一种具有气体选择透过性的多孔陶瓷及其制备方法和应用与流程

本发明涉及封装材料，具体涉及一种具有气体选择透过性的多孔陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着市场对气体传感器性能要求的提高，传感器的抗干扰能力就显得尤为重要。气体传感器在运作过程中常会受到一些干扰性气体的影响，从而导致传感器无法准确对目标气体进行识别响应。目前市面上常用到复合滤层来过滤掉这些干扰性气体，如figaro型号为tgs2610-e00的气体传感器，这款传感器加装了可消除酒精等干扰气体影响的滤罩，具有对甲烷气体极高选择性的灵敏特性。但这些复合滤层体积较大，工艺复杂且成本较高，并不适合运用在以mems为主的小微型气体传感器上。

2、在电子封装材料中，陶瓷封装占据着很大的比重。陶瓷封装的优点是机械强度高、电绝缘性好、耐湿、耐热冲击、可靠性高、可批量化生产、避光性好以及使用寿命长等特点[李婷婷，彭超群，王日初，王小锋，刘兵.电子封装陶瓷基片材料的研究进展[j].中国有色金属学报,2010,20(07):1365-1374.doi:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2010.07.019]。但是传统的封装陶瓷为了得到较高的机械强度和遮光性，往往透气性能比较差；当追求高透气性能时，疏水性能和机械强度又难以满足要求。这些原因就导致了在气体传感器封装领域陶瓷的应用实例极少。

3、因此为了提高气体传感器的抗干扰能力，保障其工作稳定性与可靠性，研发一种既疏水透气又具备气体选择透过性的高强度封装材料就显得尤为重要。

4、公开号为cn114085091a的中国专利申请文献公开了一种氧化铝滤层的制备方法、制得的滤层及其在传感器中的应用，其制备方法包括以下步骤：(1)将氧化铝粉置于球磨罐中，加入去离子水、聚乙二醇，球磨，然后加入聚乙烯醇缩丁醛树脂、邻苯二甲酸二辛酯继续球磨；(2)将球磨后的浆料取出，排除浆料中的气泡，过筛后，置于模具中干燥；(3)将干燥后的块体从模具中脱离，然后进行烧结。其制备的滤层固体间颗粒相互键联，晶粒长大，孔隙和晶界逐渐减少，体积收缩，密度增加，力学性能提高，使滤层表面密实，改善孔结构，降低气孔率，极大的提高了滤层的气体选择性能，尤其是针对乙醇等挥发性气体，但是其气体选择性仍欠佳。

5、现有的传感器中公开了抗乙醇过滤封装层，但是其工艺复杂、成本高、不适合用于小微体积的mems气体传感器且无法有效过滤掉空气中的微尘、杂质以及臭氧气体，容易导致这些污染物对传感器灵敏元件的干扰，同时抗湿度性不足，降低传感器的准确性和稳定性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何获得一种选择性透过氢气且同时阻隔臭氧和乙醇透过的陶瓷材料。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题：

3、一种具有气体选择透过性的多孔陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、将煅烧氧化铝、氧化锌、氧化锰、氧化镁、聚乙二醇、玉米淀粉和水于球磨装置中进行球磨；

5、s2、在s1中的球磨装置中加入甲基纤维素和丙三醇，球磨后得到陶瓷浆料；

6、s3、将s2中的陶瓷浆料干燥、研磨、过筛后压制形成陶瓷生胚；

7、s4、将陶瓷生胚在空气氛围下烧结得到陶瓷片；其中，所述烧结的温度为1500-1600℃；

8、s5、将含氢硅油与乙酸乙酯溶液混合，配制成疏水剂溶液，随后将陶瓷片置于疏水剂溶液中浸渍得到所述具有气体选择透过性的多孔陶瓷。

9、优选地，在s1中，所述煅烧氧化铝的制备方法包括以下步骤：将氧化铝置于马弗炉中，以5℃/min的升温速率升温至1200℃，随后恒温2h，冷却后得到所述煅烧氧化铝。

10、优选地，在s1中，所述煅烧氧化铝、氧化锌、氧化锰、氧化镁、聚乙二醇、玉米淀粉的质量比为5-12：1-2：1-12：0.2-0.5：0.2-0.5：1-2；所述煅烧氧化铝、水的质量体积比为5-12g：20ml。

