專利名稱：用于氣體傳感器的絕熱陶瓷基板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體傳感器。更具體地，本發(fā)明涉及這樣的傳感器，其裝入了具有低熱 導(dǎo)率的陶瓷基板。
背景技術(shù)：
加熱催化珠的抗毒催化燃燒式傳感器(pellistor)類型的設(shè)備已經(jīng)在各種類型 的可燃?xì)怏w檢測器內(nèi)被用作傳感器元件。這樣的設(shè)備通過測量由氣體燃燒產(chǎn)生的熱量而進(jìn) 行操作。某些氣體可以在設(shè)備的外部區(qū)域內(nèi)快速燃燒。其它的氣體則可以在設(shè)備內(nèi)部更加 均勻地燃燒。無論是哪種情況，由這樣的燃燒產(chǎn)生的熱量都能夠被感知和測量。
—種已知形式的抗毒催化燃燒式傳感器包含繞線式加熱器。這樣的傳感器能夠被 加工成相對較小的尺寸并表現(xiàn)出相對較低的功耗。但是，所涉及的成本和工作量都很大并 將隨著尺寸的減小而增加。另一種形式的抗毒催化燃燒式傳感器已經(jīng)在2002年5月28日 授權(quán)的、發(fā)明名稱為"抗毒催化燃燒式傳感器"的美國專利6，395，230B1中公開。'230專 利已被轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人并通過引用被并入本文。 已經(jīng)有多種方法被用于嘗試降低抗毒催化燃燒式傳感器的功耗和/或加工成本。 一個例子是使用能夠被制成為具有小加熱面積并因此功耗較低的硅微機(jī)械"加熱板"。這些 設(shè)備具有很多缺點(diǎn)。硅微機(jī)械設(shè)備的研發(fā)/再設(shè)計(jì)成本很高。在所需的升高了的操作溫度 下(例如550攝氏度)并且特別是在加工抗毒催化燃燒式傳感器期間所需的更加高得多的 溫度下，加熱基板的長期穩(wěn)定性很差?；宀粔驁?jiān)固，使得難于設(shè)置感應(yīng)材料。還存在材料 不兼容的問題_例如通常在抗毒催化燃燒式傳感器中使用的陶瓷材料(氧化鋁/氧化鋯) 具有與基板材料例如硅或氮化硅明顯不同的熱膨脹系數(shù)，這可能會導(dǎo)致粘附不良和/或在 熱循環(huán)下破裂。 —種用于微加熱板的替代硅的材料是碳化硅，其具有比硅好得多的熱穩(wěn)定性，但 是可能難于蝕刻。碳化硅的另一個主要缺點(diǎn)是其高熱導(dǎo)率，導(dǎo)致與硅/氮化硅相比增大了 加熱板接線柱下方的熱損失，對于相同類型的結(jié)構(gòu)引起更高功耗。 通常被用于加熱金屬氧化物式氣體傳感器的基板材料是氧化鋁(A1203)。氧化鋁 具有的優(yōu)點(diǎn)在于它是比硅更加耐火的材料，并且成本低也易于獲得。氧化鋁也是用于絲網(wǎng) 印刷的常用基板，并且可絲網(wǎng)印刷的涂鍍金屬商用成品以及與氧化鋁相容的其他材料都很 容易獲得。與硅和碳化硅不同，由于氧化鋁需要被機(jī)械加工而不是光蝕刻加工，因此氧化鋁 難于以生產(chǎn)微加熱板所需的小比例進(jìn)行微機(jī)械加工。所以氧化鋁通常以幾毫米尺寸的芯片 形式被使用，并且通常被使用金屬導(dǎo)線或引線框連接至合適的管座。 氧化鋁具有高熱導(dǎo)率-這就導(dǎo)致無論加熱器的尺寸如何，設(shè)備上的溫度都相當(dāng)均勻。因此這種設(shè)備的功耗很高，并且與常規(guī)繞線式的抗毒催化燃燒式傳感器設(shè)備相比功耗 是無法接受地過高。另一個不利的結(jié)果是連接至傳感設(shè)備的懸置導(dǎo)線或引線框的末端均處 于高溫下，這就限制了能夠被用于制造所述導(dǎo)線或引線框的材料范圍，并且還會導(dǎo)致導(dǎo)線 內(nèi)或?qū)Ь€和基板之間的觸點(diǎn)內(nèi)的熱相關(guān)故障模式的增加。除了具有高熱導(dǎo)率以外，氧化鋁 基板通常需要相對較厚，例如250微米或更厚，目的是為了足夠堅(jiān)固。這樣就導(dǎo)致更多的側(cè) 面熱損失并因此導(dǎo)致更高的功耗。已經(jīng)研發(fā)出多種方法用于允許在氧化鋁基板上制造絕熱 的加熱結(jié)構(gòu)。例如絕熱的玻璃層能夠被印刷在氧化鋁基板以及加熱器+檢測層之間。這種 方法有其缺點(diǎn)。由于玻璃層相對較薄并且覆蓋了相對較大的面積，因此熱損失仍然明顯。玻 璃層可能比下層氧化鋁基板的熱穩(wěn)定性更差并且可能具有不同的熱膨脹系數(shù)。加熱器/電 極/檢測材料與玻璃層的粘附可能比氧化鋁更差。成形方法例如光蝕刻法或激光微調(diào)法可 能會由于附加層的存在而被復(fù)雜化。 希望針對這樣的氣體傳感器進(jìn)一步降低功耗。