CN1158995A - 气体传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种能有效检测由烟雾发出的气味、一般的臭味例如TMA和CH3SH、Kimchi的气味、乙醛等的空气污染气体传感器，及其制造方法。该空气污染气体传感器包括：基片；形成在该基片上的加热器；每一个皆形成在该基片上且与加热器绝缘的电极；及在包括该电极的该基片上由包含WO3的SnO2构成的敏感层。制造气体传感器的方法包括以下步骤：在基片上形成加热器；在基片上形成与加热器绝缘的电极；及在包括电极的基片上形成包含WO3的SnO2敏感层。
Description
本发明涉及一种气体传感器，特别涉及一种能有效检测烟雾发出的气味、一般的臭味例如TMA和CH3SH、Kimchi的气味、乙醛等的空气污染气体传感器，及其制造方法。
通常，空气污染气体传感器是通过下面一系列的过程工作的，即，当空气污染气体传感器的敏感材料的表面吸附漂浮在空气中的还原气体时，空气污染气体传感器会因交换电子而产生氧化/还原反应。即还原气体R与已吸附在加热的传感器表面的氧离子(O-)结合产生如以下化学式所表示的改变导电性的导电电子。
这些反应随还原气体R、传感器的材料(敏感材料)、催化剂的量和种类、工作温度(加热的温度)等等而大不相同。因此，应按照要检测的气体对传感器的敏感材料和催化剂的种类及数量作适当调整。此外，由于传感器的表面需要适当地加热，必须在传感器内安装加热器。另外，还应考虑成本、批量生产的可行性和传感器的寿命。
气体传感器一般用于检测和显示空气污染的程度并对污染进行适当地控制(即，用来净化)的空气净化器和空气调节器等中的显示器和除臭(deodoring)器件。
下面参照图1说明常规的空气污染气体传感器。
如图1所示，检测空气污染程度的常规空气污染气体传感器包括以线圈的形式固定在陶瓷管1内用来加热传感器的加热器2、形成在陶瓷管1的外壁上并具有连接到其上的引线4的电极3-1，3-2、和在管1的外壁上位于电极3-1，3-2之间的混有如Pd或Pt等贵金属催化剂的SnO2敏感层5。
首先，由加热器2加热常规空气污染气体传感器，并使加热器保持在预定的已升高的激活敏感层5与被检测气体反应的温度。
当气体与加热的敏感层5的表面接触时，电子在被检测气体分子和敏感层5表面间运动，从而引起导电性改变，即，在电流流过电极3-1，3-2间时，电阻随之改变，这便可检测到气体的存在。
图2显示了用常规空气污染气体传感器检测的空气污染程度的结果(没有发现气体的状态与发现气体的状态相比较)。参见图2，电阻随乙醇、氢、和碳氢化合物浓度的增加而减小，这表明因为常规空气污染气体传感器与乙醇、氢、和碳氢化合物发生反应，所以常规空气污染气体传感器主要与包含日常生活中的空气污染组成部分的上述气体的气味或气体反应。
作为一个典型的实例，当香烟发出的烟包括微量的CO、H2、HC等时，常规空气污染气体传感器能够检测到这种烟。除检测香烟外，常规空气污染气体传感器主要用来检测与空气污染程度或臭味毫无关系的CO、CH4、C4H10。
然而，常规空气污染气体传感器有以下问题：
首先，常规空气污染气体传感器在检测香烟的烟味之一的CH3CHO、构成汗和脚的气味的C5H10O2、腐败的食物发出的臭味的TMA([CH3]3N)和CH3SH、及Kimchi气味时是较不敏感的。
第二，由于常规空气污染气体传感器的结构复杂，安装加热器和涂敷敏感层需依次由人工完成，所以常规空气污染气体传感器的制造工艺时间长，很难批量生产。
因此，本发明的目的是提供一种空气污染气体传感器及其制造方法，基本上能克服由于已有相关技术的限制和缺点而引起的一个或多个问题。
本发明的一个目的是提供一种检测烟、腐败食物发出的臭味、汗味等等的空气污染气体传感器及其制造方法。
本发明的另一个目的是提供一种适于批量生产的简化了结构的空气污染气体传感器及其制造方法。
本发明另外的特点和优点会在以下的说明中体现出来，部分将从说明中显现，或可通过实施本发明获悉。由本发明的说明书、权利要求书及附图中所特别指出的结构可实现和获得本发明的目的和其它优点。
为了实现这些和其它优点，按照本发明的目的，有关具体的和概要的说明如下，本发明的空气污染气体传感包括：基片，形成在基片上的加热器，每一个皆形成在基片上且与加热器绝缘的电极，及在包括电极的基片上由包含WO3的SnO2构成的敏感层。
在本发明的另一方案中，提供一种制造空气污染气体传感器的方法，该方法包括下列步骤：提供基片，在基片上形成加热器，形成与加热器绝缘的电极，及在包括电极的基片上形成包含WO3的SnO2敏感层。
应该明白，上述一般的说明和下面的详细说明皆是示范性和说明性的，对本发明的进一步解释如权利要求书所述。
附图可提供对本发明的进一步的理解，并与说明书结合且构成说明书的一部分，来描述发明的实施例，并与说明书一起解释这些图的原理。
在附图中，
图1表示常规空气污染气体传感器的结构；
图2表示常规空气污染气体传感器的气体检测特性；
图3是按照本发明的空气污染气体传感器的布局；
图4是按照本发明的空气污染气体传感器的剖面图。
图5a和5b表示制造按照本发明的空气污染气体传感器的工艺步骤；
