基于陶瓷基微热板的催化燃烧气体传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于陶瓷基微热板的催化燃烧气体传感器及其制备方法中，在硅基底的第一表面依次形成有陶瓷膜以及加热层，以形成陶瓷基微热板，陶瓷膜通过设定的陶瓷浆料烧结形成，加热层通过设定的导电浆料烧结而成，陶瓷膜以及加热层均有高温烧结工艺形成，具有较好的耐高温性能，故相对于通过低温工艺条件的物理气相沉积形成加热层的现有技术，经过高温烧结工艺形成的加热层具有更好的耐高温特性，可以提高稳定性和可靠性。可以通过调节陶瓷浆料的组成，可以调节陶瓷膜的热导率，避免散热较快的问题，从而降低加热功耗。通过对应浆料烧结形成陶瓷膜以及加热层的设备相对于的化学气相沉积以及物理气相沉积设备，设备成本较低，降低了制作成本。

Catalytic combustion gas sensor based on ceramic micro hot plate and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
基于陶瓷基微热板的催化燃烧气体传感器及其制备方法
本专利技术涉及电子器件制造
，更具体的说，涉及一种基于陶瓷基微热板的催化燃烧气体传感器及其制备方法。
技术介绍
随着交通运输业的快速发展，汽车尾气中的CO、NOx、SOx等有害气体容易引发雾霾、光化学等环境污染，这些有毒气体及二次污染物对人们的身体健康造成了严重的威胁。基于此，新能源燃料电池汽车正在逐渐发展起来，燃料电池汽车只消耗氢气和氧气，在产生水的同时产生电力，这种“零排放”可以说是新能源汽车的终极形态。但鉴于氢气的爆炸范围较宽，极易扩散，难储存等特点，在氢燃料电池汽车中对氢气的泄露检测是保证车载人员安全的重要预警机制。因此，高稳定高可靠的氢气传感器在氢燃料电池汽车安全性方面发挥着重大的作用。目前气体传感器种类繁多，应用范围广泛，大致可分为半导体式、电化学式、催化燃烧式、固体电解质式和红外线式等。其中，催化燃烧气体传感器能够快速的检测可燃气体的泄露，并且不受高低温、湿度的影响，具有高可靠性、高稳定性，符合汽车电子的需求。尤其是近年来随着微机械加工技术的发展，催化燃烧气体传感器更是向着微型化、低功耗方向发展。催化燃烧气体传感器包含两个黑白元器件，其中黑元件对可燃气体具有催化活性，而白元件没有催化活性作为参比元件，两个元器件通过惠斯通电桥连接在一起，当有可燃气体出现时黑元件表面会产生催化燃烧放热反应改变黑元件的电阻阻值，进而使得惠斯通电桥输出信号发生变化。传统催化燃烧气体传感器通过将黑白两种催化材料分别涂抹于铂丝上，得到黑元件和白元件，但涂抹过程都是采用手工涂抹，不利于大批量生产，而且传统催化燃烧气体传感器功耗较大，在300mW-500mW左右。近年来随着微机械加工技术的发展，催化燃烧气体传感器向着微型化、低功耗方向发展。基于硅微加工技术的微热板(MicroHotplate,MHP)已广泛应用于微型气体传感器。微热板的基本结构包括悬空介质薄膜(包括氮化硅薄膜和二氧化硅介质薄膜)以及电阻加热膜。目前微热板采用物理气相沉积制备的电阻加热膜通常为厚度几百纳米的铂、钨、钼或者多晶硅，这些材料由于厚度较小，成膜晶粒较小，当经受高温热处理(600℃以上)时，加热电阻通常会发生不可逆的变化，基于硅基微热板的催化燃烧气体传感器，当其暴露于高浓度可燃气体时，由于可燃气体催化燃烧放热，微热板的温度可能达到七八百摄氏度，如果微热板不能承受此温度，那么催化燃烧传感器的可靠性将是一个问题，产品稳健性得到考验。其次，所采用的二氧化硅材料仍然具有较高的热导率(7W/m·K)，不利于催化燃烧气体传感器功耗的进一步降低。再者，介质薄膜和电阻加热膜都是采用化学或者物理气相沉积工艺所制备，所需设备比较昂贵，制备工艺成本也较高，不利于催化燃烧气体传感器成本的进一步降低。通过上述描述可知，现有的基于MEMS技术的催化燃烧气体传感器需要通过低温工艺的物理气相沉积电阻加热膜，不能经受高温热处理或者高浓度可燃气体冲击，耐高温性能较差，导致产品的稳定性和可靠性较差；而且，采用二氧化硅作为介质薄膜，具有较高的热导率，由于散热较快，为了保持设定的工作温度，需要较大输入功率，不利于功耗的进一步降低；同时，物理气相沉积设备和化学气相沉积设备昂贵，导致制作成本较高。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术技术方案提供了一种基于陶瓷基微热板的催化燃烧气体传感器及其制备方法，使得催化燃烧气体传感器具有较好的稳定性和可靠性，制作工艺简单，成本低，且具有较低的加热功耗。