CN106706728B - 一种高灵敏度的二氧化氮传感器 - Google Patents

一种高灵敏度的二氧化氮传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了传感器领域内的一种高灵敏度的二氧化氮传感器，包括圆柱形的陶瓷管，陶瓷管两端中心插装有陶瓷端帽，陶瓷管内设有螺旋电热丝，螺旋电热丝的两端经导线从陶瓷端帽的中心孔引出，陶瓷管一端的端面上设有Au参考电极，陶瓷管另一端的端面上设有Au工作电极，Au工作电极外覆盖有TiO敏感电极，参考电极及敏感电极上分别引出有Pt引线，在陶瓷管外周设有纳米铟锡氧化物制成的喷涂烧结层，在喷涂烧结层外设有若干金线，金线连接在工作电极和参考电极之间。该传感器对水、汽油、一氧化碳等气体不敏感，其制造方便，检测灵敏，可用于气体环境中NO2浓度的检测。

Description

一种高灵敏度的二氧化氮传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器，特别涉及一种用于检测二氧化氮浓度的传感器。
背景技术
二氧化氮是一种对环境和人体健康影响很大的一种有毒有害气体，及时准确测定空气中的二氧化氮浓度对检测和环保有着重大意义。目前，CuPc（酞菁铜）被广泛应用在二氧化氮气体传感器中，其具有高灵敏度和高选择性，但是其电阻很高，工作电流很小，导致后续的传感器电路设计非常困难。同时，由于其电阻高，大气中的水气对传感器的影响较大，为此，人们经过大量的研究，通过掺杂的方法，使得电阻降低，但是掺杂的同时，又使得传感器的敏感性降低和响应时间增长，这是一对相互影响的矛盾体，目前，没有更好的解决手段。
现有技术中，还有一种基于喷砂加工多孔YSZ基板的混成电位型NO2传感器及制备方法，该传感器依次由带有Pt加热电极的Al2O3陶瓷板、YSZ基板、参考电极和敏感电极组成；YSZ基板具有粗糙多孔表面，参考电极为条状Pt，敏感电极为条状NiO，两电极彼此分立且对称地制备在YSZ基板的粗糙表面上，YSZ基板的下表面与Al2O3陶瓷板粘结在一起。本发明利用喷砂加工的YSZ基板为电解质，其表面的粗糙多孔结构提高待测气体与电解质的接触，增加反应活性位点，达到提高传感器灵敏度的目的。其不足之处在于：YSZ基板的制造困难，成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏度的二氧化氮传感器，使具有制造成本低，测试灵敏且选择性好。
本发明的目的是这样实现的：一种高灵敏度的二氧化氮传感器，包括圆柱形的陶瓷管，陶瓷管两端中心插装有陶瓷端帽，陶瓷管内设有螺旋电热丝，螺旋电热丝的两端经导线从陶瓷端帽的中心孔引出，陶瓷管一端的端面上设有Au参考电极，陶瓷管另一端的端面上设有Au工作电极，Au工作电极外覆盖有TiO敏感电极，参考电极及工作电极上分别引出有Pt引线，在陶瓷管外周设有纳米铟锡氧化物制成的喷涂烧结层，在喷涂烧结层外设有若干金线，金线连接在工作电极和参考电极之间。
该装置通过工作电极、参考电极和金线形成阵列电极，形成稳定场，减少孤立电子对边界测量值得影响，可保证其准确性，铟锡在氧化物、敏感电极和气体三相界面处形成原电池反应，
NO2→NO+1/2O2
NO2+2e-→NO+O2-
2O2-→O2+4e-
不同浓度NO2所对应的反应速度不同，从而反应会在参考电极和敏感电极之间产生不同的电势差，通过检测电势差，可以获得NO2浓度，达到准确检测的目的。该装置工作于280℃时，对于NO2浓度低于200ppm的，原电池反应速度最快，检测也最灵敏准确；浓度超过200ppm的，则趋于饱和。该装置对水、汽油、一氧化碳等气体不敏感，可用于气体环境中NO2浓度的检测。该传感器制造方便，检测灵敏，使用可靠。
作为本发明的进一步改进在于，所述金线等距螺旋分布在喷涂烧结层外。
其进一步改进在于所述纳米铟锡氧化物中，SnO2:In2O3的摩尔比为1:（6~8）。
为进一步提供稳定场，避免干扰，所述工作电极和参考电极对应的Pt引线分别向四个方向引出，工作电极对应的Pt引线引出后的端头相互连接在一起，参考电极对应的Pt引线引出后的端头也相互连接在一起。
进一步保证三相界面处的原电池反应顺利进行，所述TiO敏感电极与喷涂烧结层相连。
在纳米铟锡氧化物采用溶胶凝胶技术进行制备时，将硝酸铟溶液和四氯化锡溶液与浓硝酸混溶加热，成为凝胶后喷涂在陶瓷管外周，再在600~650℃下烧结1~2小时，成为SnO2和In2O3，获得喷涂烧结层。
金线采用金浆印制在喷涂烧结层外再于600~650℃烧结2-3小时获得。
