催化燃烧类传感器元器件及气体传感器

技术领域

本申请涉及一种催化燃烧类传感器元器件及气体传感器，属于气体传感器技术领域。

背景技术

催化燃烧气体传感器是由检测元件和补偿元件构成。检测元件是将铂丝绕成线圈，再涂布上相应的催化剂-氧化铝涂覆层，经过高温烧结而成，比如以γ-Al

对铂丝线圈通以一定的电流，使铂丝线圈达到450℃以上时，此时可燃气就会在催化剂的作用下在铂丝线圈表面进行无焰燃烧，铂丝线圈的温度就会升高，电阻也相应升高。可燃气浓度越高，燃烧产生的热量越多，铂丝线圈的温度越高，电阻也越大。对铂丝线圈的电阻进行测量则可以计算出可燃气浓度。

在实际应用中，两个元件基于惠斯通电桥对铂丝线圈的电阻进行检测。其中，环境参数的变化，例如相对湿度，环境的温度，对两个铂丝元件的影响相似，因此这种影响对传感器输出没有显著影响。当一定的工作电流通过铂丝线圈，使铂丝线圈达到300℃以上，此时氢分子通过化学吸附在催化剂(例如Pt)表面发生燃烧反应，被吸附的氧化形成水，氢气浓度越高，燃烧产生的热量越多，铂丝线圈的温度越高，电阻也越大，从而使电桥失去平衡，产生电压信号输出。但是在实际应用中发现，当一定浓度的氢气在检测元件表面发生燃烧反应或者工作电流较大时，铂丝作为补偿元件，表面温度一旦达到反应条件，也会与氢气发生燃烧反应，导致检测元件的输出信号发生衰减。当受到震动或机械冲击时，敏感元件和补偿元件外围材料结构会发生裂纹或者脱落、变形，造成气敏反应发生时元件电阻值异常，灵敏度发生异常。

因此，本申请提供一种催化燃烧类传感器元器件及气体传感器，以解决上述问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种催化燃烧类传感器元器件及气体传感器，能在补偿元件上形成牢固的钝化膜，具有较佳的抗震性，能避免由于震动或冲击造成钝化材料和第二铂丝线圈产生裂纹、脱落、变形，从而保证器件的检测灵敏度。

为达到上述目的，本申请提供如下技术方案：

第一方面，本申请提供一种催化燃烧类传感器元器件，其包括：

敏感元件，具有第一铂丝线圈和设置在第一铂丝线圈两端的第一铂丝连接部；

补偿元件，具有第二铂丝线圈和设置在第二铂丝线圈两端的第二铂丝连接部；

其中，所述第二铂丝线圈或者所述第二铂丝线圈和第二连接部上附着有钝化膜。

在一些可能的实施方式中，该催化燃烧类传感器元器件为催化燃烧氢气传感器元器件。

通过该实施方式的技术方案，由于第二铂丝线圈上附着有钝化膜，起到钝化铂丝的作用，以在偿元件上形成牢固的钝化膜，使其具有较佳的抗震性，能避免由于震动或冲击造成钝化材料和第二铂丝线圈产生裂纹、变形，从而保证器件的检测灵敏度。同时，由于具有较佳的抗震性，能避免在受到震动或冲击时补偿元件的钝化材料发生脱落，以保证其隔绝氢气的效果，提高其检测稳定性。

在一些可能的实施方式中，钝化膜包括至少一层钝化层，钝化膜的厚度为1-500nm。

在一些可能的实施方式中，钝化膜的厚度为2-50nm。

通过该实施方式的技术方案，考虑到钝化的膜层在高温也会有应力的存在，当钝化膜的厚度过大时，会导致开裂或者脱落，根据本申请的实施例，1-500nm厚度范围是比较合适的范围；优选的，为2-50nm，可以使得铂丝表面完全覆盖钝化膜。

在一些可能的实施方式中，每层钝化层各自独立地由SiO

通过该实施方式的技术方案，采用SiO

在一些可能的实施方式中，钝化膜由物理气相沉积(Physical VaporDeposition，PVD)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)、原子层沉积(Atomiclayer deposition，ALD)或分子层沉积(Molecular Layer Deposition，MLD)中的任一种或多种工艺形成。

