一种自恒温电化学片式气体传感器及其制备方法与流程

本发明涉及一种气体传感器，具体来说是一种自恒温电化学片式气体传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着我国经济取得空前发展，环境污染问题也变得相当严重，各大城市雾霾天气时常出现，大气污染物，诸如pm2.5、nox、nh3、co、so2等，已经给人们的健康带来巨大威胁。随着人们对健康问题的日益关注，我国对于各种有毒有害气体的浓度都有着严格标准，对这些气体的监测分析、监控报警对人类生产生活有着深远影响，气体传感器在这个过程中扮演十分重要角色，因此迫切需要开发一种便于携带和使用的、用于实时检测环境浓度下的有毒有害气体的传感器。

现今对环境中有毒有害气体的检测主要通过实地取样在实验室中进行化学定量来确定有毒有害气体的浓度，该方法结果准确，但是效率低，成本高，最重要的耗时较长，不能实时检测，并且不能携带，但是环境中有毒有害气体浓度是时刻变化的，因此大大降低了这类取样测试结果的参考价值。固体电解质电化学型传感器因为其灵敏度高、造价低廉、响应时间短而受到普遍关注和研究，德国和日本的公司相继推出了适用于汽车尾气检测的no2传感器。目前制备的固体电解质型气体传感器绝大多通过管式炉进行加热，以保证传感器的正常工作温度，这使得传感器不易携带，不能在家庭、办公区域等日常生活条件下使用，严重阻碍了固体电解质传感器的实际应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够实时检测环境中的有毒有害气体的电化学气体传感器。

为了达到上述目的，本发明提供了一种自恒温电化学片式气体传感器，其特征在于，包括：电化学片式气体传感器以及用于为电化学片式气体传感器提供并保持在所需工作温度的陶瓷加热片。

优选地，所述的电化学片式气体传感器通过耐高温粘结剂粘结陶瓷加热片。

优选地，所述的耐高温粘结剂为导热系数大于1.5[w/(m·k)]的耐高温导热胶。

优选地，所述的陶瓷加热片为ptc陶瓷加热片或mch陶瓷加热片。

优选地，所述的陶瓷加热片的尺寸与固体电解质型气体传感器基片相同。

优选地，所述的电化学片式气体传感器包括固体电解质气体传感器基片，固体电解质气体传感器基片上设有传感器电极。

本发明还提供了上述的自恒温电化学片式气体传感器的制备方法，其特征在于，包括：通过丝网印刷的方式将铂浆印刷在固体电解质气体传感器基片的一面上，分别作为工作电极和参比电极，或工作电极、参比电极和对电极；在工作电极、或工作电极和对电极表面丝网印刷敏感电极浆料；利用耐高温粘结剂将陶瓷加热片粘结在固体电解质气体传感器基片的另一面，将陶瓷加热片连接在电压≤24v的移动电源上，得到自恒温电化学片式气体传感器。

优选地，所述的移动电源为电池。

本发明通过采用耐高温粘合剂将ptc或mch陶瓷加热片粘结在固体电解质气体传感器基片上，并以电池等移动电源对陶瓷加热片供能，陶瓷加热片即可自行达到并稳定在气体传感器所需的工作温度，不需配置温度检测及控制装置。采用市场上ptc与mch陶瓷加热片，来源简单易得，可以用于nasicon、gdc、ysz等多种固体电解质气体传感器基片。所制成的传感器体积小，结构工艺简单，成本低廉，无需特殊设备和苛刻条件，可控性强，容易实现规模化生产。因为采用ptc或mch陶瓷加热片为传感器提供工作温度，所以该传感器极其便携，促进了气体传感器向更简洁的方向发展，扩大了传感器的使用范围，同时为传感器的集成组网应用打下基础。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明制备的自恒温电化学片式气体传感器依靠移动电源就可以提供并保持在传感器所需的工作温度，同时还避免了复杂的测控温系统，因此使得固体电解质型气体传感器可以实时检测环境浓度下的有毒有害气体，而且所制成的传感器体积小，结构工艺简单，成本低廉，无需特殊设备和苛刻条件，可控性强，容易实现规模化生产，促进了气体传感器向更精确更简便的发展，推进了传感器的使用范围，同时为传感器的集成组网应用打下基础。

