一种电化学氨气传感器芯片及其使用方法
阅读说明：本技术 一种电化学氨气传感器芯片及其使用方法 (Electrochemical ammonia gas sensor chip and use method thereof ) 是由 苗伟峰 徐斌 张文振 孔德方 王梦寻 于 2020-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种电化学氨气传感器芯片,其整体为片状包括第一固体电解质层、第二固体电解质层、第三固体电解质层、第四固体电解质层和第五固体电解质层,第一固体电解质层上有开口一处和扩散障一,第二固体电解质层上有气体室一、气体室二、气体室三、第一辅助电极、第二辅助电极、测量电极、扩散障二和扩散障三,第四固体电解质层侧面有参比气体通道和参比电极,该芯片使用方法为：气体通过开口一处扩散障一流入,将气体中氨气氧化为氮氧化物,转化为电势施加到测量电极上,通过检测第二辅助电极和测量电极之间泵电流,确定氨气浓度。本发明解决了普通氨气传感器芯片寿命短,不能在高温条件下使用的问题,灵敏度高,响应速度快,可靠性强。(The invention discloses an electrochemical ammonia gas sensor chip, which is integrally flaky and comprises a first solid electrolyte layer, a second solid electrolyte layer, a third solid electrolyte layer, a fourth solid electrolyte layer and a fifth solid electrolyte layer, wherein the first solid electrolyte layer is provided with a first opening and a first diffusion barrier, the second solid electrolyte layer is provided with a first gas chamber, a second gas chamber, a third gas chamber, a first auxiliary electrode, a second auxiliary electrode, a measuring electrode, a second diffusion barrier and a third diffusion barrier, and the side surface of the fourth solid electrolyte layer is provided with a reference gas channel and a reference electrode, and the using method of the chip is as follows: and the gas flows in through the diffusion barrier at the opening, ammonia in the gas is oxidized into nitrogen oxides, the nitrogen oxides are converted into electric potential and applied to the measuring electrode, and the concentration of the ammonia gas is determined by detecting the pump current between the second auxiliary electrode and the measuring electrode. The invention solves the problems that the common ammonia gas sensor chip has short service life and can not be used under the high-temperature condition, and has high sensitivity, high response speed and strong reliability.)
技术领域
本发明涉及电化学氨气传感器芯片及使用方法领域，具体属于一种电化学氨气传感器芯片及其使用方法。
背景技术
