车用NOx氮氧传感器介绍

1、通用NOx传感器(UniNOx-Sensor),猪国大陆N Ox氮氧传感器介绍Kevin.H 2016.1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，注。目录1. NOx气体传感器技术要求2. N

2、Ox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2. NOx气体传感器分类根据气敏特性分类：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3-1半导体气体传感器分类半导体气敏元件的分类如表所示。大体上可分为电且士和非电阴 型两大类。所利用的持性气敏器件例工作温度代表性被测气体电阻型表面电阻控制型S11O2、ZnO室温450 QC可燃性气体体电阻控制熨y-FeOTiO2300450 °C700 9以上乙醇、可燃性气体 Q

3、非电阻型表面电位Ag2O室温硫醇二极管整流待性Pb-CdS室温200 °CH“ CO.乙醉晶体管持性Pd - MOSFET150 CH” H,S要对NOx进行检测,需要选择合适的敏感材料。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N Ox的监测。.1A脇闆排昨体:呼铝或呼犠 /Shbi半导体传感器鮭番泰11 /厚慶氧化物半导休NOx传感器，福特公司专利33电阻型半导体NOx传感器检测机理气敏半导体材料SnO?是N型半导体，其导电机理可用及附效来解释。图示为堤吉体n型半导体的模型（左）。晶粒间界有较高的电阻，晶粒内as电

4、 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）3.4电阻型半导体NOx传感器特性参数名称定义固有电阻Ra半导体气体传感器在洁净空气中的电阻值气体灵敏度S表示气体传感器的电参量与被测气体体积浓度之 间的函数关系选择K表示气体传感器对被测气体的识§|（选择）以及对干系数）扌尤气体的抑制能力响应时间T1阻值达到气体体积浓度下稳态阻值的90%为止的 所需时间恢复时间T2阻值恢复到洁净空气中阻值的90%为止所需的时 间初期稳定时间T3使气体传感器恢复正常工作状态需要的时间加热功率PH气体传感器正常工作时所需的加热电路功率123.5半导体气体传感器优缺点氧化物半导体NOx传

5、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 , AIVO4等，提高选扌誰和稳症性。M(Pd)PSi(略)O143.6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，主要检测等可燃性气体。目录1. NOx气体传感器技术要求2. NOx气体传感器分类3. 半导体气体传感器体电解质气体传感器5. 电化

6、学型气体传感器6. 新型气体传感器废气勺$P虫传感单元参考空气PqEZD ZrOz陶瓷M电极翹篡孔保护层匚二1绝缘层164.2固体电解质的导电机理Un：输出电动势Nernst原理公式：P o2,fUN :RT In4FpO JT：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2CO.O22CO2H C +xOz5>yH O + zCO 2 nm 22废气务孔保护层多孔电极固体电解质Pt (+ZrQ>) ZQ(+YiQ)多孔电极Pt (+ZrCb)参考空气2H2.O-2H2O4.1固体电解质的导电机理NO 2 CO Q N 丿 2CO

7、 24e + 02 020T>350° C17 II4.3氧化错固体电解质传感器分类（1 ）（1）电宓（2）极限电流型敏感电极：NO2+2e=NO+O2参考电极：2O2-4e=O218（3）阻抗谱型:Pig. I (>Mv4ni< ti<>n of pUnar infM-ciaiM-rnirlnv NO；43氧化错固体电解质传感器分类（2 ）l« 5 O?浓度为5%频华为0山时.不同SI® F传梏 誥响炖信时与NO,浓度之何的关系Fig.5 Relaliuosihip between rr、pom<r signal an<

8、l NOj concrntration in 5vol9fr O3 with a fixed frecjuency of 0.1 Hz at difirrmt trmf»rni!urrM19m i f Ainitimv no,传艰券结格图兀启 CociMruction of planar inprdancmirtnt' NO* wnsor同时对02和CO2浓度变化具有 抗干扰性。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：NO2+4e N2+2O2-(1)或NC)2+2e t NO+O2(2)而在另一发生了如下的阳极反应：2O2 -

9、4e f O2 (3)因此，假顷下的总阻抗与NO?的浓度相 关。204.5态电解质N Ox传感器关键技术电解质材料敏感电极材料制备工艺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225.1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

10、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。试样电解液对极匚作 电极电源2453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：匸作电极 电解液选择合适的电解 液和敏感电极， 对N Ox气体做出 有效选择。O2+H2O + 4e 4OH"2Pb + 4OH_ -> 2Pb(OH)2 +4e_NO2+2e=NO+O2 2O2-4e=O225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266.1新型传感器类别光纤气体传感

11、器表面声波气体 传感器(SAW)智能气体传感 器(电子鼻)27,附：UniNOx传感器工作原理第五代NOx/02传感器原理囹，曰本NGK公司氧气被泵出进/出（富氧/缺氧）氧气进一步被泵出主泵I 1泉(ZrOo) I| 缸气杂(ZrOo)I附加泵10*3 ppmsome DDm ) 了爲爲丁炸化丿1何一艸-響笫一测竜室I氣气泵（ZKV I注：UniNOx传感器是由德国大陆和曰本NGK 幵发的世界第一款量产的车载N6传感器。第二测量室测量泵被泵出氧气的量与NOx含量成比例28附：UniNOx传感器工作原理可以认为：1个UniNOx传感器二2个氧传感器Main electrode i丄<v I

12、F QHeaterMain electrode (-) P- First cavityReference el eMr odeREF2。. Second cavity/ip iAuxiliary pump JVMMeas, electrode M2g,laminiated substr at29附：UniNOx传感器工作原理（3 ）Oxygen concentration cell characteristicsr®-iOxygen pump characteristicsPt electrodeL>Ambient atmosphere <h=21% 广:Zirconia

13、 partitionPorcelainTemp=700*CGas under measurement6=1 ppmAmbient atmosphere02=21%ons move In response to applied between the electrodes on both surfaces of the zirconiaAn electromotive force (EMF) is generated in response to differences in lhe density of the oxygen inside and outside the zirconia pa

14、rtition.The oxygen density can be measuredAble to control oxygen density in the airspace30附：国外近年来硏究项目cross-sectionLeadswire、ptHeated AI2O3 substrateYSZdense / LSMHeated Al2O3 substrateT以氧他吕为基片（福待公刁捉供）.嵌入的加 热元乩国夕卜某机构以YSZ （轮稳定氧化错）为基片分别进行了两种材料 作为敏感电极的测试研究,AuLSM（fOf）31附：应用过程中的问题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、成本偏咼，无法普遍应用。32参