CN110220962A - 氮氧化物传感器芯片及氮氧化物总量的检测方法 - Google Patents

氮氧化物传感器芯片及氮氧化物总量的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮氧化物传感器芯片，其包括从上到下依次叠置的第一基片至第六基片；所述第二基片上设置第一腔室至第五腔室；第一基片的上表面设有主泵外电极，下表面设有第一主泵内电极，第一辅泵内电极和第二检测电极；所述第三基片上表面设有容置在第三腔室内的第二主泵内电极和容置在第四腔室内的第二辅泵内电极，并且还设置有第一检测电极；所述第三基片下表面设有参比电极；第五基片与第六基片之间设有加热电极。本发明通过在第五腔室内设有至少一个检测电极，增加了检测电极的反应面积，第五腔室主要用于分解在第四腔室内未分解完全的氮氧化物的进一步分解，以保证尾气中的氮氧化物分解完全，产生更多的电流信号，增加传感器的灵敏度。

Description

氮氧化物传感器芯片及氮氧化物总量的检测方法
技术领域
本发明涉及一种氮氧化物传感器芯片及氮氧化物总量的检测方法，属于片式氮氧化物传感器技术领域。
背景技术
氮氧化物NOX(NO和NO2)是大气的主要污染物之一，主要危害包括引发人类呼吸道疾病，形成酸雨和化学烟雾，破坏环境等。氮氧化物主要来源于汽车尾气的排放，因此对尾气中NOX浓度的检测就显得十分重要。
以氧化锆为基底的氮氧化物传感器具有可在500-600℃的尾气高温环境下稳定工作的特点，因此一直是国内外研究的热点。
氮氧化物传感器在US2010/0243447 A1中有详细的描述，该传感器的片芯部分的结构是通过把固体电解质的素坯进行切割成形，再印刷上电极图案，层层叠压后煅烧而成的，其内部结构包括四个腔室和三个气体扩散通道。其中第三腔室内设置有主泵，第四腔室内设置有辅泵和检测泵，检测泵由检测电极组成，检测电极对氮氧化物的检测主要依靠电极活性材料对NO的催化分解，并将分解出的氧气，泵出腔室，形成极限电流，来获得NO的浓度信号，该信号的大小受检测电极催化活性和催化面积的影响很大。催化活性越高，催化面积越大，NO分解得越完全，极限电流信号越强。但由于检测电极上的电极活性材料对氮氧化物的分解催化活性有限，使得NO在第四腔室内不能完全分解，再加上检测电极的催化面积受腔室面积的影响，使得传感器对氮氧化物的检测灵敏度偏低。
此外，NOX传感器片芯的控制方法也是传感器信号输出强度和准确性的重要影响因素，现在市场上的芯片的控制方法是基于专利US2010/0243447 A1 描述的NOX传感器结构而设定的，主要包括，尾气通过第一和第二腔室，扩散进入第三腔室，第三腔室内的主泵电极将尾气中的大部分氧气泵出，NO2分解成NO，剩余氧气和NO进入第四腔室，第四腔室内的辅泵电极将剩余氧气继续泵出至很低的程度(10-3ppm)，使NOX气体在检测电极表面分解成N2和O2，通过测定O2气体产生的电流强度，测试NOX的浓度。这种控制方法的优点在于可以在线测试NOX的浓度，且相应时间很快，但产生的电流很小。
发明内容
本发明目的是一种具有较高信号强度，高灵敏度和高准确度的适用于尾气中氮氧化物含量检测的氮氧化物传感器芯片，并且，本发明还提供了一种准确的，可显著提高氮氧化物测量灵敏度的氮氧化物总量的检测方法。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种氮氧化物传感器芯片，其包括从上到下依次叠置的第一基片、第二基片、第三基片、第四基片、第五基片和第六基片；
所述第二基片上设置第一腔室、第二腔室、第三腔室、第四腔室和第五腔室；
