基於Pt反應電極的氣體傳感器及溫度補償方法
2023-10-29 08:45:22 1
專利名稱：基於Pt反應電極的氣體傳感器及溫度補償方法
技術領域：
本發明涉及一種基於Pt反應電極的固體電解質氣體傳感器及溫度補償 方法。
背景技術：
固體電解質因其良好的離子導電特性被廣泛應用於氣體傳感器，自1834 年Faraday首次發現PbF2的電導率隨溫度變化的規律以來，國內外許多研究 小組已開始致力於這方面的研究。在眾多固體電解質中，氟化鑭(LaF3)在 常溫狀態下具有較高的電導率，是一種理想的常溫固體電解質，已被應用於 S02、 02、 F2等常溫氣體傳感器的研究中。由於LaF3在常溫狀態下具有高電 導率的優點，避免了Zr02、 CaF2、硫酸鹽等固體電解質類氣體傳感器需加熱 的缺陷，可以大幅度簡化傳感器結構、延長傳感器使用壽命、提高傳感器的 使用性能。
文獻"LaF3固體電解質的製備及在氣體傳感器上的應用研究"(韓元山， 東北大學，博士論文，2004年6月)提出了一種基於LaF3固體電解質的氣 體傳感器，採用提拉法生長LaF3 (摻雜EuF2、 CaF2)固體電解質晶片，將 Sn、 SnF2按比例混勻、磨細，並經300目篩過濾，用壓力240MPa壓成圓片， 鉑絲電極引線壓入參比電極Sn/SnF2中。將反應電極Pt網、參比電極Sn/SnF2 分別用Ag導電膠連接在LaF3晶片兩側，由於Pt反應電極與固體電解質之間 釆用Ag導電膠連接，電子導體Ag會阻礙離子在Pt/LaF3界面傳導，影響傳 感器靈敏度、響應時間等性能參數。文獻研究了3(TC 90'C範圍內LaF3電導 率隨溫度的變化情況，研究結果表明電導率隨溫度的升高而增大，在 S.S-SAxlO^S.cm-1之間變化。同時研究傳感器在不同溫度下對S02、 CO、 C02 氣體的響應特性，研究結果表明，氣體體積分數相同，溫度對該結構氣體傳感器的輸出電動勢(EMF)有不同程度的影響。因此影響了對氣體體積分數 檢測的精確性。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於改進背景技術的基於LaF3的固體電解 質式氣體傳感器易受溫度影響的不足，提供一種基於Pt反應電極的固體電解 質氣體傳感器及溫度補償方法。其通過對Pt反應電極結構的創新可補償溫度 變化對傳感器性能影響，同時Pt反應電極本身又可作為溫度傳感器。
為達到以上目的，本發明是採取如下技術方案予以實現的
一種基於Pt反應電極的固體電解質氣體傳感器，包括Pt反應電極、固 體電解質晶片，該固體電解質晶片一個端面連接帶第三引線的參比電極，其 特徵在於，所述Pt反應電極採用MEMS工藝製備在固體電解質晶片的另一 個端面上，該Pt反應電極為帶狀結構，其兩端頭分設於固體電解質晶片端面 過直徑方向相對的邊沿，並分別連接第一引線和第二引線；該帶狀電極沿固 體電解質晶片端面的平面呈迂迴布局。
上述方案中，所述的帶狀電極沿固體電解質晶片端面的平面呈迂迴布局 形成類似圓形的圖案或類似矩形的圖案。其帶寬在微米尺度。
一種前述基於Pt反應電極的固體電解質氣體傳感器的溫度補償方法，包 括下述步驟
a、 在第一或第二引線與第三引線之間連接電壓放大電路，初測得到反映 氣體體積分數的電動勢；將該反映氣體體積分數的電動勢的值輸入到一個信 號處理電路；
b、 在第一引線與第二引線之間連接電阻信號轉換電路，將溫度變化造 成的帶狀迂迴Pt反應電極電阻值變化轉換為電信號，並將該電信號輸入到所 述的信號處理電路；
c、 將電阻信號轉換電路輸入的電信號作為補償信號，通過信號處理電路 對初測得到的反映氣體體積分數的電動勢信號進行補償，消除溫度變化對傳感器性能的影響；同時通過信號處理電路對所輸入的補償信號和經過補償的 電動勢信號進行轉換，讀取氣體溫度及氣體體積分數。 與現有技術相比，本發明具有以下優點
1. 採用MEMS (微機電系統)工藝在固體電解質晶片上製備Pt反應電
極，反應電極與固體電解質晶片界面結合性能提高，與現有釆用導電膠連接 反應電極與固體電解質的方法相比，可避免電子導體(導電膠中的金屬)阻
