一种氮氧传感器以及测量尾气中NOx含量的方法

摘要

本发明公开了一种氮氧传感器以及测量尾气中NOx含量的方法，氮氧传感器包括第一层基片、第二层基片、第三层基片、第四层基片、第五层基片、第六层基片、第七层基片、第八层基片和第九层基片；第一层基片的上表面设置有圆环形主电极且第一层基片中包含有第一扩散障层，第二层基片内设有定氧腔室，定氧腔室内设有圆环形定氧电极；第三层基片中包含有第二扩散障层；第四层基片中包含有还原腔室，还原腔室内设有比较电极和测量电极；第五层基片中包含参考腔室，参考腔室内设有参考电极；第七层基片和第八层基片之间设置有加热电极。本发明加快了气体扩散到测量腔室的时间，提高了氮氧传感器的响应时间；制作工艺简单，易于生产，生产成本低，使用寿命长。

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，更具体地，涉及一种氮氧传感器以及测量尾气中NOx含量的方法。

背景技术

汽车排放的尾气已经成为大气NOx污染物的主要来源，由于国家尾气排放标准的提高，需要对尾气中的NOx排放量进行实时检测和处理，而氮氧传感器是该检测系统中的核心部件之一。

传统的氮氧传感器为片状结构，采用多层氧化锆陶瓷片叠合而成，由电化学层与加热层组合而成，电化学层主要完成一系列的电化学及催化分解反应，以实现对NOx气体的测量；加热层主要给氮氧传感器加热，使之达到电化学层电化学及催化反应所需的温度。传统的的氮氧传感器的电极采用对氮氧化合物几乎无催化活性的金属材料Au。氮氧传感器芯片在正常工作过程中，加热层的加热电极温度高达1000℃，十分接近Au的熔点1064℃，影响氮氧传感器的加热效果，因此采用传统的Au做为电极，效果并不理想。

传统的氮氧传感器其内部结构中含有多个腔室，制造工艺复杂，且减少了腔室周围的两个氧化锆陶瓷片的接触面积，降低了腔室所在的氮氧传感器头部的结构强度。

传统的氮氧传感器的内部电极多采用长方形结构，在加工过程中氮氧传感器内部电极附近的尖角处容易出现应力集中的现象，那么氮氧传感器在工作过程中，其内部电极附近的尖角处极其容易出现开裂等问题，大大降低了氮氧传感器的使用寿命。

传统的氮氧传感器的测量电极对NOx的分解较缓慢，因此氮氧传感器内外的NOx浓度差并不是十分大，NOx从外部扩散进还原腔室的速度较为缓慢，则NOx分解产生的电流较小，灵敏度不高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种氮氧传感器，旨在解决现有技术中的由于传统氮氧传感器内部腔室结构和测量电极与加热电极的材料和形状，导致氮氧传感器制造工艺复杂，头部强度较低，电极附近出易现开裂，加热电极加热效果欠佳，灵敏度不高的技术问题。

本发明提供了一种氮氧传感器，包括从上到下依次叠压的第一层基片、第二层基片、第三层基片、第四层基片、第五层基片、第六层基片、第七层基片、第八层基片和第九层基片；所述第一层基片的上表面设置有圆环形的主电极，且所述第一层基片中包含有第一扩散障层，汽车尾气通过所述第一扩散障层进入氮氧传感器；所述第二层基片内设有圆柱体形的定氧腔室，所述定氧腔室内设有圆环形定氧电极；所述第三层基片中包含有第二扩散障层；所述第四层基片中包含有圆柱体形的还原腔室，所述还原腔室内设有比较电极和测量电极；所述第五层基片中包含参考腔室，所述参考腔室是与大气相连的参考气体通道，所述参考腔室内设有参考电极；所述第七层基片和所述第八层基片之间设置有加热电极。

更进一步地，所述主电极的材料为对NOx化合物无催化作用的金属陶瓷。

更进一步地，所述金属陶瓷由Pt、YSZ(氧化钇稳定氧化锆)组成。

更进一步地，所述第一扩散障层的材料为氧化铝和石墨的混合，石墨的体积百分比为5％～25％Vol，由于石墨在氮氧传感器制作过程中可被烧结，因此扩散障有一定的孔隙，允许气体通过。

更进一步地，所述加热电极的材料为铂。

更进一步地，所述测量电极的材料为由NiO、CuO和YSZ构成的复合 材料，所述复合材料中YSZ的体积百分比为5％～30％Vol，CuO的体积百分比为7％～38％Vol。

更进一步地，在所述测量电极上附着有一覆盖层，所述覆盖层的材料为含Mn元素0％～10％Vol的晶尖石。

本发明还提供了一种基于上述的氮氧传感器测量尾气中NOx含量的方法，包括下述步骤：

(1)通过所述加热电极对氮氧传感器进行加热，使得氮氧传感器的各个腔室中的氧气以氧离子的形式从各个腔室内部泵出；当待测气体通过第一扩散障层进入定氧腔室时，通过在主电极和定氧电极之间施加主泵电压，使得定氧腔室中的氧气以氧离子的形式泵出；剩余的气体经过第二扩散障层进入还原腔室，通过调节主泵电压，控制定氧腔室中氧的泵出量，使得参考电压Vc保持在450mv左右，从而使得还原腔室内的氧气浓度保持在1～5ppm的水平；通过在测量电极与主电极之间施加-2v～+2v的电压，使得分解出来的O2被不断泵出，产生泵电流Ip1；