汽车发动机是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的机械。目前，人们为了节省燃料优选使用稀薄燃烧混合物作为燃料，但是在此过程中会产生有害的污染气体氮氧化合物N0x，为减N0x的排放，满足发动机废气达标排放的要求。在发动机尾气后处理中,采用尿素为选择催化还原剂的SCR系统被广泛使用。其原理是尿素被注入尾气管中受热分解成NH3与N0x反应生成无害的N2和H20。为精确控制NH3含量,需要在尾气管中安装NH3传感器在线监测NH3浓度，并反馈电信号于控制系统。
随着国内对环境气体达标排放的要求不断变化，关于此类氨气NH3传感器的研究逐渐增加。如：申请号为202010321909.2氨气传感器敏感材料及其制备方法、应用的专利文件中描述所述敏感材料为Mg(1-x)CuxO(0<x<0.67)，其能选择性吸附NH3至三相界面处发生电化学催化氧化，因而以其作为敏感材料的传感器对NH3表现出极高的敏感度。由该专利制作的氨气传感器，其具有使用寿命短的缺陷；
申请号为201921310062.7一种电化学氨气传感器专利文件中描述，其包括壳体，壳体开口上设有盖子，盖子上设有气体扩散进气孔，壳体内设有聚四氟乙烯支撑孔板，聚四氟乙烯支撑孔板与壳体底部之间设有内置腔室，内置腔室内填充有电解液，壳体内由盖子向聚四氟乙烯支撑孔板方向依次层叠设置有工作电极、参比电极和对电极，工作电极、参比电极和对电极均为多孔电极，工作电极和参比电极之间设有分离层一，参比电极和对电极之间设有分离层二，壳体底部设有分别与工作电极、参比电极和对电极连接的电极引脚。该电化学氨气传感器大大提高了对氨气的灵敏度和响应速度。但是，由该专利制作电化学氨气传感器的实施方式只能在常温条件下使用，不适合并且无法在高温条件下使用。
为此，为了满足市场上需要的能够长期在汽车高温尾气中使用的，可靠性强，灵敏度高的氨气传感器芯片，本发明提供了一种电化学氨气传感器芯片及其使用方法，本发明中的电化学氨气传感器芯片采用贵金属铂、铑以及铂铑合金作为感应层，固体电解质氧化锆作为氧离子离子传输层，电化学氨气传感器芯片既能够耐高温，在高温条件下使用，同时使用寿命长。适合在汽车发动机及配套行业，生产制造氨气传感器时推广使用。
发明内容
本发明提供一种电化学氨气传感器芯片，通过对第一固体电解质层、第二固体电解质层、第三固体电解质层、第四固体电解质层、第五固体电解质层，第一固体电解质层上开口一处和扩散障一，第二固体电解质层上气体室一、气体室二、气体室三、第一辅助电极、第二辅助电极、测量电极、扩散障二和扩散障三，以及第四固体电解质层侧面的参比气体通道和参比电极的整体研发设计，解决了上述背景技术中提到的问题。同时，本发明能够测量气体混合物中所含氨气的浓度，能够长期作为测量汽车高温尾气中氨气浓度的传感器芯片使用，解决了普通氨气传感器芯片使用寿命短，不能在高温条件下使用的问题，灵敏度高，响应速度快，使用效果好，可靠性强。适合在汽车发动机及配套行业，生产制造氨气传感器时推广使用。
为实现上述目的本发明采用的技术方案如下：
一种电化学氨气传感器芯片，其特征在于，该氨气传感器芯片整体为片状氨气传感器芯片，该氨气传感器芯片从上到下依次包括有第一固体电解质层、第二固体电解质层、第三固体电解质层、第四固体电解质层和第五固体电解质层，第一固体电解质层上面有开口一处，开口一处内部嵌装有扩散障一，所述第二固体电解质层整体位于第一固体电解质层和第三固体电解质层之间，第二固体电解质层上面有气体室一、气体室二和气体室三，所述气体室一和气体室二之间有扩散障二，气体室二和气体室三之间有扩散障三，所述气体室一内的上顶面和下底面处都有第一辅助电极，气体室二内的上顶面和下底面处都有第二辅助电极，气体室三内的上顶面和下底面处都有测量电极，所述第四固体电解质层整体位于第三固体电解质层和第五固体电解质层之间，第四固体电解质层的侧面有参比气体通道，所述参比气体通道内的上顶面有参比电极。
进一步地，所述该氨气传感器芯片从上到下依次包括有第一固体电解质层、第二固体电解质层、第三固体电解质层、第四固体电解质层和第五固体电解质层，所述第一固体电解质层、第二固体电解质层、第三固体电解质层、第四固体电解质层和第五固体电解质层都由含钇稳定氧化锆纳米粉体制作而成；
所述第一固体电解质层、第二固体电解质层、第三固体电解质层、第四固体电解质层和第五固体电解质层，都由圣戈班5Y-ZrO2粉体、PVB粘结剂和溶剂丁酮，混合后经过球磨96小时，然后脱泡流延制作成生胚第一固体电解质层、第二固体电解质层、第三固体电解质层、第四固体电解质层和第五固体电解质层,在生胚第一固体电解质层、第二固体电解质层、第三固体电解质层相应位置，通过丝网筛印上相应的第一辅助电极、第二辅助电极、测量电极和参比电极，将丝网筛印完成后的第一固体电解质层、第二固体电解质层、第三固体电解质层，和第四固体电解质层、第五固体电解质层生胚从上到下依次叠压合粘结后，烧结制成，所述烧结温度为1520℃±10℃。