優(yōu)選地能夠避免已知的繞線加熱型 抗毒催化燃燒式傳感器方面的費(fèi)用。還希望最小化傳感器的中毒。 如上所述，現(xiàn)有的商用催化珠式可燃?xì)怏w傳感器(抗毒催化燃燒式傳感器)經(jīng)常 是通過巻出細(xì)鉑線的線圈并在其上方設(shè)置相對較厚(幾百微米到幾毫米)的多孔催化劑/ 陶瓷材料而制成。較大的設(shè)備與較小的設(shè)備相比通常具有更好的抗毒性，這可能是由于中 毒會從外向內(nèi)地逐步破壞傳感器的活性。還有可能中毒只在薄膜內(nèi)以均勻速率產(chǎn)生但是目 標(biāo)氣體所具有的濃度分布的陡度會隨著傳感器的催化活性因中毒下降而下降。在此情況 下，較大的催化珠將由于目標(biāo)氣體能夠在被燃燒之前進(jìn)一步滲入傳感器內(nèi)而表現(xiàn)出更好的 抗毒性。無論是什么樣的機(jī)構(gòu)，公知的是較大直徑的催化珠通常具有更好的抗毒性，不過要
承擔(dān)更大的功耗。
附圖簡要說明

圖1是實(shí)施本發(fā)明的傳感器的頂部俯視圖；圖2是圖1中傳感器的側(cè)面正視圖；圖3是圖1中某區(qū)域的放大視圖；圖4是現(xiàn)有技術(shù)中傳感器的側(cè)視圖；圖5是實(shí)施本發(fā)明的另一傳感器的側(cè)面正視圖；圖6是實(shí)施本發(fā)明的另一傳感器的側(cè)面正視圖；圖7A，7B結(jié)合在一起示出了根據(jù)本發(fā)明的又一傳感器；圖8示出了實(shí)施本發(fā)明的又一傳感器；圖9A和9B示出了本發(fā)明的又一種變形；圖10示出了催化劑材料的蛇管通道；圖11和IIA示出了本發(fā)明的多加熱器實(shí)施例；圖12示出了可以在圖11，11A的傳感器內(nèi)使用的多加熱器類型的俯視13是濃度和相對于不同加熱器的氣體入口的示意性曲線圖；禾口圖14是傳感器中毒的示意圖。
具體實(shí)施例方式
盡管本發(fā)明的實(shí)施例可以采取多種不同形式，但是仍在附圖中示出了本發(fā)明的具體實(shí)施例并將在本文中進(jìn)行詳細(xì)說明，應(yīng)該理解本公開應(yīng)被認(rèn)為是本發(fā)明原理的示范性說
明和實(shí)踐本發(fā)明的最佳方式，而不是為了將本發(fā)明限制為圖示的具體實(shí)施例。 本發(fā)明的實(shí)施例表現(xiàn)為可以在催化式的"抗毒催化燃燒式傳感器"設(shè)備、加熱的半
導(dǎo)體金屬氧化物傳感器或使用常規(guī)的含有加熱器的懸置陶瓷基板或微機(jī)械基板的任意其
他應(yīng)用中使用的低成本、易于加工、低功耗、堅(jiān)固耐用、可靠、可重復(fù)生產(chǎn)的平面加熱式傳感
器基板。在本發(fā)明的一種應(yīng)用中，這樣的基板具有低熱導(dǎo)率但是與氧化鋁類似的耐火性質(zhì)。
因此并且有利地，這樣的傳感器可以使用常規(guī)的厚膜加工方法制成。 而在本發(fā)明的另一種應(yīng)用中，小的加熱檢測區(qū)域可以被形成在相對較大的基板 上。基板上的側(cè)面熱損失被最小化，因此只有基板的局部區(qū)域變熱。結(jié)果即可降低穩(wěn)定狀 態(tài)的功耗。 在本發(fā)明的另一種應(yīng)用中，功耗的進(jìn)一步降低可以通過間歇式加熱實(shí)現(xiàn)。未加熱 區(qū)域處于低溫，為引線接合和組裝提供更好的選擇。在單決芯片上形成的獨(dú)立加熱區(qū)域使 得有可能構(gòu)成多個氣體檢測元件，例如單塊芯片上的抗毒催化燃燒式傳感器的檢測器和補(bǔ) 償器元件。制造的成本和復(fù)雜性能夠遠(yuǎn)低于繞線的抗毒催化燃燒式傳感器。研發(fā)/生產(chǎn)準(zhǔn) 備成本能夠遠(yuǎn)低于硅微機(jī)械。熱穩(wěn)定性可以預(yù)見到將遠(yuǎn)好于硅微機(jī)械設(shè)備，并且由于更加 堅(jiān)固耐用的基板因此也會好于常規(guī)的抗毒催化燃燒式傳感器的熱穩(wěn)定性。本發(fā)明的實(shí)施例 并不局限于抗毒催化燃燒式傳感器，而且也可以包括半導(dǎo)體金屬氧化物氣體檢測設(shè)備、高 溫固態(tài)電化學(xué)傳感器、紅外光源以及需要低功率低成本的局部熱源的任意其他應(yīng)用。
本發(fā)明的實(shí)施例可以加入氧化鋯作為絕熱基板的材料。優(yōu)選地，可以使用能 夠買至lj的并且由Marketech Ltd(Port Townsend， Washington, USA)生產(chǎn)的、商標(biāo)名稱
為'Ceraflex ' 的燒性形式的氧化鋯(http://www.market.ech_ceramics.com/pages.
