双层电极式固体电解质CO2气体传感器及制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种双层电极式固体电解质CO2气体传感器及制备工艺，所述传感器自下而上包括RuO2加热测温元件，Al2O3基底，下层金薄膜电极，固体电解质薄膜层，上层金薄膜电极，反应电极，制备工艺包括：在Al2O3陶瓷基底上通过丝网印刷的方法制作RuO2加热测温元件，在Al2O3陶瓷基底的另一面通过微机电加工工艺沉积Au金属电极，Li3PO4固体电解质层，并在电解质层和电极的上方印刷反应电极Li2CO3，最终形成固体电解质CO2气敏元件。传感器的Au薄膜电极分为上下两层，在竖直方向上排列，减小了传感器的体积和传感器的散热面积，降低了传感器的功耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气体敏感器件及制造技术，特别涉及一种〇)2气体传感器及其制备方 法。
技术介绍
近些年来，固体电解质因其良好的离子导电特性而越来越广泛的被应用于气体传 感器中。目前，〇)2常规固体电解质气体传感器已经取得了很大的发展，市场上已经出现 通过传统方法加工的CO2传感器产品，如采用高强度冲压高温烧结得到的NASICON、YSZ等 作为固体电解质，在固体电解质层附加反应电极和参比电极，即可得到对特定气体敏感的 传感器。但这种传感器的材料制备较为复杂，电解质层厚度在毫米级，通常通过粘接加热 器的方式进行加热，这使得气体传感器的体积和功耗均较大，而且响应特性也较缓慢。随 着MEMS (微机电系统）、纳米技术、及信息技术的发展，气体传感器向着微型化、集成化、低 功耗、实时性及高安全的方向发展。在薄膜功能材料基础上，开发微型化的气体传感器，与 宏观的气体传感器有着很大的不同。它们在体积、功耗、灵敏度、重复性、批量生产、成本、 工艺稳定性等方面具有明显的优势，而将薄膜固体电解质与微型化工艺结合进行气体传感 器的制备，符合器件集成化、智能化、功能多样化的必然发展趋势。Ji-Young Yoon等人将 Li3PO4, Li2CO3, Al2CCV混合烧结到一起形成CO 2气体传感器，其参比电极为LiMn 204,该气体传 感器在370°C对CO2有较好的响应。文献"Fabrication of the Planar-Type CO2Gas Sensor Using an Evaporated Li3P04Film and Its Sensing Characteristics"（C. Jeong, H. G. Song, D. R. Chang, and H. S. Kim. Metals and Materials International)米用 Li3PO4作 为固体电解质，制备的〇)2气体传感器获得了良好的性能，但是其结构依然采用的是在固体 电解质表面并列制作反应电极和参比电极，造成传感器的表面积较大，散失较多热量，功耗 较大。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有双层电极结构的薄膜微型化固体电解质CO2气体传 感器及制备方法，该传感器采用立体结构，将两个金电极制作在竖直方向上，能减小传感器 的整体体积与表面积，降低传感器的功耗，同时具有加热温控装置，使传感器在特定的温度 范围内工作，具有良好的响应和恢复特性。 为达到以上目的，本专利技术是采用如下技术方案予以实现的： -种双层电极式固体电解质CO2气体传感器，包括Al 203基底，该Al 203基底的反面 设有作为加热温控元件的此〇2厚膜层，Al 203基底正面设有下金薄膜电极层，该下金薄膜电 极层上面覆盖1^#04固体电解质层，Li 3P04固体电解质层上面设有上Au薄膜电极层，上Au 薄膜电极层上面覆盖有Li2CO3反应电极层。 上述结构中，所述Al2O3基底厚度为不大于0. 5毫米。 所述RuO2厚膜的厚度为20微米。形状为带状环形结构。 所述上、下层Au薄膜电极的厚度均为300~600纳米。 所述下Au薄膜电极层为方形或梳状，上Au薄膜电极层为梳状。 前述双层电极式固体电解质〇)2气体传感器的制备工艺，其特征在于，包括下述步 骤： (1)在Al2O3基底的反面使用Ru浆料，采用丝网印刷工艺制作加热测温元件的图 形，并于800 °C下形成RuOJ?膜层； (2)通过掩膜板遮蔽，在Al2O3基底的正面采用磁控溅射工艺溅射一下金薄膜电极 层； (3)在Al2O3基底正面与下层金薄膜电极层上面，通过掩膜板遮蔽，采用热阻蒸发 镀膜工艺蒸发沉积一 Li3PO4固体电解质层，并于700°C保温2小时成型； (4)在1^丨04固体电解质层上，通过掩膜板遮蔽，采用磁控溅射工艺溅射一上Au薄 膜电极层； (5)最后在上Au薄膜电极层上采用丝网印刷工艺制作一 Li2CO3反应电极层，并于 600°C保温1小时成型。 上述工艺中，所述Li3PO4固体电解质层成型厚度为1微米。所述Li 20)3反应电极 成型厚度为10微米。 本专利技术与现有的技术相比，具有以下优点： 1.采用MEMS工艺制备Li3PO4电解质薄膜和Au薄膜电极使得传感器的结构集成 化，使传感器的工艺稳定，重复性好。 2.传感器两个金电极采用竖直方向排列，减小传感器的体积与散热面积，减少材 料的使用，降低传感器的功耗。 3.传感器的上层电极形状为梳状，增加三相界面的面积，改善传感器的响应特性。【附图说明】 以下结合附图及【具体实施方式】对本专利技术作进一步的详细说明。 图1为本专利技术双层电极式固体电解质CO2气体传感器的结构示意图。 图中：l、Li2C03反应电极层；2、上Au薄膜电极层；3、Li 3P04固体电解质层；4、下Au 薄膜电极层；5、Al2O3基底；6、加热温控元件。 图2为图1传感器的正面平面布局结构及其电路引线示意图。 图中：21、下Au薄膜电极层引脚；22、上Au薄膜电极层引脚；该两引脚的电压信号 作为传感器的输出信号与外界环境中的〇)2浓度直接相关。 图3为图1传感器Al2O3基底反面RuO2温控元件的结构及引线示意图。 图中：加热温控引脚31、32接外部电压处理放大电路；同时接外部电阻测量电路， 温控元件电阻变化与传感器温度呈对应关系，通过电阻信号转换电路转为电压信号，作为 反馈，接入控制电路控制施加在RuO2厚膜上的驱动电压。【具体实施方式】 如图1-图3所示，一种双层电极式固体电解质CO2气体传感器，自下而上分别是 加热温控元件6、A1203基底5、下层金薄膜电极4、Li 3P04固体电解质层3、上层Au薄膜电极 2、1^20)3反应电极1。上、下金薄膜电极在竖直方向上排列，通过Li 3P04固体电解质层形成 完整的电学回路，输出电动势。 在该结构中，加热温控元件6为20微米厚的RuO2厚膜，通过丝网印刷的方式印制 在Al2O3基底5的反面，同时充当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双层电极式固体电解质CO2气体传感器，其特征在于，包括Al2O3基底，该Al2O3基底的反面设有作为加热温控元件的RuO2厚膜层，Al2O3基底正面设有下金薄膜电极层，该下金薄膜电极层上面覆盖Li3PO4固体电解质层，Li3PO4固体电解质层上面设有上Au薄膜电极层，上Au薄膜电极层上面覆盖有Li2CO3反应电极层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王海容，陈迪，刘振，陈敏，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61