CN101975803A - 一种平面气体传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面气体传感器，包括壳体和位于壳体内的气敏元件，气敏元件包括：基片以及依次设置在其正面的加热电阻层和气敏层，加热电阻层和气敏层通过绝缘介质层隔离。本发明还公开了一种平面气体传感器的制作方法，包括步骤：丝网印刷加热用平行带状金电极；丝网印刷加热电阻层；在加热电阻层上套印加热电极；在加热电阻层上丝网印刷绝缘介质层；在绝缘介质层上丝网印刷气敏层检测电极；在绝缘介质层上丝网印刷气敏层，形成气敏元件；将气敏元件焊接到管座上。本发明提供的平面气体传感器将气敏元件加热电阻层和气敏层置于基片的同一侧，因此无需制作通孔将电极引到同一侧，所以气敏元件的制作工艺难度将大大降低。

Description

一种平面气体传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，更具体地说，涉及一种平面气体传感器及其制作方法。

背景技术

气体检测技术在国民经济中占有重要地位，目前检测气体的方法和手段很多，主要包括电化学法、气象色谱法、导热法、红外吸收法、接触燃烧法、半导体气体传感器检测法，但是从材料的应用范围、普及程度以及实用性来看，半导体气体传感器检测法是应用最为广泛的。半导体气体传感器包括电阻式半导体气体传感器和非电阻式半导体气体传感器，其中电阻式半导体气体传感器是利用其阻值变化来检测气体浓度的。

电阻型半导体气体传感器是在一定条件(温度)下，被测气体到达半导体表面并与敏感材料相互作用，在此过程中伴随着电荷的转移，进一步引起半导体电阻的变化，通过测量半导体电阻的变化实现对气体浓度的检测。由于其结构和制作工艺简单，成本低廉，综合性能优良，因此电阻型金属氧化物半导体气体传感器在气体传感器领域中应用最为广泛。电阻型半导体气体传感器的气敏材料为金属氧化物，气敏材料的最佳工作温度较高，一般为300℃，因此一般采用陶瓷管芯的旁热式结构。但是，由于陶瓷管芯自身结构的限制，导致气敏元件无法向小型化和低功耗方向发展。另外，材料和成型工艺的非均匀性还会给产品带来性能参数的分散，产品的一致性和互换性差。

目前，解决上述问题的主要方式是日本费加罗报道的，在陶瓷基片两侧分别制作加热层和气敏层，通过通孔将一侧的电极引到另一侧，在基片同一侧实现气敏元件的绑定。这种方式由于需要在陶瓷基片上制作通孔，并且穿引电极，因此在工艺实现上比较困难。如果是以MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)技术制备平面结构半导体气敏元件，气敏元件在高温时的稳定性和可靠性问题需要解决。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种平面气体传感器及其制作方法，以在保证高温时的稳定性和可靠性的前提下，简化气敏元件的结构和制作工艺。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种平面气体传感器，包括壳体和位于所述壳体内的平面结构的气敏元件；

所述气敏元件具体包括：基片以及依次设置在所述基片正面的加热电阻层和气敏层，所述加热电阻层和气敏层通过绝缘介质层隔离。

优选的，在上述平面气体传感器中，所述基片的背面设有隔热层。

优选的，在上述平面气体传感器中，所述基片为96％氧化铝陶瓷基片。

优选的，在上述平面气体传感器中，所述隔热层的厚度为20～30μm，所述绝缘介质层的厚度为15～20μm，所述气敏层的厚度为50～100μm。

优选的，在上述平面气体传感器中，所述绝缘介质层为玻璃介质浆料、陶瓷介质浆料中的一种或二者的混合。

优选的，在上述平面气体传感器中，所述加热电阻层为二氧化钌。

一种平面气体传感器的制作方法，包括步骤：

丝网印刷加热用平行带状金电极；

丝网印刷加热电阻层；

在加热电阻层上套印加热电极；

在加热电阻层上丝网印刷绝缘介质层；

在绝缘介质层上丝网印刷气敏层检测电极；

在绝缘介质层上丝网印刷气敏层，形成气敏元件；

将所述气敏元件焊接到管座上，封装处理，形成平面气体传感器。

优选的，在上述平面气体传感器的制作方法中，在将气敏元件焊接到管座上之前，还包括步骤：

丝网印刷基片背面的隔热层。

优选的，在上述平面气体传感器的制作方法中，在丝网印刷任意一个功能层或电极后均需要对相应的功能层或电极进行烧结处理。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的平面气体传感器通将气敏元件的核心结构层，即加热电阻层和气敏层置于基片的同一侧，因此，便于实现外部绑定。而且由于将加热电阻层和气敏层置于基片的同一侧，因此无需制作通孔将电极引到同一侧，所以气敏元件的制作工艺难度将大大降低。

