[发明专利]一种氮氧化物传感器陶瓷芯片

说明书

一种氮氧化物传感器陶瓷芯片，第一层膜片上设表面覆盖保护层的氧泵正极，氧泵正极和第一层膜片上设有采集腔，第二层膜片上设第二通孔～第四通孔，第二通孔内设第一扩散障，第一扩散障将第二通孔分成第一测量室和缓冲腔，第一测量室内设主氧泵负极，第二通孔与第三通孔间设第二扩散障，第三通孔为第二测量室内设辅助泵负极，第三通孔与第四通孔间设第三扩散障，第四通孔为第三测量室内设表面覆盖保护层的测量电极，第三层膜片上设有参比通道，参比通道内设表面覆盖保护层的参比电极，第四层膜片与第五层膜片之间设包裹在加热电极绝缘层内的加热电极，加热电极外引线穿过第五层膜片位于第五层膜片下表面，第五层膜片设有填充加热电极绝缘层浆料的应力释放孔。

技术领域

本发明属于测量或测试技术领域，具体涉及到一种氮氧化物传感器陶瓷芯片。

背景技术

近年来随着我国汽车保有量的不断增加，汽车尾气排放已成为空气污染的主要来源之一。尾气中的有害成分主要有一氧化碳(CO)、不完全燃烧的碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NO_X)以及微粒物质等，这些污染物的排放对人类的健康和生存环境已经造成了严重的威胁。针对这种现状，国家制定了越来越严格的法规来控制尾气的排放，国Ⅴ排放标准也于2017年7月1日起在全国范围内实施，与国Ⅳ标准相比NO_X的排放限制从3.5g/kwh变到了2g/kwh，下降了42.9％。为了达到降低NO_X排放量的目的，必须对尾气中NO_X的浓度进行检测，才能采取相应的减排措施。氮氧化物传感器是安装在汽车排气管上用于对尾气中NO_X的浓度进行实时监测的重要元件，同时也可用于火电厂、热力设备、轮船等运行时对排放物中NO_X浓度的监测。

氮氧化物传感器的核心是陶瓷芯片，它由多层YSZ(Y₂O₃stabilized ZrO₂加入氧化钇稳定剂的氧化锆)单晶膜片组成，其工作原理是基于高温下YSZ固体电解质的离子导电性。陶瓷芯片结构上通常会设置三腔室，分别为采集腔、第一测量室和第二测量室，每个腔室之间通过多孔的扩散障隔开，第一测量室内设置有主氧泵负极，第二测量室设置有辅助泵负极和测量电极，在陶瓷芯片表面设置有氧泵正极，氧泵正极分别与主氧泵负极、辅助泵负极和测量电极以及它们之间的YSZ构成三个氧泵电池：主氧泵、辅助泵和测量泵。在三个腔室下方设置有参比通道，密封有作为参比气体的空气，参比通道内的参比电极与分别与主氧泵负极、辅助泵负极和测量电极构成三个能斯特电池。陶瓷芯片内部还设置有加热电极，用于为陶瓷芯片加热使其达到工作温度。工作时：给加热电极施加一定的电压使陶瓷芯片达到工作温度，尾气通过采集腔、扩散障进入第一测量室，给主氧泵施加一定的电压，将尾气中的大部分O₂泵出，使第一测量室的O₂浓度降低，通过主氧泵负极与参比电极之间的能斯特电势来表征第一测量室的O₂浓度。在低O₂浓度下，NO与NO₂之间的化学平衡被破坏，在高温下发生反应：2NO₂→2NO+O₂，于是尾气中的NO₂转化为NO和O₂并进入第二测量室；对辅助泵施加一定的电压，用于除去多余的O₂，使第二测量室的O₂浓度进一步降低，通过辅助泵负极与参比电极之间的能斯特电势来表征第二测量室的O₂浓度。在测量电极的催化作用下发生反应2NO→N₂+O₂，NO分解成N₂和O₂，O₂从测量泵泵出，在O₂泵出的过程中将产生极限电流，其大小与NO分解产生的O₂的浓度唯一对应，从而就确定了NO_X的浓度。