催化式气体传感元件、加工方法和催化式气体传感器技术

本发明专利技术涉及一种催化式气体传感元件，包括多孔薄膜基底、检测元件、参考元件、多孔沉积层。多孔薄膜基底的导热系数小、耐高温且绝缘；检测元件在薄膜基底上加工而成，包括检测元件加热电极、检测元件温度检测电极；参考元件在薄膜基底上加工而成，包括参考元件加热电极、参考元件温度检测电极；多孔沉积层包括沉积在检测元件上的含有催化剂的多孔载体、沉积在参考元件上的不含催化剂的多孔载体。本发明专利技术还涉及上述催化式气体传感元件的加工方法以及应用其的催化式气体传感器。本发明专利技术具有高性能、低成本、高可靠性的优点，还具备高灵敏、良好的气体选择性、低功耗、良好的长期稳定性。

【技术实现步骤摘要】
催化式气体传感元件、加工方法和催化式气体传感器
本专利技术涉及气体传感
，具体涉及一种催化式气体传感元件，该催化式气体传感元件的加工方法以及基于该催化式气体传感元件的催化式气体传感器。
技术介绍
烷烃气体是日常生活中常见的一类气体，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其同分异构体。其中，甲烷气体是国民生产生活中最为常见的一种烷烃气体。作为工业、民用的主要燃料和原料，甲烷在能源、化工、市政等多个领域广泛存在，具有重要的应用价值。甲烷是燃爆气体和温室气体，人们在开发利用甲烷的时候，需要对甲烷进行实时、分布的检测。对于燃爆气体，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其同分异构体、氢气、一氧化碳，较为主流的可燃气体传感检测技术和方法主要有催化燃烧式，以及金属氧化物半导体式、光学吸收式、热导式、电化学式，此外还有谐振式、质谱离子谱分析类、生物检测类。其中，催化燃烧式传感器因其结构简单、制造成本低、检测精度较高、抗苛刻环境能力较强、体积较小、后续电路简单等综合优势而得到广泛的应用。全球每年市场超过百万支，催化燃烧式传感器在燃气检测领域有重要需求。催化燃烧式传感器利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和参考元件配对构成测量电桥。在一定起燃温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，检测元件的载体温度升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高。而参考元件的载体温度不变，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。通过测量检测元件的电阻变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。烷烃气体检测具有特殊性。不同的烷烃气体起燃温度不同，并且起燃温度传感器的材料选择要求高。以甲烷气体为例，甲烷的单饱和CH键的强键能使甲烷化学性质稳定，其检测比其他烷烃困难得多。甲烷的催化起燃温度通常高于400oC，氢气、一氧化碳或其他烷烃的催化起燃温度通常低于260oC。不同的起燃温度下，气体反应效率不一样。同时，对于很多材料而言，250oC是发生材料退化的临界点，例如常用于MEMS器件的薄膜金属电极在300oC以上发生扩散退化，聚合物基底在200oC以上软化分解，很多高效率贵金属催化材料在300oC以上开始出现烧结失活，这些因素限制了烷烃气体催化的可用材料。其中，甲烷单饱和CH键的键能很高，甲烷检测相比于其他可燃气体更具挑战性，对传感器的高温活性和稳定性要求更苛刻。评价催化燃烧式传感器性能有四个重要的参数：灵敏度、气体选择性、功耗、长期稳定性。对于催化燃烧式传感器，起燃温度、催化材料及其结构对于以上四个参数的影响如下：（1）传感器灵敏度决定于起燃温度、催化剂材料和结构。起燃温度越高，传感器灵敏度越高；催化材料气敏催化特性越好，比表面积越大，传感器灵敏度越高。（2）气体选择性决定于检测气体灵敏度差异。在同一起燃温度下，不同的烷烃气体，具有不同的检测灵敏度。在同一起燃温度下，甲烷气体CH键的键能最大，检测灵敏度最低。不同气体的检测灵敏度差异，是气体选择性评判标准。传感器起燃温度的稳定性，决定了检测气体灵敏度的稳定性，从而决定传感器的气体选择性，（3）功耗决定于传感器起燃温度。起燃温度越高，传感器功耗越大。（4）传感器长期稳定性决定于起燃温度。起燃温度越高，传感器长期稳定性越差。理想的催化燃烧式传感器，具有高气体灵敏度、良好的气体选择性、低功耗、良好的长期稳定性。催化材料和结构已经明确的前提下，起燃温度是个关键参数，合适、稳定的起燃温度，催化燃烧式传感器具有足够高的气体灵敏度、良好的气体选择性、低功耗以及良好的长期稳定性。因此，催化燃烧式传感器基底材料/载体材料的热导性和结构，对于以上性能参数影响很大。（1）传统绕丝式传感器，采用铂金丝作为加热元件，含有催化剂的载体一般为多孔氧化铝（热导系数：25W/m.k）。传统绕丝式传感器工艺为手工操作，均一性差、含有催化剂的载体热负载较大，传感器各项性能有待提高。（2）基于硅基的MEMS催化燃烧式气体传感器，由于硅是优良的热导体（149W/m.k），热负载过大，因此需要设计加工悬空的薄膜结构，以降低传感器的热负载和功耗。另外，常规硅晶圆是导体，而催化燃烧式传感器基底需要为绝缘体。因此，需要在硅晶圆表面沉积一层绝缘薄膜。基于硅基的MEMS催化燃烧式气体传感器设计和加工工艺复杂，需要利用精密MEMS加工工艺实现，涉及到的工艺包括热氧化生长、低应力氮化硅沉积、物理气相沉积、光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀等。因此，基于硅基的MEMS催化燃烧式气体传感器薄膜结构复杂，加工成本高，不利于传感器的广泛应用。（3）研究人员开发基于石英基板的MEMS催化燃烧式气体传感器，由于石英的热导系数小（1.1W/m.k）。相比硅材料，不需要设计加工悬空的薄膜结构，传感器加工工艺相对简化，仅采用光刻、丝网印刷工艺，在100微米厚的石英基底表面加工催化燃烧式气体传感器。但是，相比硅基薄膜传感器，热负载仍然过大，灵敏度过低，实用性较差。由此可见，以上几种现有催化燃烧式气体传感器存在的不足：（1）传感器的基底材料还需要优选。现有硅晶圆（热传导系数过大），需要加工成薄膜结构；石英基底材料虽然热传导系数小，常规厚度（大约100微米），热负载仍然过大。（2）现有催化燃烧式气体传感器同时承担两项功能，加热到起燃温度；通过温度变化检测气体浓度。烷烃气体检测，尤其是甲烷气体检测，急需高性能、低成本、高可靠气体传感器，具备高灵敏、良好的气体选择性、低功耗、良好的长期稳定性，广泛应用于国民日常生活。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种性能良好，成本较低，具有较高的可靠性、稳定性和灵敏度以及良好的气体选择性的低功耗催化式气体传感元件和基于其的催化式气体传感器。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种催化式气体传感元件，包括：多孔薄膜基底，所述多孔薄膜基底的导热系数小于1.0W/m.k，能够耐受500℃以上高温且绝缘；检测元件，所述检测元件在所述薄膜基底上加工而成，所述检测元件包括用于使所述检测元件加热到所需的起燃温度的检测元件加热电极、用于对所述检测元件的温度进行检测的检测元件温度检测电极；参考元件，所述参考元件在所述薄膜基底上加工而成，所述参考元件包括用于使所述参考元件加热到所需的起燃温度的参考元件加热电极、用于对所述参考元件的温度进行检测的参考元件温度检测电极；多孔沉积层，所述多孔沉积层包括沉积在所述检测元件上的含有催化剂的多孔载体、沉积在所述参考元件上的不含催化剂的多孔载体。所述多孔薄膜基底采用多孔气凝胶材料。所述多孔薄膜基底上加工有隔离所述检测元件和所述参考元件的镂空区域。一种前述的催化式气体传感元件的加工方法，包括以下步骤：步骤1：悬涂用于制作所述多孔薄膜基底的前体材料；步骤2：在悬涂好的前体材料表面加工所述检测元件和所述参考元件；步骤3：在所述参考元件上方沉积所述不含催化剂的多孔载体；步骤4：在所述检测元件上方沉积所述含有催化剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种催化式气体传感元件，其特征在于：所述催化式气体传感元件包括：/n多孔薄膜基底，所述多孔薄膜基底的导热系数小于1.0W/m

