片式结构一体化催化燃烧式可燃气体传感器及其制备方法技术

片式结构一体化催化燃烧式可燃气体传感器及其制备方法，属于传感器技术领域，本发明专利技术为解决现有催化燃烧式可燃气体传感器检测元件和补偿元件制作工艺复杂、传热效率低、功耗大、分离的检测元件和补偿元件导致传感器尺寸大、封装形式复杂等问题。本发明专利技术所述可燃气体传感器包括两层陶瓷片基片，下层陶瓷片基片上设有信号传输层，下表面设有四个引线焊盘、两个信号传输焊盘和两个调阻区；上表面设有四个上表面焊盘。上层陶瓷片基片下表面设有阻值感知层，包括两个感知电阻，上表面设有催化燃烧层，包括两个催化单元，两个催化单元分别形成检测元件和补偿元件。通过改变催化剂种类可以实现不同种类可燃气体检测。本发明专利技术用于对可燃气体进行检测和预警。

Chip structure integrated catalytic combustion combustible gas sensor and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
片式结构一体化催化燃烧式可燃气体传感器及其制备方法
本专利技术涉及一种片式结构一体化催化燃烧式可燃气体传感器及其制备方法，属于传感器

技术介绍
环境中的可燃气体主要包括氢气、甲烷、丙烷、乙醇、乙炔、有机化合物等，当空气中可燃气累积到一定浓度时，非常容易发生燃烧、爆炸等安全事故，对人身健康、公共财产造成重大损失，特别是在地下输气管网、煤矿、矿井、输气站等环境中非常容易引发安全事故。如2017年，贵州沙子镇天然气管道发生燃烧爆炸，导致多人伤亡；2019年，安徽芦岭煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，造成多名矿工遇难。因此，需要对可燃气体的生产、运输、使用过程重点场所进行可燃气体浓度实时监控，对可能诱发事故场所及时进行预警，避免安全事故发生。因此，便需要可靠的可燃气报警或监控装置，可燃性气体检测设备中，可燃气体传感器已成为一种使用量巨大的工业标准工具。可燃气体传感器按照原理可分为电化学式传感器、光学式传感器和催化燃烧式传感器，与电化学和光学传感器相比，采用催化燃烧原理的可燃气体传感器具备反应灵敏、结构简单、电路设计难度低、使用可靠、价格便宜、寿命长等优点，被广泛用于探测和监控工业现场的可燃气体预警中，被誉为“不挑剔的传感器”。催化燃烧式可燃气体传感器是利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面催化剂的作用下与氧气作用发生无焰燃烧，载体温度升高，检测元件内部的铂丝电阻阻值升高，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号，通过测量铂丝的电阻变化的大小实现可燃性气体浓度的测量。目前，日本FIGARO、NEMOTO、河南炜盛等科技公司推出了相关技术产品用于工业环境、输气管道等领域可燃气体浓度检测，设计的可燃气体传感器的检测元件和补偿元件彼此分离，检测元件和补偿元件采用传统的工艺设计制造，由铂丝绕制线圈和催化剂载体小珠组成。分立式结构设计导致传感器尺寸大，封装复杂；传统工艺设计的检测元件和补偿元件导致元件制作工艺复杂，传热效率低导致功耗较大、灵敏度和响应速度等指标降低。传统的制造工艺难以实现传感器小型化、低功耗制造，限制了催化燃烧可燃气体传感器领域的进一步发展。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决现有催化燃烧式可燃气体传感器检测元件和补偿元件制作工艺复杂、传热效率低、功耗大、分离的检测元件和补偿元件导致传感器尺寸大、封装形式复杂等问题，提供了一种片式结构一体化催化燃烧式可燃气体传感器。