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      基于Pt反應(yīng)電極的氣體傳感器及溫度補(bǔ)償方法

      文檔序號(hào):6146645閱讀:295來源:國知局
      專利名稱:基于Pt反應(yīng)電極的氣體傳感器及溫度補(bǔ)償方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種基于Pt反應(yīng)電極的固體電解質(zhì)氣體傳感器及溫度補(bǔ)償 方法。
      背景技術(shù)
      固體電解質(zhì)因其良好的離子導(dǎo)電特性被廣泛應(yīng)用于氣體傳感器,自1834 年Faraday首次發(fā)現(xiàn)PbF2的電導(dǎo)率隨溫度變化的規(guī)律以來,國內(nèi)外許多研究 小組已開始致力于這方面的研究。在眾多固體電解質(zhì)中,氟化鑭(LaF3)在 常溫狀態(tài)下具有較高的電導(dǎo)率,是一種理想的常溫固體電解質(zhì),已被應(yīng)用于 S02、 02、 F2等常溫氣體傳感器的研究中。由于LaF3在常溫狀態(tài)下具有高電 導(dǎo)率的優(yōu)點(diǎn),避免了Zr02、 CaF2、硫酸鹽等固體電解質(zhì)類氣體傳感器需加熱 的缺陷,可以大幅度簡化傳感器結(jié)構(gòu)、延長傳感器使用壽命、提高傳感器的 使用性能。
      文獻(xiàn)"LaF3固體電解質(zhì)的制備及在氣體傳感器上的應(yīng)用研究"(韓元山, 東北大學(xué),博士論文,2004年6月)提出了一種基于LaF3固體電解質(zhì)的氣 體傳感器,采用提拉法生長LaF3 (摻雜EuF2、 CaF2)固體電解質(zhì)晶片,將 Sn、 SnF2按比例混勻、磨細(xì),并經(jīng)300目篩過濾,用壓力240MPa壓成圓片, 鉑絲電極引線壓入?yún)⒈入姌OSn/SnF2中。將反應(yīng)電極Pt網(wǎng)、參比電極Sn/SnF2 分別用Ag導(dǎo)電膠連接在LaF3晶片兩側(cè),由于Pt反應(yīng)電極與固體電解質(zhì)之間 釆用Ag導(dǎo)電膠連接,電子導(dǎo)體Ag會(huì)阻礙離子在Pt/LaF3界面?zhèn)鲗?dǎo),影響傳 感器靈敏度、響應(yīng)時(shí)間等性能參數(shù)。文獻(xiàn)研究了3(TC 90'C范圍內(nèi)LaF3電導(dǎo) 率隨溫度的變化情況,研究結(jié)果表明電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大,在 S.S-SAxlO^S.cm-1之間變化。同時(shí)研究傳感器在不同溫度下對(duì)S02、 CO、 C02 氣體的響應(yīng)特性,研究結(jié)果表明,氣體體積分?jǐn)?shù)相同,溫度對(duì)該結(jié)構(gòu)氣體傳感器的輸出電動(dòng)勢(EMF)有不同程度的影響。因此影響了對(duì)氣體體積分?jǐn)?shù) 檢測的精確性。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于改進(jìn)背景技術(shù)的基于LaF3的固體電解 質(zhì)式氣體傳感器易受溫度影響的不足,提供一種基于Pt反應(yīng)電極的固體電解 質(zhì)氣體傳感器及溫度補(bǔ)償方法。其通過對(duì)Pt反應(yīng)電極結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新可補(bǔ)償溫度 變化對(duì)傳感器性能影響,同時(shí)Pt反應(yīng)電極本身又可作為溫度傳感器。
      為達(dá)到以上目的,本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的
      一種基于Pt反應(yīng)電極的固體電解質(zhì)氣體傳感器,包括Pt反應(yīng)電極、固 體電解質(zhì)晶片,該固體電解質(zhì)晶片一個(gè)端面連接帶第三引線的參比電極,其 特征在于,所述Pt反應(yīng)電極采用MEMS工藝制備在固體電解質(zhì)晶片的另一 個(gè)端面上,該P(yáng)t反應(yīng)電極為帶狀結(jié)構(gòu),其兩端頭分設(shè)于固體電解質(zhì)晶片端面 過直徑方向相對(duì)的邊沿,并分別連接第一引線和第二引線;該帶狀電極沿固 體電解質(zhì)晶片端面的平面呈迂回布局。
      上述方案中,所述的帶狀電極沿固體電解質(zhì)晶片端面的平面呈迂回布局 形成類似圓形的圖案或類似矩形的圖案。其帶寬在微米尺度。
      一種前述基于Pt反應(yīng)電極的固體電解質(zhì)氣體傳感器的溫度補(bǔ)償方法,包 括下述步驟
      a、 在第一或第二引線與第三引線之間連接電壓放大電路,初測得到反映 氣體體積分?jǐn)?shù)的電動(dòng)勢;將該反映氣體體積分?jǐn)?shù)的電動(dòng)勢的值輸入到一個(gè)信 號(hào)處理電路;