进一步地，所述扩散障一、扩散障二和扩散障三都由氧化铝粉末和圣戈班5Y-ZrO2粉体组成，所述扩散障一、扩散障二和扩散障三都为多微孔扩散障。
进一步地，所述第一辅助电极、第二辅助电极和测量电极都由催化活性材料铑或铂铑合金制成。
进一步地，所述参比电极由催化活性材料铂制成。
进一步地，所述扩散障一整体嵌装在第一固体电解质层上面的开口一处内部，扩散障一位于气体室一上顶面第一辅助电极的上面。
进一步地，所述圣戈班5Y-ZrO2粉体由法国圣戈班公司生产，PVB粘结剂由洛阳硕然化工产品有限公司生产，溶剂丁酮由江苏嘉松化工有限公司生产，氧化铝粉末由浙江九鹏新材料有限公司生产。
采用上述的一种电化学氨气传感器芯片测量氨气浓度的使用方法，所述氨气传感器芯片的使用方法为：气体室三内的测量电极的左侧，气体室一和气体室二内分别有第一辅助电极和第二辅助电极，通过第一固体电解质层上开口一处的扩散障一，流入的气体混合物，该气体混合物中的氮氧化物和氧气，被气体室一内的第一辅助电极还原去除，该气体混合物中的氨气，被气体室二内的第二辅助电极氧化为氮氧化物，被气体室二内的第二辅助电极氧化产生的氮氧化物，流入气体室三内，被气体室三内的测量电极还原，将此过程中氨气氧化形成的氮氧化物，转化为被还原的电势施加到位于气体室三内的测量电极上，通过检测第二辅助电极和测量电极之间流动的泵电流，并将其用于确定存在于气体混合物中氨气的浓度。
进一步地，所述该氨气传感器芯片包括有第一固体电解质层、第二固体电解质层、第三固体电解质层、第四固体电解质层和第五固体电解质层，第四固体电解质层的侧面有参比气体通道，参比气体通道左侧有进气口，该参比气体通道的进气口能够与空气接触，所述第二固体电解质层上面内部有气体室一、气体室二和气体室三，气体室一和气体室二之间有扩散障二，气体室二和气体室三之间有扩散障三，所述第一固体电解质层上面的开口一处，能够与待检测的气体混合物接触，所述气体室一内有第一辅助电极，气体室二内有第二辅助电极，参比气体通道内有参比电极，所述第一辅助电极与参比电极形成第一泵电池，第二辅助电极与参比电极形成第二泵电池，第一泵电池能够在气体室一内形成氧恒定压力，所述扩散障一在气体混合物的扩散方向上，扩散障一整体位于第一辅助电极的上面，第一泵电池和第二泵电池能够分别在不同的极限电流范围内运行，所述气体室三内的测量电极整体位于第一辅助电极第二辅助电极的下游，测量电极与参比电极形成第三泵电池，所述当在第一辅助电极上施加电势时，该电势能够将从扩散障一流入气体室一内气体混合物中的氧气和氮氧化物还原去除，该电势不能分解气体混合物中氨气，氨气通过扩散障二进入气体室二中，所述相对于参比电极的电势，在第一辅助电极上施加的该电势范围为-400mV～-800mV；
所述氨气通过扩散障二进入气体室二中，在气体室二中第二辅助电极上施加电势，该电势能够将进入气体室二气体混合物中的氨气被定量氧化为一氧化氮，一氧化氮通过扩散障三进入气体室三中待测，所述相对于参比电极的电势，在第二辅助电极上施加的该电势范围为100mV～700mV；
所述扩散障一、扩散障二和扩散障三能够限制不同气体的流速和流量；
所述一氧化氮通过扩散障三进入气体室三中，在气体室三中测量电极上施加电势，该电势能够将进入气体室三气体混合物中的一氧化氮被定量还原，同时检测流向测量电极与参比电极之间第三泵电池的泵电流，以该泵电流表示量度，从第一固体电解质层上开口一处流入的气体混合物所含有的氨气浓度，所述相对于参比电极的电势，在测量电极上施加的该电势范围为-100mV～-500mV。
与已有技术相比，本发明的有益效果如下：
通过对该片状氨气传感器芯片整体及其中第一固体电解质层、第二固体电解质层、第三固体电解质层、第四固体电解质层、第五固体电解质层，第一固体电解质层上开口一处和扩散障一，第二固体电解质层上气体室一、气体室二、气体室三、第一辅助电极、第二辅助电极、测量电极、扩散障二和扩散障三，以及第四固体电解质层侧面的参比气体通道和参比电极的整体研发设计组合，制造出了一种电化学氨气传感器芯片，该电化学氨气传感器芯片测量氨气浓度的使用方法为，通过第一固体电解质层上开口一处的扩散障一，流入的气体混合物，该气体混合物中的氮氧化物和氧气，被气体室一内的第一辅助电极还原去除，该气体混合物中的氨气，被气体室二内的第二辅助电极氧化为氮氧化物，被气体室二内的第二辅助电极氧化产生的氮氧化物，流入气体室三内，被气体室三内的测量电极还原，将此过程中氨气氧化形成的氮氧化物，转化为被还原的电势施加到位于气体室三内的测量电极上，通过检测第二辅助电极和测量电极之间流动的泵电流，并将其用于确定存在于气体混合物中氨气的浓度。
