CN101241101A - 一种微加工气敏元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微加工气敏元件及其制备方法，包括管座、基片部件以及连接两者的连接部件，其中基片部件自下而上依次由基片、制作在基片上的微电极，覆盖在基片及微电极上的低电阻率气敏材料层构成，通过微加工工艺，在基片上制作间隔微电极条，随后将低阻气敏材料层覆盖在基片及微电极上形成基片部件，并使基片部件隔热通电工作。本发明气敏元件利用通电后微电极和气敏材料的串联电阻产生的焦耳热即可达到所需的工作温度，从而无需附加加热电极或加热装置，简化了器件的封装工艺和后续电路的复杂性，减少了制作成本和提高了生产效率，适合批量生产，而且本发明使元件面积得以缩小从而实现气敏元件小型化，降低元件功耗。
Description
技术领域
本发明属于气敏传感器领域，具体涉及一种微加工气敏传感元件及其制备方法。
背景技术
目前气敏传感元件的结构以陶瓷管式、微珠式、平面式为主。陶瓷式、微珠式气敏元件主要由手工制作而成，制作效率低，元件参数一致性差。而平面式气敏传感元件能和丝网印刷技术结合，对元件的参数统一率、成品率、生产效率等方面都有较大提高。目前已有的平面式气敏传感电极结构主要包括了加热电极和气敏信号读取电极两个部分，其主要实现形式有两种：一是把加热电极制作在元件基片的一个端面，再把气敏信号读取电极制作在元件基片的另一个端面；二是直接把加热、信号读取这两种实现不同功能的电极都制备在基片的同一端面。以上提及的气敏传感元件结构有一个相同点：需要制备附加的加热电极或外部加热装置才能工作。加热电极的制备不仅增加了元件结构的复杂性和功耗，不利于元件后续电路的设计和信号采集；而且采用丝网印刷技术制备的平面电极，受到图形精度的限制，无法实现小型化，元件功耗高的问题仍然没有解决。
发明内容
针对气敏传感元件需要制作附加的加热电极或加热装置，以及元件无法小型化的问题，本发明的目的是提供一种微加工气敏传感元件及其制备方法，无需采用附加的加热部件，可以简化元件结构的制作工艺、降低制作成本，更为重要的是，利用本发明中的微加工方法，还可实现气敏元件小型化，有利于降低功耗和实现批量生长。
本发明的目的是这样实现的：一种微加工气敏元件，包括管座、基片部件以及连接两者的连接部件，其特征在于：所述的基片部件自下而上依次由基片、制作在基片上的微电极，覆盖在基片及微电极上的低电阻率气敏材料层构成。
优选地，所述的基片部件通过连接部件与管座悬空连接。
优选地，所述的基片为绝缘基片，基片面积小于25mm2。
优选地，所述的微电极由单对或多对间隔型微电极组成。
优选地，所述的气敏材料层采用低电阻率气敏材料，气敏材料和微电极串联电阻值小于1000Ω。
一种微加工气敏元件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)在基片上通过微加工技术处理后制作微电极；(2)在步骤(1)的基片和微电极上覆盖气敏材料层，制得基片部件；(3)将基片部件与管座进行隔热连接。
本发明采用微加工工艺，在基片上制作间隔微电极条，随后将低阻气敏材料层覆盖在基片及微电极上形成基片部件，并使基片部件隔热通电工作。低电阻率气敏材料层覆盖到基片和微电极上，气敏材料和微电极串联，具有串联电阻，因此，气敏元件利用通电后微电极和气敏材料的串联电阻产生的焦耳热即可达到所需的工作温度，从而无需附加加热电极或加热装置，简化了器件的封装工艺和后续电路的复杂性，从而减少了制作成本和提高了生产效率，适合批量生产，另外，本发明的制备方法中采用了微加工技术制备精度尺寸较高的电极结构，使元件面积得以缩小，从而实现气敏元件小型化，降低元件功耗。
附图说明
图1为本发明气敏传感元件的基片部件结构示意图；
图2为本发明气敏传感元件的元件结构示意图；
图3为本发明覆盖有SnO2敏感材料的气敏元件在5V直流供电条件下，对120ppm乙醇气体响应的电流随时间变化曲线；
