(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-20
(45)【発行日】2023-12-28
(54)【発明の名称】ガス濃度測定システム及びガス濃度測定方法
(51)【国際特許分類】
G01N 27/41 20060101AFI20231221BHJP
G01N 27/416 20060101ALI20231221BHJP
【ＦＩ】
G01N27/41 325N
G01N27/416 331
G01N27/41 325P
G01N27/41 325Z
G01N27/41 325H
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2020020269
(22)【出願日】2020-02-10
(65)【公開番号】P2021124474
(43)【公開日】2021-08-30
【審査請求日】2022-12-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000116024
【氏名又は名称】ローム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】赤坂 俊輔
(72)【発明者】
【氏名】天本 百合奈
(72)【発明者】
【氏名】中原 健
【審査官】黒田 浩一
(56)【参考文献】
【文献】特開昭６２－０６２２６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０８６３３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６２－１５０１５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０６００７６９７（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開２０１５－２１２６４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１３２３６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－０４８５９６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２７／４１
Ｇ０１Ｎ ２７／４１６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
限界電流式ガスセンサと、
前記限界電流式ガスセンサに接続されている電圧源と、
前記限界電流式ガスセンサに接続されている電流検出器と、
前記電流検出器に接続されているガス濃度演算器とを備え、
前記電圧源は、前記限界電流式ガスセンサに、第１電圧と、前記第１電圧より大きい第２電圧とを供給し、前記第１電圧は、第１ガスに対応する第１限界電流を前記限界電流式ガスセンサに発生させる電圧であり、前記第２電圧は、第２ガスに対応する第２限界電流を前記限界電流式ガスセンサに発生させる電圧であり、
前記電流検出器は、前記限界電流式ガスセンサに前記第１電圧を印加した時における前記限界電流式ガスセンサの第１限界電流値と、前記限界電流式ガスセンサに前記第２電圧を印加した時における前記限界電流式ガスセンサの第２限界電流値とを取得し、
前記ガス濃度演算器は、前記第２限界電流値と前記第１限界電流値との間の差分を取得する差分取得部と、前記差分に基づいて前記第２ガスの濃度を得るガス濃度取得部とを含み、
前記限界電流式ガスセンサは、複数の限界電流式ガスセンサ素子を含み、
前記電流検出器は、前記複数の限界電流式ガスセンサ素子にそれぞれ対応する複数の電流検出素子を含み、
前記複数の電流検出素子は、前記複数の限界電流式ガスセンサ素子に前記第１電圧を印加した時における前記複数の限界電流式ガスセンサ素子の第１の複数の限界電流値を取得し、
前記複数の電流検出素子は、前記複数の限界電流式ガスセンサ素子に前記第２電圧を印加した時における前記複数の限界電流式ガスセンサ素子の第２の複数の限界電流値を取得し、
前記差分は、前記第２の複数の限界電流値と前記第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値である、ガス濃度測定システム。
【請求項2】
前記電圧源は、前記限界電流式ガスセンサへ出力される電圧を、前記第１電圧と前記第２電圧との間で切り換え可能である、請求項１に記載のガス濃度測定システム。
【請求項3】
限界電流式ガスセンサと、
前記限界電流式ガスセンサに接続されている電圧源と、
前記限界電流式ガスセンサに接続されている電流検出器と、
前記電流検出器に接続されているガス濃度演算器とを備え、
前記電圧源は、前記限界電流式ガスセンサに、第１電圧と、前記第１電圧より大きい第２電圧とを供給し、前記第１電圧は、第１ガスに対応する第１限界電流を前記限界電流式ガスセンサに発生させる電圧であり、前記第２電圧は、第２ガスに対応する第２限界電流を前記限界電流式ガスセンサに発生させる電圧であり、
前記電流検出器は、前記限界電流式ガスセンサに前記第１電圧を印加した時における前記限界電流式ガスセンサの第１限界電流値と、前記限界電流式ガスセンサに前記第２電圧を印加した時における前記限界電流式ガスセンサの第２限界電流値とを取得し、
前記ガス濃度演算器は、前記第２限界電流値と前記第１限界電流値との間の差分を取得する差分取得部と、前記差分に基づいて前記第２ガスの濃度を得るガス濃度取得部とを含み、
前記限界電流式ガスセンサは、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子と複数の第２限界電流式ガスセンサ素子とを含み、
前記電流検出器は、前記複数の第１限界電流式ガスセンサ素子にそれぞれ対応する複数の第１電流検出素子と、前記複数の第２限界電流式ガスセンサ素子にそれぞれ対応する複数の第２電流検出素子とを含み、
前記複数の第１電流検出素子は、前記複数の第１限界電流式ガスセンサ素子に前記第１電圧を印加した時における前記複数の第１限界電流式ガスセンサ素子の第１の複数の限界電流値を取得し、
前記複数の第２電流検出素子は、前記複数の第２限界電流式ガスセンサ素子に前記第２電圧を印加した時における前記複数の第２限界電流式ガスセンサ素子の第２の複数の限界電流値を取得し、
前記差分は、前記第２の複数の限界電流値と前記第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値である、ガス濃度測定システム。
【請求項4】
前記電圧源は、前記第１電圧を前記複数の第１限界電流式ガスセンサ素子に供給する第１電圧供給器と、前記第２電圧を前記複数の第２限界電流式ガスセンサ素子に供給する第２電圧供給器とを含む、請求項３に記載のガス濃度測定システム。
【請求項5】
前記差分取得部は、前記第１限界電流値に対応する第１信号と前記第２限界電流値に対応する第２信号とを増幅する増幅回路と、前記増幅回路で増幅された前記第１信号と前記増幅回路で増幅された前記第２信号との間の差分を出力する差分回路とを含む、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のガス濃度測定システム。
【請求項6】
前記第１ガスは、酸素であり、前記第２ガスは、窒素酸化物（ＮＯx）である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のガス濃度測定システム。
【請求項7】
限界電流式ガスセンサと、
前記限界電流式ガスセンサに接続されている電圧源と、
前記限界電流式ガスセンサに接続されている電流検出器と、
前記電流検出器に接続されているガス濃度演算器とを備え、
前記電圧源は、前記限界電流式ガスセンサに、第１電圧と、前記第１電圧より大きい第２電圧とを供給し、前記第１電圧は、第１ガスに対応する第１限界電流を前記限界電流式ガスセンサに発生させる電圧であり、前記第２電圧は、第２ガスに対応する第２限界電流を前記限界電流式ガスセンサに発生させる電圧であり、
前記電流検出器は、前記限界電流式ガスセンサに前記第１電圧を印加した時における前記限界電流式ガスセンサの第１限界電流値と、前記限界電流式ガスセンサに前記第２電圧を印加した時における前記限界電流式ガスセンサの第２限界電流値とを取得し、
前記ガス濃度演算器は、前記第２限界電流値と前記第１限界電流値との間の差分を取得する差分取得部と、前記差分に基づいて前記第２ガスの濃度を得るガス濃度取得部とを含み、
前記限界電流式ガスセンサは、固体電解質と、第１電極と、第２電極と、ガス導入路とを含み、
前記第１電極は、前記固体電解質上に設けられており、
前記第２電極は、前記固体電解質上に設けられており、
前記ガス導入路は、ガス入口と前記第１電極のうち前記固体電解質に対向している第１部分との間に延在しており、
前記第１電極は、第１多孔質金属電極であり、
前記ガス導入路は、前記第１電極の第１融点より高い第２融点を有する第１多孔質遷移金属酸化物で形成されており、前記第１多孔質遷移金属酸化物は、Ｔａ2Ｏ5、ＴｉＯ2またはＣｒ2Ｏ3である、ガス濃度測定システム。
【請求項8】
電圧源から限界電流式ガスセンサに第１電圧を印加して、電流検出器を用いて前記限界電流式ガスセンサの第１限界電流値を取得することを備え、前記第１電圧は、第１ガスに対応する第１限界電流を前記限界電流式ガスセンサに発生させる電圧であり、
前記電圧源から前記限界電流式ガスセンサに前記第１電圧より大きい第２電圧を印加して、前記電流検出器を用いて前記限界電流式ガスセンサの第２限界電流値を取得することとを備え、前記第２電圧は、第２ガスに対応する第２限界電流を前記限界電流式ガスセンサに発生させる電圧であり、さらに、
前記第２限界電流値と前記第１限界電流値との間の差分を取得することと、
前記差分に基づいて前記第２ガスの濃度を得ることとを備え、
前記限界電流式ガスセンサは、複数の限界電流式ガスセンサ素子を含み、
前記電流検出器は、前記複数の限界電流式ガスセンサ素子にそれぞれ対応する複数の電流検出素子を含み、
前記第１限界電流値を取得することは、前記複数の限界電流式ガスセンサ素子に前記第
１電圧を印加して、前記複数の電流検出素子を用いて前記複数の限界電流式ガスセンサ素子の第１の複数の限界電流値を取得することであり、
前記第２限界電流値を取得することは、前記複数の限界電流式ガスセンサ素子に前記第２電圧を印加して、前記複数の電流検出素子を用いて前記複数の限界電流式ガスセンサ素子の第２の複数の限界電流値を取得することであり、
前記差分を取得することは、前記第２の複数の限界電流値と前記第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値を取得することである、ガス濃度測定方法。
【請求項9】
前記第１限界電流値を取得した後かつ前記第２限界電流値を取得する前に、前記限界電流式ガスセンサに印加する電圧を前記第１電圧から前記第２電圧に切り換える、請求項８に記載のガス濃度測定方法。
【請求項10】
電圧源から限界電流式ガスセンサに第１電圧を印加して、電流検出器を用いて前記限界電流式ガスセンサの第１限界電流値を取得することを備え、前記第１電圧は、第１ガスに対応する第１限界電流を前記限界電流式ガスセンサに発生させる電圧であり、
前記電圧源から前記限界電流式ガスセンサに前記第１電圧より大きい第２電圧を印加して、前記電流検出器を用いて前記限界電流式ガスセンサの第２限界電流値を取得することとを備え、前記第２電圧は、第２ガスに対応する第２限界電流を前記限界電流式ガスセンサに発生させる電圧であり、さらに、
前記第２限界電流値と前記第１限界電流値との間の差分を取得することと、
前記差分に基づいて前記第２ガスの濃度を得ることとを備え、
前記限界電流式ガスセンサは、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子と複数の第２限界電流式ガスセンサ素子とを含み、
前記電流検出器は、前記複数の第１限界電流式ガスセンサ素子にそれぞれ対応する複数の第１電流検出素子と、前記複数の第２限界電流式ガスセンサ素子にそれぞれ対応する複数の第２電流検出素子とを含み、
前記第１限界電流値を取得することは、前記複数の第１限界電流式ガスセンサ素子に前記第１電圧を印加して、前記複数の第１電流検出素子を用いて前記複数の第１限界電流式ガスセンサ素子の第１の複数の限界電流値を取得することであり、
前記第２限界電流値を取得することは、前記複数の第２限界電流式ガスセンサ素子に前記第２電圧を印加して、前記複数の第２電流検出素子を用いて前記複数の第２限界電流式ガスセンサ素子の第２の複数の限界電流値を取得することであり、
前記差分を取得することは、前記第２の複数の限界電流値と前記第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値を取得することである、ガス濃度測定方法。
【請求項11】
