CN107941859A - 气体传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气体传感器及其制备方法。所述气体传感器包括基底以及多个气敏元件。所述基底设置有多个间隔设置的镂空部。每个所述气敏元件设置于一个所述镂空部中。多个所述气敏元件与多个所述镂空部一一对应设置，同时切除了所述基底上多余的部分，从而使得所述基底镂空。由于镂空后的所述基底的面积变小，减小了所述气敏元件阵列封装结构的发热面积，进而降低了所述气敏元件阵列封装结构的热功耗。

Description

气体传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属氧化物气敏元件阵列领域，特别是涉及一种气体传感器及其制备方法。

背景技术

以气体传感器元件阵列为核心的电子鼻，是一种模拟生物嗅觉的分析仪器，可应用于食品质量检测与控制、环境监测、公共安全、医疗卫生和航空航天等各种气味分析场合。在所有电子鼻的气敏元件类型中，金属氧化物气敏元件因其具有敏感度高、响应时间快等优点，成为世界上产量最大，应用最广泛的一类气体传感器。金属氧化物形成气敏元件阵列(元件个数≥1)时，正常工作温度通常为200℃～300℃。目前，成熟的气敏膜制备方法为丝网印刷技术，其所得到的承载阵列气敏膜的基片尺寸一般为毫米级，因而阵列基片会有一定的热耗散。阵列的热耗散直接决定了阵列的功耗，然而携式设备对功率有严格限制，因此减小阵列热耗散是电子鼻设备可便携的前提。气体传感器的结构很大程度上决定了功耗的大小。但是，目前传统的气敏元件阵列封装结构仍存在发热面积大，封装结构热功耗高的问题。

发明内容

基于此，有必要针对传统的气体传感器封装结构的发热面积大、热功耗高的问题，提供一种机械稳定好的金属氧化物气体传感器及其制备方法。

一种气体传感器包括基底以及多个气敏元件。所述基底设置有多个间隔设置的镂空部。每个所述气敏元件悬空设置于一个所述镂空部中。

在其中一个实施例中，所述气敏元件包括基片、加热电极层、测试电极层以及气敏材料层。所述基片具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述基片悬空设置于所述镂空部。所述加热电极层设置于所述第一表面。所述测试电极层设置于所述第二表面。所述气敏材料层设置于所述第二表面，并覆盖所述测试电极层。

在其中一个实施例中，所述基片与所述基底一体成型。

在其中一个实施例中，所述加热电极层为图案化电极，所述测试电极层也为图案化电极。

在其中一个实施例中，所述气敏元件还包括至少两个连接臂。所述基片通过所述至少两个连接臂与所述镂空部连接。

在其中一个实施例中，所述镂空部为开设于所述基底的通孔。

在其中一个实施例中，所述气体传感器进一步包括两个电极连接部，间隔固定设置于所述基片的两端。

在其中一个实施例中，所述电极连接部包括排针固定座以及多个排针电极。所述排针固定座固定设置于所述基片，且所述排针固定座设置有多个排针孔。每个所述排针电极通过一个所述排针孔固定设置于所述排针固定座，用以与所述气敏元件电连接。

在其中一个实施例中，一种气体传感器的制备方法包括以下步骤：提供一个基底，所述基底包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；在所述第一表面间隔形成多个加热电极层；在所述第二表面间隔形成多个测试电极层，每个所述测试电极层与一个所述加热电极层相对所述基底对称设置；在所述第二表面间隔形成多个气敏材料层，每个气敏材料层覆盖一个所述加热电极层；切割处理所述基底，使得所述基底形成多个镂空部，每个所述镂空部设置有一个所述加热电极层和一个测试电极层。

在其中一个实施例中，所述气体传感器的制备方法还包括：在所述基底的两端固定设置两个排针固定座，每个所述排针固定座设置有多个排针孔；在每个所述排针孔中固定设置一个排针电极，并与所述气敏元件电连接。

本发明提供的一种气体传感器包括基底以及多个气敏元件。所述基底设置有多个间隔设置的镂空部。每个所述气敏元件设置于一个所述镂空部中。多个所述气敏元件与多个所述镂空部一一对应设置。所述基底上设置有所述气敏元件，所述基底与所述气敏元件没有接触的部位设置为所述镂空部，从而可以使得所述基底的面积变小。由于设置有所述镂空部的所述基底的面积变小，减小了所述气敏元件阵列封装结构的发热面积，进而降低了所述气敏元件阵列封装结构的热功耗。

