【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及气体传感器领域，具体涉及一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片及其制备方法。
技术介绍
1、随着物联网概念的不断发展，通过模拟鼻子感知气味的气体传感器的需求也在不断增长。目前气体传感器已被广泛应用于工业制作、环境监测、医疗健康、汽车安全等领域。市场上主流气体传感器主要基于半导体式、催化燃烧式、电化学式、红外等原理构建。
2、半导体式传感器利用半导体材料在目标气体氛围中发生电阻变化，通过采集电阻信号反馈目标气体浓度，其原理简单，近年来随着mems技术的发展，通过纳米技术与微加工工艺结合更是实现在微纳尺度结构上的传感器构造，实现了区别与传统铂丝绕丝结构的体积、功耗、集成化和批量化等方面的突破进展。然而半导体传感器因为敏感材料的广普性响应，导致其选择性差，并且难以实现定量监测。
3、催化燃烧通过催化可燃气体发生无焰燃烧，温度升高，导致感知铂丝电阻发生变化，实现对于气体的监测，监测范围需是高浓度可燃气体。红外通过目标气体对红外光的吸收探测吸收后的光谱即可反馈气体的种类及浓度，但其易受环境中湿度及co2气体的干扰。电化学气体传感器利用气体在传感器表面发生化学反应产生的电池反应，通过监测电池的电流或电压信号变化实现对气体的感知，传感器利用电池的原理所以是无功耗，另外存下目标气体环境、电解质、敏感材料的三项界面可以实现高选择性检测。但传统的液体电化学气体传感器由于其电解质易挥发，导致传感器寿命短。全固态电化学气体传感器采用固态电解质层实现了长寿命、高选择、高稳定的检测。自上世纪50年代以来，钇稳定氧化锆(y
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片及其制备方法，其在电解质层表面负载致密扩散层，再在其基础上通过设计电极、加热层、绝缘层的空间排布实现全固态电化学电极片，所设计基片单个尺寸仅为1mm*2mm尺寸小，热量集中，易于实现在功耗较低的情况下电极片的高离子电导，实现传感器的高灵敏度。
2、在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片。根据本专利技术的实施例，所述全固态气体传感器基片包括加热层、绝缘层、致密扩散层、电解质层、电极层，所述电解质层作为基板，电解质层是反应的离子通道，连接反应的工作电极和对电极，决定传感器的灵敏度。所述电解质层的上表面附着有绝缘层二和电极层二，所述绝缘层二上表面附着有电极层三，所述电极层二为参比电极，所述电极层三为工作电极，所述电解质层下表面附着有致密扩散层，当传感器作为氧传感器时，致密扩散层阻碍氧气进入电解质层内，使电解质层两侧形成氧浓度差，可使传感器成为极限电流型氧气传感器。所述致密扩散层下表面附着有绝缘层一和电极层一，所述电极层一为对电极，用于形成传感回路，所述绝缘层一的下表面附着加热层，加热层用于传感器的加热，提供传感器所需的温度环境，提高电解质的离子电导率。
3、另外，根据本专利技术上述实施例的一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片，还可以具有如下附加的技术特征：
4、在本专利技术的一些实施例中，所述电解质层为稳定氧化锆基片，所述致密扩散层包括稳定氧化锆及金属，所述致密扩散层厚度为10-500μm，所述绝缘层为氧化铝、氧化硅、氮化铝、氮化硅等材料中的一种或多种，所述电极层为pt，所述电极层厚度为1-100μm，所述加热层为铂或钨，所述加热层的干膜厚度为1-500μm。
5、在本专利技术的一些实施例中，所述金属为au、pt、cu、al、ni、w中一种或多种。
6、在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片的制备方法。根据本专利技术的实施例，所述制备方法包括以下步骤：
7、(1)基片清洗：将两面抛光的稳定氧化锆基板放入丙酮、乙醇及水的混合溶剂中进行超声清洗至少3次以上，然后烘干备用；
8、(2)致密扩散层制备：采用磁控溅射向基片下表面混合溅射稳定氧化锆及金属；
9、(3)绝缘层制备：采用磁控溅射镀膜技术或丝网印刷技术在致密扩散层下表面和基片上表面上附着绝缘层；
10、(4)电极层制备：通过磁控溅射或丝网印刷的方式在致密扩散层下表面、基板上表面、绝缘层二上表面附着电极层，然后基板置于真空管式炉或n2保护下500-1600℃退火1-5h，退火后电极层进行电镀操作；
11、(5)加热层制备：采用丝网印刷将加热层附着在绝缘层一下表面；
12、(6)切割：将基板切割成多个基片，所述基片即为全固态气体传感器基片
13、另外，根据本专利技术上述实施例的一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片的制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：
14、在本专利技术的一些实施例中，所述步骤(1)中，稳定氧化锆基板为厚度0.3-1mm、长宽10mm*10mm方块，基片平面粗糙度小于1μm，稳定氧化锆可为金属铱稳定氧化锆(ysz)或铈稳定氧化锆(csz)，铱或铈在氧化锆中的掺杂比例为3wt％-8wt％，所述步骤(6)中，切割之后单个基片尺寸为1mm*2mm。
15、在本专利技术的一些实施例中，所述步骤(2)采用分层溅射的方式，单层溅射功率为20-100w，溅射时间为5-30min，溅射用气为ar；在溅射时，逐层减小稳定氧化锆的溅射功率且增大金属的溅射功率；磁控溅射完后将基片置于真空管式炉或n2保护下500-1600℃退火1-5h。
16、在本专利技术的一些实施例中，所述步骤(3)中，当采用丝网印刷技术时，绝缘层为氧化铝，绝缘层浆料印刷干膜厚度为1-100μm，印刷厚度大于10μm时，网板目数需要控制在200-600目，如果印刷厚度小于10μm，则采用有机膜镭射网板，氧化铝浓度根据印刷厚度进行调整，一般浓度为0.1-10mg/ml，通过匹配网板目数和浆料浓度可以实现目标范围的膜厚度，丝印后将基板置于真空管式炉或n2保护下500-1600℃下退火1-5h；当采用磁控溅射镀膜技术时，绝缘层为氧化铝、氧化硅、氮化铝、氮化硅中的一种或多种，磁控溅射镀膜功率为60w，镀膜厚度由膜厚仪测量达到设定值自动停止，氩气为载气。
