise stellt die dritte Ausführungsform ein Ver­ fahren zur Messung sowohl der Konzentration des bestimmten Gases als auch der Konzentration des Sauerstoffgases unter Verwendung von lediglich der Pumpzelle und der Sensorzelle zur Verfügung. Somit stellt die dritte Ausführungsform ein Verfahren zur Messung der Gaskonzentration zur Verfügung, das durch eine vereinfachte Sensorstruktur realisiert wird.

Ferner weist der in der dritten Ausführungsform verwendete Gassensor 20 nur eine Probengaskammer 201 auf, die mit einem porösen Element gefüllt ist. Dieses poröse Element weist eine Porosität von 3 bis 30% auf. Die Beibehaltung der Struktur der Probengaskammer 201 während des Herstellungs­ verfahrens oder bei der Verwendung des Gassensors ist ein­ fach. Der Gassensor ist somit frei von Deformationen oder Größenfehlern. In jedem Sensor ist die Abweichung der charakteristischen Eigenschaften minimal. Die Herstellungs­ kosten verringern sich und das Herstellungsverfahren ver­ einfacht sich. Da die Probengaskammer 201 eine feste Struk­ tur aufweist, ermöglicht die dritte Ausführungsform die Bereitstellung eines Gassensors mit höherer Meßgenauigkeit.

Das Probengas diffundiert in das poröse Element, mit dem die Probengaskammer 201 gefüllt ist. In diesem Fall schließt die Diffusion des Probengases sowohl eine Knudsen-Diffusion als auch eine molekulare Diffusion ein. Somit wird die Tempera­ turabhängigkeit der Sensorausgabe auf ein geeignetes Maß beschränkt.

Gemäß dem Gassensor 20 der dritten Ausführungsform liegt so­ wohl die Meßelektrode 121 der Sensorzelle 102 als auch die Pumpelektrode 132 der Pumpzelle 103 der Probengaskammer 201 direkt gegenüber.

Wenn der Gassensor zur Messung des NOx-Gases verwendet wird, weist die Meßelektrode chemische Aktivität gegenüber NOx-Gas auf und die Pumpelektrode weist keine chemische Aktivität gegenüber NOx-Gas auf. Somit enthält die Pumpelektrode 132 inaktivierende Additive. Selbst wenn diese Additive flüchtig sein sollten, verbleiben diese Bestandteile in der Nähe der Pumpelektrode 132 und erreichen die Meßelektrode 121 nicht. Anders ausgedrückt wird die Meßelektrode 121 durch solche flüchtigen Additive nicht kontaminiert. Dementsprechend liefert die dritte Ausführungsform der Erfindung einen Gassensor mit ausgezeichneter Meßgenauigkeit.

Vierte Ausführungsform

Die vierte Ausführungsform offenbart eine weitere Schal­ tungsanordnung für den Gassensor 20. Diese Schaltung schließt keinen Mikrocomputer ein.

Wie in Fig. 18 gezeigt ist, schließt eine Schaltung 161 zur Steuerung der Pumpzellenspannung eine Bezugsspannungs­ quelle 611, eine Verstärkerschaltung 612, ein Paar aus den Widerständen 615 und 616, einen Widerstand 613 und einen Kondensator 614 und eine Schaltung 617 ein. Die Widerstände 615 und 616 bestimmen den Verstärkungsfaktor der Verstärker­ schaltung 612. Der mit dem Kondensator 614 kombinierte Widerstand 613 bildet gemeinsam mit diesem einen Tiefpaß­ filter. Die Schaltung 617 ermittelt den Strom der Pumpzelle.

Die Schaltung 617 weist zwei Eingänge auf, die mit den An­ schlüssen 633 bzw. 634 verbunden sind. Wie in Fig. 13 ge­ zeigt ist, sind die Anschlüsse 633 und 634 mit den beiden Enden des Widerstandes 63 verbunden, der den Strom der Pump­ zelle ermittelt. Die Schaltung 617 weist einen Ausgang auf, der den Spannungsunterschied (Vd-Vb) erzeugt. Der Ausgang der Schaltung 617 ist mit einem nicht-invertierenden Eingang der Verstärkerschaltung 612 verbunden.

