可燃气体和蒸汽的平面热催化传感器制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术的主题是传感器，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。

A planar thermal catalytic sensor for combustible gas and steam

The invention relates to gas analysis and flammable gas and steam analyzer based on the principle of thermal catalysis. The theme of the invention is the sensor, whose sensitive element is made by a plane technology that can be easily automated. The main distinguishing feature is that the active sensor element and the comparison sensor element are located on the single micrometer structure component (microchip) on the common anode of the porous anodic alumina. The design of the sensor elements provides a thin film heat transfer from the heating part of the active component and the comparison element. The micro heating elements for heating the active sensor element and the comparison sensor element to the working temperature and measuring the output signal of the bridge measuring circuit are separated on the opposite side of the anodic alumina substrate and set on the arm with a general shape protruding over the substrate. The sensor element is set in the reaction chamber with limited diffused entry with the calibrated orifice, and the diameter of the regular hole of the microchip substrate increases to the size of the better molecular diffusion mode (100nm or larger) in the hole.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】可燃气体和蒸汽的平面热催化传感器
本专利技术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。
技术介绍
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”[KarpovE.F.，BasovskyB.I.，Controlofventilationandoutgassingincoalmines(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。在本专利技术中，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US2002/0118027A1号专利申请公开文本[2002年8月29日(DmitriRoutkevitch等人，Nanostructuredceramicplatformformicromachineddevicesanddevicearrays(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。这种传感器的缺点在于，不会将不闭合多孔基板的通道的极薄的金属层用作加热器。由于高电流密度，这种厚度的微型加热器经受重结晶过程，导致其电阻率逐渐变化，最后导致其烧坏。此外，US2002/0118027A1的专利技术人提出的敏感元件在质量和热传递方面没有被优化，并且类似于由3D技术产生的pellistor型传感器，尽管程度较轻，但随着时间的推移而失去其敏感性(所谓的天然老化)，并且还有催化剂毒物中毒的缺点。选择作为最接近的现有技术(原型)的另一种类型的平面传感器已知于并且描述于2012年10月04日的第RU2447426号俄罗斯专利(KarpovE.E.等，Methodandapparatusfordetectingpre-explosiveconcentrationsofmethaneinair(用于检测空气中甲烷的爆炸前浓度的方法和装置))。