[发明专利]一种催化燃烧式瓦斯敏感元件的封装结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种瓦斯传感器敏感元件的封装，尤其涉及一种催化燃烧式瓦斯传感器敏感元件的封装。

背景技术

目前，催化燃烧式瓦斯传感器是煤矿矿井等现场仍在广泛使用的一种瓦斯浓度水平检测传感器，但其功耗较大，通常在200~600mW。随着物联网技术的发展，迫切需要低功耗的瓦斯传感器。目前的研究集中在通过传感器的微型化来降低功耗，但在降低功耗的同时灵敏度也随之降低，难以满足现场实际使用的需求。

现有的催化燃烧式瓦斯传感器采用传统的金属TO管壳封装构成气室，封装管壳顶部开有透气孔，气室通过管壳的透气孔与外界环境连通，气室内的传感器敏感元件与封装外壳之间是空隙。瓦斯气体通过透气孔进入气室后由传感器检测出其浓度。其工作原理是依靠铂电阻的自加热效应将敏感元件即黑、白元件加热到瓦斯气体可以进行氧化燃烧反应的温度，这消耗较大的电功耗。在有瓦斯气体的情况下，氧化燃烧释放出的反应热造成温度升高的同时使铂电阻升高，依靠检测电桥的不平衡信号来检测出铂电阻的变化，从而实现瓦斯浓度的检测。在自加热的高温工作状态下，铂电阻所消耗的电功率一部分维持黑白元件所需的温度，另有很大部分能量以热量的形式通过封装管壳、引线以及周围空气耗散了。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服现有催化燃烧式瓦斯传感器封装存在的热耗散问题，提供一种可以降低传感器敏感元件热损耗同时又具有很高灵敏度的封装，无需改动现有催化燃烧式瓦斯传感器的敏感元件，而通过新型封装实现功耗的降低并保持很高的灵敏度。

技术方案：本发明以催化燃烧式黑白元件瓦斯传感器为基础，在传统的管壳内封装透气隔热保温材料，如疏水二氧化硅气凝胶。疏水二氧化硅气凝胶具有极低的热导率和比热容，其热导率比空气还低，同时疏水二氧化硅气凝胶的纳米孔隙结构又可以让瓦斯气体顺利到达传感器的表面产生氧化释热反应。本发明不仅可以有效降低催化燃烧式瓦斯传感器敏感元件的热损耗，还可以避免敏感元件表面附近产生剧烈的气体扰动将热量耗散掉，从而有利于将氧化燃烧反应所放出的热量保持在传感器敏感元件的表面，并提高灵敏度。

本发明的催化燃烧式瓦斯敏感元件的封装结构包括瓦斯敏感元件，管壳，引线，引脚；在管壳内，瓦斯敏感元件的两端分别通过引线与引脚连接，在管壳的顶部设有通气孔，在管壳内设有透气隔热保温材料，透气隔热保温材料包裹瓦斯敏感元件、引线以及引脚在管壳内的部分。

所述的透气隔热保温材料为疏水二氧化硅气凝胶或疏水纳米骨架材料等。

有益效果： 本发明的瓦斯传感器敏感元件封装，在管壳内采用疏水二氧化硅气凝胶实现传感器敏感元件与封装管壳及空气之间的热隔离。与未采用这种封装的传统元件相比，采用本发明的元件可工作在很低的电流下，约70mA。而原有封装中的元件在该电流下的灵敏度很低，无法使用。采用本发明封装的元件功耗与采用原有封装的元件的额定功耗相比可降低约30～40%；同时灵敏度仍可高达50mV/1%CH₄，也比原有封装的元件额定工作状态时的灵敏度高。因此是现有催化燃烧式气体传感器降低功耗并提供高灵敏度的有效封装形式。这种封装还可以吸附矿井等现场的煤尘等污染物，有利于延长传感器的寿命。本发明还可以用于基于催化燃烧式原理的其它气体传感器敏感元件的封装，以及采用加热方式实现对气体敏感的其它气体传感器。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是本发明的实施例与比较例的灵敏度-电流响应特性比较图；

图3是本发明的实施例与比较例的灵敏度-功率响应特性比较图；

图中，a1、b1实施例的响应特性曲线，a2、b2对比例的响应特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图及对本发明的实施作进一步的描述：

图1为本发明的一种催化燃烧式瓦斯敏感元件的封装，包括透气隔热保温材料1，瓦斯敏感元件2，设有通气孔6的管壳3，引线4，引脚5。透气隔热保温材料采用疏水二氧化硅气凝胶或疏水纳米骨架材料，疏水二氧化硅气凝胶填充在在管壳3内，瓦斯敏感元件2的两端分别通过引线4与引脚5连接，在管壳3的顶部设有通气孔6，疏水二氧化硅气凝胶包裹瓦斯敏感元件2、引线4以及引脚5在管壳3内的部分。

透气隔热保温材料不限于以粉末或微颗粒以及整体的形式封装于管壳内并包裹瓦斯传感器敏感元件2、引线4以及引脚5在管壳3内的部分。

图2和图3是实施例（管壳内封装疏水二氧化硅气凝胶）的响应特性（a1、b1）与比较例即管壳内无疏水二氧化硅气凝胶的响应特性比较（a2、b2）。