一种多气体传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多气体传感器及其制备方法，包括感测电极层、固体电解质层、内参比电极层和密封层。感测电极层至少包括两个间隔设置排列成行的感测电极，内参比电极层至少分布设置一个内参比电极，感测电极与内参比电极被所述固体电解质层隔离，分布于固体电解质层的对侧，所述内参比电极为复合电极，相互之间协同配伍，不仅将电极的反应场所从二维平面扩展至内参比电极整个三维空间，大大提高了响应效率，而且将高熔点氧化物分散在整个内参比电极内，抑制金属颗粒的长大，并且该复合电极产生的平衡氧浓度很低，提高了其灵敏度和准确度。本发明专利技术的传感器结构简单，体积小，进一步提高响应速度，降低运行能耗，扩展其应用范围。

A Multi-gas Sensor and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种多气体传感器及其制备方法
本专利技术属于气体检测传感器的
，具体涉及一种多气体传感器及其制备方法。
技术介绍
气体传感器是燃烧控制、环境质量监测、人身和职业安全防护、工业自动化实现节能环保控制的核心器件，在医疗、家用电子、环保、石化、机动车和工业设备中都有广泛的应用。例如氧传感器通过对机动车发动机空气和燃料比例的控制，使空燃比保持在最佳配比点附近的狭窄区域内，可实现燃料的高效率利用和污染物的最低排放。随着各国排放标准日趋严格，以及燃料化学组分的多样性，越来越多的气体传感器，如氮氧化物(NOx)，硫氧化物(SOx)和二氧化碳(CO2)等传感器被应用于燃烧和排放的自动控制解决方案以及大气质量监测。通常，基于化学光谱、质谱、激光等原理的气体传感器由于成本高昂、使用维护困难等原因并不能被大量应用于工业过程中的自动检测控制。以氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为电解质的电化学气体传感器具有很好的抗热震性和化学稳定性，且成本低，是市场主流产品。氧化锆氧传感器是气体传感器的主要产品，其主要元件由参比电极、感测电极以及参比电极与感测电极间的电解质构成。但目前，市场上的氧传感器参比电极侧需用已知氧浓度的空气作为参比气体，因此传感器设计中需构造空气引入通道，造成传感器设计结构复杂，体积笨拙，导致传感器应用范围有限。并且，目前有关于同时检测多气体的传感器还未有报道。氧离子导体材料为电解质的内参比气体传感器是以内参比电极中金属/金属氧化物(M/MO)产生的平衡氧分压作为参比氧分压的一类传感器，其工作原理符合能斯特方程。根据吉布斯相律，共存的二元金属及其氧化物M/MO在一定的温度下可以提供一个确定的平衡氧浓度，该平衡氧浓度只与温度相关，因此只要温度恒定，由M/MO二元混合物产生的平衡氧浓度就能通过热力学计算确定。用由该二元混合物(M/MO)构成的内参比电极代替空气参比电极有利于进一步紧凑传感器的结构，具有广泛的应用前景。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种多气体传感器及其制备方法，解决现有传感器设计结构复杂、体积笨拙及其不能同时对多气体进行检测的问题，导致气体传感器应用范围受限。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种多气体传感器，包括感测电极层、固体电解质层、内参比电极层和密封层；所述感测电极层至少包括两个间隔设置排列成行的感测电极，所述各个感测电极对应设置有感测电极集流层和感测电极导线引脚，所述感测电极导线引脚的一端通过引线与对应位置上的感测电极集流层连接，另一端通过引线向所述传感器外延伸形成引出端，所述感测电极集流层用于收集感测电极产生的电信号；所述固体电解质层至少包括一层电解质，所述感测电极与所述内参比电极被所述固体电解质层隔离，分布于所述固体电解质层的对侧；所述内参比电极层至少分布设置一个内参比电极，所述各个内参比电极对应设置有内参比电极集流层和内参比电极导线引脚，所述内参比电极导线引脚一端通过引线与内参比电极集流层连接，另一端通过引线穿过密封层向外延伸形成引出端，所述内参比电极集流层用于收集内参比电极产生的电信号；所述固体电解质层在所述内参比电极侧的表面上还设置有密封层，使所述内参比电极置于密封层内，用于密封内参比电极并与外界无可察觉的气体交换；所述内参比电极包括二元混合物M/MO；所述感测电极导线引脚和内参比电极导线引脚的引出端分别与同一电压表的两接线端连接。