进一步地，化学气相沉积包括等离子体增强化学气相沉积(Plasma enhancedCVD，PECVD)和低压化学气相沉积(Low pressure CVD，LPCVD)。

在一些可能的实施方式中，敏感元件上还设有敏感涂层，敏感涂层包括基体材料和催化材料。

通过该实施方式的技术方案，由于在敏感元件上形成均匀的纳米薄层敏感材料，使其具有较佳的抗震性，能避免由于震动或冲击造成敏感材料和第一铂线圈产生裂纹、变形，从而保证器件的检测灵敏度。同时，由于具有较佳的抗震性，能避免在受到震动或冲击敏感元件的敏感材料发生脱落，以保证其与氢气的燃烧反应，提高其检测稳定性。

在一些可能的实施方式中，敏感元件经过退火烧结处理，退火温度为550℃-1200℃，烧结时间为0.5-6h。

通过该实施方式的技术方案，对第一铂丝线圈退火烧结处理，无需在第一铂丝线圈上额外设置催化材料即可使氢气在铂丝线圈表面进行无焰燃烧。

在一些可能的实施方式中，基体材料选自Al

在一些可能的实施方式中，催化材料选自Pt、Pd、Ag或Rh中的任一种或多种。

在一些可能的实施方式中，敏感涂层经过退火烧结处理，退火温度为350-650℃，烧结时间为1-4h。

通过该实施方式的技术方案，在相同的工作电压下，敏感元件针对体积分数时4％浓度的H

在一些可能的实施方式中，第一铂丝线圈的直径规格为5-200μm；和/或，第一铂丝连接部的直径规格为5-200μm。

在一些可能的实施方式中，第二铂丝线圈的直径规格为5-200μm。

在一些可能的实施方式中，第二铂丝连接部的直径规格为5-200μm。

在一些可能的实施方式中，第一铂丝线圈和/或第二铂丝线圈为等距螺旋线圈结构，其中，第一铂丝线圈的长度与直径的比例为1.5:1-3:1。

通过该实施方式的技术方案，可以增大铂丝线圈与氢气的接触面积。

在一些可能的实施方式中，第二铂丝线圈的长度与直径的比例为1.5:1-3:1。

在一些可能的实施方式中，第一铂丝线圈的圈数为3-10圈。

在一些可能的实施方式中，第二铂丝线圈的圈数为3-10圈。

通过该实施方式的技术方案，铂丝线圈采用上述方案的直径，具有较佳的机械强度，可以避免制作过程中发生断裂；将铂丝的直径限制在200μm以内可以显著减少其制造成本，同时避免制作器件体积较大。本申请实施例将铂丝线圈长径比限制在1.5:1-3:1，一方面能保证热量聚集，另一方面可以避免器件体积过大。

第二方面，本申请提供一种气体传感器，其包括传感器本体和第一方面的催化燃烧类传感器元器件，敏感元件和补偿元件分别通过第一铂丝连接部和第二铂丝连接部连接至传感器本体。

在一些可能的实施方式中，敏感元件和补偿元件组成惠斯通电桥。

在一些可能的实施方式中，气体传感器还包括外壳，传感器本体和催化燃烧类传感器元器件封装在外壳内。

在一些可能的实施方式中，外壳为陶瓷封装管壳、塑料封装管壳以及PCB封装管壳中的任一种。

在一些可能的实施方式中，传感器本体上设有引脚，第一铂丝连接部和第二铂丝连接部分别连接不同引脚以形成并联。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本申请实施例一提供的敏感元件的结构示意图；

图2是本申请实施例一提供的补偿元件的结构示意图；

图3是本申请实施例二提供的敏感元件的结构示意图；

图4是本申请实施例三提供的气体传感器的结构俯视图；

图5是本申请实施例三提供的气体传感器的结构侧视图；

图6是本申请实施例三提供的气体传感器的氢气检测数据；

图7是本申请实施例四提供的气体传感器的氢气检测数据；

图8是本申请实施例五提供的气体传感器的氢气检测数据；

图9是本申请实施例六提供的气体传感器的氢气检测数据。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

需要说明的是：本申请的“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等用语只是参考附图对本申请进行说明，不作为限定用语。

