CN101726526A - 一种固体电解质so2气体传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及SO2气体传感器领域，公开一种固体电解质SO2气体传感器及其制作方法。该固体电解质SO2气体传感器，包括硅基片，依次设置在硅基片上面的SiO2绝缘层、导电膜、Sn/SnF2薄膜、LaF3固体电解质薄膜和Pt网，所述导电膜连出第一引线，Pt网连出第二引线。本技术方案的中，所述导电膜为Al膜；其制作方法采用MEMS(微机电系统)技术，工艺简单，实现方便。

Description

一种固体电解质SO2气体传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及SO2气体传感器领域，特别涉及一种固体电解质SO2气体传感器及其制作方法。
背景技术
固体电解质式气体传感器利用典型的电化学原理，和目前广泛使用的液体电解质式气体传感器相比，避免了液体电解质易挥发、密封困难、腐蚀传感器基体等缺陷，具有稳定性、适用性、使用寿命长等多方面的优势，是气体传感器技术发展的一个重要趋势。研究者采用固体电解质替代液体电解质，已开发了一些气体传感器，如氧化锆固体电解质的O2气体传感器。
随着MEMS(微机电系统)技术的发展，传感器的体积和结构都逐渐向微型化方向发展。与宏观尺寸传感器相比，微型传感器具有体积小、功耗低、灵敏度高、重复性好、易批量生产、成本低、加工工艺稳定等优点，而且将MEMS技术应用于传感器，对器件的集成化、智能化、多功能化，以及提高其选择性、可靠性和稳定性都具重要的意义。
氟化镧(LaF3)因其在常温状态下具有较高的电导率，是一种理想的常温固体电解质，已被应用于O2、F2等常温气体传感器的研究中。由于LaF3在常温状态下具有高电导率的优点，避免了ZrO2、CaF2、硫酸盐等固体电解质类气体传感器高温工作需加热的缺点，从而可以大幅度简化传感器结构、延长传感器使用寿命、提高传感器的使用性能。目前，已经有LaF3固体电解质气体传感器，都是以固体电解质晶片为基体，然后在基体两面制作反应电极和参比电极，制作方法采用传统的压制或粘结方式，使传感器在性能方面存在由于离子传导性较差引起的灵敏度低的问题，以及传统工艺的不一致性导致的传感器性能不够稳定的问题。
如文献“LaF3基固体电解质CO/CO2气体传感器”(韩元山，东北大学，博士论文，2004年3月)提出了一种基于LaF3固体电解质的CO/CO2气体传感器，先用玛瑙研钵将按一定比例混合的Sn/SnF2充分研磨均匀，用压力240MPa压成圆片，然后将镍丝电极引线压入参比电极Sn/SnF2中，最后用Ag导电胶将反应电极Pt网和参比电极Sn/SnF2分别连接在LaF3晶片两侧。采用此方法制作传感器，不但工艺繁琐、复杂，而且电子导体Ag会阻碍离子在Pt/LaF3界面传导，影响传感器灵敏度、响应时间等性能参数。
发明内容
为了解决固体电解质气体传感器灵敏度、响应时间等性能参数不佳以及制作方法繁琐、复杂的缺点，本发明的目的在于提供一种固体电解质SO2气体传感器及其制作方法，不仅可以提高传感器的灵敏度、响应时间等性能参数，而且还能大大简化其制作工艺。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现的。
(1)一种固体电解质SO2气体传感器，其特征在于，包括硅基片，依次设置在硅基片上面的SiO2绝缘层、导电膜、Sn/SnF2薄膜、LaF3固体电解质薄膜和Pt网，所述导电膜连出第一引线，Pt网连出第二引线。本技术方案的中，所述导电膜为Al膜。
(2)上述固体电解质SO2气体传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，在硅基片上热氧化SiO2绝缘层，在SiO2绝缘层制作第一光刻胶层，并光刻连为一体的第一引线接线盘和导电膜的形状，采用离子溅射法沉积金属Al，形成第一引线接线盘和导电膜，并剥离、清洗残余的第一光刻胶层后烘干；
其次，制作第二光刻胶层，并显影露出导电膜，在导电膜上采用离子溅射法依次沉积Sn/SnF2薄膜和LaF3固体电解质薄膜，并剥离、清洗残余的第二光刻胶层后烘干；
再次，制作第三光刻胶层，并在LaF3固体电解质薄膜光刻出连为一体的第二引线接线盘和Pt网形状，并剥离、清洗残余的第三光刻胶层后烘干；
最后，分别采用导电胶粘接连出第一引线、第二引线，即可。
本发明的技术方案与现有技术相比，具有以下优点：
(1)采用MEMS工艺在固体电解质薄膜上制作Pt反应电极，反应电极与固体电解质薄膜界面结合性能提高，与现有采用导电胶连接反应电极与固体电解质的方法相比，可避免电子导体(导电胶中的金属)阻碍离子在Pt/LaF3界面传导的不足，提高传感器灵敏度、响应时间等性能参数。
(2)采用MEMS工艺制作全薄膜结构传感器加工工艺稳定、重复性好、易批量生产、成本低，微型化的Pt反应电极具有微尺度下反应界面增加、电极比表面积可控的优势，从而使传感器性能得以提高。
(3)采用LaF3固体电解质，传感器可以在常温下对气体进行检测，没有了加热装置，结构更加简单、紧凑，使用起来也方便了很多。
附图说明
图1是为本发明的一种固体电解质SO2气体传感器的结构示意图；
图2.1～图2.12是本发明的一种固体电解质SO2气体传感器的制作工艺流程图。
具体实施方式
参照图1，为本发明的一种固体电解质SO2气体传感器，具有硅基片1，依次设置在硅基片1上面的SiO2绝缘层2、导电膜3、Sn/SnF2薄膜4、LaF3固体电解质薄膜5和Pt网6，所述导电膜2连出第一引线接线盘7，Pt网6连出第二引线接线盘8，第一引线9和第二引线10分别通过导电胶粘贴连出，并连接测量信号处理电路。
在硅基片1上的SiO2绝缘层2通过对硅片的热氧化技术获得，在SiO2绝缘层2上采用离子溅射法沉积金属Al，形成连为一体的导电膜3和第一引线接线盘7，在导电膜3上采用离子溅射法沉积Sn/SnF2薄膜4、LaF3固体电解质薄膜5，在LaF3固体电解质薄膜4上采用离子溅射法沉积得到连为一体的Pt网6和第二引线接线盘8。
参照图2.1～图2.2，一种固体电解质SO2气体传感器的制作方法，包括以下步骤：
第一步，取一硅基片，清洗、烘干备用。具体为：选取硅基片为一片普通硅晶圆，放入丙酮中煮沸清洗，去除其表面的固体颗粒、金属离子和有机残余物，然后取出吹干，最后用电加热板在106℃下烘干，如图2.1所示。
第二步，在硅基片表面热氧化SiO2绝缘层。具体是：将硅基片置于气氛真空管式电炉中，通入纯氧，加热到1000℃，保温50分钟，然后断电，继续通氧，待冷却到室温状态后，关掉氧气阀，此时硅基片表面生成SiO2绝缘层，如图2.2所示。
第三步，在硅基片的一面的SiO2绝缘层上制作第一层光刻胶。将硅基片吸附在台式匀胶机上，滴上液态光刻胶，在3000r/min转速下甩胶60s，再用电加热板在106℃下烘干60s，SiO2绝缘层上形成第一层光刻胶、烘干，如图2.3所示。
第四步，在第一光刻胶层上，显影露出连为一体的第一引线接线盘和导电膜的形状。具体参照图2.4b，在掩膜板(如图2.4a所示)的遮挡下，通过曝光机的紫外光对光刻胶曝光1min，然后显影30s，最后用电加热板在106℃下1min烘干。
第五步，在SiO2绝缘层采用离子溅射法沉积Al，形成第一引线接线盘和导电膜。通过溅射台使用离子溅射法在SiO2层上沉积Al，形成具有第一引线接线盘和导电膜的Al膜结构，并剥离残余的第一光刻胶层，如图2.5所示。
第六步，在Al膜结构上制作第二光刻胶层。具体为：在Al膜结构上匀大约3μm厚的第二光刻胶层、烘干。
第七步，在第二层光刻胶上，显影露出导电膜形状。参照图2.6b，在掩膜板(如图2.6a所示)的遮挡下，对第二光刻胶层曝光1min，显影30s，烘干，显影露出导电膜形状，如图2.7所示。
第八步，采用离子溅射法在导电膜上，依次沉积Sn/SnF2薄膜和LaF3固体电解质薄膜。具体为：配制质量比为5∶2的Sn和SnF2均匀混合粉末，采用离子溅射法在导电膜上沉积生成参比电极Sn/SnF2薄膜；然后更换靶材，采用同样方法再沉积生成LaF3固体电解质薄膜，如图2.8所示。
第九步，剥离、清洗残余的第二光刻胶层。即使用丙酮溶解剥离第二光刻胶层，清水冲洗后烘干，得到参比电极Sn/SnF2和LaF3固体电解质双层薄膜，如图2.9所示.
第十步，在LaF3固体电解质层上制作第三光刻胶层，烘干，如图2.10所示。
第十一步，在第一光刻胶层上，显影露出连为一体的第二引线接线盘和Pt网形状。参照图2.11b，在掩膜板(如图2.11a所示)的遮挡下，对第三光刻胶层曝光1min，然后显影30s，106℃下烘干1min。Pt网的结构线宽为10μm，间隔与线宽相等。
第十二步，采用离子溅射法在第三光刻胶层沉积金属Pt，形成第二引线接线盘和Pt网，Pt网作为反应电极。在显影露出的连为一体的第二引线接线盘和Pt网形状上，采用溅射法沉积金属Pt，然后使用丙酮溶解剥离残余的第三光刻胶层，清水冲洗并烘干后，得到网状结构的反应电极，最后分别采用导电胶粘接连出第一、第二引线，如图2.12a(主视图)和如图2.12b(俯视图)所示。