作为优选的，所述内参比电极还包括氧离子导体材料和高熔点氧化物。作为优选的，所述传感器所检测的气体包含有氧分子和至少一种分子结构中含有氧元素但不是氧分子的非氧气态化合物。作为优选的，所述非氧气态化合物为硫氧化物(SOx)或二氧化碳，所述硫氧化物的感测电极结构致密并至少含有一种硫酸盐；所述二氧化碳的感测电极结构致密并至少含有一种碳酸盐。所述硫酸盐为Li2SO4、Na2SO4、BaSO4和CaSO4中的一种或多种；所述碳酸盐为Li2CO3、Na2CO3、BaCO3和CaCO3中的一种或多种。作为优选的，所述氧离子导体材料为氧化锆基固溶体、氧化铈基固溶体、氧化铋基固溶体、氧化钍基固溶体或氧化铪基固溶体；所述高熔点氧化物为MgO、Al2O3、CaO和ZnO中的一种或几种。作为优选的，所述二元混合物M/MO为镍/氧化镍、钴/氧化钴、铁/氧化铁、铑/氧化铑、铟/氧化铟、锡/氧化锡、铅/氧化铅、铜/氧化铜、钯/氧化钯、钴/氧化钴、钨/氧化钨、钛/氧化钛、钒/氧化钒、铬/氧化铬、锰/氧化锰、锌/氧化锌、铌/氧化铌、钼/氧化钼、钌/氧化钌、银/氧化银、镉/氧化镉、锑/氧化锑或铱/氧化铱。优选选自镍/氧化镍、铟/氧化铟、铅/氧化铅、铜/氧化铜中的任意一种。上述多气体传感器的制备方法，包括以下步骤：1)制备固体电解质：取电解质材料，采用球磨工艺、流延工艺和叠层工艺制备出电解质素坯并在1100℃以上的高温进行烧结，即制备得到固体电解质薄片；2)制备内参比电极浆料：称取金属氧化物、氧离子导体材料与高熔点氧化物粉体，然后加入粘结剂和分散剂后球磨，即制得内参比电极浆料；3)制备感测电极浆料：称取电极粉体，然后加入粘结剂和分散剂后球磨，即制得感测电极浆料；4)采用丝网印刷工艺在固体电解质基体表面印刷内参比电极浆料，并在1000℃以上的温度烧结形成内参比电极，然后在所述的内参比电极表面印刷集流层和导线引脚，烘干后采用玻璃材料或陶瓷材料对内参比电极进行密封，并在850～1000℃烧结。5)采用丝网印刷工艺在固体电解质的另一表面与所述内参比电极相对应的位置印刷不同感测电极浆，形成感测电极，烘干后在高温炉中700～1400℃烧结，待烧制完成后，再将感测电极集流层和导线引脚印刷在感测电极表面并在500～600℃烧结，即得到芯片生坯；6)后处理：将步骤5)得到的芯片生坯放入500～700℃的空气氛围中，采用恒电势电化学还原的方式对内参比电极中的金属氧化物进行部分还原形成M/MO二元混合物，即制备得到所述多气体传感器。作为优选的，所述内参比电极浆中金属氧化物、氧离子导体材料和高熔点氧化物的质量比为30～70:30～70:1～5。作为优选的，所述M/MO二元混合物中M与MO的摩尔比1～1:4；所述感测电极浆料的质量浓度为50％～80％。作为优选的，所述电化学还原的还原电势为0.8～1.5V，还原时间大于120min。作为优选的，所述电解质为氧化钇稳定的氧化锆。所述密封层的成分包括电解质的成分和/或玻璃。氧离子导体材料为电解质的内参比气体传感器是以内参比电极中金属/金属氧化物(M/MO)产生的平衡氧分压作为参比氧分压的一类传感器，其工作原理符合能斯特方程。M/MO产生的氧分压很低，例如700℃温度下Ni/NiO的平衡氧分压为5.5×10-17bar。若电极尺寸5×5×0.1mm，孔隙率0.5％，根据理想气体状态方程计算，内参比电极内的氧分子数量为5×10-6个。即二元混合物M/MO的平衡氧分压仅具有物理意义，内参比电极内没有真实氧分子。