“车用智能氮氧化物传感器”获2019年度汽车电子科学技术奖突出创新产品奖

中国汽车界与媒体界广泛关注的年度盛事，由深圳市汽车电子行业协会主办的汽车电子产业的“奥斯卡”奖 —2019年度汽车电子科学技术奖颁奖典礼于2020年9月12日下午在”2020中国（深圳）国际汽车电子产业年会”现场隆重揭晓。

“中国汽车电子科学技术奖”由深圳市汽车电子行业协会设立，是面向全国范围内汽车电子领域的科学技术奖。该奖对我国汽车电子领域科技成果的认定和市场推广、成果孵化、激励广大科技人员的科技创新积极性，对接产业资本、宣传企业技术实力起到了很好的作用。奖项评审工作由深圳市汽车电子产业专家委员会独立承担，奖励在汽车电子领域的科学研究、技术创新、科技成果推广应用、高新技术产业化以及重大工程建设等方面作出突出贡献的单位、个人及优秀的单个产品。汽车电子科学技术奖由企业自行申报，专家或行业媒体推荐，秘书处统筹资料收集筛选，由汽车电子产业专家委员会参照产品、企业、人物的创新性、创新类型、技术先进性，科技成果、知识产权、曾获科技奖励情况、企业技术经济指标等多方面综合考虑评审。本届汽车电子科学技奖从2019年9月到2020年2月6日，历经五个多月的征集，全程不收取任何企业的任何费用。项目征集完成之后，又历经三个多月的评审，参评企业来自21个城市，有199家企业的支持和参与，共有281个项目参加评选，最终由独立专家评审团的20多位专家，恪守公平、公正、公开、回避的原则，经过三轮评审得出最终的评选结果。

西安创研电子科技有限公司作为优秀企业应邀参会，并凭借“车用智能氮氧化物传感器”荣获2019年度汽车电子科学技术奖突出创新产品奖。

本项目开发的车用智能氮氧化物传感器（下文简称“NOX传感器”）属于汽车电子领域，是汽车尾气处理SCR系统中的核心基础零部件，主要用于国Ⅳ、国Ⅴ和国Ⅵ排放标准发动机尾气中氮氧化物（NOX）含量的检测，或汽油和柴油发动机的车载诊断（OBD）系统。

目前，市场上唯一商业化的NOX传感器由德国大陆公司提供（日本NGK提供传感器陶瓷芯片，德国大陆提供电控单元（SCU）及最终产品的组装、标定）。在我国大力支持环境保护、机动车污染治理及机动车国Ⅵ排放标准的产业环境和政策背景下，对汽车NOX排放的限值也越来越严格。随着国Ⅵ排放标准的实施，每辆车上NOX传感器的数量将从1个增加至2个，NOX传感器的市场需求量将成倍增长。据估算，我国每年至少需要800～1000万个NOX传感器，这将是一个五十亿元的市场，产品市场容量大、前景好。为了促进NOX传感器的国产化，2018年NOX传感器被工信部列为强基工程重点支持方向之一，足以看出国家对NOX传感器的支持力度之大。

NOX传感器的关键技术主要包括传感器陶瓷芯片设计、陶瓷基体及电子浆料等材料的选型、多层陶瓷制备工艺（HTCC）、探头封装结构及封装工艺、电控单元（SCU）硬件电路、控制策略及软件系统开发等。西安创研电子科技有限公司（属于西安创联集团下属子公司）利用西安创联集团公司在电子浆料、气体传感器、厚膜工艺技术、电子电路开发等方面的研发基础和生产经验，于2014年对NOX传感器项目进行立项。同时，2016年，该项目（汽车尾气SCR系统用片式多层陶瓷氮氧化物传感器研制，2016KTCQ01-04）也被列入陕西省科学技术厅的科技统筹创新工程计划项目，并于2018年完成项目验收。

项目团队经过一系列的攻坚克难，大胆创新，实现了传感器陶瓷芯片结构、材料及生产工艺的设计定型，陶瓷芯片性能与NGK产品接近，满足封装要求；设计了与现有专利不同的探头封装结构，并固化了封装工艺；完成了电控单元（SCU）的设计开发及配套应用，SCU可实现传感器与汽车ECU通信，满足传感器的闭环控制，与国际同类产品完全兼容；采用该陶瓷芯片和电控单元（SCU）封装的NOX传感器产品经客户试用，产品的性能、稳定性与可靠性均能满足后装市场要求，已进入小批量生产供货阶段。产品达到德国大陆的技术水平，质量达到国际先进、国内领先水平，实现了NOX传感器的国产化，打破了国外技术垄断。目前已成为国内两家掌握NOX传感器核心技术，具有批量生产NOX传感器能力的企业之一。现阶段正加快产品在主机厂的认证工作，争取能够尽快以高可靠、高稳定的产品配套主机厂。

