CN105758899B - 一种叠层式气敏传感器结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种叠层式气敏传感器结构及其制造方法，具有使用和组合灵活的特点。其采用陶瓷基片作为叠层单元，其上加工有孔，中间固定气敏传感器小球，小球通过引线固定到基片的电极导线上，再通过基片上的引出电极处引出导线；基片间通过粘结材料粘结在一起，基片间的孔是联通的。根据应用要求可以改变基片的类型和组合方式，实现单一功能或多功能的气敏检测。

Description

一种叠层式气敏传感器结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及气敏传感器领域，主要是提出了一种新的气敏传感器结构及其制造方法。
背景技术
气敏传感器是众多传感器中的一类，根据其工作原理的不同，可以分为金属氧化物半导体式、催化燃烧式、电化学式、光学(如红外)式、热导式、高温离子化、光离子化等多种类型气敏传感器，在生产和生活中起着重要作用。在传感器生产工艺中，常用的制造工艺：球式、片式和半导体工艺，根据不同的工作原理的传感器会选用与之匹配的结构和生产工艺。
球式：也称为绕丝式工艺，将加热丝或传感丝绕制成螺旋，螺旋可以采取空芯绕制也可以利用瓷管等做骨架绕制，并在其上涂覆载体和气敏材料，最终形成类似球状的传感器结构。此结构在工业生产中已使用了很多年，目前仍然在广泛使用。
片式：为规模化生产方便，便于采用丝网印刷工艺，将传感器的各组成部分按片式结构进行组合，如专利“片式气体传感器CN201575984U”提出了一种常见的金属氧化物半导体材料片式气敏传感器结构，分别将气敏测量膜和加热膜涂覆在基板的上表面和下表面，再引出到器件基座上组装成为传感器。此外，汽车用氧传感器也逐步从管式结构向片式结构转变，专利“一种片式氧传感器的制造方法及片式氧传感器CN102288664A”阐述了此类传感器的制作工艺和方法。
半导体工艺：由于传统的球式和片式制作出来的传感器体积较大，而半导体工艺自动化程度高，制作的气敏传感器体积小、一致性好，如红外式CO2传感器等基本全部采用半导体工艺进行生产，近年在半导体技术中出现的微机电系统(MEMS)更加速了传感器领域的进步，气敏传感器也朝着这一方向在发展。
目前常见的传感器中，金属氧化物半导体式、催化燃烧式主要采用球式和片式进行制造生产。汽车用氧传感器则有管式和片式两种结构。本发明提出了一种结合球式和片式传感器优点的新型的气敏传感器结构，并且可以通过多片不同气敏传感器单元进行叠层封装，实现多功能气敏检测，如多种气体对象、气体浓度+温度等的检测功能。
发明内容
本发明的叠层式气敏传感器结构及其制造方法是采用陶瓷基片作为叠层单元，由一片或多片基片堆叠构成，其上加工有孔，用于安装传感器敏感小球；基片间的孔互相连通，中间固定传感器敏感小球，敏感小球通过引线固定到基片的电极导线上，再通过基片上的引出电极处引出导线，基片间通过粘结材料粘结在一起，根据应用要求可以改变基片的类型和组合方式，实现单一功能或多功能的气敏检测。
所述基片上的引出电极具有两个、三个、四个、五个或六个。
所述基片的电极导线和基片上的引出电极使用铂、金、钯、钌或银浆料，或混合使用。
所述的基片上覆盖有氧化铝或玻璃体惰性材料，并作为基片间的粘结剂使用。
所述的传感器基片单元，其堆叠层数可为一层到十二层。
本发明的叠层式气敏传感器结构应用于多种气体对象或气体浓度+温度等的检测。
附图说明
图1叠层式气敏传感器结构示意图。
图2两电极叠层式气敏传感器结构示意图。
图1和图2中，陶瓷材料基片1，中央加工圆形通孔2，气敏传感器小球3，导电电极引线4，引出电极5，金属引线6。
具体实施方式
本发明的叠层式气敏传感器结构如图1所示，叠层式气敏传感器可以由一层或多层片式结构的单元组成，每一个片式结构单元具有如下结构，在陶瓷材料基片1中央加工圆形通孔2，通孔形状根据使用要求可为圆形或方形，气敏传感器小球3置于通孔中央，并通过传感器小球的引线固定到导电电极引线4上，在基片外沿设有引出电极5，电极上通过钎焊、电阻焊或激光焊等手段与金属引线6相连接，并固定到外部器件基座上。
根据传感器小球引出线的多少，基片上的电极和引出线等也可以相应的变化，如催化传感器可只使用两电极结构。如图2所示。
上述的片式单元间通过采用粘结材料，如玻璃体或Al2O3材料等，将片式单元粘结在一起，其热膨胀系数与基片相匹配，防止层与层之间开裂。粘结材料以厚膜印刷的形式涂覆到基片上，并在600～800℃下进行烧结。烧结后，基片中间的孔互相之间联通，可通气，形成统一的整体。将各组引线引出到传感器封装外壳上，最终形成可供使用的气敏元器件。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。应该正确理解的是：本发明的实施例中的方法仅仅是用于说明本发明，而不是对本发明的限制。
实施例一
催化燃烧式传感器，是利用可燃性气体在催化剂材料上发生无焰燃烧，对可燃气体浓度进行检测的一类传感器，其结构为在铂丝线圈上包以氧化铝和粘合剂形成球状，经烧结后外表面敷上铂、钯等贵金属催化剂，对铂丝通以电流，使检测元件保持高温(300～500℃)，发生催化反应时，燃烧反应放出的热量使铂丝线圈的温度升高，线圈的电阻值就上升。测量铂丝电阻值变化的大小就可以知道可燃气体的浓度。实际应用中常采用惠斯顿电桥测量电路进行测量，其一臂为载有催化剂的检测元件，另一臂为不负载催化剂的补偿元件。
采用厚度为1.0mm的10mm×10mm的陶瓷基片，在其中心位置加工直径为Φ2mm的孔，在孔中放置直径为Φ0.8mm的催化检测传感器小球，小球两端的铂丝引线连接到瓷片导电电极引线上，结构如图2所示，将铂丝固定到引出电极上作为引出线使用。以同样的方法，在基片中放入催化补偿小球。将两片瓷片通过玻璃浆料粘结在一起，并将铂引线固定到传感器外壳基座形成传感器。
实施例二
直径为1.5mm的金属氧化物半导体小球，主要有SnO2、玻璃粘结剂等组成，组分不一样其对不同气体的灵敏度也不一样。其共有两组四根引线，其中一组为加热引线，另外一组为检测电极，分别固定到引出电极上。传感小球被加热到300～400℃温度范围，当接触到被测气体时，其电阻值发生变化。小球固定在厚2.0mm，外形为8mm×8mm的基片上，结构如图1所示。此基片引出引线后可独立使用，当需要多种气体同步检测，可以使用不同组分的金属氧化物半导体材料小球基片，通过叠片处理后在一起使用，在此例中，叠片使用时基片的厚度要加厚到2.0mm以上。

