CN1298100A - 正温度系数热敏材料加热式气敏传感器 - Google Patents

Abstract

正温度系数(PTC)热敏电阻材料加热式气敏传感器,属于一种气敏传感器,主要由气敏材料,具有PTC效应的热敏电阻材料制成的加热器,起隔离作用的电绝缘层和传导电极构成;如附图所示,加热器(2)同时也起衬底的作用,上下表面分别制备加热电极(5)和绝缘层(3),绝缘层(3)上制气体传感器电极(4),由加热电极(5)引出电极引脚(6),由传感器电极(4)引出电极引脚(7),然后覆盖气敏材料(1)在表面。传感器可制成烧结型,厚膜型和薄膜型的片式或管式结构,该种加热方式的传感器具有稳定性好,漂移小,功耗低的特点,该种加热方式可广泛用于各种气敏材料制备的需加热的气体探测器。

Description

正温度系数热敏材料加热式气敏传感器

本发明属于一种气敏传感器。这类传感器主要用于气体成份及浓度的检测。

现有加热式气敏传感器的结构有三种类型，即烧结型、厚膜型和薄膜型，加热方式有直热式和旁热式两种。所用加热器一般采用电阻式加热器，对于烧结型气敏传感器用的是电阻线圈加热，结构为：以陶瓷管作衬底，外表面制传导电极，其上涂敷气敏材料，加热电阻线圈置于陶瓷管芯。对于厚膜和薄膜型气敏传感器用的是电阻膜层加热，结构为：以陶瓷基片作衬底，在基片上分别制作加热电阻膜层和气敏传导电极，然后再在电极上沉积或印刷敏感材料。

目前的气传敏感器，无论是采用电阻线圈还是采用电阻薄膜类型的加热器，在实际应用当中都存在着一个缺陷，即加热器一旦制成，加热器的加热功率就固定了。由于加热功率固定，当气敏传感器工作的环境温度发生较大变化时，气敏传感器的工作温度不能保持在所需工作温度点上，因而影响气传敏感器的正常工作，容易造成失误。

本发明的目的就是为了克服已有技术的缺陷，提出了一种稳定性好，具有优良抗温性能的新结构气敏传感器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。本发明中的气敏传感器使用具有正温度系数(PTC)的热敏电阻材料做成加热器，加热器与气敏材料之间增加一个电绝缘层，构成一种新结构的PTC热敏材料加热式气敏传感器。

本发明克服了已有技术的不足，避免了传统工艺制作的气敏传感器由于环境温度的变化造成工作温度点漂移的缺陷，其特点是：

1．当选择了居里点与气敏材料工作温度点一致的具有PTC效应的热敏电阻材料作加热器后，利用了这种材料自身的电阻随温度变化而变化以维持恒定加热温度的特点，达到保证气敏传感器在环境温度发生较大变化时，工作温度恒定的目的，有效地提高了气敏传感器的工作稳定性。

2．由于PTC效应的热敏电阻材料具有间歇式通电工作的特点，因而以具有PTC效应的热敏电阻材料作加热器的气敏传感器较传统加热方式的气敏传感器需要较低的加热功率，属低功耗器件。

3．由于PTC效应的热敏电阻材料作加热器有效地维持了气敏材料表面温度的恒定，大大减小了气敏材料本身电阻因温度变化而产生的变化，有效的降低了气敏传感器的漂移率。

4．由于具有PTC效应的热敏材料种类多样，因此根据不同需要可制作出各种结构与形状的气敏传感器。

图1为PTC热敏电阻材料加热式气传敏感器片式结构原理图；

图2为PTC热敏电阻材料加热式气传敏感器片式结构剖面图；

图3为PTC热敏电阻材料加热式气传敏感器管式结构原理图。

图4为PTC热敏电阻材料加热式气传敏感器管式结构剖面图。

以下结合附图详述本发明。

本发明中的气敏传感器使用具有正温度系数(PTC)的热敏电阻材料作成加热器，为了达到最理想的效果和最佳结构，本发明选择居里点与气敏材料工作温度点一致的PTC热敏电阻材料作加热器。这种PTC热敏电阻材料可以是热敏陶瓷材料如BaTiO₃及掺杂的Ba_1-xLa_xTiO₃等；也可以是具有PTC效应的导电复合高聚物材料，如聚乙烯与金属粉的复合材料。制成的PTC热敏电阻材料加热式气敏传感器主要由：

