專利名稱：一種氮氧傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于傳感器技術，具體涉及一種氮氧化物氣體的測量傳感器，適用于汽車尾氣、冶金行業(yè)氮氧化物氣體的測量。
背景技術：
氮氧化物(NOx)是指NO和NO2的混合物，是產生酸雨等酸性沉降物主要原因之一的有害氣體，其對人類健康和環(huán)境造成破壞。隨著汽車的不斷增加，其尾氣的排放增加了大氣中的NOx氣體含量，為控制大氣中的氮氧化物含量，需要檢測氮氧化物的含量，監(jiān)控汽車等排放的氮氧化物。氮氧傳感器目前主要有半導體型、濃差電勢型以及復合電勢型。半導體型傳感器對氣體的選擇性相對較差、穩(wěn)定性也相對較差；濃差電勢型對密封要求較高；復合電勢型傳感器結構復雜，易于失效，而且目前這些傳感器均不能分別測量NO和NO2氣體，因而限制了其應用范圍。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種氮氧傳感器，該傳感器可以同時測量尾氣中NO和NO2的含量， 同時可以得到NOx的含量。本發(fā)明提供的一種氮氧傳感器，其特征在于，它包括氧化鋯基體，二個敏感電極及一個參考電極；氧化鋯基體的材料為氧化釔穩(wěn)定氧化鋯，二個敏感電極均位于氧化鋯基體上，用于與被測氣體接觸，其中一個敏感電極對NO氣體較敏感，另一個敏感電極對NO2氣體較敏感，參考電極位于氧化鋯基體的另一面，用于與空氣接觸，二個敏感電極分別與參考電極電連接。作為上述技術方案的改進，對NO氣體較敏感的敏感電極由NiO制成，或者由NiO 和YSZ的復合材料制成，復合材料中YSZ的體積百分比為5 30Vol% ;對NO2氣體較敏感的敏感電極由CuO層和覆蓋層構成，覆蓋層由含Mn元素O IOVol %的尖晶石材料制成。作為上述技術方案的進一步改進，氧化鋯基體為三氧化二釔含量為5 8m0le% 的氧化鋯陶瓷材料制成。作為上述技術方案的再進一步改進，該傳感器還包括加熱器，加熱器由加熱層和設置在加熱層內的加熱電阻構成，加熱電阻與加熱層之間絕緣，加熱器與氧化鋯基體之間設置有供參考電極與空氣接觸的空氣通道。作為上述技術方案的更進一步改進，加熱電阻由金屬Pt制成；加熱層與氧化鋯基體的材料相同，均由三氧化二釔含量為5 8摩爾％的氧化鋯陶瓷材料制成?；w可采用陶瓷流延或軋膜以及注射成型等方法制造，NO敏感電極及NO2敏感電極可采用絲網印刷方法制備。本發(fā)明提供的氮氧傳感器可以同時測量尾氣中NO和NO2的含量，同時可以得到 NOx的含量。本發(fā)明提供的氮氧傳感器，其工作范圍為350 800°C，可檢測氮氧化物的濃度范圍是5 3000ppm，響應時間可達到I. 2秒。本發(fā)明結構簡單，響應速度快，并具有性能穩(wěn)定，制作工藝簡單的測量范圍寬的特點。


圖I為是本發(fā)明提供的氮氧傳感器的結構示意圖。圖2為本發(fā)明提供的一種具體實例的結構示意圖。圖3為采用圖2所示裝置，電極2中YSZ含量不同(5 30vol % YSZ)，電極3為 CuO上覆蓋有5vol% Mn的尖晶石，以及電極4為Pt所組成的傳感器，不同NO2氣體濃度條件下的電勢值El和E2。圖4為采用圖2所示裝置，Ni0(+15wt% YSZ)電極在不同NO2氣體濃度條件下得到的NO含量與電勢的關系圖。圖5為采用圖2所示裝置，CuO電極在不同NO2氣體濃度條件下得到的NO含量與電勢的關系圖。圖6為由圖4和圖5的結果得到的Ni0(+15wt% YSZ)電極與CuO電極電勢與NO 和NO2含量之間的關系圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖2所示，傳感器由氧化鋯基體I，二個敏感電極2、3及一個參考電極4組成。 