cereflex. html)。該材料具有的附加優(yōu)點(diǎn)是與采用其他類型基板的情況相比，它能夠被加 工得更薄。薄基板進(jìn)一步降低了側(cè)面熱損失并因此降低了功耗。氧化鋯還有一個優(yōu)點(diǎn)是具 有與催化珠設(shè)備的催化劑層內(nèi)經(jīng)常使用的陶瓷材料相類似的熱膨脹系數(shù)。更優(yōu)選地，氧化 鋯能夠以部分穩(wěn)定的形式被使用(包含3摩爾百分比的氧化釔)，因?yàn)檫@樣給出了低熱導(dǎo)率 和堅(jiān)固性的最優(yōu)組合。但是，對于高溫電化學(xué)傳感器，可能還希望將基板用作電解質(zhì)-在此 情況下優(yōu)選的是完全穩(wěn)定的氧化鋯(包含8摩爾百分比的氧化釔)。 可選的絕熱基板材料也落在本發(fā)明的主旨和保護(hù)范圍之內(nèi)。例如鋁硅酸鹽或鎂 硅酸鹽，其具有與氧化鋯類似的熱導(dǎo)率，但是其熱膨脹系數(shù)可能遠(yuǎn)低于氧化鋯，這可能是一 個缺點(diǎn)。低熱導(dǎo)率的可機(jī)械加工的玻璃陶瓷，例如由Corning Inc. ， New York, USA生產(chǎn)
的Macor⑧也可以被(http://www. corning, com/docs/specialtymaterials/pisheets.
Macor. pdf)認(rèn)為是可行的基板材料。具有適當(dāng)?shù)牡蜔釋?dǎo)率的能夠適合用常規(guī)的厚膜加工方 法被成形為基板的任何材料都有可能被使用。 根據(jù)本發(fā)明的示范性設(shè)備可以例如被實(shí)施為10X10mm的芯片格式。蛇管加熱器 可以被設(shè)置在基板上占據(jù)0. 5X0. 5， IX 1和2X2mm的面積。這些設(shè)備尺寸不是對本發(fā) 明的限制。其他的實(shí)施例可以更小-其中加熱器尺寸可以減小至每側(cè)幾百微米。該設(shè)備 可以通過常規(guī)的厚膜絲網(wǎng)印刷使用例如DEK1760打印機(jī)進(jìn)行加工?？梢允褂勉K加熱器涂 料例如能夠買到的并且由Agmet/Electroscience Ltd. (Reading, Berkshire, UK)提供的
ESL5545(http://www. electroscience. com/pdf/5545. pdf)。
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其他的包括有機(jī)金屬型的厚膜涂料也可能是適合的，并且加熱器也可以通過像在 硅微機(jī)械型的設(shè)備當(dāng)中使用的其他方法例如噴射、彈射加工方法等進(jìn)行設(shè)置。利用印刷厚 膜的涂料來生產(chǎn)尺寸足夠小的加熱器以獲得與現(xiàn)有的繞線式的抗毒催化燃燒式傳感器相 當(dāng)或者更好的功耗，后者很可能需要通過激光微調(diào)、光蝕刻或其他方法對打印層進(jìn)行后處理。 而且，根據(jù)本發(fā)明，基板的形狀可以被優(yōu)化以進(jìn)一步降低功耗。基板可以被輕易地 加工出孔或槽。這些實(shí)施例能夠提供熱傳導(dǎo)的進(jìn)一步降低并因此提供功耗的進(jìn)一步降低。
在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，加熱器的形狀可以被設(shè)計(jì)為在重要的區(qū)域上產(chǎn)生相對 均勻的溫度?？蛇x地，更加導(dǎo)熱的材料(例如基于氧化鋁的絕緣層或金屬層)可以被設(shè)置 在需要保持溫度均勻的區(qū)域上。材料可以被設(shè)置在加熱器和基板之間、加熱器上方或基板 的相對側(cè)或者基板的兩側(cè)。 本發(fā)明的實(shí)施例表現(xiàn)出相對較低的功率要求，而在本發(fā)明的另一種應(yīng)用中，可以 在同一的基板上形成多個獨(dú)立的加熱區(qū)域。這種結(jié)構(gòu)在實(shí)施催化式的"抗毒催化燃燒式傳 感器"設(shè)備時(shí)是可取和有用的。這樣的設(shè)備經(jīng)常使用匹配的檢測器和補(bǔ)償器，兩者都可以在 根據(jù)本發(fā)明的公共基板上成形。獨(dú)立的加熱區(qū)域可以被成形用于實(shí)現(xiàn)傳感器陣列，每一個 傳感器都在不同的溫度下操作，或者用于需要在單種檢測材料上有受控溫度梯度的場合。