前記電圧源は、前記第１電圧を前記複数の第１限界電流式ガスセンサ素子に供給する第１電圧供給器と、前記第２電圧を前記複数の第２限界電流式ガスセンサ素子に供給する第２電圧供給器とを含み、前記第１の複数の限界電流値を取得しながら、前記第２の複数の限界電流値を取得する、請求項１０に記載のガス濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ガス濃度測定システム及びガス濃度測定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特開平１０－３８８４５号公報（特許文献１）は、酸素（Ｏ2）と窒素酸化物（ＮＯx）とを含む被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯx）の濃度を測定するガスセンサを開示している。具体的には、このガスセンサは、第一の部屋と、第一の部屋に連通する第二の部屋とを有している。第一の部屋では、被測定ガスに含まれる酸素を除去して、被測定ガス中の酸素濃度を大幅に低下させる。酸素濃度を大幅に低下した被測定ガスが第二の部屋に流れ込む。第二の部屋では、被測定ガスに含まれるＮＯxは、窒素（Ｎ2）と酸素（Ｏ2）とに分解される。ＮＯxから分解された酸素から得られる酸素イオンが固体電解質を伝導して、固体電解質に限界電流が流れる。この限界電流の大きさ（限界電流値）は、酸素イオンの量、すなわち、ＮＯxの濃度に比例する。限界電流値から、被測定ガスに含まれるＮＯxの濃度が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平１０－３８８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、特許文献１に開示されたガスセンサは、第一の部屋と第二の部屋とを有しているため、ガスセンサのサイズが大きい。本開示は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、より小型化されたガス濃度測定システム、及び、ガス濃度測定システムの小型化を可能にするガス濃度測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示のガス濃度測定システムは、限界電流式ガスセンサと、限界電流式ガスセンサに接続されている電圧源と、限界電流式ガスセンサに接続されている電流検出器と、電流検出器に接続されているガス濃度演算器とを備える。電圧源は、限界電流式ガスセンサに、第１電圧と、第１電圧より大きい第２電圧とを供給する。第１電圧は、第１ガスに対応する第１限界電流を限界電流式ガスセンサに発生させる電圧である。第２電圧は、第２ガスに対応する第２限界電流を限界電流式ガスセンサに発生させる電圧である。電流検出器は、限界電流式ガスセンサに第１電圧を印加した時における限界電流式ガスセンサの第１限界電流値と、限界電流式ガスセンサに第２電圧を印加した時における限界電流式ガスセンサの第２限界電流値とを取得する。ガス濃度演算器は、第２限界電流値と第１限界電流値との間の差分を取得する差分取得部と、差分に基づいて第２ガスの濃度を得るガス濃度取得部とを含む。
【0006】
本開示のガス濃度測定方法は、電圧源から限界電流式ガスセンサに第１電圧を印加して、電流検出器を用いて限界電流式ガスセンサの第１限界電流値を取得することを備える。第１電圧は、第１ガスに対応する第１限界電流を限界電流式ガスセンサに発生させる電圧である。本開示のガス濃度測定方法は、電圧源から限界電流式ガスセンサに第１電圧より大きい第２電圧を印加して、電流検出器を用いて限界電流式ガスセンサの第２限界電流値を取得することを備える。第２電圧は、第２ガスに対応する第２限界電流を限界電流式ガスセンサに発生させる電圧である。本開示のガス濃度測定方法は、第２限界電流値と第１限界電流値との間の差分を取得することと、差分に基づいて第２ガスの濃度を得ることとを備える。
【発明の効果】
【0007】
本開示のガス濃度測定システムによれば、ガス濃度測定システムをより小型化することができる。本開示のガス濃度測定方法によれば、ガス濃度測定システムの小型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施の形態１のガス濃度測定システムの概略図である。
【図2】実施の形態１のガス濃度測定システムの限界電流式ガスセンサ素子の一例を示す概略部分拡大断面図である。
【図3】実施の形態１のガス濃度測定システムの差分取得部の一例の電気回路を示す図である。
【図4】実施の形態１のガス濃度測定システム（限界電流式ガスセンサ素子）の電流－電圧特性を示す図である。
【図5】実施の形態１のガス濃度測定システムのメモリに記憶されているデータテーブルの一例を示す図である。
【図6】実施の形態１のガス濃度測定方法のフローチャートを示す図である。
【図7】実施の形態１の限界電流式ガスセンサ及び比較例の限界電流式ガスセンサの限界電流値の温度係数のばらつきと、実施の形態１の限界電流式ガスセンサ及び比較例の限界電流式ガスセンサの応答時間のばらつきとを示す図である。
【図8】限界電流式ガスセンサの限界電流値の温度係数の算出方法を示す図である。
【図9】限界電流式ガスセンサの限界電流値の応答時間の算出方法を示す図である。
【図10】実施の形態２のガス濃度測定システムの概略図である。
【図11】実施の形態２のガス濃度測定方法のフローチャートを示す図である。
【図12】実施の形態３のガス濃度測定システムの概略図である。
【図13】実施の形態３のガス濃度測定方法のフローチャートを示す図である。
【図14】実施の形態４のガス濃度測定システムの概略図である。
【図15】実施の形態４のガス濃度測定方法のフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【0010】
（実施の形態１）
図１から図５を参照して、実施の形態１のガス濃度測定システム１を説明する。ガス濃度測定システム１は、第１ガスと第２ガスとを含む被測定ガス４中の第２ガスの濃度を測定することができる。被測定ガス４は、例えば、自動車の排ガスである。第１ガスは、例えば、酸素（Ｏ2）である。第２ガスは、例えば、窒素酸化物（ＮＯｘ）である。
図１から図５を参照して、実施の形態１のガス濃度測定システム１を説明する。ガス濃度測定システム１は、第１ガスと第２ガスとを含む被測定ガス４中の第２ガスの濃度を測定することができる。被測定ガス４は、例えば、自動車の排ガスである。第１ガスは、例えば、酸素（Ｏ2）である。第２ガスは、例えば、窒素酸化物（ＮＯｘ）である。
【0011】
ガス濃度測定システム１は、限界電流式ガスセンサ２と、電圧源５と、電流検出器６と、ガス濃度演算器８と、メモリ９とを主に備える。
【0012】
限界電流式ガスセンサ２は、薄膜型限界電流式ガスセンサであってもよいし、バルク型限界電流式ガスセンサであってもよい。図２を参照して、限界電流式ガスセンサ２の一例である薄膜型限界電流式ガスセンサの構成を説明する。
【0013】
限界電流式ガスセンサ２は、限界電流式ガスセンサ素子３を主に含む。限界電流式ガスセンサ２は、基板１０と、ヒータ１２と、絶縁層１１，１３とをさらに含んでもよい。
【0014】
基板１０は、特に限定されないが、シリコン（Ｓｉ）基板である。基板１０の厚さは、例えば、２μｍ以下である。そのため、基板１０の熱容量が小さくなって、ヒータ１２の消費電力を低減させることができる。
【0015】
ヒータ１２は、固体電解質２０におけるイオン伝導を可能にするために、固体電解質２０を加熱する。ヒータ１２は、基板１０上に設けられている。具体的には、ヒータ１２は、絶縁層１１を介して、基板１０の上面上に形成されている。絶縁層１１は、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）または酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）で形成されている。ヒータ１２は、絶縁層１１上に設けられている。絶縁層１１は、ヒータ１２と基板１０とを電気的に絶縁している。ヒータ１２は、例えば、白金（Ｐｔ）薄膜ヒータまたはポリシリコン薄膜ヒータである。ヒータ１２上に、絶縁層１３が設けられている。ヒータ１２は、絶縁層１１と絶縁層１３とによって挟まれている。絶縁層１３は、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）または酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）で形成されている。
【0016】
ヒータ１２は、基板１０の下面上に形成されてもよい。例えば、絶縁層１１、ヒータ１２及び絶縁層１３で構成される積層体が、基板１０の下面上に形成されてもよい。ヒータ１２は、基板１０に埋め込まれていてもよい。例えば、絶縁層１１、ヒータ１２及び絶縁層１３で構成される積層体が、基板１０に埋め込まれていてもよい。
【0017】
本実施の形態では、基板１０の上面上に、少なくとも一つの限界電流式ガスセンサ素子３が形成されている。限界電流式ガスセンサ素子３は、ガス導入路１６と、第１電極１７と、固体電解質２０と、第２電極２７とを主に含む。限界電流式ガスセンサ素子３は、ガス排出路３０と、絶縁膜３２とをさらに含んでもよい。限界電流式ガスセンサ素子３は、絶縁層１５，２２，２３，２５，２８をさらに含んでもよい。
【0018】
絶縁層１３上に、絶縁層１５が設けられている。絶縁層１５は、例えば、五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）層である。
【0019】
絶縁層１３上に、絶縁層１５を介して、ガス導入路１６が設けられている。ガス導入路１６は、ガス入口３５と第１電極１７のうち固体電解質２０に対向している第１部分１７ｄとの間に延在している。基板１０の上面に沿う方向（図２の左右方向）におけるガス導入路１６の長さは、例えば、ガス導入路１６の厚さの１０倍以上である。基板１０の上面に沿う方向（図２の左右方向）におけるガス導入路１６の長さは、例えば、第１電極１７の厚さの１０倍以上である。
【0020】
ガス導入路１６は、第１電極１７の第１融点より高い第２融点を有する第１多孔質遷移金属酸化物で形成されている。ガス導入路１６は、第２電極２７の第３融点より高い第２融点を有する第１多孔質遷移金属酸化物で形成されている。本明細書では、遷移金属は、国際純正・応用化学連合（ＩＵＰＡＣ）の元素の長周期表における３族から１１族までの元素を意味する。第１多孔質遷移金属酸化物は、例えば、五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、二酸化チタン（ＴｉＯ2）または酸化クロム（III）（Ｃｒ2Ｏ3）である。
【0021】
固体電解質２０におけるイオンの伝導を可能にするために、限界電流式ガスセンサ２は、ヒータ１２を用いて、例えば、４００℃以上７５０℃以下の高温で動作する。また、ガス導入路１６は第１電極１７の第１融点より高い第２融点を有する第１多孔質遷移金属酸化物で形成されている。そのため、限界電流式ガスセンサ２を高温で動作させると、第１電極１７では空孔が凝集するのに対し、ガス導入路１６では空孔が均一に分布したままである。そのため、ガス導入路１６は、第１電極１７よりも被測定ガス４を通しやすい。
【0022】
ガス導入路１６の第１充填率は、例えば、６０％以下である。ガス導入路１６の第１充填率は、例えば、４５％以下であってもよい。第１多孔質遷移金属酸化物で形成されているガス導入路１６は、例えば、遷移金属酸化物を斜方蒸着することによって得られる。第１多孔質遷移金属酸化物で形成されているガス導入路１６は、遷移金属酸化物の粉末を焼結させることによって得られてもよく、ガス導入路１６は、多孔質の遷移金属酸化物焼結体であってもよい。ガス導入路１６は、単位時間当たりの固体電解質２０への被測定ガス４の流量を制限する。
【0023】
ガス導入路１６の第１充填率が減少して、ガス導入路１６の空孔率が増加すると、被測定ガス４がガス導入路１６を通りやすくなり、限界電流式ガスセンサ２の応答時間が短縮され得る。ガス導入路１６の空孔率が増加すると、限界電流式ガスセンサ２の動作時に固体電解質２０に発生する熱歪を、ガス導入路１６で緩和することができる。限界電流式ガスセンサ２の限界電流値の温度係数のばらつきを減少させることができる。
【0024】
本明細書において、ある層の充填率は、以下のようにして算出される。当該層の反射スペクトルを得る。この反射スペクトルから当該層の光学厚さｎｄを算出する。ｎは当該層の屈折率を表し、ｄは当該層の物理厚さを表す。それから、当該層のＳＥＭ断面像を取得する。当該層のＳＥＭ断面像から、当該層の物理厚さｄを得る。当該層の光学厚さｎｄと当該層の物理厚さｄとから、当該層の屈折率ｎを得る。予め当該層の充填率が１００％である場合の屈折率ｎ100を得ておく。一般に、ローレンツ・ローレンツの式から、当該層の充填率は、（ｎ2－１）／（ｎ2＋２）に比例することが分かる。そこで、（ｎ100
2－１）／（ｎ100
2＋２）に対する（ｎ2－１）／（ｎ2＋２）の比率を算出して、当該層の充填率が算出される。
【0025】
第１電極１７は、ガス導入路１６上に設けられている。第１電極１７は、固体電解質２０上に設けられている。特定的には、第１電極１７は、基板１０に対向する固体電解質２０の第１面２０ａ（固体電解質２０の下面）上に設けられている。第１電極１７の第１部分１７ｄは、固体電解質２０の第１面２０ａに対向している。第１電極１７は、固体電解質２０とガス導入路１６との間に設けられている。第１電極１７の第１部分１７ｄは、第１電極１７のうち、基板１０の上面の法線方向において固体電解質２０とガス導入路１６との間に挟まれている部分である。第１電極１７の第１部分１７ｄは、固体電解質２０の第１面２０ａに接してもよい。
