一種氣體傳感器芯片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氣體傳感器芯片，由第一層至第四層共四層壓電基片疊壓而成，所述第一層壓電基片上設(shè)置有參比氣體通道；所述第一層壓電基片和第二層壓電基片之間設(shè)置有參比電極，所述參比氣體通道與所述參比電極相連通；所述第二層壓電基片和第三層壓電基片之間設(shè)置有加熱電極，所述第二層壓電基片上涂覆有氣體敏感膜，所述氣體敏感膜為對(duì)相應(yīng)的氣體具有吸附和解吸附性能的聚合物膜；所述第四層壓電基片上設(shè)置一層無序型金屬膜，并在該無序型金屬膜上設(shè)置點(diǎn)電極。本發(fā)明具有靈敏度高，響應(yīng)快，選擇性好，結(jié)構(gòu)簡單，壽命長等特點(diǎn)，并可針對(duì)任何氣體進(jìn)行設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)氣體傳感器性能不能兼顧的缺點(diǎn)。
【專利說明】一種氣體傳感器芯片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器芯片的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體而言涉及一種氣體傳感器芯片。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著汽車排放法規(guī)的日益提高，對(duì)廢氣排放控制要求也越來越高，為此汽車發(fā)動(dòng)機(jī)需要更短的冷啟動(dòng)時(shí)間來滿足要求。同時(shí)考慮能源節(jié)省的需要，一種集成度高、體積小、消耗功率小、啟動(dòng)速度快的片式氧傳感器成為一種趨勢(shì)，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)冷啟動(dòng)后盡可能快速進(jìn)入閉環(huán)控制的要求，同時(shí)降低氧傳感器的電能消耗。
[0003]目前已有的片式傳感器結(jié)構(gòu)主要由3層氧化鋯基板和若干功能厚膜層組成，氧化鋯基板主要通過流延或者軋膜的方法成型，而厚膜功能層主要通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)獲得。氧傳感器的測(cè)量電極和參比電極分別形成于基板的內(nèi)外表面上，通過沖壓成型將基板的中部沖開一道狹長的口子，以便形成參比空氣通道；而由陶瓷絕緣層包裹的鉬加熱元件配置在底部基板的內(nèi)表面上，還要在基板的末端打兩個(gè)通孔將內(nèi)表面的加熱元件同外表面末端的加熱電極片連接起來，這樣就構(gòu)成了敏感元件和加熱元件集成一體的片式氧傳感器結(jié)構(gòu)。但該結(jié)構(gòu)厚度厚、體積大、制作工序復(fù)雜，且加熱元件以包裹形式植于傳感器內(nèi)部，穩(wěn)定性比較差，且容易漏電。
[0004]氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器，目前已有的氣體傳感器種類繁多，按所用氣敏材料及其氣敏特性不同，可分為半導(dǎo)體式、固體電解質(zhì)式、電化學(xué)式、接觸燃燒式等。
[0005]1、半導(dǎo)體氣體傳感器
這種傳感器在氣體傳感器中約占60%。按照其機(jī)理可分為電阻式和非電阻式兩種。電阻式采用Sn02、Zn0等金屬氧化物材料制備，有多孔燒結(jié)件、厚膜、薄膜等形式。主要是通過檢測(cè)氣敏元件的電阻隨氣體含量的變化情況而定的，主要使用金屬氧化物陶瓷氣敏材料。非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是利用氣敏元件的電流與電壓隨氣體含量變化而工作的。
[0006]2、固體電解質(zhì)氣體傳感器
這種傳感器元件為離子對(duì)固體電解質(zhì)隔膜傳導(dǎo)。其機(jī)理是利用隔膜兩側(cè)兩個(gè)電池之間的電位差等于濃差電池的電勢(shì)。通過測(cè)量電動(dòng)勢(shì)來測(cè)量氣體濃度，如可以測(cè)量H2S的YST-AU-W03、測(cè)量 NH3 的 NH+4CaC03 等。
[0007]3、接觸燃燒式氣體傳感器
