CN218584710U - 催化燃烧型气体传感器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种催化燃烧型气体传感器，其包括微热板、绝缘介质层、催化材料层及温度传感器层。微热板包括基板及设置于基板上的加热层，加热层包括加热电极及与加热电极电连接的加热电阻层，加热电极及加热电阻层均设置于基板。绝缘介质层覆盖于加热电阻层上。催化材料层设置于绝缘介质层远离加热电阻层的一侧。温度传感器层设置于基板上，且远离加热电阻层所在区域。上述催化燃烧型气体传感器，可以减少一个基板，降低成本及供电的功耗，并省去配对的操作，而且使得封装测试更加简单，同时还可以避免检测元件和补偿元件长期工作导致的传感器基线发生漂移。

Description

催化燃烧型气体传感器

技术领域

本实用新型涉及电子器件制造技术领域，特别是涉及一种催化燃烧型气体传感器。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。

近年来，餐饮行业燃气爆炸事故频发，给国家和人民造成重大损失。新的《安全生产法》于2021年9月1日正式实施，要求餐饮行业必须加装可燃气体报警器。目前气体传感器种类繁多，应用范围广泛，大致可分为半导体型、电化学型、催化燃烧型、固体电解质型和红外线型等。其中，催化燃烧型气体传感器能够快速的检测可燃气体的泄露，并且不受高低温、湿度的影响，具有高可靠性、高稳定性，符合汽车电子的需求。尤其是近年来随着微机械加工技术的发展，催化燃烧型气体传感器更是向着微型化、低功耗方向发展。

现有的催化燃烧型气体传感器包含两个黑白元器件，其中黑元件对可燃气体具有催化活性，而白元件没有催化活性作为参比元件，两个元器件通过惠斯通电桥连接在一起，当有可燃气体出现时黑元件表面会产生催化燃烧放热反应改变黑元件的电阻阻值，进而使得惠斯通电桥输出信号发生变化。传统催化燃烧型气体传感器通过将黑白两种催化材料分别涂抹于铂丝上，得到黑元件和白元件，但涂抹过程都是采用手工涂抹，不利于大批量生产，而且传统催化燃烧气体传感器功耗较大，在300-500mW左右。近年来随着微机械加工技术的发展，气体传感器向着微型化、低功耗方向发展。

目前传统催化燃烧气体传感器都是由黑元件和白元件组成，黑元件和白元件要进行配对使得两者之间的电阻相匹配才能够使用，这不仅使得后期组装测试工作量加大，也使得传感器成本增加；而且，由于黑元件和白元件的在长期工作时由于电阻发生变化，使得传感器基线容易发生漂移。

实用新型内容

本实用新型的目的是至少解决上述存在的问题之一。该目的是通过以下技术方案实现的：

本申请的实施例提出了一种催化燃烧型气体传感器，该气体传感器包括：微热板，包括基板及设置于所述基板上的加热层，所述加热层包括加热电极及与所述加热电极电连接的加热电阻层，所述加热电极及所述加热电阻层均设置于所述基板；

绝缘介质层，覆盖于所述加热电阻层上；

催化材料层，设置于所述绝缘介质层远离所述加热电阻层的一侧；

温度传感器层，设置于所述基板上，且远离所述加热电阻层所在区域。

在其中一个实施例中，所述温度传感器层包括温度信号电极及温度感测层，所述温度感测层与所述温度信号电极电连接。

在其中一个实施例中，所述温度感测层环绕所述加热电阻层，或者所述温度感测层位于所述加热电阻层的一侧。

在其中一个实施例中，所述温度感测层与所述加热电阻层所在的区域之间的距离为200μm-3000μm。

在其中一个实施例中，所述温度感测层由热敏电阻、热电阻或热电偶中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述温度感测层的表面设置有绝缘保护层。

在其中一个实施例中，所述绝缘保护层的厚度为1μm-10μm。

在其中一个实施例中，所述温度感测层的宽度为5μm-100μm，厚度为1μm-20μm。

在其中一个实施例中，所述基板包括硅基底及设置于所述硅基底的陶瓷膜，所述加热层及所述温度传感器层均设置于所述陶瓷膜远离所述硅基底的一侧，所述硅基底设置有绝热空气腔，所述绝热空气腔贯通所述硅基底，且所述绝热空气腔位于所述加热电阻层所在的区域。