【0026】
第１電極１７は、第１多孔質金属電極である。そのため、第１電極１７は、被測定ガス４を固体電解質２０に向けて通しやすい。第１電極１７の第１融点は、ガス導入路１６を構成する第１多孔質遷移金属酸化物の第２融点より低い。第１電極１７の第１融点は、ガス排出路３０を構成する第２多孔質遷移金属酸化物の第４融点より低い。第１電極１７は、例えば、白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）で形成されている。
【0027】
第１電極１７の厚さは、例えば、０．１μｍ以上１０μｍ以下である。第１電極１７は、ガス入口３５まで延在してもよい。基板１０の上面に沿う方向（図１の左右方向）における第１電極１７の長さは、例えば、第１電極１７の厚さの１０倍以上である。そのため、限界電流式ガスセンサ２の高温での動作時に第１電極１７の空孔が凝集すると、基板１０の上面に沿う方向（図２の左右方向）では第１電極１７の被測定ガス４の透過率は大きく減少するが、第１電極１７の厚さ方向（図２の上下方向）では第１電極１７の被測定ガス４の透過率は比較的高い。限界電流式ガスセンサ２の高温での動作時にガス導入路１６は第１電極１７よりも被測定ガス４を通しやすい。第１電極１７がガス入口３５まで延在していても、被測定ガス４は主にガス導入路１６を流れる。
【0028】
固体電解質２０は、第１電極１７上に設けられている。固体電解質２０は、基板１０に対向している第１面２０ａ（下面）と、第１面２０ａとは反対側の第２面２０ｂ（上面）とを含む。固体電解質２０は、酸素イオン伝導体のようなイオン伝導体である。固体電解質２０は、例えば、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2またはＢｉ2Ｏ3等の母材に、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3またはＹｂ2Ｏ3等が安定剤として添加されている酸素イオン伝導体である。特定的には、固体電解質２０は、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で形成されている。固体電解質２０は、例えば、（Ｌａ，Ｓｒ，Ｇａ，Ｍｇ，Ｃｏ）Ｏ3で形成されている酸素イオン伝導体であってもよい。固体電解質２０は、ヒータ１２によって加熱されることによって、イオン伝導性を有する。限界電流式ガスセンサ２の動作時に、固体電解質２０は、ヒータ１２を用いて、例えば、４００℃以上７５０℃以下の温度で加熱される。
【0029】
固体電解質２０は、例えば１μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有する薄膜であり、限界電流式ガスセンサ２は薄膜型限界電流式ガスセンサである。固体電解質２０は、例えば１００μｍ以上の厚さを有するバルクであってもよく、限界電流式ガスセンサ２はバルク型限界電流式ガスセンサであってもよい。
【0030】
絶縁層１３と、ガス導入路１６の側面と、第１電極１７の側面と、固体電解質２０の側面及び第２面２０ｂの一部とに、絶縁層２２が設けられている。絶縁層２２は、例えば、五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）層である。絶縁層２２上に、絶縁層２３が設けられている。絶縁層２３は、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）層である。絶縁層２２の側面上と絶縁層２３上とに、絶縁層２５が設けられている。絶縁層２５は、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ2）層である。絶縁層２２、絶縁層２３及び絶縁層２５には、第１開口と第２開口とが設けられている。第１開口から、固体電解質２０の第２面２０ｂの一部が露出している。第２開口から、第１電極１７が露出している。第２開口は、ガス入口３５として機能する。第１電極１７がガス入口３５まで延在していない場合、第２開口から、ガス導入路１６が露出している。
【0031】
第２電極２７は、固体電解質２０上に設けられている。特定的には、第２電極２７は、固体電解質２０の第２面２０ｂ（固体電解質２０の上面）上に設けられている。第２電極２７の第２部分２７ｄは、固体電解質２０の第２面２０ｂに対向している。第２電極２７の第２部分２７ｄは、第２電極２７のうち、基板１０の上面の法線方向において固体電解質２０の第２面２０ｂに対向している部分である。第２電極２７の第２部分２７ｄは、固体電解質２０の第２面２０ｂに接してもよい。第２電極２７は、固体電解質２０とガス排出路３０との間に設けられている。
【0032】
第２電極２７は、第２多孔質金属電極である。そのため、第２電極２７は、ガスをガス排出路３０に向けて通しやすい。第２電極２７の第３融点は、ガス導入路１６を構成する第１多孔質遷移金属酸化物の第２融点より低い。第２電極２７の第３融点は、ガス排出路３０を構成する第２多孔質遷移金属酸化物の第４融点より低い。第２電極２７は、例えば、白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）で形成されている。
【0033】
第２電極２７は、絶縁層２５上に設けられている。第２電極２７は、絶縁層２２、絶縁層２３及び絶縁層２５に設けられている第１開口内に設けられている。第２電極２７の厚さは、例えば、０．１μｍ以上１０μｍ以下である。第２電極２７は、ガス出口３６まで延在してもよい。基板１０の上面に沿う方向（図２の左右方向）における第２電極２７の長さは、例えば、第２電極２７の厚さの１０倍以上である。そのため、限界電流式ガスセンサ２の高温での動作時に第２電極２７の空孔が凝集すると、基板１０の上面に沿う方向（図２の左右方向）では第２電極２７のガスの透過率は大きく減少するが、第２電極２７の厚さ方向（図２の上下方向）では第２電極２７のガスの透過率は比較的高い。
【0034】
第２電極２７上に、絶縁層２８が設けられている。絶縁層２８は、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ2）層である。
【0035】
絶縁層２８上に、ガス排出路３０が設けられている。ガス排出路３０は、ガス出口３６と第２電極２７のうち固体電解質２０に対向している第２部分２７ｄとの間に延在している。基板１０の上面に沿う方向（図２の左右方向）におけるガス排出路３０の長さは、例えば、ガス排出路３０の厚さの１０倍以上である。基板１０の上面に沿う方向（図２の左右方向）におけるガス排出路３０の長さは、例えば、第２電極２７の厚さの１０倍以上である。
【0036】
ガス排出路３０は、第１電極１７の第１融点より高い第４融点を有する第２多孔質遷移金属酸化物で形成されている。ガス排出路３０は、第２電極２７の第３融点より高い第４融点を有する第２多孔質遷移金属酸化物で形成されている。第２多孔質遷移金属酸化物は、五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、二酸化チタン（ＴｉＯ2）または酸化クロム（III）（Ｃｒ2Ｏ3）である。
【0037】
固体電解質２０におけるイオンの伝導を可能にするために限界電流式ガスセンサ２を高温で動作させると、第２電極２７では空孔が凝集するのに対し、ガス排出路３０では空孔が均一に分布したままである。そのため、ガス排出路３０は第２電極２７よりもガスを通しやすい。第２電極２７がガス出口３６まで延在していても、ガスは主にガス排出路３０を流れる。
【0038】
ガス排出路３０の第２充填率は、例えば、６０％以下である。ガス排出路３０の第２充填率は、例えば、４５％以下であってもよい。第２多孔質遷移金属酸化物で形成されているガス排出路３０は、例えば、遷移金属酸化物を斜方蒸着することによって得られる。第２多孔質遷移金属酸化物で形成されているガス排出路３０は、遷移金属酸化物の粉末を焼結させることによって得られてもよく、ガス排出路３０は、多孔質の遷移金属酸化物焼結体であってもよい。
【0039】
ガス排出路３０の第２充填率が減少して、ガス排出路３０の空孔率が増加すると、ガスがガス排出路３０を通りやすくなり、限界電流式ガスセンサ２の応答時間が短縮され得る。ガス排出路３０の空孔率が増加すると、限界電流式ガスセンサ２の動作時に固体電解質２０に発生する熱歪を、ガス排出路３０で緩和することができる。限界電流式ガスセンサ２の限界電流値の温度係数のばらつきを減少させることができる。
【0040】
絶縁膜３２は、第１電極１７の第１部分１７ｄと、固体電解質２０と、第２電極２７の第２部分２７ｄとからなる積層体を覆っている。絶縁膜３２は、ガス排出路３０のうち第２電極２７の第２部分２７ｄに対向する部分をさらに覆っている。絶縁膜３２は、第２電極２７に対して基板１０から遠位している。絶縁膜３２は、さらに、絶縁層２５上と、第２電極２７の側面上と、絶縁層２８の側面上とに設けられている。絶縁膜３２は、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）層である。
【0041】
図１に示されるように、電圧源５は、限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）に接続されている。具体的には、電圧源５の負極は、限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）の第１電極１７に接続されている。電圧源５の正極は、限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）の第２電極２７に接続されている。電圧源５は、限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）に、第１電圧Ｖ1（図３を参照）と、第１電圧Ｖ1より大きい第２電圧Ｖ2（図３を参照）とを供給する。第１電圧Ｖ1は、第１ガスに対応する第１限界電流を限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）に発生させる電圧である。第２電圧Ｖ2は、第２ガスに対応する第２限界電流を限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）に発生させる電圧である。電圧源５は、限界電流式ガスセンサ２へ出力される電圧を、第１電圧Ｖ1と第２電圧Ｖ2との間で切り換え可能である。
【0042】
電流検出器６は、限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）に接続されている。具体的には、電流検出器６は、限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）の第１電極１７と第２電極２７に接続されている。ガス導入路１６によって固体電解質２０への被測定ガス４の流量が制限されているため、第１電極１７と第２電極２７との間の電圧を増加させても、固体電解質を通って第１電極１７と第２電極２７との間に流れる電流が一定となる。この一定の電流は、限界電流と呼ばれている。電流検出器６は、限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）に第１電圧Ｖ1を印加した時における限界電流式ガスセンサ２の第１限界電流値Ｉ1（図３を参照）と、限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）に第２電圧Ｖ2を印加した時における限界電流式ガスセンサ２の第２限界電流値Ｉ2（図３を参照）とを取得する。限界電流値は、限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）の限界電流の大きさを意味する。
【0043】
限界電流式ガスセンサ２に第１電圧Ｖ1を印加している時に、第１ガスに起因する第１限界電流が限界電流式ガスセンサ２に流れる。第１限界電流値Ｉ1は、被測定ガス４（例えば、排ガス）に含まれる第１ガス（例えば、酸素（Ｏ2））の濃度に比例する。これに対し、第２電圧Ｖ2は第１電圧Ｖ1よりも大きいため、限界電流式ガスセンサ２に第２電圧Ｖ2を印加している時に、第２ガスに起因する限界電流に加えて、第１ガスに起因する第１限界電流も、限界電流式ガスセンサ２を流れる。第２限界電流値Ｉ2は、第１ガス（例えば、酸素（Ｏ2））の濃度に比例する第１限界電流値Ｉ1と、第２ガス（例えば、窒素酸化物（ＮＯX））の濃度に比例する限界電流値との和で与えられる。
【0044】
ガス濃度演算器８は、電流検出器６に接続されている。ガス濃度演算器８は、差分取得部８ａと、ガス濃度取得部８ｇとを含む。
【0045】
差分取得部８ａは、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩ（図３を参照）を取得する。具体的には、差分ΔＩは、第２限界電流値Ｉ2から第１限界電流値Ｉ1を差し引くことによって得られる。上記のとおり、第２限界電流値Ｉ2は、第１ガス（例えば、酸素（Ｏ2））の濃度に比例する第１限界電流値Ｉ1と、第２ガス（例えば、窒素酸化物（ＮＯX））の濃度に比例する限界電流値との和で与えられる。そのため、第２ガス（例えば、窒素酸化物（ＮＯX））の濃度に比例する限界電流値は、第２限界電流値Ｉ2から第１限界電流値Ｉ1を差し引くことによって得られる。