本专利技术所述片式结构一体化催化燃烧式可燃气体传感器，该传感器包括两层陶瓷片基片，下层陶瓷片基片上设有信号传输层，上层陶瓷片基片的下表面设有阻值感知层，上层陶瓷片基片的上表面设有催化燃烧层；所述信号传输层包括四个引线焊盘、两个信号传输焊盘、四个上表面焊盘和两个调阻区；四个引线焊盘和两个信号传输焊盘设置在下层陶瓷片基片的下表面，四个引线焊盘分别为第一引线焊盘、第二引线焊盘、第三引线焊盘和第四引线焊盘；第一引线焊盘和第二引线焊盘之间设有第一信号传输焊盘，第三引线焊盘和第四引线焊盘之间设有第二信号传输焊盘；四个上表面焊盘设置在下层陶瓷片基片的上表面，分别为第一上表面焊盘、第二上表面焊盘、第三上表面焊盘和第四上表面焊盘；所述第一上表面焊盘、第二上表面焊盘、第三上表面焊盘和第四上表面焊盘分别与第一信号传输焊盘、第二引线焊盘、第二信号传输焊盘和第四引线焊盘镜面对称；第一上表面焊盘和第一信号传输焊盘通过贯穿下层陶瓷片基片的第一通孔连通；第二上表面焊盘和第二引线焊盘通过贯穿下层陶瓷片基片的第二通孔连通；第三上表面焊盘和第二信号传输焊盘通过贯穿下层陶瓷片基片的第三通孔连通；第四上表面焊盘和第四引线焊盘通过贯穿下层陶瓷片基片的第四通孔连通；下层陶瓷片基片的下表面还设有两个调阻区，分别为第一调阻区和第二调阻区；第一调阻区位于第一引线焊盘和第一信号传输焊盘之间，且与第一引线焊盘和第一信号传输焊盘接触连通；第二调阻区位于第二引线焊盘和第二信号传输焊盘之间，且与第二引线焊盘和第二信号传输焊盘接触连通；所述阻值感知层包括第一感知电阻和第二感知电阻；第一感知电阻的两端分别与第一上表面焊盘和第二上表面焊盘连通，第二感知电阻的两端分别与第三上表面焊盘和第四上表面焊盘连通；所述催化燃烧层包括第一催化单元和第二催化单元；第一催化单元位于第一感知电阻的正上方，包括催化剂载体和设置在其上的催化剂；第二催化单元位于第二感知电阻的正上方，包括催化剂载体。优选的，所述信号传输层还包括四个引线，分别为第一引线、第二引线、第三引线和第四引线；第一引线、第二引线、第三引线和第四引线分别与第一引线焊盘、第二引线焊盘、第三引线焊盘和第四引线焊盘连接；所述第一引线、第二引线、第三引线和第四引线均采用Pt丝或合金丝制成。优选的，所述第一调阻区和第二调阻区均为长方形，第一调阻区在与第一引线焊盘和第一信号传输焊盘的连通一侧开有长形开口，第二调阻区在与第二引线焊盘和第二信号传输焊盘的连通一侧开有长形开口；所述第一调阻区和第二调阻区的调节阻值误差为≤0.1Ω；所述第一调阻区和第二调阻区采用Pt金属材料制成。优选的，所述第一感知电阻和第二感知电阻为环形或蛇形，通过长度和厚度调整阻值，阻值范围为10Ω～100Ω；所述第一感知电阻和第二感知电阻采用Pt金属材料制成。优选的，所述催化燃烧层的第一催化单元和第二催化单元均为圆形结构，所述圆形结构的外侧设有圆环状的热隔离悬浮桥；第一催化单元和第二催化单元的催化剂载体均为多孔氧化铝陶瓷，厚度为5～20μm；第一催化单元的催化剂采用Pt、Pd、Au单组分或多组分复合组成。优选的，所述第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔内均填充有Pt金属材料。优选的，所述四个引线焊盘、两个信号传输焊盘和四个上表面焊盘均采用Pt金属材料制成。