一種低功耗高靈敏度的固體電解質(zhì)傳感器的制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬于電解質(zhì)傳感器領(lǐng)域，涉及一種低功耗高靈敏度的固體電解質(zhì)傳感器，具體涉及一種低功耗高靈敏度的固體電解質(zhì)傳感器的制備方法。所述電解質(zhì)傳感器包括基板和涂覆有敏感電極和參考電極的固體電解質(zhì)中空纖維，其中基板的一面設(shè)有鉑帶、加熱絲或加熱設(shè)備，基板的另一面涂有第一鉑漿帶和第二鉑漿帶，固體電解質(zhì)中空纖維上設(shè)有敏感電極端和參考電極端，固體電解質(zhì)中空纖維的敏感電極端與第一鉑漿帶相接，固體電解質(zhì)中空纖維的參考電極端與第二鉑漿帶相接；本發(fā)明專利技術(shù)提高了傳感器的靈敏度，并且這種結(jié)構(gòu)的傳感器可以集成兩種或以上敏感電極，實(shí)現(xiàn)一個(gè)器件同時(shí)檢測幾種氣體的功能，更加方便地測量混合氣體中的多種成份。

Method for preparing solid electrolyte sensor with low power consumption and high sensitivity

The invention belongs to the field of electrolyte sensors, and relates to a solid electrolyte sensor with low power consumption and high sensitivity, in particular to a preparation method of a solid electrolyte sensor with low power consumption and high sensitivity. The hollow fiber solid electrolyte electrolyte sensor includes a substrate and coated with a sensitive electrode and a reference electrode, wherein the substrate surface is provided with a platinum band, heating wire or heating equipment, the other side of the first substrate coated with platinum and platinum with second pulp slurry with solid electrolyte, a hollow fiber is arranged on the sensing electrode and the reference electrode end end connected with sensitive electrode, with the first platinum slurry solid electrolyte hollow fiber solid electrolyte hollow fiber reference electrode end and second platinum plasma zone; the invention improves the sensitivity of the sensor, and the sensor of this kind of structure can be integrated two or more sensitive electrode, realize the simultaneous detection of several gases a device function. More convenient to measure a variety of components in mixed gas.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種低功耗高靈敏度的固體電解質(zhì)傳感器的制備方法
