車用NOx氮氧傳感器介紹

1、通用NOx傳感器(UniNOx-Sensor),豬國(guó)大陸N Ox氮氧傳感器介紹Kevin.H 2016.1目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求2. NOx氣體傳感器分類3. 半導(dǎo)體氣體傳感器4. 固體電解質(zhì)氣體傳感器5. 電化學(xué)型氣體傳感器6. 新型氣體傳感器目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求2. NOx氣體傳感器分類3. 半導(dǎo)體氣體傳感器4. 固體電解質(zhì)氣體傳感器5. 電化學(xué)型氣體傳感器6. 新型氣體傳感器1、NOx傳感器技術(shù)要求用途：準(zhǔn)確、快速地測(cè)量氣體中的NOX濃度。技術(shù)要求：靈敏度高，良好的選擇性；快速的響應(yīng)和恢復(fù)；重復(fù)性、穩(wěn)定性好；可普及，注。目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求2. N

2、Ox氣體傳感器分類3. 半導(dǎo)體氣體傳感器4. 固體電解質(zhì)氣體傳感器5. 電化學(xué)型氣體傳感器6. 新型氣體傳感器2. NOx氣體傳感器分類根據(jù)氣敏特性分類：目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求2. NOx氣體傳感器分類3. 半導(dǎo)體氣體傳感器4. 固體電解質(zhì)氣體傳感器5. 電化學(xué)型氣體傳感器6. 新型氣體傳感器3-1半導(dǎo)體氣體傳感器分類半導(dǎo)體氣敏元件的分類如表所示。大體上可分為電且士和非電陰 型兩大類。所利用的持性氣敏器件例工作溫度代表性被測(cè)氣體電阻型表面電阻控制型S11O2、ZnO室溫450 QC可燃性氣體體電阻控制熨y-FeOTiO2300450 °C700 9以上乙醇、可燃性氣體 Q

3、非電阻型表面電位Ag2O室溫硫醇二極管整流待性Pb-CdS室溫200 °CH“ CO.乙醉晶體管持性Pd - MOSFET150 CH” H,S要對(duì)NOx進(jìn)行檢測(cè),需要選擇合適的敏感材料。3.2電阻型半導(dǎo)體NOx傳感器結(jié)構(gòu)SnO2是應(yīng)用最早的半導(dǎo)體傳感器材料之一，福特公司最初用其制成 傳感器進(jìn)行N Ox的監(jiān)測(cè)。.1A脇闆排昨體:呼鋁或呼犠 /Shbi半導(dǎo)體傳感器鮭番泰11 /厚慶氧化物半導(dǎo)休NOx傳感器，福特公司專利33電阻型半導(dǎo)體NOx傳感器檢測(cè)機(jī)理氣敏半導(dǎo)體材料SnO?是N型半導(dǎo)體，其導(dǎo)電機(jī)理可用及附效來解釋。圖示為堤吉體n型半導(dǎo)體的模型（左）。晶粒間界有較高的電阻，晶粒內(nèi)as電

4、 阻較低。該模型可簡(jiǎn)化為僅由頸部等效電阻Rn串聯(lián)而成的等效電路（右）3.4電阻型半導(dǎo)體NOx傳感器特性參數(shù)名稱定義固有電阻Ra半導(dǎo)體氣體傳感器在潔凈空氣中的電阻值氣體靈敏度S表示氣體傳感器的電參量與被測(cè)氣體體積濃度之 間的函數(shù)關(guān)系選擇K表示氣體傳感器對(duì)被測(cè)氣體的識(shí)§|（選擇）以及對(duì)干系數(shù)）扌尤氣體的抑制能力響應(yīng)時(shí)間T1阻值達(dá)到氣體體積濃度下穩(wěn)態(tài)阻值的90%為止的 所需時(shí)間恢復(fù)時(shí)間T2阻值恢復(fù)到潔凈空氣中阻值的90%為止所需的時(shí) 間初期穩(wěn)定時(shí)間T3使氣體傳感器恢復(fù)正常工作狀態(tài)需要的時(shí)間加熱功率PH氣體傳感器正常工作時(shí)所需的加熱電路功率123.5半導(dǎo)體氣體傳感器優(yōu)缺點(diǎn)氧化物半導(dǎo)體NOx傳

5、感器優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn):敏感性好，摻雜三價(jià)元素（Al , Bi , Ga , In ）時(shí)，對(duì)NOx顯 示出可靠的選擇性。缺點(diǎn)：無(wú)法完全過濾其它氣體，穩(wěn)定性不好。改進(jìn)方法：以氧化物為基體，摻雜某些特定金屬制成半導(dǎo)體傳感器。如TiO2 , WO3 , AIVO4等，提高選扌誰(shuí)和穩(wěn)癥性。M(Pd)PSi(略)O143.6非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是MOS二極管式和結(jié)型二極管式以及場(chǎng)效應(yīng)管式(MOSFET)半導(dǎo)體氣體傳感器。其電流或電壓隨著氣體含量而變化，主要檢測(cè)等可燃性氣體。目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求2. NOx氣體傳感器分類3. 半導(dǎo)體氣體傳感器體電解質(zhì)氣體傳感器5. 電化