本专利技术所述片式结构一体化催化燃烧式可燃气体传感器的制备方法，该制备方法的具体过程为：S1、采用冲孔技术在下层陶瓷片基片上制作第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔；采用丝网印刷法在第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔内印制填充Pt金属材料；采用丝网印刷法用Pt金属材料在下层陶瓷片基片的下表面印制四个引线焊盘、两个信号传输焊盘和两个调阻区，同时在下层陶瓷片基片的下表面印制四个上表面焊盘；采用丝网印刷法用Pt金属材料在上层陶瓷片基片的下表面印制第一感知电阻和第二感知电阻；采用丝网印刷法用多孔氧化铝陶瓷在上层陶瓷片基片的上表面印制第一催化单元和第二催化单元的催化剂载体；S2、将下层陶瓷片基片和上层陶瓷片基片对位层叠，采用等静压技术将两层陶瓷片基片结合为一体结构；S3、将S2获得一体结构采用烧结技术一体化成型；S4、采用激光调阻技术对信号传输层的两个调阻区进行加工，调节阻值误差为≤0.1Ω；S5、采用激光刻蚀技术在第一催化单元和第二催化单元的催化剂载体上制备热隔离悬浮桥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.片式结构一体化催化燃烧式可燃气体传感器，其特征在于，该传感器包括两层陶瓷片基片，下层陶瓷片基片上设有信号传输层(1)，上层陶瓷片基片的下表面设有阻值感知层(2)，上层陶瓷片基片的上表面设有催化燃烧层(3)；/n所述信号传输层(1)包括四个引线焊盘、两个信号传输焊盘、四个上表面焊盘和两个调阻区；四个引线焊盘和两个信号传输焊盘设置在下层陶瓷片基片的下表面，四个引线焊盘分别为第一引线焊盘(1-1)、第二引线焊盘(1-2)、第三引线焊盘(1-3)和第四引线焊盘(1-4)；第一引线焊盘(1-1)和第二引线焊盘(1-2)之间设有第一信号传输焊盘(1-5)，第三引线焊盘(1-3)和第四引线焊盘(1-4)之间设有第二信号传输焊盘(1-6)；/n四个上表面焊盘设置在下层陶瓷片基片的上表面，分别为第一上表面焊盘(1-7)、第二上表面焊盘(1-8)、第三上表面焊盘(1-9)和第四上表面焊盘(1-10)；所述第一上表面焊盘(1-7)、第二上表面焊盘(1-8)、第三上表面焊盘(1-9)和第四上表面焊盘(1-10)分别与第一信号传输焊盘(1-5)、第二引线焊盘(1-2)、第二信号传输焊盘(1-6)和第四引线焊盘(1-4)镜面对称；第一上表面焊盘(1-7)和第一信号传输焊盘(1-5)通过贯穿下层陶瓷片基片的第一通孔(1-13)连通；第二上表面焊盘(1-8)和第二引线焊盘(1-2)通过贯穿下层陶瓷片基片的第二通孔(1-14)连通；第三上表面焊盘(1-9)和第二信号传输焊盘(1-6)通过贯穿下层陶瓷片基片的第三通孔(1-15)连通；第四上表面焊盘(1-10)和第四引线焊盘(1-4)通过贯穿下层陶瓷片基片的第四通孔(1-16)连通；/n下层陶瓷片基片的下表面还设有两个调阻区，分别为第一调阻区(1-11)和第二调阻区(1-12)；第一调阻区(1-11)位于第一引线焊盘(1-1)和第一信号传输焊盘(1-5)之间，且与第一引线焊盘(1-1)和第一信号传输焊盘(1-5)接触连通；第二调阻区(1-12)位于第二引线焊盘(1-2)和第二信号传输焊盘(1-6)之间，且与第二引线焊盘(1-2)和第二信号传输焊盘(1-6)接触连通；/n所述阻值感知层(2)包括第一感知电阻(2-1)和第二感知电阻(2-2)；第一感知电阻(2-1)的两端分别与第一上表面焊盘(1-7)和第二上表面焊盘(1-8)连通，第二感知电阻(2-2)的两端分别与第三上表面焊盘(1-9)和第四上表面焊盘(1-10)连通；/n所述催化燃烧层(3)包括第一催化单元(3-1)和第二催化单元(3-2)；第一催化单元(3-1)位于第一感知电阻(2-1)的正上方，包括催化剂载体和设置在其上的催化剂；第二催化单元(3-2)位于第二感知电阻(2-2)的正上方，包括催化剂载体。/n...

