一种基于光电耦合效应的苯甲酸甲酯传感器及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种苯传感器，尤其是涉及一种基于光电耦合效应的苯甲 酸甲酯传感器及其制备方法。


背景技术：

2.苯甲酸甲酯是一种重要的有机溶剂。然而苯甲酸甲酯的泄露会导致对 环境有危害，对水体、土壤和大气可造成污染，且苯甲酸甲酯可与空气形 成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。。因此有必要开出发一种 传感器用以高选择性监测日常储藏和运输过程中苯甲酸甲酯的潜在泄漏。 目前商业化的苯甲酸甲酯监测装置多基于红外式检测原理，存在体积大、 价格较高的问题，并且无法实现对苯甲酸甲酯的高选择性检测。如何构建 一种高选择性检测苯甲酸甲酯的廉价便携式传感器成为目前亟待解决的问 题。
3.目前基于钇稳定氧化锆(yttria stablilzed zirconia，简称ysz或锆基)电 解质的气体传感器由于可适用于极端环境(高温、高湿)以及其相对较高 的选择性和低成本而广受关注，其中以配备氧化物敏感电极的锆基气敏传 感器研究最为广泛。但是，当前该类锆基传感器对苯甲酸甲酯的高选择性 检测尚未有报道。因此有必要开发出一种对苯甲酸甲酯高选择性响应的锆 基传感器以实现上述目标。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光电耦合效应的苯甲酸甲 酯传感器及其制备方法；采用该苯甲酸甲酯传感器，能够实现对混合气中 苯甲酸甲酯的高选择性检测。
5.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于光电耦合效 应的苯甲酸甲酯传感器，包括ysz固体电解质层，所述ysz固体电解质层 的上表面设置有一个参比电极和三个敏感电极；所述参比电极上设置有参 比电极引线，所述敏感电极上设置有敏感电极引线；所述ysz固体电解质 层的下表面设置有加热片，所述ysz固体电解质层和所述加热片均为长方 体形状；所述参比电极和三个所述敏感电极的中心连接形成一个长方形且 该长方形放大后能与所述ysz固体电解质层的上表面重叠，所述敏感电极 为铁酸锌。
6.所述参比电极和所述的敏感电极为大小尺寸相同的正方体。
7.所述加热片的材料为氧化铝。
8.所述ysz固体电解质层的长度为1.3cm～1.7cm，所述ysz固体电解 质层的宽度为2cm～3cm，所述ysz固体电解质层的厚度为0.5cm～1cm， 所述加热片的厚度为1.1mm～1.5mm，所述参比电极和所述的敏感电极的边 长为4mm～6mm，所述参比电极和所述的敏感电极的厚度为14um～16um。
9.上述的一种基于光电耦合效应的苯甲酸甲酯传感器的制备方法，包括 以下步骤：
10.s1：根据设计尺寸要求制备相应尺寸的ysz固体电解质层和加热片；
11.s2：将松油醇和乙基纤维素按质量比94：6的比例混合配制成松油醇浆 料；
12.s3：将二氧化锰粉末与松油醇浆料按照质量比1：1.5放入玛瑙研钵中混 合并研磨均匀，形成第一浆料；
13.s4：采用丝网印刷技术将第一浆料在ysz固体电解质层1上表面的参比 电极设计位置处按照设计尺寸进行印制，得到参比电极雏形；
14.s5：将步骤s4处理得到的产品放入干燥箱中，在130℃条件下干燥12小 时，然后放置到烧结炉中，在1400℃条件下烧结2个小时成型后冷却至室温， 在ysz固体电解质层的上表面上形成参比电极；
15.s6：将铁酸锌与松油醇浆料按照质量比1:1.5，放入玛瑙研钵中混合并 研磨均匀，形成第二浆料；
16.s7：采用丝网印刷技术将第二浆料在ysz固体电解质层上表面第一敏 感电极设计位置处按照设计尺寸进行印制，得到敏感电极雏形；