在其中一个实施例中，还包括封装外壳，所述微热板封闭在所述封装外壳内，所述封装外壳与所述加热电极电连接。

上述催化燃烧型气体传感器，通过在微热板上设置温度传感器层，利用温度传感器层获取环境温度变化的参数，与传统催化燃烧型气体传感器相比，可以无需补偿元件，从而可以减少一个基板，降低成本及供电的功耗，并省去配对的操作，而且使得封装测试更加简单，同时还可以避免检测元件和补偿元件长期工作导致的传感器基线发生漂移。

另外，上述催化燃烧型气体传感器芯片上的加热层、绝缘介质层、催化材料层及温度传感器层等主要元件可采用浆料成膜并高温烧结制备而成，自动化程度较高，产品的稳健性较好。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型第一实施例中的催化燃烧型气体传感器的结构示意图；

图2为图1所示的催化燃烧型气体传感器另一视角的结构示意图；

图3为另一实施方式的催化燃烧型气体传感器的结构示意图；

图4为又一实施方式的催化燃烧型气体传感器的结构示意图；

图5为又一实施方式的催化燃烧型气体传感器的结构示意图；

图6为本实用新型第二实施例的催化燃烧型气体传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向（旋转90度或者在其它方向）并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，在本申请中，由「一数值至另一数值」表示的范围，是一种避免在说明书中一一列举该范围中的所有数值的概要性表示方式。因此，某一特定数值范围的记载，涵盖该数值范围内的任意数值以及由该数值范围内的任意数值界定出的较小数值范围，如同在说明书中明文写出该任意数值和该较小数值范围一样。

请参阅图1及图2，本申请第一实施例的催化燃烧型气体传感器100包括微热板110、绝缘介质层120、催化材料层130及温度传感器层140，绝缘介质层120及温度传感器层140设置于微热板110，催化材料层设置于绝缘介质层120上。

请继续参阅图1，微热板110包括基板111及设置于基板111上的加热层112，加热层112包括加热电极1121及与加热电极1121电连接的加热电阻层1122，加热电极1121与加热电阻层1122均设置于基板111。在一实施例中，基板111包括硅基底1111及设置于硅基底1111的陶瓷膜1112，加热层112及温度传感器层140均设置于陶瓷膜1112远离硅基底1111的一侧。在一实施例中，硅基底1111选自双面氧化、单面氧化或未氧化的单晶硅片或者多晶硅片，单晶硅片的晶向为100或者111。在一实施例中，硅基底1111的厚度为50μm-700μm。在一实施例中，陶瓷膜1112由玻璃及陶瓷体系组成，或者由微晶玻璃体系组成，或者由单相陶瓷组成。在一实施例中，陶瓷膜1112的厚度为1μm-50μm。

在一实施例中，硅基底1111设置有绝热空气腔1113，绝热空气腔1113贯通硅基底1111，且绝热空气腔1113位于加热电阻层1122所在的区域。通过在硅基底111上设置绝热空气腔1113，由于空气具有较低的热导率，使绝热空气腔1113具备良好的绝热性，从而可以使得微热板110具有较小的热容，较快的热相应。

在一实施例中，加热电极1121主要为微热板110提供外界实施的电信号，加热电极1121为具有一定面积的导电焊盘，导电丝能够焊接在加热电极1121上，使加热电极1121通过导电丝与外界电路电性连接。在一实施例中，加热电极1121选自铂、金、银、铜、铝、镍、钨、银/钯、铂/金中的任意一种。在一实施例中，加热电极1121的厚度为0.5μm-50μm。加热电极1121可以通过丝网印刷制成加热电极121的金属浆料并通过高温烧结制备而成。加热电阻层1122为主要发热元件，当外界的电流通过加热电极1121传输到加热电阻层1122时，加热电阻层1122产热焦耳热，从而给微热板110提供热源。在一实施例中，加热电阻层1122的制备材料为锑锡氧化物、铟锡氧化物、氟掺杂二氧化锡、氟磷共掺杂二氧化锡、铝掺杂氧化锌、二氧化钌、二氧化钌/银复合材料、二氧化钌/银钯复合材料中的任意一种。在一实施例中，加热电阻122的电阻值为10Ω-500Ω。在一实施例中，加热电阻层1122的厚度为0.5μm-50μm。加热电阻层1122可以通过丝网印刷制成加热电阻层1122的浆料并通过高温烧结制成。

