可燃氣體傳感器及其製造方法
2023-04-24 17:27:01
專利名稱：可燃氣體傳感器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種可燃氣體傳感器其及製造方法，特別涉及一種甚至對低濃度氣體靈敏度也很高的可燃氣體傳感器及其製造方法，該傳感器尺寸小，可以減小功耗，提高響應速度，並且能抗振動和抗衝擊。
可燃氣體傳感器是一種檢測可燃氣體和氧氣的反應(燃燒)產生的熱，並將之轉化成電信號來探測可燃氣體的傳感器。
參見
圖1，常規可燃氣體傳感器包括燃燒部件1，可燃氣體在此燃燒；及加熱部件2，用於將可燃氣體部件1加熱到合適溫度，其電阻根據氣體燃燒的熱量可以變化。燃燒部件1由氧化鋁絕緣材料構成，並帶有浸漬於其中的例如Pd或Pt等貴金屬催化劑，用於加強可燃氣體的燃燒。加熱部件2多數由具有大溫度電阻係數的Pt絲構成。可燃氣體傳感器應用於如圖3所示的惠斯登電橋型測量電路，用於測量Pt絲電阻由於可燃氣體燃燒產生的熱而產生的變化，由此探測可燃氣體。也就是說，該測量電路包括接於測量電路一側的可燃氣體傳感器；溫度和溼度特性幾乎與可燃氣體傳感器類似的補償元件3，但補償元件3不帶浸漬於其中的催化劑，不會與可燃氣體反應，並且補償元件3接在鄰接可燃氣體傳感器側的另一側；兩個固定電阻器4和5，它們作為電橋電路的其餘兩側；與上述元件並聯的可變電阻器6，用於調節電橋的平衡。作為可變電阻器的VR用於調節通過開關SW與之連接的電壓源E。
在上述測量電路中，調節可變電阻器6，可以在把傳感器加熱到300-600℃狀態下平衡電橋。在可燃氣體開始與傳感器接觸時，可燃氣體燃燒，並且由燃燒產生的熱使傳感器中的Pt線圈的電阻增大。另一方面，補償元件不會引起可燃氣體燃燒，所以不產生燃燒熱，其中的Pt線圈的電阻值不變。所以，敏感元件和補償元件之間存在電阻差，產生與可燃氣體濃度成正比的電橋電壓，電橋電壓的一個實例示於圖4，其中示出了甲烷氣體的輸出特性。
下面參照圖2說明製造可燃氣體傳感器的常規方法。首先，繞制Pt絲形成傳感器加熱部件，同時在其上設置由氧化鋁作主要成分的陶瓷溶膠或漿料構成的預定尺寸的顆粒浸漬劑載體，以在加熱部件上形成燃燒部件，並在爐中退火。然後，在該顆粒中浸漬如Pt或鈀等催化劑。把帶有浸漬了催化劑並在爐中退了火的顆粒氧化鋁浸漬劑載體的傳感器焊接於管座中的引線管腳上。
然而，常規可燃氣體傳感器其及製造方法存在以下問題。
在傳感器中，電阻增量△R可以表示成以下的公式1，其中c是可燃氣體的濃度，△T是氣體的燃燒熱導致的溫度增量。
△R＝a·△T＝a·b·c·Q/h… (1)其中「a」是加熱器線圈的溫度電阻係數，Q是氣體的燃燒熱，h是元件的熱容量，及b是與加到元件中的催化劑有關的係數。
由該公式可知，對於高靈敏度的傳感器來說，加熱部件的電阻溫度係數應較高，且該元件的熱容量應較低。通過Pt絲傳導且輻射到空氣中損失的絕大數燃燒熱應該引起加熱部件電阻變化，除傳感器的靈敏度外，這還與功耗很相關。因此，為了減少燃燒熱的損失，應該減小Pt絲的直徑及燃燒部件的尺寸。除此之外，為了使燃燒熱很好地傳到線圈，線圈的熱導率應該高，且傳導的距離應該短。然而，因為在常規傳感器的燃燒部件中形成了包圍的Pt絲的圓球形顆粒，導致了顆粒的尺寸和浸漬於其中的催化劑的量對傳感器的靈敏度有很大影響，顆粒尺寸的減小是有限的，而且，因為需要Pt絲支撐一定尺寸和重量的顆粒，Pt絲直徑的減小也是有限的。