這種氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式兩種。其工作原理是:氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃性氣體氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產(chǎn)生的熱量使傳感器的電熱絲升溫，從而使其電阻值產(chǎn)生變化，通過測(cè)量電阻變化來測(cè)量氣體的濃度。這種傳感器只能測(cè)量可燃?xì)怏w，對(duì)不可燃其他不敏感。
[0008]雖然目前已有的氣體傳感器種類繁多、原理各不相同，但每種類型的傳感器都只能對(duì)特定氣體有效，而且傳感器的選擇性與適用范圍不能兼顧，即如果選擇性好的話，則可探測(cè)的氣體種類少，如果可探測(cè)的氣體種類多的話，則選擇性不高。
[0009]在專利申請(qǐng)?zhí)枮?01410285080.X的專利申請(qǐng)中提供了一種薄膜芯片氣體傳感器，包括一塊襯底，襯底上有一個(gè)底電極，在襯底和底電極上有一層半導(dǎo)體材料薄層，半導(dǎo)體材料薄層上有一層無序型金屬膜系，在該無序型金屬膜系上有點(diǎn)電極；所述底電極和點(diǎn)電極由導(dǎo)線引出而外接電流計(jì)；將所述結(jié)構(gòu)安置在一個(gè)單開口的封閉盒子內(nèi)。還公開了一種薄膜芯片氣體傳感器制備方法，用于制備上述傳感器芯片，制備一塊襯底材料，在該襯底材料的表面首先鍍上底電極，再鍍半導(dǎo)體材料薄層，再鍍有無序型金屬膜系，最后鍍上點(diǎn)電極，將整個(gè)結(jié)構(gòu)置于一個(gè)單開口的封閉的盒子中；應(yīng)用于檢測(cè)氣體時(shí)，當(dāng)氣體通過封閉盒子，在貴金屬系作為催化劑的作用下，發(fā)生催化化學(xué)反應(yīng)，放出的熱量激發(fā)金屬中的電子越過金屬和半導(dǎo)體的界面形成電流；利用電流計(jì)檢測(cè)電流信號(hào)，利用檢測(cè)電流信號(hào)的大小以及相對(duì)變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體及其含量的檢測(cè)。所述襯底可選有二氧化硅氧化層的硅片或玻璃片或金屬片；在選用襯底過程時(shí)，對(duì)基片進(jìn)行處理，處理方法為腐蝕，離子注入、原位刻蝕和生長種子層。所述生長種子層的方法為磁控濺射或分子束外延或電化學(xué)沉積。該申請(qǐng)的薄膜芯片氣體傳感器具有靈敏度高，響應(yīng)快，選擇性好，結(jié)構(gòu)簡單，壽命長等特點(diǎn)，并可針對(duì)任何氣體進(jìn)行設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)氣體傳感器性能不能兼顧的缺點(diǎn)。
[0010]在專利申請(qǐng)?zhí)枮?01010147931.6的專利申請(qǐng)中提供了一種集成片式氧傳感器及其制作方法，其制備方法包括以下步驟:第一步，將5%摩爾氧化釔的氧化鋯粉末同PVBjiv油醇和鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)以70?86:6?12:4?9:4?9的質(zhì)量比混合球磨制備成漿體，然后通過雙刀口技術(shù)流延成型，自然干燥后制成氧化鋯生坯帶，再通過模具沖壓成基片坯體，即上層氧化鋯基板；然后將含有70%?90%鉬粉的電極漿料和導(dǎo)電漿料印刷在上層氧化鋯基板的內(nèi)外表面，形成測(cè)量電極和參比電極；內(nèi)表面電極通過上層氧化鋯基板末端沖壓形成的電極連接通孔與外表面的內(nèi)電極連接片(19)相連；第二步，將石墨粉、PVB、松油醇和柔軟劑以30?46:20?30:16?24:10?24的質(zhì)量比混合充分，形成可絲網(wǎng)印刷漿料，并將該漿料印刷并覆蓋在內(nèi)電極表面上；該參比空氣擴(kuò)散縫隙印刷層寬度要介于上層氧化鋯基板和參比電極寬度之間，厚度要達(dá)到15到50微米，燒結(jié)后就會(huì)形成狹長縫隙；第三步，將5%摩爾氧化釔的氧化鋯粉末同PVB、松油醇和鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