本发明提供的平面气体传感器的制作方法通过采用丝网印刷工艺制作气敏元件，产品性能参数的一致性和互换性大大提高。而且将加热电阻层和气敏层印刷在基片的同一侧，因此无需制作通孔将电极引到同一侧，所以气敏元件的制作工艺难度将大大降低。

通过对本发明提供的平面气体传感器的长期气敏性能考察，表明此结构元件与同类型平面气体传感器具有同等的灵敏度，而且元件工作性能稳定可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的平面气体传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的平面气体传感器的制作方法的工艺流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种平面气体传感器及其制作方法，以在保证高温时的稳定性和可靠性的前提下，简化气敏元件的结构和制作工艺。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的平面气体传感器的结构示意图。

其中，1为基片，2为加热电阻层，3为绝缘介质层，4为气敏层，5为加热电极，6为隔热层，7为气敏层检测电极。

本发明提供的平面气体传感器，包括壳体和位于所述壳体内的平面结构的气敏元件。其中壳体包括管帽和管座，管座上设有管针，气敏元件是焊接在管座上的，以实现与外部设备或电源的连接。由于本发明的重点并不涉及壳体，因此并未提供有关壳体的附图。

本发明的重点在于，气敏元件包括：基片1以及依次设置在所述基片1正面的加热电阻层2和气敏层4，所述加热电阻层2和气敏层4通过绝缘介质层3隔离。其中，所述绝缘介质层3的优选厚度为15～20μm，所述气敏层4的优选厚度为50～100μm。另外，绝缘介质层3可以为玻璃介质浆料、陶瓷介质浆料中的一种或二者的混合，加热电阻层2优选为二氧化钌系电阻浆料制得，阻值以加热功率为基础设计。所谓基片1的正面并无特殊意义，对于气敏元件的制作工艺而言，只需要将加热电阻层2和气敏层4制作到基片1的一面即可。所述的正面只是在使用时向上的一面成为正面。本发明提供的平面气体传感器和现有平面气体传感器的区别在于，加热电阻层2和气敏层4位于基片1的同一侧，并通过绝缘介质层3将二者隔离，而现有的气体传感器是通过基片1进行隔离的。由于加热电阻层2和气敏层4均需要引出电极(加热电极5和气敏层检测电极7)，而且二者的电极需要引入到基片1的同一侧，因此现有气体传感器将加热电阻层2和气敏层4分别置于基片1的两侧，无疑会增加穿引电极的工序步骤。

综上所述，本发明提供的平面气体传感器和现有气体传感器的结构相比，其将气敏元件的核心结构层，即加热电阻层2和气敏层4置于基片1的同一侧，因此，便于实现外部绑定。而且由于将加热电阻层2和气敏层4置于基片1的同一侧，因此无需制作通孔将电极引到同一侧，省去了制作通孔，牵引电极的步骤，所以气敏元件的制作工艺难度将大大降低。

通过对本发明提供的平面气体传感器的长期气敏性能考察，表明此结构元件与同类型平面气体传感器具有同等的灵敏度，而且元件工作性能稳定可靠。

进一步为了优化上述技术方案，在基片1的背面设有隔热层6，其中，隔热层6的优选厚度为20～30μm。所谓基片1的背面是相对上述中基片1的正面而言的，也无特殊意义，只是基片1的设有加热电阻层2和气敏层4的另外一面。由于气敏层4的最佳工作温度较高，一般为300℃，因此设置了用于对气敏层4加热的加热电阻层2，但是加热电阻层2的热量不仅会向气敏层4传导，还会向基片1传导，由于基片1一般为陶瓷材料制得，其散热速度较快，这样大大浪费了功耗。本发明提供的平面气体传感器通过在基片1的背面设有隔热层6，将会减缓基片1的散热速度，提高其保温性能，因此大大降低了气敏元件的功耗，节省了电能。

