固體電解質(zhì)氧氣傳感器原理

同體電解質(zhì)在高溫下才會有明顯的導(dǎo)電性。氧化鋯(ZrO2)是典型的氣體傳感器的材料。純正的氧化鋯在常溫下是單斜晶結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度升到1000左右時就會發(fā)生同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變，由單斜晶結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嗑ЫY(jié)構(gòu)，并伴隨體積收縮和吸熱反應(yīng)，因此是不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在ZrO2中摻入穩(wěn)定劑如：堿土氧化鈣CaO或稀土氧化釔Y2O3，使其成為穩(wěn)定的熒石立方晶體，穩(wěn)定程度與穩(wěn)定劑的濃度有關(guān)。ZrO2加入穩(wěn)定劑后在l800氣氛下燒結(jié)，其中一部分鋯離子就會被鈣離子替代，生成(ZrO·CaO)。由于Ca2+是正二價離子，Zr4+是正四價離子，為繼續(xù)保持電中性，會在晶體內(nèi)產(chǎn)生氧離子O2-空穴，這是(ZrO·CaO)在高溫下傳遞氧離子的原因，結(jié)果是(ZrO·CaO)在300～800成為氧離子的導(dǎo)體。但要真正能夠傳遞氧離子還必須在固體電解質(zhì)兩邊有不同的氧分壓(氧位差)，形成所渭的濃差電池。其結(jié)構(gòu)原理如圖所示，兩邊是多孔的貴金屬電極，與中間致密的ZrO·CaO材料制成夾層結(jié)構(gòu)。

設(shè)電極兩邊的氧分壓分別為PO2(1)、PO2(2)，在兩電極發(fā)生如下反應(yīng)：

(+)極：PO2(2)，2O2-→O2+4e

(-)極：PO1(1)，O2+4e→2O2-

可見，在一定溫度下，固定PO2(1)，有上式可求出傳感器(+)極待測氧氣的濃度。

固定PO2(1)實(shí)際上是(-)極形成一個電位固定的電極，即參比電極，有氣體參比電極和共存相參比電極兩種。氣體參比電極可以是空氣或其他混合氣體，如：H2一H2O，CO一CO2也能形成固定的PO2(1)。共存相參比電極是指金屬-金屬氧化物、低價金屬氧化物-高價金屬氧化物的混合粉末(固相)，這些混合物與氧氣(氣相)混合發(fā)生氧化反應(yīng)能形成同定的氧壓，因此也能作為參比電極。

除了測氧外，應(yīng)用β一Al2O3、碳酸鹽、NASICON等固體電解質(zhì)傳感器，還可用來測CO、SO2、NH4等氣體。近年來還出現(xiàn)了銻酸、La3F等可在低溫下使用的氣體傳感器，并可用于檢測正離子。

固體電解質(zhì)氣體傳感器

固體電解質(zhì)是一種具有與電解質(zhì)水溶液相同的離子導(dǎo)電特性的固態(tài)物質(zhì)，當(dāng)用作氣體傳感器時，它是一種電池。它無需使氣體經(jīng)過透氣膜溶于電解液中，可以避免溶液蒸發(fā)和電極消耗等問題。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，幾乎在石化、環(huán)保、礦業(yè)、食品等各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，其重要性僅次子金屬—氧化物一半導(dǎo)體氣體傳感器。