附图说明

图1为本发明提供的气体传感器整体结构示意图；

图2为本发明提供的气体传感器整体结构的俯视图；

图3为本发明提供的气体传感器的气敏元件的截面结构示意图；

图4为本发明提供的气体传感器的基片的第一表面的结构示意图；

图5为本发明提供的气体传感器的基片的第二表面的结构示意图；

图6为本发明提供的气体传感器的气敏元件的结构示意图；

图7为本发明提供的气体传感器的气敏元件的电极结构示意图。

附图标记说明

气体传感器10、基底20、镂空部30、气敏元件40、基片410、具有第一表面412、第二表面414、加热电极层420、加热电极层电极422、测试电极层430、测试电极层电极432、气敏材料层440、连接臂450、电极连接部50、排针固定座502、排针电极504、排针孔506。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1-2，本发明提供的一种气体传感器10包括：基底20以及多个气敏元件40。所述基底20设置有多个间隔设置的镂空部30。每个所述气敏元件40悬空设置于一个所述镂空部30中。多个所述气敏元件40与多个所述镂空部30一一对应间隔设置。所述基底20上设置有所述气敏元件40，所述基底20与所述气敏元件40没有接触的部位设置为所述镂空部30，从而可以使得所述基底20的面积变小。由于设置有所述镂空部30的所述基底20的面积变小，减小了所述气体传感器10的发热面积，进而降低了所述气体传感器10的热功耗。

请参见图3，在一个实施例中，所述气敏元件40包括基片410、加热电极层420、测试电极层430以及气敏材料层440。所述基片410具有第一表面412和与所述第一表面412相对的第二表面414。所述基片410悬空设置于所述镂空部30。所述加热电极层420设置于所述第一表面412。所述测试电极层430设置于所述第二表面414。气敏材料层440设置于所述第二表面414，并覆盖所述测试电极层430。在所述基片410相对的两个表面分别设置有所述加热电极层420与所述测试电极层430，可以使得所述加热电极层420与所述测试电极层430分离，减小了所述气体传感器10的发热面积，降低了所述气体传感器10的热功耗。

在所述基片410的所述第一表面412与所述第二表面414上分别印刷所述加热电极层420与所述测试电极层430。同时，在所述第一表面412与所述第二表面414上分别印刷连接电路，从而得到加热插齿、测试电路插齿和导线连接电路。在所述基片410上印刷电极时可以采用丝网印刷技术。同时，所述气敏材料层440设置于所述第二表面414，并覆盖所述测试电极层430。也就是说，此时，所述测试电极层430设置于所述基片410上，所述气敏材料层440的下面，所述加热电极层420设置于所述基片410背面。

在一个实施例中，所述加热电极层420与所述测试电极层430在电极制备时采用丝网印刷技术进行制备，同时，根据所述电极的设计图来制备，在各电极区采用金丝球焊技术焊接电极引线。所述加热电极层420本身就是一个发热电阻，可以起到加热的作用。为了使得所述气敏元件40在一个干燥且恒温的条件下灵敏的工作，所述加热电极层420可以去除吸附在所述气敏元件40的油污、尘埃以及潮气等，加速气体的吸附，提高灵敏度和响应速度。此时，所述气敏元件40根据所述气敏材料层440形成的气敏薄膜可以与待测气体相互作用，使得所述气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化。当检测气体浓度不同时，膜层质量和导电率变化程度亦不同。同时，所述测试电极层电极432与所述气敏材料层440之间有较好的欧姆连接性能，所述气敏元件40在检测气体时反应的电阻变化信息即为所述气敏材料层440的气敏反应信息。

在一个实施例中，所述基片410与所述基底20一体成型。所述基片410与所述基底20一体成型可以使得多个所述气敏元件40固定连接在一起，且固定设置于所述基底20上。所述基片410与所述基底20一体成型，可以使得所述气体传感器10直接与外部电路相连接，降低了所述气体传感器10的成本，也可方便地实现各种模组功能。

在一个实施例中，所述加热电极层420为图案化电极，所述测试电极层430也为图案化电极。所述加热电极层420与所述测试电极层430可以通过丝网印刷技术进行印刷。在制备电极时，可以根据电极的设计图案来进行制备。所述丝网印刷技术可以批量生产、价格便宜以及覆盖力强等优点，具有很大的灵活性和广泛的适用性。

