表示气体传感器的电参量与被测气体体积浓度之 间的函数关系
表示气体传感器对被测气体的识别(选择)以及对干 扰气体的抑制能力
阻值达到气体体积浓度下稳态阻值的90%为止的 所需时间
阻值恢复到洁净空气中阻值的90%为止所需的时 间
使气体传感器恢复正常工作状态需要的时间
气体传感器正常工作时所需的加热电路功率
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Pt (+ZrO2)
NO + 2 CO N 2+ 2CO 2
4e- + O2 2O2- T > 350°C
2O2- 4e- + O2
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4.3 氧化锆固体电解质传感器分类（1）
V
Oo2-
pI O2
e
p II O2
A
Oo2-
pI O2
p II O2
铂电极 YSZ 铂电极
(1) 电位型
铂电极 YSZ
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3.6 非电阻式半导体气体传感器
• 非电阻式半导体气体传感器是MOS二极管式和结型二极管式以及场 效应管式(MOSFET)半导体气体传感器。其电流或电压随着气体含量 而变化，主要检测氢和硅烧气等可燃性气体。（略）
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目录
1. NOx气体传感器技术要求 2. NOx气体传感器分类 3. 半导体气体传感器 4. 固体电解质气体传感器 5. 电化学型气体传感器 6. 新型气体传感器
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2. NOx气体传感器分类
• 根据气敏特性分类：
半导体 固态电 电化学 新型传
型
解质
型
感器
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目录
1. NOx气体传感器技术要求 2. NOx气体传感器分类 3. 半导体气体传感器 4. 固体电解质气体传感器 5. 电化学型气体传感器 6. 新型气体传感器
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3.1 半导体气体传感器分类
半导体气敏元件的分类如表所示。大体上可分为电阻型和非电阻 型两大类。
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5.1 电化学式气体传感器概述
利用待测气体与有关的电极反应而制成的气体传感器称电化 学式气体传感器。可分为原电池式、定电位电解式、电量式、 离子电极式四种类型。针对测量NOx，在此介绍前两种。
A. 定电位电解式气体传感器 B. 原电池式气体传感器
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5.2 定电位电解式气体传感器
在电解过程中，电流由气体成分的扩散速度决定，极限电流与气体 体积浓度成正比。借此可进行检测，称为定电位电解式传感器。
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4.2 固体电解质的导电机理
Nernst原理公式:
UN =
P RT ln O 2 '' 4F P
O2'
UN:输出电动势 T:气体绝对温度 F:法拉第常数 R:理想气体常数 Po2’参考空气气压值 Po2’’废气的气压值
电极处化学反应
pO2' = 10-20bar
H C + xO yH O + zCO 2
图示为烧结体N型半导体的模型（左）。晶粒间界有较高的电阻，晶粒内部电 阻较低。该模型可简化为仅由颈部等效电阻Rn串联而成的等效电路（右）
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3.4 电阻型半导体NOx传感器特性参数
名称 固有电阻
气体灵敏度
分辨率（选择 系数）
响应时间
符号 Ra S
K
T1
恢复时间
T2
初期稳定时间 T3
加热功率
PH
定义
半导体气体传感器在洁净空气中的电阻值
要对NOx进行检测，需要选择合适的敏感材料。
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3.2 电阻型半导体NOx传感器结构
SnO2 是应用最早的半导体传感器材料之一,福特公司最初用其制成
传感器进行NOx 的监测。
氧化物半导体NOx传感器，福特公司专利
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3.3 电阻型半导体NOx传感器检测机理
气敏半导体材料SnO2是N型半导体，其导电机理可用吸附效 应来解释。
nm 2
2
废气
O2
O2-
O2-
2 CO + O 2CO
2
2
2
H
2+
O
2
2H
2O
多孔保护层 多孔电极 Pt (+ZrO2)
UN
pO2'' = 0,21bar
O2-
O2-
O2O2O- 2O2- O2-
O2-
O2O2-
O2O2-
O2
O2
O2 O2
O2
O2
O2
O2 O2
参考空气
固体电解质
多孔电极
ZrO2 (+Y2O3)
3.5 半导体气体传感器优缺点
氧化物半导体NOx传感器优缺点：
优点：敏感性好，掺杂三价元素（Al，Bi，Ga，In）时，对NOx显 示出可靠的选择性。 缺点：无法完全过滤其它气体，稳定性不好。
改进方法：
以氧化物为基体，掺杂某些特定金属制成半导体传感器。如TiO2， WO3，AlVO4等，提高选择性和稳定性。
NO2+2e=NO+O2- 2O2--4e=O2
5.3 原电池式气体传感器
还可以用来测定大气中氧、一氧化碳（CO） 的体积浓度：
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选择合适的电解 液和敏感电极， 对NOx气体做出 有效选择。
O2 H 2 O 4e- 4OH2Pb 4OH- 2Pb(OH)2 4e-
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4.1 固体电解质的导电机理
废气
传感单元 PO2’
US
参考空气 PO2’’
ZrO2-陶瓷层 电极 多孔保护层 绝缘层
加热
Sensor voltage
Sensor Characteristic Curve V
0.9
0.6
0.3 0 0
Ureg
0.98
1.0
1.02
Normalized A/F ratio
而在另一侧发生了如下的阳极反应：
2O2--4e → O2
(3)
因此，低频下的总阻抗与NO2的浓度相
关。
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4.5 固态电解质NOx传感器关键技术
电解质材料 敏感电极材料
制备工艺
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目录
1. NOx气体传感器技术要求 2. NOx气体传感器分类 3. 半导体气体传感器 4. 固体电解质气体传感器 5. 电化学型气体传感器 6. 用途：
准确、快速地测量气体中的NOx浓度。
技术要求：
灵敏度高，良好的选择性； 快速的响应和恢复； 重复性、稳定性好； 可普及性。
通用NOx传感器（UniNOx-Sensor），德国大陆
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1. NOx气体传感器技术要求 2. NOx气体传感器分类 3. 半导体气体传感器 4. 固体电解质气体传感器 5. 电化学型气体传感器 6. 新型气体传感器
铂电极
(2) 极限电流型
敏感电极：NO2+2e=NO+O2参考电极：2O2--4e=O2
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4.3 氧化锆固体电解质传感器分类（2）
(3) 阻抗谱型：
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4.4 阻抗谱型NOx传感器检测机理
同时对O2和CO2浓度变化具有 抗干扰性。
在YSZ 电解质与敏感电极界面上发生了 如下的阴极反应：
NO2+4e → N2+2O2- (1) 或NO2+2e → NO+O2- (2)