車用NOx氮氧傳感器介紹-課件

NOx氮氧傳感器介紹Kevin.H2016.11PPT課件NOx氮氧傳感器介紹Kevin.H2016.11PPT課目錄NOx氣體傳感器技術(shù)要求NOx氣體傳感器分類半導(dǎo)體氣體傳感器固體電解質(zhì)氣體傳感器電化學型氣體傳感器新型氣體傳感器2PPT課件目錄NOx氣體傳感器技術(shù)要求2PPT課件目錄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.電化學型氣體傳感器6.新型氣體傳感器3PPT課件目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求3PPT課件1、NOx傳感器技術(shù)要求通用NOx傳感器（UniNOx-Sensor），德國大陸用途：

準確、快速地測量氣體中的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；可普及性。4PPT課件1、NOx傳感器技術(shù)要求通用NOx傳感器（UniNOx-Se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.電化學型氣體傳感器6.新型氣體傳感器5PPT課件目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求5PPT課件2.NOx氣體傳感器分類根據(jù)氣敏特性分類：半導(dǎo)體型固態(tài)電解質(zhì)電化學型新型傳感器6PPT課件2.NOx氣體傳感器分類根據(jù)氣敏特性分類：半導(dǎo)體型固目錄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.電化學型氣體傳感器6.新型氣體傳感器7PPT課件目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求7PPT課件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。大體上可分為電阻型和非電阻型兩大類。要對NOx進行檢測，需要選擇合適的敏感材料。8PPT課件3.1半導(dǎo)體氣體傳感器分類半導(dǎo)體氣3.2電阻型半導(dǎo)體NOx傳感器結(jié)構(gòu)

氧化物半導(dǎo)體NOx傳感器，福特公司專利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行NOx的監(jiān)測。9PPT課件3.2電阻型半導(dǎo)體NOx傳感器結(jié)構(gòu)氧化物半導(dǎo)體NOx傳感3.3電阻型半導(dǎo)體NOx傳感器檢測機理

氣敏半導(dǎo)體材料SnO2是N型半導(dǎo)體，其導(dǎo)電機理可用吸附效應(yīng)來解釋。圖示為燒結(jié)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)部電阻較低。該模型可簡化為僅由頸部等效電阻Rn串聯(lián)而成的等效電路（右）10PPT課件3.3電阻型半導(dǎo)體NOx傳感器檢測機理氣敏半導(dǎo)體材3.4電阻型半導(dǎo)體NOx傳感器特性參數(shù)11PPT課件3.4電阻型半導(dǎo)體NOx傳感器特性參數(shù)11PPT課件3.5半導(dǎo)體氣體傳感器優(yōu)缺點優(yōu)點：敏感性好，摻雜三價元素（Al，Bi，Ga，In）時，對NOx顯示出可靠的選擇性。缺點：無法完全過濾其它氣體，穩(wěn)定性不好。氧化物半導(dǎo)體NOx傳感器優(yōu)缺點：改進方法：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，AlVO4等，提高選擇性和穩(wěn)定性。12PPT課件3.5半導(dǎo)體氣體傳感器優(yōu)缺點優(yōu)點：敏感性好，摻雜三價元素（3.6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，主要檢測氫和硅燒氣等可燃性氣體。（略）13PPT課件3.6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M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.電化學型氣體傳感器6.新型氣體傳感器14PPT課件目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求14PPT課件4.1固體電解質(zhì)的導(dǎo)電機理廢氣傳感單元加熱參考空氣ZrO2-陶瓷層電極多孔保護層絕緣層USSensorCharacteristicCurveNormalizedA/FratioSensorvoltage00.981.01.02Ureg0VPO’2PO’’215PPT課件4.1固體電解質(zhì)的導(dǎo)電機理廢氣傳感單元加熱參考空氣ZrO24.2固體電解質(zhì)的導(dǎo)電機理電極處化學反應(yīng)HnCm

+xO2?yH2O+zCO22CO

+O2?2CO22H2

+O2?2H2ONO

+2CO

?N2+2CO2廢氣固體電解質(zhì)ZrO2(+Y2O3)T>350°CUN參考空氣4e-+O2

?2O2-2O2-

?4e-+O2多孔電極Pt(+ZrO2)多孔電極Pt(+ZrO2)多孔保護層O2O2O2O2O2O2O2-O2O2O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2O2pO2''=0,21barpO2'=10-20barNernst原理公式:UN=F4RTln'O''O22PPUN:輸出電動勢T:氣體絕對溫度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16PPT課件4.2固體電解質(zhì)的導(dǎo)電機理電極處化學反應(yīng)HnCm+x4.3氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器分類（1）VYSZ鉑電極Oo2-鉑電極eAYSZ鉑電極Oo2-鉑電極(1)電位型(2)極限電流型敏感電極：NO2+2e=NO+O2-參考電極：2O2--4e=O217PPT課件4.3氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器分類（1）VYSZ鉑電極Oo4.3氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器分類（2）(3)阻抗譜型：18PPT課件4.3氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器分類（2）(3)阻抗譜型4.4阻抗譜型NOx傳感器檢測機理在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NO2+2e→NO+O2-(2)而在另一側(cè)發(fā)生了如下的陽極反應(yīng)：2O2--4e→O2(3)因此，低頻下的總阻抗與NO2的濃度相關(guān)。同時對O2和CO2濃度變化具有抗干擾性。19PPT課件4.4阻抗譜型NOx傳感器檢測機理在YSZ電解質(zhì)與敏感4.5固態(tài)電解質(zhì)NOx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20PPT課件4.5固態(tài)電解質(zhì)NOx傳感器關(guān)鍵技術(shù)電解質(zhì)材料敏感電極材目錄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.電化學型氣體傳感器6.新型氣體傳感器21PPT課件目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求21PPT課件5.1電化學式氣體傳感器概述