)以70?86:6?12:4?9:4?9的質(zhì)量比混合球磨制備成漿體，然后通過雙刀口技術(shù)流延成型，自然干燥后制成氧化鋯生坯帶，再通過模具沖壓成基片坯體，即下層氧化鋯基板；將含有純度達(dá)到97%以上的氧化鋁粉末的漿料印刷在下層氧化鋯基板的外表面，制備氧化鋁陶瓷絕緣層；然后將含有鉬粉的導(dǎo)電漿料印刷在該氧化鋁陶瓷絕緣層上，并一次印刷形成鉬加熱元件和加熱電極片；第四步，接下來，用含有氧化鋯粉的粘合劑將上層氧化鋯基板和下層氧化鋯基板層疊在一起，加熱至40?60度同時(shí)壓緊密實(shí)，再將測(cè)量電極端浸入含有鎂鋁尖晶石的漿料中提拉，形成包裹一體的多孔陶瓷保護(hù)層；第五步，合并包裹成一體的生坯在1300?1500度高溫?zé)Y(jié)I?3個(gè)小時(shí)，制備出集成片式氧傳感器。
[0011]現(xiàn)有技術(shù)還存在如下不足:芯片強(qiáng)度達(dá)不到所需要的強(qiáng)度需求，芯片電極與測(cè)量氣體接觸不充分，影響感測(cè)效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種強(qiáng)度滿足要求、芯片電極與測(cè)量氣體充分接觸、感測(cè)效果良好的傳感器芯片。
[0013]為實(shí)現(xiàn)上述的目的，采用了如下方案:一種氣體傳感器芯片，由第一層至第四層共四層壓電基片疊壓而成，其中，
所述第一層壓電基片上設(shè)置有參比氣體通道；
所述第一層壓電基片和第二層壓電基片之間設(shè)置有參比電極，所述參比氣體通道與所述參比電極相連通；
所述第二層壓電基片和第三層壓電基片之間設(shè)置有加熱電極，所述第二層壓電基片上涂覆有氣體敏感膜，所述敏感膜為對(duì)相應(yīng)的氣體具有吸附和解吸附性能的聚合物膜；
所述第四層壓電基片上設(shè)置一層無序型金屬膜，并在該無序型金屬膜上設(shè)置點(diǎn)電極。
[0014]進(jìn)一步地，所述壓電基片的材質(zhì)為氧化鋯。
[0015]進(jìn)一步地，所述參比電極上覆蓋有多孔氧化鋁層，所述參比氣體通道與多孔氧化鋁層連通。
[0016]進(jìn)一步地，所述加熱電極的上下各有一層絕緣層。
[0017]進(jìn)一步地，所述加熱電極上下的絕緣層材質(zhì)為致密氧化鋁質(zhì)。
[0018]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明設(shè)有專用于檢測(cè)氣體的參比通道，具有靈敏度高，響應(yīng)快，選擇性好，結(jié)構(gòu)簡單，壽命長等特點(diǎn)，并可針對(duì)任何氣體進(jìn)行設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)氣體傳感器性能不能兼顧的缺點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的氣體傳感器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖中，I為第一層壓電基片，2為第二層壓電基片，3為第三層壓電基片，4為第四層壓電基片，5為參比氣體通道，6為參比電極，7為加熱電極，8為無序型金屬膜。

【具體實(shí)施方式】
[0021]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的和技術(shù)方案更加清楚，下面將結(jié)合實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于所描述的本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在無需創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0022]本【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0023]實(shí)施例1
一種氣體傳感器芯片，由第一層至第四層共四層壓電基片疊壓而成，其中，
所述第一層壓電基片I上設(shè)置有參比氣體通道5 ；
所述第一層壓電基片I和第二層壓電基片2之間設(shè)置有參比電極6，所述參比氣體通道5與所述參比電極6相連通；