【0046】
一例では、ガス濃度演算器８は、主に半導体材料で形成されている演算処理装置を含む。演算処理装置で、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩを算出するプログラムが実行される。差分取得部８ａは、演算処理装置で実行されるプログラムの処理の一部である。このプログラムは、例えば、ＲＯＭまたはＲＡＭのようなメモリ９に記憶されている。
【0047】
別の例では、図４に示されるように、差分取得部８ａは、電気回路で構成されてもよい。具体的には、差分取得部８ａは、増幅回路４０と、差分回路５０と含んでもよい。増幅回路４０は、限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）に接続されている。増幅回路４０は、第１限界電流値Ｉ1に対応する第１信号と、第２限界電流値Ｉ2に対応する第２信号とを増幅する。増幅回路４０は、例えば、オペアンプ４１と抵抗４２とを含む。
【0048】
差分回路５０は、増幅回路４０で増幅された第１信号と増幅回路４０で増幅された第２信号との間の差分電圧を出力する。差分回路５０は、例えば、オペアンプ５１と、抵抗５２，５３，５４，５５と、基準電圧５６とを含む。差分回路５０は、第１参照電圧６１と第２参照電圧６２とスイッチ６３とをさらに含む。基準電圧５６は、例えば、第１参照電圧６１と第２参照電圧６２との間の中間の電圧である。第１限界電流値Ｉ1を得るときに、スイッチ６３は、第１参照電圧６１に接続される。第２限界電流値Ｉ2を得るときに、スイッチ６３は、第２参照電圧６２に接続される。差分回路５０は、増幅回路４０によって増幅された第１信号に重畳する増幅回路４０（例えば、オペアンプ４１）の第１オフセット電圧と、増幅回路４０によって増幅された第２信号に重畳する増幅回路４０（例えば、オペアンプ４１）の第２オフセット電圧とを互いに打ち消すことができる。
【0049】
ガス濃度取得部８ｇは、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩに基づいて第２ガスの濃度を得る。具体的には、ガス濃度取得部８ｇは、差分取得部８ａとメモリ９とに接続されている。第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩが、差分取得部８ａからガス濃度取得部８ｇに入力される。第２ガスの種類も、ガス濃度取得部８ｇに入力される。例えば、第２ガスの種類はメモリ９に記憶されており、ガス濃度取得部８ｇはメモリ９から第２ガスの種類を読み出す。メモリ９には、第２ガス濃度の種類と、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩと、第２ガス濃度とが互いに対応づけられているデータテーブル９ｔ（図５を参照）が記憶されている。ガス濃度取得部８ｇは、データテーブル９ｔを参照して、第２ガスの種類と差分ΔＩとに対応する第２ガスの濃度を得る。
【0050】
図６を参照して、実施の形態１のガス濃度測定方法を説明する。
本実施の形態のガス濃度測定方法は、第１ガスと第２ガスとを含む被測定ガス４を、限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）に流入させる（Ｓ１）。被測定ガス４は、例えば、自動車の排ガスである。第１ガスは、例えば、酸素（Ｏ2）である。第２ガスは、例えば、窒素酸化物（ＮＯx）である。被測定ガス４は、主にガス導入路１６を通って、ガス入口３５から第１電極１７に流れる。ガス導入路１６は、単位時間当たりの固体電解質２０への被測定ガス４の流量を制限する。
本実施の形態のガス濃度測定方法は、第１ガスと第２ガスとを含む被測定ガス４を、限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）に流入させる（Ｓ１）。被測定ガス４は、例えば、自動車の排ガスである。第１ガスは、例えば、酸素（Ｏ2）である。第２ガスは、例えば、窒素酸化物（ＮＯx）である。被測定ガス４は、主にガス導入路１６を通って、ガス入口３５から第１電極１７に流れる。ガス導入路１６は、単位時間当たりの固体電解質２０への被測定ガス４の流量を制限する。
【0051】
本実施の形態のガス濃度測定方法は、電圧源５から限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）に第１電圧Ｖ1を印加して、電流検出器６を用いて限界電流式ガスセンサ２の第１限界電流値Ｉ1を取得すること（Ｓ２）を備える。第１電圧Ｖ1は、第１ガスに対応する第１限界電流を限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）に発生させる電圧である。
【0052】
具体的には、電圧源５は、第１電極１７と第２電極２７との間に、第１電圧Ｖ1を印加する。第１電極１７は、電圧源５の負極に接続されている。電圧源５は、第１電極１７に電子を供給する。第１ガスは、第１電極１７と固体電解質２０との界面で電子を受け取って、第１ガスに含まれる第１元素の第１イオンに変換される。例えば、第１ガスは酸素（Ｏ2）であり、第１イオンは酸素イオン（２Ｏ2-）である。固体電解質２０は、ヒータ１２を用いて、例えば、４００℃以上７５０℃以下の温度で加熱されている。固体電解質２０は、第１イオンを、固体電解質２０の第１面２０ａから固体電解質２０の第２面２０ｂに伝導させる。第１イオンの伝導に起因して、第１電極１７と第２電極２７との間に電流が流れる。
【0053】
ガス導入路１６によって固体電解質２０への被測定ガス４の流量が制限されているため、第１電極１７と第２電極２７との間の電圧を増加させても、第１電極１７と第２電極２７との間に流れる電流が一定となる。この一定の電流は、第１限界電流である。第１限界電流の大きさである第１限界電流値Ｉ1は、被測定ガス４に含まれる第１ガスの濃度に比例する。第１限界電流値Ｉ1は、電流検出器６で測定される。
【0054】
第２電極２７は、電圧源５の正極に接続されている。電圧源５は、第２電極２７から電子を奪う。第２電極２７に到達した第１イオン（例えば、２Ｏ2-）は、第２電極２７と固体電解質２０との界面で電子を奪われて、ガス（例えば、Ｏ2）に変換される。ガスは、第２多孔質金属電極である第２電極２７を通って、ガス排出路３０に達する。ガス排出路３０は、第２電極２７よりもガスを通しやすい。ガスは、主にガス排出路３０を通って、ガス出口３６から放出される。
【0055】
本実施の形態のガス濃度測定方法は、電圧源５から限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）に、第１電圧Ｖ1より大きい第２電圧Ｖ2を印加して、電流検出器６を用いて限界電流式ガスセンサ２の第２限界電流値Ｉ2を取得すること（Ｓ３）を備える。第２電圧Ｖ2は、第２ガスに対応する第２限界電流を限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）に発生させる電圧である。
【0056】
具体的には、限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）に印加する電圧を、第１電圧Ｖ1から第２電圧Ｖ2に切り換える。第２ガスが例えば窒素酸化物（ＮＯX）であるとき、第１電極１７は、窒素酸化物（ＮＯx）の大部分を占める一酸化窒素ＮＯを、窒素（Ｎ2）と酸素（Ｏ2）とに分解する。
【0057】
第１電極１７は、電圧源５の負極に接続されている。電圧源５は、第１電極１７に電子を供給する。酸素（Ｏ2）は、第１電極１７と固体電解質２０との界面で電子を受け取って、第２ガスに含まれる第２元素の第２イオンに変換される。例えば、第２イオンは酸素イオン（２Ｏ2-）である。固体電解質２０は、ヒータ１２を用いて、例えば、４００℃以上７５０℃以下の温度で加熱されている。固体電解質２０は、第２イオンを、固体電解質２０の第１面２０ａから固体電解質２０の第２面２０ｂに伝導させる。第２イオンの伝導に起因して、第１電極１７と第２電極２７との間に電流が流れる。なお、第１ガスに含まれる第１元素の第１イオンと第２ガスに含まれる第２元素の第２イオンとは、ともに、固体電解質２０を伝導し得る。第２ガスに含まれる第２元素の第２イオンは、第１ガスに含まれる第１元素の第１イオンと同じであってもよい。
【0058】
ガス導入路１６によって固体電解質２０への被測定ガス４の流量が制限されているため、第１電極１７と第２電極２７との間の電圧を増加させても、第１電極１７と第２電極２７との間に流れる電流が一定となる。第２電圧Ｖ2は第１電圧Ｖ1よりも大きいため、限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）に第２電圧Ｖ2を印加している時に、第２ガスに起因する限界電流に加えて、第１ガスに起因する第１限界電流も、限界電流式ガスセンサ２を流れる。第２限界電流値Ｉ2は、第１ガス（例えば、酸素（Ｏ2））の濃度に比例する第１限界電流値Ｉ1と、第２ガス（例えば、窒素酸化物（ＮＯX））の濃度に比例する限界電流値との和で与えられる。第２限界電流値Ｉ2は、電流検出器６で測定される。
【0059】
第２電極２７は、電圧源５の正極に接続されている。電圧源５は、第２電極２７から電子を奪う。第２電極２７に到達した第２イオン（例えば、２Ｏ2-）は、第２電極２７と固体電解質２０との界面で電子を奪われて、ガス（例えばＯ2）に変換される。ガスは、第２多孔質金属電極である第２電極２７を通って、ガス排出路３０に達する。ガス排出路３０は、第２電極２７よりもガスを通しやすい。ガスは、主にガス排出路３０を通って、ガス出口３６から放出される。
【0060】
本実施の形態のガス濃度測定方法は、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩを取得すること（Ｓ４）を備える。上記のとおり、第２限界電流値Ｉ2は、被測定ガス４（例えば、排ガス）に含まれる第１ガス（例えば、酸素（Ｏ2））の濃度に比例する第１限界電流値Ｉ1と、被測定ガス４（例えば、排ガス）に含まれる第２ガス（例えば、窒素酸化物（ＮＯX））の濃度に比例する限界電流値との和で与えられる。そのため、第２ガスの濃度に比例する限界電流値は、第２限界電流値Ｉ2から第１限界電流値Ｉ1を差し引くことによって得られる。すなわち、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩは、第２ガスの濃度に比例する。
【0061】
一例では、ガス濃度演算器８は、主に半導体材料で形成されている演算処理装置を含んでもよい。演算処理装置で、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩを算出するプログラムが実行されてもよい。このプログラムは、例えば、ＲＯＭまたはＲＡＭのようなメモリ９に記憶されている。
【0062】
別の例では、図４に示されるように、電気回路で構成されている差分取得部８ａで、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩが取得されてもよい。具体的には、差分取得部８ａは、増幅回路４０と、差分回路５０と含んでもよい。増幅回路４０は、第１限界電流値Ｉ1に対応する第１信号と、第２限界電流値Ｉ2に対応する第２信号とを増幅する。増幅回路４０は、例えば、オペアンプ４１と抵抗４２とを含む。
【0063】
差分回路５０は、増幅回路４０で増幅された第１信号と増幅回路４０で増幅された第２信号との間の差分電圧を出力する。差分回路５０は、例えば、オペアンプ５１と、抵抗５２，５３，５４，５５と、基準電圧５６とを含む。差分回路５０は、第１参照電圧６１と第２参照電圧６２とスイッチ６３とをさらに含む。基準電圧５６は、例えば、第１参照電圧６１と第２参照電圧６２との間の中間の電圧である。第１限界電流値Ｉ1を得るときに、スイッチ６３は、第１参照電圧６１に接続される。第２限界電流値Ｉ2を得るときに、スイッチ６３は、第２参照電圧６２に接続される。差分回路５０は、増幅回路４０によって増幅された第１信号に重畳する増幅回路４０（例えば、オペアンプ４１）の第１オフセット電圧と、増幅回路４０によって増幅された第２信号に重畳する増幅回路４０（例えば、オペアンプ４１）の第２オフセット電圧とを互いに打ち消すことができる。
【0064】
本実施の形態のガス濃度測定方法は、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩに基づいて第２ガスの濃度を得ること（Ｓ５）をさらに備える。具体的には、差分取得部８ａで得られた第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩが、差分取得部８ａからガス濃度取得部８ｇに入力される。第２ガスの種類も、ガス濃度取得部８ｇに入力される。例えば、第２ガスの種類はメモリ９に記憶されており、ガス濃度取得部８ｇはメモリ９から第２ガスの種類を読み出す。メモリ９には、第２ガス濃度の種類と、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩと、第２ガス濃度とが互いに対応づけられているデータテーブル９ｔ（図５を参照）が記憶されている。ガス濃度取得部８ｇは、データテーブル９ｔ（図５を参照）を参照して、第２ガスの種類と差分ΔＩとに対応する第２ガスの濃度を得る。