配備了本發(fā)明中的加熱器的傳感器由于氧化鋯的低熱導(dǎo)率的結(jié)果而表現(xiàn)出相對 較低的熱損失，并因此表現(xiàn)出較低的功耗。另外，使用盡可能薄的基板，具有或者不具有熱 量流動限制開口或穿孔，也都可以被預(yù)見到能夠最小化熱損失。這樣的基板可以被粘附至 下方的支架?？蛇x地，它們可以通過多條連接線被懸置。 對于加熱器溫度需要被精確控制和/或測量的應(yīng)用，優(yōu)選地使用鉑作為加熱器材 料，因?yàn)樗軌蚣孀鳛殂K電阻溫度計(jì)。加熱器管道優(yōu)選地是某種形式的蛇管樣式，因?yàn)楹唵?的實(shí)心塊將具有過低的熱阻而無法準(zhǔn)確地測量/控制。加熱器的熱阻與通向加熱器的連接 線路的熱阻相比是高的，這也是優(yōu)選的，以使加熱效果集中在加熱器內(nèi)。激光微調(diào)可以被用 于通過實(shí)心的印刷塊生產(chǎn)蛇管加熱器軌道。這樣的過程也可以被主動進(jìn)行，目的是為了將 加熱器的熱阻調(diào)整為期望值?？蛇x地，加熱器可以被直接設(shè)置在基板上，被絲網(wǎng)印刷或者通 過光蝕刻法成形。 對于氣體檢測應(yīng)用，通常要加入氣體檢測材料，并且對于某些類型的傳感器，除了 加熱器之外還要加入測量電極。這些也可以通過絲網(wǎng)印刷或任意上述的技術(shù)或任意其他已 知的用于設(shè)置檢測材料的技術(shù)被設(shè)置和/或成形。材料可以被設(shè)置在基板的與加熱器相同 或相對的表面上，或者兩個表面上都設(shè)置。對于催化式的"抗毒催化燃燒式傳感器"類型的 設(shè)備，其好處在于直接在加熱器上設(shè)置催化材料，可能具有薄的分離阻擋層，特別是如果基 板具有低熱導(dǎo)率的話，原因在于與如果加熱器在基板的相對面上的情況相比，由催化劑產(chǎn) 生的熱量將更加容易被加熱器檢測到?？梢耘c常規(guī)的繞線式的抗毒催化燃燒式傳感器進(jìn)行 比較，其中加熱器也是與催化劑密切的熱接觸。 在本發(fā)明的另一種應(yīng)用中，如果平面的催化劑層被設(shè)計(jì)為使得氣體僅從平面層的 末端或邊緣進(jìn)入而不是從頂部進(jìn)入，那么中毒就必須通過較長的距離進(jìn)行下去以破壞給定 量的催化劑的活性和/或存在更長的可用長度以容納目標(biāo)氣體的濃度梯度。因此得到的傳 感器可以比簡單的平面設(shè)備更加抗中毒，并且能夠有可能被制成為比常規(guī)的類似尺寸的珠式設(shè)備更加抗毒_因?yàn)樗赡軙杀阮愃仆獠砍叽绲那蛐沃榈陌霃礁箝L度的蛇形通 道。封裝催化材料的附加的好處可能是改善了機(jī)械彈性。 在本發(fā)明的另一種應(yīng)用中，所述層可以被不透氣的涂層覆蓋，由此氣體通過涂層 的部分或全部周邊具有入口 ，在此情況下，設(shè)備的有效"半徑"即為涂層的半徑?？蛇x地，材 料可以被設(shè)置為長的蛇形通道的形式。 在一個不同的實(shí)施例中，整個氣體檢測催化層除了中心處的入口或孔以外都可以 被封裝。有利地，對于本實(shí)施例，反向的徑向形狀導(dǎo)致隨著中毒的發(fā)展，仍然可以有用于氣 體燃燒的較大的可用面積。這種設(shè)計(jì)能夠被用于補(bǔ)償與靈敏度隨著中毒的程度而降低有關(guān) 的任何殘余時(shí)間。另一個實(shí)施例可以包括相對較長的直的或蛇形通道，其截面積隨著從氣 體入口到通道的距離的增加而增加。厚膜絲網(wǎng)印刷能夠被用于設(shè)置上述的催化材料和不透 氣涂層。 厚膜絲網(wǎng)印刷技術(shù)非常適合用于實(shí)施上述的各種實(shí)施例。厚膜加工方法最好結(jié)合 陶瓷基板一起使用，特別是當(dāng)設(shè)備需要在升高的和/或循環(huán)的溫度下操作時(shí)。本發(fā)明的實(shí) 施例可以如上所述的低熱導(dǎo)率的陶瓷基板相結(jié)合。將具有較低熱導(dǎo)率的基板與長通道類型 的設(shè)計(jì)相結(jié)合的附加好處在于能夠沿基板橫向地產(chǎn)生受控的溫度梯度。 在本發(fā)明其他的實(shí)施例中，多個加熱器可以被沿著具有低熱導(dǎo)率的基板上的通道 長度形成。在這樣的實(shí)施例中，由每一個加熱器附近區(qū)域內(nèi)的氣體反應(yīng)產(chǎn)生的熱量而產(chǎn)生 的溫度能夠被獨(dú)立測量。有利地，不同的氣體可以被加以區(qū)分。如下所述，中毒的效果也可 以是可檢測的。 而且，在包括足夠長的通道以及多個間隔開的加熱器的實(shí)施例中，能夠產(chǎn)生與由 包含暴露于氣體中的補(bǔ)償器元件的設(shè)備產(chǎn)生的效果相類似的效果。