本專利技術(shù)屬于電解質(zhì)傳感器領(lǐng)域，涉及一種低功耗高靈敏度的固體電解質(zhì)傳感器，具體涉及一種低功耗高靈敏度的固體電解質(zhì)傳感器的制備方法。
技術(shù)介紹
全固態(tài)氣體傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、體小質(zhì)輕、能夠進(jìn)行原位測量和易構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，因此備受學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。在全固態(tài)氣體傳感器中，金屬氧化物半導(dǎo)體型和固體電解質(zhì)型具有廣闊的應(yīng)用前景。金屬氧化物半導(dǎo)體型具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、長期穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，但是選擇性、一致性和線性需要改善。固體電解質(zhì)型傳感器除了具有金屬氧化物半導(dǎo)體型傳感器的優(yōu)點(diǎn)外，還具有良好的選擇性、一致性、線性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，所以該類傳感器是目前備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)，也是目前已經(jīng)實(shí)用化的一種傳感器。其中釔穩(wěn)定氧化鋯類氧傳感器被廣泛應(yīng)用于汽車尾氣檢測中。早期對(duì)于材料的制備受到廣大研究者關(guān)注，大量的金屬氧化物材料被研究如：LaCoO3,ZnFe2O4,NiCr2O4,ZnCr2O4,WO3,NiO,SnO2,La0.8Sr0.2FeO3等；除了選擇合適的敏感電極材料外，提高傳感器靈敏度可以通過提高YSZ（釔穩(wěn)定氧化鋯）基材的導(dǎo)電率，三相界面處電極與電解質(zhì)的粘結(jié)度，電極層的多孔性等幾個(gè)方面。如吉林大學(xué)的盧革宇小組即通過氫氟酸腐蝕的方法增加YSZ基板的粗糙度來提高三相界面的面積，從而有效地提高傳感器的靈敏度。傳統(tǒng)的固體電解質(zhì)類型的傳感器一般都是單一平板型或圓柱狀。這類傳感器需要在高溫下(700-800oC)工作,在500oC以下的工作溫度靈敏度偏低，高溫不僅需要高的功耗，同時(shí)又降低了傳感器的易用性。因此，提高響應(yīng)的靈敏度和降低傳感器的功耗更有助于這類傳感器的應(yīng)用。隨著微納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，越來越多的基于微納米材料的傳感器被開發(fā)出來，工作溫度處于500oC及以下的中低溫區(qū)。這類材料超高的比表面積，有利于提高三相界面反應(yīng)位點(diǎn)，如CeO2，LSM微納米纖維已經(jīng)被制備出來，表現(xiàn)出較好的低溫導(dǎo)電性能。但是目前常用的傳感器件主要是平板型和管式，需要較高的工作溫度，同時(shí)也不利于進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)為解決常用的傳感器件主要是平板型和管式，需要較高的工作溫度，不利于進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)的技術(shù)難題，公開了一種低功耗高靈敏度的固體電解質(zhì)傳感器的制備方法。為解決上述技術(shù)難題，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案：本方法創(chuàng)新地改進(jìn)了YSZ基固體電解質(zhì)型傳感器的結(jié)構(gòu)，采用相轉(zhuǎn)換法制備YSZ中空微納米厚度的纖維管替代傳統(tǒng)的平板或管式Y(jié)SZ基材，用多根中空YSZ微納米管并列排布的形式將單一的敏感單元集成，增大敏感電極的面積。