附图说明

图1为本发明实施例1得到的传感器器件结构示意图；

图2为图1中a处放大图。

图3为本发明实施例3得到的传感器器件结构示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1：

如图1和图2所示，一种自恒温电化学片式气体传感器，包括：电化学片式气体传感器以及用于为电化学片式气体传感器提供并保持在所需工作温度的陶瓷加热片1。所述的电化学片式气体传感器包括固体电解质气体传感器基片3，固体电解质气体传感器基片3上设有对电极4、工作电极5和参比电极6，对电极4、工作电极5和参比电极6各连接一根铂丝7。对电极4上设有nano2电极材料层，工作电极5上覆有tio2催化氧化层，参比电极6表面用无机粘结剂层8密封。所述的电化学片式气体传感器的固体电解质气体传感器基片3通过耐高温粘结剂2粘结陶瓷加热片1。所述的陶瓷加热片为ptc陶瓷加热片。所述的耐高温粘结剂为导热系数大于1.5[w/(m·k)]的耐高温导热胶。所述的陶瓷加热片的尺寸与固体电解质型气体传感器基片相同。

上述的自恒温电化学片式气体传感器的制备方法，具体步骤为：

1)利用高温固相法制备nasicon(na1+xzr2sixp3-xo12,x＝2)粉体材料，并利用冷等静压在160mpa压力下制得nasicon胚体，然后在马弗炉中高温烧结制得nasicon基片。取nasicon固体电解质基片，打磨至厚度为1.4mm，并在nascion基片一面上丝网印刷铂浆形成三个互不导通的铂电极，分别作为对电极、工作电极和参比电极，80℃烘干0.5h，利用铂浆将铂丝固定在铂电极上，再次80℃烘干0.5h后，将器件置于马弗炉中750℃煅烧2h，在参比电极表面涂敷一层无机粘结剂(汇瑞8767c耐高温胶)，使参比电极与空气完全隔绝。然后按质量比1：0.8称tio2、松油醇并利用摆振球磨机使其均匀混合得到tio2浆体。按质量比1：5称取nano2、松油醇并利用摆振球磨机使其均匀混合得到nano2电极材料；在工作电极丝网印刷一层tio2浆料，烘干后置于马弗炉中500℃煅烧2h，形成tio2催化氧化层，在对电极处丝网印刷一层nano2电极材料，烘干，形成nano2电极材料层。

2)利用耐高温粘结剂(卡夫特k-5204k导热硅胶)将ptc陶瓷加热板粘结在按照步骤1)所得传感器基片另一面，静置24h，待耐高温粘结剂达到最高强度，将陶瓷加热片通过导线连接电池(电压为12v)，传感器基片被加热至150℃情况下，对浓度范围为100-1000ppbno2和no的响应灵敏度可达1.358na/ppb和0.765na/ppb，检测下限为50ppb。即得到便携式nox气体传感器。

实施例2：

如图1和图2所示，一种自恒温电化学片式气体传感器，包括：电化学片式气体传感器以及用于为电化学片式气体传感器提供并保持在所需工作温度的陶瓷加热片1。所述的电化学片式气体传感器包括固体电解质气体传感器基片3，固体电解质气体传感器基片3上设有对电极4、工作电极5和参比电极6，对电极4、工作电极5和参比电极6各连接一根铂丝7。对电极4上设有nano2电极材料层，工作电极5上覆有tio2催化氧化层，参比电极6表面用无机粘结剂层8密封。所述的电化学片式气体传感器的固体电解质气体传感器基片3通过耐高温粘结剂2粘结陶瓷加热片1。所述的陶瓷加热片为ptc陶瓷加热片。所述的耐高温粘结剂为导热系数大于1.5[w/(m·k)]的耐高温导热胶。所述的陶瓷加热片的尺寸与固体电解质型气体传感器基片相同。