      b、 在第一引線與第二引線之間連接電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路,將溫度變化造 成的帶狀迂回Pt反應(yīng)電極電阻值變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并將該電信號(hào)輸入到所 述的信號(hào)處理電路;
      c、 將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路輸入的電信號(hào)作為補(bǔ)償信號(hào),通過信號(hào)處理電路 對(duì)初測得到的反映氣體體積分?jǐn)?shù)的電動(dòng)勢信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償,消除溫度變化對(duì)傳感器性能的影響;同時(shí)通過信號(hào)處理電路對(duì)所輸入的補(bǔ)償信號(hào)和經(jīng)過補(bǔ)償?shù)?電動(dòng)勢信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,讀取氣體溫度及氣體體積分?jǐn)?shù)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
      1. 采用MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))工藝在固體電解質(zhì)晶片上制備Pt反應(yīng)電
      極,反應(yīng)電極與固體電解質(zhì)晶片界面結(jié)合性能提高,與現(xiàn)有釆用導(dǎo)電膠連接 反應(yīng)電極與固體電解質(zhì)的方法相比,可避免電子導(dǎo)體(導(dǎo)電膠中的金屬)阻
      礙離子在Pt/LaF3界面?zhèn)鲗?dǎo)的不足,提高傳感器靈敏度、響應(yīng)時(shí)間等性能參數(shù)。
      2. 采用MEMS工藝制備Pt反應(yīng)電極加工工藝穩(wěn)定、重復(fù)性好、易批量 生產(chǎn)、成本低,微型化的Pt反應(yīng)電極具有微尺度下反應(yīng)界面增加、電極比表 面積可控的優(yōu)勢,從而使傳感器性能得以提高。
      3. 采用MEMS工藝在固體電解質(zhì)晶片上制備Pt電極微結(jié)構(gòu),其Pt微結(jié) 構(gòu)可作為氣體傳感器的反應(yīng)電極,同時(shí)利用Pt電阻隨溫度變化的特性,可單 獨(dú)測試氣體溫度,同時(shí)還可將測得反映溫度變化的電信號(hào)作為補(bǔ)償信號(hào),消 除因溫度變化對(duì)傳感器輸出電動(dòng)勢的影響,提高氣體傳感器的響應(yīng)特性。
      此外,本發(fā)明Pt電極作為溫度傳感器時(shí),測溫范圍寬、穩(wěn)定性好、精度 高、響應(yīng)塊,可滿足氣體瞬態(tài)溫度測量的要求。


      圖l是本發(fā)明基于LaF3的固體電解質(zhì)式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其中,
      1、 Pt反應(yīng)電極;2、固體電解質(zhì)晶片;3、參比電極;4、第一引線;5、第 二引線;6、第三引線。
      圖2是圖1中Pt反應(yīng)電極的平面布局結(jié)構(gòu)圖。 圖3是圖1中Pt反應(yīng)電極的另一種平面布局結(jié)構(gòu)圖。 圖4是消除溫度變化對(duì)傳感器性能影響的原理示意圖。
      具體實(shí)施例方式
      如圖1所示,本發(fā)明包括一個(gè)LaF3固體電解質(zhì)晶片2、 Sn和SnF2參比 電極3、采用MEMS工藝在LaF3固體電解質(zhì)晶片2上端面制備的Pt反應(yīng)電極l、兩個(gè)連接于Pt反應(yīng)電極l上的引線5、 6, 一個(gè)連接于參比電極3上的 引線4,組成氣體傳感器及溫度測試系統(tǒng)。
      固體電解質(zhì)晶片2與參比電極3之間采用導(dǎo)電膠粘連。Pt反應(yīng)電極1具 有的電化學(xué)活性可作為固體電解質(zhì)式氣體傳感器的反應(yīng)電極,S02、CO、CCb、 F2等氣體在Pt/LaF3界面發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng),生成可在LaF3固體電 解質(zhì)晶片2中傳導(dǎo)的0—、 F'離子,這些離子在固體電解質(zhì)晶片2中的傳導(dǎo), 使Pt反應(yīng)電極1與Sn和SnF2參比電極3之間產(chǎn)生電勢差,弓|線5與引線6 之間連接電壓放大電路,可初測得到反映氣體體積分?jǐn)?shù)的電動(dòng)勢,溫度變化 會(huì)造成Pt反應(yīng)電極l電阻值的變化,引線4與引線5之間連接電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換 電路,可將溫度變化造成的Pt反應(yīng)電極l的電阻值變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào),作為 溫度補(bǔ)償信號(hào)。