【0065】
本実施の形態のガス濃度測定システム１及びガス濃度測定方法の効果を説明する。
本実施の形態のガス濃度測定システム１は、限界電流式ガスセンサ２と、限界電流式ガスセンサ２に接続されている電圧源５と、限界電流式ガスセンサ２に接続されている電流検出器６と、電流検出器６に接続されているガス濃度演算器８とを備える。電圧源５は、限界電流式ガスセンサ２に、第１電圧Ｖ1と、第１電圧Ｖ1より大きい第２電圧Ｖ2とを供給する。第１電圧Ｖ1は、第１ガスに対応する第１限界電流を限界電流式ガスセンサ２に発生させる電圧である。第２電圧Ｖ2は、第２ガスに対応する第２限界電流を限界電流式ガスセンサ２に発生させる電圧である。電流検出器６は、限界電流式ガスセンサ２に第１電圧Ｖ1を印加した時における限界電流式ガスセンサ２の第１限界電流値Ｉ1と、限界電流式ガスセンサ２に第２電圧Ｖ2を印加した時における限界電流式ガスセンサ２の第２限界電流値Ｉ2とを取得する。ガス濃度演算器８は、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩを取得する差分取得部８ａと、差分ΔＩに基づいて第２ガスの濃度を得るガス濃度取得部８ｇとを含む。
本実施の形態のガス濃度測定システム１は、限界電流式ガスセンサ２と、限界電流式ガスセンサ２に接続されている電圧源５と、限界電流式ガスセンサ２に接続されている電流検出器６と、電流検出器６に接続されているガス濃度演算器８とを備える。電圧源５は、限界電流式ガスセンサ２に、第１電圧Ｖ1と、第１電圧Ｖ1より大きい第２電圧Ｖ2とを供給する。第１電圧Ｖ1は、第１ガスに対応する第１限界電流を限界電流式ガスセンサ２に発生させる電圧である。第２電圧Ｖ2は、第２ガスに対応する第２限界電流を限界電流式ガスセンサ２に発生させる電圧である。電流検出器６は、限界電流式ガスセンサ２に第１電圧Ｖ1を印加した時における限界電流式ガスセンサ２の第１限界電流値Ｉ1と、限界電流式ガスセンサ２に第２電圧Ｖ2を印加した時における限界電流式ガスセンサ２の第２限界電流値Ｉ2とを取得する。ガス濃度演算器８は、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩを取得する差分取得部８ａと、差分ΔＩに基づいて第２ガスの濃度を得るガス濃度取得部８ｇとを含む。
【0066】
第２限界電流値Ｉ2は、被測定ガス４に含まれる第１ガスの濃度に比例する第１限界電流値Ｉ1と、被測定ガス４に含まれる第２ガスの濃度に比例する限界電流値との和で与えられる。第２ガスの濃度に比例する限界電流値は、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩである。ガス濃度測定システム１は差分ΔＩを取得する差分取得部８ａと差分ΔＩに基づいて第２ガスの濃度を得るガス濃度取得部８ｇとを備えているため、第２ガスの濃度が得られる。そのため、ガス濃度測定システム１では、第１ガスを除去するための部屋が不要になる。ガス濃度測定システム１は、小型化され得る。
【0067】
本実施の形態のガス濃度測定システム１では、電圧源５は、限界電流式ガスセンサ２へ出力される電圧を、第１電圧Ｖ1と第２電圧Ｖ2との間で切り換え可能である。そのため、限界電流式ガスセンサ２が少なくとも一つの限界電流式ガスセンサ素子３を含んでいれば、第２ガスの濃度が得られる。ガス濃度測定システム１は、小型化され得る。
【0068】
本実施の形態のガス濃度測定システム１では、差分取得部８ａは、増幅回路４０と、差分回路５０とを含む。増幅回路４０は、第１限界電流値Ｉ1に対応する第１信号と、第２限界電流値Ｉ2に対応する第２信号とを増幅する。差分回路５０は、増幅回路４０で増幅された第１信号と増幅回路４０で増幅された第２信号との間の差分ΔＩを出力する。
【0069】
差分回路５０は、増幅回路４０によって増幅された第１信号に重畳する増幅回路４０（例えば、オペアンプ４１）の第１オフセット電圧と、増幅回路４０によって増幅された第２信号に重畳する増幅回路４０（例えば、オペアンプ４１）の第２オフセット電圧とを互いに打ち消すことができる。より正確な第２ガスの濃度が得られる。
【0070】
本実施の形態のガス濃度測定システム１では、限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）は、固体電解質２０と、第１電極１７と、第２電極２７と、ガス導入路１６とを含む。第１電極１７は、固体電解質２０上に設けられている。第２電極２７は、固体電解質２０上に設けられている。ガス導入路１６は、ガス入口３５と第１電極１７のうち固体電解質２０に対向している第１部分１７ｄとの間に延在している。第１電極１７は、第１多孔質金属電極である。ガス導入路１６は、第１電極１７の第１融点より高い第２融点を有する第１多孔質遷移金属酸化物で形成されている。第１多孔質遷移金属酸化物は、Ｔａ2Ｏ5、ＴｉＯ2またはＣｒ2Ｏ3である。
【0071】
限界電流式ガスセンサ２（限界電流式ガスセンサ素子３）を高温で動作させても、第１多孔質遷移金属酸化物で形成されているガス導入路１６の空孔はほとんど凝集しない。そのため、図７に示されるように、限界電流式ガスセンサ２（複数の限界電流式ガスセンサ素子３）の限界電流値の温度係数のばらつきと複数の限界電流式ガスセンサ２（複数の限界電流式ガスセンサ素子３）の間の応答時間のばらつきとを減少させることができる。限界電流式ガスセンサ２を高温で動作させても、第１多孔質遷移金属酸化物で形成されているガス導入路１６の空孔はほとんど凝集せず、ガス導入路１６を通る被測定ガス４の流量はほとんど変化しない。そのため、図７に示されるように、限界電流式ガスセンサ２の応答時間が短縮され得る。
【0072】
なお、図７に示される比較例の限界電流式ガスセンサは、以下の点で、本実施の形態の限界電流式ガスセンサ２と異なっている。比較例の限界電流式ガスセンサは、第１多孔質遷移金属酸化物で形成されているガス導入路１６と、第２多孔質遷移金属酸化物で形成されているガス排出路３０とを備えていない。比較例の限界電流式ガスセンサでは、多孔質白金電極である第１電極１７がガス導入路として機能し、多孔質白金電極である第２電極２７がガス排出路として機能している。
【0073】
図８に示されるような以下の方法で、限界電流式ガスセンサの限界電流値の温度係数を算出した。比較例の限界電流式ガスセンサについて、複数のサンプルを製造した。本実施の形態の限界電流式ガスセンサ２について、複数のサンプルを製造した。各サンプルの温度Ｔを変化させながら、各サンプルの限界電流値ＩLを測定する。そして、温度Ｔの対数であるlog Ｔに対する限界電流値ＩLの対数であるlog ＩLの関係を、最小二乗法を用いて線形近似する。この近似線の傾きａを、限界電流式ガスセンサの限界電流値の温度係数として得る。
【0074】
図９に示されるような以下の方法で、限界電流式ガスセンサの応答時間ｔrを算出した。比較例の限界電流式ガスセンサについて、複数のサンプルを製造した。本実施の形態の限界電流式ガスセンサ２について、複数のサンプルを製造した。各サンプルを被測定ガス４に曝す。時間ｔ＝０において、各サンプルに電圧源５を接続する。各サンプルから出力される電流値の時間変化（限界電流式ガスセンサの過渡応答）を測定する。各サンプルから出力される電流値が一定であるとみなすことができる期間の平均電流値が、各サンプルの限界電流値ＩLである。そして、時間ｔ＝０から、各サンプルから出力される電流値が限界電流値ＩLの１．１倍となるまでの時間を、各サンプルの応答時間ｔrとして得る。
【0075】
本実施の形態のガス濃度測定方法は、電圧源５から限界電流式ガスセンサ２に第１電圧Ｖ1を印加して、電流検出器６を用いて限界電流式ガスセンサ２の第１限界電流値Ｉ1を取得すること（Ｓ２）を備える。第１電圧Ｖ1は、第１ガスに対応する第１限界電流を限界電流式ガスセンサ２に発生させる電圧である。本実施の形態のガス濃度測定方法は、電圧源５から限界電流式ガスセンサ２に第１電圧Ｖ1より大きい第２電圧Ｖ2を印加して、電流検出器６を用いて限界電流式ガスセンサ２の第２限界電流値Ｉ2を取得すること（Ｓ３）を備える。第２電圧Ｖ2は、第２ガスに対応する第２限界電流を限界電流式ガスセンサ２に発生させる電圧である。本実施の形態のガス濃度測定方法は、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩを取得すること（Ｓ４）と、差分ΔＩに基づいて第２ガスの濃度を得ること（Ｓ５）とをさらに備える。
【0076】
第２限界電流値Ｉ2は、被測定ガス４に含まれる第１ガスの濃度に比例する第１限界電流値Ｉ1と、被測定ガス４に含まれる第２ガスの濃度に比例する限界電流値との和で与えられる。第２ガスの濃度に比例する限界電流値は、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩである。本実施の形態のガス濃度測定方法は第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩを取得すること（Ｓ４）と、差分ΔＩに基づいて第２ガスの濃度を得ること（Ｓ５）とを備えているため、第２ガスの濃度が得られる。そのため、本実施の形態のガス濃度測定方法では、第１ガスを除去するための部屋が不要になる。本実施の形態のガス濃度測定方法は、ガス濃度測定システム１の小型化を可能にする。
【0077】
本実施の形態のガス濃度測定方法は、第１限界電流値Ｉ1を取得した後かつ第２限界電流値Ｉ2を取得する前に、限界電流式ガスセンサ２に印加する電圧を第１電圧Ｖ1から第２電圧Ｖ2に切り換える。そのため、限界電流式ガスセンサ２が少なくとも一つの限界電流式ガスセンサ素子３を含んでいれば、第２ガスの濃度が得られる。本実施の形態のガス濃度測定方法は、ガス濃度測定システム１の小型化を可能にする。
【0078】
（実施の形態２）
図１０を参照して、実施の形態２に係るガス濃度測定システム１ｂを説明する。本実施の形態のガス濃度測定システム１ｂは、実施の形態１のガス濃度測定システム１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なっている。
図１０を参照して、実施の形態２に係るガス濃度測定システム１ｂを説明する。本実施の形態のガス濃度測定システム１ｂは、実施の形態１のガス濃度測定システム１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なっている。
【0079】
本実施の形態では、限界電流式ガスセンサ２ｂは、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３を含む。複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３は、互いに同じ構成を有している。具体的には、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３は、各々、固体電解質２０と、第１電極１７と、第２電極２７と、ガス導入路１６とを含む。第１電極１７は、固体電解質２０上に設けられている。第２電極２７は、固体電解質２０上に設けられている。ガス導入路１６は、ガス入口３５と第１電極１７のうち固体電解質２０に対向している第１部分１７ｄとの間に延在している。第１電極１７は、第１多孔質金属電極である。ガス導入路１６は、第１電極１７の第１融点より高い第２融点を有する第１多孔質遷移金属酸化物で形成されている。第１多孔質遷移金属酸化物は、Ｔａ2Ｏ5、ＴｉＯ2またはＣｒ2Ｏ3である。
【0080】
電流検出器６は、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３にそれぞれ対応する複数の電流検出素子６ａ，６ｂを含む。複数の電流検出素子６ａ，６ｂは、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３に第１電圧Ｖ1を印加した時における複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の第１の複数の限界電流値を取得する。複数の電流検出素子６ａ，６ｂは、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３に第２電圧Ｖ2を印加した時における複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の第２の複数の限界電流値を取得する。
【0081】
差分取得部８ａは、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩとして、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値を算出する。
【0082】
