一种气体传感器、其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种气体传感器，包括：高温化学还原处理后的钛酸铋钠基铁电陶瓷层；分别设置于所述钛酸铋钠基铁电陶瓷层两侧的电极层。本发明专利技术提供的在钛酸铋钠基铁电陶瓷层材料两端进行的非对称化学还原，使其呈现出宏观电势差。由于这种宏观电势差可与材料自身的电导耦合，表现出电流输出的现象，当其所处环境的氧分压发生变化时，输出电流发生迅速、直接相关的变化。并且，本发明专利技术这种非对称还原的氧化物材料可以独立地作为感应氧分压变化的器件，不需要传统传感器所必须的参比电极、外加电源等额外的附件，结构简单、具有宽温域适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种气体传感器、其制备方法和应用
本专利技术涉及材料和器件
，尤其是涉及一种气体传感器、其制备方法和应用。
技术介绍
工业废气和汽车尾气对大气污染负有直接责任，而这些气体污染都源于化石燃料的燃烧过程。因此，对燃烧过程的控制就显得尤为重要。气体传感器的发展为大气污染问题的处理提供了可行的途径：它们与反馈系统的联用可有效地优化燃烧过程，减少有害气体的排放、提高燃料的效率。目前研究主要涉及的高温氧传感器已发展出多种材料体系，如基于固体电解质的电位式和电流式氧传感器、基于半导体氧化物的氧传感器等。但是，现有的氧传感器系统普遍结构复杂，除了信号输出组件外，普遍还需额外的构件。如基于固体电解质的电位式氧传感器需参比电极、电流式氧传感器需氧扩散阻挡层及外电源，半导体基氧传感器也要求外电源。这些额外的部分不仅增大了传感器的结构复杂性和体积，也使制造成本增加；为使整体的性能提升优化，则需考虑更多的因素。再者，当前技术发展的小型化趋势，发展结构简单、适用范围广的氧传感器势在必行。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种气体传感器，本专利技术提供的气体传感器无需参比电极、外加电源等额外的附件，结构简单、具有宽温域适用性。本专利技术提供了一种气体传感器，包括：高温化学还原处理后的钛酸铋钠基铁电陶瓷层；分别设置于所述钛酸铋钠基铁电陶瓷层两侧的电极层。优选的，所述高温化学还原处理具体为：将钛酸铋钠基铁电陶瓷置于石墨层上；将氧化铝层置于所述陶瓷层上；将上述整体结构高温处理，进行化学还原；高温化学还原后将钛酸铋钠基铁电陶瓷层取出。优选的，所述高温化学还原温度为800～850℃，时间为1.5～2.5h。优选的，所述钛酸铋钠基铁电陶瓷层包括(Na0.5Bi0.5TiO3)0.92Ba0.08TiO3。优选的，所述钛酸铋钠基铁电陶瓷层采用固相合成法制备；所述制备方法具体为：a)将设置比例的Bi2O3、Na2CO3、BaCO3和TiO2混合，在混合物中加入酒精后球磨；b)将步骤a)中球磨得到的粉末烘干后，在高温下进行固相反应合成粉体；c)在形成的粉体中加入酒精后球磨，烘干；d)加入粘结剂并压成坯体，将坯体在高温中静置以除去粘结剂，然后将坯体在高温下保温烧结。优选的，所述石墨层厚度与所述钛酸铋钠基铁电陶瓷层厚度比为(5～10)：(0.4～0.6)所述氧化铝层厚度为5-6mm。优选的，所述电极层包括金电极、银电极、铂电极的一种或几种。本专利技术提供了一种气体传感器的制备方法，包括：采用离子溅射的方法在高温化学还原处理后的钛酸铋钠基铁电陶瓷层的两侧镀电极。本专利技术提供了上述技术方案所述的，高温化学还原处理后的钛酸铋钠基铁电陶瓷层在制备气体传感器中的应用。与现有技术相比，本专利技术提供了一种气体传感器，包括：高温化学还原处理后的钛酸铋钠基铁电陶瓷层；分别设置于所述钛酸铋钠基铁电陶瓷层两侧的电极层。本专利技术提供的在钛酸铋钠基铁电陶瓷层材料两端进行的非对称化学还原，使其呈现出宏观电势差。由于这种宏观电势差可与材料自身的电导耦合，表现出电流输出的现象，当其所处环境的氧分压发生变化时，输出电流发生迅速、直接相关的变化。并且，本专利技术这种非对称还原的氧化物材料可以独立地作为感应氧分压变化的器件，不需要传统传感器所必须的参比电极、外加电源等额外的附件，结构简单、具有宽温域适用性。附图说明图1为本专利技术其中一个实施例所述的高温化学还原处理结构；图2为本专利技术实施例2制备的非对称还原的NBT8陶瓷片中测试到的开路电压Uopen(空气中)随温度变化的曲线；图3为本专利技术实施例2制备的非对称还原的NBT8陶瓷片输出电流测试示意图；图4为本专利技术实施例2制备的NBT8陶瓷片还原前、后输出电流(空气中)随温度变化的曲线；图5为本专利技术实施例2制备的非对称还原的NBT8陶瓷片输出电流(300℃)随所处环境气氛连续改变时的变化。具体实施方式本专利技术提供了一种气体传感器、其制备方法和应用，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都属于本专利技术保护的范围。本专利技术的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本