6、學(xué)型氣體傳感器6. 新型氣體傳感器廢氣勺$P蟲傳感單元參考空氣PqEZD ZrOz陶瓷M電極翹篡孔保護(hù)層匚二1絕緣層164.2固體電解質(zhì)的導(dǎo)電機(jī)理Un：輸出電動(dòng)勢(shì)Nernst原理公式：P o2,fUN :RT In4FpO JT：氣體絕對(duì)溫度F：法拉第常數(shù)R：理想氣體常數(shù)PO2,參考空氣氣壓值Po2廢氣的氣壓值電極處化學(xué)反應(yīng)2CO.O22CO2H C +xOz5>yH O + zCO 2 nm 22廢氣務(wù)孔保護(hù)層多孔電極固體電解質(zhì)Pt (+ZrQ>) ZQ(+YiQ)多孔電極Pt (+ZrCb)參考空氣2H2.O-2H2O4.1固體電解質(zhì)的導(dǎo)電機(jī)理NO 2 CO Q N 丿 2CO

7、 24e + 02 020T>350° C17 II4.3氧化錯(cuò)固體電解質(zhì)傳感器分類（1 ）（1）電宓（2）極限電流型敏感電極：NO2+2e=NO+O2參考電極：2O2-4e=O218（3）阻抗譜型:Pig. I (>Mv4ni< ti<>n of pUnar infM-ciaiM-rnirlnv NO；43氧化錯(cuò)固體電解質(zhì)傳感器分類（2 ）l« 5 O?濃度為5%頻華為0山時(shí).不同SI® F傳梏 誥響燉信時(shí)與NO,濃度之何的關(guān)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,傳艱券結(jié)格圖兀啟 CociMruction of planar inprdancmirtnt' NO* wnsor同時(shí)對(duì)02和CO2濃度變化具有 抗干擾性。4.4阻抗譜型NOx傳感器檢測(cè)機(jī)理在YSZ電解質(zhì)與敏感電極界面上發(fā)生了 如下的陰極反應(yīng)：NO2+4e N2+2O2-(1)或NC)2+2e t NO+O2(2)而在另一發(fā)生了如下的陽(yáng)極反應(yīng)：2O2 -

9、4e f O2 (3)因此，假頃下的總阻抗與NO?的濃度相 關(guān)。204.5態(tài)電解質(zhì)N Ox傳感器關(guān)鍵技術(shù)電解質(zhì)材料敏感電極材料制備工藝21目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求2. NOx氣體傳感器分類3. 半導(dǎo)體氣體傳感器4. 固體電解質(zhì)氣體傳感器5. 電化學(xué)型氣體傳感器6. 新型氣體傳感器225.1電化學(xué)式氣體傳感器概述利用待測(cè)氣體與有關(guān)的電極反應(yīng)而制成的氣體傳感器稱電化 學(xué)式氣體傳感器。可分為原電池式.定電位電解式、電量式. 離子電極式四種類型。針對(duì)測(cè)量NOx ,在此介紹前兩種。A定電位電解式氣體傳感器B.原電池式氣體傳感器5.2定電位電解式氣體傳感器在電解過程中，電流由氣體成分的擴(kuò)散速度決

10、定，極限電流與氣體 體積濃度成正比。借此可進(jìn)行檢測(cè)，稱為定電位電解式傳感器。試樣電解液對(duì)極匚作 電極電源2453原電池式氣體傳感器還可以用來測(cè)定大氣中氧.一氧化碳(CO )的體積濃度：匸作電極 電解液選擇合適的電解 液和敏感電極， 對(duì)N Ox氣體做出 有效選擇。O2+H2O + 4e 4OH"2Pb + 4OH_ -> 2Pb(OH)2 +4e_NO2+2e=NO+O2 2O2-4e=O225目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求2. NOx氣體傳感器分類3. 半導(dǎo)體氣體傳感器4. 固體電解質(zhì)氣體傳感器5. 電化學(xué)型氣體傳感器6. 新型氣體傳感器266.1新型傳感器類別光纖氣體傳感

11、器表面聲波氣體 傳感器(SAW)智能氣體傳感 器(電子鼻)27,附：UniNOx傳感器工作原理第五代NOx/02傳感器原理囹，曰本NGK公司氧氣被泵出進(jìn)/出（富氧/缺氧）氧氣進(jìn)一步被泵出主泵I 1泉(ZrOo) I| 缸氣雜(ZrOo)I附加泵10*3 ppmsome DDm ) 了爲(wèi)爲(wèi)丁炸化丿1何一艸-響笫一測(cè)竜室I氣氣泵（ZKV I注：UniNOx傳感器是由德國(guó)大陸和曰本NGK 幵發(fā)的世界第一款量產(chǎn)的車載N6傳感器。第二測(cè)量室測(cè)量泵被泵出氧氣的量與NOx含量成比例28附：UniNOx傳感器工作原理可以認(rèn)為：1個(gè)UniNOx傳感器二2個(gè)氧傳感器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傳感器工作原理（3 ）Oxygen concentration cell characteristicsr®-iOxygen pump characteristicsPt electrodeL>Ambient atmosphere <h=21% 廣: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：國(guó)外近年來硏究項(xiàng)目cross-sectionLeadswire、ptHeated AI2O3 substrateYSZdense / LSMHeated Al2O3 substrateT以氧他呂為基片（福待公刁捉供）.嵌入的加 熱元乩國(guó)夕卜某機(jī)構(gòu)以YSZ （輪穩(wěn)定氧化錯(cuò)）為基片分別進(jìn)行了兩種材料 作為敏感電極的測(cè)試研究,AuLSM（fOf）31附：應(yīng)用過程中的問題1、傳感器選擇性、敏感性、精度不足；2、傳感器工作條件、響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間、可靠性都有待提高3、合適的關(guān)鍵材料還在探索中”復(fù)雜的制備工藝有待改進(jìn)4、成本偏咼，無(wú)法普遍應(yīng)用。32參