第一基片的上表面设有主泵外电极，下表面设有第一主泵内电极，第一辅泵内电极和第二检测电极；
所述第一腔室与第二腔室间设有第一扩散障碍层，第二腔室与第三腔室间设置第二扩散障碍层，第三腔室与第四腔室间设置第三扩散障碍层，第四腔室与第五腔室间设置第四扩散障碍层；
所述第一主泵内电极容置在第三腔室内，所述第一辅泵内电极和第一检测电极容置在第四腔室内，所述第二检测电极容置在第五腔室内；
所述第三基片上表面设有容置在第三腔室内的第二主泵内电极和容置在第四腔室内的第二辅泵内电极，并且还设置有第一检测电极；
所述第三基片下表面设有参比电极，第四基片上设有参比腔室，参比电极容置在参比腔室内；
第五基片与第六基片之间设有加热电极。
可选的，所述第一基片、第二基片、第三基片、第四基片、第五基片和第六基片均为钇掺杂的氧化锆。
可选的，所述氮氧化物传感器芯片还包括第三检测电极，所述第三检测电极容置在第五腔室内，并设置于所述第三基片的上表面上。
可选的，所述第一扩散障碍层、第二扩散障碍层、第三扩散障碍层和第四扩散障碍层均为在第二基片上形成的扩散狭缝组成。
可选的，所述第四扩散障碍层包括腔室壁和空气狭缝，所述空气狭缝宽度小于30微米，所述的腔室壁为在第二基片上打孔形成的。
可选的，所述的第四扩散障碍层厚度小于50微米。
本发明解决技术问题还采用如下技术方案：一种氮氧化物总量的检测方法，其利用上述的氮氧化物传感器芯片，并包括：
(1)当尾气进入第三腔室中，通过主泵外电极与参比电极之间的电压差 Vref检测到氧气浓度的变化，第一主泵内电极和主泵外电极之间施加泵电压 E0，将氧气泵出，产生电流Ip0。
(2)通过第一主泵内电极和参比电极之间的电压Vo测量第三腔室内剩余氧气浓度。
(3)主泵外电极与第一辅泵内电极之间施加泵电压E1，产生电流Ip1，且将电流Ip1预设为一恒定的数值；
(4)当尾气中的氮氧化物浓度变化时，电流Ip1发生变化，将电流Ip1 反馈给主泵，控制主泵的泵电压E0，使得电流Ip1始终保持在一个恒定的数值；
(5)通过第一辅泵内电极与参比电极之间的电压差V1测量第四腔室内剩余氧气的浓度，且V1被恒定为一固定数值，用于反馈控制主泵外电极与第一辅泵内电极之间的泵电压E1。
(6)第四腔室内的主泵外电极与第一检测电极之间施加一可变的泵电压 E2，产生电流Ip2，此电流为NOX分解产生的电流；
(7)第五腔室内的主泵外电极与第二检测电极之间施加一恒定的泵电压 E3，产生电流Ip3，通过调整第一检测泵电极上施加的电压E2大小，将电流Ip3 始终恒定为一固定数值，以保证第三腔室内，氮氧化物充分分解。
(8)电流Ip2和Ip3的和即为氮氧化物的总量。
本发明具有如下有益效果：本发明通过在第五腔室内设有至少一个检测电极，增加了检测电极的反应面积，第五腔室主要用于分解在第四腔室内未分解完全的氮氧化物的进一步分解，以保证尾气中的氮氧化物分解完全，产生更多的电流信号，增加传感器的灵敏度。
附图说明
图1是本发明实施例一的氮氧化物传感器芯片截面；
图2是本发明实施例一的氮氧化物传感器控制电路图；
图3是本发明实施例二的氮氧化物传感器芯片截图；
图4是按本发明实施例一制备的传感器(样品2)与按现有技术制备的传感器(样品1)的输出信号对比图；
图中标记示意为：1-第一基片，2-第二基片，3-第三基片，4-第四基片， 5-第五基片，6-第六基片，7-第一腔室，8-第二腔室，9-第三腔室，10-第四腔室，11-第一扩散障碍层，12-第二扩散障碍层，13-第三扩散障碍层，14-主泵外电极，15-第一主泵内电极，15-1-第二主泵内电极，16-第一辅泵内电极，16-1- 第二辅泵内电极，17-参比腔室，18-参比电极，19-加热电极，20-第五腔室， 21-第四扩散障碍层，22-第一检测电极，23-第二检测电极，24-第三检测电极。 a-主泵氧电极，b-辅泵氧电极，c-第一检测泵电极，d-第二检测泵电极。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。