本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a、b、或c中的至少一项(个)，表示：a、b、c、a-b、a-c、b-c或a-b-c，其中a、b、c是单个或者多个。

应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

实施例一

图1示出了本实施例提供的敏感元件的结构示意图，如图1所示，敏感元件1包括第一铂丝线圈11和设置在第一铂丝线圈11两端的第一铂丝连接部12。

在本实施例中，第一铂丝线圈11被制成等距螺旋线圈结构，圈数为6圈；其中，该第一铂丝线圈11的长度与直径比为2:1，具体长度和直径分别为100μm和50μm。作为示例而非限定，本实施例使用绕丝机将铂丝螺旋绕制成一定直径和圈数的螺旋铂丝线圈，并留有铂丝连接部分，由此来形成具有第一铂丝线圈11和第一铂丝连接部12的敏感元件1。

申请人发现，在常规的气体传感器中，会在第一铂丝线圈11上形成包围铂丝的由微小颗粒组成的球珠，导致了球珠的尺寸和分散于其中的催化剂的量对传感器的灵敏度有很大影响。然而，球珠尺寸的减小阈值是有限的，而且，因为需要铂丝支撑一定尺寸和重量的球珠，铂丝线圈直径的减小阈值也是有限的。

另外，在第一铂丝线圈11表面上形成的球珠往往具有较差的抗震动和抗冲击能力，即，容易在外力作用下发生开裂或脱落，而当检测元件出现上述情况时，其元件在检测气体时元件电阻值会有较大波动，由此造成检测结果异常，使器件的检测灵敏度降低。

基于此，本实施例对敏感元件进行退火烧结处理，使其无需在第一铂丝线圈11上额外设置催化材料即可使氢气在铂丝线圈表面进行无焰燃烧。

具体的，本实施例中，为了使敏感元件1在一定温度下能与H

图2示出了本实施例提供的补偿元件的结构示意图，如图2所示，类似的，补偿元件2具有第二铂丝线圈21和设置在第二铂丝线圈21两端的第二铂丝连接部22。该第二铂丝线圈21的长度与直径比为2:1，具体长度和直径分别为100μm和50μm。

与敏感元件1不同的是，在第二铂丝线圈21的表面上还附着有钝化膜23。

申请人发现，如果采用在第二铂丝线圈21表面形成不具有催化剂的球珠来隔绝其与氢气进行燃烧反应，一方面其同样存在上述问题；另一方面，形成在铂丝线圈表面的球珠往往具有较差的抗震动和抗冲击能力，在产品包装、运输过程或使用过程中，当其受到震动或冲击时，通常导致元件出现开裂或者脱落，导致其无法起到较好的隔绝作用，内部铂丝与氢气发生反应进而导致器件的检测灵敏度下降；并且，形成球珠的常规方法是在铂丝线圈上涂敷为形成球珠而制备的液体溶胶或浆料，然后干燥和烧结。然而，采用该方法不仅难以精确地调节每个球珠的尺寸，还不适于批量生产。

基于此，本实施例先采用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)在铂丝线圈的表面附着一层SiO

本实施例中，在第二铂丝线圈21和第二铂丝连接部22上均沉积有钝化膜23，当然，在其他实施例中，可以仅在第二铂丝线圈21的表面上沉积钝化膜23。

当然，在其他实施例中，还可以采用CVD、ALD、PECVD、LPCVD或MLD等工艺来形成钝化膜。并且，钝化膜可以是由一层或多层钝化层所形成，可选地，钝化膜的厚度为1-500nm。对于每层钝化层而言，可以各自独立地由SiO

采用多种材料结合形成的钝化膜，在具有较佳的抗震动和抗冲击能力的同时，可以使其具有更稳定的物理化学性质，例如更佳的热稳定性和耐腐蚀性等。

实施例二

图3示出了本实施例提供的敏感元件的结构示意图，如图3所示，敏感元件1包括第一铂丝线圈11和设置在第一铂丝线圈11两端的第一铂丝连接部12。

在本实施例中，第一铂丝线圈11被制成等距螺旋线圈结构，其中，该第一铂丝线圈11的长度与直径比为3:1。同样的，本实施例使用绕丝机将铂丝螺旋绕制成一定直径和圈数的螺旋铂丝线圈，并留有铂丝连接部分，由此来形成具有第一铂丝线圈11和第一铂丝连接部12的敏感元件1。