【技术特征摘要】
1.片式结构一体化催化燃烧式可燃气体传感器，其特征在于，该传感器包括两层陶瓷片基片，下层陶瓷片基片上设有信号传输层(1)，上层陶瓷片基片的下表面设有阻值感知层(2)，上层陶瓷片基片的上表面设有催化燃烧层(3)；
所述信号传输层(1)包括四个引线焊盘、两个信号传输焊盘、四个上表面焊盘和两个调阻区；四个引线焊盘和两个信号传输焊盘设置在下层陶瓷片基片的下表面，四个引线焊盘分别为第一引线焊盘(1-1)、第二引线焊盘(1-2)、第三引线焊盘(1-3)和第四引线焊盘(1-4)；第一引线焊盘(1-1)和第二引线焊盘(1-2)之间设有第一信号传输焊盘(1-5)，第三引线焊盘(1-3)和第四引线焊盘(1-4)之间设有第二信号传输焊盘(1-6)；
四个上表面焊盘设置在下层陶瓷片基片的上表面，分别为第一上表面焊盘(1-7)、第二上表面焊盘(1-8)、第三上表面焊盘(1-9)和第四上表面焊盘(1-10)；所述第一上表面焊盘(1-7)、第二上表面焊盘(1-8)、第三上表面焊盘(1-9)和第四上表面焊盘(1-10)分别与第一信号传输焊盘(1-5)、第二引线焊盘(1-2)、第二信号传输焊盘(1-6)和第四引线焊盘(1-4)镜面对称；第一上表面焊盘(1-7)和第一信号传输焊盘(1-5)通过贯穿下层陶瓷片基片的第一通孔(1-13)连通；第二上表面焊盘(1-8)和第二引线焊盘(1-2)通过贯穿下层陶瓷片基片的第二通孔(1-14)连通；第三上表面焊盘(1-9)和第二信号传输焊盘(1-6)通过贯穿下层陶瓷片基片的第三通孔(1-15)连通；第四上表面焊盘(1-10)和第四引线焊盘(1-4)通过贯穿下层陶瓷片基片的第四通孔(1-16)连通；
下层陶瓷片基片的下表面还设有两个调阻区，分别为第一调阻区(1-11)和第二调阻区(1-12)；第一调阻区(1-11)位于第一引线焊盘(1-1)和第一信号传输焊盘(1-5)之间，且与第一引线焊盘(1-1)和第一信号传输焊盘(1-5)接触连通；第二调阻区(1-12)位于第二引线焊盘(1-2)和第二信号传输焊盘(1-6)之间，且与第二引线焊盘(1-2)和第二信号传输焊盘(1-6)接触连通；
所述阻值感知层(2)包括第一感知电阻(2-1)和第二感知电阻(2-2)；第一感知电阻(2-1)的两端分别与第一上表面焊盘(1-7)和第二上表面焊盘(1-8)连通，第二感知电阻(2-2)的两端分别与第三上表面焊盘(1-9)和第四上表面焊盘(1-10)连通；
所述催化燃烧层(3)包括第一催化单元(3-1)和第二催化单元(3-2)；第一催化单元(3-1)位于第一感知电阻(2-1)的正上方，包括催化剂载体和设置在其上的催化剂；第二催化单元(3-2)位于第二感知电阻(2-2)的正上方，包括催化剂载体。


2.根据权利要求1所述的片式结构一体化催化燃烧式可燃气体传感器，其特征在于，所述信号传输层(1)还包括四个引线，分别为第一引线(1-17)、第二引线(1-18)、第三引线(1-19)和第四引线(1-20)；第一引线(1-17)、第二引线(1-18)、第三引线(1-19)和第四引线(1-20)分别与第一引线焊盘(1-1)、第二引线焊盘(1-2)、第三引线焊盘(1-3)和第四引线焊盘(1-4)连接；
所述第一引线(1-17)、第二引线(1-18)、第三引线(1-19)和第四引线(1-20)均采用Pt丝或合金丝制成。


3.根据权利要求2所述的片式结构一体化催化燃烧式可燃气体传感器，其特征在于，所述第一调阻区(1-11)和第二调阻区(1-12)均为长方形，第一调阻区(1-11)在与第一引线焊盘(1-1)和第一信号传输焊盘(1-5)的连通一侧开有长形开口，第二调阻区(1-12)在与第二引线焊盘(1-2)和第二信号传输焊盘(1-6)的连通一侧开有长形开口；
所述第一调阻区(1-11)和第二调阻区(1-12)的调节阻值误差为≤0.1Ω；
所述第一调阻区(1-11)和第二调阻区(1-12)采用Pt金属材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨永超，于海超，刘玺，金鹏飞，文吉延，程振乾，秦浩，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十九研究所，
类型：发明
国别省市：黑龙;23