请继续参阅图1，绝缘介质层120覆盖于加热电阻层1122上。在一实施例中，绝缘介质层120的材料组分与陶瓷膜1112的成分相同。绝缘介质层120可通过丝网印刷的方式并通过高温烧结制得。

请继续参阅图1，催化材料层130设置于绝缘介质层120远离加热电阻层1122的一侧。催化材料层130对特定气体具有催化活性，在微热板110提供的温度下，气体能够在催化材料层130上发生催化燃烧反应。在一实施例中，催化材料层130由催化载体、载体助剂、贵金属催化剂及催化助剂组成。催化材料层130的组成可以与现有的催化燃烧型气体传感器的黑元件相同，具体组成在此不再赘述。

温度传感器层140设置于陶瓷膜1112上，且远离加热电阻层1122所在的区域。温度传感器层140包括均设置于陶瓷膜1112上的温度信号感测电极141及温度感测层142，温度信号感测电极141与温度感测层142电连接。在一实施例中，温度信号感测电极141选自铂、金、银、铜、铝、镍、钨、银/钯、铂/金中的任意一种。温度信号感测电极141的厚度为0.5μm-50μm。

请一并参阅图2，温度感测层142设置于加热电阻层1122的一侧。在另一实施例中，请参阅图3，温度感测层142环绕加热电阻层1122设置。请参阅图4，温度感测层142将电热电阻层1122及加热电极1121包围在内。在一实施例中，温度感测层142与加热电阻层1122所在区域的距离为200μm-3000μm，以避免温度感测层142受加热电阻层1122的影响。在一实施例中，温度感测层142的宽度为5μm-100μm，厚度为0.1μm-20μm，以使温度感测层142具有较合适的电阻值。

温度感测层142由热敏电阻、热电阻或热电偶中的至少一种。热敏电阻为PTC热敏电阻或NTC热敏电阻。具体的，PTC热敏电阻由钛酸钡、钛酸锶或钛酸铅为主要成分并掺入微量的铌、钽、铋、锑、钇、镧等氧化物进行调控，将粉体混合制备成浆料，并印刷烧结制备而成。NTC热敏电阻由锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物粉体混合制备成浆料，并印刷烧结制备而成。热电阻是由金属导体浆料或金属氧化物浆料印刷并烧结制得，其中金属浆料选自铂、金、银、铜、铝、镍、钨、钼中的任意一种，金属氧化物浆料选自二氧化钌或二氧化锡-三氧化二锑中的任意一种。热电偶由铂铑热电偶、镍铬-镍硅热电偶、镍铬硅-镍硅热电偶、镍铬-铜镍热电偶、铜-铜镍热电偶中的一种组成，通过对应的浆料印刷并烧结制备而成。

请参阅图5，温度感测层142环绕加热电阻层1122设置，温度感测层1422由热敏电阻、热电阻、热电偶一个或者多个阵列组成。在一实施例中，温度感测层142上还设置有绝缘保护层，绝缘保护层的厚度为1μm-10μm。

上述催化燃烧型气体传感器，通过在微热板上设置温度传感器层，利用温度传感器层获取环境温度变化的参数，与传统催化燃烧型气体传感器相比，可以无需补偿元件，从而可以减少一个基板，降低成本及供电的功耗，并省去配对的操作，而且使得封装测试更加简单，同时还可以避免检测元件和补偿元件长期工作导致的传感器基线发生漂移。

另外，上述催化燃烧型气体传感器芯片上的加热层、绝缘介质层、催化材料层及温度传感器层等主要元件可采用浆料成膜并高温烧结制备而成，自动化程度较高，产品的稳健性较好。

本申请还提出一种热线式气体传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：

S11、提供基板110；

在一实施例中，提供基板110包括提供硅基底111，并在硅基底111上制作陶瓷膜112。在一具体的实施例中，提供基板包括以下步骤：S111、选择一双面氧化，具有100晶向的单晶硅基底，然后用丙酮超声清洗10min，再用异丙醇超声清洗5min，再用去离子水清洗5min，并用氮气吹干；S112、选用合适规格的陶瓷粉体并添加有机载体，配置成陶瓷浆料，采用丝网印刷的方式印刷在硅基底上，并在一定温度下烘干；S113、将烘干好的硅基底放入马弗炉中烧结，得到合适厚度的致密坚硬的陶瓷膜。