Ein invertierender Eingang der Verstärkerschaltung 612 ist mit einem Verknüpfungspunkt des einen Endes des Widerstandes 615 und des einen Endes des Widerstandes 616 verbunden. Ein Ausgang der Verstärkerschaltung 612 ist mit einem Ver­ knüpfungspunkt eines Endes des Widerstandes 616 und des einen Endes des Widerstandes 613 verbunden.

Die Bezugsspannungsquelle 611 legt eine Bezugsspannung an das andere Ende des Widerstandes 615 an. Das andere Ende des Widerstandes 613 ist mit einem Ende des Kondensators 614 an einem Verknüpfungspunkt verbunden, der eine Pumpsteuer­ spannung Vb erzeugt. Das andere Ende des Kondensators 614 ist geerdet.

Auf diese Weise erzeugt die Schaltung 617 eine Spannungs­ differenz (Vd-Vb), die dem Strom der Pumpzelle entspricht. Die Verstärkerschaltung 612 vergleicht den Spannungswert der Bezugsspannungsquelle 611 und den Stromwert der Pumpzelle (Vd-Vb) und erzeugt auf Grundlage des durch die Wider­ stände 615 und 616 festgelegten Verstärkungsfaktors eine Verstärkung der Ausgabe.

Als Ergebnis wird die in Fig. 16 gezeigte Linie LX1, die angelegte Spannungen wiedergibt, erhalten. Die Bezugs­ spannungsquelle 611 erzeugt für die Linie LX1 eine Offset- Spannung (d. h. eine angelegte Spannung entsprechend 0 mA). Die Neigung der Linie LX1 wird mittels der Verstärker­ schaltung 612 und der Widerstände 615 und 616 ermittelt.

Der Tiefpaßfilter, der aus dem Widerstand 613 und dem Kondensator 614 besteht, liefert ein positives Feedback bzw. eine positive Rückkopplung, um zu verhindern, daß es zu einem Oszillieren der erzeugten, angelegten Spannung kommt.

Eine Schaltung zur Erzeugung einer Steuerspannung für die Sensorzelle kann unter Anwendung einer ähnlichen Schaltungs­ anordnung gebildet werden.

Fünfte Ausführungsform

Fig. 19 zeigt einen Gassensor gemäß einer fünften Aus­ führungsform der Erfindung.

Der Gassensor 30 der fünften Ausführungsform umfaßt eine Schutzschicht 119, die die gesamte Oberfläche der Pump­ elektrode 131 bedeckt. Die Schutzschicht 119 verhindert, daß die Pumpelektrode 131 direkt einem Hochtemperatur-Abgas ausgesetzt wird. Gemäß der Anordnung des Gassensors 30 wird das Abgas von der Seitenfläche der Probengaskammer 201 aus eingeleitet. Der Gassensor 30 umfaßt eine Abfangschicht 129, die die gesamte Seitenwand des Gassensors 30 bedeckt. Die Abfangschicht 129 schützt das poröse Element, mit dem die Probengaskammer 201 gefüllt ist, vor giftigen Substanzen, die in dem Meßgas enthalten sind.

Die restliche Anordnung des Gassensors 30 ist mit derjenigen des Gassensors 20, der in Fig. 10 gezeigt ist, identisch.

Sechste Ausführungsform

Fig. 20 zeigt einen Gassensor gemäß einer sechsten Aus­ führungsform der Erfindung.

Der Gassensor 40 der sechsten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Gassensor 20 dadurch, daß die Sensorzelle 102 und die Pumpzelle 103 ihre Positionen getauscht haben. Die Pumpzelle 103 befindet sich zwischen der Bezugsgaskammer 202 und der Probengaskammer 201. Die Sensorzelle 102 weist eine Elektrode auf, die in der Probengaskammer 201 liegt, und eine andere Elektrode, die in der äußeren Fläche des Gas­ sensors 40 liegt.