在這些實(shí)施例中，通道 的長度使得在氣體與位于沿通道距離氣體輸入或進(jìn)入端口設(shè)置最遠(yuǎn)的一個或多個加熱器 相關(guān)聯(lián)的催化材料形成接觸之前，周圍的氣體就已發(fā)生了完全燃燒。這樣一來，在該催化 材料/加熱器的組合處就沒有對于氣體的響應(yīng)，不過該組合能夠被用于響應(yīng)其他的環(huán)境條 件。 圖1至3示出了表示本發(fā)明第一種應(yīng)用的催化式的氣體傳感器"抗毒催化燃燒式 傳感器"的一種可行的實(shí)施方式。基板12是絕熱的。加熱器16被限制在基板12的一個小 區(qū)域18內(nèi)，以使加熱只在局部進(jìn)行。連接線路14和連接粘合片15是用于電連接至加熱器 16所必需的。連接線路14的設(shè)計(jì)和/或材料使得熱量主要在加熱器16內(nèi)產(chǎn)生而不是在連 接線路14內(nèi)產(chǎn)生。在基板的"冷"端12a連接至連接片15的電連接可以通過合適的接線 方法例如焊接或軟焊，或通過連接到"邊緣連接器"類型的插座內(nèi)，或通過任意其他的方式 實(shí)現(xiàn)。基板可以可選地例如通過管芯連接或粘合劑被機(jī)械連接在連接片區(qū)域內(nèi)的"冷"端 12a?？蛇x地，設(shè)備可以通過接線懸置。對于抗毒催化燃燒式傳感器類型的傳感器，催化劑 20可以被設(shè)置在基板到加熱區(qū)域18的相對表面上或兩個表面上或者靠近其設(shè)置。對于其 他類型的傳感器例如半導(dǎo)體金屬氧化物傳感器或高溫電化學(xué)傳感器，可能需要的附加部分 例如電極和附加的連接線路和連接片未在此示出。圖3示出了圖1中的區(qū)域18的放大視 圖，示出了一種可行的蛇管加熱器軌道16的布局。區(qū)域18除加熱器外還可以包含獨(dú)立的 溫度測量元件或者加熱器自身即可用作溫度測量元件。 圖4是現(xiàn)有技術(shù)中的平面類型的催化式氣體傳感器30的示意圖，其中催化材料32的相對薄(例如100微米或更薄)的A-B層被設(shè)置在具有整體加熱器的基板34上。合適 的基板包括硅微機(jī)械/碳化硅或陶瓷。圖4中的實(shí)施例如果對于相對較薄的層32有直接 的氣體入口則可能會遇到催化劑中毒的問題。 圖5示出了本發(fā)明的一種實(shí)施方式。在傳感器40中，不透氣層42被設(shè)置在加熱 基板46上設(shè)置的多孔催化材料44上方。 不透氣層42可以是例如在厚膜技術(shù)中使用的常規(guī)絕緣或玻璃材料。由于氣體入 口現(xiàn)在是通過催化材料的暴露邊緣形成的，因此A-B的尺寸現(xiàn)在被沿基板46以水平尺寸定 向而不是像圖4中的情況那樣以垂直尺寸定向。該水平尺寸可以被利用例如標(biāo)準(zhǔn)厚膜加工 技術(shù)而制成為比垂直尺寸長得多。如果催化材料44被設(shè)置為圓形、圓柱形的樣式，那么氣 體就可以繞其周圍進(jìn)入。 圖6示出了本發(fā)明的另一種可行的實(shí)施方式，其中在傳感器40-l中，尺寸A-B大 約為圖5中的兩倍，原因在于由于層42-1的隔斷形狀氣體入口只在催化層44的一端存在。 如果催化層是狹長通道的形式，那么尺寸A-B就比圖5中傳感器的情況更長。在圖5和圖 6的結(jié)構(gòu)之間還存在多種可行的實(shí)施方式-例如繞周邊具有多個入口位置。所有這樣的變 形都落在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和保護(hù)范圍之內(nèi)。 圖7A，7B示出了本發(fā)明又一實(shí)施例的側(cè)視圖和俯視圖。這里，氣體入口位于設(shè)備 50的中心52處而不在周邊。不透氣的環(huán)形層54限定端口52。設(shè)備50被設(shè)置在加熱基板 58上。圖7A，7B中的端口結(jié)構(gòu)在可用于氣體反應(yīng)的截面積隨著氣體進(jìn)一步擴(kuò)散到設(shè)備的催 化層56內(nèi)而增大，而不是像常規(guī)的珠式抗毒催化燃燒式傳感器的情況那樣減小這方面可 能是有利的。更多的在抗中毒、溫度/壓力相關(guān)和可重復(fù)性方面的好處可以通過將本實(shí)施 例或其他實(shí)施例中的入口或開口 52制作得足夠小以用作限制擴(kuò)散的毛細(xì)孔而獲得。