氧化鋯基體I作為固體電解質，其材料為氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)，敏感電極2和3均位于氧化鋯基體I上，用于與被測氣體接觸。參考電極4位于氧化鋯基體I的另一面，參考電極 4用于與空氣接觸，二個敏感電極2、3分別與參考電極4電連接。為了縮短傳感器的起始工作時間，該傳感器還可以設置加熱器8，加熱器8由加熱層8和設置在加熱層8內的加熱電阻5構成，加熱電阻5與加熱層8之間絕緣。加熱器8 的功能主要是將傳感器加熱到一定溫度，如500 650°C，加熱電阻5可以是由金屬Pt等金屬電阻材料制成。加熱器8與基體I之間設置有空氣通道參考電極4與空氣接觸。加熱器8與基體I之間的連接塊由不導電材料制成即可，為了簡化制備工藝，可以采用與加熱器8或基體I相同的材料。為了簡化制備工藝，加熱層8可以采用與基體I相同的材料或者其它不導電材料制成。其中敏感電極2對NO氣體較敏感，敏感電極3對NO2氣體較敏感，敏感電極2可由NiO或Ni0+5 30Vol% YSZ的復合材料制得。敏感電極3由兩層材料制得，一層由CuO 材料制作，另一層為含O IOVol % (優(yōu)選5Vol% )Mn元素的尖晶石材料，該層覆蓋在CuO 電極之上。氧化鋯基體I的材料為三氧化二釔含量為5 Smole%的氧化鋯陶瓷材料制成， 參考電極4由貴金屬Pt制作。下面舉例說明上述傳感器的制作工藝以含5mole%氧化乾氧化錯材料采用流延成型方法制得流延片，經過1450°C 120分鐘燒結后，采用絲網印刷方法將Ni0+15Vol % YSZ漿料及CuO電極漿料分別印刷在基片上，并將含5Vol % Mn的鎂鋁尖晶石漿料印刷在CuO電極表層將其覆蓋，然后在1200°C燒結 20分鐘，采用Pt絲將四個電極如圖I所示連接起來。由電極2與電極4組成一個對NO較為敏感的電池，而由電極3與電極4組成另一個對NO2較為敏感的電池。在某一溫度(350 800°C )兩電池將分別得到尾氣中的NOx氣體(NO和NO2的混合氣體)的電動勢E1和E2 電極2 -.E1 = αλ \ηΡΝΟι - \ΡΝΟ + C1( I )電極3 'E2 = a2 InΡΝΟι - b2PNO +C2( 2 )式中=E1——電極2與電極4之間所產生的電動勢E2——電極3與電極4之間所產生的電動勢Pn0i——NO2 含量Pno——NO 含量a1; b1; C1, a2，b2，C2 分別為常數因此兩個傳感器分別測量得到兩個方程式，然后我們通過求解該方程組，可以得到此時刻尾氣中的Pnq (即NO含量)以及Pnq2 (即NO2含量)以及總的NOx含量(兩者之和)該傳感器除了可以測量尾氣中的NOx含量，還可同時測量NOx中NO和NO2的含量。作為本發(fā)明的另一方面，還提供了一種對氮氧傳感器的敏感電極材料。其中一種為NiO粉末中添加5 25Vol %的YSZ陶瓷粉末，另一種為在CuO粉末制作的電極表面覆蓋一層具有孔隙結構的含Mn的尖晶石材料，通過絲網印刷方法印刷在氧化鋯電解質基體上。實例1-3 實例1-3采用圖2所示結構，其基體I的材料均由含5moIeY2O3的氧化鋯材料制作， 電極3均由CuO層7和覆蓋層6構成(其電勢值El為曲線D)，覆蓋層6由含5vol % Mn的尖晶石材料制作，電極4由Pt制作，加熱電阻由Pt制作。實例I的電極2由Ni0+15VOl% YSZ制作(其電勢值E2為曲線A)，實例2的電極2由Ni0+5vol% YSZ制作(其電勢值E2 為曲線B)，實例3的電極2由Ni0+30vol% YSZ制作(其電勢值E2為曲線C)。圖3為采用圖2所示裝置得到的傳感器，實例I中，不同成分敏感電極條件下獲得的NO2氣體濃度與電極電勢值的關系。圖4為采用圖2所示裝置，實例I中，Ni0(+15wt% YSZ)電極在不同NO2氣體濃度條件下得到的NO含量與電勢的關系圖。圖5為采用圖2所示裝置，實例I的中，CuO電極在不同NO2氣體濃度條件下得到的NO含量與電勢的關系圖。圖6為由圖4和圖5的結果得到的實例I中，Ni0(+15wt% YSZ)電極與CuO電極電勢與NO和NO2含量之間的關系圖。實例4-6 實例4-6中各部分的材料及組分如下表所示
