專利名稱：正溫度系數(shù)熱敏材料加熱式氣敏傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種氣敏傳感器。這類傳感器主要用于氣體成份及濃度的檢測(cè)。
現(xiàn)有加熱式氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)有三種類型，即燒結(jié)型、厚膜型和薄膜型，加熱方式有直熱式和旁熱式兩種。所用加熱器一般采用電阻式加熱器，對(duì)于燒結(jié)型氣敏傳感器用的是電阻線圈加熱，結(jié)構(gòu)為以陶瓷管作襯底，外表面制傳導(dǎo)電極，其上涂敷氣敏材料，加熱電阻線圈置于陶瓷管芯。對(duì)于厚膜和薄膜型氣敏傳感器用的是電阻膜層加熱，結(jié)構(gòu)為以陶瓷基片作襯底，在基片上分別制作加熱電阻膜層和氣敏傳導(dǎo)電極，然后再在電極上沉積或印刷敏感材料。
目前的氣傳敏感器，無論是采用電阻線圈還是采用電阻薄膜類型的加熱器，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中都存在著一個(gè)缺陷，即加熱器一旦制成，加熱器的加熱功率就固定了。由于加熱功率固定，當(dāng)氣敏傳感器工作的環(huán)境溫度發(fā)生較大變化時(shí)，氣敏傳感器的工作溫度不能保持在所需工作溫度點(diǎn)上，因而影響氣傳敏感器的正常工作，容易造成失誤。
本發(fā)明的目的就是為了克服已有技術(shù)的缺陷，提出了一種穩(wěn)定性好，具有優(yōu)良抗溫性能的新結(jié)構(gòu)氣敏傳感器。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明中的氣敏傳感器使用具有正溫度系數(shù)(PTC)的熱敏電阻材料做成加熱器，加熱器與氣敏材料之間增加一個(gè)電絕緣層，構(gòu)成一種新結(jié)構(gòu)的PTC熱敏材料加熱式氣敏傳感器。
本發(fā)明克服了已有技術(shù)的不足，避免了傳統(tǒng)工藝制作的氣敏傳感器由于環(huán)境溫度的變化造成工作溫度點(diǎn)漂移的缺陷，其特點(diǎn)是1．當(dāng)選擇了居里點(diǎn)與氣敏材料工作溫度點(diǎn)一致的具有PTC效應(yīng)的熱敏電阻材料作加熱器后，利用了這種材料自身的電阻隨溫度變化而變化以維持恒定加熱溫度的特點(diǎn)，達(dá)到保證氣敏傳感器在環(huán)境溫度發(fā)生較大變化時(shí)，工作溫度恒定的目的，有效地提高了氣敏傳感器的工作穩(wěn)定性。
2．由于PTC效應(yīng)的熱敏電阻材料具有間歇式通電工作的特點(diǎn)，因而以具有PTC效應(yīng)的熱敏電阻材料作加熱器的氣敏傳感器較傳統(tǒng)加熱方式的氣敏傳感器需要較低的加熱功率，屬低功耗器件。
3．由于PTC效應(yīng)的熱敏電阻材料作加熱器有效地維持了氣敏材料表面溫度的恒定，大大減小了氣敏材料本身電阻因溫度變化而產(chǎn)生的變化，有效的降低了氣敏傳感器的漂移率。
4．由于具有PTC效應(yīng)的熱敏材料種類多樣，因此根據(jù)不同需要可制作出各種結(jié)構(gòu)與形狀的氣敏傳感器。


圖1為PTC熱敏電阻材料加熱式氣傳敏感器片式結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為PTC熱敏電阻材料加熱式氣傳敏感器片式結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3為PTC熱敏電阻材料加熱式氣傳敏感器管式結(jié)構(gòu)原理圖。
圖4為PTC熱敏電阻材料加熱式氣傳敏感器管式結(jié)構(gòu)剖面圖。
