CN101059467A

CN101059467A - 催化燃烧式传感器敏感体自组装成型制造方法

Info

Publication number: CN101059467A
Application number: CN 200710041727
Authority: CN
Inventors: 惠春; 高顺华; 徐爱兰; 侯安州; 吴义伯
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: CN100554954C

Abstract

本发明涉及一种催化燃烧式传感器敏感体自组装成型制造方法，将预先焊接在元件架上的支撑骨架铂丝线圈，浸没在配制好的载体浆料中，在真空负压条件下，利用扩散原理与液体的表面张力作用自组装形成规则均匀的椭球状白元件。经酸化处理形成多孔结构，然后负载催化剂，经烧结制备成传感器敏感体，最后经封装成为催化燃烧式传感器。本发明制备的催化燃烧式传感器敏感体形状、大小一致，载体强度高、结构多孔，催化剂在载体内部和表面均匀分布。所采用的自组装成型制造方法比传统的手工涂敷工艺提高功效至少50～60倍，适合批量规模化生产。

Description

催化燃烧式传感器敏感体自组装成型制造方法

技术领域

本发明涉及一种催化燃烧式传感器敏感体自组装成型制造方法，采用新型工艺提高传感器的特性，用于精确可靠的检测气体浓度。属于电子材料与传感技术领域。

背景技术

催化燃烧式传感器是利用材料对气体接触燃烧的反应热改变另一种材料电阻特性，通过对电阻特性的检测达到检测气体的目的。目前国内催化燃烧式传感器的敏感体制备的成型主要靠手工涂敷的方法。这种成型方法存在的缺点：①通常一个敏感体采用手工操作要涂敷几十次，甚至上百次，费工、费时，敏感体形状、大小不均匀，厚度不一致；②由于支撑骨架加热丝线圈的间距和内径很小，浆料很难涂敷至内部，易造成敏感体内部空心；③催化剂很难均匀的负载在整个载体中。用这种手工成型方法制作的传感器敏感体往往也存在相应的缺陷：①由于形状、大小，厚度不一致，不同的敏感体在同浓度甲烷中燃烧反应产生的热量有差异(即使加热丝的电阻值误差很小)，引起表面温度差异较大，这就使得用相同阻值的黑白元件组成的桥式电路，传感器输出特性偏差；②易造成空心敏感体，在通电烧结时敏感体各部分受热不均匀，易开裂，在长期桥式电路加热工作状态时，由于加热丝和膜层之间热膨胀系数不同，空心更易使得膜层开裂，甚至脱落，使传感器失效，缩短了传感器的寿命；③由于催化剂很难均匀的负载于整个载体中，在甲烷气体中燃烧时易造成局部受热不均匀，会使表面积碳作用加剧，使传感器灵敏度衰减加快。

因此要进一步提高传感器的稳定性、灵敏度和寿命，就必须解决传感器敏感体手工操作制备过程中所引起的一系列问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种催化燃烧式传感器敏感体自组装成型制造方法，可制得形状、大小一致，厚度均匀的传感器敏感体载体，能提高载体强度，提高传感器的导热性能和灵敏度，适合批量生产。

为实现这一目的，本发明根据催化燃烧式传感器探头的具体结构与检测原理，采用一种催化燃烧式传感器敏感体自组装成型制作技术，首先将铂丝绕制成的支撑骨架加热丝，浸没在配制好的传感器液体浆料中，在真空负压条件下，利用扩散原理与液体的表面张力作用自组装形成规则均匀的椭球状，经负载催化剂，通电烧结成催化传感器敏感体，然后封装，制成催化燃烧式传感器。

本发明的方法包括如下具体步骤：

1、载体浆料制备：以质量百分比计，在Al₂O₃粉体中添加造孔剂：0.1～0.5％的CaO和0.1～0.4％的Fe₂O₃，加入20～50％的硝酸铝Al(NO₃)₃溶液，球磨1～3小时，经陈化10～18小时后制备成载体浆料，存贮于浆料盒中待用。

