车用NOx氮氧传感器介绍详解
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1、传感器选择性、敏感性、精度不足； 2、传感器工作条件、响应和恢复时间、可靠性都有待提高 3、合适的关键材料还在探索中，复杂的制备工艺有待改进 4、成本偏高，无法普遍应用。
32
参考资料
[1] 赵海燕，汽车尾气用NOx传感器[J].传感器与微系统.2007,26(1):810; [2] 王岭，纳米结构CuO 为敏感电极的阻抗谱型NO2传感器[J].无机化 学学报.2012,28(1):81-87;
[3] Lawrence Livermore National Laboratory, NOx Sensor
Development[D].Internet.2012.5 [4] 顾媛媛，简家文，一种固体电解质的电流型NO2传感器.实用新型专
利.宁波大学,2013.3
e
I pO 2
II pO 2
铂电极
YSZ
铂电极
铂电极
YSZ
铂电极
(1) 电位型
(2) 极限电流型
敏感电极：NO2+2e=NO+O2参考电极：2O2--4e=O2
18
4.3 氧化锆固体电解质传感器分类（2）
(3) 阻抗谱型：
Leabharlann Baidu9
4.4 阻抗谱型NOx传感器检测机理
在YSZ 电解质与敏感电极界面上发生了 如下的阴极反应：
4. 固体电解质气体传感器 5. 电化学型气体传感器 6. 新型气体传感器
15
4.1 固体电解质的导电机理
废气 PO’ 2 传感单元
US
Sensor Characteristic Curve V Sensor voltage
参考空气 PO’’ 2
ZrO2-陶瓷层 电极 多孔保护层 绝缘层
加热
0.9 0.6 Ureg 0.3
5. 电化学型气体传感器 6. 新型气体传感器
4
1、NOx传感器技术要求
用途：
准确、快速地测量气体中的NOx浓度。
技术要求：
灵敏度高，良好的选择性； 快速的响应和恢复； 重复性、稳定性好； 可普及性。
通用NOx传感器（UniNOx-Sensor），德国大陆
5
目录
1. NOx气体传感器技术要求
第五代NOx/O2传感器原理图，日本NGK公司
29
附：UniNOx传感器工作原理（3）
30
附：国外近年来研究项目
↑以氧化铝为基片（福特公司提供），嵌入的加 热元件。
国外某机构以YSZ（钇稳定氧化锆）为基片分别进行了两种材料 作为敏感电极的测试研究，Au和LSM（锰酸锶镧）
31
附：应用过程中的问题
A. 定电位电解式气体传感器
B. 原电池式气体传感器
23
5.2 定电位电解式气体传感器
在电解过程中，电流由气体成分的扩散速度决定，极限电流与气体 体积浓度成正比。借此可进行检测，称为定电位电解式传感器。
NO2+2e=NO+O2-
2O2--4e=O2
24
5.3 原电池式气体传感器
还可以用来测定大气中氧、一氧化碳（CO） 的体积浓度：
13
3.6 非电阻式半导体气体传感器
• 非电阻式半导体气体传感器是MOS二极管式和结型二极管式以及场 效应管式(MOSFET)半导体气体传感器。其电流或电压随着气体含量
而变化，主要检测氢和硅烧气等可燃性气体。（略）
14
目录
1. NOx气体传感器技术要求
2. NOx气体传感器分类
3. 半导体气体传感器
固有电阻 气体灵敏度 Ra S 符号 定义 半导体气体传感器在洁净空气中的电阻值 表示气体传感器的电参量与被测气体体积浓度之 间的函数关系
分辨率（选择 系数）
响应时间
K
T1
表示气体传感器对被测气体的识别(选择)以及对干 扰气体的抑制能力
阻值达到气体体积浓度下稳态阻值的90%为止的 所需时间 阻值恢复到洁净空气中阻值的90%为止所需的时 间 使气体传感器恢复正常工作状态需要的时间 气体传感器正常工作时所需的加热电路功率
H C + xO yH O + zCO 2 n m 2 2 废气 2 CO + O 2CO 2 2 2 H + O 2H O 2 2 2
pO 2' = 10 bar
- 20
UN
2-
pO2'' = 0,21bar
O2
O
2-
O2
-
O
O2
多孔保护层 多孔电极 Pt (+ZrO2)
-
O 2参考空气 O 2O O 2 O2 O2 O2 O2 2O O2 2O O2 O2 O2 O2 O
8
3.1 半导体气体传感器分类
半导体气敏元件的分类如表所示。大体上可分为电阻型和非电阻 型两大类。
要对NOx进行检测，需要选择合适的敏感材料。
9