Claims (3)

1.一种固体电解质SO2气体传感器，其特征在于，包括硅基片，依次设置在硅基片上面的SiO2绝缘层、导电膜、Sn/SnF2薄膜、LaF3固体电解质薄膜和Pt网，所述导电膜连出第一引线，Pt网连出第二引线。
2.根据权利要求1所述的一种固体电解质SO2气体传感器，其特征在于，所述导电膜为Al膜。
3.根据权利要求1所述的一种固体电解质SO2气体传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，在硅基片上热氧化SiO2绝缘层，在SiO2绝缘层制作第一光刻胶层，并光刻连为一体的第一引线接线盘和导电膜的形状，采用离子溅射法沉积金属Al，形成第一引线接线盘和导电膜，并剥离、清洗残余的第一光刻胶层后烘干；
其次，制作第二光刻胶层，并显影露出导电膜，在导电膜上采用离子溅射法依次沉积Sn/SnF2薄膜和LaF3固体电解质薄膜，并剥离、清洗残余的第二光刻胶层后烘干；
再次，制作第三光刻胶层，并在LaF3固体电解质薄膜光刻出连为一体的第二引线接线盘和Pt网形状，并剥离、清洗残余的第三光刻胶层后烘干；
最后，分别采用导电胶粘接连出第一引线、第二引线，即可。
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