礙離子在Pt/LaF3界面傳導的不足，提高傳感器靈敏度、響應時間等性能參數。
2. 採用MEMS工藝製備Pt反應電極加工工藝穩定、重複性好、易批量 生產、成本低，微型化的Pt反應電極具有微尺度下反應界面增加、電極比表 面積可控的優勢，從而使傳感器性能得以提高。
3. 採用MEMS工藝在固體電解質晶片上製備Pt電極微結構，其Pt微結 構可作為氣體傳感器的反應電極，同時利用Pt電阻隨溫度變化的特性，可單 獨測試氣體溫度，同時還可將測得反映溫度變化的電信號作為補償信號，消 除因溫度變化對傳感器輸出電動勢的影響，提高氣體傳感器的響應特性。
此外，本發明Pt電極作為溫度傳感器時，測溫範圍寬、穩定性好、精度 高、響應塊，可滿足氣體瞬態溫度測量的要求。
圖l是本發明基於LaF3的固體電解質式氣體傳感器的結構示意圖。其中，
1、 Pt反應電極；2、固體電解質晶片；3、參比電極；4、第一引線；5、第 二引線；6、第三引線。
圖2是圖1中Pt反應電極的平面布局結構圖。 圖3是圖1中Pt反應電極的另一種平面布局結構圖。 圖4是消除溫度變化對傳感器性能影響的原理示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明包括一個LaF3固體電解質晶片2、 Sn和SnF2參比 電極3、採用MEMS工藝在LaF3固體電解質晶片2上端面製備的Pt反應電極l、兩個連接於Pt反應電極l上的引線5、 6， 一個連接於參比電極3上的 引線4，組成氣體傳感器及溫度測試系統。
固體電解質晶片2與參比電極3之間採用導電膠粘連。Pt反應電極1具 有的電化學活性可作為固體電解質式氣體傳感器的反應電極，S02、CO、CCb、 F2等氣體在Pt/LaF3界面發生一系列物理、化學反應，生成可在LaF3固體電 解質晶片2中傳導的0—、 F'離子，這些離子在固體電解質晶片2中的傳導， 使Pt反應電極1與Sn和SnF2參比電極3之間產生電勢差，弓|線5與引線6 之間連接電壓放大電路，可初測得到反映氣體體積分數的電動勢，溫度變化 會造成Pt反應電極l電阻值的變化，引線4與引線5之間連接電阻信號轉換 電路，可將溫度變化造成的Pt反應電極l的電阻值變化轉換為電信號，作為 溫度補償信號。
如圖2圖3所示，本發明Pt反應電極的平面布局採用兩種結構，其中 Pt工作電極線條寬度在微米尺度。圖2的結構為Pt反應電極線條沿水平向上 下迂迴，形成類似圓形的圖案；圖3所示Pt反應電極線條沿水平向上下迂迴， 形成類似矩形的圖案，與圖2的Pt反應電極相比，該結構的適用範圍更為廣 泛，但其對氣體的催化活性稍差。
Pt反應電極l對氣體具有吸附、催化作用，氣體在Pt/LaF3界面發生一系
列物理、化學反應，以S02氣體為例，S02氣體在Pt反應電極l表面發生吸
附、S-O斷裂等一系列物理和化學反應過程，S02氣體傳感器的電極反應過 程模型為
Step l.S02(g) — S02(ad)
Step 2. S—O — O (ad)
Step 3. O (ad) +e- — O隱(ad)
Step 4. CT(ad)4CT(TPB)
Step 5. CT (TPB) + V f'—遷移(Shift) 其中g為氣體狀態；ad為吸附狀態；TPB為氣體、固體電解質晶片2、 Pt反應電極1所組成的三相界面。
氣體在Pt反應電極1表面發生的一系列物理、化學反應產生可在LaF3固體電解質2中傳導的離子，這些離子在固體電解質2中傳導使Pt反應電極
1與參比電極2之間產生電勢差，所產生的電勢差與氣體體積分數的對數呈 良好的線性關係，符合Nemst方程，Nemst方程如式(1)。
五二瓦+——/w屍叫 "、
式中￡。為電極的標準電極電勢；R=8.314 J/ (mol .K)，為氣體常數； F-9.6485 x 1(^C.mor1，為法拉第常數；T為熱力學溫度；n為電極反應中 轉移的電子數。
Pt電阻變化與溫度呈良好的線性關係，如圖2與圖3所示的Pt反應電極
1可作為溫度傳感器測試氣體溫度，Pt電阻隨溫度變化符合公式(2)。
《=^0(1 + ^ +說2) (2)
