后，在1000°C的条件下高温烧结1小时去除PS微球模板，在YSZ表面 形成了所需要的纳米碗状阵列结构。
[0076]其余制作过程与对比例相同。
[0077] 实施例2
[0078] 浸渍盐溶液中锆离子浓度为0.02mol/L、钇离子的浓度为0.0035mol/L所对应的在 YSZ基板表面上构筑有纳米碗状阵列结构，并以此为固体电解质层的，进而构筑高效三相界 面的YSZ基传感器的制作过程。
[0079]其制作过程为将实施例1中的溶液浸渍浓度改为锆离子浓度为0.02mol/L、钇离子 的浓度为〇.〇〇35mol/L，其余过程与实施例1相同。
[0080] 实施例3
[00811 浸渍盐溶液中锆离子浓度为0.05mol/L、钇离子的浓度为0.00875mol/L所对应的 在YSZ基板表面上构筑有纳米碗状阵列结构，并以此为固体电解质层的，进而构筑高效三相 界面的YSZ基传感器的制作过程。
[0082]其制作过程为将实施例1中的溶液浸渍浓度改为锆离子浓度为0.05mol/L、钇离子 的浓度为〇.〇〇875mol/L，其余过程与实施例1相同。
[0083] 实施例4
[0084] 浸渍盐溶液中锆离子浓度为O.lmol/L、钇离子的浓度为0.0175mol/L所对应的在 YSZ基板表面上构筑有纳米碗状阵列结构，并以此为固体电解质层的，进而构筑高效三相界 面的YSZ基传感器的制作过程。
[0085] 其制作过程为将实施例1中的溶液浸渍浓度改为锆离子浓度为0. lmol/L、钇离子 的浓度为〇.〇175mol/L，其余过程与实施例1相同。
[0086] 实施例5
[0087] 浸渍盐溶液中锆离子浓度为0.2mol/L、钇离子的浓度为0.035mol/L所对应的在 YSZ基板表面上构筑有纳米碗状阵列结构，并以此为固体电解质层的，进而构筑高效三相界 面的YSZ基传感器的制作过程。
[0088]其制作过程为将实施例1中的溶液浸渍浓度改为锆离子浓度为0.2mol/L、钇离子 的浓度为〇.〇35mol/L，其余过程与实施例1相同。
[0089] 实施例6
[0090] 浸渍盐溶液中锆离子浓度为0.4mol/L、钇离子的浓度为0.07mol/L所对应的在YSZ 基板上构筑有纳米碗状阵列结构，以其为固体电解质层，进而构筑高效三相界面的YSZ基传 感器的制作过程。
[0091] 其制作过程为将实施例1中的溶液浸渍浓度改为锆离子浓度为0.4mol/L、钇离子 的浓度为〇.〇7mol/L，其余过程与实施例1相同。
[0092] 表1:实施例和对比例制作的YSZ基板表面粗糙度的对比
[0094] 从表1中可以看出，实施例中制作的YSZ基板的表面粗糙度相对于对比例明显增 加，当锆离子浓度从〇.Olmol/L增加到0.2mol/L过程中，YSZ基板表面的粗糙度也随之增加， 而当盐溶液的浓度进一步增大时，粗糙度产生下降，这与图3所显示的表面形貌基本相一 致。
[0095] 表2:经过不同盐溶液浓度浸渍后得到的不同纳米碗状阵列结构的尺寸对比
[0097]从表2可以看出经过不同盐溶液浸渍后形成的不同纳米碗状阵列结构的尺寸大小 并不相同，可以观察得到在锆离子浓度为〇.2mol/L时所对应的纳米碗状阵列结构的宽度和 深度均达到了最大值，可以认为在该浓度条件下构筑得到的纳米碗状阵列结构为最佳结 构。
[0098] 表3:实施例和对比例制作的YSZ基混成电位型N〇2气体传感器对不同浓度N〇2响应 值
[01 01 ]从表3可以看出，实施例制作的传感器相对对比例对N02的灵敏度都有所增加，而 且随着YSZ表面粗糙度的增加传感器灵敏度也随之增加，实施例5制作的传感器对于lOOppm N〇2的响应值为102.2毫伏，而对比例制作的传感器响应值仅有53.7毫伏，前者几乎为后者 的两倍，可以认为构筑的纳米碗状阵列结构与敏感电极材料相结合后所形成的高效的三相 界面提供了大量的反应活性位点，使响应值产生了较大的提升。
[0102] 表4:实施例5和对比例制作的传感器在不同相对湿度条件下对50ppm N〇2响应值
[0104]从表4可以看出普通的YSZ基传感器对于50ppm的N〇2的响应值会随着相对湿度的 增加而降低，而构筑有纳米碗状阵列结构的YSZ基传感器对于50ppmN〇2的响应值会随着相 对湿度的增大而增大，且最后维持在一个相对稳定的值保持不变，这是由于YSZ基板表面的 纳米碗状阵列结构的形貌所决定的。
【主权项】