2、自组装成型：将焊接在元件架上的铂丝线圈50～100个按照阵列式排布插在一块板上，浸入浆料中，控制温度25℃，抽真空0.02～0.08MPa，静置1～3分钟后调至常压状态，通电加热，待烧结后断电，然后浸入到质量浓度0.5～1.5％的稀盐酸溶液中，在25℃、0.02～0.08MPa下反应1～3小时后，将其焊接在传感器底座上，通电烧结，就制备成多孔、大小均匀椭球状的白元件。

3、负载催化剂：将白元件浸入质量浓度为10～30％的氯铂酸溶液中，保持3～5分钟，使白元件负载上催化剂，然后通电加热待烧结后封装，制备成难熔椭球状催化燃烧式传感器敏感体。

本发明的方法，在几个方面做了技术创新：

1、在催化元件敏感体成型上，改变了手工涂敷的传统技术，采用真空负压的方法，利用扩散原理与液体的表面张力作用，使载体浆料快速、均匀的进入支撑骨架加热丝中，形成均匀规则的椭球状。而且一次成型可批量制得形状、大小一致，厚度均匀的传感器敏感体载体，比手工涂敷提高功效至少50～60倍，使烧成的白元件表面形状一致，载体材料结构均匀，提高了传感器的导热性能；

2、在制作白元件的工艺技术上，经过球磨、陈化等步骤，使固、液相得到了充分的相溶均化，制备出均匀、粘度适度的浆料；

3、在白元件的制作过程中加入造孔剂，烧结形成了多孔载体材料，既有利于甲烷气体在传感器中的扩散，也使后期负载的催化剂在载体中均匀的分布，催化剂和载体颗粒由晶粒之间的相互作用紧密的结合在一起，避免了催化剂只负载在载体的表面，在甲烷气体中燃烧时传感器局部过热，散热不均匀致使催化剂衰减过快。提高了传感器的使用寿命，由于载体材料性能一致，从而也提高了传感器的配对效率；

4、在负载催化剂方面，通过酸化处理，腐蚀出非Al₂O₃成分，在载体上吸附了较多的活性离子H⁺，而催化剂的主要成分络合Pt⁺离子，能与这种活性离子H⁺发生离子交换作用而负载在传感器的载体上，采用这种方法负载的催化剂微晶大小一致，分布均匀，相对活性中心数量较多，提高了元件的灵敏度。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明制备的催化燃烧式传感器敏感体。图2中，1为传感器敏感体内部的支撑骨架加热丝，2为难熔椭球状传感器敏感体。

图3为敏感体封装后的催化燃烧式传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明涉及的催化燃烧式传感器敏感体自组装成型制造方法的流程如图1所示，将预先绕制的铂丝线圈，浸入含有造孔剂的浆料中，在真空负压条件下，利用扩散原理与液体的表面张力作用，自组装成型为大小均匀的椭球状白元件，通电至烧结。然后将白元件浸入催化剂溶液中负载催化剂，通电至催化剂烧结最后封装，得到椭球状催化燃烧式传感器敏感体。

本发明制备的催化燃烧式传感器敏感体结构为椭球状，如图2所示，难熔椭球状传感器敏感体2的内部为支撑骨架加热丝1。制备的传感器敏感体的尺寸：长径0.8～1mm，短径0.6～0.8mm。

敏感体封装后的催化燃烧式传感器如图3所示。

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例1

1)载体浆料制备：称取10克氧化铝(Al₂O₃)粉体，以质量百分比计，在Al₂O₃粉体中先添加0.1％的氧化钙(CaO)和0.1％的氧化铁(Fe₂O₃)的造孔剂，加入20％的硝酸铝Al(NO3)₃，球磨1小时后陈化10小时，存贮于浆料盒中待用。

2)自组装成型：将预先焊接在元件架上的支撑骨架铂丝线圈50个按照阵列式排布插在10cm×10cm板上，浸入浆料盒中，控制温度25℃，抽真空0.02MPa，静置3分钟，然后调真空负压至常压状态，通电加热至烧结；然后浸入到质量浓度0.5％的稀盐酸溶液中，在25℃、0.02MPa下反应3小时后将其焊接在传感器底座上，通电至烧结，形成多孔、形状规则、大小均匀椭球状的白元件。