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于陶瓷基微热板的催化燃烧气体传感器，所述催化燃烧气体传感器包括：陶瓷基微热板，所述陶瓷基微热板包括硅基底、陶瓷膜以及加热层；所述硅基底具有相对的第一表面以及第二表面；所述第一表面具有中心加热区以及外围支撑区，所述中心加热区具有贯穿所述第一表面以及所述第二表面的空气绝热腔；所述陶瓷膜在所述硅基底的第一表面，所述陶瓷膜是由形成在所述硅基底表面的设定陶瓷浆料烧结而成；所述加热层设置在所述陶瓷膜背离硅基底的一侧表面，所述加热层包括电连接的加热电极以及加热电阻，所述加热电阻位于所述中心加热区，所述加热层由形成在所述陶瓷膜表面的设定导电浆料烧结而成；催化材料层，所述催化材料层设置在所述加热电阻的表面。优选的，在上述催化燃烧气体传感器中，所述催化燃烧气体传感器具有黑元件以及白元件；所述催化材料层包括设置在不同陶瓷基微热板的加热电阻上的黑元件催化材料以及白元件催化材料；所述黑元件催化材料与所在陶瓷基微热板组成所述黑元件，所述黑元件为检测元件；所述白元件催化材料与所在陶瓷基微热板组成所述白元件，所述白元件为补偿元件；所述黑元件与所述白元件组成检测电路，用于检测设定可燃气体的浓度。优选的，在上述催化燃烧气体传感器中，所述黑元件与所述白元件组成惠斯通电桥。优选的，在上述催化燃烧气体传感器中，所述催化燃烧气体传感器封装固定在一外壳内，所述外壳具有引脚，所述加热电极与所述引脚连接，以连接外部电路。优选的，在上述催化燃烧气体传感器中，所述硅基底为双面氧化、单面氧化或是未氧化的单晶硅片，所述单晶硅片的晶向为100或是111；或者，所述硅基底为双面氧化、单面氧化或是未氧化的多晶硅片。优选的，在上述催化燃烧气体传感器中，所述硅基底的厚度为50μm-700μm，包括端点值。优选的，在上述催化燃烧气体传感器中，所述陶瓷浆料为玻璃和陶瓷体系的混合材料；或，所述陶瓷浆料为微晶玻璃体系；或，所述陶瓷浆料为单相陶瓷。优选的，在上述催化燃烧气体传感器中，所述陶瓷膜的厚度为1μm-50μm，包括端点值。优选的，在上述催化燃烧气体传感器中，所述陶瓷膜的电阻率大于1013Ω·cm。优选的，在上述催化燃烧气体传感器中，所述陶瓷膜的热膨胀系数为0.5×10-6/℃-10×10-6/℃，包括端点值。优选的，在上述催化燃烧气体传感器中，所述陶瓷膜的介电常数为3-10，包括端点值。优选的，在上述催化燃烧气体传感器中，所述陶瓷膜的热导率为0.5W/(m·K)-10W/(m·K)，包括端点值。优选的，在上述催化燃烧气体传感器中，所述陶瓷膜的应力为100MPa-1000MPa，包括端点值。优选的，在上述催化燃烧气体传感器中，所述陶瓷膜经过抛光处理，使得所述陶瓷膜的粗糙度为0.5nm-1μm，包括端点值。优选的，在上述催化燃烧气体传感器中，所述陶瓷膜完全覆盖所述第一表面，或是覆盖部分所述第一表面。优选的，在上述催化燃烧气体传感器中，所述催化燃烧气体传感器具有多层所述陶瓷膜，所述陶瓷膜的陶瓷浆料不同以及所述陶瓷膜的厚度不同。优选的，在上述催化燃烧气体传感器中，当所述陶瓷浆料为玻璃和陶瓷体系的混合材料时，所述陶瓷浆料中，陶瓷相材料包括氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化铍陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氮化钛陶瓷、碳化硅陶瓷、碳化钛陶瓷、碳化硼陶瓷中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于陶瓷基微热板的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述催化燃烧气体传感器包括：/n陶瓷基微热板，所述陶瓷基微热板包括硅基底、陶瓷膜以及加热层；所述硅基底具有相对的第一表面以及第二表面；所述第一表面具有中心加热区以及外围支撑区，所述中心加热区具有贯穿所述第一表面以及所述第二表面的空气绝热腔；所述陶瓷膜在所述硅基底的第一表面，所述陶瓷膜是由形成在所述硅基底表面的设定陶瓷浆料烧结而成；所述加热层设置在所述陶瓷膜背离硅基底的一侧表面，所述加热层包括电连接的加热电极以及加热电阻，所述加热电阻位于所述中心加热区，所述加热层由形成在所述陶瓷膜表面的设定导电浆料烧结而成；/n催化材料层，所述催化材料层设置在所述加热电阻的表面。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于陶瓷基微热板的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述催化燃烧气体传感器包括：
陶瓷基微热板，所述陶瓷基微热板包括硅基底、陶瓷膜以及加热层；所述硅基底具有相对的第一表面以及第二表面；所述第一表面具有中心加热区以及外围支撑区，所述中心加热区具有贯穿所述第一表面以及所述第二表面的空气绝热腔；所述陶瓷膜在所述硅基底的第一表面，所述陶瓷膜是由形成在所述硅基底表面的设定陶瓷浆料烧结而成；所述加热层设置在所述陶瓷膜背离硅基底的一侧表面，所述加热层包括电连接的加热电极以及加热电阻，所述加热电阻位于所述中心加热区，所述加热层由形成在所述陶瓷膜表面的设定导电浆料烧结而成；
催化材料层，所述催化材料层设置在所述加热电阻的表面。