所述第二層壓電基片2和第三層壓電基片3之間設(shè)置有加熱電極7，所述第二層壓電基片2上涂覆有氣體敏感膜，所述敏感膜為對(duì)相應(yīng)的氣體具有吸附和解吸附性能的聚合物膜；
所述第四層壓電基片4上設(shè)置一層無序型金屬膜8，并在該無序型金屬膜8上設(shè)置點(diǎn)電極。
[0024]該氣體傳感器芯片的制造方法:包括以下步驟:
1)在第一層壓電基片I上開設(shè)參比氣體通道5；
2)在第二層壓電基片2上涂覆氣體敏感膜，其厚度為160納米；
3)首先在第四層壓電基片4的表面上鍍上底電極，再采用溶膠凝膠法鍍半導(dǎo)體材料薄層，再鍍上無序型金屬膜8，然后再鍍上點(diǎn)電極；
4)將參比電極6設(shè)置在第一層壓電基片I和第二層壓電基片2之間，將加熱電極7設(shè)置在第二層壓電基片2和第三層壓電基片3之間；
5)將第一層壓電基片I至第四層壓電基片4順次疊壓在一起。
[0025]實(shí)施例2
一種氣體傳感器芯片，由第一層至第四層共四層壓電基片疊壓而成，其中，
所述第一層壓電基片I上設(shè)置有參比氣體通道5 ;所述壓電基片的材質(zhì)為氧化鋯；所述第一層壓電基片I和第二層壓電基片2之間設(shè)置有參比電極6，所述參比氣體通道5與所述參比電極6相連通，所述參比電極6上覆蓋有多孔氧化鋁層，所述參比氣體通道5與多孔氧化鋁層連通；
所述第二層壓電基片2和第三層壓電基片3之間設(shè)置有加熱電極7，所述第二層壓電基片2上涂覆有氣體敏感膜，所述敏感膜為對(duì)相應(yīng)的氣體具有吸附和解吸附性能的聚合物膜；
所述第四層壓電基片4上設(shè)置一層無序型金屬膜8，并在該無序型金屬膜8上設(shè)置點(diǎn)電極。
[0026]所述加熱電極7的上下各有一層絕緣層。所述加熱電極7上下的絕緣層材質(zhì)為致密氧化鋁質(zhì)。
[0027]該氣體傳感器芯片的制造方法:包括以下步驟:
1)在第一層壓電基片I上開設(shè)參比氣體通道5；
2)在第二層壓電基片2上涂覆氣體敏感膜，其厚度為200納米；
3)首先采用磁控濺射法在第四層壓電基片4的表面上鍍上底電極，再采用分子束外延法鍍半導(dǎo)體材料薄層，再鍍上無序型金屬膜8，然后再鍍上點(diǎn)電極；
4)將參比電極6設(shè)置在第一層壓電基片I和第二層壓電基片2之間，將加熱電極7設(shè)置在第二層壓電基片2和第三層壓電基片3之間；
5)將第一層壓電基片I至第四層壓電基片4順次疊壓在一起。
[0028]以上僅為本發(fā)明的實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種氣體傳感器芯片，其特征在于，由第一層至第四層共四層壓電基片疊壓而成，其中， 所述第一層壓電基片上設(shè)置有參比氣體通道； 所述第一層壓電基片和第二層壓電基片之間設(shè)置有參比電極，所述參比氣體通道與所述參比電極相連通；所述第二層壓電基片和第三層壓電基片之間設(shè)置有加熱電極，所述第二層壓電基片上涂覆有氣體敏感膜，所述氣體敏感膜為對(duì)相應(yīng)的氣體具有吸附和解吸附性能的聚合物膜；所述第四層壓電基片上設(shè)置一層無序型金屬膜，并在該無序型金屬膜上設(shè)置點(diǎn)電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣體傳感器芯片，其特征在于，所述壓電基片的材質(zhì)為氧化鋯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣體傳感器芯片，其特征在于，所述參比電極上覆蓋有多孔氧化鋁層，所述參比氣體通道與多孔氧化鋁層連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣體傳感器芯片，其特征在于，所述加熱電極的上下各有一層絕緣層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種氣體傳感器芯片，其特征在于，所述加熱電極上下的絕緣層材質(zhì)為致密氧化鋁質(zhì)。
【文檔編號(hào)】G01N27/00GK104391009SQ201410644807
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】禹勝林 申請(qǐng)人:無錫信大氣象傳感網(wǎng)科技有限公司