專(zhuān)利名稱(chēng)：一體化雙功能nasicon固體電解質(zhì)氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于氣體傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種同時(shí)用于檢測(cè)或監(jiān)控兩種氣體 的一體化雙功能NASICON固體電解質(zhì)氣體傳感器。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著社會(huì)的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)成為人們急需解決的一個(gè) 重要問(wèn)題，其中大氣污染問(wèn)題更是重中之重，所以各種類(lèi)型的氣體傳感器就應(yīng)運(yùn)
而生，其中主要有半導(dǎo)體式、電化學(xué)式和光學(xué)式氣體傳感器，而電化學(xué)式中的 固體電解質(zhì)型氣體傳感器因?yàn)槠淞己玫倪x擇性，快速的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間和良好的重 復(fù)性有著較好的發(fā)展前景。
我們吉林大學(xué)從1996年開(kāi)始研究C02傳感器，不斷取得一些進(jìn)展。以 NASICON (Na超離子導(dǎo)體)材料為主，制作固體電解質(zhì)傳感器，在結(jié)構(gòu)方面， 由原來(lái)的片式(內(nèi)、外加熱等不同方式)，發(fā)展了微小的管式結(jié)構(gòu)，如圖1所示， 使加熱效率提高，功耗降低1/3左右。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是研制一種新型的NASICON固體電解質(zhì)傳感器，它具有 同時(shí)檢測(cè)或監(jiān)控兩種毒害氣體的功能，而且還具有良好的靈敏度，良好的選擇性， 快速的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間，同時(shí)可以有效地利用加熱器提供的熱能，提高加熱效率。
本實(shí)用新型所述一體化雙功能NASICON固體電解質(zhì)氣體傳感器，由Al203 陶瓷管襯底、陶瓷管襯底內(nèi)的加熱線圈、涂敷在陶瓷管襯底外的NASICON基體 材料、在NASICON基體上制作的金網(wǎng)及白金電極組成，其特征在于金網(wǎng)及白 金電極為左、中、右三組彼此絕緣的電極結(jié)構(gòu)，在其中的兩組金網(wǎng)及白金電極上 進(jìn)一步有由氣體敏感材料構(gòu)成的兩個(gè)輔助電極，另外一組的金網(wǎng)及白金電極用作 兩個(gè)輔助電極共用的參考電極，兩個(gè)輔助電極分別和共用參考電極構(gòu)成兩個(gè)氣體 傳感器，從而構(gòu)成相當(dāng)于兩個(gè)分立器件組合成一體的結(jié)構(gòu)。
作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)選方式，是在左、右兩組的金網(wǎng)及白金電極上有 由氣體敏感材料構(gòu)成的輔助電極，中間一組的金網(wǎng)及白金電極用作共用參考電極。
適合作輔助電極的氣體敏感材料有摻雜活性碳的0203材料、ZnTiOs材料、 Li2C03-BaC03復(fù)合碳酸鹽、Y203、 WO:3和Sn02等。為實(shí)現(xiàn)雙功能化(能夠檢
3測(cè)兩種不同的氣體)，兩個(gè)輔助電極的氣體敏感材料是不相同的。
本專(zhuān)利首次在同一 NASICON固體電解質(zhì)材料上，制作兩個(gè)氣體傳感器。這 兩個(gè)傳感器分別有各自的輔助電極，但他們共用一個(gè)參考電極，共用一個(gè)加熱器。