17.s8：将步骤s7处理后得到的产品放入干燥箱中，设置干燥箱的温度条 件为130℃，干燥半小时，取出冷却至室温，在ysz固体电解质层的上表面 上形成敏感电极；
18.s9：在参比电极、敏感电极的表面分别点涂pt浆，然后经由pt浆分别引 出参比电极引线和敏感电极引线；
19.s10：将步骤s9处理后得到的产品放入干燥箱中，在130℃条件下，干 燥12小时，然后取出放在烧结炉中，在850℃条件下烧结2个小时成型，取 出冷却至室温；
20.s11：将加热片放置在步骤s10处理后得到的产品中的ysz固体电解质 层下方，将加热片和ysz固体电解质层采用耐高温胶粘剂粘贴一起，完成传 感器制备。
21.与现有技术相比，本发明的优点在于能够实现对混合气中苯甲酸甲酯 的高选择性检测。
附图说明
22.图1为本发明的苯甲酸甲酯传感器的结构示意图；
23.其中，1ysz固体电解质层，2加热片，3参比电极，4敏感电极。
24.图2(a)为在加光和不加光条件下，采用本发明的苯甲酸甲酯传感器 对苯、苯乙烯、3-甲基己烷、丙酮和苯甲酸甲酯气体分别进行测试，各气体 的浓度为1ppm时的响应曲线。
25.图2(b)为在加光和不加光条件下，采用本发明的苯甲酸甲酯传感器 对苯、苯乙烯、3-甲基己烷、丙酮和苯甲酸甲酯气体分别进行测试，各气体 的浓度为1ppm时，加光时响应信号减去不加光时响应信号的响应差值。
26.图3为在加光和不加光条件下，采用本发明的苯甲酸甲酯传感器对干 扰气体(苯、苯乙烯、3-甲基己烷、丙酮)和苯甲酸甲酯气体分别进行测试， 各气体的浓度从1～5ppm变化时，加光时响应信号减去不加光时响应信号 的响应差值曲线。
27.图4为采用本发明的苯甲酸甲酯传感器对苯、苯乙烯、3-甲基己烷、丙 酮和苯甲酸甲酯气体混合气体进行测试，混合气体中苯、苯乙烯、3-甲基己 烷、丙酮和苯甲酸甲酯的浓度分别为5ppm，干扰气体(苯、苯乙烯、3
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甲基己烷、丙酮)对苯甲酸甲酯响应信号(加光时响应信号减去不加光时 响应信号的响应差值)的干扰情况。
具体实施方式
28.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
29.实施例一：如图1所示，一种基于光电耦合效应的苯甲酸甲酯传感器， 包括ysz固体电解质层1，ysz固体电解质层的上表面设置有一个参比电 极3和三个敏感电极4，参比电极3和敏感电极4为大小尺寸相同的正方体， 边长为4mm～6mm，厚度为14um～16um，参比电极3的材料为二氧化锰， 敏感电极4的材料为铁酸锌(in2o3 30％bi2o3)；参比电极3上设置有参 比电极引线，敏感电极4上设置有敏感电极引线，ysz固体电解质层1的 下表面设置有加热片2，加热片2的材料为氧化铝，ysz固体电解质层1 和加热片2均为长方体形状，ysz固体电解质层1的长度为1.3cm～1.7cm， ysz固体电解质层1的宽度为2cm～3cm，ysz固体电解质层1的厚度 为0.5cm～1cm，加热片2的厚度为1.1mm～1.5mm，参比电极3和三个敏 感电极4的中心连接形成一个长方形且该长方形放大后能与ysz固体电解 质层1的上表面重叠。
30.在加光和不加光条件下，采用本发明的苯甲酸甲酯传感器对苯、苯乙 烯、3-甲基己烷、丙酮和苯甲酸甲酯气体分别进行测试，各气体的浓度均为 1ppm时，本发明的苯甲酸甲酯传感器的响应值如图2(a)所示；在加光 和不加光条件下，对苯、苯乙烯、3-甲基己烷、丙酮和苯甲酸甲酯气体分别 进行测试，各气体的浓度均为1ppm时，本发明的苯甲酸甲酯传感器加光 时响应信号减去不加光时响应信号的响应差值如图2(b)所示；在加光和不加光条件下，采用本发明的苯甲酸甲酯传感器对苯、苯乙 烯、3-甲基己烷、丙酮和苯甲酸甲酯气体分别进行测试气体分别进行测试， 各气体的浓度从1～5ppm变化时，加光时响应信号减去不加光时响应信号 的响应差值曲线如图3所示；