1. 一种具有纳米碗状阵列结构三相界面的YSZ基混成电位型N02气体传感器，依次由带 有Pt加热电极的Al 2〇3陶瓷板、YSZ基板、Pt参考电极和敏感电极组成；参考电极和敏感电极 彼此分立且对称地制备在YSZ基板上表面的两端，YSZ基板下表面与带有Pt加热电极的Al 2〇3 陶瓷板粘结在一起;其特征在于:YSZ基板的上表面为钇稳定氧化锆组成的纳米碗状阵列结 构，该纳米碗状阵列结构由如下步骤制备得到， (1)将聚苯乙烯PS微球悬浊液注射到玻璃片表面并使PS微球沿玻璃片慢慢的进入含有 表面活性剂的去离子水中，PS微球由于表面张力的作用在去离子水表面形成排列较为整齐 的单层PS微球； ⑵使用清洁的硅片将步骤⑴得到的单层PS球转移到盐的水溶液中浸渍2~4小时，排 列较为整齐的单层PS球漂浮在溶液表面，在PS球模板的间隙当中浸渍有盐的水溶液;然后 使用YSZ基板将浸渍后的单层PS球模板捞出，在常温条件下干燥20~30小时;盐的水溶液为 硝酸氧错和硝酸纪的混合水溶液，硝酸氧错的浓度为0. 〇lmol/L~0.4mol/L，硝酸氧错与硝 酸钇的摩尔比为22~24:4; (3)将步骤(2)得到的YSZ基板在800 °C~1100 °C的条件下烧结1~2小时去除PS球模板， 从而在YSZ基板表面得到由钇稳定氧化锆组成的纳米碗状阵列结构。2. 如权利要求1所述的一种具有纳米碗状阵列结构三相界面的YSZ基混成电位型N〇2气 体传感器，其特征在于:PS微球的直径为900~1100nm。3. 如权利要求1所述的一种具有纳米碗状阵列结构三相界面的YSZ基混成电位型N〇2气 体传感器，其特征在于:PS微球悬浊液是将PS微球、乙醇和去离子水按0.08~0.12g:0.5~ 1.5mL: 0.5~1.5mL的比例混合后得到。4. 如权利要求1所述的一种具有纳米碗状阵列结构三相界面的YSZ基混成电位型N〇2气 体传感器，其特征在于:表面活性剂为十二烷基硫酸钠，表面活性剂与去离子水的用量比例 为30~40yL:80~120mL。5. 如权利要求1所述的一种具有纳米碗状阵列结构三相界面的YSZ基混成电位型N〇2气 体传感器，其特征在于:纳米碗的深度为275~350nm，直径为750~920nm〇6. 权利要求1所述的一种具有纳米碗状阵列结构三相界面的YSZ基混成电位型N〇2气体 传感器的制备方法，其步骤如下： (1) 制作Pt参考电极:在构筑有由纪稳定氧化错组成的纳米碗状阵列结构的YSZ基板上 表面的一端使用Pt浆制作15~20μπι厚的Pt参考电极，同时将一根Pt丝对折后粘在参考电极 中间位置上作为电极引线，然后将YSZ基板在90~120°C条件下烘烤1~2小时，再将YSZ基板 在1000~1200 °C下烧结1~2小时，排除铂浆中的松油醇，最后降至室温； (2) NiO敏感电极的制作：将NiO敏感电极材料用去离子水调成浆料，质量浓度为5~ 20%;将该浆料涂在构筑有纳米碗状阵列结构的YSZ基板上表面的另一端制备20~30μπι厚 的敏感电极，同样将一根铂丝对折后粘在敏感电极上作为电极引线； (3) 将上述制备有参考电极和敏感电极的YSZ基板于800~1100°C下烧结2~3小时，高 温烧结时的升温速率为2°C/min~4°C/min; (4) 使用无机粘合剂将YSZ基板下表面和带有Pt加热电极的Al2〇3陶瓷板粘结在一起； (5) 将粘合好的器件进行焊接、封装，从而得到具有纳米碗状阵列结构三相界面的YSZ 基混成电位型N〇2气体传感器。
【专利摘要】本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及使用PS微球为模板经过含有锆、钇离子溶液浸渍、烧结后，在YSZ基板表面制备出纳米碗状阵列结构，并以其为基板制作成混成电位型NO2气体传感器，该传感器主要用于汽车尾气的检测。依次由带有Pt加热电极的Al2O3陶瓷板、YSZ基板、Pt参考电极和敏感电极组成；YSZ基板的上表面为钇稳定氧化锆组成的纳米碗状阵列结构。本发明利用PS微球模板法制备构筑有纳米碗状阵列结构的YSZ基板为电解质，其表面的纳米碗状阵列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,另外，由于纳米碗状阵列结构具有疏水特性，传感器的耐湿性有很大改善。如附图1所示。
【IPC分类】G01N27/407, B82Y40/00
【公开号】CN105699461
【申请号】CN201610036571
【发明人】卢革宇, 王斌, 梁喜双, 刘方猛, 刘凤敏, 孙鹏, 马健
【申请人】吉林大学
【公开日】2016年6月22日
【申请日】2016年1月20日