3.2 电阻型半导体NOx传感器结构
SnO2 是应用最早的半导体传感器材料之一,福特公司最初用其制成 传感器进行NOx 的监测。
氧化物半导体NOx传感器，福特公司专利
NO2+4e → N2+2O2或NO2+2e → NO+O2(1) (2)
而在另一侧发生了如下的阳极反应： 2O2--4e → O2 同时对O2和CO2浓度变化具有 抗干扰性。 关。 (3)
因此，低频下的总阻抗与NO2的浓度相
20
4.5 固态电解质NOx传感器关键技术
电解质材料
敏感电极材料
制备工艺
多孔电极 Pt (+ZrO2)
2-
O2
-
2-
O2
O2
固体电解质 ZrO2 (+Y2 O3)
2-
NO + 2 CO N + 2CO 2 2
4e + O2 2O
-
T > 350°C
2O2 4e + O2
-
17
4.3 氧化锆固体电解质传感器分类（1）
V Oo 2 I pO 2
A Oo 2 II pO 2
恢复时间
初期稳定时间 加热功率
T2
T3 PH
12
3.5 半导体气体传感器优缺点
氧化物半导体NOx传感器优缺点：
优点：敏感性好，掺杂三价元素（Al，Bi，Ga，In）时，对NOx显 示出可靠的选择性。
缺点：无法完全过滤其它气体，稳定性不好。
改进方法：
以氧化物为基体，掺杂某些特定金属制成半导体传感器。如TiO2， WO3，AlVO4等，提高选择性和稳定性。
选择合适的电解 液和敏感电极， 对NOx气体做出 有效选择。
O 2 H 2 O 4e - 4OH2Pb 4OH- 2Pb(OH) 2 4e -
25
目录
1. NOx气体传感器技术要求
2. NOx气体传感器分类
3. 半导体气体传感器
4. 固体电解质气体传感器
5. 电化学型气体传感器 6. 新型气体传感器
21
目录
1. NOx气体传感器技术要求
2. NOx气体传感器分类 3. 半导体气体传感器 4. 固体电解质气体传感器 5. 电化学型气体传感器 6. 新型气体传感器
22
5.1 电化学式气体传感器概述
利用待测气体与有关的电极反应而制成的气体传感器称电化 学式气体传感器。可分为原电池式、定电位电解式、电量式、 离子电极式四种类型。针对测量NOx，在此介绍前两种。
2. NOx气体传感器分类
3. 半导体气体传感器
4. 固体电解质气体传感器
5. 电化学型气体传感器 6. 新型气体传感器
6
2.
NOx气体传感器分类
• 根据气敏特性分类：
半导体 型
固态电 解质
电化学 型
新型传 感器
7
目录
1. NOx气体传感器技术要求
2. NOx气体传感器分类
3. 半导体气体传感器 4. 固体电解质气体传感器 5. 电化学型气体传感器 6. 新型气体传感器
1
NOx氮氧传感器介绍
Kevin.H 2016.1
2
目录
1. NOx气体传感器技术要求
2. NOx气体传感器分类 3. 半导体气体传感器 4. 固体电解质气体传感器 5. 电化学型气体传感器
6. 新型气体传感器
3
目录
1. NOx气体传感器技术要求
2. NOx气体传感器分类
3. 半导体气体传感器
4. 固体电解质气体传感器
10
3.3 电阻型半导体NOx传感器检测机理
气敏半导体材料SnO2是N型半导体，其导电机理可用吸附效 应来解释。
图示为烧结体N型半导体的模型（左）。晶粒间界有较高的电阻，晶粒内部电 阻较低。该模型可简化为仅由颈部等效电阻Rn串联而成的等效电路（右）
11
3.4 电阻型半导体NOx传感器特性参数
名称
0
0 0.98 1.0 Normalized A/F ratio 1.02
16
4.2 固体电解质的导电机理
UN:输出电动势
Nernst原理公式:
P
UN = R T ln P 4F
O 2 '' O2'
T:气体绝对温度 F:法拉第常数
R:理想气体常数
Po2’参考空气气压值 Po2’’废气的气压值
电极处化学反应
26
6.1 新型传感器类别
光纤气体传感 器
表面声波气体 传感器(SAW)
智能气体传感 器（电子鼻）
27
附：UniNOx传感器工作原理(1)
注：UniNOx传感器是由德国大陆和日本NGK 开发的世界第一款量产的车载NOx传感器。
28
附：UniNOx传感器工作原理(2)
可以认为：1个UniNOx传感器=2个氧传感器
32
参考资料
[1] 赵海燕，汽车尾气用NOx传感器[J].传感器与微系统.2007,26(1):810; [2] 王岭，纳米结构CuO 为敏感电极的阻抗谱型NO2传感器[J].无机化 学学报.2012,28(1):81-87;
