车用NOx氮氧传感器介绍详解

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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
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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。
A. 定电位电解式气体传感器
B. 原电池式气体传感器
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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
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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）
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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
0
0 0.98 1.0 Normalized A/F ratio 1.02
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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
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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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
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
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
[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：
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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：
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。
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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;
5. 电化学型气体传感器 6. 新型气体传感器
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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
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目录
1. NOx气体传感器技术要求
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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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
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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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
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
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NOx氮氧传感器介绍
Kevin.H 2016.1
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1. NOx气体传感器技术要求
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6. 新型气体传感器
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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
恢复时间
初期稳定时间 加热功率
T2
T3 PH
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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。
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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）
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3.4 电阻型半导体NOx传感器特性参数
名称
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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。
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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
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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）
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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
第五代NOx/O2传感器原理图，日本NGK公司
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附：UniNOx传感器工作原理（3）
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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）
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附：应用过程中的问题