目前，该项目已取得了一系列自主知识产权，共形成企业标准2项，申报专利11项，其中5项实用新型专利已授权，6项发明专利已受理并公示。同时，在后端市场已实现销售产值575万元。截止到2019年底，本项目已累计投资3000万元，建设完成一条HTCC/LTCC陶瓷芯片生产线、一条高集成化半自动探头封装线、搭建了产品测试系统平台，产能可达到2万套/年。同时，正在进行陶瓷芯片生产线的扩建增容及自动封装线的建设，预计产能届时可达到20万套/年，产值9600万元，销售利润2507.5万元，销售利润率为26.12%。

二、主要科技创新及产业化前景分析

2.1主要科技创新

2.1.1项目背景及总体思路

目前，我国已成为全球柴油机生产和使用大国。柴油机在给人们带来生产、生活方便的同时也带来了日益严重的环境问题。为了应对环境挑战，我国机动车污染物排放标准逐步提升。现阶段我国实施国Ⅴ排放标准。2021年起，将逐渐实施国Ⅵ排放标准。国Ⅵ相对于国Ⅴ变化最大的是将NOX 的排放限值严格了67%。2018年6月，国务院发布了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，计划中明确提出，2020年底前，淘汰国Ⅲ及以下排放标准营运中型和重型柴油货车100万辆以上。并从2019年7月1日起，重点地区将提前实施国Ⅵ排放标准，确保柴油货车污染排放总量明显下降，打好柴油货车污染治理攻坚战。可以看出，我国正在加大力度治理机动车尾气排放污染。

国Ⅴ、国Ⅵ排放标准的汽车尾气后处理系统以选择性催化还原技术（以下简称“SCR”）为主。本项目开发的NOX传感器就是SCR系统中的核心基础零部件，主要用于国Ⅳ、国Ⅴ和国Ⅵ排放标准发动机尾气中氮氧化物（NOX）含量的检测，或汽油和柴油发动机的车载诊断（OBD）系统。目前，市场上90%的NOX传感器由德国大陆公司提供,国内基本采用进口的方式。一方面，这大大增加了我国SCR系统的安装成本，一定程度上影响了汽车尾气后处理技术在国内的普及和发展。另一方面，陕西省是汽车工业大省，汽车工业是我省着眼转型升级作出的重要战略部署发展壮大产业，补齐汽车零部件配套短板，是我省打造汽车支柱产业的关键。2018年11月出台的《西安市汽车产业发展规划(2018—2025年)》中明确指出，与我市的汽车整车相比，汽车零部件较为薄弱，汽车整车本地配套率仅有30%。对此，要着力推进商用汽车产业链集群发展，到2021年商用汽车省内配套率提高到60%以上。

在国家大力支持环境保护、机动车污染治理及机动车国Ⅵ排放标准的产业环境下，在我市大力发展汽车产业的政策背景下，西安创研电子科技有限公司利用集团公司前期的研发和生产经验，对NOX传感器进行立项开发，计划以车用NOX传感器为核心产品，覆盖商用车市场，并逐步拓展汽车传感器产品的系列化发展，努力将公司打造成为国内领先的专业化、系统化、国际化的汽车传感器生产商。

本项目计划总投资7000万元，围绕NOX传感器的技术开发和产业化进行项目建设。项目建设完成后，达到年产NOX传感器20万套的生产能力。实现年产值9600万元，销售利润2507.5万元，销售利润率为26.12%。

2.1.2主要技术创新内容

本项目在成功开发出NOX传感器的过程中，在陶瓷芯片结构设计、制备工艺、封装结构、电控单元（SCU）及产品测试等方面进行了一系列的技术创新，取得了一系列创新成果，具体如下。

（1）陶瓷芯片多层多腔室结构设计（国家发明专利：2018106225276）

基于腔室结构对气体扩散速度的影响，设计了电极结构、扩散障结构、腔室结构、压力扩散孔结构、加热电极等，有效提高了测量精度及信号检测稳定性。

（2）陶瓷芯片腔室成型及高温共烧技术

陶瓷芯片制备采用多层高温陶瓷共烧工艺（HTCC）。膜片腔室成型采用机械冲孔一次成型（精度＜30μm）；内部功能腔室成型采用丝网印刷技术代替了传统的膜片填充技术，避免了膜片填充方式中常出现的填充不完全、不平整等问题；高温共烧采用排胶烧结一体化工艺，解决了生坯排胶后转炉过程中易损坏的问题，避免了烧结过程中出现的分层及开裂。

