CN107561141A - 基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器，它包括敏感芯体，所述敏感芯体包括衬底、钠超离子导体层、工作电极、对电极、钌加热器和两个加热电极，所述钠超离子导体层、所述工作电极和所述对电极位于所述衬底的上表面，所述工作电极和所述对电极通过所述钠超离子导体层相连接，所述钌加热器和两个所述加热电极位于所述衬底的下表面，两个所述加热电极通过所述钌加热器连接，所述工作电极上涂覆有氧敏感材料。该氧传感器具有结构简单、成本低廉、寿命长、安全环保的优点。同时，本发明还提供该氧传感器的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体传感器，具体的，涉及一种基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器及其制备方法。
背景技术
无论是在工业、农业、能源、交通医疗、生态环境等各个方面，还是在日常生活中，氧是需要控制与测量最多的化学元素。传统的测氧方法如气相色谱法、磁式氧分析仪等虽然能够精确地分析氧的浓度，但其成本高、装置复杂、使用和维修都比较麻烦，在某些需要原位、在线测量的场合使用会受到很大限制，故氧气传感器被广泛用于石油、化工、煤炭、冶金、造纸、消防、市政、医药、汽车、气体排放监测等行业。目前市场上的氧气传感器主要有如下三种类型：氧化锆固体电解质型氧气传感器、常温电化学型氧气传感器、荧光型氧气传感器。
其中，氧化锆固体电解质型的氧传感器，使用寿命长、工作温度范围宽广、耐震动和冲击等优点，主要应用在汽车行业中氧气浓度的检测，但其制作工艺复杂，行业垄断性强；常温电化学型氧气传感器，阴极为涂有活性催化剂的PTFE膜，阳极为铅块，传感器内充满液体电解质溶液，在电化学反应中，阳极参与到氧化反应中，一旦可利用的铅完全被氧化，传感器停止运作，使用寿命通常为1～2年，也容易造成环境污染；荧光型氧气传感器，基于核心敏感材料所发出的荧光被氧气分子猝灭的效率实现氧气的精确检测，具有安全环保、抗干扰能力强、使用寿命长的优点，但其结构复杂，信号取出麻烦，价格昂贵。因此，研究一种结构简单、成本低廉、寿命长、安全环保的氧气传感器具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种基于钠超离子导体层的固体电解质氧气传感器及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器，它包括敏感芯体，所述敏感芯体包括衬底、钠超离子导体层、工作电极、对电极、钌加热器和两个加热电极，所述钠超离子导体层、所述工作电极和所述对电极位于所述衬底的上表面，所述工作电极和所述对电极通过所述钠超离子导体层相连接，所述钌加热器和两个所述加热电极位于所述衬底的下表面，两个所述加热电极通过所述钌加热器连接，所述工作电极上涂覆有氧敏感材料。
基于上述，所述氧敏感材料为二氧化碲、三氧化二铬、氧化镍或氧化镉。
基于上述，所述衬底为氧化铝陶瓷基片。
基于上述，所述钠超离子导体层的两端分别设有上侧金带，所述工作电极和所述对电极分别位于所述上侧金带上，所述钌加热器的两端分别设有下侧金带，两个所述加热电极分别位于所述下侧金带上。。
基于上述基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器，它还包括管座和与所述管座相配套的管帽，所述管座上设有四个管针，两个所述加热电极、所述工作电极和所述对电极分别与四个所述管针焊接，其中，两个所述加热电极、所述工作电极、所述对电极和四个所述管针一一对应焊接。
基于上述，所述管帽内设有吸附材料，所述吸附材料为活性碳、分子筛或多孔硅铝石。
一种上述的基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器的制备方法，包括以下步骤：
制备工作电极和对电极 在所述衬底的上表面印刷钠超离子导体和金带，烧结形成所述钠超离子导体层和两条上侧金带，再利用金浆将两个铂丝分别粘结在两条所述上侧金带上，烧结形成两个测试电极，在其中一个所述测试电极上涂覆氧敏感材料，然后进行热处理形成所述工作电极，另一个所述测试电极为所述对电极；
制备两个加热电极 在所述衬底的下表面印刷钌层和金带，烧结形成所述钌加热器和两条下侧金带；再利用金浆将两个铂丝分别粘结在两条所述下侧金带上，烧结形成两个所述加热电极。
基于上述基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器的制备方法：它还包括步骤：
装配传感器 将所述工作电极、所述对电极和两个所述加热电极分别点焊在管座的四个管针上，盖上所述管帽进行封装得到所述基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器。
基于上述，所述制备工作电极的步骤中，烧结温度为800～1100℃，进行热处理形成所述工作电极的温度为500～600℃。
基于上述，所述制备加热电极的步骤中，烧结温度为800～900℃。
与现有技术相比，本发明具有突出的特点和显著进步。具体来说，本发明提供一种基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器，该氧传感器中的敏感芯片中采用钠超离子导体层作为固体电解质，避免了液体电解质溶液的蒸发和泄露问题，使传感器的稳定性和寿命得到很大的提高；同时，该传感器采用氧化还原反应的电化学工作原理，工作电极涂覆对氧气敏感的半导体氧化物材料，当所监测的氧气浓度发生变化时，半导体氧化物的价态将发生变化，从而与对电极之间产生了电子的流动，解决了常温电化学型氧气传感器所采用铅型材料的环保问题和铅消耗问题，避免对环境造成污染；同时，该传感器还具有结构简单、制作方便、成本低的优点。另外，本发明还提供该传感器的制备方法，该方法工艺简单、易控制，适于工业生产。
附图说明
图1 是本发明中所述敏感芯体的结构示意图。
图2 是本发明中所述基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器的俯视示意图。