利用待測氣體與有關(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。針對測量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22PPT課件5.1電化學式氣體傳感器概述利用待測氣體與有關(guān)的電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散速度決定，極限電流與氣體體積濃度成正比。借此可進行檢測，稱為定電位電解式傳感器。NO2+2e=NO+O2-2O2--4e=O223PPT課件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5.3原電池式氣體傳感器還可以用來測定大氣中氧、一氧化碳（CO）的體積濃度：選擇合適的電解液和敏感電極，對NOx氣體做出有效選擇。24PPT課件5.3原電池式氣體傳感器還可以用來測定大氣中氧、一氧化碳（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.電化學型氣體傳感器6.新型氣體傳感器25PPT課件目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求25PPT課件6.1新型傳感器類別

光纖氣體傳感器表面聲波氣體傳感器(SAW)智能氣體傳感器（電子鼻）26PPT課件6.1新型傳感器類別光纖氣體傳感器表面聲波氣體傳感器(S附：UniNOx傳感器工作原理(1)注：UniNOx傳感器是由德國大陸和日本NGK開發(fā)的世界第一款量產(chǎn)的車載NOx傳感器。27PPT課件附：UniNOx傳感器工作原理(1)注：UniNOx傳感器是附：UniNOx傳感器工作原理(2)第五代NOx/O2傳感器原理圖，日本NGK公司可以認為：1個UniNOx傳感器=2個氧傳感器28PPT課件附：UniNOx傳感器工作原理(2)第五代NOx/O2傳感器附：UniNOx傳感器工作原理（3）29PPT課件附：UniNOx傳感器工作原理（3）29PPT課件附：國外近年來研究項目↑以氧化鋁為基片（福特公司提供），嵌入的加熱元件。國外某機構(gòu)以YSZ（釔穩(wěn)定氧化鋯）為基片分別進行了兩種材料作為敏感電極的測試研究，Au和LSM（錳酸鍶鑭）30PPT課件附：國外近年來研究項目↑以氧化鋁為基片（福特公司提供），嵌入附：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4、成本偏高，無法普遍應(yīng)用。31PPT課件附：應(yīng)用過程中的問題1、傳感器選擇性、敏感性、精度不足；31參考資料[1]趙海燕，汽車尾氣用NOx傳感器[J].傳感器與微系統(tǒng).2007,26(1):8-10;[2]王嶺，納米結(jié)構(gòu)CuO為敏感電極的阻抗譜型NO2傳感器[J].無機化學學報.2012,28(1):81-87;[3]LawrenceLivermoreNationalLaboratory,NOxSensorDevelopment[D].Internet.2012.5[4]顧媛媛，簡家文，一種固體電解質(zhì)的電流型NO2傳感器.實用新型專利.寧波大學,2013.3

32PPT課件參考資料[1]趙海燕，汽車尾氣用NOx傳感器[J].傳感器NOx氮氧傳感器介紹Kevin.H2016.133PPT課件NOx氮氧傳感器介紹Kevin.H2016.11PPT課目錄NOx氣體傳感器技術(shù)要求NOx氣體傳感器分類半導(dǎo)體氣體傳感器固體電解質(zhì)氣體傳感器電化學型氣體傳感器新型氣體傳感器34PPT課件目錄NOx氣體傳感器技術(shù)要求2PPT課件目錄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.電化學型氣體傳感器6.新型氣體傳感器35PPT課件目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求3PPT課件1、NOx傳感器技術(shù)要求通用NOx傳感器（UniNOx-Sensor），德國大陸用途：

準確、快速地測量氣體中的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；可普及性。36PPT課件1、NOx傳感器技術(shù)要求通用NOx傳感器（UniNOx-Se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.電化學型氣體傳感器6.新型氣體傳感器37PPT課件目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求5PPT課件2.NOx氣體傳感器分類根據(jù)氣敏特性分類：半導(dǎo)體型固態(tài)電解質(zhì)電化學型新型傳感器38PPT課件2.NOx氣體傳感器分類根據(jù)氣敏特性分類：半導(dǎo)體型固目錄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.電化學型氣體傳感器6.新型氣體傳感器39PPT課件目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求7PPT課件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。大體上可分為電阻型和非電阻型兩大類。要對NOx進行檢測，需要選擇合適的敏感材料。40PPT課件3.1半導(dǎo)體氣體傳感器分類半導(dǎo)體氣3.2電阻型半導(dǎo)體NOx傳感器結(jié)構(gòu)