以下結(jié)合附圖詳述本發(fā)明。
本發(fā)明中的氣敏傳感器使用具有正溫度系數(shù)(PTC)的熱敏電阻材料作成加熱器，為了達(dá)到最理想的效果和最佳結(jié)構(gòu)，本發(fā)明選擇居里點(diǎn)與氣敏材料工作溫度點(diǎn)一致的PTC熱敏電阻材料作加熱器。這種PTC熱敏電阻材料可以是熱敏陶瓷材料如BaTiO3及摻雜的Ba1-xLaxTiO3等；也可以是具有PTC效應(yīng)的導(dǎo)電復(fù)合高聚物材料，如聚乙烯與金屬粉的復(fù)合材料。制成的PTC熱敏電阻材料加熱式氣敏傳感器主要由氣敏材料(1)、PTC熱敏電阻材料制成的加熱器(2)、氣敏材料與加熱器之間的電絕緣層(3)、以及傳感器傳導(dǎo)電極(4)和加熱器傳導(dǎo)電極(5)構(gòu)成。
加熱器(2)同時(shí)也起襯底作用，在加熱器(2)底面制作加熱傳導(dǎo)電極(5)并引出電極引腳(6)，在絕緣層(3)上制作傳感器傳導(dǎo)電極(4)并引出傳感器電極引腳(7)。
電絕緣層可以是AlN、Si3N4或α-Al2O3材料制成。氣敏材料可以使用無機(jī)非金屬材料如SnO2基、ZnSnO3基、γ-Fe2O3基和γ-Al2O3基等系列的氣敏材料。使用沉積、印刷或涂敷等工藝可分別制得薄膜型、厚膜型或燒結(jié)型的片式結(jié)構(gòu)，(如附圖1，2)或管式結(jié)構(gòu)，(如附圖3，4)的氣敏傳感器，此種氣敏傳感器結(jié)構(gòu)適用于任何需加熱工作的氣敏材料制作的氣敏傳感器。
如圖1，2所示，本發(fā)明采用具有PTC效應(yīng)的熱敏電阻陶瓷片或具有PTC效應(yīng)的導(dǎo)電復(fù)合高聚物軟體厚膜材料作為加熱器(2)并起氣敏傳感器的襯底的作用，加熱器(2)底面制有加熱電極(5)，采用具有良好熱導(dǎo)性的電絕緣材料作為絕緣層(3)沉積在襯底上，絕緣層(3)上面制氣敏傳感器電極(4)，然后用沉積、印刷的方法可分別制得薄膜型、厚膜型氣敏傳感器。
如圖3，4所示，本發(fā)明采用具有PTC效應(yīng)的熱敏電阻陶瓷管或具有PTC效應(yīng)的導(dǎo)電復(fù)合高聚物管形材料作為加熱器(2)并起氣敏傳感器的襯底的作用，襯底上面制有加熱電極(5)，采用具有良好熱導(dǎo)性的電絕緣材料作為絕緣層(3)沉積在襯底上，絕緣層(3)上面制氣敏傳感器電極(4)，然后用涂敷的方法可制得燒結(jié)型管式氣敏傳感器。
實(shí)施例一BaTiO3陶瓷管加熱式燒結(jié)型管式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)如圖3，4所示，制作步驟為1)將BaTiO3陶瓷材料加工成管形，作為傳感器加熱器(2)兼襯底，陶瓷管加熱器(2)外表面印制梳狀加熱傳導(dǎo)鉑電極(5)，并粘接電極引腳(6)；2)在印有加熱電極(5)的表面沉積一層Si3N4絕緣層(3)；3)絕緣層(3)上再印制傳感器傳導(dǎo)鉑電極(4)并粘接電極引腳(7)；4)然后將γ-Al2O3基甲烷敏氣敏漿料涂敷在印有電極(4)的絕緣層(3)上；5)最后入爐燒結(jié)，封裝。
實(shí)施例二BaTiO3陶瓷片加熱式厚膜型氣敏傳感器結(jié)構(gòu)如圖1，2所示。制作步驟為1)用BaTiO3陶瓷片作為傳感器加熱器(2)兼襯底，在陶瓷片加熱器(2)的下底面印制梳狀加熱傳導(dǎo)鉑電極(5)并粘接電極引腳(6)；2)在加熱器(2)上表面沉積一層AlN絕緣層(3)；3)絕緣層(3)上再印制傳感器傳導(dǎo)鉑電極(4)并粘接電極引腳(7)；4)然后將SnO2基氫氣敏氣敏漿料利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)印制在印有電極(4)的絕緣層(3)上；5)最后入爐燒結(jié)，封裝。