上述的自恒温电化学片式气体传感器的制备方法，具体步骤为：

1)利用高温固相法制备nasicon(na1+xzr2sixp3-xo12,x＝2)粉体材料，并利用冷等静压在160mpa压力下制得nasicon胚体，然后在马弗炉中高温烧结制得nasicon基片。取nasicon固体电解质基片，打磨至厚度为1.4mm，并在nascion基片一面上丝网印刷铂浆形成三个互不导通的铂电极，分别作为对电极、工作电极和参比电极，80℃烘干0.5h，利用铂浆将铂丝固定在铂电极上，再次80℃烘干0.5h后，将器件置于马弗炉中750℃煅烧2h，在参比电极表面涂敷一层无机粘结剂(汇瑞8767c耐高温胶)，使参比电极与空气完全隔绝。然后按质量比1：0.9称tio2、松油醇并利用摆振球磨机使其均匀混合得到tio2浆体，按质量比1：5称取nano2、松油醇并利用摆振球磨机使其均匀混合得到nano2电极材料；在工作电极丝网印刷一层tio2浆料，烘干后置于马弗炉中500℃煅烧2h，形成tio2催化氧化层，在对电极处丝网印刷一层nano2电极材料，烘干，形成nano2电极材料层。

2)利用耐高温粘结剂(卡夫特k-5204k导热硅胶)将ptc陶瓷加热板粘结在按照步骤1)所得传感器基片另一面，静置，待耐高温粘结剂达到最高强度，将陶瓷加热片通过导线连接电池(电压为12v)，传感器基片被加热至150℃情况下，对浓度范围为100-1000ppbno2和no的响应灵敏度可达1.028na/ppb和0.568na/ppb，检测下限为80ppb。即得到便携式nox气体传感器。

实施例3：

如图3所示，一种自恒温电化学片式气体传感器，包括：电化学片式气体传感器以及用于为电化学片式气体传感器提供并保持在所需工作温度的陶瓷加热片1。所述的电化学片式气体传感器包括固体电解质气体传感器基片3，固体电解质气体传感器基片3上设有工作电极5和参比电极6，工作电极5和参比电极6各连接一根铂丝7。工作电极5上设有wo3敏感电极浆料层9。所述的电化学片式气体传感器的固体电解质气体传感器基片3通过耐高温粘结剂2粘结陶瓷加热片1。所述的耐高温粘结剂为导热系数大于1.5[w/(m·k)]的耐高温导热胶。所述的陶瓷加热片的尺寸与固体电解质型气体传感器基片相同。

上述的自恒温电化学片式气体传感器的制备方法，具体步骤为：

1)利用共沉淀法制备gdc中间固体产物，高温煅烧后制得gdc粉体材料。取50g粉体材料加入15ml体积比为99.7％的无水乙醇和三乙醇胺混合液球磨24h，利用流延法制得gdc生胚材料，在1450℃高温处理10h使之陶瓷化后得到gdc基片。取gdc固体电解质基片，在基片一侧面通过丝网印刷铂浆形成两个互不导通的铂电极，80℃烘干0.5h，利用铂浆将铂丝固定在铂电极上，再次80℃烘干0.5h后，将器件置于马弗炉中1400℃煅烧2h，得到印有pt电极的片式试样。利用模板法制取介孔wo3，取5gwo3粉体与1ml松油醇混合并球磨12h，得到wo3敏感电极浆料；利用丝网印刷工艺将wo3敏感电极浆料印刷在其中一个电极上，使pt电极完全被覆盖，烘干后即为工作电极，另一个电极为参比电极。

2)利用耐高温粘结剂(汇瑞胶水hr-8777)将mch陶瓷加热板粘结在按照步骤1)所得传感器基片另一侧面，静置，待耐高温粘结剂达到最高强度，将mch陶瓷加热板通过导线连接电池(电压为12v)，在以体积分数为5％的o2和95％的n2作为背景气体，nh3浓度范围在30ppm到250ppm的条件下检测，控制气体流速为50ml/min，在400℃的条件下，电化学信号即达到113.76mv/decade。