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工作原理
概述
用于汽車應(yīng)用的商用NOx傳感器主要是電流型的YSZ電化學(xué)傳感器。圖1說明了基本工作原理。該傳感器在相鄰的腔室中使用兩個或三個電化學(xué)電池。第一個電池通過電化學(xué)方式將O2從樣品中泵出，因此它不會干擾第二個電池中的NOx測量。去除O2的需要使這種類型的NOx傳感器具有雙重用途；它還可以檢測排氣O2水平。
圖1電流型NOx傳感器的示意圖
第一個電池中的O2被還原，產(chǎn)生的O離子通過施加大約-200mV至-400mV的偏壓被泵送通過氧化鋯電解質(zhì)。泵出電流與O2濃度成正比。剩余的氣體擴散到第二個電池中，其中還原催化劑使NOx分解成 N2和O2。與第一個電池一樣，施加在電極上的-400mV偏壓會解離生成的O2，然后將其泵出電池；第二個電池的泵浦電流與NOx分解產(chǎn)生的氧氣量成正比。額外的電化學(xué)電池可用作Nernstian λ傳感器，以幫助控制NOx傳感電池[雷奧姆2010]。
廢氣中的所有HC和CO都應(yīng)在NOx傳感單元之前被氧化，以避免干擾。此外，樣品中的任何NO2都應(yīng)在檢測NOx之前轉(zhuǎn)化為NO，以確保傳感器輸出與NOx的量成比例。
固體氧化鋯電解質(zhì)
許多摻雜金屬氧化物的氧化鋯配方已被研究用于氧氣（λ，λ）以及NOx傳感器。已測試的材料包括 Fe2O3、Co3O4、NiO、CuO、ZnO、CeO2、La2O3、Y2O3，以及沸石、鋁和硅酸鹽的混合物[Cho2012][Lemaerts 2000][ Hasei2000]。還選擇了幾種化學(xué)元素作為潛在的電極材料，包括鉑、銠和鈀。
在幾乎所有商業(yè)NOx和lambda傳感器中得到最廣泛采用和使用的系統(tǒng)是基于固態(tài)釔穩(wěn)定氧化鋯電解質(zhì)（與Nernst燈中使用的材料相同）。YSZ 陶瓷的一個關(guān)鍵特性是其在高溫下對O2離子的高電導(dǎo)率。釔的穩(wěn)定性有兩個好處：（1）它阻礙了ZrO2的相變，從而增加了材料的機械強度，以及（2）它增強了氧化鋯的氧離子電導(dǎo)率。
氧化鋯陶瓷可以具有三個結(jié)晶相之一，具體取決于溫度[Butz 2009]：
? 室溫下的單斜晶體結(jié)構(gòu)
? 1,170°C 起的四方晶體結(jié)構(gòu)
? 立方晶體結(jié)構(gòu)2,370°C
立方晶體結(jié)構(gòu)顯示出特別規(guī)則的元素排列，并以高氧離子傳導(dǎo)性為特征。通過添加金屬氧化物，高溫晶體結(jié)構(gòu)可以在較低溫度下保持穩(wěn)定。通過在大約1,000°C的燒結(jié)過程中添加足夠量的氧化釔(Y2O3)，可以使氧化鋯立方穩(wěn)定。
如果氧化釔的量太低，就會形成由單斜晶相和立方相組成的混合晶體。這些部分穩(wěn)定的氧化鋯(PSZ)材料具有顯著的抗熱波動性。
兩種類型的YSZ陶瓷，4YSZ和8YSZ，是幾乎所有λ和氮氧傳感器的基礎(chǔ)。這些名稱表明了氧化釔的摻雜水平，如下所示：
? 4YSZ——摻雜4mol%Y2O3的部分穩(wěn)定ZrO2
? 8YSZ——摻雜8mol%Y2O3的完全穩(wěn)定的ZrO2
當(dāng)氧化釔穩(wěn)定氧化鋯時，Y3+離子取代原子晶格中的Zr4+。這樣，兩個Y3+離子產(chǎn)生一個氧間隙。這些間隙用于運輸氧氣。
在800°C至1,200°C的溫度范圍內(nèi)觀察到最大氧離子電導(dǎo)率。不幸的是，在這些溫度下，也會出現(xiàn)貧Y和富Y區(qū)域的分離。這個過程是不可逆的，會導(dǎo)致氧傳導(dǎo)率的嚴重降低。在950°C時，O2電導(dǎo)率在2,500小時后可降低多達 40% [Butz 2009]。這就是為什么 lambda和NOx探頭不能承受高于約930°C的溫度的原因。
氧泵電池
如果在兩個氧分壓不同的腔室之間放置一個由YSZ陶瓷制成的分隔壁，則在室溫下不會發(fā)生任何事情。然而，當(dāng)陶瓷壁的溫度增加到大約600°C時，氧離子可以通過晶格中的間隙移動。發(fā)生對齊，其中具有較高分壓的腔室將氧離子通過壁推到具有較低壓力的腔室中。
如果分隔壁的兩個表面都裝有電極，則可以通過電壓測量來驗證離子的運動。這正是二元（開關(guān)）λ 傳感器中發(fā)生的情況。方程式 (1) 描述了在較高O2壓力的室中發(fā)生的氧氣還原為O2-：
O2+4e-=2O2-(1)
傳感器電壓由Nernst方程給出：
Us=(RT/4F)ln(pref/pexh)(2)
其中：
Us–傳感器信號，V
T–溫度，K
p–氧氣分壓
R–氣體常數(shù)=8.314J/mol
F–法拉第常數(shù)=96,485sA/mol
圖2中的圖表將高氧分壓的腔室作為藍**域，將低氧分壓的腔室作為灰**域。如果將棕色陶瓷加熱到600°C，黃色的微孔鉑電極將產(chǎn)生大約1V的電壓。
圖2固體氧化鋯電解質(zhì)電池的示意圖
被動單元具有高氧分壓的腔室是參考風(fēng)道。富廢氣(λ<1)的氧含量低。如果使用加熱元件將氧化鋯陶瓷加熱到大約600°C，氧離子會從參考空氣管道通過陶瓷壁移動到廢氣側(cè)，并產(chǎn)生幾乎一伏的信號電壓。在稀廢氣（λ>1）的情況下，相對于參考空氣的氧分壓差較低，測量到的信號僅為 0.1V或更小。在λ=1時，信號電壓約為 0.4-0.5V，具體取決于制造商和探頭型號。電壓-λ特性幾乎是階梯式的，允許傳感器區(qū)分兩個λ值——濃和稀——因此稱為“二元”λ傳感器。
在這樣的操作中——代表二元 lambda探頭——產(chǎn)生的電壓與氧分壓的下降相關(guān)。無源YSZ陶瓷電池也稱為電位或能斯特電池。
主動單元也可以主動操作探頭，如寬帶（線性）氧傳感器和NOx傳感器中的安培單元中的情況。在主動操作中，電極上沒有電壓，而是將電極連接到電源。在這種被稱為“泵電池”的活性電池中，可以通過反轉(zhuǎn)極性將氧離子從貧氧側(cè)“泵送”到富氧側(cè)。泵浦電流提供了氧濃度的量度。電流-λ特性是線性的，因此可以測量各種空燃比下的O2濃度。
NOx傳感器包括至少兩個氧氣泵單元（圖1）——一個用于從廢氣中去除多余的氧氣，另一個用于測量從NOx分解中釋放的氧氣濃度。