本實(shí)用新型敘述的NASICON固體電解質(zhì)一體化雙功能傳感器的具體的制作 過(guò)程為選取管長(zhǎng)為7 9mm、壁厚為0.4~0.5mm、外徑為1.2~1.3mm、內(nèi)徑為 0.8~0.9mm的Al203陶瓷管為襯底，將NASICON材料溶解在去離子水中研磨， 調(diào)整水的比例使其形成糊狀，采用旋涂的方法將其均勻涂敷在Al203陶瓷管上， 在900'C燒結(jié)6h,形成厚為1~1.5mm的基體層，將金漿用細(xì)毛筆在NASICON 基體材料上畫(huà)成網(wǎng)狀(分為左、右兩側(cè)和中間三段，三段間要有1mm的間隔，金 網(wǎng)的厚度為0.01~0.02mm)，然后在800。C燒15分鐘，形成金網(wǎng)。在金網(wǎng)上引出 Pt電極，用金漿把白金絲粘在金網(wǎng)處，然后在80(TC燒15分鐘，形成白金電極， 然后將輔助電極材料用去離子水研磨后分別涂敷在兩側(cè)電極上，送入爐中在 60(TC燒1小時(shí)，形成輔助電極。將約30Q的Ni-Cr加熱線圈穿過(guò)管內(nèi)作為加熱 器。將燒好的器件管芯按照通用旁熱式氣敏元件進(jìn)行焊接、封裝。
在一種NASICON固體電解質(zhì)傳感器中，對(duì)何種氣體敏感，主要取決于輔助 電極材料的選擇。在本實(shí)用新型中，在輔助電極1處，選用對(duì)某種氣體(x)有較 好敏感性能的A材料作為輔助電極，而在輔助電極2處，選用對(duì)另一種氣體(y) 有較好敏感性能的B材料作為輔助電極。這種結(jié)構(gòu)共用中間的一個(gè)參考電極，就 可以構(gòu)成兩個(gè)氣體傳感器，也就是輔助電極1和共用參考電極3構(gòu)成測(cè)試x氣體 的傳感器A，輔助電極2和共用參考電極3構(gòu)成測(cè)試y氣體的傳感器B。
在制作一體化雙功能固體電解質(zhì)氣體傳感器時(shí)，要注意被測(cè)試的兩種氣體不 能互相干擾，也就是選擇適當(dāng)?shù)妮o助電極材料，使傳感器A只對(duì)x氣體敏感，對(duì) y氣體不敏感，同樣傳感器B只對(duì)y氣體敏感，對(duì)x氣體不敏感。還有就是傳感 器A和傳感器B的工作溫度應(yīng)該相近。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)
(1) 本實(shí)用新型可以制作成便攜式的傳感器，適用方便；
(2) 兩個(gè)傳感器共用一個(gè)加熱器，可以提高加熱效率和節(jié)約資材；
(3) 在同一襯底上制作成檢測(cè)兩種不同氣體的固體電解質(zhì)傳感器，實(shí)現(xiàn)了雙功
能一體化，可以同時(shí)測(cè)量氨氣和甲苯氣體或一氧化碳和甲苯氣體，在國(guó) 內(nèi)外未見(jiàn)報(bào)道。


圖1:單一功能傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2:雙功能傳感器的結(jié)構(gòu)圖3:雙功能傳感器的EMF值隨甲苯濃度的變化曲線； 圖4:雙功能傳感器的EMF值隨氨氣濃度的變化曲線。
如圖1所示，各部件名稱(chēng)為陶瓷管11，加熱絲12， NASICON基體13， 用作參考電極的金網(wǎng)14、白金電極16，用作輔助電極的金網(wǎng)15、白金電極17 和輔助電極材料18;
如圖2所示，各部件的名稱(chēng)為陶瓷管21，加熱絲22， NASICON基體23， 金網(wǎng)31、 32、 33，白金電極41、 42、 43，輔助電極材料51、 52;其中，金網(wǎng) 31、白金電極41、輔助電極材料51，構(gòu)成輔助電極1，用于檢測(cè)第一種(x)氣 體；金網(wǎng)32、白金電極42、輔助電極材料52，構(gòu)成輔助電極2，用于檢測(cè)第二 種(y)氣體；金網(wǎng)33、白金電極43，用作參考電極3，輔助電極1、 2共用同一 參考電極3。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:
制作NASIC0N固體電解質(zhì)雙功能一體化傳感器的具體的過(guò)程為
(1) 選取管長(zhǎng)為8mm，壁厚為0.4mm，外徑為1.2mm、內(nèi)徑為0.8mm的A1203 陶瓷管，清洗后晾干；
(2) 將NASICON粉末研磨成超細(xì)粉末，滴入去離子水，研磨成漿糊狀，使 用旋涂法均勻涂覆在A1203陶瓷管上；
(3) 送入高溫電阻爐中，在60(TC燒結(jié)1小時(shí)；
(4) 重復(fù)步驟(2) (3);
(5) 重復(fù)步驟(2)，放入高溫電阻爐中，在90(TC溫度下燒結(jié)6個(gè)小時(shí)，形 成厚度約為lmm的NASICON基體層；
(6) 將金漿用細(xì)毛筆在NASICON基體材料上畫(huà)成網(wǎng)狀(分為左、右兩側(cè)和 中間三段，三段間要有l(wèi)mm的間隔，金網(wǎng)的厚度為0.01mm)，然后在80(TC燒15 分鐘，形成金網(wǎng)；
(7) 在金網(wǎng)上引出Pt電極，用金漿把白金絲粘在金網(wǎng)處，然后在80(TC燒 15分鐘，形成白金電極；(8) 然后將輔助電極材料用去離子水研磨后分別涂敷在兩側(cè)電極上，送入爐 中在60(TC燒1小時(shí)，形成輔助電極；
(9) 為了給元件提供熱量，約30Q的加熱線圈穿過(guò)管內(nèi)作為加熱器；
(10) 將元件焊接在六角管座上，待測(cè)。
實(shí)施例2:氨氣-甲苯一體化雙功能固體電解質(zhì)傳感器
在輔助電極A處，用摻雜10% (質(zhì)量比)活性碳的0203材料作輔助電極， 構(gòu)成傳感器A，用來(lái)測(cè)試氨氣，而在輔助電極B處，用ZnTi03材料作為輔助電極， 構(gòu)成傳感器B,用于測(cè)試甲苯。
由于兩種傳感器作在一個(gè)器件上，所以兩種傳感器的最佳溫度的匹配和測(cè)試 時(shí)兩種傳感器對(duì)另一種目標(biāo)氣體的抗干擾能力是兩個(gè)最主要的問(wèn)題。首先看一下 傳感器對(duì)甲苯測(cè)試時(shí)，傳感器A和B兩端EMF值隨工作溫度和氣體濃度的變化。 如圖3所示，在測(cè)試甲苯(5-50ppm)氣體時(shí)，在350'C時(shí)，傳感器A端基本對(duì) 甲苯氣體不敏感，也就是說(shuō)測(cè)試甲苯時(shí)傳感器A端不受影響。而傳感器B端，在 350'C時(shí)，B端的EMF值和甲苯濃度的對(duì)數(shù)呈現(xiàn)線性關(guān)系，其斜率是 -60mV/decade。
下面我們看一下傳感器對(duì)氨氣測(cè)試時(shí)，傳感器A和B兩端EMF值隨工作溫 度和氣體濃度的變化。如圖4所示，在測(cè)試氨氣(50-500ppm)時(shí)，在35(TC時(shí)， 傳感器A端EMF值和氨氣濃度的對(duì)數(shù)呈現(xiàn)線性關(guān)系，其斜率是-91mV/decade。 而傳感器B端，在35(TC時(shí)，B端的EMF值和氨氣濃度的對(duì)數(shù)也呈現(xiàn)線性關(guān)系， 但靈敏度要小的多，其-23mV/decade。在測(cè)試氨氣時(shí)，傳感器B端要受到一定的 影響，其EMF值產(chǎn)生了變化，但由于傳感器A端對(duì)甲苯不敏感，所以在測(cè)試時(shí) 結(jié)合兩端的EMF值得變化，就可以得傳感器B端的EMF值變化是由氨氣造成的 還是由甲苯造成的。當(dāng)然再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研究最好能排除氨氣對(duì)傳感器B端的 影響。
在35(TC時(shí)，傳感器A端對(duì)50ppm和500ppm NH3的響應(yīng)時(shí)間分別為35s 和30s，恢復(fù)時(shí)間分別為60s和65s。傳感器B端對(duì)5叩m和50ppm甲苯的響應(yīng) 時(shí)間分別為60s和50s，恢復(fù)時(shí)間分別為50s和70s。
實(shí)施例3:
在輔助電極A處選用對(duì)C02敏感的Li2C03-BaC03復(fù)合碳酸鹽作輔助電極材 料，在輔助電極B處選用對(duì)氨氣敏感的摻雜活性碳的Cr203材料作輔助電極材料，這樣就構(gòu)成了測(cè)試二氧化碳和氨氣的雙功能一體化氣體傳感器。 實(shí)施例4:
在輔助電極A處選用對(duì)CO敏感的丫203輔助電極材料，在輔助電極B處選 用對(duì)甲苯敏感ZnTi03作輔助電極材料，這樣就構(gòu)成了測(cè)試一氧化碳和甲苯的雙功 能一體化氣體傳感器。
實(shí)施例5:
在輔助電極A處選用對(duì)C02敏感的Li2C03-BaC03復(fù)合碳酸鹽作輔助電極材 料，在輔助電極B處選用對(duì)二氧化氮敏感W03作輔助電極材料，這樣就構(gòu)成了測(cè) 試二氧化碳和二氧化氮的雙功能一體化氣體傳感器。
制作一體化雙功能固體電解質(zhì)氣體傳感器必須是如下條件1)預(yù)測(cè)試的兩種
氣體的傳感器的最佳工作溫度相同或相近(相差小于2(TC); 2)對(duì)預(yù)檢測(cè)的兩種 氣體具有良好的選擇性；因此，凡能滿足上述條件的待測(cè)氣體原則上均可制作成
一體化雙功能固體電解質(zhì)氣體傳感器。
權(quán)利要求1、一體化雙功能NASICON固體電解質(zhì)氣體傳感器，由Al2O3陶瓷管襯底(21)、陶瓷管襯底內(nèi)的加熱線圈(22)、涂敷在陶瓷管襯底外的NASICON基體材料(23)、在NASICON基體上制作的金網(wǎng)及白金電極組成，其特征在于金網(wǎng)及白金電極為左、中、右三組彼此絕緣的電極結(jié)構(gòu)，在其中的兩組金網(wǎng)及白金電極上進(jìn)一步有由氣體敏感材料構(gòu)成的兩個(gè)輔助電極，另外一組的金網(wǎng)及白金電極用作兩個(gè)輔助電極共用的參考電極，兩個(gè)輔助電極分別和共用參考電極構(gòu)成兩個(gè)氣體傳感器。
2、 如權(quán)利要求1所述的一體化雙功能NASICON固體電解質(zhì)氣體傳感器，其 特征在于是在左、右兩組的金網(wǎng)及白金電極上有由氣體敏感材料(51、 52)構(gòu)成輔助電極(1、 2)，中間一組的金網(wǎng)及白金電極用作共用參考電 極(3)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型屬于氣體傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種同時(shí)用于檢測(cè)或監(jiān)控兩種氣體的一體化雙功能NASICON固體電解質(zhì)氣體傳感器。其由Al₂O₃陶瓷管襯底、陶瓷管襯底內(nèi)的加熱線圈、涂敷在陶瓷管襯底外的NASICON基體材料、在NASICON基體上制作的左、中、右彼此絕緣的三組金網(wǎng)及白金電極結(jié)構(gòu)組成，在左、右兩組電極上分別涂敷對(duì)不同氣體敏感的材料，構(gòu)成兩個(gè)輔助電極，中間一組的金網(wǎng)及白金電極用作參考電極。本專(zhuān)利首次在同一固體電解質(zhì)基體材料上，制作兩個(gè)氣體傳感器，它具有同時(shí)測(cè)試兩種毒害氣體的功能，而且還具有好的靈敏度和選擇性，快速的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間，同時(shí)可以有效地利用加熱器提供的熱能，提高熱效率的利用率和節(jié)約資材。
文檔編號(hào)G01N27/407GK201141848SQ20082007126
公開(kāi)日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2008年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月14日
發(fā)明者全寶富, 梁喜雙, 鐘鐵鋼 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)