固体电解质CO2传感器的研究与进展.doc

固体电解质CO2传感器的研究与进展 固体电解质传感器的研究与进展全宝富，何月华，王彪，?喜双，钟铁钢（吉?大学电子科学与工程学院，长春）摘要采用溶胶一凝胶法制备粉体材?，并利用和对制得的材?进?表征。 以粉体材?为基体，一复合盐为敏感电极制作管式气体传感器，并对其灵敏度、选择性和耐水性进?测?。 在敏感电极中掺入质?分数为的，?仅明显改善器件的耐水性，而且使器件的初始稳定时间从减小到。 关键词；耐水性（），；，（，）（）一，（），；引言过实验发现，如果在敏感电极中加入质?分数为的，?仅明显改善器件的稳定性，而且使近?来，的大?排放造成的温室效应已严重器件的初始稳定时间从减，。 破坏了人们的生存环境。 因此，越来越需要对的含?进?定?监测与控制，促进了气体传感基气体传感器器的研究和发展。 目前，以固体电解质为的工作原?基体材?制备而成的气体传感器，以高灵敏度、固体电解质基传感器可以看选择性好、响应快速等优良性能引起了人们的重作化学电池，其表示为视。 然而，这种气体传感器的稳定性?够?，（），一，（），想，为了解决这一问题，学者们进?了大?的研（敏感电极）（接触电极）究。 本文作者以一复合盐为敏感电总的电极反应及元件的输出电势可以写作极，设计制作了空心管式结构的气体传感器，经（）（）（）（）基金项目国家自然科学基金资助项目（）。 。 微纳电子技术?第期（）另外，为了提高器件的稳定性，将质?分数为的掺人敏感电极中。 式中一，角标和分别代表敏感电极和接触电极。 当两侧的氧分压相等，且，及的活度保持一定时，为常数分压与传感器值的关系可简化为实验中采取了静态配气的方式对器件的灵敏度进?测试。 用纯的气体和模拟空气（和）混合配备?同浓度的样气。 这种配气方法的特点是系统简单、操作方?、检测气体获取方?。 此外，还测?了气体传感器的选择性和耐而（】）（）水性。 对（）做图，其斜率的大小可表示对的实验结果及讨论灵敏度。 纳米粉的分析表征实验用溶胶凝胶法制备的纳米粉材?（?同温度下烧结）的分析如图所示。 材?材?的制备及其性质的分析表征结构为（晶胞常数，实验中采用溶胶一凝胶法制备纳米），另外有少?的相。 当烧结温度为粉，其过程如下首先，利用沉淀回溶法由，时，材?已经显示出单斜结构，其。 。 的特征峰?和制得（）；再由为单峰，但材?的结构尚?明显；烧结材（）和溶液配制硅胶；然后分别?的谱图，其和特征峰已经出现，特征将（），和（）溶液加入峰也比较强，已经表现出单斜结构，但还?完整。 到硅胶中。 上述混合溶液在恒温持续搅拌当烧结温度达到时，所得材?具有较完整的即得到溶胶，此溶胶在烘箱中烘干得到谱图，与下烧结得到的材?的谱图基本一干凝胶。 干凝胶在预烧，充分研磨后压成致。 ，等特征峰明显加强，说明单斜结片状样品，在，烧结，再经构的晶体?趋完整，其粒径变得?大。 另外，随着过研磨而成纳米粉。 材?制备过程中要注意控制溶烧结温度的升高，所得材?谱图中峰的强度和尖锐液的值。 度也随之增加，说明烧结温度越高，材?的结晶越实验中对制备的纳米粉材?进?好。 但烧结材?衍射峰的强度和尖锐度比射线衍射（）分析。 所用仪器为型日本烧结材?略低，说明下得到的?学转靶射线衍射分析仪（靶，石墨单色器，材?质?好。 由公式。 ），扫描速率。 。 红外吸收、光谱（）分析采用美国公司型和半峰宽可粗略算出材?的粒径为红外光谱分析仪，压片，测?波数为，。 。 管式气体传感器的制作及其特性测?管式气体传感器的制作工艺如下将溶胶凝胶法制备的粉末研磨后，滴入去号离子水，研磨成浆糊状，使用旋涂法均匀涂覆在骠陶瓷管上，晾干后送人管式电阻炉中，在接毫烧结，形成厚度为的基体层；在基体层表面两端，分别制作出网，在网上引出电极，分别为接触电极和敏感电极，烧结温度为；在敏感电极一端，使用熔融淬冷的方法制作出辅助电极，电极材?