随后在敏感元件1的表面涂覆一层敏感涂层13，其中，敏感涂层13由基材和催化剂组成，在本实施例中，采用SnO

对于补偿元件，本实施例与实施例一相同，在此不进行赘述。

实施例三

图4和图5示出了本实施例提供的气体传感器的在不同视角的结构示意图，如图4和图5所示，气体传感器10包括实施例一中的传感器元器件20以及传感器本体30，其中，敏感元件21和补偿元件22分别通过第一铂丝连接部211和第二铂丝连接部221连接至传感器本体30，并且，敏感元件21和补偿元件22组成惠斯通电桥。

在本实施例中，传感器本体30上设有引脚31，敏感元件21和补偿元件22分别与传感器本体30的两个引脚31连接，以形成并联。作为示例而非限定，可以采用焊接的方法分别将敏感元件21和补偿元件22与引脚31进行焊接。

除此之外，气体传感器10还包括外壳100，本实施例的传感器元器件20和传感器本体30均封装于该外壳100内。作为示例而非限定，外壳30可以是陶瓷封装管壳、塑料封装管壳以及PCB封装管壳中的任一种，本实施例中采用陶瓷封装管壳。

图6示出了本实施例的气体传感器的氢气检测数据，申请人在H

实施例四

本实施例提供一种气体传感器，与实施例三不同的是，本实施例采用实施例二所提供的传感器元器件。

图7示出了本实施例气体传感器的氢气检测数据，申请人在氢气的体积浓度为4.0％的环境下对本实施例的气体传感器进行检测，其灵敏度结果如图7所示。结果显示，在敏感元件上设置敏感涂层，并将补偿元件经过钝化处理的气体传感器针对体积分数为4％浓度的H

实施例五

本实施例提供一种气体传感器，与实施例三不同的是，本实施例采用的实施例一所提供的传感器元器件未在补偿元件上设置钝化膜。

图8示出了本实施例气体传感器的氢气检测数据，申请人在氢气的体积浓度为4.0％的环境下对本实施例的气体传感器进行检测，其灵敏度结果如图8所示。结果显示，将敏感元件经过退火烧结处理，但未将补偿元件经过钝化处理的气体传感器针对体积分数为4％浓度的H

实施例六

本实施例提供一种气体传感器，与实施例四不同的是，本实施例采用的实施例二所提供的传感器元器件未在补偿元件上设置钝化膜。

图9示出了本实施例气体传感器的氢气检测数据，申请人在氢气的体积浓度为4.0％的环境下对本实施例的气体传感器进行检测，其灵敏度结果如图9所示。结果显示，在敏感元件上设置敏感涂层，但未将补偿元件经过钝化处理的气体传感器的灵敏度低至4％H

实施例七

本实施例提供一种气体传感器，与实施例四不同的是，本实施例采用的实施例二所提供的传感器元器件未将敏感元件经过退火烧结处理。

实施例八

本实施例提供一种催化燃烧类传感器元器件，与实施例一不同的是，第一铂丝线圈和第二铂丝线圈的长度与直径比均为1.5:1，具体的，长度为300μm，直径为200μm。

实施例九

本实施例提供一种催化燃烧类传感器元器件，与实施例一不同的是，第一铂丝线圈和第二铂丝线圈的螺旋线圈结构的圈数为3圈。

实施例十

本实施例提供一种催化燃烧类传感器元器件，与实施例一不同的是，第一铂丝线圈和第二铂丝线圈的螺旋线圈结构的圈数为10圈。

上述实施例的传感器元器件和气体传感器用于检测氢气，除此之外，还可以用于检测的气体包括甲烷、一氧化碳、丙烷、丁烷、汽油、柴油或煤油中的任一种或多种。本领域技术人员可以通过调节敏感元件中基体材料和催化材料配比以及加热温度，以实现检测不同气体的目的。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。