图2-2 腔室成型及填充

（3）探头进气通道及封装气密性结构设计（国家发明专利：2018106096237）

考虑到气体流动对芯片的影响，将进气通道设计成百叶窗结构，既可以避免陶瓷芯片因受到气流过大的冲击而受到伤害，又可以抑制芯片温度的变化，避免局部温度过高或过低；结合自动化压装工艺，设计的密封结构，既保证了气密性能，同时减少了零部件数量，有效提高了生产效率和合格率。

图2-3国外样件密封结构

图2-4自主设计密封结构

（4）电控单元（SCU）集成功能的实现及控制策略设计

采用汽车级CPU，设计了外围电路及功能模块，通过NOX微电流信号检测技术、弱信号抗干扰技术和模糊PID温度控制技术，实现了等效于国外定制集成化CPU的功能，达到对探头的精确控制；结合探头的功能及要求，设计了符合加热及三泵联合工作的控制策略，提高了对O2和NOX浓度的测量精度。

图2-5电控单元（SCU）

（5）基于氧泵气敏特性的测试系统开发及测试平台搭建（国家发明专利：2018106424710）

设计开发了包含配气单元、控制单元、检测单元的NOX传感器专用测试系统，并与设备厂家联合开发出自动化多通道测试设备，有效保证了产品测试的准确性，提高了测试效率。

2.3国内外同类技术对比

本项目开发的NOX传感器产品填补了国内空白，实现了国产化。产品的部分性能指标优于国内行业标准，和进口产品相当。产品的性能指标对比见表2-1。

表2-1产品的性能指标对比

序号	性能参数	进口产品指标 （SNS14/SNS104）	行业指标 （JB/T 11880.7-2014）	创联企标 （Q/CY 3.9-2016）	创研产品实测 指标
1	测量范围	0~3000ppm	0~3000ppm	0~3000ppm	0~3000ppm
2	启动时间	≤100s	＜120s	＜120s	＜90s
3	响应时间	出厂前	τ33%~66%：1300ms  τ66%~33%：1300ms	τ33%~66%：1400ms  τ66%~33%：1400ms	τ33%~66%：1400ms  τ66%~33%：1400ms	τ33%~66%：300ms  τ66%~33%：300ms （NOX浓度：0～300ppm）
耐久试验后	τ33%~66%：1650ms  τ66%~33%：1650ms	τ33%~66%：1800ms  τ66%~33%：1800ms	τ33%~66%：1800ms  τ66%~33%：1800ms	τ33%~66%：500ms  τ66%~33%：500ms （NOX浓度：0～300ppm）
4	测量精度	出厂前	＜100ppm：±15ppm  ≥100ppm：±15%	＜100ppm：±12ppm  ≥100ppm：±12%	＜100ppm：±10ppm  ≥100ppm：±10%	＜100ppm：±10ppm  ≥100ppm：±10%
耐久试验后	＜100ppm：—  ≥100ppm：—	＜100ppm：±15ppm  ≥100ppm：±15%	＜100ppm：±12ppm  ≥100ppm：±12%	＜100ppm：±12ppm  ≥100ppm：±12%

 

目前国外进口产品与国内行业标准规定的测量精度均为±15%或±15ppm。本项目通过优化陶瓷芯片的结构设计、优选对NOX气体具有特殊催化活性的敏感材料、优化电控单元（SCU）的控制策略，根据目前技术达到的情况，将产品的测量精度提高至±12%或±12ppm，处于行业领先水平。针对不同客户的要求，目前已形成工作电压24V，平五针、方四针、扁四针三种规格的NOX传感器产品。同时开发出12V 52*56mm小板电控单元（SCU）的初样，为实现产品的系列化拓展，配套国外12V柴油版SUV和皮卡车型做准备。

2.2产业化前景分析及实施方案

2.2.1目标市场及竞争力

本项目开发的NOX传感器产品主要针对国内潍柴、一汽、陕汽、云内动力等主机厂，国内后装市场及强制柴油车辆改造等领域。

（1）主机厂：目前我国年均柴油车总产量约300万辆，依据国Ⅵ排放标准要求计算，每年至少需要500～600万个NOX传感器。西安创研电子科技有限公司目前已经与陕汽、一汽、潍柴、云内动力等国内主机厂进行了交流互访，并与一汽、陕汽签订了战略合作协议，在产品测试、台架试验及产品采购等方面达成了合作。

（2）旧车改造及售后市场：每年至少需要300～400万个NOX传感器。西安创研电子科技有限公司目前已经与无锡凯龙、无锡威孚力达、西安秦泰等柴油机SCR后处理系统生产厂家就NOX传感器未来的发展趋势、应用领域及合作模式进行了深入的沟通，并在售后市场实现10400套产品销售，产值575万元。