一般内参比电极过程可表示为：从方程(1)可以看出，电极过程需要金属M、电子(e-)、固态氧离子(O2-)及金属氧化物MO的共同参与，只要方程(1)的电极反应达到完全的热力学平衡，内参比电极就能产生确定的平衡氧浓度。在方程(1)中，金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多气体传感器，其特征在于，包括感测电极层、固体电解质层、内参比电极层和密封层；所述感测电极层至少包括两个间隔设置排列成行的感测电极，所述各个感测电极对应设置有感测电极集流层和感测电极导线引脚，所述感测电极导线引脚的一端通过引线与对应位置上的感测电极集流层连接，另一端通过引线向所述传感器外延伸形成引出端，所述感测电极集流层用于收集感测电极产生的电信号；所述固体电解质层至少包括一层电解质，所述感测电极与所述内参比电极被所述固体电解质层隔离，分布于所述固体电解质层的对侧；所述内参比电极层至少分布设置一个内参比电极，所述各个内参比电极对应设置有内参比电极集流层和内参比电极导线引脚，所述内参比电极导线引脚一端通过引线与内参比电极集流层连接，另一端通过引线穿过密封层向外延伸形成引出端，所述内参比电极集流层用于收集内参比电极产生的电信号；所述固体电解质层在所述内参比电极侧的表面上还设置有密封层，使所述内参比电极置于密封层内，用于密封内参比电极并与外界无可察觉的气体交换；所述内参比电极包括二元混合物M/MO；所述感测电极导线引脚和内参比电极导线引脚的引出端分别与同一电压表的两接线端连接。

【技术特征摘要】
1.一种多气体传感器，其特征在于，包括感测电极层、固体电解质层、内参比电极层和密封层；所述感测电极层至少包括两个间隔设置排列成行的感测电极，所述各个感测电极对应设置有感测电极集流层和感测电极导线引脚，所述感测电极导线引脚的一端通过引线与对应位置上的感测电极集流层连接，另一端通过引线向所述传感器外延伸形成引出端，所述感测电极集流层用于收集感测电极产生的电信号；所述固体电解质层至少包括一层电解质，所述感测电极与所述内参比电极被所述固体电解质层隔离，分布于所述固体电解质层的对侧；所述内参比电极层至少分布设置一个内参比电极，所述各个内参比电极对应设置有内参比电极集流层和内参比电极导线引脚，所述内参比电极导线引脚一端通过引线与内参比电极集流层连接，另一端通过引线穿过密封层向外延伸形成引出端，所述内参比电极集流层用于收集内参比电极产生的电信号；所述固体电解质层在所述内参比电极侧的表面上还设置有密封层，使所述内参比电极置于密封层内，用于密封内参比电极并与外界无可察觉的气体交换；所述内参比电极包括二元混合物M/MO；所述感测电极导线引脚和内参比电极导线引脚的引出端分别与同一电压表的两接线端连接。2.根据权利要求1所述多气体传感器，其特征在于，所述内参比电极还包括氧离子导体材料和高熔点氧化物。3.根据权利要求1所述多气体传感器，其特征在于，所述传感器所检测的气体包含有氧分子和至少一种分子结构中含有氧元素但不是氧分子的非氧气态化合物。4.根据权利要求3所述多气体传感器，其特征在于，所述非氧气态化合物为硫氧化物(SOx)或二氧化碳，所述硫氧化物的感测电极结构致密并至少含有一种硫酸盐；所述二氧化碳的感测电极结构致密并至少含有一种碳酸盐；所述硫酸盐为Li2SO4、Na2SO4、BaSO4和CaSO4中的一种或多种；所述碳酸盐为Li2CO3、Na2CO3、BaCO3和CaCO3中的一种或多种。5.根据权利要求1所述多气体传感器，其特征在于，所述二元混合物M/MO为镍/氧化镍、钴/氧化钴、铁/氧化铁、铑/氧化铑、铟/氧化铟、锡/氧化锡、铅/氧化铅、铜/氧化铜、钯/氧化钯、钴/氧化钴、钨/氧化钨、钛/氧化钛、钒/氧化钒、铬/氧化铬、锰/氧化锰、锌/氧化锌、...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚靖博，胡强，刘兴勇，
申请(专利权)人：四川轻化工大学，
类型：发明
国别省市：四川,51