實(shí)施例三Ba1-xLaxTiO3陶瓷片加熱式薄膜型氣敏傳感器結(jié)構(gòu)如圖1，2所示。制作步驟為1)以Ba1-xLaxTiO3陶瓷片作為傳感器加熱器(2)兼襯底，在加熱器(2)下底面印制梳狀加熱傳導(dǎo)鉑電極(5)并粘接電極引腳(6)；步驟2)、3)與實(shí)施例二相同；4)將γ-Fe2O3基CO敏氣敏薄膜利用薄膜制備技術(shù)沉積在印有傳感器電極(4)的絕緣層(3)上；5)封裝。
實(shí)施例四 復(fù)合高聚物加熱式薄膜型氣敏傳感器1)以具有PTC效應(yīng)的導(dǎo)電復(fù)合高聚物材料，作為傳感器加熱器(2)及襯底，其余步驟與實(shí)施例三相同。由于所采用的導(dǎo)電復(fù)合高聚物材料易裁剪、易成型，故可制成各種所需形狀如片式或管式的傳感器。較常用的結(jié)構(gòu)如圖1和圖3所示的形狀。
權(quán)利要求
1．一種正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻材料加熱式氣敏傳感器，主要由氣敏材料，加熱器，以及加熱器傳導(dǎo)電極和傳感器傳導(dǎo)電極構(gòu)成。其特征是氣敏傳感器的加熱器是采用具有正溫度系數(shù)(PTC)的熱敏電阻材料制成，在加熱器與氣敏材料之間增加了一個(gè)電絕緣層。
2．如權(quán)利要求1所述的氣敏傳感器，其特征是所說的加熱器是選用居里點(diǎn)與氣敏材料工作溫度點(diǎn)一致的具有PTC效應(yīng)的熱敏電阻材料制成。
3．如權(quán)利要求1或2所述的氣敏傳感器，其特征是所說的具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻材料為PTC陶瓷材料或PTC導(dǎo)電復(fù)合高聚物材料。
4．如權(quán)利要求3所述的氣敏傳感器，其特征是器件結(jié)構(gòu)為片式或管式結(jié)構(gòu)。
5．如權(quán)利要求4所述的氣敏傳感器，其特征是燒結(jié)型或厚膜型或薄膜型。
6．如權(quán)利要求1或2所述的氣敏傳感器，其特征是所說的具有正溫度系數(shù)的導(dǎo)電復(fù)合高聚熱敏物材料為聚乙烯與金屬粉料的復(fù)合物。
7．如權(quán)利要求1或2所述的氣敏傳感器，其特征是所說的氣敏材料為無機(jī)非金屬材料。
全文摘要
正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻材料加熱式氣敏傳感器,屬于一種氣敏傳感器,主要由氣敏材料,具有PTC效應(yīng)的熱敏電阻材料制成的加熱器,起隔離作用的電絕緣層和傳導(dǎo)電極構(gòu)成;如附圖所示,加熱器(2)同時(shí)也起襯底的作用,上下表面分別制備加熱電極(5)和絕緣層(3),絕緣層(3)上制氣體傳感器電極(4),由加熱電極(5)引出電極引腳(6),由傳感器電極(4)引出電極引腳(7),然后覆蓋氣敏材料(1)在表面。傳感器可制成燒結(jié)型,厚膜型和薄膜型的片式或管式結(jié)構(gòu),該種加熱方式的傳感器具有穩(wěn)定性好,漂移小,功耗低的特點(diǎn),該種加熱方式可廣泛用于各種氣敏材料制備的需加熱的氣體探測(cè)器。
文檔編號(hào)G01N27/407GK1298100SQ9911737
公開日2001年6月6日 申請(qǐng)日期1999年11月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月24日
發(fā)明者余萍, 肖定全 申請(qǐng)人:四川大學(xué)