一例では、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値は、第２の複数の限界電流値の総和と第１の複数の限界電流値の総和との間の差分を、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の個数で割ることによって算出される。第２の複数の限界電流値の総和と第１の複数の限界電流値の総和との間の差分は、第２の複数の限界電流値の総和から第１の複数の限界電流値の総和を差し引くことによって得られる。
【0083】
別の例では、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値は、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の各々について、第２電圧Ｖ2を印加した時の限界電流値と第１電圧Ｖ1を印加した時の限界電流値との間の差分を算出し、それから、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３のそれぞれの複数の差分の平均値を算出することによって算出される。複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の各々について、第２電圧Ｖ2を印加した時の限界電流値と第１電圧Ｖ1を印加した時の限界電流値との間の差分は、第２電圧Ｖ2を印加した時の限界電流値から第１電圧Ｖ1を印加した時の限界電流値を差し引くことによって得られる。複数の差分の平均値は、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の複数の差分の総和を複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の個数で割ることによって算出される。
【0084】
図１１を参照して、実施の形態２に係るガス濃度測定方法を説明する。本実施の形態のガス濃度測定方法は、実施の形態１のガス濃度測定方法と同様のステップを備えるが、以下の点で主に異なっている。
【0085】
本実施の形態のガス濃度測定方法は、実施の形態１の第１限界電流値Ｉ1を取得すること（Ｓ２）として、電圧源５から複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３に第１電圧Ｖ1を印加して、複数の電流検出素子６ａ，６ｂを用いて複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の第１の複数の限界電流値を取得すること（Ｓ２ｂ）を備える。本実施の形態のガス濃度測定方法は、実施の形態１の第２限界電流値Ｉ2を取得すること（Ｓ３）として、電圧源５から複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３に第２電圧Ｖ2を印加して、複数の電流検出素子６ａ，６ｂを用いて複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の第２の複数の限界電流値を取得すること（Ｓ３ｂ）を備える。
【0086】
本実施の形態のガス濃度測定方法は、実施の形態１の第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩを取得すること（Ｓ４）として、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値を取得すること（Ｓ４ｂ）を備える。差分取得部８ａが、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値を算出する。第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値は、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩに相当する。
【0087】
一例では、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値は、第２の複数の限界電流値の総和と第１の複数の限界電流値の総和との間の差分を、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の個数で割ることによって算出される。第２の複数の限界電流値の総和と第１の複数の限界電流値の総和との間の差分は、第２の複数の限界電流値の総和から第１の複数の限界電流値の総和を差し引くことによって得られる。
【0088】
別の例では、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値は、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の各々について、第２電圧Ｖ2を印加した時の限界電流値と第１電圧Ｖ1を印加した時の限界電流値との間の差分を算出し、それから、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３のそれぞれの複数の差分の平均値を算出することによって算出される。複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の各々について、第２電圧Ｖ2を印加した時の限界電流値と第１電圧Ｖ1を印加した時の限界電流値との間の差分は、第２電圧Ｖ2を印加した時の限界電流値から第１電圧Ｖ1を印加した時の限界電流値を差し引くことによって得られる。複数の差分の平均値は、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の複数の差分の総和を複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の個数で割ることによって算出される。
【0089】
本実施の形態のガス濃度測定システム１ｂ及びガス濃度測定方法は、実施の形態１のガス濃度測定システム１及びガス濃度測定方法に加えて、以下の効果を奏する。
【0090】
本実施の形態のガス濃度測定システム１ｂでは、限界電流式ガスセンサ２ｂは、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３を含む。電流検出器６は、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３にそれぞれ対応する複数の電流検出素子６ａ，６ｂを含む。複数の電流検出素子６ａ，６ｂは、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３に第１電圧Ｖ1を印加した時における複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の第１の複数の限界電流値を取得する。複数の電流検出素子６ａ，６ｂは、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３に第２電圧Ｖ2を印加した時における複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の第２の複数の限界電流値を取得する。第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩは、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値である。
【0091】
本実施の形態のガス濃度測定方法では、限界電流式ガスセンサ２ｂは、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３を含む。電流検出器６は、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３にそれぞれ対応する複数の電流検出素子６ａ，６ｂを含む。第１限界電流値Ｉ1を取得すること（Ｓ２）は、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３に第１電圧Ｖ1を印加して、複数の電流検出素子６ａ，６ｂを用いて複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の第１の複数の限界電流値を取得すること（Ｓ２ｂ）である。第２限界電流値Ｉ2を取得すること（Ｓ３）は、複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３に第２電圧Ｖ2を印加して、複数の電流検出素子６ａ，６ｂを用いて複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の第２の複数の限界電流値を取得すること（Ｓ３ｂ）である。第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩを取得すること（Ｓ４）は、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値を取得すること（Ｓ４ｂ）である。
【0092】
本実施の形態のガス濃度測定システム１ｂ及び本実施の形態のガス濃度測定方法では、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値に基づいて、第２ガスの濃度を得ている。複数の限界電流式ガスセンサ素子３，３の電流－電圧特性にばらつきがあっても、第２ガスの濃度を向上された精度で得ることができる。
【0093】
（実施の形態３）
図１２を参照して、実施の形態３に係るガス濃度測定システム１ｃを説明する。本実施の形態のガス濃度測定システム１ｃは、実施の形態１のガス濃度測定システム１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なっている。
図１２を参照して、実施の形態３に係るガス濃度測定システム１ｃを説明する。本実施の形態のガス濃度測定システム１ｃは、実施の形態１のガス濃度測定システム１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なっている。
【0094】
本実施の形態では、限界電流式ガスセンサ２ｃは、第１限界電流式ガスセンサ素子３ａと、第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂとを含む。第１限界電流式ガスセンサ素子３ａと、第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂとは、互いに同じ構成を有している。例えば、第１限界電流式ガスセンサ素子３ａと、第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂとは、各々、実施の形態１の限界電流式ガスセンサ素子３と同じ構成を有している。具体的には、第１限界電流式ガスセンサ素子３ａ及び第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂは、各々、固体電解質２０と、第１電極１７と、第２電極２７と、ガス導入路１６とを含む。第１電極１７は、固体電解質２０上に設けられている。第２電極２７は、固体電解質２０上に設けられている。ガス導入路１６は、ガス入口３５と第１電極１７のうち固体電解質２０に対向している第１部分１７ｄとの間に延在している。第１電極１７は、第１多孔質金属電極である。ガス導入路１６は、第１電極１７の第１融点より高い第２融点を有する第１多孔質遷移金属酸化物で形成されている。第１多孔質遷移金属酸化物は、Ｔａ2Ｏ5、ＴｉＯ2またはＣｒ2Ｏ3である。
【0095】
電流検出器６は、第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに対応する第１電流検出素子６ｃと、第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに対応する第２電流検出素子６ｄとを含む。第１電流検出素子６ｃは、第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに第１電圧Ｖ1を印加した時における第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの限界電流値を第１限界電流値Ｉ1として取得する。第２電流検出素子６ｄは、第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに第２電圧Ｖ2を印加した時における第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの限界電流値を第２限界電流値Ｉ2として取得する。
【0096】
特定的には、電圧源５は、第１電圧Ｖ1を第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに供給する第１電圧供給器５ａと、第２電圧Ｖ2を第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに供給する第２電圧供給器５ｂとを含んでもよい。第１限界電流値Ｉ1（第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの限界電流値）を取得しながら、第２限界電流値Ｉ2（第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの限界電流値）を取得してもよい。