[3] Lawrence Livermore National Laboratory, NOx Sensor
Development[D].Internet.2012.5 [4] 顾媛媛，简家文，一种固体电解质的电流型NO2传感器.实用新型专
利.宁波大学,2013.3
e
I pO 2
II pO 2
铂电极
YSZ
铂电极
铂电极
YSZ
铂电极
(1) 电位型
(2) 极限电流型
敏感电极：NO2+2e=NO+O2参考电极：2O2--4e=O2
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4.3 氧化锆固体电解质传感器分类（2）
(3) 阻抗谱型：
Leabharlann Baidu9
4.4 阻抗谱型NOx传感器检测机理
在YSZ 电解质与敏感电极界面上发生了 如下的阴极反应：
4. 固体电解质气体传感器 5. 电化学型气体传感器 6. 新型气体传感器
15
4.1 固体电解质的导电机理
废气 PO’ 2 传感单元
US
Sensor Characteristic Curve V Sensor voltage
参考空气 PO’’ 2
ZrO2-陶瓷层 电极 多孔保护层 绝缘层
加热
0.9 0.6 Ureg 0.3
5. 电化学型气体传感器 6. 新型气体传感器
4
1、NOx传感器技术要求
用途：
准确、快速地测量气体中的NOx浓度。
技术要求：
灵敏度高，良好的选择性； 快速的响应和恢复； 重复性、稳定性好； 可普及性。
通用NOx传感器（UniNOx-Sensor），德国大陆
5
目录
1. NOx气体传感器技术要求
第五代NOx/O2传感器原理图，日本NGK公司
29
附：UniNOx传感器工作原理（3）
30
附：国外近年来研究项目
↑以氧化铝为基片（福特公司提供），嵌入的加 热元件。
国外某机构以YSZ（钇稳定氧化锆）为基片分别进行了两种材料 作为敏感电极的测试研究，Au和LSM（锰酸锶镧）
31
附：应用过程中的问题
A. 定电位电解式气体传感器
B. 原电池式气体传感器
23
5.2 定电位电解式气体传感器
在电解过程中，电流由气体成分的扩散速度决定，极限电流与气体 体积浓度成正比。借此可进行检测，称为定电位电解式传感器。
NO2+2e=NO+O2-
2O2--4e=O2
24
5.3 原电池式气体传感器
还可以用来测定大气中氧、一氧化碳（CO） 的体积浓度：
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3.6 非电阻式半导体气体传感器
• 非电阻式半导体气体传感器是MOS二极管式和结型二极管式以及场 效应管式(MOSFET)半导体气体传感器。其电流或电压随着气体含量
而变化，主要检测氢和硅烧气等可燃性气体。（略）
14
目录
1. NOx气体传感器技术要求
2. NOx气体传感器分类
3. 半导体气体传感器
固有电阻 气体灵敏度 Ra S 符号 定义 半导体气体传感器在洁净空气中的电阻值 表示气体传感器的电参量与被测气体体积浓度之 间的函数关系
分辨率（选择 系数）
响应时间
K
T1
表示气体传感器对被测气体的识别(选择)以及对干 扰气体的抑制能力
阻值达到气体体积浓度下稳态阻值的90%为止的 所需时间 阻值恢复到洁净空气中阻值的90%为止所需的时 间 使气体传感器恢复正常工作状态需要的时间 气体传感器正常工作时所需的加热电路功率
H C + xO yH O + zCO 2 n m 2 2 废气 2 CO + O 2CO 2 2 2 H + O 2H O 2 2 2
pO 2' = 10 bar
- 20
UN
2-
pO2'' = 0,21bar
O2
O
2-
O2
-
O
O2
多孔保护层 多孔电极 Pt (+ZrO2)
-
O 2参考空气 O 2O O 2 O2 O2 O2 O2 2O O2 2O O2 O2 O2 O2 O
8
3.1 半导体气体传感器分类
半导体气敏元件的分类如表所示。大体上可分为电阻型和非电阻 型两大类。
要对NOx进行检测，需要选择合适的敏感材料。
9
3.2 电阻型半导体NOx传感器结构
SnO2 是应用最早的半导体传感器材料之一,福特公司最初用其制成 传感器进行NOx 的监测。
氧化物半导体NOx传感器，福特公司专利
NO2+4e → N2+2O2或NO2+2e → NO+O2(1) (2)
而在另一侧发生了如下的阳极反应： 2O2--4e → O2 同时对O2和CO2浓度变化具有 抗干扰性。 关。 (3)
