[发明专利]可燃气体传感器及其制造方法

说明书

本发明涉及一种可燃气体传感器其及制造方法，特别涉及一种甚至对低浓度气体灵敏度也很高的可燃气体传感器及其制造方法，该传感器尺寸小，可以减小功耗，提高响应速度，并且能抗振动和抗冲击。

可燃气体传感器是一种检测可燃气体和氧气的反应(燃烧)产生的热，并将之转化成电信号来探测可燃气体的传感器。

参见图1，常规可燃气体传感器包括：燃烧部件1，可燃气体在此燃烧；及加热部件2，用于将可燃气体部件1加热到合适温度，其电阻根据气体燃烧的热量可以变化。燃烧部件1由氧化铝绝缘材料构成，并带有浸渍于其中的例如Pd或Pt等贵金属催化剂，用于加强可燃气体的燃烧。加热部件2多数由具有大温度电阻系数的Pt丝构成。可燃气体传感器应用于如图3所示的惠斯登电桥型测量电路，用于测量Pt丝电阻由于可燃气体燃烧产生的热而产生的变化，由此探测可燃气体。也就是说，该测量电路包括：接于测量电路一侧的可燃气体传感器；温度和湿度特性几乎与可燃气体传感器类似的补偿元件3，但补偿元件3不带浸渍于其中的催化剂，不会与可燃气体反应，并且补偿元件3接在邻接可燃气体传感器侧的另一侧；两个固定电阻器4和5，它们作为电桥电路的其余两侧；与上述元件并联的可变电阻器6，用于调节电桥的平衡。作为可变电阻器的VR用于调节通过开关SW与之连接的电压源E。

在上述测量电路中，调节可变电阻器6，可以在把传感器加热到300-600℃状态下平衡电桥。在可燃气体开始与传感器接触时，可燃气体燃烧，并且由燃烧产生的热使传感器中的Pt线圈的电阻增大。另一方面，补偿元件不会引起可燃气体燃烧，所以不产生燃烧热，其中的Pt线圈的电阻值不变。所以，敏感元件和补偿元件之间存在电阻差，产生与可燃气体浓度成正比的电桥电压，电桥电压的一个实例示于图4，其中示出了甲烷气体的输出特性。

下面参照图2说明制造可燃气体传感器的常规方法。首先，绕制Pt丝形成传感器加热部件，同时在其上设置由氧化铝作主要成分的陶瓷溶胶或浆料构成的预定尺寸的颗粒浸渍剂载体，以在加热部件上形成燃烧部件，并在炉中退火。然后，在该颗粒中浸渍如Pt或钯等催化剂。把带有浸渍了催化剂并在炉中退了火的颗粒氧化铝浸渍剂载体的传感器焊接于管座中的引线管脚上。

然而，常规可燃气体传感器其及制造方法存在以下问题。

在传感器中，电阻增量ΔR可以表示成以下的公式1，其中c是可燃气体的浓度，ΔT是气体的燃烧热导致的温度增量。

            ΔR＝a·ΔT＝a·b·c·Q/h…          (1)

其中“a”是加热器线圈的温度电阻系数，Q是气体的燃烧热，h是元件的热容量，及b是与加到元件中的催化剂有关的系数。

由该公式可知，对于高灵敏度的传感器来说，加热部件的电阻温度系数应较高，且该元件的热容量应较低。通过Pt丝传导且辐射到空气中损失的绝大数燃烧热应该引起加热部件电阻变化，除传感器的灵敏度外，这还与功耗很相关。因此，为了减少燃烧热的损失，应该减小Pt丝的直径及燃烧部件的尺寸。除此之外，为了使燃烧热很好地传到线圈，线圈的热导率应该高，且传导的距离应该短。然而，因为在常规传感器的燃烧部件中形成了包围的Pt丝的圆球形颗粒，导致了颗粒的尺寸和浸渍于其中的催化剂的量对传感器的灵敏度有很大影响，颗粒尺寸的减小是有限的，而且，因为需要Pt丝支撑一定尺寸和重量的颗粒，Pt丝直径的减小也是有限的。

而且，常规气体传感器的问题不仅在于，这类气体传感器形成足以获得所希望灵敏度的颗粒尺寸和Pt厚度，其抗振动和冲击的能力较差，且把颗粒加热到高温的功耗很大，问题还在于，对气体的灵敏度和响应速度的提高受到限制，因为这类传感器有这样一种结构，即，在颗粒上燃烧的可燃气体的燃烧热传到Pt线圈上时，Pt线圈的电阻改变，其热传导系数和距离影响着传感器的灵敏度和响应速度。因此，由于其灵敏度和响应速度取决于热传导系数和传输距离，所以限制了其灵敏度和响应速度。

另外，制造上述气体传感器的常规方法的问题不仅在于很难精确地调节每个传器的颗粒尺寸，这是因为人工方式或以与以下方式类似的方式形成颗粒的缘故，所述方式是在线圈上涂敷为形成颗粒而制备的氧化铝溶胶或浆料，然后干燥和烧结，此常规方法的问题还在于，这种传感器不适于批量生产，原因是焙烧、催化剂浸渍和引线键合工艺等等工艺是一个器件一个器件地(device by device)进行，而且因为补偿元件和敏感元件在分开的工艺中形成，所以生产成本加倍。