专利名称：低电流或低功耗热催化元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种甲烷检测传感器-热催化元件及其制造工艺方法。
作为甲烷自动检测的最重要的传感器-热催化元件，现有产品由铂丝作为管芯，外覆具有一定晶形的Al2O3载体(称为白元件)及由白元件表面浸渍催化剂所形成的具有活性的黑元件构成。这种产品传统的制造方法是用线径足够支承元件重量约铂丝绕制成外径一定的螺旋圈以形成管芯，在管芯外用热分解或通电分解法形成具有一定晶形的载体后制成起补偿作用的白元件，在白元件上浸渍催化剂后制成具有活性的黑元件，使甲烷与氧气能在较低温度下在其表面发生无焰燃烧，其释放的热量改变了铂丝的电阻值，以获取与甲烷浓度近似成正比的电信号。
由上述传统工艺制成的热催化元件，因铂丝要支承元件的全部重量，为具有一定的机械强度，使现有产品采用的铂丝线径均大于20μm，元件工作电流超过100mA，功耗也较大，不利于在有爆炸性气体的环境中安全使用。由于机械振动易使载体开裂，直接影响元件的寿命与采用元件组装的整机的可靠性。因受传统制造工艺的限制，无法进一步减小铂丝的线径及元件的表面积，使元件的工作电流与功耗也无法进一步下降。
本发明的目的在于避免上述产品及其制造方法的不足之处而提供一种低电流或低功耗、抗振性强，抗激活能力强、本质安全型的热催化元件产品及其制造方法。
本发明的目的可以通过以下措施来达到。
低电流或低功耗热催化元件产品的技术特征在于元件的管芯由基片、铂膜电阻、覆盖铂膜电阻外侧的致密隔离层及连接铂膜电阻与管脚的引线组成;元件的载体含有氧化铱等特殊的添加剂。
低电流或低功耗热催化元件的制造方法，是采用微电子学方法中的溅射工艺在基片上形成钛过渡层与铂膜电阻，在铂膜电阻两端引线孔蒸金，再按一定尺寸分割成所需的芯片后在铂膜电阻两端引线孔压焊引线，经500～900℃温度热处理后将引线与管脚相连形成管芯，随后在管芯上制作隔离层、载体及催化剂。
本发明的目的还可以通过以下措施来达到。
低电流或低功耗热催化元件的基片可用表面光洁渡好且易研磨易切割的材质，为了防止铂膜脱离在基片与铂膜电阻之间可采用钛过渡层，引线可采用金丝、用银浆将引线与管脚粘接在一起。
低电流或低功耗热催化元件的制造方法中有关隔离层及载体的制备方法为a、将Al(NO3)3·9H2O溶于去离子水，搅拌均匀制成含35～40%的Al(NO3)3水溶液定为1号液;b、将研磨至分散度符合要求的Al2O3，粉末与重量2～3倍的1号液配成浊液，定为2号液;c、将含有0.1～1%氧化铱等添加剂的Al2O3研磨至所需分散度后与等重量的1号液搅拌均匀定为3号液;d、采用通电分解法依次使2号液与1号液在管芯铂膜电阻外侧形成致密的隔离层;e、采用通电分解法，使3号液在致密隔离层外侧形成具有r晶形Al2O3的载体。
低电流或低功耗热催化元件制造方法中有关催化剂的制备方法为a、用加热煮沸法制得含2.0～5.0%的pdcl2水溶液定为4号液;b、将含2.0～6.0%的H3ptcl，水溶液定为5号液;c、用4号液浸渍载体2～8次，每次通电使元件发红，产生热分解;d、用5号液继续浸渍载体1～5次，每次通电使元件发红，产生热分解;e、通电使元件暗红后再通入浓度为10%甲烷使元件激活获得活性;f、通电、通甲烷，交义老化后经测试获得合格的元件。
附图的图面说明如下
图1为一种低电流或低功耗热催化元件产品的结构示意图;
图2为上述一种低电流或低功耗热催化元件产品的横截面剖视图。
下面将结合附图对本发明的一种实施方案作进一步详述如图1、图2所示，低电流或低功耗热催化元件系由基片1、铂膜电阻2、铂膜电阻两端引线孔3、覆盖铂膜电阻2、外侧的致密隔离层4、与引线孔3相连的引线5构成管芯;管芯外覆盖具有r晶形的Al2O3载体6形成白元件;白元件浸渍催化剂7形成具有活性的黑元件;元件通过引线5的另一端与固定在管座8上的管脚9相连而组成整个元件。
本发明低电流或低功耗热催化元件采用的基片1是厚度在100～200μm之间的硅单晶片，对供遥测仪或断电仪上使用的低电流元件(LX型)，基片1面积为0.2～0.3mm2，对供矿灯或便携式仪表上使用的低功耗(JD型)基片1面积为0.08～0.1mm2。基片1上铂膜电阻2冷态(25℃)的电阻值对LX型元件为40～70Ω，对JD型元件为6～9Ω。为防止铂膜脱落，在基片1与铂膜电阻2间采用钛过渡层，钛层与铂层厚度之比为0.05～0.1。引线5金丝的直径对LX型元件为45～60μm，对JD型元件为15～25μm。
制造上述低电流或低功耗热催化元件的具体工艺方法如下1.采用微电子学方法中的溅射工艺在较大的基片1上形成钛过渡层与铂膜电阻2，在引线孔3蒸金，再按一定的尺寸切割成所需的芯片;然后用金丝作为引线5，将其一端压焊在引线孔3上，经600℃热处理后用银浆将引线5的另一端与管脚9相连接，即制成本发明产品的管芯部分。