本发明中，金线宽度为25~30μm，参考电极厚度为80~120μm，工作电极厚度为50~60μm，喷涂烧结层厚度为40~60μm，TiO敏感电极的厚度为100~150μm。
附图说明
图1为本发明内部结构示意图。
图2为本发明的外部结构示意图。
图3为本发明的传感器的电势差与NO2浓度的测试图。
其中，1电热丝，2陶瓷端帽，3参考电极，4陶瓷管，5喷涂烧结层，6工作电极，7Pt引线，8敏感电极，9空腔，10金线。
具体实施方式
如图1和2所示，为一种高灵敏度的二氧化氮传感器，包括圆柱形的陶瓷管4，陶瓷管长度12mm，外径8mm；陶瓷管4两端中心插装有陶瓷端帽2，陶瓷管4内的空腔9中设有螺旋电热丝1，螺旋电热丝1的两端经导线从陶瓷端帽2的中心孔引出，陶瓷管4一端的端面上设有Au参考电极3，陶瓷管4另一端的端面上设有Au工作电极6，Au工作电极6外覆盖有TiO敏感电极8，参考电极3及工作电极6上分别引出有Pt引线7，在陶瓷管4外周设有纳米铟锡氧化物制成的喷涂烧结层5，在喷涂烧结层5外设有若干金线10，金线10连接在工作电极6和参考电极3之间，金线10等距螺旋分布在喷涂烧结层5外。金线10宽度为25~30μm，参考电极3厚度为80~120μm，工作电极6厚度为50~60μm，喷涂烧结层5厚度为40~60μm，TiO敏感电极8的厚度为100~150μm。
纳米铟锡氧化物中，SnO2:In2O3的摩尔比为1:（6~8）。工作电极6和参考电极3对应的Pt引线7分别向四个方向引出，工作电极6对应的Pt引线7引出后的端头相互连接在一起，参考电极3对应的Pt引线7引出后的端头也相互连接在一起。TiO敏感电极8与喷涂烧结层5相连。
制造时，纳米铟锡氧化物采用溶胶凝胶技术进行制备，将硝酸铟溶液和四氯化锡溶液与浓硝酸混溶加热，成为凝胶后喷涂在陶瓷管外周，再在600~650℃下烧结1~2小时获得。金线采用金浆印制在喷涂烧结层外再于600~650℃烧结2-3小时获得。
获得的传感器经测试，如图3所示，具有良好的检测效果，能够准确测量NO2浓度，图线光滑，无畸变，说明测量准确性好。NO2浓度超过200ppm的，则趋于饱和。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高灵敏度的二氧化氮传感器，其特征在于包括圆柱形的陶瓷管，陶瓷管两端中心插装有陶瓷端帽，陶瓷管内设有螺旋电热丝，螺旋电热丝的两端经导线从陶瓷端帽的中心孔引出，陶瓷管一端的端面上设有Au参考电极，陶瓷管另一端的端面上设有Au工作电极，Au工作电极外覆盖有TiO敏感电极，参考电极及工作电极上分别引出有Pt引线，在陶瓷管外周设有纳米铟锡氧化物制成的喷涂烧结层，在喷涂烧结层外设有若干金线，金线连接在工作电极和参考电极之间。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的二氧化氮传感器，其特征在于所述金线等距螺旋分布在喷涂烧结层外。
3.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度的二氧化氮传感器，其特征在于：所述纳米铟锡氧化物中，SnO2:In2O3的摩尔比为1:（6~8）。
4.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度的二氧化氮传感器，其特征在于：所述工作电极和参考电极对应的Pt引线分别向四个方向引出，工作电极对应的Pt引线引出后的端头相互连接在一起，参考电极对应的Pt引线引出后的端头也相互连接在一起。
5.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度的二氧化氮传感器，其特征在于：TiO敏感电极与喷涂烧结层相连。
6.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度的二氧化氮传感器，其特征在于：纳米铟锡氧化物采用溶胶凝胶技术进行制备，将硝酸铟溶液和四氯化锡溶液与浓硝酸混溶加热，成为凝胶后喷涂在陶瓷管外周，再在600~650℃下烧结1~2小时获得。
7.根据权利要求6所述的一种高灵敏度的二氧化氮传感器，其特征在于：所述金线采用金浆印制在喷涂烧结层外再于600~650℃烧结2-3小时获得。
8.根据权利要求7所述的一种高灵敏度的二氧化氮传感器，其特征在于：所述金线宽度为25~30μm，参考电极厚度为80~120μm，工作电极厚度为50~60μm，喷涂烧结层厚度为40~60μm，TiO敏感电极的厚度为100~150μm。
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