CN108107082A - 一种检测中高浓度集成气体传感器及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测中高浓度集成气体传感器及其制备方法于应用，所述传感器包括催化敏感元件、催化补偿元件、热导补偿元件，催化补偿元件同时兼有热导敏感元件功能，因而省略了一个功能元件。将上述催化敏感元件、催化补偿元件、热导补偿元件分别封装在金属管壳内，再封装到一个具有三孔的粉末冶金防爆外壳内，形成一种检测中高浓度的三元件集成气体传感器，解决了中高浓度气体检测问题，检测气体（例如：瓦斯、氢气、甲烷、丙烷、丁烷、液化天然气、液化石油气、汽油、煤油、有机溶剂等）的浓度范围为0.05~100%，适用于石油、化工、冶金、矿山、医药、城镇燃气等应用领域。

Description

一种检测中高浓度集成气体传感器及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种气体传感器及其制备方法，尤其涉及一种检测中高浓度集成气体传感器及其制备方法。

背景技术

目前，催化气体传感器和热导气体传感器技术广泛应用于工业、农业、国防、科学研究领域。例如：煤矿瓦斯监测采用催化传感器，用于检测瓦斯浓度范围0.05%～4%，采用热导传感器，用于检测瓦斯浓度范围4%～100%；加气站的液化天然气、液化石油气采用催化传感器，用于检测燃气浓度范围0.05%～100%LEL（爆炸下限），采用热导传感器，用于检测瓦斯浓度范围100%LEL～100%。由于危险的易燃易爆气体的防爆要求水平的不断提高，很多危险气体环境不但要检测中等气体浓度（爆炸下限），往往还要检测泄露时产生的高浓度（甚至达到100%气体浓度）。

CN201480072972.X公开了一种具有钨或钨氧化物气体感测元件的集成气体传感器，所述传感器设置有：半导体材料的衬底；以及多个互连层的结构，布置在衬底上并由多个堆叠的导电层和介电层构成。气体感测元件被集成在多个互连层的结构内，并且至少一个电极布置在多个互连层的结构内，被电连接至气体感测元件并被设计为提供电流(Iox)至气体感测元件，以便使气体感测元件加热。

CN201510568194.X公开了一种催化燃烧式气体传感器，所述传感器主要由惠斯通电桥结构、防爆封装腔、助测剂、信号转化器、浓度显示装置等组成。该催化燃烧式气体传感器在用于甲烷检测时,采用助测剂，在检测过程中不易产生烧结物；无需配套的氧气含量分析仪,在氧气不足的情况下依然能够准确、稳定地检测出甲烷含量；检测灵敏度不会随着使用时间而变低。

CN201510369272.3公开了一种补偿型电阻式集成气体传感器阵列及其制备方法，所述传感器阵列包括2n个叉指电极和n个转换电路,每两个叉指电极构成一组,共n组,每一组叉指电极中一个作为补偿电阻的基本结构，另一个作为探测电阻的基本结构，叉指电极与转换电路集成在同一个芯片上；用气喷成膜的方法将敏感薄膜沉积在同一组叉指电极制备探测电阻和补偿电阻，同一组的叉指电极同时喷涂同种薄膜，不同组叉指电极喷涂不同薄膜。该发明有效减小了传感器系统的体积，有效地提高了传感器对待测气体或蒸汽分子的响应灵敏度，避免了外界环境温湿度和电路本身漂移等影响，功耗低，可以用于对混合气体检测的各种电子鼻系统中。

CN201310657175.5公开了一种多电极组合式集成气体传感器，所述传感器包括：绝缘基底、形成于基底上的加热器及加热器电极、形成于基底上以一定规则分布的N个敏感电极、形成于基底上的传感薄膜。不同敏感电极相互不接触，敏感电极与加热器不接触。传感薄膜包含传感微粒，并且覆盖全部敏感电极表面。该传感器特征是，N大于2，从N个敏感电极中，每次选择两个作为传感器单元输出，共有N(N-1)/2种组合，构成了含有N(N-1)/2个传感器单元的传感器阵列。该发明的效果和益处是，相比于含有相同数量传感器单元的现有技术，减小了传感器阵列体积，减少了电极的数量，即利用有限数量电极形成更多地传感器单元。