在该解决方案中，类似于现有技术[US2002/0118027A1]，在微电子技术中批准的微米级产品形成方法的使用是决定因素。除了较低的功率消耗和敏感元件的同一性之外，其获得的传感器在作为热敏电阻的微加热器(测量微加热器)的热传递方面得到了优化。然而，质量传递的优化只能实现节能，但并不解决任何方面的稳定性增强和减少传感器催化剂毒物中毒的问题。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是改进敏感元件(SE)和热催化传感器的整体设计，以改善敏感元件的参数(降低的功耗，更高的灵敏度，更低的惯性，所生产的SE的相同性质的重现性)和与稳定性增强和催化剂毒物的影响降低相关联的传感器特性。通过本专利技术实现的技术效果在于改进与稳定性和催化剂毒物的抵抗性相关联的敏感元件参数和传感器特性。该目的通过可燃气体和蒸汽的平面热催化传感器的微芯片来解决，该微芯片包括工作敏感元件和参考敏感元件共用的阳极氧化铝多孔基板，所述基板具有布置在其上的铂薄膜结构涂层，部分铂薄膜结构涂层位于所述基板的相对侧并且形成为曲折(meander)形状，充当测量微加热器，并且允许将所述微芯片的活性区加热至工作温度，并用于差分测量输出信号，其中所述测量微加热器的尺寸被限于薄膜方式热排出的值。本专利技术的最佳实施例是在铂测量微加热器的横向尺寸为25至300μm，厚度为100至1000nm，测量微加热器之间的距离不小于2.5mm，结构化涂层的厚度为100至1000nm并且多孔基板的厚度为10至80μm时实现，其中具有常规孔的阳极氧化铝(AAO)的膜确保主要分子气体扩散模式并具有可以使用100至350nm的直径的多孔基板。测量微加热器可以位于突出于公共基板配置之外的臂上，并且可以通过测量微加热器附近的多孔基板中制造的处理孔与基板的中心部分离，以便减少微芯片的加热部分的热排出，并且在微芯片制造工艺中沉积催化活性层期间还用于防止前体(precursor)在AAO基板的表面上散开。上述目的是通过以下方案解决的：一种可燃气体和蒸汽的平面热催化传感器，所述传感器包括具有待分析的气体混合物的单侧扩散入口的壳体，在所述壳体中缓冲室和具有根据权利要求1所述的微芯片的反应室沿着气体流路布置，其中所述缓冲室在其进口侧设置有气体交换过滤器，并且所述反应室设置有校准孔口，所述校准孔口限制从所述缓冲室到所述反应室的待分析的流体流。气体交换过滤器和缓冲室允许湍流外部流(externalflow)的波纹平滑化并且允许将所述湍流外部流转换成层流。校准孔口具有50至1000μm的直径，并且通过其的最大气体入口变成小于气体-空气混合物自由入口处的微芯片性能(即可燃气体在催化活性层上的氧化速率)。工作室由具有载流立管(risers)的玻璃金属头部件和具有校准孔口的金属盖组成，其中微芯片通过陶瓷支撑件固定在头部件上，并且所述微芯片的接触垫和所述载流立管通过用直径为10至50μm的金线进行微焊接而彼此连接。传感器的壳体具有圆柱形形状，并且容纳在其中的腔室和元件与传感器的壳体同轴地定位。因此，本专利技术的上述目的是通过摒弃参考敏感元件和工作敏感元件作为分开的部件的常规制造本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可燃气体和蒸汽的平面热催化传感器的微芯片，所述微芯片包括工作敏感元件和参考敏感元件共用的阳极氧化铝多孔基板，所述基板具有布置在其上的铂薄膜结构涂层，部分铂薄膜结构涂层位于所述基板的相对侧并且形成为曲折形状，充当测量微加热器，并且允许将所述微芯片的活性区加热至工作温度，并用于差分测量输出信号，其中所述测量微加热器的尺寸被限于薄膜方式热排出的值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.29 RU 20151161511.一种可燃气体和蒸汽的平面热催化传感器的微芯片，所述微芯片包括工作敏感元件和参考敏感元件共用的阳极氧化铝多孔基板，所述基板具有布置在其上的铂薄膜结构涂层，部分铂薄膜结构涂层位于所述基板的相对侧并且形成为曲折形状，充当测量微加热器，并且允许将所述微芯片的活性区加热至工作温度，并用于差分测量输出信号，其中所述测量微加热器的尺寸被限于薄膜方式热排出的值。2.根据权利要求1所述的微芯片，其特征在于，所述铂测量微加热器的横向尺寸为25至300μm，厚度为100至1000nm。3.根据权利要求1所述的微芯片，其特征在于，具有允许主要分子气体扩散模式并且具有100至350nm的孔径的规则孔的阳极氧化铝膜作为所述多孔基板。4.根据权利要求1所述的微芯片，其特征在于，所述多孔基板的厚度为10至80μm。5.根据权利要求1所述的微芯片，其特征在于，所述测量微加热器之间的距离不小于2.5mm。6.根据权利要求1所述的微芯片，其特征在于，所述结构涂层的厚度为100-1000nm。7.根据权利要求1所述的微芯片，其特征在于，所述测量微加热器布置在突出于所述公共基板配置之外的臂上，并且通过处理孔与所述基板的中心部分离。8.根据权利要求7所述的微芯片，其特征在于，所述多孔基板中的孔形成在所述测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·E·卡尔波夫，A·P·卡列林，A·A·苏奇科夫，I·V·罗斯科亚科夫，I·V·科列斯尼克，K·S·纳波尔斯基，
申请(专利权)人：俄罗斯石油公司，
类型：发明
国别省市：俄罗斯,RU