【0097】
図１３を参照して、実施の形態３に係るガス濃度測定方法を説明する。本実施の形態のガス濃度測定方法は、実施の形態１のガス濃度測定方法と同様のステップを備えるが、以下の点で主に異なっている。
【0098】
本実施の形態のガス濃度測定方法は、実施の形態１の第１限界電流値Ｉ1を取得すること（Ｓ２）として、電圧源５（第１電圧供給器５ａ）から第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに第１電圧Ｖ1を印加して、第１電流検出素子６ｃを用いて第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの限界電流値を取得すること（Ｓ２ｃ）を備える。第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの限界電流値は、第１限界電流値Ｉ1である。本実施の形態のガス濃度測定方法は、実施の形態１の第２限界電流値Ｉ2を取得すること（Ｓ３）として、電圧源５（第２電圧供給器５ｂ）から第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに第１電圧Ｖ1を印加して、第２電流検出素子６ｄを用いて第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの限界電流値を取得すること（Ｓ３ｃ）を備える。第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの限界電流値は、第２限界電流値Ｉ2である。
【0099】
特定的には、電圧源５は、第１電圧Ｖ1を第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに供給する第１電圧供給器５ａと、第２電圧Ｖ2を第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに供給する第２電圧供給器５ｂとを含んでもよい。第１限界電流値Ｉ1（第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの限界電流値）を取得しながら、第２限界電流値Ｉ2（第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの限界電流値）を取得してもよい。
【0100】
本実施の形態のガス濃度測定システム１ｃ及びガス濃度測定方法は、実施の形態１のガス濃度測定システム１及びガス濃度測定方法に加えて、以下の効果を奏する。
【0101】
本実施の形態のガス濃度測定システム１ｃでは、限界電流式ガスセンサ２ｃは、第１限界電流式ガスセンサ素子３ａと第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂとを含む。電流検出器６は、第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに対応する第１電流検出素子６ｃと、第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに対応する第２電流検出素子６ｄとを含む。第１電流検出素子６ｃは、第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに第１電圧Ｖ1を印加した時における第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの限界電流値を第１限界電流値Ｉ1として取得する。第２電流検出素子６ｄは、第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに第２電圧Ｖ2を印加した時における第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの限界電流値を第２限界電流値Ｉ2として取得する。そのため、第１ガスを除去するための部屋が不要になる。ガス濃度測定システム１ｃは、小型化され得る。
【0102】
本実施の形態のガス濃度測定システム１ｃでは、電圧源５は、第１電圧Ｖ1を第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに供給する第１電圧供給器５ａと、第２電圧Ｖ2を第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに供給する第２電圧供給器５ｂとを含む。
【0103】
第１電圧供給器５ａ及び第２電圧供給器５ｂは、第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに第１電圧Ｖ1を供給しながら、第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに第２電圧Ｖ2を供給することを可能にする。第１限界電流値Ｉ1（第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの限界電流値）を取得しながら、第２限界電流値Ｉ2（第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの限界電流値）を取得することができる。そのため、第２ガスの濃度を測定する時間が短縮され得る。
【0104】
本実施の形態のガス濃度測定方法では、限界電流式ガスセンサ２ｃは、第１限界電流式ガスセンサ素子３ａと第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂとを含む。電流検出器６は、第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに対応する第１電流検出素子６ｃと、第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに対応する第２電流検出素子６ｄとを含む。第１限界電流値Ｉ1を取得すること（Ｓ２）は、電圧源５（第１電圧供給器５ａ）から第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに第１電圧Ｖ1を印加して、第１電流検出素子６ｃを用いて第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの限界電流値を取得すること（Ｓ２ｃ）である。第２限界電流値Ｉ2を取得すること（Ｓ３）は、電圧源５（第２電圧供給器５ｂ）から第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに第１電圧Ｖ1を印加して、第２電流検出素子６ｄを用いて第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの限界電流値を取得すること（Ｓ３ｃ）である。そのため、第１ガスを除去するための部屋が不要になる。本実施の形態のガス濃度測定方法は、ガス濃度測定システム１ｃの小型化を可能にする。
【0105】
本実施の形態のガス濃度測定方法では、電圧源５は、第１電圧Ｖ1を第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに供給する第１電圧供給器５ａと、第２電圧Ｖ2を第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに供給する第２電圧供給器５ｂとを含む。第１限界電流値Ｉ1（第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの限界電流値）を取得しながら、第２限界電流値Ｉ2（第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの限界電流値）を取得する。そのため、第２ガスの濃度を測定する時間が短縮され得る。
【0106】
（実施の形態４）
図１４を参照して、実施の形態４に係るガス濃度測定システム１ｄを説明する。本実施の形態のガス濃度測定システム１ｄは、実施の形態１のガス濃度測定システム１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なっている。
図１４を参照して、実施の形態４に係るガス濃度測定システム１ｄを説明する。本実施の形態のガス濃度測定システム１ｄは、実施の形態１のガス濃度測定システム１と同様の構成を備えるが、以下の点で主に異なっている。
【0107】
本実施の形態では、限界電流式ガスセンサ２ｄは、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａと複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂとを含む。複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの各々と、複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの各々とは、互いに同じ構成を有している。例えば、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａと、複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂとは、各々、実施の形態１の限界電流式ガスセンサ素子３と同じ構成を有している。具体的には、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａ及び複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂは、各々、固体電解質２０と、第１電極１７と、第２電極２７と、ガス導入路１６とを含む。第１電極１７は、固体電解質２０上に設けられている。第２電極２７は、固体電解質２０上に設けられている。ガス導入路１６は、ガス入口３５と第１電極１７のうち固体電解質２０に対向している第１部分１７ｄとの間に延在している。第１電極１７は、第１多孔質金属電極である。ガス導入路１６は、第１電極１７の第１融点より高い第２融点を有する第１多孔質遷移金属酸化物で形成されている。第１多孔質遷移金属酸化物は、Ｔａ2Ｏ5、ＴｉＯ2またはＣｒ2Ｏ3である。
【0108】
電流検出器６は、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａにそれぞれ対応する複数の第１電流検出素子６ｃと、複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂにそれぞれ対応する複数の第２電流検出素子６ｄとを含む。複数の第１電流検出素子６ｃは、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに第１電圧Ｖ1を印加した時における複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの第１の複数の限界電流値を取得する。複数の第２電流検出素子６ｄは、複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに第２電圧Ｖ2を印加した時における複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの第２の複数の限界電流値を取得する。
【0109】
差分取得部８ａは、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩとして、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値を算出する。
【0110】
第一の例では、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの第１の数は、複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの第２の数に等しい。この第一の例では、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値は、第２の複数の限界電流値の総和と第１の複数の限界電流値の総和との間の差分を算出し、それから、この差分を第１の数（または第２の数）で割ることによって算出される。第２の複数の限界電流値の総和と第１の複数の限界電流値の総和との間の差分は、第２の複数の限界電流値の総和から第１の複数の限界電流値の総和を差し引くことによって得られる。
【0111】
第二の例では、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値は、第２の複数の限界電流値の平均値から第１の複数の限界電流値の平均値を差し引くことによって算出される。第１の複数の限界電流値の平均値は、第１の複数の限界電流値の総和を複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの第１の数で割ることによって得られる。第２の複数の限界電流値の平均値は、第２の複数の限界電流値の総和を複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの第２の数で割ることによって得られる。第二の例では、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの第１の数は、複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの第２の数に等しくてもよいし、第２の数と異なってもよい。