图中：1.衬底；2.钠超离子导体层；3.工作电极；4.对电极；5.钌加热器；6.加热电极；7.上侧金带；8.下侧金带；9.管座；10.管针；11.敏感芯体。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图2所示，本实施例提供一种基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器，它包括管座9、固定于所述管座9上的敏感芯体11、与所述管座9相配套的管帽，如图1所示，所述敏感芯体包括衬底1、设置于所述衬底1的上表面的钠超离子导体层2、设置于所述衬底1的下表面的钌加热器5、分别位于所述钌加热器5的两端的加热电极6、设置于所述钠超离子导体层2的表面的工作电极3和对电极4，所述工作电极3上涂覆有氧敏感材料；所述工作电极3和所述对电极4通过所述钠超离子导体层2相连接，两个所述加热电极6通过所述钌加热器5连接。
进一步，所述氧敏感材料为二氧化碲，在其他的实施例中所述氧敏感材料可选用三氧化二铬、氧化镍或氧化镉。
进一步，所述衬底1为1 mm*2 mm*0.25 mm的氧化铝陶瓷基片，需要说明的是，在其他实施例中可以根据需要选择其他尺寸的衬底。
进一步，所述钠超离子导体层2的两端分别设有上侧金带7，所述钌加热器5的两侧分别设有下侧金带8，两个所述加热电极6分别位于下侧金带8上，所述工作电极3和所述对电极4分别位于上侧金带7。
进一步，两个所述加热电极6、所述工作电极3和所述对电极4分别与所述管座9的四个管针10焊接。
进一步，所述管帽内设有活性碳吸附材料，在其他的实施例中所述吸附材料可选用分子筛或多孔硅铝石。
本实施例还提供该氧传感器的制备方法，其包括以下步骤：
制备工作电极和对电极 在所述衬底的上表面印刷钠超离子导体，在1000～1100℃烧结6 h形成所述钠超离子导体层，在所述钠超离子导体层的两端印刷金带并在800～900℃烧结10～20 min烧结形成两条上侧金带，再利用金浆将两个铂丝分别粘结在两条上侧金带上，在800～900℃烧结10～20 min形成两个测试电极，在其中一个所述测试电极上涂覆氧敏感材料，然后500～600℃进行热处理1 h形成所述工作电极，另一个所述测试电极为所述对电极；
制备加热电极 在所述衬底的下表面的两端印刷金带，所述衬底的下表面的两个金带之间印刷钌层，在800～900℃烧结10～20 min形成所述钌加热器和两条下侧金带；再利用金浆将两个铂丝分别粘结两条下侧金带上，在800～900℃烧结10～20 min形成两个所述加热电极；
装配传感器 将所述工作电极、所述对电极和两个所述加热电极分别点焊在所述管座的四个管针上，盖上所述管帽进行封装得到所述基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (10)
1.一种基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器，它包括敏感芯体，其特征在于，所述敏感芯体包括衬底、钠超离子导体层、工作电极、对电极、钌加热器和两个加热电极，所述钠超离子导体层、所述工作电极和所述对电极位于所述衬底的上表面，所述工作电极和所述对电极通过所述钠超离子导体层相连接，所述钌加热器和两个所述加热电极位于所述衬底的下表面，两个所述加热电极通过所述钌加热器连接，所述工作电极上涂覆有氧敏感材料。
2.根据权利要求1所述的基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器，其特征在于，所述氧敏感材料为二氧化碲、三氧化二铬、氧化镍或氧化镉。
3.根据权利要求1或2所述的基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器，其特征在于，所述衬底为氧化铝陶瓷基片。
4.根据权利要求1或2所述的基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器，其特征在于，所述钠超离子导体层的两端分别设有上侧金带，所述工作电极和所述对电极分别位于所述上侧金带上，所述钌加热器的两端分别设有下侧金带，两个所述加热电极分别位于所述下侧金带上。
5.根据权利要求4所述的基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器，其特征在于，它还包括管座和与所述管座相配套的管帽，所述管座上设有四个管针，两个所述加热电极、所述工作电极和所述对电极分别与四个所述管针焊接。
6.根据权利要求5所述的基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器，其特征在于，所述管帽内设有吸附材料，所述吸附材料为活性碳、分子筛或多孔硅铝石。
7.一种权利要求1～6任一项所述的基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器的制备方法，包括以下步骤：
制备工作电极和对电极 在所述衬底的上表面印刷钠超离子导体和金带，烧结形成所述钠超离子导体层和两条上侧金带，再利用金浆将两个铂丝分别粘结在两条所述上侧金带上，烧结形成两个测试电极，在其中一个所述测试电极上涂覆氧敏感材料，然后进行热处理形成所述工作电极，另一个所述测试电极为所述对电极；
制备两个加热电极 在所述衬底的下表面印刷钌层和金带，烧结形成所述钌加热器和两条下侧金带；再利用金浆将两个铂丝分别粘结在两条所述下侧金带上，烧结形成两个所述加热电极。
8. 根据权利要求7所述的基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器的制备方法，其特征在于，它还包括步骤：装配传感器 将所述工作电极、所述对电极和两个所述加热电极分别点焊在管座的四个管针上，盖上管帽进行封装得到所述基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器。
9.根据权利要求7或8所述的基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器的制备方法，其特征在于，所述制备工作电极的步骤中，烧结温度为800～1100℃，进行热处理形成所述工作电极的温度为500～600℃。
10.根据权利要求7或8所述的基于钠超离子导体层的固体电解质氧传感器的制备方法，其特征在于，所述制备加热电极的步骤中，烧结温度为800～900℃。
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