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与流程

本发明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，属于传感器技术领域。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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。

本发明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；

s6、采用引线焊接技术在四个引线焊盘上分别焊接四个引线；

s7、采用点胶技术在四个引线焊盘和两个调阻区处涂覆玻璃浆料；

s8、采用烧结技术将s7获得的样品烧结成型；

s9、采用浸渍技术将催化剂使用的离子的溶液滴入第一催化单元的催化剂载体上，经过烘干和烧结，使第一催化单元形成检测元件，第二催化单元形成补偿元件；

s10、采用划片技术将包含检测元件和补偿元件的传感器芯体分离，获得一体化催化燃烧式可燃气体传感器。

优选的，s9所述采用浸渍技术将催化剂使用的离子的溶液滴入第一催化单元的催化剂载体上，通过催化离子水溶液的浸润，控制溶液的浓度和滴入体积能够实现对催化剂负载量的控制。

优选的，s9所述烘干和烧结的具体过程为：

将滴入催化剂的样品在80℃～120℃的条件下干燥，干燥时间≥9h；

然后将干燥后的样品煅烧，煅烧温度根据催化剂类型控制在500℃～900℃之间，煅烧时间2h～5h。

本发明的优点：本发明提出的片式结构一体化催化燃烧式可燃气体传感器呈现片式结构，尺寸小、结构简单，薄的催化燃烧层增加了热传导效率，有效降低了传感器功耗，提升可燃气体催化燃烧速率，传感器灵敏度、响应速度等性能指标明显提升，催化剂载体采用多孔陶瓷材料烧结成型使产品的可靠性显著增强，通过改变催化剂种类可以实现不同种类可燃气体检测。本发明所述的可燃气体传感器是基于htcc工艺技术设计与制造，制造工艺成熟、可控，易于实现传感器的批量化生产，容易实现传感器的小型化、集成化设计制作。

附图说明

图1是本发明所述片式结构一体化催化燃烧式可燃气体传感器的结构示意图；

图2是本发明所述上层陶瓷片基片上表面的结构示意图；

图3是本发明所述上层陶瓷片基片下表面的结构示意图；

图4是本发明所述催化燃烧层的结构示意图；

图5是本发明所述两个调阻区调阻后的结构示意图；

图6是本发明所述两个催化单元的催化剂载体采用的多孔氧化铝陶瓷的sem图；

图7是采用本发明所述片式结构一体化催化燃烧式可燃气体传感器的pd催化剂甲烷可燃气体传感器测试曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一：下面结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式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。

本实施方式中，第一感知电阻2-1为第一催化单元3-1加热到工作温度，并感知可燃气体在第一催化单元3-1燃烧引起的第一感知电阻2-1阻值的变化；第二感知电阻2-2为第二催化单元3-2加热到工作温度；第一催化单元3-1作为检测元件，第二感知电阻2-2作为补偿元件。

进一步的，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。

再进一步的，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金属材料制成。

本实施方式中，将第一调阻区1-11在与第一引线焊盘1-1和第一信号传输焊盘1-5的连通一侧划开进行调阻，将第二调阻区1-12在与第二引线焊盘1-2和第二信号传输焊盘1-6的连通一侧划开进行调阻。

再进一步的，所述第一感知电阻2-1和第二感知电阻2-2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2-1和第二感知电阻2-2采用pt金属材料制成。

再进一步的，所述催化燃烧层3的第一催化单元3-1和第二催化单元3-2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3-3；

第一催化单元3-1和第二催化单元3-2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3-1的催化剂采用pt、pd、au单组分或多组分复合组成。

本实施方式中，所述热隔离悬浮桥3-3能够避免第一催化单元3-1和第二催化单元3-2之间产生热干扰。

本实施方式中，第一催化单元3-1的催化剂为pt、pd、au单组分或多组分复合组成，通过控制催化剂的组成能够实现可燃气体的选择性催化燃烧，实现不同可燃气体的选择性检测。

本实施方式中，第一催化单元3-1和第二催化单元3-2的催化剂载体厚度为5～20μm，通过催化剂载体厚度控制提升可燃气体催化燃烧效率和热传导效率，提升传感器的灵敏度、响应速率。