【技术特征摘要】
1.一种催化式气体传感元件，其特征在于：所述催化式气体传感元件包括：
多孔薄膜基底，所述多孔薄膜基底的导热系数小于1.0W/m.k，能够耐受500℃以上高温且绝缘；
检测元件，所述检测元件在所述薄膜基底上加工而成，所述检测元件包括用于使所述检测元件加热到所需的起燃温度的检测元件加热电极、用于对所述检测元件的温度进行检测的检测元件温度检测电极；
参考元件，所述参考元件在所述薄膜基底上加工而成，所述参考元件包括用于使所述参考元件加热到所需的起燃温度的参考元件加热电极、用于对所述参考元件的温度进行检测的参考元件温度检测电极；
多孔沉积层，所述多孔沉积层包括沉积在所述检测元件上的含有催化剂的多孔载体、沉积在所述参考元件上的不含催化剂的多孔载体。


2.根据权利要求1所述的催化式气体传感元件，其特征在于：所述多孔薄膜基底采用多孔气凝胶材料。


3.根据权利要求1所述的催化式气体传感元件，其特征在于：所述多孔薄膜基底上加工有隔离所述检测元件和所述参考元件的镂空区域。


4.一种如权利要求1所述的催化式气体传感元件的加工方法，其特征在于：所述催化式气体传感元件的加工方法包括以下步骤：
步骤1：悬涂用于制作所述多孔薄膜基底的前体材料；
步骤2：在悬涂好的前体材料表面加工所述检测元件和所述参考元件；
步骤3：在所述参考元件上方沉积所述不含催化剂的多孔载体；
步骤4：在所述检测元件上方沉积所述含有催化剂的多孔载体；
步骤5：使所述前体材料形成多孔结构的所述多孔薄膜基底；
步骤6：使所述不含催化剂的多孔载体和所述含有催化剂的多孔载体形成稳定的多孔结构。


5.根据权利要求4所述的催化式气体传感元件的加工方法，其特征在于：所述步骤1中，在承托物表面悬涂所述前体材料，所述承托物采用硅晶圆或玻璃晶圆。


6.根据权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：荆高山，樊晓华，
申请(专利权)人：江苏集萃智能集成电路设计技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32