[发明专利]可燃气体和蒸汽的平面热催化传感器

说明书

本发明涉及基于热催化工作原理的气体分析和可燃气体与蒸汽分析仪。本发明的主题是传感器，其敏感元件由可以容易自动化的平面技术制造。主要区别特征是活性传感器元件和比较传感器元件共同位于多孔阳极氧化铝的公共基板上的单个微米级结构部件(微芯片)中。传感器元件的设计提供了从活性元件和比较元件的加热部分进行薄膜式热传递。将活性传感器元件和比较传感器元件加热到工作温度并差分测量桥测量电路中的输出信号的微加热测量元件在阳极氧化铝基板的相对侧处间隔开并且设置在突出超过基板的一般形状的臂上。传感器元件设置在具有经校准孔口的限制扩散入口的反应室中，并且微芯片基板的规则孔的直径增加到提供孔中的较优分子扩散模式(100nm或更大)的尺寸。

技术领域

本发明涉及基于热催化原理的可燃气体和蒸汽的气体分析设备，更具体地涉及这种设备的传感器。

背景技术

在文献中，有几个名称是“热催化传感器”的术语“热催化检测器”，“热催化一次换能器”，“热催化气体测量头”[Karpov E.F.，Basovsky B.I.，Control of ventilation andoutgassing in coal mines(煤矿通风排气控制)，手册，莫斯科，“Nedra”出版社，1994年]。所有这些术语给出了由这些设备执行的功能的精确表示，并且可以仅包括放置在防爆壳体内并且防止待分析的气体-空气混合物受灰尘和湍流影响的敏感元件，或者可以另外部分或完全地包括传感器设备的电路。

在本发明中，术语“热催化传感器”暗指最常见的传感器设计，其包括圆柱形壳体或具有另一形状的壳体，其具有待分析的气体-空气混合物通过多孔气体交换过滤器的单侧扩散入口，混合物首先进入缓冲室，其与气体交换过滤器一起促进湍流外部流的波纹平滑化。然后，平滑的层流进入设置有工作敏感元件和通常为pellistor型的参考敏感元件的反应室。

工作敏感元件(SE)由嵌入涂覆有催化活性涂层的γ-氧化铝的多孔陶瓷中的加热和测量铂线圈组成。参考SE具有与工作SE类似的设计，但没有催化活性涂层。感测元件集成在测量桥电路的一个分支中。桥电路的另一个分支通常位于气体分析仪的公共电路板上。

现有技术

基于热催化原理的气体分析仪由于主要设计选项的简单性，并且由于与基于另一种功能概念的设备相比维护简单且产品(气体检测器，气体分析仪)价格较低而得到广泛应用。

然而，热催化传感器具有几个缺点，例如时间上支持体的孔结构的改变，以及因而导致的工作SE的催化活性的改变，这两者都导致灵敏度的逐渐降低和计量校准区间的缩短。pellistor型(体积式)热催化传感器的另一个缺点是制造工作和参考敏感元件方面的重大的人工劳动成本，并且不可能保证其参数和特性的同一性，这使得有必要在生产后执行附加操作以选择成对元件。

另一个缺点是工作敏感元件的催化活性在暴露于“催化剂毒物(首先是包含在各种粘合剂、油漆、清漆等中的广泛的有机硅化合物)”的过程中降低。

广泛应用于微电子工业的薄膜技术(包括光刻和各种真空沉积方法)的发展引发了平面热催化传感器的发展。

现有技术中已知一种平面型热催化传感器，其敏感元件制造技术和传感器结构公开于第US 2002/0118027 A1号专利申请公开文本[2002年8月29日(Dmitri Routkevitch等人，Nanostructured ceramic platform for micromachined devices and devicearrays(用于微机械设备和设备阵列的纳米结构陶瓷平台))]。在该现有技术文献中，与所要求的方案类似，使用由阳极的氧化铝(阳极氧化铝，AA)制成的小尺寸薄的多孔基板作为敏感元件的支撑件。微型加热器制成U形配置的薄铂膜。感测元件布置在位于传感器壳体内的反应室中，并通过气体交换过滤器与待分析的气体环境连通。与通过3D技术制造的pellistor型敏感元件相比，这些已知的解决方案允许降低能量消耗，以提供敏感元件的参数的同一性。