图4为本发明覆盖有氧化钨纳米结构材料的气敏元件在2V直流供电条件下，对1％H2响应的电流随时间变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和一个优选具体实施例来对本发明做进一步的描述。
如图1所示，本发明气敏元件的基片部件23(见图2)，自下而上依次由基片11、制作在基片11上的微电极12，覆盖在基片11及微电极12上的低电阻率气敏材料层13构成。上述基片11优选绝缘基片，较好的，基片面积小于25mm2。上述微电极12由单对或多对间隔型微电极组成。气敏材料层的材料可以是金属氧化物、或电解质。金属氧化物材料可根据设计选自：ZnO，SnO2，TiO2，WO3，Fe2O3，Mo2O3，In2O3，BaTiO3，CuO，Al2O3，ThO3，Sb2O3，MgO，La2O3，CdIn2O4，Ga2O3等等。电解质材料可根据设计选自：(ZrO2)x(Y2O3)1-x，La1-xSrxCo1-yFeyO3-y，Sn，SnF2/LaF3/Pt，Na2SO4，Ln2(SO4)3，Nafion(多聚物四氟乙烯和乙烯基氟化硫)等等。该气敏材料层的构成形式可以是厚膜、薄膜或纳米结构晶体阵列。较好的，气敏材料层采用低电阻率气敏材料，气敏材料和微电极串联电阻值小于1000Ω。
上述微加工气敏元件的制备方法，包括以下步骤：
首先，在基片上通过微加工技术处理后制作微电极。微加工技术可采用现有技术，包括：光学光刻、电子束光刻、X射线光刻、激光光刻、电化学腐蚀、微颗粒喷涂、丝网印刷或贴膜印刷等等。制作微电极导电材料的技术可采用现有技术，包括：离子溅射、电子束蒸发、热蒸发、真空弧等离子体镀膜、热喷涂或静电喷涂等等。
然后，在上述的基片和微电极上覆盖气敏材料层，制得基片部件。气敏材料层的制备方式可采用现有技术，包括溅射、热蒸发、丝网印刷、水溶液生长、化学沉积或直接涂敷等等，将气敏材料直接覆盖在微电极上和填充在微电极之间的间隙中。
最后，将基片部件与管座进行隔热连接。较好的，如图2所示，基片部件23选用压焊技术引线，通过引线的悬挂作用将基片部件23悬空连接于管座22，达到隔热效果。
实施例1
本实施例中采用厚度为0.25mm的陶瓷片作为基片11，基片单元面积为1.5×1.5mm2。微电极12为单对间隔型回型线结构，线宽0.1mm，线间距50μm。制作方法包括下列步骤：
a.将基片11在热板上进行30分钟的前烘热处理，前烘温度为120℃。
b.利用Karl Suss R8涂胶机在基片11表面均匀旋涂上一层瑞红(RZJ-390PG)正性光刻胶，涂胶转速为3000rpm，时间为60秒。
c.涂胶完毕，将基片11置于热板上进行烘烤，热板的温度为120℃，烘烤时间为120秒。
d.烘烤完毕，利用Karl Suss MA45光刻机对样品进行15秒的紫外曝光，曝光过程中采用如图1所示的微电极图形作为掩模。曝光方式为硬接触。
e.将曝光完毕的基片放入浓度为3.33‰的NaOH溶液中进行显影，显影时间为40秒。将图1所示的微电极图形转化到光刻胶上。
f.去残胶，将显影完毕后的基片放置到等离子刻蚀(RIE)系统中刻蚀。刻蚀采用的气体为氧气，其流量为40sccm，刻蚀功率为100W，刻蚀时间为40秒。
g.刻蚀处理完毕后，采用磁控溅射镀膜机对基片进行镀膜，溅镀金属为钛(Ti)，溅射功率为300W，溅射用的气体为氩气，流量控制在60sccm。溅镀时间为40分钟。钛膜的厚度约为150nm。
h.溅镀完钛膜后，将基片放置于离子溅射仪中镀膜，溅镀铂金(Pt)薄膜。溅射电流为2mA，溅射电压为1000V，溅射用气体为空气，溅镀时间为60分钟。铂金膜的厚度为150nm。
i.剥离，将镀膜完毕的基片浸泡到丙酮中，超声震荡，使光刻胶剥离。超声时间为1分钟，获得如图1所示的微电极12的结构。
j.通过直接涂敷的方法，将主成份为SnO2敏感材料涂敷在平面基片电极上，形成低电阻率气敏材料层13。