在一个实施例中，所述气敏元件40还包括至少两个连接臂450。所述基片410通过所述至少两个连接臂450与所述镂空部30连接，进而使得所述气敏元件40可以通过至少两个所述连接臂450与所述镂空部30连接。因此，所述气敏元件40可以与所述基底20连接，可以使得所述气体传感器10一体成型，方便安装卸载，实用性更强。

在一个实施例中，所述镂空部30为开设于所述基底20的通孔。多个所述气敏元件40与多个所述镂空部30一一对应间隔设置，同时切除了所述基底20上多余的部分，从而使得所述基底20为镂空。因此，由于镂空后的所述基底20的面积变小，减小了所述气体传感器10的发热面积，进而降低了所述气体传感器10的热功耗。

在一个实施例中，所述气体传感器10进一步包括两个电极连接部50，间隔固定设置于所述基片20的两端。通过两个所述电极连接部50可以使得所述气体传感器10与基座或电路板上的电极进行连接，进而实现各个组件的功能。同时，通过所述电极连接部50方便安装使用。其中，所述电极连接部50的个数至少为两个，以方便固定所述气体传感器10，使得所述气体传感器10的机械稳定性更好。

在一个实施例中，所述电极连接部50包括排针固定座502以及多个排针电极504。所述排针固定座502固定设置于所述基片20，且所述排针固定座502设置有多个排针孔506。每个所述排针电极504通过一个所述排针孔506固定设置于所述排针固定座502，用以与所述气敏元件40电连接。在所述排针固定座502设置有多个排针孔506，从而使得每个所述排针电极504通过一个所述排针孔506固定设置于所述排针固定座502。多个所述排针电极504分别与所述加热电极层电极422和所述测试电极层电极432连接，从而实现与基座或电路板上的电极连接，进而实现与所述气敏元件40电连接，完成对待测气体的检测并获得气体相关信息。

所述多个排针电极504可以通过所述排针孔506固定于所述排针固定座502，进而可以实现排针插拔的方式与应用电路进行连接。所述应用电路直接与所述电极连接部50的所述多个排针电极504连接，可以与各种型号传感器基座粘合，也可以与电路板直接插接。并且当所述气体传感器10与电路板直接插接时，更节省空间，也能更方便的实现各种功能化的模组电路。所述气体传感器10采用排针插拔的方式连接稳固，反复冷热冲击下不易脱落，机械稳定性好。同时，所述气体传感器10直接与应用电路相连，成本更低，也可方便地实现各种模组功能。

在一个实施例中，所述电极连接部50的所述多个排针电极504的排针电极个数总共为14根，且所述气体传感器10设置有8个所述气敏元件40。两个所述电极连接部50分别设置有7根所述排针电极504。其中，8根所述排针电极504分别独立连接8个所述气敏元件40的所述测试电极层电极432的正极；每4个所述气敏元件40的所述测试电极层电极432的负极分别与2根所述排针电极504连接；每4个所述气敏元件40的所述加热电极层电极422的一端分别与2根所述排针电极504连接；每4个所述气敏元件40的所述加热电极层电极422的另一端分别与2根所述排针电极504连接。根据所述气体传感器10可以设计与其相对应的电路板，满足电路板接口与14根所述排针电极504对应的电路需求。

在一个实施例中，一种气体传感器的制备方法，包括以下步骤：提供一个基底20。所述基底20包括第一表面412和与所述第一表面412相对的第二表面414。在所述第一表面412间隔形成多个加热电极层420。在所述第二表面414间隔形成多个测试电极层430，每个所述测试电极层430与一个所述加热电极层420相对所述基底20对称设置。在所述第二表面414间隔形成多个气敏材料层440，每个气敏材料层440覆盖一个所述加热电极层420。切割处理所述基底20，使得所述基底20形成多个镂空部30，每个所述镂空部30设置有一个所述加热电极层420和一个测试电极层430。

在一个实施例中，通过丝网印刷在所述基底20的所述第一表面412与所述第二表面414分别印刷加热电极层420、所述测试电极层430以及连接电路。然后，通过激光切割处理所述基底20中不需要区域，得到所述镂空部30，进而获得镂空阵列基片。同时，在所述第二表面414间隔形成多个气敏材料层440，每个气敏材料层440覆盖一个所述加热电极层420。通过丝网印刷得到金属氧化物气敏元件阵列基片。