氧化物半導(dǎo)體NOx傳感器，福特公司專利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行NOx的監(jiān)測。41PPT課件3.2電阻型半導(dǎo)體NOx傳感器結(jié)構(gòu)氧化物半導(dǎo)體NOx傳感3.3電阻型半導(dǎo)體NOx傳感器檢測機理

氣敏半導(dǎo)體材料SnO2是N型半導(dǎo)體，其導(dǎo)電機理可用吸附效應(yīng)來解釋。圖示為燒結(jié)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)部電阻較低。該模型可簡化為僅由頸部等效電阻Rn串聯(lián)而成的等效電路（右）42PPT課件3.3電阻型半導(dǎo)體NOx傳感器檢測機理氣敏半導(dǎo)體材3.4電阻型半導(dǎo)體NOx傳感器特性參數(shù)43PPT課件3.4電阻型半導(dǎo)體NOx傳感器特性參數(shù)11PPT課件3.5半導(dǎo)體氣體傳感器優(yōu)缺點優(yōu)點：敏感性好，摻雜三價元素（Al，Bi，Ga，In）時，對NOx顯示出可靠的選擇性。缺點：無法完全過濾其它氣體，穩(wěn)定性不好。氧化物半導(dǎo)體NOx傳感器優(yōu)缺點：改進方法：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，AlVO4等，提高選擇性和穩(wěn)定性。44PPT課件3.5半導(dǎo)體氣體傳感器優(yōu)缺點優(yōu)點：敏感性好，摻雜三價元素（3.6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，主要檢測氫和硅燒氣等可燃性氣體。（略）45PPT課件3.6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M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.電化學型氣體傳感器6.新型氣體傳感器46PPT課件目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求14PPT課件4.1固體電解質(zhì)的導(dǎo)電機理廢氣傳感單元加熱參考空氣ZrO2-陶瓷層電極多孔保護層絕緣層USSensorCharacteristicCurveNormalizedA/FratioSensorvoltage00.981.01.02Ureg0VPO’2PO’’247PPT課件4.1固體電解質(zhì)的導(dǎo)電機理廢氣傳感單元加熱參考空氣ZrO24.2固體電解質(zhì)的導(dǎo)電機理電極處化學反應(yīng)HnCm

+xO2?yH2O+zCO22CO

+O2?2CO22H2

+O2?2H2ONO

+2CO

?N2+2CO2廢氣固體電解質(zhì)ZrO2(+Y2O3)T>350°CUN參考空氣4e-+O2

?2O2-2O2-

?4e-+O2多孔電極Pt(+ZrO2)多孔電極Pt(+ZrO2)多孔保護層O2O2O2O2O2O2O2-O2O2O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2-O2O2pO2''=0,21barpO2'=10-20barNernst原理公式:UN=F4RTln'O''O22PPUN:輸出電動勢T:氣體絕對溫度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48PPT課件4.2固體電解質(zhì)的導(dǎo)電機理電極處化學反應(yīng)HnCm+x4.3氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器分類（1）VYSZ鉑電極Oo2-鉑電極eAYSZ鉑電極Oo2-鉑電極(1)電位型(2)極限電流型敏感電極：NO2+2e=NO+O2-參考電極：2O2--4e=O249PPT課件4.3氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器分類（1）VYSZ鉑電極Oo4.3氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器分類（2）(3)阻抗譜型：50PPT課件4.3氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器分類（2）(3)阻抗譜型4.4阻抗譜型NOx傳感器檢測機理在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NO2+2e→NO+O2-(2)而在另一側(cè)發(fā)生了如下的陽極反應(yīng)：2O2--4e→O2(3)因此，低頻下的總阻抗與NO2的濃度相關(guān)。同時對O2和CO2濃度變化具有抗干擾性。51PPT課件4.4阻抗譜型NOx傳感器檢測機理在YSZ電解質(zhì)與敏感4.5固態(tài)電解質(zhì)NOx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52PPT課件4.5固態(tài)電解質(zhì)NOx傳感器關(guān)鍵技術(shù)電解質(zhì)材料敏感電極材目錄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.電化學型氣體傳感器6.新型氣體傳感器53PPT課件目錄1. NOx氣體傳感器技術(shù)要求21PPT課件5.1電化學式氣體傳感器概述

利用待測氣體與有關(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。針對測量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54PPT課件5.1電化學式氣體傳感器概述利用待測氣體與有關(guān)的電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散速度決定，極限電流與氣體體積濃度成正比。借此可進行檢測，稱為定電位電解式傳感器。NO2+2e=NO+O2-2O2--4e=O255PPT課件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5.3原電池式氣體傳感器還可以用來測定大氣中氧、一氧化碳（CO）的體積濃度：選擇合適的電解液和敏感電極，對NOx氣體做出有效選擇。56PPT課件5.3原電池式氣體傳感器還可以用來測定大氣中氧、一氧化碳（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.電化學型氣體傳感器6.新型氣體傳感器57PPT課件目錄1. NO