一種低功耗高靈敏度的固體電解質(zhì)傳感器，所述電解質(zhì)傳感器包括基板和涂覆有敏感電極和參考電極的固體電解質(zhì)中空纖維，其中基板的一面設(shè)有鉑帶、加熱絲或加熱設(shè)備，基板的另一面涂有第一鉑漿帶和第二鉑漿帶，固體電解質(zhì)中空纖維上設(shè)有敏感電極端和參考電極端，固體電解質(zhì)中空纖維的敏感電極端與第一鉑漿帶相接，固體電解質(zhì)中空纖維的參考電極端與第二鉑漿帶相接；所述固體電解質(zhì)中空纖維的壁厚為200nm-1mm。低功耗高靈敏度的固體電解質(zhì)傳感器的制備方法，步驟如下：（1）通過在基板上涂覆一條蛇形的鉑漿帶，于1300℃燒結(jié)，形成一條蛇形鉑電極，在電極兩端分別黏上一根鉑絲；（2）在步驟（1）中得到的基板的另一面，涂覆第一鉑漿帶和第二鉑漿帶，完成鉑漿帶基板的制備；（3）將固體電解質(zhì)中空纖維膜風(fēng)干，1300℃燒結(jié)，完成固體電解質(zhì)中空纖維的制備；（4）將敏感電極材料涂覆在步驟（3）制備的固體電解質(zhì)中空纖維的敏感電極端，在敏感電極外涂覆上一圈鉑漿帶，在固體電解質(zhì)中空纖維的參考電極端也涂覆一圈鉑漿帶，完成涂覆有敏感電極和參考電極的固體電解質(zhì)中空纖維的制備；（5）將步驟（4）中制備的涂覆有敏感電極和參考電極的固體電解質(zhì)中空纖維，與鉑漿帶基板上涂覆有第一鉑漿帶和第二鉑漿帶的一面相固定，使敏感電極上的鉑漿帶與第一鉑漿帶相連接，參考電極上的鉑漿帶與第二鉑漿帶相連接，經(jīng)過1300℃燒結(jié)、固定，完成固體電解質(zhì)傳感器的制備。所述基板的材質(zhì)為Al2O3、SiO2、非導(dǎo)電的絕緣材料或涂覆有絕緣層的導(dǎo)電材料；所述基板為單層或多層結(jié)構(gòu)。所述步驟（2）中，第一鉑漿帶為連續(xù)或間斷的。所述步驟（3）中，固體電解質(zhì)中空纖維膜的制備如下：a.取一定量的N-甲基吡咯烷酮、聚乙烯吡咯烷酮和聚醚砜，混合攪拌均勻至完全溶解形成聚合物溶液，之后向其中加入YSZ電解質(zhì)粉體，攪拌均勻得到鑄膜液，其中YSZ電解質(zhì)粉體：N-甲基吡咯烷酮：聚乙烯吡咯烷酮：聚醚砜的質(zhì)量比為：4.5:3.5:0.3:0.7；YSZ中釔的摻雜量為1-12wt%；b.向中空纖維紡絲設(shè)備的噴絲頭的內(nèi)環(huán)中注入去離子水作為內(nèi)軸，，然后將鑄膜液注入紡絲裝置的儲(chǔ)料罐中，連接噴絲頭的外環(huán)，真空除氣泡后，進(jìn)行紡絲，向接收紡絲的水箱中注入N-甲基吡咯烷酮，這樣從噴絲頭噴出的絲落入有N-甲基吡咯烷酮的水箱中，內(nèi)軸的水脫去，外軸的鑄膜液中溶劑脫去固化，形成中空纖維膜。所述步驟（4）中，敏感電極材料為金屬氧化物、復(fù)合金屬氧化物、Pt中的一種或多種，參考電極材料為貴金屬單質(zhì)或金屬氧化物中的一種或多種；固體電解質(zhì)中空纖維上涂覆敏感電極和參考電極后，再涂覆一層催化層；所述催化層為Pd，Ru，通過溶液浸漬法涂覆在敏感電極和參考電極上，以提高傳感器的選擇性。本專利技術(shù)的有益效果在于：本專利技術(shù)的薄壁中空纖維管相對(duì)于傳統(tǒng)的平板式和管式，可以提高YSZ的低溫離子導(dǎo)電率，故可降低傳感器工作溫度，提高了傳感器的靈敏度，并且這種結(jié)構(gòu)的傳感器可以集成兩種或以上敏感電極，實(shí)現(xiàn)一個(gè)器件同時(shí)檢測幾種氣體的功能，更加方便地測量混合氣體中的多種成份。附圖說明圖1為固體電解質(zhì)型傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中①、②為外接電流的接線，③為參考電極，④為敏感電極。圖2為集成兩種敏感電極的傳感器示意圖，其中①、②為外接電流的接線，③為參考電極，④、⑤為敏感電極。圖3為固體電解質(zhì)型傳感器的制備工藝。