2.根据权利要求1所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述催化燃烧气体传感器具有黑元件以及白元件；
所述催化材料层包括设置在不同陶瓷基微热板的加热电阻上的黑元件催化材料以及白元件催化材料；
所述黑元件催化材料与所在陶瓷基微热板组成所述黑元件，所述黑元件为检测元件；
所述白元件催化材料与所在陶瓷基微热板组成所述白元件，所述白元件为补偿元件；
所述黑元件与所述白元件组成检测电路，用于检测设定可燃气体的浓度。


3.根据权利要求2所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述黑元件与所述白元件组成惠斯通电桥。


4.根据权利要求1所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述催化燃烧气体传感器封装固定在一外壳内，所述外壳具有引脚，所述加热电极与所述引脚连接，以连接外部电路。


5.根据权利要求1所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述硅基底为双面氧化、单面氧化或是未氧化的单晶硅片，所述单晶硅片的晶向为100或是111；
或者，所述硅基底为双面氧化、单面氧化或是未氧化的多晶硅片。


6.根据权利要求1所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述硅基底的厚度为50μm-700μm，包括端点值。


7.根据权利要求1所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述陶瓷浆料为玻璃和陶瓷体系的混合材料；
或，所述陶瓷浆料为微晶玻璃体系；
或，所述陶瓷浆料为单相陶瓷。


8.根据权利要求1所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述陶瓷膜的厚度为1μm-50μm，包括端点值。


9.根据权利要求1所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述陶瓷膜的电阻率大于1013Ω·cm。


10.根据权利要求1所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述陶瓷膜的热膨胀系数为0.5×10-6/℃-10×10-6/℃，包括端点值。


11.根据权利要求1所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述陶瓷膜的介电常数为3-10，包括端点值。


12.根据权利要求1所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述陶瓷膜的热导率为0.5W/(m·K)-10W/(m·K)，包括端点值。


13.根据权利要求1所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述陶瓷膜的应力为100MPa-1000MPa，包括端点值。


14.根据权利要求1所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述陶瓷膜经过抛光处理，使得所述陶瓷膜的粗糙度为0.5nm-1μm，包括端点值。


15.根据权利要求1所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述陶瓷膜完全覆盖所述第一表面，或是覆盖部分所述第一表面。


16.根据权利要求1所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述催化燃烧气体传感器具有多层所述陶瓷膜，所述陶瓷膜的陶瓷浆料不同以及所述陶瓷膜的厚度不同。


17.根据权利要求7所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，当所述陶瓷浆料为玻璃和陶瓷体系的混合材料时，所述陶瓷浆料中，陶瓷相材料包括氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化铍陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氮化钛陶瓷、碳化硅陶瓷、碳化钛陶瓷、碳化硼陶瓷中的一种或者多种，玻璃相材料为多种无机矿物为主原料添加辅助原料制成的无规则结构的非晶态固体，陶瓷相材料的晶粒熔进玻璃相材料的无定形网格中形成所述陶瓷膜。


18.根据权利要求7所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，当所述陶瓷浆料为微晶玻璃体系时，所述陶瓷浆料中，微晶玻璃是由基础玻璃通过加热处理形成的同时含有晶向和玻璃相的固体复合材料；
其中，所述基础玻璃包括多组分氧化物，在设定条件下，一部分所述基础玻璃形成规则性排列，在玻璃相中形成微晶玻璃相。


19.根据权利要求18所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述基础玻璃包括硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、氟硅酸盐玻璃、磷硅酸盐玻璃中的一种或者多种。


20.根据权利要求18所述的催化燃烧气体传感器，其特征在于，所述陶瓷浆料中，微晶玻璃相包括MgO-Al2O3-SiO2堇青石体系、Li2O-Al2O3-SiO2锂辉石体系、Li2O-ZnO-Al2O3-SiO2锂辉石体系、BaO-Al2O...

【专利技术属性】
技术研发人员：王锦，张克栋，冯奇，崔铮，楚延鹏，李智星，周乾飞，刘福星，
申请(专利权)人：上海汽车集团股份有限公司，苏州纳格光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31