改進(jìn)的氮氧傳感器芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鄭鋼 張海航

廣東嶺南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東清遠(yuǎn) 511500

0 前言

氮氧化物（NOx）傳感器可測(cè)量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）的含量，用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)或者監(jiān)測(cè)尾氣排放后處理系統(tǒng)的工作狀態(tài)，是發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排的關(guān)鍵部件。根據(jù)中國(guó)國(guó)5排放標(biāo)準(zhǔn)要求，氮氧化物傳感器主要用在3.5噸以上的柴油車(chē)，監(jiān)測(cè)SCR（選擇性催化還原）系統(tǒng)的工作狀態(tài)。更嚴(yán)格的中國(guó)國(guó)6排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施之后，氮氧化物傳感器還將用于柴油機(jī)的閉環(huán)控制。

1 傳統(tǒng)氮氧傳感器芯片結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)

傳統(tǒng)氮氧傳感器總成外形如圖1所示。氮氧傳感器核心部件是氮氧傳感器芯片，目前典型的氮氧傳感器芯片結(jié)構(gòu)基本都是長(zhǎng)條形狀，如圖2所示?；w由6片氧化鋯層疊燒結(jié)而成，也有5片或7片層疊燒結(jié)。汽車(chē)排放尾氣中NOx由通道通過(guò)第一氧化鋁擴(kuò)散障進(jìn)入第一腔，尾氣中的部分氧氣被由鉑電極和公共外電極組成的第一泵氧電極泵出，同時(shí)將NO2分解為NO；降低濃度后的尾氣再經(jīng)由第二氧化鋁擴(kuò)散障進(jìn)入第二腔室，混合氣體中剩余的氧氣由鉑電極和公共外電極組成的第二泵氧電極泵出，同時(shí)將剩余的NO2分解為NO[1]；不含氧氣的尾氣經(jīng)過(guò)第三氧化鋁擴(kuò)散障進(jìn)入第三腔室，第三腔室中測(cè)量鉑電極混有高催化活性材料銠，在高溫下氣體發(fā)生分解反應(yīng)，NO分解為氮?dú)夂脱鯕?，氧氣被由測(cè)量鉑電極和公共外電極組成的第三泵氧電極泵出，通過(guò)測(cè)量第三泵氧電極的微電流數(shù)值，可以得到汽車(chē)排放尾氣中NOx的濃度值。第三氧化鋯層底部印制有參比電極，第三氧化鋯層開(kāi)設(shè)與外界相通的參比通道，參比電極與外界大氣接觸，始終保證穩(wěn)定的氧分壓，參比電極與測(cè)量鉑電極構(gòu)成回路，提供參比數(shù)值。第四氧化鋯層底部印制有加熱電極，短時(shí)間內(nèi)可以加熱陶瓷芯片到設(shè)定的溫度。鉑電極、測(cè)量鉑電極可以包覆氧化鋁保護(hù)層[2]。公共外電極、參比電極包覆多孔氧化鋁保護(hù)層，加熱電極包覆絕緣致密氧化鋁保護(hù)層。

長(zhǎng)條形狀陶瓷芯片結(jié)構(gòu)，尾氣傳輸?shù)能壽E是直線，從進(jìn)氣口到最后一個(gè)腔室的傳輸距離短，擴(kuò)散障的阻滯效果會(huì)受影響，尾氣的流速和流量不穩(wěn)定。尤其當(dāng)尾氣濃度及溫度發(fā)生波動(dòng)時(shí)，泵氧的過(guò)程中測(cè)量精度表現(xiàn)出不穩(wěn)定現(xiàn)象，泵出的氧氣量和設(shè)定的泵氧電極的電壓值不匹配，從而影響測(cè)量的精度[3]。由于進(jìn)氣通道和主要的腔室集中在芯片的前部，且腔室之間的距離較近，長(zhǎng)期工作及高溫作用容易發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致前部塌陷。加熱電極的形狀也多是長(zhǎng)條形狀，加熱過(guò)程中由于陶瓷芯片腔室分布不均勻，導(dǎo)致加熱溫度分布不均衡，從而影響最終的測(cè)量精度。

2 改進(jìn)的圓形氮氧傳感器芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 改進(jìn)的圓形氮氧傳感器芯片工作原理