      如圖2圖3所示,本發(fā)明Pt反應(yīng)電極的平面布局采用兩種結(jié)構(gòu),其中 Pt工作電極線條寬度在微米尺度。圖2的結(jié)構(gòu)為Pt反應(yīng)電極線條沿水平向上 下迂回,形成類似圓形的圖案;圖3所示Pt反應(yīng)電極線條沿水平向上下迂回, 形成類似矩形的圖案,與圖2的Pt反應(yīng)電極相比,該結(jié)構(gòu)的適用范圍更為廣 泛,但其對(duì)氣體的催化活性稍差。
      Pt反應(yīng)電極l對(duì)氣體具有吸附、催化作用,氣體在Pt/LaF3界面發(fā)生一系
      列物理、化學(xué)反應(yīng),以S02氣體為例,S02氣體在Pt反應(yīng)電極l表面發(fā)生吸
      附、S-O斷裂等一系列物理和化學(xué)反應(yīng)過程,S02氣體傳感器的電極反應(yīng)過 程模型為
      Step l.S02(g) — S02(ad)
      Step 2. S—O — O (ad)
      Step 3. O (ad) +e- — O隱(ad)
      Step 4. CT(ad)4CT(TPB)
      Step 5. CT (TPB) + V f'—遷移(Shift) 其中g(shù)為氣體狀態(tài);ad為吸附狀態(tài);TPB為氣體、固體電解質(zhì)晶片2、 Pt反應(yīng)電極1所組成的三相界面。
      氣體在Pt反應(yīng)電極1表面發(fā)生的一系列物理、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生可在LaF3固體電解質(zhì)2中傳導(dǎo)的離子,這些離子在固體電解質(zhì)2中傳導(dǎo)使Pt反應(yīng)電極
      1與參比電極2之間產(chǎn)生電勢差,所產(chǎn)生的電勢差與氣體體積分?jǐn)?shù)的對(duì)數(shù)呈 良好的線性關(guān)系,符合Nemst方程,Nemst方程如式(1)。
      五二瓦+——/w尸叫 "、
      式中£。為電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢;R=8.314 J/ (mol .K),為氣體常數(shù); F-9.6485 x 1(^C.mor1,為法拉第常數(shù);T為熱力學(xué)溫度;n為電極反應(yīng)中 轉(zhuǎn)移的電子數(shù)。
      Pt電阻變化與溫度呈良好的線性關(guān)系,如圖2與圖3所示的Pt反應(yīng)電極
      1可作為溫度傳感器測試氣體溫度,Pt電阻隨溫度變化符合公式(2)。
      《=^0(1 + ^ +說2) (2)
      式中A=3.90802 x 1(T3/°C; B= - 5.80195 x l()-7/°C; i ,和J 。分別為Pt
      在tr和o。c時(shí)的電阻值。
      如圖4所示,Pt反應(yīng)電極1作為溫度傳感器所測反映溫度變化的電信號(hào) 可作為補(bǔ)償信號(hào),補(bǔ)償溫度變化對(duì)傳感器性能的影響。引線5與引線6之間 連接電壓放大電路,可初測得到反映氣體體積分?jǐn)?shù)的電動(dòng)勢,引線4與引線 5之間連接電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路,將溫度變化造成的Pt反應(yīng)電極電阻變化轉(zhuǎn)換 為電信號(hào),將此電信號(hào)作為溫度補(bǔ)償信號(hào),并與初測氣體體積分?jǐn)?shù)的電動(dòng)勢 值通過信號(hào)處理電路7,消除溫度變化對(duì)傳感器性能的影響,同時(shí)通過信號(hào) 處理電路對(duì)所輸入的補(bǔ)償信號(hào)和經(jīng)過補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)勢信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,讀取氣體 溫度及氣體體積分?jǐn)?shù)。
      以該結(jié)構(gòu)傳感器對(duì)S02氣體的響應(yīng)特性為例,傳感器在室溫2(TC下進(jìn)行 標(biāo)定,即在溫度為2(TC的環(huán)境下,不用進(jìn)行溫度補(bǔ)償,經(jīng)過信號(hào)處理電路7 轉(zhuǎn)換,可準(zhǔn)確讀取氣體體積分?jǐn)?shù)。假設(shè)被測環(huán)境S02體積分?jǐn)?shù)為1000ppm, 溫度為20。C時(shí),經(jīng)電壓放大電路,測得反映氣體體積分?jǐn)?shù)的電壓值為0.5V, 經(jīng)電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路測得反映氣體溫度的電壓值為IV;而在溫度為6(TC的 情況下,測得反映氣體體積分?jǐn)?shù)的電壓值為0.6V,反映氣體溫度的電壓值為 1.3V,所測得反映氣體體積分?jǐn)?shù)的電壓值比溫度為2(TC時(shí)稍高,如僅考慮此電壓值,則測得氣體分?jǐn)?shù)要比實(shí)際值高,而將反映溫度變化的電壓值作為補(bǔ) 償信號(hào),經(jīng)過信號(hào)處理電路7中的減法電路處理,可消除溫度變化對(duì)傳感器 性能的影響,準(zhǔn)確讀取氣體體積分?jǐn)?shù)。