31.分析图2(a)可知，不加光条件下，敏感电极对于苯、苯乙烯、3-甲 基己烷、丙酮和苯甲酸甲酯均有一定的响应。可以推断如果上述气体共存 时，苯甲酸甲酯的响应信号被严重干扰。加光条件下，敏感电极只对苯甲 酸甲酯的响应信号有较大的提升，对其它气体的响应信号基本不变。分析 图2(b)和图3可知，将传感器加光后的响应信号与不加光时的响应信号 相减时，只得到苯甲酸甲酯的响应信号，干扰气体的响应信号可以忽略， 此时本发明的苯甲酸甲酯传感器对苯甲酸甲酯表现出高选择性。
32.采用本发明的苯甲酸甲酯传感器对苯、苯乙烯、3-甲基己烷、丙酮和苯 甲酸甲酯气体混合气体进行测试，混合气体中苯、苯乙烯、3-甲基己烷、丙 酮的浓度分别为5ppm，苯甲酸甲酯浓度为1ppm时，干扰气体(苯、苯乙 烯、3-甲基己烷、丙酮)对本发明苯甲酸甲酯传感器苯甲酸甲酯响应信号的 干扰情况如图4所示。分析图4可知，加光和不加光时干扰气体对本发明 苯甲酸甲酯传感器苯甲酸甲酯的响应信号均有显著干扰。但将传感器加光 后的响应信号与不加光时的响应信号相减时，干扰气体对苯甲酸甲酯的响 应信号的影响基本可以忽略。
33.实施例二：一种上述苯甲酸甲酯传感器的制备方法，具体包括以下步 骤：
34.s1：根据设计尺寸要求制备相应尺寸的ysz固体电解质层1和加热片 2，使用氧化铝作为加热片2的材料；
35.s2：将松油醇和乙基纤维素按质量比94：6的比例混合配制成松油醇 浆料；
36.s3：将二氧化锰粉末与松油醇浆料按照质量比1：1.5放入玛瑙研钵中 混合并研磨均匀，形成第一浆料；
37.s4：采用丝网印刷技术将第一浆料在ysz固体电解质层1上端面参比 电极3设计位
置处按照设计尺寸进行印制，得到参比电极3雏形；
38.s5：将步骤s4处理得到的产品放入干燥箱中，在130℃条件下干燥12 小时，然后放置到烧结炉中，在1400℃条件下烧结2个小时成型后冷却至 室温，ysz固体电解质层1的上端面上形成参比电极3；
39.s6：将铁酸锌与松油醇浆料按照质量比1:1.5，放入玛瑙研钵中混合并 研磨均匀，形成第二浆料；
40.s7：采用丝网印刷技术将第二浆料在ysz固体电解质层1上端面第一 敏感电极4设计位置处按照设计尺寸进行印制，得到敏感电极4雏形；
41.s8：将步骤s7处理后得到的产品放入干燥箱中，设置干燥箱的温度条 件为130℃，干燥半小时，取出冷却至室温，ysz固体电解质层1的上端 面上形成敏感电极4；
42.s9：在参比电极3、敏感电极4的表面分别点涂pt浆，然后经由pt浆 分别引出参比电极3引线和敏感电极4引线；
43.s10：将步骤s9处理后得到的产品放入干燥箱中，在130℃条件下， 干燥12小时，然后取出放在烧结炉中，在850℃条件下烧结2个小时成型， 取出冷却至室温；
44.s11：将加热片2放置在步骤s10处理后得到的产品中的ysz固体电 解质层1下方，将加热片2和ysz固体电解质层1采用耐高温胶粘剂粘贴 一起，传感器制备完成。
45.本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上， 本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对 其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的 保护范围内。