实施例1
本实施例提供了一种氮氧化物传感器芯片，其包括从上到下依次叠置的第一基片、第二基片、第三基片、第四基片、第五基片和第六基片。
所述第一基片、第二基片、第三基片、第四基片、第五基片和第六基片均为钇掺杂的氧化锆，即一种陶瓷。
第一基片1的上表面设有主泵外电极14，下表面设有第一主泵内电极15，第一辅泵内电极16和第二检测电极23。
第二基片2上设置第一腔室7、第二腔室8、第三腔室9、第四腔室10和第五腔室20。
所述第一腔室7与第二腔室8间设有第一扩散障碍层11，第二腔室8与第三腔室9间设置第二扩散障碍层12，第三腔室9与第四腔室10间设置第三扩散障碍层13，第四腔室10与第五腔室20间设置第四扩散障碍层21，四个扩散障碍层均为在第二基片2上形成的扩散狭缝组成。
所述第一主泵内电极15容置在第三腔室9内，所述第一辅泵内电极16和第一检测电极22容置在第四腔室10内，所述第二检测电极23容置在第五腔室内。
所述第三基片上表面设有容置在第三腔室9内的第二主泵内电极15-1、容置在第四腔室10内的第二辅泵内电极16-1和容置在第五腔室20内的第三检测电极24。
所述第三基片下表面设有参比电极18，第四基片上设有参比腔室17，参比电极18容置在参比腔室17内，第五基片5与第六基片6之间设有加热电极19。
更优选地，所述第四扩散障碍层包括腔室壁和空气狭缝，所述空气狭缝宽度小于30微米，所述的腔室壁为在第二基片上打孔形成的，而且，所述的第四扩散障碍层厚度小于50微米，从材质上说，所述第四扩散障碍层还可以为多孔氧化锆或氧化铝。
本发明通过在第五腔室20内设有两个检测电极，增加了检测电极的反应面积，该腔室主要用于分解在第四腔室10内未分解完全的氮氧化物的进一步分解，以保证尾气中的氮氧化物分解完全，产生更多的电流信号，增加传感器的灵敏度。
实施例2
本实施例提供了一种氮氧化物总量的检测方法，其利用实施例1所述的氮氧化物传感器芯片，并包括：
(1)当尾气进入第三腔室中，通过主泵外电极与参比电极之间的电压差 Vref检测到氧气浓度的变化，第一主泵内电极和主泵外电极之间施加泵电压 E0，将氧气泵出，产生电流Ip0。
(2)通过第一主泵内电极和参比电极之间的电压Vo测量第三腔室内剩余氧气浓度。
(3)主泵外电极与第一辅泵内电极之间施加泵电压E1，产生电流Ip1，且将电流Ip1预设为一恒定的数值；
(4)当尾气中的氮氧化物浓度变化时，电流Ip1发生变化，将电流Ip1 反馈给主泵，控制主泵的泵电压E0，使得电流Ip1始终保持在一个恒定的数值；
(5)通过第一辅泵内电极与参比电极之间的电压差V1测量第四腔室内剩余氧气的浓度，且V1被恒定为一固定数值，用于反馈控制主泵外电极与第一辅泵内电极之间的泵电压E1。
(6)第四腔室内的主泵外电极与第一检测电极之间施加一可变的泵电压 E2，产生电流Ip2，此电流为NOX分解产生的电流；
(7)第五腔室内的主泵外电极与第二检测电极之间施加一恒定的泵电压 E3，产生电流Ip3，通过调整第一检测泵电极上施加的电压E2大小，将电流Ip3 始终恒定为一固定数值，以保证第三腔室内，氮氧化物充分分解。
(8)电流Ip2和Ip3的和即为氮氧化物的总量。
本实施例的氮氧化物总量的检测方法，通过恒定Ip3的电流值，将第五腔室内剩余氮氧化物的浓度控制到最低，以保证氮氧化在第四腔室内充分分解。
