工作原理

概述

用于汽车应用的商用NOx传感器主要是电流型的YSZ电化学传感器。图1说明了基本工作原理。该传感器在相邻的腔室中使用两个或三个电化学电池。第一个电池通过电化学方式将O2从样品中泵出，因此它不会干扰第二个电池中的NOx测量。去除O2的需要使这种类型的NOx传感器具有双重用途；它还可以检测排气O2水平。

图1电流型NOx传感器的示意图

第一个电池中的O2被还原，产生的O离子通过施加大约-200mV至-400mV的偏压被泵送通过氧化锆电解质。泵出电流与O2浓度成正比。剩余的气体扩散到第二个电池中，其中还原催化剂使NOx分解成 N2和O2。与第一个电池一样，施加在电极上的-400mV偏压会解离生成的O2，然后将其泵出电池；第二个电池的泵浦电流与NOx分解产生的氧气量成正比。额外的电化学电池可用作Nernstian λ传感器，以帮助控制NOx传感电池[雷奥姆2010]。

废气中的所有HC和CO都应在NOx传感单元之前被氧化，以避免干扰。此外，样品中的任何NO2都应在检测NOx之前转化为NO，以确保传感器输出与NOx的量成比例。

固体氧化锆电解质

许多掺杂金属氧化物的氧化锆配方已被研究用于氧气（λ，λ）以及NOx传感器。已测试的材料包括 Fe2O3、Co3O4、NiO、CuO、ZnO、CeO2、La2O3、Y2O3，以及沸石、铝和硅酸盐的混合物[Cho2012][Lemaerts 2000][ Hasei2000]。还选择了几种化学元素作为潜在的电极材料，包括铂、铑和钯。

在几乎所有商业NOx和lambda传感器中得到最广泛采用和使用的系统是基于固态钇稳定氧化锆电解质（与Nernst灯中使用的材料相同）。YSZ 陶瓷的一个关键特性是其在高温下对O2离子的高电导率。钇的稳定性有两个好处：（1）它阻碍了ZrO2的相变，从而增加了材料的机械强度，以及（2）它增强了氧化锆的氧离子电导率。

氧化锆陶瓷可以具有三个结晶相之一，具体取决于温度[Butz 2009]：

• 室温下的单斜晶体结构

• 1,170°C 起的四方晶体结构

• 立方晶体结构2,370°C

立方晶体结构显示出特别规则的元素排列，并以高氧离子传导性为特征。通过添加金属氧化物，高温晶体结构可以在较低温度下保持稳定。通过在大约1,000°C的烧结过程中添加足够量的氧化钇(Y2O3)，可以使氧化锆立方稳定。

如果氧化钇的量太低，就会形成由单斜晶相和立方相组成的混合晶体。这些部分稳定的氧化锆(PSZ)材料具有显着的抗热波动性。

两种类型的YSZ陶瓷，4YSZ和8YSZ，是几乎所有λ和氮氧传感器的基础。这些名称表明了氧化钇的掺杂水平，如下所示：

• 4YSZ——掺杂4mol%Y2O3的部分稳定ZrO2

• 8YSZ——掺杂8mol%Y2O3的完全稳定的ZrO2

当氧化钇稳定氧化锆时，Y3+离子取代原子晶格中的Zr4+。这样，两个Y3+离子产生一个氧间隙。这些间隙用于运输氧气。

在800°C至1,200°C的温度范围内观察到最大氧离子电导率。不幸的是，在这些温度下，也会出现贫Y和富Y区域的分离。这个过程是不可逆的，会导致氧传导率的严重降低。在950°C时，O2电导率在2,500小时后可降低多达 40% [Butz 2009]。这就是为什么 lambda和NOx探头不能承受高于约930°C的温度的原因。

氧泵电池

如果在两个氧分压不同的腔室之间放置一个由YSZ陶瓷制成的分隔壁，则在室温下不会发生任何事情。然而，当陶瓷壁的温度增加到大约600°C时，氧离子可以通过晶格中的间隙移动。发生对齐，其中具有较高分压的腔室将氧离子通过壁推到具有较低压力的腔室中。

如果分隔壁的两个表面都装有电极，则可以通过电压测量来验证离子的运动。这正是二元（开关）λ 传感器中发生的情况。方程式 (1) 描述了在较高O₂压力的室中发生的氧气还原为O^2-：

O₂+4e-=2O^2-(1)

传感器电压由Nernst方程给出：

U_s=(RT/4F)ln(p_ref/p_exh)(2)

其中：
U_s–传感器信号，V
T–温度，K
p–氧气分压
R–气体常数=8.314J/mol
F–法拉第常数=96,485sA/mol

图2中的图表将高氧分压的腔室作为蓝**域，将低氧分压的腔室作为灰**域。如果将棕色陶瓷加热到600°C，黄色的微孔铂电极将产生大约1V的电压。

图2固体氧化锆电解质电池的示意图

被动单元具有高氧分压的腔室是参考风道。富废气(λ<1)的氧含量低。如果使用加热元件将氧化锆陶瓷加热到大约600°C，氧离子会从参考空气管道通过陶瓷壁移动到废气侧，并产生几乎一伏的信号电压。在稀废气（λ>1）的情况下，相对于参考空气的氧分压差较低，测量到的信号仅为 0.1V或更小。在λ=1时，信号电压约为 0.4-0.5V，具体取决于制造商和探头型号。电压-λ特性几乎是阶梯式的，允许传感器区分两个λ值——浓和稀——因此称为“二元”λ传感器。

在这样的操作中——代表二元 lambda探头——产生的电压与氧分压的下降相关。无源YSZ陶瓷电池也称为电位或能斯特电池。

主动单元也可以主动操作探头，如宽带（线性）氧传感器和NOx传感器中的安培单元中的情况。在主动操作中，电极上没有电压，而是将电极连接到电源。在这种被称为“泵电池”的活性电池中，可以通过反转极性将氧离子从贫氧侧“泵送”到富氧侧。泵浦电流提供了氧浓度的量度。电流-λ特性是线性的，因此可以测量各种空燃比下的O₂浓度。

NOx传感器包括至少两个氧气泵单元（图1）——一个用于从废气中去除多余的氧气，另一个用于测量从NOx分解中释放的氧气浓度。