圖8示出了圖7A，7B中所示結(jié)構(gòu)的變形，由此可用于氣體反應(yīng)的截面積隨著氣體 進(jìn)一步擴(kuò)散到設(shè)備內(nèi)而增大。在圖8的傳感器60中，催化層62從最窄的入口區(qū)域62向較 寬的內(nèi)部區(qū)域呈錐形。不透氣層64通常重復(fù)該錐形的幾何形狀。傳感器60如上所述被設(shè) 置在加熱基板68上。這樣的實(shí)施例可以允許通過最大化曲線的平坦區(qū)域而進(jìn)一步優(yōu)化中 毒曲線。 圖9A，9B示出了兩個不同的實(shí)施例70，70-1，其包括保護(hù)層78,78-1。在圖9A中， 保護(hù)材料78被有效地添加作為催化劑通道76的延伸。層74是不透氣層。傳感器70,70-1 被攜帶在加熱基板70a上。 在圖9B中，保護(hù)層78-1應(yīng)該具有大的外表面面積以最小化堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，由例如暴 露給灰塵或短時(shí)間高濃度的有機(jī)硅烷造成的堵塞可能會物理地堵塞氣體入口而不是以常 規(guī)方式使反應(yīng)活性部位"中毒"?？蛇x地，這樣的施加保護(hù)層的方法也可以與本文中示出的 任意其他的實(shí)施例一起使用。保護(hù)層甚至可以完全覆蓋設(shè)備。加熱區(qū)域18-1可以與圖3 中的加熱區(qū)域18和加熱器16相比較。 在圖9A中，催化式的"抗毒催化燃燒式傳感器"的材料76被設(shè)置在基板70a上。 催化材料76的氣體入口被不透氣材料74限制。在該實(shí)施方式中只需要單個的加熱區(qū)域 18-1。 可選的保護(hù)性不透氣材料78可以被包括在內(nèi)以保護(hù)催化材料76免于中毒或污染 或者用于以與常規(guī)的珠狀抗毒催化燃燒式傳感器上使用的保護(hù)層類似的方式去除干擾氣
9體。保護(hù)材料78也可以可選地像圖9B中那樣部分地覆蓋不透氣材料74。
圖10示出了例如圖6， 8或9A， 9B中所示的催化材料的狹長氣體擴(kuò)散通道86如何 被成形為具有大于傳感器基板88的物理尺寸的特征長度A-B，原因在于特征長度A-B是蛇 形通道的長度而不是簡單的線性尺寸。通道86被不透氣層84覆蓋并且被攜帶在加熱基板 88上。 本發(fā)明的一個可行的實(shí)施例被示出在圖11中。催化式的"抗毒催化燃燒式傳感 器"材料的長通道被封裝為使得氣體入口僅來自于一端，如上所述，參見圖6。設(shè)備還是如 上所述被加工在具有低熱導(dǎo)率的基板46上。多個加熱器16a， 16b，. . . ， 16d被沿通道44的 長度設(shè)置，如圖12中的頂視圖所示。多個加熱器16a， 16b，. . . ， 16d的元件可以被獨(dú)立地監(jiān) 測/控制并優(yōu)選地被保持在已知溫度下同時(shí)測量其各自的功耗。催化材料的通道并不必須 為直線而可以是圖5至10中介紹的任意結(jié)構(gòu)形式。 圖11，11A示出了從基板46的低熱導(dǎo)率性質(zhì)中可以獲得哪些優(yōu)點(diǎn)。多個加熱器 16a， 16b， . . . ， 16d使得能夠借助催化材料44沿其長度獨(dú)立地測量通過氣體反應(yīng)產(chǎn)生的熱 量，并且還可以可選地被用于沿該材料的長度改變溫度。 上述實(shí)施例能夠以多種方式被使用。圖13示出了暴露給兩種具有不同燃燒速率 的氣體的預(yù)期效果。在圖13的示例中，實(shí)線示出了更加活躍的氣體，其主要在加熱器H1的 區(qū)域內(nèi)燃燒并給出響應(yīng)。虛線示出了比較不活躍的氣體，其比較難于燃燒，在加熱器H2以 及H1上給出一些響應(yīng)。 圖13也可以代表單種目標(biāo)氣體的中毒效果，假定模型為中毒均勻地在通道內(nèi)發(fā) 生但是引起的催化活性方面的損失造成氣體的濃度梯度變得比較緩和。設(shè)備能夠分辨由于 氣體濃度的改變而響應(yīng)的改變或由于氣體響應(yīng)的中毒而響應(yīng)的改變之間的變化差異_中 毒導(dǎo)致氣體達(dá)到相對較高的餾分并在內(nèi)部加熱器上反應(yīng)。 圖14示出了在單種目標(biāo)氣體上中毒的預(yù)期效果，假定另一模型為中毒從通道的 外端向內(nèi)發(fā)生，但是并不是必須存在目標(biāo)氣體明顯的濃度梯度。這里，氣體靈敏度在外部區(qū) 域中傾向于丟失-用陰影區(qū)域表示假定為中毒。氣體靈敏度在尚未中毒的內(nèi)部區(qū)域仍然可 以觀察到(假定中毒不會物理地阻塞到內(nèi)部區(qū)域的氣體入口-這在實(shí)際條件下未必成立)。 同樣，設(shè)備能夠從氣體濃度的改變中辨別中毒。在實(shí)踐中，實(shí)際的傳感器性能可以是圖13 和圖14所示的兩種極端情況之間的某種程度，但是設(shè)備將仍然能夠借助適當(dāng)?shù)男盘柼幚?從氣體響應(yīng)中辨別中毒。 