A12O3纳米管阵列瓦斯传感器设计及相关机理研究

In the operating of catalyzing gas sensors at present exist the scientific problem of catalytic carrier physical structure changes and catalyst deactivation leading to poor stability. We explore a catalytic sensor with novel nanotube arrays carrier design and micro processing molding manufacture method and the related mechanism, and establish electrical and thermal theory models related to Al2O3 directional carrier nanotube arrays, as well as the thermostable crystal structure of control rule of the carrier. We study the convection-conduction-radiation coupled heat transfer mechanism of gas reaction, and the relationship between film thickness and defect and thermostability of sensitive electrode, and solve the key problems of catalyst sensitive factor modification techniques and virtual array blind source signals separation technology. This project propose a imagination that using Al2O3 directional nanotube arrays as carrier catalytic of gas sensor, and modify the nanotube inner wall with noble metal catalyst and rare-earth transition-metal oxides "promoter" to form a transparent catalytic carrier. It changes the reactant diffusion limited and sintering, coking and other failure mode caused by traditional "blind hole type" carrier structure sintered by Al2O3 powder. It can effectively inhibit the zero and sensitivity drift of the sensor, and lays the foundation for the fabrication of high performance gas sensors.

目前催化瓦斯传感器在使用中存在催化载体物理结构变化和催化剂失活导致传感器稳定性差等科学问题。将探索催化传感器一种新型纳米管阵列载体设计及微加工成型制造方法及相关机理，建立Al2O3定向纳米管阵列载体的相关电学、热学理论模型，以及载体的热稳定晶型结构控制规律；研究瓦斯气体反应的对流-传导-辐射耦合热传输机制，以及敏感电极的膜厚与膜缺陷及膜热稳定性的关系，解决催化剂敏感因子修饰技术及传感器虚拟阵列盲源信号分离技术等关键科学问题。本课题提出了利用Al2O3定向纳米管阵列做为催化瓦斯传感器载体设想，并在纳米管内壁修饰贵金属催化剂，及稀土和过渡金属氧化物"助催"剂，形成通透式催化载体，改变了传统利用Al2O3粉体烧结形成的"盲孔式"载体结构而造成的反应物扩散受限，易造成传感器的烧结、结焦等失效模式，能有效抑制传感器零点及灵敏度漂移，为制作出高性能瓦斯传感器奠定理论基础。

A12O3纳米管阵列瓦斯传感器设计及相关机理研究，利用电化学原位生长Al2O3陶瓷作为传感器敏感芯片载体，并通过化学沉积反应和浸渍烧结分解制成用于传感器的活性催化载体，再通过MEMS微加工工艺技术制造出微型化的纳米管阵列瓦斯传感器。通过对定向纳米管阵列气体传感器相关理论、A12O3纳米管阵列气体传感器相关模型、A12O3纳米管阵列瓦斯传感设计及相关技术、瓦斯传感器敏感性能等系统性研究，攻克了微孔阵列结构载体材料的可控制备、稀土及过渡金属氧化物掺杂“助催”机理、催化载体通透式设计等一批关键技术，制造出具有批量制造、快速响应、一致性好、可靠性高的具有MEMS特点的纳米管阵列瓦斯传感器样机，解决了传统载体存在“盲孔式结构”、反应物扩散受限，容易形成热冲击，造成活性氧化铝载体烧结、包覆、结焦的失效模式而引起的传感器性能不稳定工程技术问题。.电化学原位生长A12O3陶瓷MEMS技术是硅MEMS技术一大补充，由于其具有良好的高温特性，无硅基PN结效应，且与金属氧化物、贵金属氧化物等有较好的兼容性，其热涨系数与金属功能材料相匹配，在热式传感器的应用方面具有十分突出的优势，为制造高温传感器提供了一条解决路线。通过本项目研究，提升了国内在陶瓷微加工方面技术水平，填补了MEMS敏感芯片基底与催化载体一体化技术的空白，为满足目前急需的高性能危化品检测气体传感器提供解决方案，通过本项目研究，促进国内MEMS气体传感器的实用化步伐，在学术上拉近与国际先进水平差距。本项目产品产业化后，可与危化品运输安监系统、煤矿瓦斯安监系统、智慧家庭的燃气安全监控系统配套使用，也可与智慧工厂的危化品生产、使用、运输、存储安全监控系统配套使用，对推动国内仪器仪表技术的发展产生巨大社会影响。