CN201620505671.8公开了一种集成式气体成份传感器探头，所述传感器探头包括两端开口的导流管，所述导流管的一端为进气口，导流管的另一端为连接接线盒的出线口，导流管的进气口与出线口通过一调节护套气密隔离开，导流管中设置有原位式传感器和气体抽吸管，导流管位于进气口与调节护套之间的管壁上开设有一个出气孔，原位式传感器的探头部以及气体抽吸管的一端位于导流管的进气口与出气孔之间，气体抽吸管的另一端伸出导流管的出线口。该实用新型还涉及一种集成式气体成份检测结构，能够解决现有气体成份传感器在检测时被测容器开孔过多、检测可靠性不高、传感器使用寿命短的问题。

从上述近年的相关专利分析来看，都不同程度的涉及到了气体传感器的集成化问题，但是专利检索和文章检索中未见有将催化燃烧式气体传感器和热导式气体传感器进行有机集成的。由于目前单一的催化燃烧式气体传感器或是热导式气体传感器都是独立的检测传感器，因而就单独使用时只能检测一个气体浓度区间，无法覆盖中高气体浓度范围。目前检测中浓度的方法是采用催化传感器，它包含催化敏感元件和催化补偿元件，分别组装到带孔的金属管座中，再封装到粉末冶金防爆壳中形成催化传感器；而检测高浓度的方法是采用热导传感器，它包含热导敏感元件和热导补偿元件，分别组装到带孔的金属管座中和不带孔的金属管座中，再封装到粉末冶金防爆壳中形成热导传感器。

实际工程应用中，若要检测中高气体浓度只能是采用催化传感器和热导传感器两种传感器配合一起使用。应用催化传感器和热导传感器检测危险气体常常要再次封装到不同的变送器壳体中，形成2套独立的检测仪表，制造复杂，体积大，成本高，给产品应用带来不便，难以满足当前各类应用领域的要求。

发明内容

为了解决现有催化传感器和热导传感器组合使用带来的制造复杂、体积大、成本高等问题，本发明提供了一种检测中高浓度集成气体传感器及其制备方法与应用。该集成气体传感器包括催化敏感元件、催化补偿元件、热导补偿元件，催化补偿元件同时兼有热导敏感元件功能，因而省略了一个功能元件。将上述三个元件分别封装在金属管壳内，再封装到一个具有三孔的粉末冶金防爆外壳内，形成一种检测中高浓度的三元件集成气体传感器，解决了中高浓度气体检测问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种检测中高浓度集成气体传感器，包括催化敏感元件、催化补偿元件、热导补偿元件、金属管壳、粉末冶金防爆外壳、环氧树脂、二针金属管座和金属引线柱，其中：

所述粉末冶金防爆外壳内设置有成一字型或三角型排列的孔A、孔B和孔C；

所述孔A内封装有由上面开孔的金属管壳A封装的催化敏感元件，孔B内封装有由上面开孔的金属管壳B封装的催化补偿元件，孔C内封装有由封闭的无孔金属管壳C封装的热导补偿元件；

所述催化敏感元件焊接在二针金属管座上，二针金属管座封装在金属管壳A内；

所述催化补偿元件焊接在二针金属管座上，二针金属管座封装在金属管壳B内；

所述热导补偿元件焊接在二针金属管座上，二针金属管座封装在无孔金属管壳C内；

所述二针金属管座与粉末冶金防爆外壳之间由环氧树脂灌封；

所述催化敏感元件、催化补偿元件和热导补偿元件的信号输出端分别由金属引线柱引出至粉末冶金防爆外壳外。

一种上述检测中高浓度集成气体传感器的制备方法，包括如下步骤：

（1）将催化敏感元件、催化补偿元件、热导补偿元件分别焊接到二针金属管座上，然后封装在金属管壳内，其中：催化敏感元件封装在上面开孔的金属管壳A内，催化补偿元件封装在上面开孔的金属管壳B内，热导补偿元件封装在封闭的无孔金属管壳C内；