图4为分别采用本发明实施例一的氮氧化物传感器芯片(样品2)与按现有技术制备的传感器(样品1)的输出信号对比图，由图可见，本发明提供的氮氧化物传感器芯片以及氮氧化物总量的检测方法可以有效的提高传感器的电流强度，增加传感器的灵敏度。
以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种氮氧化物传感器芯片，其特征在于，包括从上到下依次叠置的第一基片、第二基片、第三基片、第四基片、第五基片和第六基片；
所述第二基片上设置第一腔室、第二腔室、第三腔室、第四腔室和第五腔室；
第一基片的上表面设有主泵外电极，下表面设有第一主泵内电极，第一辅泵内电极和第二检测电极；
所述第一腔室与第二腔室间设有第一扩散障碍层，第二腔室与第三腔室间设置第二扩散障碍层，第三腔室与第四腔室间设置第三扩散障碍层，第四腔室与第五腔室间设置第四扩散障碍层；
所述第一主泵内电极容置在第三腔室内，所述第一辅泵内电极和第一检测电极容置在第四腔室内，所述第二检测电极容置在第五腔室内；
所述第三基片上表面设有容置在第三腔室内的第二主泵内电极和容置在第四腔室内的第二辅泵内电极，并且还设置有第一检测电极；
所述第三基片下表面设有参比电极，第四基片上设有参比腔室，参比电极容置在参比腔室内；
第五基片与第六基片之间设有加热电极。
2.根据权利要求1所述的氮氧化物传感器芯片，其特征在于，所述第一基片、第二基片、第三基片、第四基片、第五基片和第六基片均为钇掺杂的氧化锆。
3.根据权利要求1所述的氮氧化物传感器芯片，其特征在于，还包括第三检测电极，所述第三检测电极容置在第五腔室内，并设置于所述第三基片的上表面上。
4.根据权利要求1所述的氮氧化物传感器芯片，其特征在于，所述第一扩散障碍层、第二扩散障碍层、第三扩散障碍层和第四扩散障碍层均为在第二基片上形成的扩散狭缝组成。
5.根据权利要求1所述的氮氧化物传感器芯片，其特征在于，所述第四扩散障碍层包括腔室壁和空气狭缝，所述空气狭缝宽度小于30微米，所述的腔室壁为在第二基片上打孔形成的。
6.根据权利要求1所述的氮氧化物传感器芯片，其特征在于，所述的第四扩散障碍层厚度小于50微米。
7.一种氮氧化物总量的检测方法，其利用权利要求1-6所述的氮氧化物传感器芯片，并包括：
(1)当尾气进入第三腔室中，通过主泵外电极与参比电极之间的电压差Vref检测到氧气浓度的变化，第一主泵内电极和主泵外电极之间施加泵电压E0，将氧气泵出，产生电流Ip0；
(2)通过第一主泵内电极和参比电极之间的电压Vo测量第三腔室内剩余氧气浓度；
(3)主泵外电极与第一辅泵内电极之间施加泵电压E1，产生电流Ip1，且将电流Ip1预设为一恒定的数值；
(4)当尾气中的氮氧化物浓度变化时，电流Ip1发生变化，将电流Ip1反馈给主泵，控制主泵的泵电压E0，使得电流Ip1始终保持在一个恒定的数值；
(5)通过第一辅泵内电极与参比电极之间的电压差V1测量第四腔室内剩余氧气的浓度，且V1被恒定为一固定数值，用于反馈控制主泵外电极与第一辅泵内电极之间的泵电压E1；
(6)第四腔室内的主泵外电极与第一检测电极之间施加一可变的泵电压E2，产生电流Ip2，此电流为NOX分解产生的电流；
(7)第五腔室内的主泵外电极与第二检测电极之间施加一恒定的泵电压E3，产生电流Ip3，通过调整第一检测泵电极上施加的电压E2大小，将电流Ip3始终恒定为一固定数值，以保证第三腔室内，氮氧化物充分分解；
(8)电流Ip2和Ip3的和即为氮氧化物的总量。
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