图6示出了用本发明的空气污染气体传感器的检测气体的电路；及
图7表示常规空气污染气体传感器和本发明的气体传感器的电压输出变化特性。
下面详细说明本发明的优选实施例，这些实例示于附图中。
图3是按照本发明的空气污染气体传感器的布局，图4是参照图3的线IV-IV的剖面图，本发明的空气污染气体传感器包括：Al2O3基片1，形成在Al2O3基片上的Pt加热器2，及形成在Al2O3基片1上包含WO3的SnO2敏感层4，该Al2O3基片1具有形成于其上且与加热器2绝缘的电极3。
下面将参照图5a和5b说明一种制造空气污染气体传感器的方法，图5a和5b表示制造本发明的空气污染气体传感器的工艺步骤。
参见图5a和5b，在制造本发明的空气污染气体传感器的方法中，首先提供Al2O3基片，形成加热器和电极图形掩模，覆盖Al2O3基片，并用丝网印刷的方法将Pt浆料印制到Al2O3基片上，以形成加热器2和电极3。加热器2和电极3之间必须相互绝缘。然后，在基片干燥后，在约1100℃的温度对它进行热处理。然后将敏感材料浆料印制在包括电极3的Al2O3基片上。
参见图5b，其中制备敏感材料浆料的方法是将超过90％的SnO2与1-10％的WO3均匀混合。然后为形成有合适粘度的浆料将有机粘合剂加入均匀混合的粉末。然后用3-辊碾磨机碾磨该混合物，以使该粉末和有机粘合剂很好地混合，并碾磨成预定尺寸。如图5a所示，用丝网印刷法把这样所获得的浆料印制在包括电极3的Al2O3基片1上，形成敏感层4。使基片干燥预定时间，并在600℃对它进行热处理。然后，尽管未示出，把Pt线与加热器2和电极3连接，封装，完成气体传感器的制造
图6是前述气体传感器工作的电路。
参见图6，同时给敏感层4和加热器2加5V电压，把空气污染气体传感器加热到250℃，把电阻RL连接到敏感层4的电阻Rs上产生一个输出电压。
当还原气体被吸附在空气污染气体传感器表面上并与之反应时，由于敏感层4的电阻Rs的阻值减小，输出电压增加，所以可以检测到目标气体的存在。
图7表示用于不同的典型的气味成分的常规空气污染气体传感器和本发明的空气污染气体传感器的电压输出变化特性。即，图7表示在少量气体注入到空气污染气体传感器安装于其中的501容积的密封的盒子中时，随着时间的变化，空气污染气体传感器的输出电压的变化。
参见图7，在少量香烟的烟(相当于1/20支香烟的烟量)注入到盒子中时，本发明的空气污染气体传感器在约30秒内是稳定的，并示出输出电压差(ΔV)大于1.8V，而常规空气污染气体传感器只显示出0.4V。对于腐败食物的臭味、Kimchi味、和乙醛的TMA和CH3SH，本发明的空气污染气体传感器显现出较大的输出电压的变化。而常规空气污染气体传感器显现出很小的电压变化。因此，可知本发明的空气污染气体传感器对各种腐败食物很敏感。
本发明的空气污染气体传感器有这样高的敏感度是因为由于用作本发明的敏感层的敏感材料是与氧化材料催化剂WO3很好混合的SnO2，所以被检测气体(即，TMA、CH3SH、Kimchi气味)的化学反应很容易发生在敏感层4的表面上。如以下化学式所示，催化剂WO3活化SnO2表面的有机气体反应。
R + O- → RO + e-↑ ↑ ↑有机气体 吸附的氧离子 催化剂(WO3)
由于如上述化学式所示产生的电子(e-)，导电性，即，敏感层的电阻随空气污染气体传感器的输出电压的改变而变化，表明目标气体的存在。
此外，因为本发明的空气污染气体传感器的敏感层是以平面形状形成在基片上，所以敏感层的孔隙率容易控制，可形成产生敏感度的较大接触面积。
如上所述，首先，因为敏感层是由添加了催化剂WO3的SnO2构成，本发明的空气污染气体传感器可有效地检测烟草的烟、腐败食物气味的TMA和CH3SH、及乙醛。
本发明的空气污染气体传感器的平面形状可形成较大接触面积，这可以使对气体的敏感度较好，还可使结构简单，制造工艺简单，有助于批量生产。
本领域的技术人员应该清楚，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对制造本发明的空气污染气体传感器的方法作各种改型和变化。但，实际上本发明可覆盖对本发明的改型和变化，这些改型和变化皆落在权利要求和其等同的范围内。
Claims (5)
1、一种气体传感器，包括：
基片；
形成在所述基片上的加热器；
每一个皆形成在所述基片上且与加热器绝缘的电极；及
在包括所述电极的所述基片上由包含WO3的SnO2构成的敏感层。
2、如权利要求1所述的气体传感器，其中，WO3与SnO2的混合比为1-10wt％。
3、一种制造气体传感器的方法，该方法包括下列步骤：
在基片上形成所述加热器；
在基片上形成与加热器绝缘的电极；及
在包括电极的基片形成包含WO3的SnO2敏感层。
4、如权利要求3所述的制造气体传感器的方法，其中，WO3与SnO2的混合比为1-10％。
5、如权利要求3所述的制造气体传感器的方法，其中，制备该敏感层包括以下步骤，即，把SnO2与WO3均匀混合，加入有机粘合制备混合物，用3-辊碾磨机将该混合物碾磨成浆料，把浆料印制基片上。
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