圓片形狀陶瓷芯片基體由1～5層氧化鋯基片層疊燒結(jié)而成，如圖3所示。圖4、圖5、圖6分別是圖3的剖視圖。圖4中，含有NOx的尾氣從第二層氧化鋯基片進(jìn)氣口進(jìn)入，經(jīng)過(guò)第一擴(kuò)散障，第一擴(kuò)散障為較細(xì)密的多孔氧化鋁材質(zhì)。由于采用圓弧形狀擴(kuò)散通道，燒結(jié)過(guò)程中有效降低了應(yīng)力集中。相比傳統(tǒng)的直線通道延長(zhǎng)了通道長(zhǎng)度，尾氣能均勻進(jìn)入第一腔室，第一腔室中第一鉑電極和公共外電極組成的回路將尾氣中部分氧氣泵出基體，具體泵出的氧氣量取決于回路設(shè)定的電壓值，公共外電極包覆多孔氧化鋁保護(hù)層。由于尾氣進(jìn)入均勻，第一腔室泵出的氧氣量和設(shè)定的電壓值是匹配的，同時(shí)將NOx尾氣中NO2分解為NO[4-5]。氧氣濃度降低后的尾氣經(jīng)第二擴(kuò)散障進(jìn)入第二腔室，由于第二擴(kuò)散障采用圓弧通道，燒結(jié)過(guò)程中有效降低了應(yīng)力集中。相比傳統(tǒng)的直線通道延長(zhǎng)了通道長(zhǎng)度，尾氣均勻進(jìn)入第二腔室的同時(shí)，減緩了進(jìn)入的速度和流量。第二腔室中第二鉑電極和公共外電極組成的回路有充足的時(shí)間將尾氣中剩余的氧氣全部泵出基體外。第二腔室中測(cè)量鉑電極和公共外電極組成回路，由于測(cè)量鉑電極混有高催化活性材料銠，在高溫下氣體發(fā)生分解反應(yīng)，NO分解為氮?dú)夂脱鯕?，氧氣被由測(cè)量鉑電極和公共外電極組成的回路泵出，通過(guò)測(cè)量回路的微電流數(shù)值可以得到汽車(chē)排放尾氣中NOx的濃度值。第二腔室內(nèi)印制第二鉑電極和測(cè)量鉑電極，起到減少腔室的作用。圖5中，第三層氧化鋯基片底部印制有參比電極，參比電極包覆多孔氧化鋁保護(hù)層。第三層氧化鋯基片開(kāi)設(shè)與外界相通的參比通道，參比電極與外界大氣接觸，始終保證穩(wěn)定的氧分壓，參比電極與測(cè)量鉑電極構(gòu)成回路，提供參比數(shù)值。圖6中，第四層氧化鋯基片底部印制有環(huán)形加熱電極，環(huán)形加熱電極包覆絕緣致密氧化鋁保護(hù)層，導(dǎo)線電阻值是環(huán)形加熱電極電阻值的0.4倍。短時(shí)間內(nèi)使陶瓷基體溫度達(dá)到920 ℃左右，由于環(huán)形加熱電極的形狀和圓片陶瓷基體的形狀一致，且基體內(nèi)的腔室分布均勻，溫升過(guò)程平穩(wěn)，基體內(nèi)溫度一致，利于保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2.2 改進(jìn)的圓形氮氧傳感器芯片與傳統(tǒng)的氮氧傳感器芯片性能測(cè)試比較

改進(jìn)的圓形氮氧傳感器芯片與傳統(tǒng)的氮氧傳感器芯片性能測(cè)試對(duì)比如表1所示。主要測(cè)試指標(biāo)包括測(cè)量范圍、測(cè)量精度、響應(yīng)時(shí)間。從表中可以看出，與傳統(tǒng)的氮氧傳感器芯片比較，圓形氮氧傳感器芯片在測(cè)量NOx濃度有更大的范圍，測(cè)量精度方面有所提高，但在響應(yīng)時(shí)間上面有所減慢，需后續(xù)的研究加以改善。

3 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)典型長(zhǎng)條形狀陶瓷芯片，由于結(jié)構(gòu)的原因，導(dǎo)致測(cè)量精度不穩(wěn)定，陶瓷芯片前部可能塌陷報(bào)廢，加熱不均衡。采用圓片形狀氧化鋯層疊燒結(jié)，均勻布置進(jìn)氣口及泵氧腔室，第二泵氧腔室和測(cè)量腔室合并，減少腔室數(shù)量，有效避免陶瓷芯片局部塌陷。設(shè)計(jì)加長(zhǎng)圓弧形狀擴(kuò)散障通道，除了在燒結(jié)過(guò)程中降低應(yīng)力集中，還可以適當(dāng)延長(zhǎng)尾氣通過(guò)時(shí)間，泵氧效率提高，第二腔室完全泵出剩余氧氣，改善測(cè)量精度不穩(wěn)定現(xiàn)象，提高測(cè)量精度。經(jīng)測(cè)試，加長(zhǎng)的圓弧形狀擴(kuò)散障通道不會(huì)對(duì)傳感器反應(yīng)腔內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生影響，不會(huì)帶來(lái)氮氧化物過(guò)氧化或者過(guò)還原。加熱電極設(shè)計(jì)成圓環(huán)形狀，與圓片形狀陶瓷芯片匹配，加熱溫度均勻，改善加熱性能，提高測(cè)量精度。

表1 性能測(cè)試對(duì)比表