Claims (10)

1.一种叠层式气敏传感器结构，其特征在于：采用陶瓷基片作为叠层单元，由多片基片堆叠构成，其上加工有孔，用于安装传感器敏感小球；基片间的孔互相连通，中间固定传感器敏感小球，敏感小球通过引线固定到基片的电极引线上，再通过基片上的引出电极处引出引线，基片间通过粘结材料粘结在一起。
2.如权利要求如1所述的传感器结构，其特征在于：所述基片上的引出电极具有两个、三个、四个、五个或六个。
3.如权利要求如1所述的传感器结构，其特征在于：基片的电极引线和基片上的引出电极使用铂、金、钯、钌或银浆料，或混合使用。
4.如权利要求如1所述的传感器结构，其特征在于：所述的基片上覆盖有氧化铝或玻璃体惰性材料，并作为基片间的粘结剂使用。
5.如权利要求如1所述的传感器结构，其特征在于：所述的传感器结构，其堆叠层数为二层到十二层。
6.如权利要求1所述的叠层式气敏传感器结构应用于多种气体对象或气体浓度+温度的检测。
7.一种叠层式气敏传感器结构的制造方法，其特征在于含有以下工艺步骤：采用陶瓷基片作为叠层单元，由多片基片堆叠构成，其上加工有孔，用于安装传感器敏感小球；基片间的孔互相连通，中间固定传感器敏感小球，敏感小球通过引线固定到基片的电极引线上，再通过基片上的引出电极处引出引线，基片间通过粘结材料粘结在一起，根据应用要求改变基片的类型和组合方式，实现多功能的气敏检测。
8.如权利要求如7所述的一种叠层式气敏传感器结构的制造方法，其特征在于：所述基片上的引出电极具有两个、三个、四个、五个或六个。
9.如权利要求如7所述的一种叠层式气敏传感器结构的制造方法，基片的电极引线和基片上的引出电极使用铂、金、钯、钌或银浆料，或混合使用。
10.如权利要求如7所述的一种叠层式气敏传感器结构的制造方法，其特征在于：所述的基片上覆盖有氧化铝或玻璃体惰性材料，并作为基片间的粘结剂使用。
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