而且，常規氣體傳感器的問題不僅在於，這類氣體傳感器形成足以獲得所希望靈敏度的顆粒尺寸和Pt厚度，其抗振動和衝擊的能力較差，且把顆粒加熱到高溫的功耗很大，問題還在於，對氣體的靈敏度和響應速度的提高受到限制，因為這類傳感器有這樣一種結構，即，在顆粒上燃燒的可燃氣體的燃燒熱傳到Pt線圈上時，Pt線圈的電阻改變，其熱傳導係數和距離影響著傳感器的靈敏度和響應速度。因此，由於其靈敏度和響應速度取決於熱傳導係數和傳輸距離，所以限制了其靈敏度和響應速度。
另外，製造上述氣體傳感器的常規方法的問題不僅在於很難精確地調節每個傳器的顆粒尺寸，這是因為人工方式或以與以下方式類似的方式形成顆粒的緣故，所述方式是在線圈上塗敷為形成顆粒而製備的氧化鋁溶膠或漿料，然後乾燥和燒結，此常規方法的問題還在於，這種傳感器不適於批量生產，原因是焙燒、催化劑浸漬和引線鍵合工藝等等工藝是一個器件一個器件地(device by device)進行，而且因為補償元件和敏感元件在分開的工藝中形成，所以生產成本加倍。
因此，本發明旨在提供一種可燃氣體傳感器及其製造方法，基本上能夠解決現有技術的局限和缺點造成的問題。
本發明的目的是提供一種小型化的可燃氣體傳感器，減少其功能，加強其抗振動和抗衝擊的能力，並使之具有高靈敏度和高響應速度。
本發明的另一目的是提供一種製造可燃氣體傳感器的方法，該方法具有良好的重複生產率，適於批量生產，並且生產成本低。
本發明的其它特點和優點如說明書所述，或可從說明中顯現出，或可以通過實施本發明獲知。特別是書面說明和權利要求書及附圖中指出的結構將會實現和獲得本發明的目的和優點。
為了實現這些和其它優點，根據本發明的目的，正如所概括和概要說明的那樣，可燃氣體傳感器包括封裝殼體；具有線圈形式的加熱部件和膜形式的燃燒部件的敏感元件，所述膜在線圈的表面上，燃燒部件上彌散著催化劑；及具有線圈形式的加熱部件和膜形式的燃燒部件的補償元件，所述膜在線圈的表面上，燃燒部件上沒有彌散催化劑。
按本發明的另一方面，提供一種製造可燃氣體傳感器的方法，該方法包括以下步驟分別連接鉑或鉑合金制的兩個線圈到封裝電極；在鉑或鉑合金制的每個線圈上電解電鍍金屬膜；熱氧化金屬膜，形成多孔金屬氧化物膜；把貴金屬浸漬到多孔金屬氧化物膜中，以便用作敏感元件；在浸漬了貴金屬後，進行乾燥和焙燒。
應該明白，上述的概括說明和以下的詳細說明皆是例證性和說明性的，旨在對所要求保護的發明作進一步地說明。
結合各附圖，並參閱以下的詳細說明，可以容易理解本發明的這些和各種其它目的、特徵和優點，其中圖1示出了常規可燃氣體傳感器的結構；圖2是製造可燃氣體傳感器的常規方法的工藝步驟流程圖；圖3是測量可燃氣體的電路圖，其中有可燃氣體傳感器；圖4是用圖3的電路測量的甲烷氣的靈敏度特性的曲線圖；圖5A是本發明優選實施例的可燃氣體傳感器的示意圖5B是本發明優選實施例的敏感元件和補償元件的剖面示意圖；圖5C和5D分別是展示本發明優選實施例的封裝後的氣體傳感器的剖面和平面示意圖；圖6是本發明優選實施例的製造氣體傳感器的方法的工藝步驟流程圖；圖7是展示本發明優選實施例的氣體傳感器的輸出的曲線圖。
下面將參照各附圖所示的實例詳細說明本發明的優選實施例。
圖5A是本發明優選實施例的可燃氣體傳感器的示意圖，圖5B是本發明優選實施例的敏感元件和補償元件的剖面示意圖，圖5C和5D分別是展示本發明優選實施例的封裝後的氣體傳感器的剖面和平面示意圖。