本发明能够测量气体混合物中所含氨气的浓度，能够长期作为测量汽车高温尾气中氨气浓度的传感器芯片使用，解决了普通氨气传感器芯片使用寿命短，不能在高温条件下使用的问题，灵敏度高，响应速度快，使用效果好，可靠性强。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明整体垂直第一固体电解质层上开口一处内扩散障一的水平面，纵向剖切面示意图。
备注说明：1为第一固体电解质层；11为开口一处；2为第二固体电解质层；3为第三固体电解质层；4为第四固体电解质层；5为第五固体电解质层；C为气体室一；C2为气体室二；C3为气体室三；C4为参比气体通道；R为扩散障一；R2为扩散障二；R3为扩散障三；D为第一辅助电极；D2为第二辅助电极；D3为测量电极；D4为参比电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
下面结合实施例和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
参见附图：一种电化学氨气传感器芯片，其特征在于，该氨气传感器芯片整体为片状氨气传感器芯片，该氨气传感器芯片从上到下依次包括有第一固体电解质层1、第二固体电解质层2、第三固体电解质层3、第四固体电解质层4和第五固体电解质层5，第一固体电解质层1上面有开口一处11，开口一处11内部嵌装有扩散障一R，所述第二固体电解质层2整体位于第一固体电解质层1和第三固体电解质层3之间，第二固体电解质层2上面有气体室一C、气体室二C2和气体室三C3，所述气体室一C和气体室二C2之间有扩散障二R2，气体室二C2和气体室三C3之间有扩散障三R3，所述气体室一C内的上顶面和下底面处都有第一辅助电极D，气体室二C2内的上顶面和下底面处都有第二辅助电极D2，气体室三C3内的上顶面和下底面处都有测量电极D3，所述第四固体电解质层4整体位于第三固体电解质层3和第五固体电解质层5之间，第四固体电解质层4的侧面有参比气体通道C4，所述参比气体通道C4内的上顶面有参比电极D4。
进一步地，所述该氨气传感器芯片从上到下依次包括有第一固体电解质层1、第二固体电解质层2、第三固体电解质层3、第四固体电解质层4和第五固体电解质层5，所述第一固体电解质层1、第二固体电解质层2、第三固体电解质层3、第四固体电解质层4和第五固体电解质层5都由含钇稳定氧化锆纳米粉体制作而成；
所述第一固体电解质层1、第二固体电解质层2、第三固体电解质层3、第四固体电解质层4和第五固体电解质层5，都由圣戈班5Y-ZrO2粉体、PVB粘结剂和溶剂丁酮，混合后经过球磨96小时，然后脱泡流延制作成生胚第一固体电解质层1、第二固体电解质层2、第三固体电解质层3、第四固体电解质层4和第五固体电解质层5,在生胚第一固体电解质层1、第二固体电解质层2、第三固体电解质层3相应位置，通过丝网筛印上相应的第一辅助电极D、第二辅助电极D2、测量电极D3和参比电极D4，将丝网筛印完成后的第一固体电解质层1、第二固体电解质层2、第三固体电解质层3，和第四固体电解质层4、第五固体电解质层5生胚从上到下依次叠压合粘结后，烧结制成，所述烧结温度为1520℃±10℃。
进一步地，所述扩散障一R、扩散障二R2和扩散障三R3都由氧化铝粉末和圣戈班5Y-ZrO2粉体组成，所述扩散障一R、扩散障二R2和扩散障三R3都为多微孔扩散障。
进一步地，所述第一辅助电极D、第二辅助电极D2和测量电极D3都由催化活性材料铑或铂铑合金制成。
进一步地，所述参比电极D4由催化活性材料铂制成。
进一步地，所述扩散障一R整体嵌装在第一固体电解质层1上面的开口一处11内部，扩散障一R位于气体室一C上顶面第一辅助电极D的上面。
进一步地，所述圣戈班5Y-ZrO2粉体由法国圣戈班公司生产，PVB粘结剂由洛阳硕然化工产品有限公司生产，溶剂丁酮由江苏嘉松化工有限公司生产，氧化铝粉末由浙江九鹏新材料有限公司生产。