2.在此管芯上制备隔离层和载体a、取Al(NO3)3浓度为35%的水溶液为1号液;b、取Al2O3与1号液重量比为1∶2的浊液为2号液;c、取含有0.1%氧化铱等添加剂的Al2O3与等量的1号液配成3号液;d、采用通电分解法依次使2号液与1号液在管芯铂膜电阻外侧形成致密的隔离层4，以防制备载体与催化剂时影响铂膜电阻2;e、采用通电分解法，使3号液在致密的隔离层4外形成具有r晶形的载体。
3.将此载体浸渍催化剂并激活为具有活性的黑元件a、将含20%的pdcl2水溶液定为4号液;b、将含3%的H3ptcl3水溶液定为5号液;c、用4号液浸渍载体2～5次，每次通电使元件发红，产生热分解;d、用5号液继续浸渍载体1～3次，每次通电使元件发红产生热分解;e、通电使元件暗红后再通入浓度为10%甲烷使元件激活获得活性;f、通电、通甲烷，交义老化后经测试获得合格的元件。
使用本发明方法制造低电流或低功耗热催化元件完全避免了现有产品与传统工艺的不足之处，经对已制得的低电流型产品实测，本发明相比现有技术具有如下优点。
1.元件工作电流能减小到50mA以下，故若在遥测仪或断电仪中使用这种元件能大大简化其在爆炸性气体环境中工作的本质安全型电源的设计，减少传输过程中电能的损耗，并能大大增加遥测的距离。
2.元件处于甲烷浓度达10%的具有爆炸性危险的环境中工作时，元件的温度仍远低于400℃，不会点燃与引爆瓦斯，具有本质安全型的特性。
3.大大提高元件的抗振性能，元件能承受从2m高自由跌落到坚硬的水泥地面而不开裂。
4.抗高浓度瓦斯激活能力强，抗激活指标比煤炭工业部规定的指标可提高二倍以上。
5.元件工作寿命长，径加速寿命试验，其指标比煤炭工业部规定的指标提高三倍以上。
本发明的元件制作不受铂丝线径的限制，当将基片面积减小到0.1mm2以下时，能制成工作电流小于100mA，工作电压小于1.2V的低功耗元件。
权利要求
1.一种供甲烷检测用的低电流或低功耗热催化元件，由管芯，外覆具有一定晶形的载体(白元件)及由将白元件表面浸渍催化剂所形成的具有活性的黑元件构成，其技术特征在于所说的管芯由基片1、铂膜电阻2、覆盖铂膜电阻外侧的致密隔离层4及连接铂膜电阻2与管脚9的引线5组成；元件的载体6含有氧化铱等特殊的添加剂。
2.按照权利要求1所说的低电流或低功耗热催化元件其特征在于基片1采用表面光洁度好且易研磨、易切割的材质，为了防止铂膜脱离在基片1铂膜电阻2之间采用钛过渡层引线5采用金丝，用银浆将引线5与管脚9粘接在一起。
3.按照权利要求2所说的低电流或低功耗热催化元件，其特征在于基片1采用厚度在100～200μm间的硅单晶片，面积对于低电流元件(LX型)为0.2～0.3mm2，对于低功耗元件(JD型)为0.08～0.1mm2;基片1上铂膜电阻2冷态(25℃)的电阻值对LX型元件为40～70Ω，对JD型元件为6～9Ω;过渡层钛与铂膜厚度之比为0.05～0.1之间;引线5采用的金丝直径时LX型元件为45～60μm，对JD型元件为15～25μm。
4.按照权利要求1所说的低电流或低功耗热催化元件的制造方法先制作管芯，再在其上制作载体，将载体上浸渍催化剂激活形成具有活性的元件，再由管脚固定在管座上，其特征在于所说的管芯制作系采用微电子学方法中的溅射工艺上较大的基片1上形成多个钛过渡层与铂膜电阻2，在引线孔3蒸金，再按一定的尺寸切割成所需的芯片;后将引线5一端压焊在引线孔3上;再经500～900℃热处理后，用银浆将引线5另一端粘连在管脚9上形成管芯;在此管芯上再制作隔离层4、载体及催化剂。
5.按照权利要求4所说的低电流或低功耗热催化元件的制造方法中有关隔离层与载体的制备方法，其特征在于a、将Al(NO3)3·9H2O溶于去离子水，搅拌均匀制成含35～40%的Al(NO3)3水溶液定为1号液;b、将研磨至分散度符合要求的Al2O3，粉末与重量2～3倍的1号液配成浊液，定为2号液;c、将含有0.1～1%氧化铱等添加剂的Al2O3研磨至所需分散度后与等量的1号液搅拌均匀定为3号液;d、采用通电分解法依次使2号液与1号液在管芯铂膜电阻外侧形成致密的隔离层4;e、采用通电分就法，使3号液在致密隔离层4外侧形成具有r晶形的载体。
6.按照权利要求4所说的低电流或低功耗热催化元件的制造方法中有关催化剂制备方法，其特征在于a、用加热煮沸法制得含2.0～5.0%的pdcl2水溶液定为4号液;b、将含2.0～6.0%的H3ptcl3水溶液定为5号液;c、用4号液浸渍载体2～8次，每次通电使元件发红，产生热分解;d、用5号液继续浸渍载体1～5次，每次通电使元件发红，产生热分解;e、通电使元件暗红后再通入浓度为10%甲烷，交义老化后经测试获得合格的元件。
全文摘要
本发明涉及一种甲烷传感器—低电流或低功耗催化元件及其制造方法，该产品由基片、铂膜电阻、隔离层、引线构成管芯，外覆r晶形的Al
文档编号G01N27/16GK1041454SQ8810667
公开日1990年4月18日 申请日期1988年9月23日 优先权日1988年9月23日
发明者叶芄生, 董华霞, 赵润斌 申请人:淮南矿业学院, 太原电子厂