3)将白元件浸入质量浓度为10％的氯铂酸溶液中，浸渍时间3分钟，使白元件负载上催化剂，然后通电至烧结，制成难熔椭球状催化燃烧式传感器敏感体。

实施例2

1)载体浆料制备：称取13克氧化铝(Al₂O₃)粉体，以质量百分比计，在Al₂O₃粉体中添加0.3％的氧化钙(CaO)和0.3％的氧化铁(Fe₂O₃)的造孔剂，加入40％的硝酸铝Al(NO3)₃溶液，球磨2小时后陈化14小时，存贮于浆料盒中待用。

2)自组装成型：将预先焊接在元件架上的支撑骨架铂丝线圈80个按照阵列式排布插在12cm×12cm板上；浸入浆料盒中，控制温度25℃，抽真空0.04MPa，静置2分钟，然后调真空负压至常压状态；通电加热至烧结，然后浸入质量浓度1.0％的稀盐酸溶液中，在25℃、0.04MPa下反应2小时后将其焊接在传感器底座上，通电至烧结，形成多孔、形状规则、大小均匀椭球状的白元件。

3)将白元件浸入质量浓度为20％的氯铂酸溶液中，浸渍时间3分钟，使白元件负载上催化剂，然后通电至烧结，制成难熔椭球状催化燃烧式传感器敏感体。

实施例3

1)载体浆料制备：称取15克氧化铝(Al₂O₃)粉体，以质量百分比计，在Al₂O₃粉体中添加0.5％的氧化钙(CaO)和0.4％的氧化铁(Fe₂O₃)的造孔剂，加入50％的硝酸铝Al(NO3)₃溶液，球磨3小时后陈化18小时，存贮于浆料盒中待用。

2)自组装成型：将预先焊接在元件架上的支撑骨架铂丝线圈100个按照阵列式排布插在14cm×14cm板上，浸入浆料盒中，控制温度25℃，抽真空0.08MPa，静置1分钟后调至常压状态；通电加热至烧结，然后浸入质量浓度1.5％的稀盐酸溶液中，在25℃、0.08MPa下反应1小时后将其焊接在传感器底座上，通电至烧结，形成多孔、形状规则、大小均匀椭球状的白元件；

3)将白元件浸入质量浓度为30％的氯铂酸溶液中，浸渍时间5分钟，使白元件负载上催化剂，然后通电至烧结，制成难熔椭球状催化燃烧式传感器敏感体。

采用实例1、2、3工艺参数分别制作的难熔椭球状传感器敏感体，经过焊接、封装，制成催化燃烧式传感器。

从以上不同实例的工艺参数制作的催化传感器敏感体可以看出，用本发明自组装成型技术制备的催化燃烧式传感器敏感体，具有大小一致、结构多孔、催化剂在载体内部和表面分布均匀，具有良好的导热性能。在相同的功率消耗下，灵敏度有了进一步的提高，其它性能参数完全达到国标的要求。

本发明方法比传统的手工涂敷工艺提高功效至少50～60倍，适合批量规模化生产。

Claims

1、一种催化燃烧式传感器敏感体自组装成型制造方法，其特征在于包括如下步骤：

1)载体浆料制备：以质量百分比计，在Al₂O₃粉体中添加造孔剂：0.1～0.5％的CaO和0.1～0.4％的Fe₂O₃，加入20～50％的硝酸铝Al(NO₃)₃溶液，球磨1～3小时，经陈化10～18小时后制备成载体浆料，存贮于浆料盒中待用；

2)自组装成型：将焊接在元件架上的铂丝线圈50～100个按照阵列式排布插在一块板上，浸入浆料中，控制温度25℃，抽真空0.02～0.08MPa，静置1～3分钟后调至常压状态，通电加热，待烧结后断电，然后浸入到质量浓度0.5～1.5％的稀盐酸溶液中，在25℃、0.02～0.08MPa下反应1～3小时后，将其焊接在传感器底座上，通电烧结，制备成多孔、大小均匀、椭球状的白元件；

3)负载催化剂：将白元件浸入质量浓度为10～30％的氯铂酸溶液中，保持3～5分钟，使白元件负载上催化剂，然后通电加热待烧结后封装，制备成难熔椭球状催化燃烧式传感器敏感体。

2、一种权利要求1的方法制备的催化燃烧式传感器敏感体，其特征在于其尺寸为：长径0.8～1mm，短径0.6～0.8mm。