再进一步的，所述第一通孔1-13、第二通孔1-14、第三通孔1-15和第四通孔1-16内均填充有pt金属材料。

再进一步的，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。

具体实施方式二：下面结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式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，该制备方法基于片式结构一体化催化燃烧式可燃气体传感器实现，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1-13、第二通孔1-14、第三通孔1-15和第四通孔1-16；

采用丝网印刷法在第一通孔1-13、第二通孔1-14、第三通孔1-15和第四通孔1-16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2-1和第二感知电阻2-2；

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3-1和第二催化单元3-2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1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3-1和第二催化单元3-2的催化剂载体上制备热隔离悬浮桥3-3；

s6、采用引线焊接技术在四个引线焊盘上分别焊接四个引线；

s7、采用点胶技术在四个引线焊盘和两个调阻区处涂覆玻璃浆料；

s8、采用烧结技术将s7获得的样品烧结成型；

s9、采用浸渍技术将催化剂使用的离子的溶液滴入第一催化单元3-1的催化剂载体上，经过烘干和烧结，使第一催化单元3-1形成检测元件，第二催化单元3-2形成补偿元件；

s10、采用划片技术将包含检测元件和补偿元件的传感器芯体分离，获得一体化催化燃烧式可燃气体传感器。

本实施方式中，第一引线1-17和第二引线1-18分别与第一引线焊盘1-1和第二引线焊盘1-2连接，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；第一催化单元3-1位于第一感知电阻2-1的正上方；因此，第一引线1-17和第二引线1-18用于检测元件信号传输。而第三引线1-19和第四引线1-20用于补偿元件信号传输。

进一步的，s9所述采用浸渍技术将催化剂使用的离子的溶液滴入第一催化单元3-1的催化剂载体上，通过催化离子水溶液的浸润，控制溶液的浓度和滴入体积能够实现对催化剂负载量的控制。

再进一步的，s9所述烘干和烧结的具体过程为：

将滴入催化剂的样品在80℃～120℃的条件下干燥，干燥时间≥9h；

然后将干燥后的样品煅烧，煅烧温度根据催化剂类型控制在500℃～900℃之间，煅烧时间2h～5h。

如图6所示，为采用pd催化剂甲烷可燃气体传感器测试曲线图，该催化剂载体表现出优异的多孔性，利于催化剂的浸润并吸附在载体材料上，同时有利于可燃气体在催化剂上发生催化燃烧反应，提升了传感器的相应速度。对pd负载的检测单元进行甲烷气体性能测试，测试曲线图如图7所示，在500℃工作温度催化活性较高，甲烷的最高转化率达到95.9％。该传感器对甲烷气体展现出优异的检测性能。

高温共烧陶瓷(high-temperatureco-fireceramics，htcc)技术是近些年发展起来的整合组件技术，主要包括冲孔、丝网印刷、叠片等工艺过程，htcc经多年工艺技术发展，工艺过程已经成熟，由于htcc工艺技术易于实现多层布线与一体化结构，可实现产品小型化、集成化设计，被广泛应用于传感器制造，为新一代可燃气体传感器研制提供了新的发展方向。本发明采用htcc技术完成了催化燃烧式可燃气体传感器设计制作，产品呈一体化结构，尺寸小、结构简单，传热效率增加，有效降低了传感器功耗，灵敏度、响应速度等性能指标明显提升，产品的可靠性显著增强，制造工艺成熟、可控，可实现传感器的批量化生产。

本方法基于htcc工艺技术，主要包括冲孔、丝网印刷、叠片、等静压等工艺过程，工艺技术成熟，可以实现传感器的批量化生产。传感器通过检测元件和补偿元件一体化结构设计，使传感器表现出尺寸小、结构简单。通过控制催化剂载体厚度有效提升检测元件热传导效率，降低了传感器功耗，灵敏度、响应速度等性能指标明显提升，产品使用的可靠性显著增强。通过优化催化剂成分与组成可以实现不同种类可燃气体的选择性检测，本方法设计开发的产品具有成本低、寿命长等优点，可广泛应用于地下输气管网、煤矿、矿井、输气站等生产环境中可燃气体浓度的检测和预警。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。