[發(fā)明專利]氣敏元件、氣敏裝置和系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610069635.6
• 申請(qǐng)日: 2016-02-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107024513B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 江瀅;余龍文;蔣正勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢市義光億科貿(mào)有限公司
• 主分類號(hào): G01N27/04
• 分類號(hào): G01N27/04
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 蔡勝有

本發(fā)明涉及一種氣敏元件、氣敏裝置和系統(tǒng)，尤其涉及氣敏元件，包括氣敏材料，尤其是基于氧化物的氣敏材料，所述氣敏材料能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)以下一項(xiàng)或更多項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)：特定工作溫度下的檢測(cè)靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、選擇性和/或檢測(cè)極限，所述“穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)”是指：1)由氣敏材料制造的一定數(shù)量(例如不少于30個(gè))的氣敏元件和/或裝置測(cè)得的檢測(cè)指標(biāo)均落在平均值的±50％，尤其是±30％，更尤其是±20％，甚至是±10％以內(nèi)；和/或2)由氣敏材料制造的氣敏元件和/或裝置在至少10個(gè)檢測(cè)循環(huán)，或至少20個(gè)、至少30個(gè)、至少50個(gè)、甚至至少100個(gè)檢測(cè)循環(huán)后，檢測(cè)靈敏度相比于第一個(gè)循環(huán)后的靈敏度的比值大于80％，甚至大于98％。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及適用檢測(cè)特定氣體的氣敏元件、氣敏裝置和檢測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

在工業(yè)和日常生活中，氣敏傳感器具有廣泛用途。尤其在例如采掘、化工、能源生產(chǎn)等領(lǐng)域，都需要對(duì)氫氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，氫氣在新能源領(lǐng)域中的應(yīng)用引起了極大的關(guān)注，特別是對(duì)于燃料電池、氫動(dòng)力汽車(chē)，準(zhǔn)確迅速地檢測(cè)氫氣濃度尤為關(guān)鍵，因而目前非常需要能夠精確檢測(cè)氫氣的傳感器。但是，傳統(tǒng)的氫敏傳感器存在著靈敏度低、工作溫度較高等缺點(diǎn)，不能很好地滿足實(shí)際使用的需求。為改進(jìn)氣敏裝置的性能，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)開(kāi)展了很多努力。

CN201410315326.3公開(kāi)了一種選擇性氫氣氣敏傳感器，所包括氣的敏材料為鉑摻雜的氧化錫納米材料，其檢測(cè)范圍：100ppm-100000ppm(氣體體積分?jǐn)?shù)：1ppm＝1X10-6)；工作溫度：200℃-400℃；檢測(cè)靈敏度：5-500；反應(yīng)時(shí)間：小于2min；恢復(fù)時(shí)間：小于3min。但是，該文獻(xiàn)教導(dǎo)鉑摻雜在氧化錫顆粒中，而不是呈獨(dú)立的鉑顆粒形式，工作溫度較高。

CN201010291452.1公開(kāi)了一種氫氣傳感器中的鈀-納米二氧化錫薄膜狀電極制備方法。根據(jù)該文獻(xiàn)的記載，將二氧化錫摻入鈀等貴金屬可以提高靈敏度、減少響應(yīng)時(shí)間，還可以降低操作溫度。包括鈀-納米二氧化錫薄膜狀電極的傳感器，響應(yīng)時(shí)間較短，穩(wěn)定性和重復(fù)性都較好，特別適合于室溫檢測(cè)。但是，從該文獻(xiàn)所實(shí)現(xiàn)的效果看，其靈敏度低，很難實(shí)際應(yīng)用。

因此，目前仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)氣敏傳感器的性能。另一方面，還希望能夠方便可靠地實(shí)時(shí)檢測(cè)特定氣體的濃度。

發(fā)明內(nèi)容

出人意料地，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)薄膜器件存在尚未解決的問(wèn)題，例如易于吸附大量的雜質(zhì)氣體，或者不易形成適當(dāng)?shù)碾姌O結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致性能不穩(wěn)定。此外，目前得到的傳感器需要在較高溫度下運(yùn)行，這給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)很多不便。此外，近年來(lái)嘗試的一些氣敏器件往往依賴于非常精細(xì)結(jié)構(gòu)，例如納米薄膜，因此，性能不穩(wěn)定，良品率低，難以實(shí)際使用。事實(shí)上，現(xiàn)有的各種電子器件隨著工藝尺寸逐漸變小，也存在著良品率低的問(wèn)題。因此，雖然現(xiàn)有技術(shù)針對(duì)氣敏元件/傳感器進(jìn)行了大量的研究，報(bào)道了有利的性能，但是還不能可靠地獲得具備穩(wěn)定性能的實(shí)用產(chǎn)品。而目前工業(yè)部門(mén)使用的仍然是需要較高工作溫度的復(fù)雜裝置。

本發(fā)明出人意料地實(shí)現(xiàn)了高良品率的性能穩(wěn)定的氣敏元件/傳感器，其尤其能夠應(yīng)用于各類需要檢測(cè)氣體的場(chǎng)合。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的氣敏元件/傳感器不僅具備高的良品率，而且更優(yōu)選這些產(chǎn)品個(gè)體之間在性能上具備優(yōu)良的一致性、穩(wěn)定性。因此，在本說(shuō)明書(shū)的至少一部分中，采用“一致性、穩(wěn)定性”進(jìn)行說(shuō)明時(shí)，同時(shí)也滿足/涵蓋了良品率要求。需要指出，此處的良品率不依賴于針對(duì)成品的檢測(cè)篩選，而是產(chǎn)品的成分和結(jié)構(gòu)的反映，產(chǎn)品的成分和結(jié)構(gòu)使得成品能夠具備這樣的優(yōu)異性能。例如通過(guò)針對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的深入研究，可以意識(shí)到現(xiàn)有產(chǎn)品含有的一些成分，可能是使其不具備有利的性能的原因，因而在一些實(shí)施方案中，通過(guò)控制產(chǎn)品的成分，確保了所希望的性能。此外，本發(fā)明的一些實(shí)施方案通過(guò)形成相對(duì)致密的氧化物結(jié)構(gòu)(例如燒結(jié)體)，同時(shí)保持晶粒基本不長(zhǎng)大，并保持一定的氣孔率，顯著降低了納米尺度缺陷對(duì)性能的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的性能。在一個(gè)實(shí)施方案中，氣敏結(jié)構(gòu)的最小尺寸優(yōu)選不小于500微米，尤其是不小于1毫米、1.5毫米、2毫米、或者2.5毫米，從而可以有利地避免局部納米缺陷造成的影響，確保充分形成感測(cè)網(wǎng)絡(luò)。