具體實(shí)施方式一種低功耗高靈敏度的固體電解質(zhì)傳感器，所述電解質(zhì)傳感器包括基板和涂覆有敏感電極和參考電極的固體電解質(zhì)中空纖維，其中基板的一面設(shè)有鉑帶、加熱絲或加熱設(shè)備，基板的另一面涂有第一鉑漿帶和第二鉑漿帶，固體電解質(zhì)中空纖維上設(shè)有敏感電極端和參考電極端，固體電解質(zhì)中空纖維的敏感電極端與第一鉑漿帶相接，固體電解質(zhì)中空纖維的參考電極端與第二鉑漿帶相接；所述固體電解質(zhì)中空纖維的壁厚為200nm-1mm。低功耗高靈敏度的固體電解質(zhì)傳感器的制備方法，步驟如下：（1）通過在基板上涂覆一條蛇形的鉑漿帶，于1300℃燒結(jié)，形成一條蛇形鉑電極，在電極兩端分別黏上一根鉑絲；（2）在步驟（1）中得到的基板的另一面，涂覆第一鉑漿帶和第二鉑漿帶，完成鉑漿帶基板的制備；（3）將固體電解質(zhì)中空纖維膜風(fēng)干，1300℃燒結(jié)，完成固體電解質(zhì)中空纖維的制備；（4）將敏感電極材料涂覆在步驟（3）制備的固體電解質(zhì)中空纖維的敏感電極端，在敏感電極外涂覆上一圈鉑漿帶，在固體電解質(zhì)中空纖維的參考電極端也涂覆一圈鉑漿帶，完成涂覆有敏感電極和參考電極的固體電解質(zhì)中空纖維的制備；（5）將步驟（4）中制備的涂覆有敏感電極和參考電極的固體電解質(zhì)中空纖維，與鉑漿帶基板上涂覆有第一鉑漿帶和第二鉑漿帶的一面相固定，使敏本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種低功耗高靈敏度的固體電解質(zhì)傳感器，其特征在于：所述電解質(zhì)傳感器包括基板和涂覆有敏感電極和參考電極的固體電解質(zhì)中空纖維，其中基板的一面設(shè)有鉑帶、加熱絲或加熱設(shè)備，基板的另一面涂有第一鉑漿帶和第二鉑漿帶，固體電解質(zhì)中空纖維上設(shè)有敏感電極端和參考電極端，固體電解質(zhì)中空纖維的敏感電極端與第一鉑漿帶相接，固體電解質(zhì)中空纖維的參考電極端與第二鉑漿帶相接；所述固體電解質(zhì)中空纖維的壁厚為200nm?1mm。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種低功耗高靈敏度的固體電解質(zhì)傳感器，其特征在于：所述電解質(zhì)傳感器包括基板和涂覆有敏感電極和參考電極的固體電解質(zhì)中空纖維，其中基板的一面設(shè)有鉑帶、加熱絲或加熱設(shè)備，基板的另一面涂有第一鉑漿帶和第二鉑漿帶，固體電解質(zhì)中空纖維上設(shè)有敏感電極端和參考電極端，固體電解質(zhì)中空纖維的敏感電極端與第一鉑漿帶相接，固體電解質(zhì)中空纖維的參考電極端與第二鉑漿帶相接；所述固體電解質(zhì)中空纖維的壁厚為200nm-1mm。2.如權(quán)利要求1所述的低功耗高靈敏度的固體電解質(zhì)傳感器的制備方法，其特征在于，步驟如下：（1）通過在基板上涂覆一條蛇形的鉑漿帶，于1300℃燒結(jié)，形成一條蛇形鉑電極，在電極兩端分別黏上一根鉑絲；（2）在步驟（1）中得到的基板的另一面，涂覆第一鉑漿帶和第二鉑漿帶，完成鉑漿帶基板的制備；（3）將固體電解質(zhì)中空纖維膜風(fēng)干，1300℃燒結(jié)，完成固體電解質(zhì)中空纖維的制備；（4）將敏感電極材料涂覆在步驟（3）制備的固體電解質(zhì)中空纖維的敏感電極端，在敏感電極外涂覆上一圈鉑漿帶，在固體電解質(zhì)中空纖維的參考電極端也涂覆一圈鉑漿帶，完成涂覆有敏感電極和參考電極的固體電解質(zhì)中空纖維的制備；（5）將步驟（4）中制備的涂覆有敏感電極和參考電極的固體電解質(zhì)中空纖維，與鉑漿帶基板上涂覆有第一鉑漿帶和第二鉑漿帶的一面相固定，使敏感電極上的鉑漿帶與第一鉑漿帶相連接，參考電極上的鉑漿帶與第二鉑漿帶相連接，經(jīng)過1300℃燒結(jié)、固定，完成固體電解質(zhì)傳感器的制備。3.如權(quán)利要求2所述的低功耗高靈敏度的固體電解質(zhì)傳感器的制...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：刁泉，焦明立，曹健，張旺璽，楊凱，任東雪，張彩云，李曉闖，穆學(xué)良，
申請(專利權(quán))人：中原工學(xué)院，
類型：發(fā)明
國別省市：河南,41