摘要
可燃性气体例如氢气、天然气（主要成分为甲烷）或者是一氧化碳在运输、存储和使用过程中的泄露对于人们的生命财产安全会产生极大的危害性。因此，对该类气体进行实时、有效和可靠的检测具有重要的意义。而气体传感器被认为是检测此类危险和爆炸性气体泄漏的有效手段。其中，由于催化燃烧式气体传感器具有良好的稳定性、简单的结构以及较宽检测范围下的高线性度等优势，因此多年来得到了广泛的应用。 然而对于传统的催化燃烧式传感器，其检测元件和参考元件分别采用涂覆和无涂覆催化剂的氧化铝珠包裹立体结构的铂加热电极的方式制备而成。但3D结构的铂加热电极对于来自外界的机械振动非常敏感，存在一定的断丝问题。同时，传感器制备时所涂覆的氧化铝珠由于存在人为操作上的偏差，因此该类传感器的一致性较低、成本高。近年来，相比与传统催化式传感器，发展迅速的MEMS型传感器所采用的平面化电极结构使得器件的一致性得到了提高。然而MEMS器件通常采用分配器技术将催化剂浆料滴涂于加热电极之上，易使得电极产生形变。并且由于MEMS器件的尺寸较小（为毫米级别）以及其所使用的硅工艺的特殊性，使得器件的批量制备较为困难和费时费力，且无法将催化剂负载与硅工艺制备相结合。因此，有必要设计出加热电极稳定性高、一致性好、制备方式简洁且尺寸小的传感器件。 基于上述需求，本文提出了一种基于平面型铂加热电极的多孔氧化铝陶瓷基底的催化燃烧型传感器。该设计使得多孔陶瓷基底能同时充当催化剂载体以及加热电极基底。Pt加热电极通过丝网印刷成批印刷在多孔陶瓷上，提升了器件的一致性，降低了成本。通过湿浸渍法进行贵金属催化剂（Pt、Pd和Au）的负载，简化了器件制备流程。随后，通过XRD、SEM、XPS和H2-TPR等多种表征方法对器件负载催化剂前后的微观状态进行了研究。结果表明所制备的多孔陶瓷气孔分布和尺寸都较为均匀，而负载后的催化剂粒径尺寸极小且在中低温下（400℃以下）具有高催化活性。动态气敏测试结果表明不同催化式器件对不同可燃性气体具有高灵敏度和快速响应，证明了该器件设计的普适性。并辅以有限元仿真软件COMSOL进行热电分析。结果表明，器件响应性能（响应速度和响应值）与衬底厚度以及工作温度有关。衬底厚度的减小和工作温度的上升有利于响应速度和响应值的提升。仿真结果的分析研究为进一步优化器件结构和性能提供了一定的理论基础。
NETL