气敏材料(1)、PTC热敏电阻材料制成的加热器(2)、气敏材料与加热器之间的电绝缘层(3)、以及传感器传导电极(4)和加热器传导电极(5)构成。

加热器(2)同时也起衬底作用，在加热器(2)底面制作加热传导电极(5)并引出电极引脚(6)，在绝缘层(3)上制作传感器传导电极(4)并引出传感器电极引脚(7)。

电绝缘层可以是AlN、Si₃N₄或α-Al₂O₃材料制成。气敏材料可以使用无机非金属材料如SnO₂基、ZnSnO₃基、γ-Fe₂O₃基和γ-Al₂O₃基等系列的气敏材料。使用沉积、印刷或涂敷等工艺可分别制得薄膜型、厚膜型或烧结型的片式结构，(如附图1，2)或管式结构，(如附图3，4)的气敏传感器，此种气敏传感器结构适用于任何需加热工作的气敏材料制作的气敏传感器。

如图1，2所示，本发明采用具有PTC效应的热敏电阻陶瓷片或具有PTC效应的导电复合高聚物软体厚膜材料作为加热器(2)并起气敏传感器的衬底的作用，加热器(2)底面制有加热电极(5)，采用具有良好热导性的电绝缘材料作为绝缘层(3)沉积在衬底上，绝缘层(3)上面制气敏传感器电极(4)，然后用沉积、印刷的方法可分别制得薄膜型、厚膜型气敏传感器。

如图3，4所示，本发明采用具有PTC效应的热敏电阻陶瓷管或具有PTC效应的导电复合高聚物管形材料作为加热器(2)并起气敏传感器的衬底的作用，衬底上面制有加热电极(5)，采用具有良好热导性的电绝缘材料作为绝缘层(3)沉积在衬底上，绝缘层(3)上面制气敏传感器电极(4)，然后用涂敷的方法可制得烧结型管式气敏传感器。

实施例一：BaTiO₃陶瓷管加热式烧结型管式气敏传感器

结构如图3，4所示，制作步骤为：1)将BaTiO₃陶瓷材料加工成管形，作为传感器加热器(2)兼衬底，陶瓷管加热器(2)外表面印制梳状加热传导铂电极(5)，并粘接电极引脚(6)；2)在印有加热电极(5)的表面沉积一层Si₃N₄绝缘层(3)；3)绝缘层(3)上再印制传感器传导铂电极(4)并粘接电极引脚(7)；4)然后将γ-Al₂O₃基甲烷敏气敏浆料涂敷在印有电极(4)的绝缘层(3)上；5)最后入炉烧结，封装。

实施例二：BaTiO₃陶瓷片加热式厚膜型气敏传感器

结构如图1，2所示。制作步骤为：1)用BaTiO₃陶瓷片作为传感器加热器(2)兼衬底，在陶瓷片加热器(2)的下底面印制梳状加热传导铂电极(5)并粘接电极引脚(6)；2)在加热器(2)上表面沉积一层AlN绝缘层(3)；3)绝缘层(3)上再印制传感器传导铂电极(4)并粘接电极引脚(7)；4)然后将SnO₂基氢气敏气敏浆料利用丝网印刷技术印制在印有电极(4)的绝缘层(3)上；5)最后入炉烧结，封装。

实施例三：Ba_1-xLa_xTiO₃陶瓷片加热式薄膜型气敏传感器

结构如图1，2所示。制作步骤为：1)以Ba_1-xLa_xTiO₃陶瓷片作为传感器加热器(2)兼衬底，在加热器(2)下底面印制梳状加热传导铂电极(5)并粘接电极引脚(6)；步骤2)、3)与实施例二相同；4)将γ-Fe₂O₃基CO敏气敏薄膜利用薄膜制备技术沉积在印有传感器电极(4)的绝缘层(3)上；5)封装。

实施例四 复合高聚物加热式薄膜型气敏传感器

1)以具有PTC效应的导电复合高聚物材料，作为传感器加热器(2)及衬底，其余步骤与实施例三相同。由于所采用的导电复合高聚物材料易裁剪、易成型，故可制成各种所需形状如片式或管式的传感器。较常用的结构如图1和图3所示的形状。

Claims (7)

1．一种正温度系数(PTC)热敏电阻材料加热式气敏传感器，主要由气敏材料，加热器，以及加热器传导电极和传感器传导电极构成。其特征是气敏传感器的加热器是采用具有正温度系数(PTC)的热敏电阻材料制成，在加热器与气敏材料之间增加了一个电绝缘层。

2．如权利要求1所述的气敏传感器，其特征是所说的加热器是选用居里点与气敏材料工作温度点一致的具有PTC效应的热敏电阻材料制成。

3．如权利要求1或2所述的气敏传感器，其特征是所说的具有正温度系数的热敏电阻材料为PTC陶瓷材料或PTC导电复合高聚物材料。

4．如权利要求3所述的气敏传感器，其特征是器件结构为片式或管式结构。

5．如权利要求4所述的气敏传感器，其特征是烧结型或厚膜型或薄膜型。

6．如权利要求1或2所述的气敏传感器，其特征是所说的具有正温度系数的导电复合高聚热敏物材料为聚乙烯与金属粉料的复合物。

7．如权利要求1或2所述的气敏传感器，其特征是所说的气敏材料为无机非金属材料。

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