在一个实施例中，所述气体传感器的制备方法还包括：在所述基底20的两端固定设置两个排针固定座502，每个所述排针固定座502设置有多个排针孔506。在每个所述排针孔506中固定设置一个排针电极504，并与所述气敏元件40电连接。所述多个排针电极504与所述基底20上的电极以及电路进行焊接连接，并通过插拔的方式实现信号的引出。相对于传统工艺，如钎焊等连接方式，制备工艺过程非常简单。

在一个实施例中，金属氧化物气敏8元件的传感器，其制作步骤为：

第一步：通过丝网印刷在所述基底20的所述第一表面412与所述第二表面414分别印刷加热电极层420、所述测试电极层430以及连接电路，获得金属氧化物气敏元件阵列基片。

具体为，首先在所述第二表面414上，印制材料为金的所述测试电极层430，然后在850℃温度下烧结15分钟；其次，在所述第一表面412上，印制材料为金铂的所述加热电极层420，在850℃温度下烧结25分钟；

第二步：通过激光切割处理所述基底20中不需要的区域，得到所述镂空部30，进而获得镂空阵列基片；

第三步：印制ZnO材料，在300℃温度下烧结2小时，然后微滴注8种不同的金属氯化物溶液，再在600℃温度下烧结2小时，在所述第二表面414间隔形成多个气敏材料层440，每个气敏材料层440覆盖一个所述加热电极层420，从而得到8种不同材料体系的传感器10；

第四步：所述多个排针电极504分别与所述加热电极层电极422、所述测试电极层电极432以及电路进行焊接；

第五步：通过金丝球焊的方法，将所述传感器10上的所述测试电极层电极432与基座或电路板上的电极进行连接，实现信号的引出。

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

Claims (10)

1.一种气体传感器，其特征在于，包括：

基底(20)，所述基底(20)设置有多个间隔设置的镂空部(30)；以及

多个气敏元件(40)，每个所述气敏元件(40)悬空设置于一个所述镂空部(30)中。

2.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述气敏元件(40)包括：

基片(410)，所述基片(410)具有第一表面(412)和与所述第一表面(412)相对的第二表面(414)，所述基片(410)悬空设置于所述镂空部(30)；

加热电极层(420)，设置于所述第一表面(412)；

测试电极层(430)，设置于所述第二表面(414)；

气敏材料层(440)，设置于所述第二表面(414)，并覆盖所述测试电极层(430)。

3.如权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，所述基片(410)与所述基底(20)一体成型。

4.如权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，所述加热电极层(420)为图案化电极，所述测试电极层(430)也为图案化电极。

5.如权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，所述气敏元件(40)还包括：

至少两个连接臂(450)，所述基片(410)通过所述至少两个连接臂(450)与所述镂空部(30)连接。

6.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述镂空部(30)为开设于所述基底(20)的通孔。

7.如权利要求1-6中任一项所述的气体传感器，其特征在于，进一步包括两个电极连接部(50)，间隔固定设置于所述基片(20)的两端。

8.如权利要求7所述的气体传感器，其特征在于，所述电极连接部(50)包括：

排针固定座(502)，所述排针固定座(502)固定设置于所述基片(20)，且所述排针固定座(502)设置有多个排针孔(506)；以及

多个排针电极(504)，每个所述排针电极(504)通过一个所述排针孔(506)固定设置于所述排针固定座(502)，用以与所述气敏元件(40)电连接。

9.一种气体传感器的制备方法，包括以下步骤：

提供一个基底(20)，所述基底(20)包括第一表面(412)和与所述第一表面(412)相对的第二表面(414)；

在所述第一表面(412)间隔形成多个加热电极层(420)；

在所述第二表面(414)间隔形成多个测试电极层(430)，每个所述测试电极层(430)与一个所述加热电极层(420)相对所述基底(20)对称设置；

在所述第二表面(414)间隔形成多个气敏材料层(440)，每个气敏材料层(440)覆盖一个所述加热电极层(420)；

切割处理所述基底(20)，使得所述基底(20)形成多个镂空部(30)，每个所述镂空部(30)设置有一个所述加热电极层(420)和一个测试电极层(430)。

10.如权利要求9所述的气体传感器的制备方法，其特征在于，还包括：

在所述基底(20)的两端固定设置两个排针固定座(502)，每个所述排针固定座(502)设置有多个排针孔(506)；

在每个所述排针孔(506)中固定设置一个排针电极(504)，并与所述气敏元件(40)电连接。