參見圖5A和5B，敏感元件10包括鉑或鉑合金構成的線圈加熱部件11，和具有形成於加熱部件11表面上的多孔氧化半導體膜的燃燒部件12，燃燒部件12上彌散有如Pt或Pd等催化劑。類似於敏感元件10，補償元件13包括鉑或鉑合金構成的線圈加熱部件14，和具有形成於加熱部件14表面上的多孔氧化半導體膜15，膜15上沒有彌散如Pt或Pd等。敏感元件10和補償元件13分別與管座16的兩個電極引線管腳17連接，從而將敏元件10和補償元件13電並聯於管座中的電極引線管腳上，並用蓋18覆蓋，如圖5C和5D所示。
關於這樣製造的本發明氣體傳感器，在該氣體傳感器上加2V電壓，在500-600℃下加熱各元件，並且使圖3所示的電橋電路中的固定電阻器4和5皆為100歐姆，測量傳感器的輸出，發現在響應速度小於幾秒且功耗小於幾十mW的情況下，傳感器甚至對濃度為2000ppm可燃氣體也有很高的靈敏度。獲得這個測量結果的原因在於在用本發明的燃燒部件的情況下熱傳導效率高於常規敏感元件情況下的熱傳導率，其中本發明的燃燒部件由熱導率大於線圈表面上的氧化鋁的氧化物半導體構成，用於把可燃氣體的燃燒熱傳導到線圈，而常規敏感元件中，可燃燒氣體在帶有浸漬於氧化鋁中的催化劑的顆粒狀敏感元件上燃燒，以通過氧化鋁把燃燒熱傳導到線圈；除此之外，熱導率很高，導致傳感器具有很高的靈敏度，該很高的熱導率是因形成了由如氧化錫等n型氧化半導體構成且浸漬了催化劑的燃燒部件而產生的，當催化劑和氧化物半導體暴露於一種氣體中，並且同時將敏感元件暴露於該氣體中，使該氣體燃燒並隨後產生燃燒熱時，氧化物半導體的電導率和熱導率變得更高，所述氧化物半導體的熱導率增加，可以更快地傳導燃燒熱；線圈的電阻響應於形成於線圈表面上的薄膜型燃燒部件產生的燃燒熱變化速率很快，即，傳感器的響應速度很快，導致了燃燒熱傳到線圈的距離縮短；由於線圈直徑的減小可以減小熱傳導引起的熱量損失，所以可以減少功耗。在敏感元件10中形成在線圈表面上有多孔氧化物半導體膜的燃燒部件12，可以使傳感器的重量輕，體積小且更抗振動和抗衝擊。
下面結合圖6說明製造可燃氣體傳感器的方法。
首先，用繞線圈機繞直徑為0.005-0.06mm的鉑絲5-20次，形成內徑為0.1-1mm、總長度為0.3-1.2mm的Pt線圈(S101)。第二，利用電阻或高頻熔焊把兩個Pt線圈分別焊接到兩個用作電極管腳的管座引線管腳上，以將它們並排設置於管座(S102)。
接著，把管座中的兩個線圈浸入錫電解液中，焊接了的引線管腳上加陰極電壓，電解液中的錫(Sn)上加陽極電壓，精細調節鍍敷時間和所加電壓，在Pt線圈表面上鍍敷預定厚度的錫(S103)。此時，儘管錫膜的厚度取決於線圈的尺寸和Pt絲的直徑，但它最好是比Pt絲直徑大0.5-5倍。在清洗和乾燥了鍍錫線圈後，在引線管腳的兩端加電壓，以保持在幾百攝氏度的溫度下加熱鍍錫線圈，把所鍍的錫氧化成氧化錫(SnO2)(S104)。其上具有鍍敷的氧化錫的兩個Pt線圈中，在Pt線圈上的多孔氧化錫膜將用作敏感元件被配給以預定濃度及用分配器預定配量的熔於合適溶液中的化學藥品(S105)，所述化學藥品中含貴金屬，例如，H2PtCl6(6H2O)和PdCl2。在乾燥了溶液後，在線圈上加一定電壓，加熱該線圈，以分解所述化學藥品，在多孔氧化錫上只留下貴金屬。此時，通過調節溶液中貴金屬的濃度和分配溶液的量，可以調節貴金屬的浸漬量，所述加熱溫度高於800℃(S106)。在焙燒後，在管座上安裝蓋，於是製成了傳感器。與每個器件分別裝在爐中並加熱處理的常規方法不同，因為本發明的熱處理不需要加熱爐，而是在封裝狀態下在Pt線圈上加電壓，因而上述方法的加熱處理製造步驟簡單且成本低。儘管因為氧化物的燒結溫度很高用氧化錫在Pt線圈上形成薄膜一般是很難的，但是本發明的方法可以利用電鍍錫並使之氧化形成氧化錫的方法，容易地獲得氧化錫。而且，與形成薄膜的其它澱積方法不同，本發明利用電鍍法形成薄膜，因而可以利用經濟且適於批量生產的工藝容易地獲得較厚的膜。在相轉變時，電鍍的氧化錫體積增加，所以其厚度大於鍍錫層的厚度，並且也是多孔的，具有n型氧化物半導體的性質，當將其暴露於可燃氣體中時其熱導效率增大。