基片1优选为96％氧化铝陶瓷基片，96％氧化铝陶瓷以其高绝缘、高导热、高可靠、强硬度、耐高温、耐磨、抗氧化、力学性能突出等优良性能成为本发明基片1的最佳选择。

本发明提供的平面气体传感器的制作方法，包括：

步骤101：准备基片；

将基片准备好，并用乙醇清洗基片，烘干。

步骤102：印刷隔热层；

丝网印刷基片背面的隔热层，并且进行高温烧结处理。

步骤103：丝网印刷加热用平行带状金电极，并且进行烧结处理；

步骤104：印刷加热电阻层；

在基片的中心位置印刷加热电阻浆料，烧结成加热电阻层。

步骤105：套印加热电极；

在加热电阻层上套印为加热电阻层供电的加热电极，并且进行烧结处理。步骤105和步骤103印刷的加热电极是为加热电阻层供电的电极，两层加热电极分别印刷在加热电阻层的两侧。

步骤106：印刷绝缘介质层；

在加热电阻层的中心位置印刷绝缘介质层材料，并且进行烧结处理。

步骤107：印刷气敏层检测电极；

在绝缘介质层上丝网印刷气敏层检测电极，并且进行烧结处理。

步骤108：印刷气敏层；

在绝缘介质层上丝网印刷气敏层，并且进行烧结处理，形成气敏元件。

步骤109：封装；

将上述形成的气敏元件焊接到管座上，并进行封装处理，形成平面气体传感器。

需要说明的是，因为隔热层与加热电阻层和气敏层相比是印刷在基板的不同面上的，所以步骤102和其他印刷工艺(步骤103-步骤107)相比，并没有先后顺序，可以先印刷基板正面的功能层，其中功能层包括：加热电阻层和气敏层；也可以先印刷隔热层。由于基板背面仅有一层隔热层，因此本发明优选的先印刷基板背面的隔热层，印刷完隔热层后，再印刷基板正面的功能层。

综上所述，本发明提供的平面气体传感器的制作方法通过采用丝网印刷工艺制作气敏元件，产品性能参数的一致性和互换性大大提高。而且将加热电阻层和气敏层印刷在基片的同一侧，因此无需制作通孔将电极引到同一侧，所以气敏元件的制作工艺难度将大大降低。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种平面气体传感器，包括壳体和位于所述壳体内的平面结构的气敏元件，其特征在于，所述气敏元件具体包括：基片(1)以及依次设置在所述基片(1)正面的加热电阻层(2)和气敏层(4)，所述加热电阻层(2)和气敏层(4)通过绝缘介质层(3)隔离。

2.如权利要求1所述的平面气体传感器，其特征在于，所述基片(1)的背面设有隔热层(6)。

3.如权利要求1所述的平面气体传感器，其特征在于，所述基片(1)为96％氧化铝陶瓷基片。

4.如权利要求2所述的平面气体传感器，其特征在于，所述隔热层(6)的厚度为20～30μm，所述绝缘介质层(3)的厚度为15～20μm，所述气敏层(4)的厚度为50～100μm。

5.如权利要求1所述的平面气体传感器，其特征在于，所述绝缘介质层(3)为玻璃介质浆料、陶瓷介质浆料中的一种或二者的混合。

6.如权利要求1所述的平面气体传感器，其特征在于，所述加热电阻层(2)为二氧化钌。

7.一种平面气体传感器的制作方法，其特征在于，包括步骤：

丝网印刷加热用平行带状金电极；

丝网印刷加热电阻层；

在加热电阻层上套印加热电极；

在加热电阻层上丝网印刷绝缘介质层；

在绝缘介质层上丝网印刷气敏层检测电极；

在绝缘介质层上丝网印刷气敏层，形成气敏元件；

将所述气敏元件焊接到管座上，封装处理，形成平面气体传感器。

8.如权利要求7所述的平面气体传感器的制作方法，其特征在于，在将气敏元件焊接到管座上之前，还包括步骤：

丝网印刷基片背面的隔热层。

9.如权利要求7或8所述的平面气体传感器的制作方法，其特征在于，在丝网印刷任意一个功能层或电极后均需要对相应的功能层或电极进行烧结处理。

Images