k.参考图2所示的方法将基片部件隔热。采用压焊技术进行引线，利用引线将基片部件23悬空，从而实现基片部件23隔热工作。用压焊技术，将金属丝引线24的一端和图1所示的金属微电极12的引脚焊接好，金属丝引线24的另一端焊接在管座22的接线柱21上。按相同的办法通过另一金属丝引线24将另一金属电极引脚12和接线柱21连接起来。通过两条金属丝引线24的牵拉，使得基片部件23处于悬空隔热。
气敏元件通过气体敏感材料感应被探测气体后电阻发生变化来实现对被测气体的测量。本实施例的气体传感特性表征如图3。图3所示的是气敏元件在5V直流供电条件下，对120ppm乙醇气体响应的电流随时间变化曲线，其中I表示流经金属电极的电流，t表示时间。当器件处于空气中，其电流值约为105mA，当乙醇气体出现时，器件的电流值开始增大，并在1分钟内达到约175mA的稳定值，当乙醇气体排出时，器件电流开始下降，最终回落到原电流值并稳定下来。
实施例2
本实施例的步骤基本与实施例1相同，除步骤j气敏材料层13的制备：本实施例通过热蒸发的方法，在基片电极上生长一层主成份为氧化钨的纳米线，形成薄膜结构。
本实施例的气体传感特性表征如图4。生长有氧化钨纳米结构材料的气敏元件在2V直流供电条件下，对1％H2响应的电流随时间变化曲线。其中I表示流经金属电极的电流，t表示时间。当器件处于空气中，其电流值约为89mA，当氢气出现时，器件的电流值开始增大，并在1分钟内达到约120mA的稳定值，当氢气排出时，器件电流开始下降，最终回落到原电流值并稳定下来。
以上实验结果证明了本发明的气敏元件结构可以实现气体探测传感的功能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种微加工气敏元件，包括管座、基片部件以及连接两者的连接部件，其特征在于：所述的基片部件自下而上依次由基片、制作在基片上的微电极，覆盖在基片及微电极上的低电阻率气敏材料层构成。
2.根据权利要求1所述的微加工气敏元件，其特征在于：所述的基片部件通过连接部件与管座隔热电连通。
3.根据权利要求1所述的微加工气敏元件，其特征在于：所述的基片为绝缘基片，基片面积小于25mm2。
4.根据权利要求1所述的微加工气敏元件，其特征在于：所述的微电极由单对或多对间隔型微电极组成。
5.根据权利要求1所述的微加工气敏元件，其特征在于：所述的气敏材料层采用低电阻率气敏材料，气敏材料和微电极串联电阻值小于1000Ω。
6.根据权利要求1所述的微加工气敏元件，其特征在于：所述气敏材料层的材料是金属氧化物或电解质，其构成形式是厚膜、薄膜或纳米结构。
7.一种微加工气敏元件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)在基片上通过微加工技术处理后制作微电极；(2)在步骤(1)的基片和微电极上覆盖气敏材料层，制得基片部件；(3)将基片部件与管座进行隔热电连接。
8.根据权利要求7所述的微加工气敏元件的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中，微加工技术包括：光学光刻、电子束光刻、X射线光刻、激光光刻、电化学腐蚀、微颗粒喷涂、丝网印刷或贴膜印刷；制作微电极导电材料的技术包括：离子溅射、电子束蒸发、热蒸发、真空弧等离子体镀膜、热喷涂或静电喷涂。
9.根据权利要求7所述的微加工气敏元件的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中，气敏材料层的制备方式包括溅射、热蒸发、丝网印刷、水溶液生长、化学沉积或直接涂敷。
10.根据权利要求7所述的微加工气敏元件的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)中，基片部件选用压焊技术引线，通过引线的悬挂作用将基片部件悬空连接于管座。
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