【0112】
電圧源５は、第１電圧Ｖ1を複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに供給する第１電圧供給器５ａと、第２電圧Ｖ2を複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに供給する第２電圧供給器５ｂとを含んでもよい。第１限界電流値Ｉ1（第１の複数の限界電流値）を取得しながら、第２限界電流値Ｉ2（第２の複数の限界電流値）を取得してもよい。
【0113】
図１５を参照して、実施の形態４に係るガス濃度測定方法を説明する。本実施の形態のガス濃度測定方法は、実施の形態１のガス濃度測定方法と同様のステップを備えるが、以下の点で主に異なっている。
【0114】
本実施の形態のガス濃度測定方法は、実施の形態１の第１限界電流値Ｉ1を取得すること（Ｓ２）として、電圧源５から複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに第１電圧Ｖ1を印加して、複数の第１電流検出素子６ｃを用いて複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの第１の複数の限界電流値を取得すること（Ｓ２ｄ）を備える。本実施の形態のガス濃度測定方法は、実施の形態１の第２限界電流値Ｉ2を取得すること（Ｓ３）として、複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに第２電圧Ｖ2を印加して、複数の第２電流検出素子６ｄを用いて複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの第２の複数の限界電流値を取得すること（Ｓ３ｄ）を備える。
【0115】
本実施の形態のガス濃度測定方法は、実施の形態１の第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩを取得すること（Ｓ４）として、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値を取得すること（Ｓ４ｄ）を備える。差分取得部８ａが、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値を算出する。第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値は、第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩに相当する。
【0116】
第一の例では、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの第１の数は、複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの第２の数に等しい。この第一の例では、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値は、第２の複数の限界電流値の総和と第１の複数の限界電流値の総和との間の差分を算出し、それから、この差分を第１の数（または第２の数）で割ることによって算出される。第２の複数の限界電流値の総和と第１の複数の限界電流値の総和との間の差分は、第２の複数の限界電流値の総和から第１の複数の限界電流値の総和を差し引くことによって得られる。
【0117】
第二の例では、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値は、第２の複数の限界電流値の平均値から第１の複数の限界電流値の平均値を差し引くことによって算出される。第１の複数の限界電流値の平均値は、第１の複数の限界電流値の総和を複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの第１の数で割ることによって得られる。第２の複数の限界電流値の平均値は、第２の複数の限界電流値の総和を複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの第２の数で割ることによって得られる。第二の例では、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの第１の数は、複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの第２の数に等しくてもよいし、第２の数と異なってもよい。
【0118】
本実施の形態のガス濃度測定方法では、電圧源５は、第１電圧Ｖ1を複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに供給する第１電圧供給器５ａと、第２電圧Ｖ2を複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに供給する第２電圧供給器５ｂとを含んでもよい。第１限界電流値Ｉ1（第１の複数の限界電流値）を取得しながら、第２限界電流値Ｉ2（第２の複数の限界電流値）を取得してもよい。
【0119】
本実施の形態のガス濃度測定システム１ｄ及びガス濃度測定方法は、実施の形態１のガス濃度測定システム１及びガス濃度測定方法に加えて、以下の効果を奏する。
【0120】
本実施の形態のガス濃度測定システム１ｄでは、限界電流式ガスセンサ２ｄは、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａと複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂとを含む。電流検出器６は、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａにそれぞれ対応する複数の第１電流検出素子６ｃと、複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂにそれぞれ対応する複数の第２電流検出素子６ｄとを含む。複数の第１電流検出素子６ｃは、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに第１電圧Ｖ1を印加した時における複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの第１の複数の限界電流値を取得する。複数の第２電流検出素子６ｄは、複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに第２電圧Ｖ2を印加した時における複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの第２の複数の限界電流値を取得する。第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩは、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値である。
【0121】
本実施の形態のガス濃度測定システム１ｄでは、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値に基づいて、第２ガスの濃度を得ている。複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａ及び複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの電流－電圧特性にばらつきがあっても、第２ガスの濃度を向上された精度で得ることができる。
【0122】
本実施の形態のガス濃度測定システム１ｄでは、電圧源５は、第１電圧Ｖ1を複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに供給する第１電圧供給器５ａと、第２電圧Ｖ2を複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに供給する第２電圧供給器５ｂとを含む。
【0123】
第１電圧供給器５ａ及び第２電圧供給器５ｂは、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに第１電圧Ｖ1を供給しながら、複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに第２電圧Ｖ2を供給することを可能にする。第１限界電流値Ｉ1（第１の複数の限界電流値）を取得しながら、第２限界電流値Ｉ2（第２の複数の限界電流値）を取得することができる。そのため、第２ガスの濃度を測定する時間が短縮され得る。
【0124】
本実施の形態のガス濃度測定方法では、限界電流式ガスセンサ２ｄは、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａと複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂとを含む。電流検出器６は、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａにそれぞれ対応する複数の第１電流検出素子６ｃと、複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂにそれぞれ対応する複数の第２電流検出素子６ｄとを含む。第１限界電流値Ｉ1を取得すること（Ｓ２）は、複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに第１電圧Ｖ1を印加して、複数の第１電流検出素子６ｃを用いて複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａの第１の複数の限界電流値を取得すること（Ｓ２ｄ）である。第２限界電流値Ｉ2を取得すること（Ｓ３）は、複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに第２電圧Ｖ2を印加して、複数の第２電流検出素子６ｄを用いて複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの第２の複数の限界電流値を取得すること（Ｓ３ｄ）である。第２限界電流値Ｉ2と第１限界電流値Ｉ1との間の差分ΔＩを取得すること（Ｓ４）は、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値を取得すること（Ｓ４ｄ）である。
【0125】
本実施の形態のガス濃度測定方法では、第２の複数の限界電流値と第１の複数の限界電流値との間の差分の平均値に基づいて、第２ガスの濃度を得ている。複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａ及び複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂの電流－電圧特性にばらつきがあっても、第２ガスの濃度を向上された精度で得ることができる。
【0126】
本実施の形態のガス濃度測定方法では、電圧源５は、第１電圧Ｖ1を複数の第１限界電流式ガスセンサ素子３ａに供給する第１電圧供給器５ａと、第２電圧Ｖ2を複数の第２限界電流式ガスセンサ素子３ｂに供給する第２電圧供給器５ｂとを含む。第１の複数の限界電流値を取得しながら、第２の複数の限界電流値を取得する。そのため、第２ガスの濃度を測定する時間が短縮され得る。
【0127】
今回開示された実施の形態１から実施の形態４はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
【符号の説明】
【0128】
１，１ｂ，１ｃ，１ｄ ガス濃度測定システム、２，２ｂ，２ｃ，２ｄ 限界電流式ガスセンサ、３ 限界電流式ガスセンサ素子、３ａ 第１限界電流式ガスセンサ素子、３ｂ 第２限界電流式ガスセンサ素子、４ 被測定ガス、５ 電圧源、５ａ 第１電圧供給器、５ｂ 第２電圧供給器、６ 電流検出器、６ａ，６ｂ 電流検出素子、６ｃ 第１電流検出素子、６ｄ 第２電流検出素子、８ ガス濃度演算器、８ａ 差分取得部、８ｇ ガス濃度取得部、９ メモリ、９ｔ データテーブル、１０ 基板、１１，１３，１５，２２，２３，２５，２８ 絶縁層、１２ ヒータ、１６ ガス導入路、１７ 第１電極、１７ｄ 第１部分、２０ 固体電解質、２０ａ 第１面、２０ｂ 第２面、２７ 第２電極、２７ｄ 第２部分、３０ ガス排出路、３２ 絶縁膜、３５ ガス入口、３６ ガス出口、４０ 増幅回路、４１ オペアンプ、４２ 抵抗、５０ 差分回路、５１ オペアンプ、５２，５３，５４，５５ 抵抗、５６ 基準電圧、６１ 第１参照電圧、６２ 第２参照電圧、６３ スイッチ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】