（2）将上述金属管壳封装好的元件封装到具有三孔的粉末冶金防爆外壳内，再用环氧树脂灌封，催化敏感元件、催化补偿元件和热导补偿元件的信号输出端分别由金属引线柱引出，形成一种具有隔爆型的检测中高浓度的三元件集成气体传感器。

本发明具有如下优点：

本发明的气体传感器结构紧凑，将催化补偿元件和热导敏感元件合二为一，实现检测中等浓度的催化传感器和检测高浓度的热导传感器有机集成，检测气体（例如：瓦斯、氢气、甲烷、丙烷、丁烷、液化天然气、液化石油气、汽油、煤油、有机溶剂等）的浓度范围为0.05~100%，适用于石油、化工、冶金、矿山、医药、城镇燃气等应用领域。

附图说明

图1为检测中高浓度集成气体传感器的结构示意图；

图2为本发明检测中高浓度集成气体传感器元件一字型组装俯视剖视图；

图3为检测中高浓度集成气体传感器元件三角形组装俯视剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本发明提供的检测中高浓度集成气体传感器由催化敏感元件1、催化补偿元件2、热导补偿元件3、金属管壳、粉末冶金防爆外壳7、环氧树脂8、二针金属管座9和金属引线柱10构成，其中：

所述粉末冶金防爆外壳7内设置有成一字型或三角型排列的孔A、孔B和孔C；

所述孔A内封装有由上面开孔的金属管壳A4封装的催化敏感元件1，孔B内封装有由上面开孔的金属管壳B5封装的催化补偿元件2，孔C内封装有由封闭的无孔金属管壳C6封装的热导补偿元件3；

所述催化敏感元件1焊接在二针金属管座9上，二针金属管座9垂直封装在金属管壳A4内；

所述催化补偿元件2焊接在二针金属管座9上，二针金属管座9封装在金属管壳B5内；

所述热导补偿元件3焊接在二针金属管座9上，二针金属管座9封装在无孔金属管壳C6内；

所述二针金属管座9与粉末冶金防爆外壳7之间由环氧树脂8灌封；

所述催化敏感元件1、催化补偿元件2和热导补偿元件3的信号输出端分别由金属引线柱10引出至粉末冶金防爆外壳7外。

具体制备方法如下：

（1）将催化敏感元件1、催化补偿元件2、热导补偿元件3分别焊接到二针金属管座9上，然后封装在金属管壳内，其中：催化敏感元件1封装在上面开孔的金属管壳A4内，催化补偿元件2封装在上面开孔的金属管壳B5内，热导补偿元件3封装在封闭的无孔金属管壳C6内。

（2）将上述金属管壳封装好的元件封装到具有三孔的粉末冶金防爆外壳7内，二针金属管座9与粉末冶金防爆外壳7之间用环氧树脂8灌封，催化敏感元件1、催化补偿元件2和热导补偿元件3的信号输出端分别由金属引线柱10引出，形成一种具有隔爆型的检测中高浓度的三元件集成气体传感器。

如图2所示，所述催化敏感元件1、催化补偿元件2和热导补偿元件3成一字型组装，如图3所示，所述催化敏感元件1、催化补偿元件2和热导补偿元件3成三角型组装。

本发明中，所述粉末冶金防爆外壳7由20～120目粉末冶金制备而成，壁厚度为2～4mm。

本发明中，所述环氧树脂8灌封的厚度不小于3mm。

本发明中，所述催化补偿元件2同时兼有热导敏感元件功能。

本发明中，所述检测中高浓度集成气体传感器的原理如下：

催化气体敏感单元的工作原理：催化燃烧传感器能够测量危险气体（可燃性）的爆炸下限，也称为接触燃烧式传感器，内部由敏感单元和补偿单元组成。两单元与标准电阻接成惠斯顿电桥，在无可燃性气体时桥路平衡，当空气中的可燃性气体扩散至传感器敏感元件时，即在其表面产生氧化反应，检测元件温度升高，阻值变大，桥路失去平衡，经放大调整，输出与可燃性气体浓度成线性关系的电压（电流）信号。