11、优选地，在s1中，所述球磨的转速为600r/min，时间为24h；在s2中，所述球磨的转速为600r/min，时间为6h；在s3中，在压制过程中，压力为20mpa，时间为1min。

12、优选地，所述煅烧氧化铝、甲基纤维素、丙三醇的用量比为5-12g：0.1-0.5g：0.1-0.5ml。

13、优选地，在s4中，将陶瓷生胚置于马弗炉中，在空气氛围下以1-2℃/min的升温速率升至500℃恒温1h，随后继续以1-2℃/min的升温速率升温至1500-1600℃恒温烧结1-3h，随后以1-2℃/min的降温速率降至室温后取出得到陶瓷片。

14、优选地，在s5中，所述疏水剂溶液中含氢硅油的质量分数为10-20wt％；所述浸渍的时间为2h。

15、本发明还提出一种具有气体选择透过性的多孔陶瓷，采用所述的具有气体选择透过性的多孔陶瓷的制备方法制备而成。

16、本发明还提出一种所述的具有气体选择透过性的多孔陶瓷在气体传感器中的应用。

17、本发明还提出一种抗乙醇抗臭氧气体传感器，含有所述的具有气体选择透过性的多孔陶瓷。

18、优选地，所述抗乙醇抗臭氧气体传感器为抗乙醇抗臭氧的氢气mems传感器。

19、本发明的优点在于：

20、(1)本发明的制备方法具体选择了煅烧氧化铝、氧化锌、氧化锰、氧化镁、聚乙二醇、玉米淀粉、甲基纤维素和丙三醇作为原料，得到的陶瓷片具有优异的气体选择透过性，之后将陶瓷片置于含氢硅油与乙酸乙酯配制而成的疏水剂溶液中浸渍疏水改性，在多孔陶瓷中掺入硅基疏水基团，赋予其疏水性能。

21、(2)采用本发明的多孔透气陶瓷作为传感器的封装材料，确保传感器防水、防尘、透气、可靠性提高、使用寿命延长且在空气中长期稳定，同时能阻隔乙醇和臭氧，具备气体选择透过性。

22、(3)本发明制备的陶瓷用作气体传感器封装材料的机械强度提高，避光性能与导热性能增强，生产成本降低，能够有效保障传感器芯片的安全稳定性；

23、(4)本发明制备的多孔陶瓷具备一定的气体选择过滤性，能够有效地过滤掉臭氧、乙醇等干扰气体，可以实现对不同气体的高选择性响应，扩大气体传感器在特种环境中的应用范围。

24、(5)本发明制备的多孔陶瓷具有高比表面积和孔径分布可控的特点，可以提高气敏元件的灵敏度。

25、(6)本发明制备的多孔陶瓷材料具有较高的化学稳定性和耐热性，用于传感器封装能够保证传感器长期稳定性能。

26、(7)本发明制备的多孔陶瓷可以滤除空气中的微尘和杂质，同时有着更好的气体选择性，其中对h2选择透过性最好，而对其余气体几乎都能过滤掉，从而减少传感器对外界干扰的影响，提高传感器的抗干扰性能，可以使用该陶瓷作为盖板封装制作成h2传感器。

27、附图说明

28、图1为本发明实施例1中制备的多孔陶瓷作为传感器封装盖板示意图；

29、图2为采用本发明实施例1中制备的多孔陶瓷和3225传统镂孔盖板封装的传感器对乙醇和h2气体的响应值的变化情况；

30、图3为采用本发明实施例1中制备的多孔陶瓷和3225传统镂孔盖板封装的传感器对臭氧气体响应值的变化情况；

31、图4为采用本发明实施例1和对比例1制备的多孔陶瓷封装的传感器对乙醇气体响应值的变化情况；

32、图5为采用本发明实施例1和对比例2制备的多孔陶瓷封装的传感器对乙醇气体响应值的变化情况；

33、图6为采用本发明对比例3中制备的多孔陶瓷和3225传统镂孔盖板封装的传感器对乙醇响应值的变化情况；

34、图7为采用本发明实施例1中制备的多孔陶瓷和3225传统镂孔盖板封装的传感器对氢气响应值的变化情况。