Gemischte Modifikationen

Die Meßelektrode 121 kann aus einem Material mit keiner chemischen Aktivität gegenüber NOx-Gas gefertigt sein. Bei­ spielsweise ist die Meßelektrode 121 aus einem Material gefertigt, das Au-Pt enthält, das verwendet wird, um die Pumpelektroden 131 und 132 zu bilden.

Fig. 21 zeigt die Strom-Spannungskennlinie einer Au-Pt- Elektrode bei der Messung eines N₂-O₂-NOx-Gases. Wie aus Fig. 21 hervorgeht, kommt es zu keiner Zersetzung des NOx-Gases, wenn eine relativ kleine Spannung an die Sensor­ zelle 102 angelegt wird. Die Sensorausgabe stammt nur aus der Sauerstoffpumpoperation. Ein Strompegel "c" repräsen­ tiert den Grenzstrom. Wenn eine erhöhte Spannung an die Sensorzelle 102 angelegt wird, fungiert die Au-Pt-Elektrode als Einrichtung zur Zersetzung des NOx-Gases. Somit kommt es aufgrund der Zersetzung des NOx-Gases zu einer zusätzlichen Pumpoperation. In diesem Fall nimmt der Grenzstrom zu und erreicht den Strompegel "d".

Dementsprechend ist der Gassensor, wenn die Pumpelektro­ de 132 und die Meßelektrode 121 aus dem Au-Pt-Material ge­ fertigt sind, durch eine selektive Einstellung des Spannungspegels der Sensorzelle 102 auf "a" oder auf "b" sowohl zur Messung der Konzentration des Sauerstoffgases als auch der Konzentration des NOx-Gases geeignet.

In der in Fig. 21 gezeigten Strom-Spannungskennlinie reprä­ sentiert der Grenzstrom "c", der der Spannung "a" ent­ spricht, die Menge des Sauerstoffgases in der Nähe bzw. Um­ gebung der Sensorzelle 102. Somit wird der Wert des Grenz­ stroms verwendet, um den Offset-Strom, der dem verbliebenen Sauerstoff entspricht, abzuschätzen. Es ist möglich, solch einen Offset-Strom durch eine geeignete Einstellung der Werte der Bestandteile der Schaltung auszugleichen bzw. zu aufzuheben.

Die Erfindung kann in verschiedenen Formen ausgeführt wer­ den, ohne von ihrer Wesensart abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsformen dienen lediglich der Erläuterung und schränken die Erfindung nicht ein, da der Geltungsbereich der Erfindung in erster Linie durch die beigefügten An­ sprüche definiert wird. Alle Änderungen, die in den durch die Ansprüche festgelegten Bereich fallen, oder ihm ent­ sprechen, seien deshalb in die Ansprüche eingeschlossen.

Claims (11)

1. Gassensor (1; 1'), der die nachstehenden Bestandteile umfaßt:
eine Probengaskammer (15; 17), in die ein Probengas einge­ leitet wird;
eine Bezugsgaskammer (16), in die ein Bezugsgas eingeleitet wird;
eine Sensorzelle (3), die sowohl in der Probengas­ kammer (15; 17) als auch der Bezugsgaskammer (16) liegt, zur Ermittlung der Konzentration eines bestimmten Gases, das in dem Probengas enthalten ist;
eine Sauerstoffpumpzelle (2), die in der Probengas­ kammer (15; 17) liegt, um Sauerstoffgas aus oder in die Probengaskammer (15; 17) zu pumpen; und
einen Einleitungsdurchgang (100), der mindestens ein feines Loch umfaßt, das sich auf der Oberfläche der Sauerstoff­ pumpzelle (2) befindet, um das Probengas in die Probengas­ kammer (15; 17) einzuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberfläche der Sauerstoffpumpzelle (2) der Oberseite des Gassensors zugewandt ist, und
eine poröse Diffusionswiderstandsschicht (10) so auf der Oberfläche der Sauerstoffpumpzelle (2) angeordnet ist, daß sie den Bereich, der dem Einleitungsdurchgang (100) entspricht, bedeckt.