热导式气体敏感单元的工作原理：传统热导式气体传感器检测方式依据不同可燃性气体的导热系数与空气的差异来测定气体的浓度，其检测方法是将待测气体送人气室，气室中央是热敏单元（铂丝线圈），对热敏单元加热到一定温度，当待测气体的导热系数较高时，将使热量更容易从热敏单元上散发，使其电阻减小，通常由热敏单元和一封闭的相同热敏单元组成惠斯登电桥，通过桥路的不平衡电压输出变化反映被测气体导热系数的变化，从而实现对气体浓度的检测。

本发明提供的上述检测中高浓度集成气体传感器可与信号调理电路组成气体检测仪表以及报警仪器，在正常环境条件下，检测气体（例如：瓦斯、氢气、甲烷、丙烷、丁烷、液化天然气、液化石油气、汽油、煤油、有机溶剂等）的浓度范围为0.05~100%，能满足石油、化工、冶金、矿山、医药、城镇燃气、加气站、加油站、危化品运输等应用领域的使用要求。

Claims (9)

1.一种检测中高浓度集成气体传感器，其特征在于所述传感器包括催化敏感元件、催化补偿元件、热导补偿元件、金属管壳、粉末冶金防爆外壳、环氧树脂、二针金属管座和金属引线柱，其中：

所述粉末冶金防爆外壳内设置有孔A、孔B和孔C；

所述孔A内封装有由上面开孔的金属管壳A封装的催化敏感元件，孔B内封装有由上面开孔的金属管壳B封装的催化补偿元件，孔C内封装有由封闭的无孔金属管壳C封装的热导补偿元件；

所述催化敏感元件焊接在二针金属管座上，二针金属管座封装在金属管壳A内；

所述催化补偿元件焊接在二针金属管座上，二针金属管座封装在金属管壳B内；

所述热导补偿元件焊接在二针金属管座上，二针金属管座封装在无孔金属管壳C内；

所述催化敏感元件、催化补偿元件和热导补偿元件的信号输出端分别由金属引线柱引出至粉末冶金防爆外壳外。

2.根据权利要求1所述的检测中高浓度集成气体传感器，其特征在于所述孔A、孔B和孔C成一字型或三角型排列。

3.根据权利要求1所述的检测中高浓度集成气体传感器，其特征在于所述二针金属管座与粉末冶金防爆外壳之间由环氧树脂灌封。

4.根据权利要求3所述的检测中高浓度集成气体传感器，其特征在于环氧树脂灌封的厚度不小于3mm。

5.根据权利要求1或3所述的检测中高浓度集成气体传感器，其特征在于所述粉末冶金防爆外壳7由20～120目粉末冶金制备而成。

6.根据权利要求1所述的检测中高浓度集成气体传感器，其特征在于所述粉末冶金防爆外壳7的壁厚度为2～4mm。

7.根据权利要求1所述的检测中高浓度集成气体传感器，其特征在于所述传感器检测气体的浓度范围为0.05~100%。

8.一种权利要求1-7任一权利要求所述的检测中高浓度集成气体传感器的制备方法，其特征在于所述方法具体制备步骤如下：

（1）将催化敏感元件、催化补偿元件、热导补偿元件分别焊接到二针金属管座上，然后封装在金属管壳内，其中：催化敏感元件封装在上面开孔的金属管壳A内，催化补偿元件封装在上面开孔的金属管壳B内，热导补偿元件封装在封闭的无孔金属管壳C内；

（2）将上述金属管壳封装好的元件封装到具有三孔的粉末冶金防爆外壳内，再用环氧树脂灌封，催化敏感元件、催化补偿元件和热导补偿元件的信号输出端分别由金属引线柱引出，形成一种具有隔爆型的检测中高浓度的三元件集成气体传感器。

9.一种权利要求1-7任一权利要求所述的检测中高浓度集成气体传感器与信号调理电路组成气体检测仪表或报警仪器。