因此，低频下的总阻抗与NO2的浓度相
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4.5 固态电解质NOx传感器关键技术
电解质材料
敏感电极材料
制备工艺
多孔电极 Pt (+ZrO2)
2-
O2
-
2-
O2
O2
固体电解质 ZrO2 (+Y2 O3)
2-
NO + 2 CO N + 2CO 2 2
4e + O2 2O
-
T > 350°C
2O2 4e + O2
-
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4.3 氧化锆固体电解质传感器分类（1）
V Oo 2 I pO 2
A Oo 2 II pO 2
恢复时间
初期稳定时间 加热功率
T2
T3 PH
12
3.5 半导体气体传感器优缺点
氧化物半导体NOx传感器优缺点：
优点：敏感性好，掺杂三价元素（Al，Bi，Ga，In）时，对NOx显 示出可靠的选择性。
缺点：无法完全过滤其它气体，稳定性不好。
改进方法：
以氧化物为基体，掺杂某些特定金属制成半导体传感器。如TiO2， WO3，AlVO4等，提高选择性和稳定性。
选择合适的电解 液和敏感电极， 对NOx气体做出 有效选择。
O 2 H 2 O 4e - 4OH2Pb 4OH- 2Pb(OH) 2 4e -
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目录
1. NOx气体传感器技术要求
2. NOx气体传感器分类
3. 半导体气体传感器
4. 固体电解质气体传感器
5. 电化学型气体传感器 6. 新型气体传感器
21
目录
1. NOx气体传感器技术要求
2. NOx气体传感器分类 3. 半导体气体传感器 4. 固体电解质气体传感器 5. 电化学型气体传感器 6. 新型气体传感器
22
5.1 电化学式气体传感器概述
利用待测气体与有关的电极反应而制成的气体传感器称电化 学式气体传感器。可分为原电池式、定电位电解式、电量式、 离子电极式四种类型。针对测量NOx，在此介绍前两种。
2. NOx气体传感器分类
3. 半导体气体传感器
4. 固体电解质气体传感器
5. 电化学型气体传感器 6. 新型气体传感器
6
2.
NOx气体传感器分类
• 根据气敏特性分类：
半导体 型
固态电 解质
电化学 型
新型传 感器
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目录
1. NOx气体传感器技术要求
2. NOx气体传感器分类
3. 半导体气体传感器 4. 固体电解质气体传感器 5. 电化学型气体传感器 6. 新型气体传感器
1
NOx氮氧传感器介绍
Kevin.H 2016.1
2
目录
1. NOx气体传感器技术要求
2. NOx气体传感器分类 3. 半导体气体传感器 4. 固体电解质气体传感器 5. 电化学型气体传感器
6. 新型气体传感器
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目录
1. NOx气体传感器技术要求
2. NOx气体传感器分类
3. 半导体气体传感器
4. 固体电解质气体传感器
10
3.3 电阻型半导体NOx传感器检测机理
气敏半导体材料SnO2是N型半导体，其导电机理可用吸附效 应来解释。
图示为烧结体N型半导体的模型（左）。晶粒间界有较高的电阻，晶粒内部电 阻较低。该模型可简化为仅由颈部等效电阻Rn串联而成的等效电路（右）
11
3.4 电阻型半导体NOx传感器特性参数
名称
0
0 0.98 1.0 Normalized A/F ratio 1.02
16
4.2 固体电解质的导电机理
UN:输出电动势
Nernst原理公式:
P
UN = R T ln P 4F
O 2 '' O2'
T:气体绝对温度 F:法拉第常数
R:理想气体常数
Po2’参考空气气压值 Po2’’废气的气压值
电极处化学反应
26
6.1 新型传感器类别
光纤气体传感 器
表面声波气体 传感器(SAW)
智能气体传感 器（电子鼻）
27
附：UniNOx传感器工作原理(1)
注：UniNOx传感器是由德国大陆和日本NGK 开发的世界第一款量产的车载NOx传感器。
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附：UniNOx传感器工作原理(2)
可以认为：1个UniNOx传感器=2个氧传感器