采用上述的一种电化学氨气传感器芯片测量氨气浓度的使用方法，所述氨气传感器芯片的使用方法为：气体室三C3内的测量电极D3的左侧，气体室一C和气体室二C2内分别有第一辅助电极D和第二辅助电极D2，通过第一固体电解质层1上开口一处11的扩散障一R，流入的气体混合物，该气体混合物中的氮氧化物和氧气，被气体室一C内的第一辅助电极D还原去除，该气体混合物中的氨气，被气体室二C2内的第二辅助电极D2氧化为氮氧化物，被气体室二C2内的第二辅助电极D2氧化产生的氮氧化物，流入气体室三C3内，被气体室三C3内的测量电极D3还原，将此过程中氨气氧化形成的氮氧化物，转化为被还原的电势施加到位于气体室三C3内的测量电极D3上，通过检测第二辅助电极D2和测量电极D3之间流动的泵电流，并将其用于确定存在于气体混合物中氨气的浓度。
进一步地，所述该氨气传感器芯片包括有第一固体电解质层1、第二固体电解质层2、第三固体电解质层3、第四固体电解质层4和第五固体电解质层5，第四固体电解质层4的侧面有参比气体通道C4，参比气体通道C4左侧有进气口，该参比气体通道C4的进气口能够与空气接触，所述第二固体电解质层2上面内部有气体室一C、气体室二C2和气体室三C3，气体室一C和气体室二C2之间有扩散障二R2，气体室二C2和气体室三C3之间有扩散障三R3，所述第一固体电解质层1上面的开口一处11，能够与待检测的气体混合物接触，所述气体室一C内有第一辅助电极D，气体室二C2内有第二辅助电极D2，参比气体通道C4内有参比电极D4，所述第一辅助电极D与参比电极D4形成第一泵电池，第二辅助电极D2与参比电极D4形成第二泵电池，第一泵电池能够在气体室一C内形成氧恒定压力，所述扩散障一R在气体混合物的扩散方向上，扩散障一R整体位于第一辅助电极D的上面，第一泵电池和第二泵电池能够分别在不同的极限电流范围内运行，所述气体室三C3内的测量电极D3整体位于第一辅助电极D第二辅助电极D2的下游，测量电极D3与参比电极D4形成第三泵电池，所述当在第一辅助电极D上施加电势时，该电势能够将从扩散障一R流入气体室一C内气体混合物中的氧气和氮氧化物还原去除，该电势不能分解气体混合物中氨气，氨气通过扩散障二R2进入气体室二C2中，所述相对于参比电极D4的电势，在第一辅助电极D上施加的该电势范围为-400mV～-800mV；
所述氨气通过扩散障二R2进入气体室二C2中，在气体室二C2中第二辅助电极D2上施加电势，该电势能够将进入气体室二C2气体混合物中的氨气被定量氧化为一氧化氮，一氧化氮通过扩散障三R3进入气体室三C3中待测，所述相对于参比电极D4的电势，在第二辅助电极D2上施加的该电势范围为100mV～700mV；
所述扩散障一R、扩散障二R2和扩散障三R3能够限制不同气体的流速和流量；
所述一氧化氮通过扩散障三R3进入气体室三C3中，在气体室三C3中测量电极D3上施加电势，该电势能够将进入气体室三C3气体混合物中的一氧化氮被定量还原，同时检测流向测量电极D3与参比电极D4之间第三泵电池的泵电流，以该泵电流表示量度，从第一固体电解质层1上开口一处11流入的气体混合物所含有的氨气浓度，所述相对于参比电极D4的电势，在测量电极D3上施加的该电势范围为-100mV～-500mV。
本发明整体通过对该片状氨气传感器芯片整体及其中第一固体电解质层1、第二固体电解质层2、第三固体电解质层3、第四固体电解质层4、第五固体电解质层5，第一固体电解质层1上开口一处11和扩散障一R，第二固体电解质层2上气体室一C、气体室二C2、气体室三C3、第一辅助电极D、第二辅助电极D2、测量电极D3、扩散障二R2和扩散障三R3，以及第四固体电解质层4侧面的参比气体通道C4和参比电极D4的整体研发设计组合，制造出了一种电化学氨气传感器芯片，该电化学氨气传感器芯片测量氨气浓度的使用方法为，通过第一固体电解质层1上开口一处11的扩散障一R，流入的气体混合物，该气体混合物中的氮氧化物和氧气，被气体室一C内的第一辅助电极D还原去除，该气体混合物中的氨气，被气体室二C2内的第二辅助电极D2氧化为氮氧化物，被气体室二C2内的第二辅助电极D2氧化产生的氮氧化物，流入气体室三C3内，被气体室三C3内的测量电极D3还原，将此过程中氨气氧化形成的氮氧化物，转化为被还原的电势施加到位于气体室三C3内的测量电极D3上，通过检测第二辅助电极D2和测量电极D3之间流动的泵电流，并将其用于确定存在于气体混合物中氨气的浓度。
本发明能够测量气体混合物中所含氨气的浓度，能够长期作为测量汽车高温尾气中氨气浓度的传感器芯片使用，解决了普通氨气传感器芯片使用寿命短，不能在高温条件下使用的问题，灵敏度高，响应速度快，使用效果好，可靠性强。适合在汽车发动机及配套行业，生产制造氨气传感器时推广使用。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
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