图2-6 2018年国内主机厂柴油车销量

图2-7 NOX传感器市场容量预测

2.2.2具备的行业生产许可和资质认定

本项目的产品领域为汽车电子，目前正在进行国际汽车行业的技术规范IATF16949质量管理体系认定的准备工作。

2.2.3项目选址和生产场地

本项目建设地点为西安市雁塔区电子西街三号西京电子工业园内，主要包括三部分：

（1）陶瓷芯片生产车间：生产力大厦A座3层西段现有净化厂房，面积831m2；

（2）陶瓷芯片检测及SCU开发车间：西京电气西辅楼A座6层，面积630m2；

（3）探头封装、成品装配车间：301-201东配楼1楼。面积650m2。

2.2.4生产线建设

在现有生产能力的基础上，将对NOX传感器HTCC/LTCC陶瓷芯片生产线进行扩建增容；建设智能化封装、组装线及测试、标定系统；新增核心设备仪器40台；建设完成后将实现年产NOX传感器20万套的能力；

2.2.5市场营销策划

（1）销售对象

NOX传感器产品主要针对国内潍柴、一汽、陕汽、云内动力等主机厂，国内后装市场及强制柴油车辆改造等领域。

（2）营销方式

在组建销售团队进行产品销售的同时，发展产品代理商，并围绕主要的销售对象，根据不同应用的领域，制定不同的销售策略。

（a）参加各类行业性的展会：参加国内外电子信息行业展览会和技术研讨会，扩大产品及企业知名度；

（b）网络宣传：积极推进电子商务，同环球资源网、电子元器件商务网等紧密合作，展开在线销售和在线技术服务；

（c）专业杂志广告宣传：在国内外专业媒体如电子元件与材料、电子元器件、电子元器件应用等，进行对公司和产品的广告宣传；

（d）战略合作：公司每年召开一次顾客技术研讨会，强化与顾客的沟通与交流，促进战略合作伙伴关系；

2.2.6经费预算及筹措

本项目计划总投资7000万元人民币，资金来源全部采用企业自筹。资金使用方案见表2-2。

表2-2 资金使用方案

编号	支出项目	金额（万元）	支出项目	金额（万元）
1	设备购置及安装	4800	厂房改造	590
2	材料费	600	外协加工费	200
3	燃料动力	110	管理费	600
4	其他	100
合计	7000

 

2.2.7产品成本和盈利能力

（1）产品成本

项目建设完成时，将达到年生产NOX传感器20万套的能力，其成本和费用测算如表2-3所示。

表2-3 达产年成本和费用测算表

单位：万元

项目名称	金额/万元	项目名称	金额/万元
外购原材料费	陶瓷芯片	2500	燃料动力费	70
电控单元（SCU）	1300	人员工资及社保	500
探头封装	1450	厂房摊销及租赁	75
修理费	70	折旧费	220
销售费用	100	研发支出	300
其它费用	140
小计	6650
固定成本	620	变动成本	6030

 

（2）盈利性分析

达产年生产产量为20万套时的产品成本、销售利润分析见表3-4。

表2-4 达产年盈利情况

项目名称	指标	项目名称	指标
产值/万元	9600	成本/万元	6650
利税总额/万元	2950	销售利润/万元	2507.5
销售利润率/%	26.12	销售利税率/%	30.73

 

上述数据表明：该产品在达产年时，可实现产值9600万元，销售利润2507.5万元，销售利润率为26.12%。后期随着产品生产规模的扩大，在不断提高产品技术水平及组织生产能力的同时，将对关键材料进行自主开发，力争从人力、原材料、经营管理等方面逐渐降低成本，增加产品收益，取得更大经济效益。

三、第三方评价

开发的NOX传感器产品经客户使用及第三方检测机构检验，产品均能满足要求。

（1）用户试用：产品经北京国研、卓品智能科技等公司试用后，反映较好，满足用户使用要求。

（2）第三方检验：产品经陕西省电子信息产品监督检验院做性能鉴定检验，鉴定结论合格；

产品送检国家汽车质量监督检验中心，装载在一汽CA6DM2-46E51车用柴油发动机上，进行排气污染物试验，依据行业标准JB/T11880.7-2014《柴油机 选择性催化还原（SCR）系统第7部分：氮氧化物传感器》的要求，检验结果认定合格。

产品已应用到哪些客户、领域或车型：

产品可用于潍柴、玉柴、康明斯、沃尔沃等国内各品牌车辆的氮氧化物检测

知识产权：

发明专利已公布6项，（请见知识产权列表及扫描附件）

实用新型已授权5项，（请见知识产权列表及扫描附件）

企业标准2项

所获奖励与荣誉：

2019年4月获得陕西电子信息集团科学技术进步奖一等奖

2019年7月获得2019年“沣东杯”陕西省科技工作者创新创业大赛银奖；

2019年11月获得中国创新方法大赛优胜奖；

2019年4月获得西京电气总公司2018年度科技创新一等奖       

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