基體I電極2電極3電極權利要求
1.一種氮氧傳感器，其特征在于，它包括氧化鋯基體，二個敏感電極及一個參考電極； 氧化鋯基體的材料為氧化釔穩(wěn)定氧化鋯，二個敏感電極均位于氧化鋯基體上，用于與被測氣體接觸，其中一個敏感電極對NO氣體較敏感，另一個敏感電極對NO2氣體較敏感，參考電極位于氧化鋯基體的另一面，用于與空氣接觸，二個敏感電極分別與參考電極電連接。
2.根據權利要求I所述的氮氧傳感器，其特征在于，對NO氣體較敏感的敏感電極由NiO制成，或者由NiO和YSZ的復合材料制成，復合材料中YSZ的體積百分比為5 30Vol%, YSZ是指三氧化二釔含量為5 8mole%的氧化鋯陶瓷材料。
3.根據權利要求I或2所述的氮氧傳感器，其特征在于，對NO2氣體較敏感的敏感電極由CuO層和覆蓋層構成，覆蓋層由含Mn元素O IOVol %的尖晶石材料制成。
4.根據權利要求I或2所述的氮氧傳感器，其特征在于，氧化鋯基體為三氧化二釔含量為5 Smole1^的氧化錯陶瓷材料制成。
5.根據權利要求3所述的氮氧傳感器，其特征在于，氧化鋯基體為三氧化二釔含量為 5 8mole%的氧化錯陶瓷材料制成。
6.根據權利要求I或2所述的氮氧傳感器，其特征在于，該傳感器還包括加熱器，加熱器由加熱層和設置在加熱層內的加熱電阻構成，加熱電阻與加熱層之間絕緣，加熱器與氧化鋯基體之間設置有供參考電極與空氣接觸的空氣通道。
7.根據權利要求3所述的氮氧傳感器，其特征在于，該傳感器還包括加熱器，加熱器由加熱層和設置在加熱層內的加熱電阻構成，加熱電阻與加熱層之間絕緣，加熱器與氧化鋯基體之間設置有供參考電極與空氣接觸的空氣通道。
8.根據權利要求5所述的氮氧傳感器，其特征在于，該傳感器還包括加熱器，加熱器由加熱層和設置在加熱層內的加熱電阻構成，加熱電阻與加熱層之間絕緣，加熱器與氧化鋯基體之間設置有供參考電極與空氣接觸的空氣通道。
9.根據權利要求8所述的氮氧傳感器，其特征在于，加熱電阻由金屬Pt制成。
10.根據權利要求7所述的氮氧傳感器，其特征在于，加熱層與氧化鋯基體的材料相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氮氧傳感器，它包括氧化鋯基體，二個敏感電極及一個參考電極；氧化鋯基體的材料為氧化釔穩(wěn)定氧化鋯，二個敏感電極均位于氧化鋯基體上，用于與被測氣體接觸，其中一個敏感電極對NO氣體較敏感，另一個敏感電極對NO2氣體較敏感，參考電極位于氧化鋯基體的另一面，用于與空氣接觸，二個敏感電極分別與參考電極電連接。本發(fā)明提供的氮氧傳感器，其工作范圍為350～800℃，可檢測氮氧化物的濃度范圍是5～3000ppm，響應時間可達到1.2秒。本發(fā)明結構簡單，響應速度快，并具有性能穩(wěn)定，制作工藝簡單的測量范圍寬的特點。
文檔編號G01N27/30GK102608183SQ20121006510
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月13日 優(yōu)先權日2012年3月13日
發(fā)明者修吉平, 夏風, 熊建杰, 肖建中, 覃劍 申請人:華中科技大學, 湖北丹瑞新材料科技股份有限公司