      權(quán)利要求
      1.一種基于Pt反應(yīng)電極的固體電解質(zhì)氣體傳感器,包括Pt反應(yīng)電極、固體電解質(zhì)晶片,該固體電解質(zhì)晶片一個(gè)端面連接帶第三引線的參比電極,其特征在于,所述Pt反應(yīng)電極采用MEMS工藝制備在固體電解質(zhì)晶片的另一個(gè)端面上,該P(yáng)t反應(yīng)電極為帶狀結(jié)構(gòu),其兩端頭分設(shè)于固體電解質(zhì)晶片端面過直徑方向相對(duì)的邊沿,并分別連接第一引線和第二引線;該帶狀電極沿固體電解質(zhì)晶片端面的平面呈迂回布局。
      2、 如權(quán)利要求1所述的基于Pt反應(yīng)電極的固體電解質(zhì)氣體傳感器,其 特征在于,所述的帶狀電極沿固體電解質(zhì)晶片端面的平面呈迂回布局形成類 似圓形的圖案或類似矩形的圖案。
      3、 如權(quán)利要求1或2所述的基于Pt反應(yīng)電極的固體電解質(zhì)氣體傳感器, 其特征在于,所述帶狀電極的帶寬在微米尺度。
      4、 一種權(quán)利要求1所述基于Pt反應(yīng)電極的固體電解質(zhì)氣體傳感器的溫 度補(bǔ)償方法,包括下述步驟-a、 在第一或第二引線與第三引線之間連接電壓放大電路,初測得到反 映氣體體積分?jǐn)?shù)的電動(dòng)勢;將該反映氣體體積分?jǐn)?shù)的電動(dòng)勢的值輸入到一個(gè)信號(hào)處理電路;b、 在第一引線與第二引線之間連接電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路,將溫度變化造 成的帶狀迂回Pt反應(yīng)電極電阻值變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并將該電信號(hào)輸入到 所述的信號(hào)處理電路;c、 將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路輸出的電信號(hào)作為補(bǔ)償信號(hào),通過信號(hào)處理電 路對(duì)初測得到的反映氣體體積分?jǐn)?shù)的電動(dòng)勢信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償,消除溫度變化對(duì) 傳感器性能的影響;同時(shí)通過信號(hào)處理電路對(duì)所輸入的補(bǔ)償信號(hào)和經(jīng)過補(bǔ)償 的電動(dòng)勢信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,讀取氣體溫度及氣體體積分?jǐn)?shù)。
      全文摘要
      本發(fā)明公開了一種基于Pt反應(yīng)電極的固體電解質(zhì)氣體傳感器及溫度補(bǔ)償方法,所述傳感器包括Pt反應(yīng)電極、固體電解質(zhì)晶片,該固體電解質(zhì)晶片一個(gè)端面連接帶第三引線的參比電極,其特征在于,所述Pt反應(yīng)電極采用MEMS工藝制備在固體電解質(zhì)晶片的另一個(gè)端面上,該P(yáng)t反應(yīng)電極為帶狀結(jié)構(gòu),其兩端頭分設(shè)于固體電解質(zhì)晶片端面過直徑方向相對(duì)的邊沿,并分別連接第一引線和第二引線;該帶狀電極沿固體電解質(zhì)晶片端面的平面呈迂回布局。第一、第二引線之間連接電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路,將溫度變化造成的Pt反應(yīng)電極電阻值變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入到信號(hào)處理電路,通過信號(hào)處理電路對(duì)初測得到的反映氣體體積分?jǐn)?shù)的電動(dòng)勢信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償,消除溫度變化對(duì)傳感器性能的影響。
      文檔編號(hào)G01N27/407GK101526494SQ20091002177
      公開日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
      發(fā)明者孫國良, 尹天朔, 王海容, 蔣莊德, 燦 陳, 高鮮妮 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)
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