[發明專利]催化式氣體傳感元件、加工方法和催化式氣體傳感器

在審

• 申請號: 202010311714.X
• 申請日: 2020-04-20
• 公開（公告）號: CN111443114A
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發明（設計）人: 荊高山;樊曉華
• 申請（專利權）人: 江蘇集萃智能集成電路設計技術研究所有限公司
• 主分類號: G01N27/16
• 分類號: G01N27/16
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 孫仿衛

本發明涉及一種催化式氣體傳感元件，包括薄膜基底、檢測元件、參考元件、多孔沉積層。薄膜基底的導熱系數小、耐高溫且絕緣；檢測元件在薄膜基底上加工而成，包括檢測元件加熱電極、檢測元件溫度檢測電極；參考元件在薄膜基底上加工而成，包括參考元件加熱電極、參考元件溫度檢測電極；多孔沉積層包括沉積在檢測元件上的含有催化劑的多孔載體、沉積在參考元件上的不含催化劑的多孔載體。薄膜基底上加工有隔離檢測元件和參考元件的鏤空區域。本發明還涉及上述催化式氣體傳感元件的加工方法以及應用其的催化式氣體傳感器。本發明具有高性能、低成本、高可靠性的優點，還具備高靈敏、良好的氣體選擇性、低功耗、良好的長期穩定性。

技術領域

本發明涉及氣體傳感技術領域，具體涉及一種催化式氣體傳感元件，該催化式氣體傳感元件的加工方法以及基于該催化式氣體傳感元件的催化式氣體傳感器。

背景技術

烷烴氣體是日常生活中常見的一類氣體，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其同分異構體。其中，甲烷氣體是國民生產生活中最為常見的一種烷烴氣體。作為工業、民用的主要燃料和原料，甲烷在能源、化工、市政等多個領域廣泛存在，具有重要的應用價值。甲烷是燃爆氣體和溫室氣體，人們在開發利用甲烷的時候，需要對甲烷進行實時、分布的檢測。

對于燃爆氣體，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其同分異構體、氫氣、一氧化碳，較為主流的可燃氣體傳感檢測技術和方法主要有催化燃燒式，以及金屬氧化物半導體式、光學吸收式、熱導式、電化學式，此外還有諧振式、質譜離子譜分析類、生物檢測類。其中，催化燃燒式傳感器因其結構簡單、制造成本低、檢測精度較高、抗苛刻環境能力較強、體積較小、后續電路簡單等綜合優勢而得到廣泛的應用。全球每年市場超過百萬支，催化燃燒式傳感器在燃氣檢測領域有重要需求。

催化燃燒式傳感器利用催化燃燒的熱效應原理，由檢測元件和參考元件配對構成測量電橋。在一定起燃溫度條件下，可燃氣體在檢測元件載體表面及催化劑的作用下發生無焰燃燒，檢測元件的載體溫度升高，通過它內部的鉑絲電阻也相應升高。而參考元件的載體溫度不變，從而使平衡電橋失去平衡，輸出一個與可燃氣體濃度成正比的電信號。通過測量檢測元件的電阻變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。

烷烴氣體檢測具有特殊性。不同的烷烴氣體起燃溫度不同，并且起燃溫度傳感器的材料選擇要求高。以甲烷氣體為例，甲烷的單飽和CH鍵的強鍵能使甲烷化學性質穩定，其檢測比其他烷烴困難得多。甲烷的催化起燃溫度通常高于400^oC，氫氣、一氧化碳或其他烷烴的催化起燃溫度通常低于260^oC。不同的起燃溫度下，氣體反應效率不一樣。同時，對于很多材料而言，250^oC是發生材料退化的臨界點，例如常用于MEMS器件的薄膜金屬電極在300^oC以上發生擴散退化，聚合物基底在200^oC以上軟化分解，很多高效率貴金屬催化材料在300^oC以上開始出現燒結失活，這些因素限制了烷烴氣體催化的可用材料。其中，甲烷單飽和CH鍵的鍵能很高，甲烷檢測相比于其他可燃氣體更具挑戰性，對傳感器的高溫活性和穩定性要求更苛刻。

評價催化燃燒式傳感器性能有四個重要的參數：靈敏度、氣體選擇性、功耗、長期穩定性。對于催化燃燒式傳感器，起燃溫度、催化材料及其結構對于以上四個參數的影響如下：

（1）傳感器靈敏度決定于起燃溫度、催化劑材料和結構。起燃溫度越高，傳感器靈敏度越高；催化材料氣敏催化特性越好，比表面積越大，傳感器靈敏度越高。

（2）氣體選擇性決定于檢測氣體靈敏度差異。在同一起燃溫度下，不同的烷烴氣體，具有不同的檢測靈敏度。在同一起燃溫度下，甲烷氣體CH鍵的鍵能最大，檢測靈敏度最低。不同氣體的檢測靈敏度差異，是氣體選擇性評判標準。傳感器起燃溫度的穩定性，決定了檢測氣體靈敏度的穩定性，從而決定傳感器的氣體選擇性，

（3）功耗決定于傳感器起燃溫度。起燃溫度越高，傳感器功耗越大。