17、在本专利技术的一些实施例中，所述步骤(5)中，丝网印刷后，将基板置于真空管式炉或n2保护下500-1600℃退火1-5h，通常印刷浆料的印刷厚度为2-20μm，受成本限制，不宜过厚，过薄会影响线路导电性。
18、在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种氧气传感器。根据本专利技术的实施例，所述氧气传感器包括传感基片，所述传感基片为所述的全固态气体传感器基片，不需加载气敏材料层，加热层通电，电极层一通正极，电极层二通负极。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片，其特征在于：包括加热层、绝缘层、致密扩散层、电解质层、电极层，所述电解质层作为基板，所述电解质层的上表面附着有绝缘层二和电极层二，所述绝缘层二上表面附着有电极层三，所述电极层二为参比电极，所述电极层三为工作电极，所述电解质层下表面附着有致密扩散层，所述致密扩散层下表面附着有绝缘层一和电极层一，所述电极层一为对电极，所述绝缘层一的下表面附着加热层。
2.根据权利要求1所述的一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片，其特征在于：所述电解质层为稳定氧化锆基片，所述致密扩散层包括稳定氧化锆及金属，所述致密扩散层厚度为10-500μm，所述绝缘层为氧化铝、氧化硅、氮化铝、氮化硅等材料中的一种或多种，所述电极层为Pt，所述电极层厚度为1-100μm，所述加热层为铂或钨，所述加热层的干膜厚度为1-500μm。
3.根据权利要求2所述的一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片，其特征在于：所述金属为Au、Pt、Cu、Al、Ni、W中一种或多种。
4.一种根据权利要求1所述的基于氧化锆的全固态气体传感器基片的制备方法，其特征在于
5.根据权利要求4所述的一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，氧化锆基板为厚度0.3-1mm、长宽10mm*10mm方块，基片平面粗糙度小于1μm，稳定氧化锆为金属铱稳定氧化锆或铈稳定氧化锆，氧化锆基板中铱或铈在氧化锆中的掺杂比例为3wt％-8wt％，所述步骤(6)中，切割之后单个基片尺寸为1mm*2mm，。
6.根据权利要求4所述的一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)采用分层溅射的方式，单层溅射功率为20-100w，溅射时间为5-30min，溅射用气为Ar；在溅射时，逐层减小稳定氧化锆的溅射功率且增大金属的溅射功率；磁控溅射完后将基片置于真空管式炉或N2保护下500-1600℃退火1-5h。
7.根据权利要求4所述的一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，当采用丝网印刷技术时，绝缘层为氧化铝，绝缘层浆料印刷干膜厚度为1-100μm，丝印后将基板置于真空管式炉或N2保护下500-1600℃下退火1-5h；当采用磁控溅射镀膜技术时，绝缘层为氧化铝、氧化硅、氮化铝、氮化硅中的一种或多种。
8.根据权利要求4所述的一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，丝网印刷后，将基板置于真空管式炉或N2保护下500-1600℃退火1-5h。
9.一种氧气传感器，其特征在于：包括传感基片，所述传感基片为权利要求1所述的全固态气体传感器基片，不需加载气敏材料层，加热层通电，电极层一通正极，电极层二通负极。
10.一种电化学气体传感器，其特征在于：包括传感基片，所述传感基片为权利要求1所述的全固态气体传感器基片，在电解质层和电极三上加载气敏材料层，加热层通电，当采用两电极体系时，选择连通电极二、电极三或电极一、电极三通电，当采用三电极体系将电极三作为工作电极，电极一和电极二其中一个作为对电机，另外一个作为参比电极。
...【技术特征摘要】
1.一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片，其特征在于：包括加热层、绝缘层、致密扩散层、电解质层、电极层，所述电解质层作为基板，所述电解质层的上表面附着有绝缘层二和电极层二，所述绝缘层二上表面附着有电极层三，所述电极层二为参比电极，所述电极层三为工作电极，所述电解质层下表面附着有致密扩散层，所述致密扩散层下表面附着有绝缘层一和电极层一，所述电极层一为对电极，所述绝缘层一的下表面附着加热层。
2.根据权利要求1所述的一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片，其特征在于：所述电解质层为稳定氧化锆基片，所述致密扩散层包括稳定氧化锆及金属，所述致密扩散层厚度为10-500μm，所述绝缘层为氧化铝、氧化硅、氮化铝、氮化硅等材料中的一种或多种，所述电极层为pt，所述电极层厚度为1-100μm，所述加热层为铂或钨，所述加热层的干膜厚度为1-500μm。
3.根据权利要求2所述的一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片，其特征在于：所述金属为au、pt、cu、al、ni、w中一种或多种。
4.一种根据权利要求1所述的基于氧化锆的全固态气体传感器基片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种基于氧化锆的全固态气体传感器基片的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，氧化锆基板为厚度0.3-1mm、长宽10mm*10mm方块，基片平面粗糙度小于1μm，稳定氧化锆为金属铱稳定氧化锆或铈稳定氧化锆，氧化锆基板中铱或铈在氧化锆中的掺杂比例为3wt％-8wt％，所述步骤(6)中，切割之后单个基片尺寸为1mm*2mm，。
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