(2)采集泵电流Ip1；

(3)根据所述泵电流Ip1获得待测气体中NOx的含量。

其中，主泵电压为-2v～+2v。

其中，步骤S3具体为：通过分别测量浓度为0ppm的NOx和满程为1000ppm～3000ppm的NOx条件下泵电流Ip1，可得出不同NOx的含量与泵电流Ip1之间的比例关系，从而可以根据测得的任意电流值Ip1获得NOx的含量。

本发明能够实现以下技术效果：(1)在结构上本发明的氮氧传感器内部一共只有3个腔室，相比较传统的氮氧传感器的5个腔室，减少2个腔室。由于腔室所占空间的减少，这样就增大了腔室周围的氧化锆陶瓷基片之间的接触面积，提高了腔室所在的氮氧传感器头部的结构强度。此外本发明也简化了氮氧传感器的结构，从而使得整个氮氧传感器的制作工艺变 得更为简单，易于生产，降低生产成本。(2)本发明中，氮氧传感器的定氧腔室和测量腔室均为圆柱体，主电极、测量电极、比较电极均为圆环形。相比于传统的氮氧传感器的长方体腔室和长方形电极，本发明内部的尖角都采用圆弧过度，明显降低了传感器内部的应力集中，大大减少了其内部开裂的可能性，从而提高其使用寿命。(3)本发明中，加热电极为金属铂，铂的熔点为1772℃，远高于加热温度1000℃，相比较于以金属金为电极，并不会出现在加热过程中硬度下降、挥发等问题，其加热效果良好。(4)本发明中，测量电极由NiO、CuO和YSZ的复合材料制成。复合材料中YSZ的体积百分比为5％～30％Vol，CuO的体积百分比为7％～38％Vol。测量电极上有一覆盖层，覆盖层的材料为含Mn元素0％～10％Vol的晶尖石。相比于传统的氮氧传感器测量电极材料，本材料可以提高NOx在测量电极上的分解速度，从而使得还原腔室的NOx的浓度更低，加速定氧腔室的NOx扩散进还原腔室，进而加速氮氧传感器外部的NOx扩散进定氧腔室。由于扩散加快，则由NOx分解产生的电流增大，进而增加NOx测量的灵敏度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的氮氧传感器的剖面视图。

图2是本发明实施例提供的氮氧传感器的三维结构视图。

图3是本发明实施例提供的氮氧传感器原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的氮氧传感器可以测量尾气中NOx的含量，适用于汽车尾气氮氧化物气体的测量。图1示出了本发明实施例提供的氮氧传感器的剖 面视图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：本发明提供的氮氧传感器由氧化锆陶瓷基片层叠构成，包括第一层基片、第二层基片、第三层基片、第四层基片、第五层基片、第六层基片、第七层基片、第八层基片和第九层基片从上到下依次叠压。第一层基片上表面上设有圆环形主电极1，第一层基片中包含有第一扩散障层2，汽车尾气通过此扩散障层2进入氮氧传感器；第二层基片内设有一定氧腔室4，定氧腔室4内设有圆环形定氧电极3；第三层基片中包含有第二扩散障层5；第四层基片中包含有还原腔室7，还原腔室7内设有比较电极6和测量电极8；第五层基片中包含参考腔室10，参考腔室10是与大气相连的参考气体通道，参考腔室10内设有参考电极；第七层和第八层基片之间包含有加热电极。

在本发明实施例中，主电极1和比较电极6的材料都可以为对NOx化合物无催化作用的金属陶瓷，主要是由Pt、YSZ(氧化钇稳定氧化锆)组成，主电极1外表面覆盖了一层保护层，保护层的材料可以是氧化铝。

在本发明实施例中，扩散障层(2、5)的材料可以是有一定孔隙率的氧化铝。

在本发明实施例中，测量电极的材料可以是铂铑和YSZ(氧化钇稳定氧化锆)，对汽车尾气中的氮氧化合物敏感。

作为本发明的一个实施例，加热层上、下表面均覆盖有绝缘层。加热电极材料可以是铂。

作为本发明的一个实施例，绝缘层的材料可以是致密的氧化铝。

本发明的有益效果具体在于：在结构上本发明的氮氧传感器内部一共只有3个腔室，相比较传统的的氮氧传感器的5个腔室，减少2个腔室。这样尾气中的气体可以通过扩散障直接进入定氧腔室，加快了气体扩散到测量腔室的时间，从而提高氮氧传感器的响应时间。此外本发明也简化了氮氧传感器的结构，从而使得整个氮氧传感器的制作工艺变得更为简单， 易于生产，降低生产成本。