为一（摩图材?的谱图尔比为）；为了给元件提供热?，约的加热线圈穿过管内作为加热器；最后将元件的电此外，还对溶胶凝胶法制备的纳米极和加热线圈分别焊接在六角型管座的六个角上。 粉材?（?同温度下烧结）进?了分析，结果如微纳电子技术?第期舢波数图材?的谱图图管式气体传感器件的灵敏度图所示。 整个红外谱图表现为较简单的红外吸收，由此可说明产物具有较纯的物相结构。 图中中强的吸收带为一的弯曲振动；强吸收带是一的伸缩振动。 中强吸收带为一的弯曲振动。 在没有明显的峰出现，说明用溶胶凝胶法制备材?过程中，晶体结构在凝胶过程中已经初步形成，所以在高温烧结过程中没有明显的晶相转变。 随着烧结温度的增加，处的吸收带逐渐增强，说明产物结构中形成了多种?同键强的四面体。 图管式气体传感器件的选择性管式气体传感器的特性首先，测?了气体传感器的灵敏度，气体浓度在体积分数范围内，工作电流为，测?结果如图所示。 由图可以看出，器件的（）值和之间有较好的线性关系（，呱垂为的体积分数，为标准大气压），直线的斜率即灵敏度为。 其次，考察了管式元件对，的灵敏特性，这些气体都是在实际中经常与气体共存的，器件的工作电流是。 测试结果图敏感电极掺杂前后的管式如图所示。 气体传感器件的耐水性由图可以看出，元件对，的灵敏度分别为，同元件对干湿两种样气中变化?最大为，相的灵敏度（）相比都较小，对对变化率为，器件灵敏度由的检测影响较小，表现出较好的选择特性。 减小为，相对变化率为；而最后，为了提高器件的稳定性，在敏感电极中掺敏感电极中掺杂了质?分数为的的管式人质?分数为的，掺杂前后的气体气体传感器件的变化?最大为，传感器件在干燥样气和相对湿度为的样气中相对变化率为，器件灵敏度由的灵敏度如图所示，器件的工作电流是。 减小为，相对变化率为。 由图可见，敏感电极中未掺杂的传感器件在（下转第页）团微纳电子技术?第期结语膜本传感器在体积分数内，灵敏度为体积分数，一?信号损失率。 利用膜研制了全固态控制电位电解型气体传感器，其性能较全液态的气体传感器有较大提高，其使用寿命和信号稳定性有较大改善，为电化学补助电极膜对电极工作电极参比电极图传感器结构示意图传感器向小型化、长寿命的方向发展进?了有益的探索。 参考文献日本健康住宅促进协会空气、环境与人彭斌，译?京科学出版社，气体存在时会发生催化剂中毒，为避免参比电极中毒，传感器采用了一端封死的圆柱状结构，这样，参比电极既?与气体接触，又可以保持电位恒定。 根据传感器工作原?的要求，工作电极要在保祝运武，李德洪多种气体检定器?京煤炭工业出版社，国家环保总局空气和废气监测分析方法编委会空气和废气监测分析方法?京中国环境科学出版社，（）持恒定于某一电位值的条件下（相对于参比电极电位）方可正常工作。 如何保持工作电极电位恒定是本设计中至关重要的，这可通过运算放大器来实现。 调整电位器，以选定给定电位。 运算放大器处于差动工作方式，当同相输入端和反相输入端的电位相同时，其输出端才为零电势，从而保证电极电位恒定在左右。 作者简介祁张欣巍（一），女，哈尔滨人，高级工程师，主要从事气体传（一），男，哈尔滨人，工程师，主要从事气体传感器感器的研制工作；的研制工作。 （上接第页）可见，敏感电极中掺入适?后，器件的耐水性得到了明显的改善。 而且，在掺入后，器件的初始稳定时间从原来的减小到。 一，（）”，（）结论采用溶胶一凝胶法制备了纳米粉体材?，并对制得的材?利用和进?表征。 ，（），（），（）烧结制得的纳米粉体材?具有单斜结构，平均颗粒尺寸为。 以粉体材?为基体，一（摩尔比为）复合盐为敏感电极制作管式气体传感器，气体