正如已說明的，由於本發明的敏感元件和補償元件藉助電過程形成於管座內，可以使它們的厚度和大小相同，因此本發明方法的重複生產率和批量生產性極佳，且加熱處理步驟簡單，並且可以精細調節加熱處理溫度。
如所討論的，本發明的可燃氣體傳感器不僅很靈敏、響應速度快、功耗低，而且因為其中的燃燒部件輕且小，所以適於使傳感器小型化，並使其抗振動和抗衝擊性極好。
另外，因為可以利用金屬電解工藝利用電過程在同一管座中形成其氧化半導體來獲得敏感元件和補償元件，所以本發明製造可燃氣體傳感器的方法的重複生產率和批量生產性極佳，熱處理工藝簡單且成本低，並且可以精細調節熱處理的溫度。
顯然，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明精神或範圍的情況下，可以做出各種改型和變化。但是，本發明將覆蓋這些會落入權利要求書及其等同物範圍內的改型和變化。
權利要求
1.一種可燃氣體傳感器，包括封裝殼體；具有線圈形式的加熱部件和膜形式的燃燒部件的敏感元件，所述膜在線圈的表面上，燃燒部件上彌散著催化劑；及具有線圈形式的加熱部件和膜形式的燃燒部件的補償元件，所述膜在線圈的表面上，燃燒部件上沒有彌散催化劑。
2.根據權利要求1的傳感器，其中，所述線圈由鉑或鉑合金構成，其直徑為0.005-0.06mm。
3.根據權利要求1的傳感器，其中，所述燃燒部件用多孔氧化物半導體膜構成，其厚度為0.01-0.2mm，多孔氧化物半導體膜是由熱氧化金屬形成的。
4.根據權利要求3的傳感器，其中，所述多孔氧化物半導體膜由n型氧化物構成，例如表現出對於某種氣體熱導效率增加的氧化錫或氧化鋅。
5.一種製造可燃氣體傳感器的方法，該方法包括以下步驟分別焊接鉑或鉑合金制的兩個線圈與封裝電極；在鉑或鉑合金制的每個線圈上電解電鍍金屬膜；熱氧化金屬膜，形成多孔金屬氧化物膜；把貴金屬浸漬到多孔金屬氧化物膜中，以用作敏感元件；及在浸漬了貴金屬後，進行乾燥和焙燒。
6.根據權利要求5的方法，其中，在電解電鍍步驟中，所述線圈沉入錫電解液中，有焊接於其上的線圈的封裝電極上加陰極電壓，電解液中的錫加陽極電壓。
7.根據權利要求5的方法，其中，在熱氧化步驟中，在封裝電極的兩端加電壓，保持在幾百攝氏度的溫度下加熱鍍錫線圈。
8.根據權利要求5的方法，其中，浸漬貴金屬催化劑的步驟包括以下步驟把如H2PtCl6(6H2O)和PdCl2等含貴金屬的化學藥品以一定濃度溶於合適的溶液中，及用分配器把所需量的溶液分配到將用作敏感元件的多孔金屬氧化膜上。
9.根據權利要求5的方法，其中，焙燒是在高於500℃的溫度下進行。
全文摘要
一種可燃氣體傳感器及其製造方法,該可燃氣體傳感器包括封裝殼體;具有線圈形式的加熱部件和膜形式的燃燒部件的敏感元件,所述膜在線圈的表面上,燃燒部件上彌散著催化劑;及具有線圈形式的加熱部件和膜形式的燃燒部件的補償元件,所述膜在線圈的表面上,燃燒部件上沒有彌散催化劑。
文檔編號G01N27/16GK1175690SQ9711773
公開日1998年3月11日 申請日期1997年8月25日 優先權日1996年8月31日
發明者尹童鉉, 權哲漢, 李圭晶, 洪炯基, 金承烈 申請人:Lg電子株式會社