本发明中，氮氧传感器的定氧腔室和测量腔室均为圆柱体，主电极、测量电极、比较电极均为圆环形。相比于传统的氮氧传感器的长方体腔室和长方形电极，本发明内部的尖角都采用圆弧过度，明显降低了传感器内部的应力集中，大大减少了其内部开裂的可能性，从而提高其使用寿命。

本发明实施例中，加热电极可以为金属铂，铂的熔点为1772℃，远高于加热温度1000℃，相比较于以金属金为电极，并不会出现在加热过程中硬度下降、挥发等问题，其加热效果良好。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的氮氧传感器，现结合附图详述如下：

图1为本发明实施例的NOx传感器结构剖面图。如图1所示，本发明的氮氧传感器由九层氧化锆陶瓷基片层叠构成。第一层基片上表面上设有主电极1，第一层基片中包含有第一扩散障层2，汽车尾气通过此扩散障层进入氮氧传感器；第二层基片内设有一定氧腔室4，定氧腔室内设有定氧电极3；第三层基片中包含有第二扩散障层5；第四层基片中包含有还原腔室7，还原腔室7内设有比较电极6和测量电极8；第五层基片中包含参考腔室10，参考腔室10是与大气相连的参考气体通道，参考腔室10内设有参考电极9；第七层和第八层基片之间包含有加热电极11。

在本发明实施例中，主电极和比较电极都是的材料为对NOx化合物无催化作用的金属陶瓷，主要是由Pt、YSZ(氧化钇稳定氧化锆)组成，主电极外表面覆盖了一层保护层，材料是氧化铝。扩散障层的材料是有一定的孔隙率氧化铝。测量电极的材料是由NiO、CuO和YSZ的复合材料制成。复合材料中YSZ的体积百分比为5％～30％Vol，CuO的体积百分比为7％～38％Vol。测量电极上有一覆盖层，覆盖层的材料为含Mn元素0％～10％Vol的晶尖石。加热层上下表面均覆盖有绝缘层。绝缘层的材料是 致密的氧化铝。加热电极材料是铂。要准确测得气体中NOx含量就必须先将氮氧传感器内部腔室的氧气排出，去除气体中原有氧气的干扰，然后通过测量出NOx分解出来的O2含量，计算气体中的NOx的含量，即完成了氮氧传感器对NOx气体的测量。测量时，通过加热电极11对氮氧传感器加热，利用氧化锆陶瓷在高温下呈现的电解质特性，可以使得氧气以氧离子的形式从氮氧传感器腔室内部泵出。

如图3所示，氮氧传感器内部的电极构成四个回路。其中比较电极6和参考电极9构成第一回路，用于测量还原腔室7与参考腔室10的氧气浓度差；

主电极1和定氧电极3构成第二回路，控制定氧腔室的泵氧量，使得定氧腔室4和还原腔室7的氧气浓度在1～5ppm，从而保证比较电极6和参考电极9之间的电压为450mv左右。

测量电极8和主电极1构成第三回路，用于测量在测量电极8上分解的NOx的含量，即气体中的NOx的含量。

加热电极11构成第四回路，用于为氮氧传感器加热加热，从而获得氧化锆陶瓷在高温下的电解质特性，使得氧气以氧离子的形式泵出。

测量时，氮氧传感器被加热电极11加热到600℃到800℃之间，气体通过第一扩散障层2进入定氧腔室4，主电极1和定氧电极3之间施加一主泵电压，可以将氧气从氮氧传感器内部泵出。该主泵电压由比较电极6和参考电极9之间的参考电压Vc决定。

剩余的气体经过第二扩散障层5进入还原腔室7。参考电极一端置于空气中，参考电极和比较电极之间存在一个由电极所在氛围的氧浓度差决定的参考电压Vc(该电势信号符合能斯特方程)。

在氧化锆组成的固体电解质中，能斯特(Nernst)方程用来计算电解质两端由于氧浓度查差产生的电势。

$E=\frac{RT}{nF}\ln \frac{p0}{p}$

其中，R是理想气体常数；T是温度；n是反应式的电子转移数；F是法拉第常数；po是空气中氧气浓度，p是还原腔室氧气浓度；在一定温度下(600～800℃)，空气与还原腔室不同的氧气浓度差便会有一对应的电势输出。

通过调节主泵电压，控制定氧腔室4中氧的泵出量，使得参考电压Vc保持在450mv左右，即可保证参考电极和比较电极所在氛围的氧浓度差，从而保证还原腔室7内的氧气浓度保持在非常小的水平(在1～5PPM级别)。

还原腔室7内的测量电极8所采用的材料是对NOx敏感的材料。测量电极8上高温和催化剂会让NOx分解成N2和O2，在测量电极8与主电极1之间加一个适当电压，分解出来的O2被不断泵出，产生泵电流Ip1，可通过测量泵电流值Ip1计算出气体中的NOx的含量，即完成了氮氧传感器对NOx气体的测量。气体中NOx的含量和产生的泵电流Ip1成线性比例关系，通过分别测量浓度为0ppm的NOx和2000ppm的NOx的条件下标定泵电流Ip1值，可得出NOx的含量和产生的泵电流Ip1之间的比例关系，从而可以根据测得的任意电流值Ip1值计算出NOx的含量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。