技术实现思路
、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本专利技术技术。本专利技术提供了一种气体传感器，包括：高温化学还原处理后的钛酸铋钠基铁电陶瓷层；分别设置于所述钛酸铋钠基铁电陶瓷层两侧的电极层。本专利技术提供的气体传感器包括高温化学还原处理后的钛酸铋钠基铁电陶瓷层。按照本专利技术，所述高温化学还原处理具体为：将钛酸铋钠基铁电陶瓷置于石墨层上；将氧化铝层置于所述陶瓷层上；将上述整体结构高温处理，进行化学还原；高温化学还原后将钛酸铋钠基铁电陶瓷层取出。图1为本专利技术其中一个实施例所述的高温化学还原处理结构。其中，1为氧化铝层，2为陶瓷层，3为石墨层。钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3，简写为NBT)体系的铁电氧化物材料在高温时表现出较高的氧离子导电性，本专利技术对于所述钛酸铋钠基铁电陶瓷材料不进行具体限定，包括但不限于(Na0.5Bi0.5TiO3)0.92Ba0.08TiO3。氧化物介电材料2可以为钛酸铋钠基铁电陶瓷，其化学组分通式为(1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xBaTiO3(0<x<0.7,简写为NBT100x)。当然，氧化物介电材料2还可以为BaTiO3基的铁电材料、SrTiO3基的铁电材料、LiNbO3基铁电材料，在此不作限定。本专利技术对于所述钛酸铋钠基铁电陶瓷材料的来源不进行限定，可以为市售或现有技术公开的方法制备；如所述钛酸铋钠基铁电陶瓷层的固相合成法制备。所述制备方法优选具体为：a)将设置比例的Bi2O3、Na2CO3、BaCO3和TiO2混合，在混合物中加入酒精后球磨；所述球磨时间优选为12h或者11～13h，在此不作限定。b)将步骤a)中球磨得到的粉末烘干后，在高温下保温合成粉体；球磨后得到的粉末烘干以去除酒精，然后在高温下保温合成粉体。所述烘干的温度优选为70℃。所述高温保温温度为850℃，所述时间为2～4h。c)在形成的粉体中加入酒精后球磨，烘干；所述烘干的温度优选为70℃。所述时间为12h，烘干的目的在于去除酒精，使酒精挥发。d)加入粘结剂并压成坯体，将坯体在高温中静置以除去粘结剂，然后将坯体在高温下保温烧结。所述保温温度为1140～1180℃，所述保温时间为2～4h。本专利技术对于所述将将钛酸铋钠基铁电陶瓷置于石墨层上的具体方式不进行限定，本领域技术人员熟知的即可；本专利技术所述石墨层厚度与所述钛酸铋钠基铁电陶瓷层厚度比优选为(5～10)：(0.4～本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体传感器，包括：/n高温化学还原处理后的钛酸铋钠基铁电陶瓷层；/n分别设置于所述钛酸铋钠基铁电陶瓷层两侧的电极层。/n

【技术特征摘要】
1.一种气体传感器，包括：
高温化学还原处理后的钛酸铋钠基铁电陶瓷层；
分别设置于所述钛酸铋钠基铁电陶瓷层两侧的电极层。


2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述高温化学还原处理具体为：
将钛酸铋钠基铁电陶瓷置于石墨层上；
将氧化铝层置于所述陶瓷层上；
将上述整体结构高温处理，进行化学还原过程；
高温化学还原后将钛酸铋钠基铁电陶瓷层取出。


3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述高温化学还原温度为800～850℃，时间为1.5～2.5h。


4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述钛酸铋钠基铁电陶瓷层包括(Na0.5Bi0.5TiO3)0.92Ba0.08TiO3。


5.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述钛酸铋钠基铁电陶瓷层采用固相合成法制备；所述制备方法具体为：
a)将设置比例...

【专利技术属性】
技术研发人员：初宝进，陈攀，陈彩纹，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34