S12、将加热电极浆料、加热电阻浆料、温度传感器层浆料采用丝网印刷的方式印刷在基板110上，并进行烘干和烧结，分别得到加热电极、加热电阻层及温度传感器层；

具体的，温度传感器层浆料包括温度信号感测电极浆料和温度感测层浆料，其分别印刷在基板上得到温度信号感测电极及温度感测层。

S13、采用丝网印刷的方式在加热电阻层上印刷绝缘介质层，并进行烘干和烧结；

S14、采用丝网印刷的方式在绝缘介质层上印刷催化材料层，并进行烘干和烧结；

S15、在基底远离加热电阻层的表面将加热电阻层对应区域蚀刻，形成绝热空气腔，得到催化燃烧型气体传感器。

具体的，在硅基底远离陶瓷膜的表面旋涂光刻胶并烘干，然后进行图形化曝光和图形化显影，通过反应离子刻蚀技术，将背面的二氧化硅去掉，然后通过深硅刻蚀技术，将陶瓷膜下部光刻胶未保护的硅刻蚀掉，形成绝热空气腔，最后通过切割技术，得到催化燃烧型气体传感器。

请参阅图6，本申请第二实施例的催化燃烧型气体传感器200与第一实施例的催化燃烧型气体传感器100的结构大体相同，不同之处主要在于，催化燃烧型气体传感器200还包括封装外壳250，微热板210封闭在封装外壳250内，封装外壳250与加热电极2121电连接。

封装外壳250不仅起着安放、固定、保护及增强导热性能的作用，而且还是沟通传感器内部与外部电路的桥梁。封装外壳250上设置有引脚251，加热电极2121通过导线260连接到封装外壳250的引脚,51上，引脚251通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。在一实施例中，封装外壳250包括陶瓷封装管壳、塑料封装管壳、金属封装管壳。

请继续参阅图6，封装外壳250上设置有防爆防尘透气帽252，以便外界气体能够顺利进入催化燃烧型气体传感器200内。在一实施例中，防爆防尘透气帽252由多孔的不锈钢粉末烧结而成或者由多孔金属片组成。在图示的实施例中，防爆防尘透气帽252上还设置有防水透气膜253，以防止水汽进入催化燃烧型气体传感器200内。

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

Claims (10)

1.一种催化燃烧型气体传感器，其特征在于，包括：

微热板，包括基板及设置于所述基板上的加热层，所述加热层包括加热电极及与所述加热电极电连接的加热电阻层，所述加热电极及所述加热电阻层均设置于所述基板；

绝缘介质层，覆盖于所述加热电阻层上；

催化材料层，设置于所述绝缘介质层远离所述加热电阻层的一侧；

温度传感器层，设置于所述基板上，且远离所述加热电阻层所在区域。

2.根据权利要求1所述的催化燃烧型气体传感器，其特征在于，所述温度传感器层包括温度信号电极及温度感测层，所述温度感测层与所述温度信号电极电连接。

3.根据权利要求2所述的催化燃烧型气体传感器，其特征在于，所述温度感测层环绕所述加热电阻层，或者所述温度感测层位于所述加热电阻层的一侧。

4.根据权利要求3所述的催化燃烧型气体传感器，其特征在于，所述温度感测层与所述加热电阻层所在的区域之间的距离为200μm-3000μm。

5.根据权利要求2所述的催化燃烧型气体传感器，其特征在于，所述温度感测层由热敏电阻、热电阻或热电偶中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的催化燃烧型气体传感器，其特征在于，所述温度感测层的表面设置有绝缘保护层。

7.根据权利要求6所述的催化燃烧型气体传感器，其特征在于，所述绝缘保护层的厚度为1μm-10μm。

8.根据权利要求2所述的催化燃烧型气体传感器，其特征在于，所述温度感测层的宽度为5μm-100μm，厚度为1μm-20μm。

9.根据权利要求1所述的催化燃烧型气体传感器，其特征在于，所述基板包括硅基底及设置于所述硅基底的陶瓷膜，所述加热层及所述温度传感器层均设置于所述陶瓷膜远离所述硅基底的一侧，所述硅基底设置有绝热空气腔，所述绝热空气腔贯通所述硅基底，且所述绝热空气腔位于所述加热电阻层所在的区域。

10.根据权利要求1至9任一所述的催化燃烧型气体传感器，其特征在于，还包括封装外壳，所述微热板封闭在所述封装外壳内，所述封装外壳与所述加热电极电连接。

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