由于能夠使用該方法測量中毒的程度，因此就能夠例如向信號施加校正以補(bǔ)償因 中毒造成的信號損失和/或提供將要發(fā)生故障的早期報(bào)警_這樣具有的優(yōu)點(diǎn)是在連續(xù)沖擊 試驗(yàn)期間，可以實(shí)際地測量中毒程度而不是再簡單地檢查氣體響應(yīng)是否超過某數(shù)值。這種 測量不需要準(zhǔn)確的氣體濃度而只是簡單地需要存在正確的目標(biāo)氣體。有效地，可以辨別由 于低氣體濃度的低響應(yīng)和由于中毒的低響應(yīng)之間的差異。 在本發(fā)明的另一種應(yīng)用中，加熱器能夠被設(shè)置得距離通道的氣體入口端足夠遠(yuǎn)以 使可燃?xì)怏w無法到達(dá)。該加熱區(qū)域能夠因此起到類似于常規(guī)補(bǔ)償器的作用。
在實(shí)踐中可以通過沿長度設(shè)置多個加熱器以沿單條通道產(chǎn)生中毒檢測、氣體辨識 和/或補(bǔ)償-例如圖13中的加熱器H3即可是"補(bǔ)償器"區(qū)域而組合上述效果。還可以有 利地將設(shè)備的不同區(qū)域設(shè)置為不同的溫度，調(diào)節(jié)不同氣體的燃燒動力學(xué)。在氣體測量期間改變一個或多個溫度即可基于不同的濃度曲線生成更多信息，因?yàn)椴煌腁rrhenius溫度與不同氣體的燃燒速率有關(guān)，進(jìn)一步增強(qiáng)了選擇性和氣體辨識度。瞬變溫度的改變能夠被用于辨識燃燒和擴(kuò)散速率。 本發(fā)明并不局限于抗毒催化燃燒式傳感器而是可以結(jié)合其他類型的傳感器使用。所有這樣的變形都落在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和保護(hù)范圍之內(nèi)。 根據(jù)前述內(nèi)容，可以看出多種變形和修改都可以是有效的而并不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和保護(hù)范圍。應(yīng)該理解對于本文中示出的具體裝置并不是為了限制也不應(yīng)被認(rèn)為是限制。當(dāng)然，所有這樣的修改都應(yīng)該由所附的權(quán)利要求涵蓋并落入權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種設(shè)備，包括由具有熱導(dǎo)率小于10Wm-1K-1的材料構(gòu)成的陶瓷基板；和由所述基板支承的加熱器。
2. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述基板主要由氧化鋯構(gòu)成。
3. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述基板是從包括氧化鋯、鋁硅酸鹽、鎂硅酸鹽和可機(jī)械加工的玻璃陶瓷的組中選出的。
4. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述基板包括局部穩(wěn)定的氧化鋯。
5. 如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述基板包括小于4摩爾％的預(yù)定百分比的氧化釔。
6. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述基板包括超過7摩爾％的百分比的氧化釔。
7. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述基板支承有氣體傳感器。
8. 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述氣體傳感器被至少部分地設(shè)置為鄰近所述加熱器。
9. 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述氣體傳感器覆蓋至少部分所述加熱器。
10. 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述氣體傳感器是從包括催化可燃?xì)怏w傳感器、半 導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器和電化學(xué)氣體傳感器的組中選出的。
11. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述基板起到電解質(zhì)的作用。
12. 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述氣體傳感器是被支承在第二基板上或者是被 直接支承在所述基板上當(dāng)中的一種情況，所述第二基板離開所述基板并由其支撐。
13. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述加熱器是被直接設(shè)置在所述基板上、絲網(wǎng)印 刷在所述基板上或通過光蝕刻法成形在所述基板上當(dāng)中的一種情況。
14. 如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述加熱器表現(xiàn)為激光微調(diào)的蛇管形狀。
15. —種氣體傳感器，包括 平面基板；由所述基板承載的催化劑，所述催化劑表現(xiàn)為預(yù)定的第一面積；禾口鄰近所述催化劑形成的不透氣層，所述層在所述催化劑上限定預(yù)定的氣體流入?yún)^(qū)域， 其中所述流入?yún)^(qū)域具有小于所述第一面積的預(yù)定數(shù)值的第二面積。
16. 如權(quán)利要求15所述的傳感器，其中所述層覆蓋所述催化劑并限定環(huán)形氣體流入?yún)^(qū) 域、形成為細(xì)長的催化劑邊緣上的一塊面積的氣體流入?yún)^(qū)域或形成為催化劑的選定表面上 的一塊面積的氣體流入?yún)^(qū)域中的一種。
17. 如權(quán)利要求15所述的傳感器，其中所述催化劑具有圓柱形截面或大致多邊形截面 中的一種。
18. 如權(quán)利要求16所述的傳感器，其中所述基板由相對低熱導(dǎo)率的材料構(gòu)成，其支承 有鄰近所述催化劑的加熱器。
19. 如權(quán)利要求18所述的傳感器，其中所述基板由氧化鋯構(gòu)成。
20. 如權(quán)利要求16所述的傳感器，其中至少一部分所述流入?yún)^(qū)域由選定的保護(hù)層覆圭
21. 如權(quán)利要求16所述的傳感器，其中所述催化劑表現(xiàn)為細(xì)長的蛇管主體部分。
22. 如權(quán)利要求21所述的傳感器，其中所述流入?yún)^(qū)域被限定為所述蛇管主體部分的末 端表面。
23. 如權(quán)利要求22所述的傳感器，其中所述蛇管主體部分具有大于所述基板長度參數(shù)的預(yù)定長度。
24. —種氣體檢測器，包括具有熱導(dǎo)率小于lOWm—1的基板；在所述基板上彼此間隔開的多個加熱器；禾口至少部分地覆蓋每一個所述加熱器的催化材料。
25. 如權(quán)利要求24所述的檢測器，其包括多個溫度傳感器， 一個溫度傳感器與各自的加熱器相關(guān)聯(lián)。
26. 如權(quán)利要求24所述的檢測器，其包括覆蓋至少一部分所述催化材料的不透氣涂層。
27. 如權(quán)利要求26所述的檢測器，其中所述不透氣涂層在一部分所述催化材料上限定氣體進(jìn)入端口。
28. 如權(quán)利要求24所述的檢測器，其中所述基板具有長度參數(shù)以使流入的氣體在到達(dá)選定的一個加熱器之前就已基本上完全燃燒。
29. 如權(quán)利要求24所述的檢測器，其中所述基板具有預(yù)定的長度并且所述多個加熱器的元件被沿著所述基板長度彼此間隔開，以使與相應(yīng)的多個加熱器相關(guān)的基板的多個加熱面積不會彼此重疊。
30. 如權(quán)利要求29所述的檢測器，其中至少一個加熱面積生成指示非氣體濃度狀態(tài)的信號，而其他的加熱面積生成各自的指示氣體濃度的信號。
31. 如權(quán)利要求29所述的檢測器，其中一個加熱器產(chǎn)生第一局部溫度而另一個加熱器產(chǎn)生不同的局部溫度，其中所述第一局部溫度與至少一種第一可燃?xì)怏w相關(guān)而所述不同的局部溫度與至少一種不同的可燃?xì)怏w相關(guān)。
全文摘要
一種氣體傳感器，包括具有低熱導(dǎo)率的基板?？梢岳糜苫鍞y帶的蛇管加熱器進(jìn)行局部加熱。基板的低熱導(dǎo)率充分地限制了加熱器的局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的熱量，由此降低了用于操作傳感器所需的功率。多個檢測元件可以被設(shè)置在鄰近各自加熱器的基板上并且可以因?yàn)橛苫逄峁┑慕^熱而相對地彼此靠近。在一個實(shí)施例中，傳感器可以包括陶瓷基板、加熱器、覆蓋加熱器的催化材料以及至少部分地覆蓋催化材料的不透氣層。
文檔編號G01N27/16GK101784889SQ200880025076
公開日2010年7月21日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月18日
發(fā)明者F·E·普拉特基思 申請人:生命安全銷售股份公司