2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffpumpzelle (2) eine äußere Pumpelektrode (211) umfaßt, die an ihrer Oberseite angeordnet ist, und die Beziehung A/B ≦ 05 gilt, wenn "A" den Abstand der zentral gelegenen Position (109) des Einleitungsdurchganges (100) von der Vorderkante (219) der äußeren Pumpelektrode (211) und "B" die Länge der äußeren Pumpelektrode (211) repräsentiert.

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einleitungsdurchgang (100) eine Gesamtquerschnittsfläche in einem Bereich von 0,02 bis 0,8 mm² aufweist.

4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einleitungsdurchgang (100) mittels maschineller Bearbeitung hergestellt wird.

5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Diffusionswiderstandsschicht (10) eine Dicke in einem Bereich von 0,05 bis 0,3 mm aufweist.

6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Diffusionswiderstandsschicht (10) einen mittleren Porendurchmesser in einem Bereich von 200 bis 2000 Å auf­ weist.

7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Diffusionswiderstandsschicht (10) eine Porosität in einem Bereich von 3 bis 20% aufweist.

8. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Probengaskammer (15; 17) sowohl einem ersten Fest­ elektrolytelement (11) als auch einem zweiten Fest­ elektrolytelement (13) gegenüberliegt,
die Bezugsgaskammer (16) dem zweiten Festelektrolyt­ element (13) gegenüberliegt; und
die Sauerstoffpumpzelle (2) auf dem ersten Festelektrolyt­ element (11) angeordnet ist und die Sensorzelle (3) auf dem zweiten Festelektrolytelement (13) angeordnet ist.

9. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung 0,5 ≦ D2/(D1 + D2) ≦ 0,9 gilt, wenn D1 den Diffusionswiderstand des Einleitungsdurchganges (100) und D2 den Diffusionswiderstand der porösen Diffusionswiderstands­ schicht (10) darstellt.

10. Verfahren zur Messung der Konzentration eines bestimmten Gases in einem Probengas unter Verwendung eines Gassensors, wobei der Gassensor die nachstehenden Bestandteile umfaßt:
eine Sensorzelle (102), die eine Meßelektrode (121) und eine Bezugselektrode (122) einschließt, die auf einem Fest­ elektrolytelement (113) angeordnet sind, wobei die Meß­ elektrode (121) in einer Probengaskammer (201) und die Be­ zugselektrode (122) in einer Bezugsgaskammer (202) liegt;
eine Pumpzelle (103), die ein Pumpelektrodenpaar (131, 132) einschließt, das auf entgegengesetzten Seiten eines Fest­ elektrolytelementes (111) angeordnet ist, wobei eine der Pumpelektroden (131, 132) in der Probengaskammer (201) liegt;
eine Sensorschaltung (125), die ein erstes Amperemeter (251) und eine Spannungsquelle (253) einschließt, zur Messung des Stromes, der in der Sensorzelle (102) fließt; und
eine Pumpschaltung (135), die ein zweites Amperemeter (351) und eine variable Spannungsquelle (353) einschließt, zur Messung des Stromes, der in der Pumpzelle (103) fließt;
wobei das Verfahren die nachstehenden Schritte umfaßt:
Ermittlung der Konzentration des Sauerstoffgases eines Probengases auf Grundlage des mittels des zweiten Ampere­ meters (351) gemessenen Stromwertes;
Steuerung der variablen Spannungsquelle (353) auf Grundlage des gemessenen Wertes der Konzentration des Sauerstoffgases; und
Ermittlung der Konzentration des bestimmten Gases auf Grund­ lage des mittels des ersten Amperemeters (251) gemessenen Stromwertes.

11. Meßverfahren nach Anspruch 10, wobei die Probengas­ kammer (201) mit einem porösen Element gefüllt ist, das eine Porosität in einem Bereich von 3 bis 30% aufweist.