式中A=3.90802 x 1(T3/°C; B= - 5.80195 x l-7/°C; i ,和J 。分別為Pt
在tr和o。c時的電阻值。
如圖4所示，Pt反應電極1作為溫度傳感器所測反映溫度變化的電信號 可作為補償信號，補償溫度變化對傳感器性能的影響。引線5與引線6之間 連接電壓放大電路，可初測得到反映氣體體積分數的電動勢，引線4與引線 5之間連接電阻信號轉換電路，將溫度變化造成的Pt反應電極電阻變化轉換 為電信號，將此電信號作為溫度補償信號，並與初測氣體體積分數的電動勢 值通過信號處理電路7，消除溫度變化對傳感器性能的影響，同時通過信號 處理電路對所輸入的補償信號和經過補償的電動勢信號進行轉換，讀取氣體 溫度及氣體體積分數。
以該結構傳感器對S02氣體的響應特性為例，傳感器在室溫2(TC下進行 標定，即在溫度為2(TC的環境下，不用進行溫度補償，經過信號處理電路7 轉換，可準確讀取氣體體積分數。假設被測環境S02體積分數為1000ppm， 溫度為20。C時，經電壓放大電路，測得反映氣體體積分數的電壓值為0.5V， 經電阻信號轉換電路測得反映氣體溫度的電壓值為IV;而在溫度為6(TC的 情況下，測得反映氣體體積分數的電壓值為0.6V，反映氣體溫度的電壓值為 1.3V，所測得反映氣體體積分數的電壓值比溫度為2(TC時稍高，如僅考慮此電壓值，則測得氣體分數要比實際值高，而將反映溫度變化的電壓值作為補 償信號，經過信號處理電路7中的減法電路處理，可消除溫度變化對傳感器 性能的影響，準確讀取氣體體積分數。
權利要求
1.一種基於Pt反應電極的固體電解質氣體傳感器，包括Pt反應電極、固體電解質晶片，該固體電解質晶片一個端面連接帶第三引線的參比電極，其特徵在於，所述Pt反應電極採用MEMS工藝製備在固體電解質晶片的另一個端面上，該Pt反應電極為帶狀結構，其兩端頭分設於固體電解質晶片端面過直徑方向相對的邊沿，並分別連接第一引線和第二引線；該帶狀電極沿固體電解質晶片端面的平面呈迂迴布局。
2、 如權利要求1所述的基於Pt反應電極的固體電解質氣體傳感器，其 特徵在於，所述的帶狀電極沿固體電解質晶片端面的平面呈迂迴布局形成類 似圓形的圖案或類似矩形的圖案。
3、 如權利要求1或2所述的基於Pt反應電極的固體電解質氣體傳感器， 其特徵在於，所述帶狀電極的帶寬在微米尺度。
4、 一種權利要求1所述基於Pt反應電極的固體電解質氣體傳感器的溫 度補償方法，包括下述步驟-a、 在第一或第二引線與第三引線之間連接電壓放大電路，初測得到反 映氣體體積分數的電動勢；將該反映氣體體積分數的電動勢的值輸入到一個信號處理電路；b、 在第一引線與第二引線之間連接電阻信號轉換電路，將溫度變化造 成的帶狀迂迴Pt反應電極電阻值變化轉換為電信號，並將該電信號輸入到 所述的信號處理電路；c、 將電阻信號轉換電路輸出的電信號作為補償信號，通過信號處理電 路對初測得到的反映氣體體積分數的電動勢信號進行補償，消除溫度變化對 傳感器性能的影響；同時通過信號處理電路對所輸入的補償信號和經過補償 的電動勢信號進行轉換，讀取氣體溫度及氣體體積分數。
全文摘要
本發明公開了一種基於Pt反應電極的固體電解質氣體傳感器及溫度補償方法，所述傳感器包括Pt反應電極、固體電解質晶片，該固體電解質晶片一個端面連接帶第三引線的參比電極，其特徵在於，所述Pt反應電極採用MEMS工藝製備在固體電解質晶片的另一個端面上，該Pt反應電極為帶狀結構，其兩端頭分設於固體電解質晶片端面過直徑方向相對的邊沿，並分別連接第一引線和第二引線；該帶狀電極沿固體電解質晶片端面的平面呈迂迴布局。第一、第二引線之間連接電阻信號轉換電路，將溫度變化造成的Pt反應電極電阻值變化轉換為電信號輸入到信號處理電路，通過信號處理電路對初測得到的反映氣體體積分數的電動勢信號進行補償，消除溫度變化對傳感器性能的影響。
文檔編號G01N27/407GK101526494SQ20091002177
公開日2009年9月9日 申請日期2009年3月31日 優先權日2009年3月31日
發明者孫國良, 尹天朔, 王海容, 蔣莊德, 燦 陳, 高鮮妮 申請人:西安交通大學