CN104407034A

CN104407034A - 一种气体传感器芯片

Info

Publication number: CN104407034A
Application number: CN201410644563.4A
Authority: CN
Inventors: 禹胜林
Original assignee: Wuxi Nuist Weather Sensor Network Technology Co Ltd
Current assignee: Wuxi Nuist Weather Sensor Network Technology Co Ltd
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2015-03-11

Abstract

本发明公开了一种气体传感器芯片，由第一层至第四层共四层压电基片叠压而成，所述第一层压电基片上设置有参比气体通道；所述第一层压电基片和第二层压电基片之间设置有参比电极，所述参比气体通道与所述参比电极相连通；所述第二层压电基片和第三层压电基片之间设置有加热电极，所述第二层压电基片上涂覆有气体敏感膜，所述气体敏感膜为对相应的气体具有吸附和解吸附性能的聚合物膜；所述第三层和第四层压电基片之间还设有一对柔性电极对和传感层，所述传感层设于所述的柔性电极对之间。本发明具有灵敏度高，响应快，选择性好，结构简单，寿命长等特点；提高了传感器的敏感性能。

Description

一种气体传感器芯片

技术领域

本发明属于传感器芯片的技术领域，具体而言涉及一种气体传感器芯片。

背景技术

随着汽车排放法规的日益提高，对废气排放控制要求也越来越高，为此汽车发动机需要更短的冷启动时间来满足要求。同时考虑能源节省的需要，一种集成度高、体积小、消耗功率小、启动速度快的片式氧传感器成为一种趋势，以满足发动机电喷系统冷启动后尽可能快速进入闭环控制的要求，同时降低氧传感器的电能消耗。

目前已有的片式传感器结构主要由3 层氧化锆基板和若干功能厚膜层组成，氧化锆基板主要通过流延或者轧膜的方法成型，而厚膜功能层主要通过丝网印刷技术获得。氧传感器的测量电极和参比电极分别形成于基板的内外表面上，通过冲压成型将基板的中部冲开一道狭长的口子，以便形成参比空气通道；而由陶瓷绝缘层包裹的铂加热元件配置在底部基板的内表面上，还要在基板的末端打两个通孔将内表面的加热元件同外表面末端的加热电极片连接起来，这样就构成了敏感元件和加热元件集成一体的片式氧传感器结构。但该结构厚度厚、体积大、制作工序复杂，且加热元件以包裹形式植于传感器内部，稳定性比较差，且容易漏电。

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器，目前已有的气体传感器种类繁多，按所用气敏材料及其气敏特性不同，可分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式等。

1、半导体气体传感器

这种传感器在气体传感器中约占60%。按照其机理可分为电阻式和非电阻式两种。电阻式采用SnO2、ZnO 等金属氧化物材料制备，有多孔烧结件、厚膜、薄膜等形式。主要是通过检测气敏元件的电阻随气体含量的变化情况而定的，主要使用金属氧化物陶瓷气敏材料。非电阻式半导体气体传感器是利用气敏元件的电流与电压随气体含量变化而工作的。

2、固体电解质气体传感器

这种传感器元件为离子对固体电解质隔膜传导。其机理是利用隔膜两侧两个电池之间的电位差等于浓差电池的电势。通过测量电动势来测量气体浓度，如可以测量H2S 的YST-Au-WO3、测量NH3 的NH+4CaCO3 等。

3、接触燃烧式气体传感器

这种气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种。其工作原理是：气敏材料在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使传感器的电热丝升温，从而使其电阻值产生变化，通过测量电阻变化来测量气体的浓度。这种传感器只能测量可燃气体，对不可燃其他不敏感。

虽然目前已有的气体传感器种类繁多、原理各不相同，但每种类型的传感器都只能对特定气体有效，而且传感器的选择性与适用范围不能兼顾，即如果选择性好的话，则可探测的气体种类少，如果可探测的气体种类多的话，则选择性不高。

在专利申请号为201410285080.X的专利申请中提供了一种薄膜芯片气体传感器，包括一块衬底，衬底上有一个底电极，在衬底和底电极上有一层半导体材料薄层，半导体材料薄层上有一层无序型金属膜系，在该无序型金属膜系上有点电极；所述底电极和点电极由导线引出而外接电流计；将所述结构安置在一个单开口的封闭盒子内。还公开了一种薄膜芯片气体传感器制备方法，用于制备上述传感器芯片，制备一块衬底材料，在该衬底材料的表面首先镀上底电极，再镀半导体材料薄层，再镀有无序型金属膜系，最后镀上点电极，将整个结构置于一个单开口的封闭的盒子中；应用于检测气体时，当气体通过封闭盒子，在贵金属系作为催化剂的作用下，发生催化化学反应，放出的热量激发金属中的电子越过金属和半导体的界面形成电流；利用电流计检测电流信号，利用检测电流信号的大小以及相对变化来实现对气体及其含量的检测。所述衬底可选有二氧化硅氧化层的硅片或玻璃片或金属片；在选用衬底过程时，对基片进行处理，处理方法为腐蚀，离子注入、原位刻蚀和生长种子层。所述生长种子层的方法为磁控溅射或分子束外延或电化学沉积。该申请的薄膜芯片气体传感器具有灵敏度高，响应快，选择性好，结构简单，寿命长等特点，并可针对任何气体进行设计，弥补了传统气体传感器性能不能兼顾的缺点。

在专利申请号为201010147931．6的专利申请中提供了一种集成片式氧传感器及其制作方法，其制备方法包括以下步骤：第一步，将5％摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁酯(DBP) 以70 ～ 86 ：6 ～ 12 ：4 ～ 9 ：4 ～ 9 的质量比混合球磨制备成浆体，然后通过双刀口技术流延成型，自然干燥后制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成基片坯体，即上层氧化锆基板；然后将含有70％～ 90％铂粉的电极浆料和导电浆料印刷在上层氧化锆基板的内外表面，形成测量电极和参比电极；内表面电极通过上层氧化锆基板末端冲压形成的电极连接通孔与外表面的内电极连接片(19) 相连；第二步，将石墨粉、PVB、松油醇和柔软剂以30 ～46 ：20 ～ 30 ：16 ～ 24 ：10 ～ 24 的质量比混合充分，形成可丝网印刷浆料，并将该浆料印刷并覆盖在内电极表面上；该参比空气扩散缝隙印刷层宽度要介于上层氧化锆基板和参比电极宽度之间，厚度要达到15 到50 微米，烧结后就会形成狭长缝隙；第三步，将5％摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁酯(DBP) 以70 ～ 86 ：6 ～ 12 ：4 ～ 9 ：4 ～9 的质量比混合球磨制备成浆体，然后通过双刀口技术流延成型，自然干燥后制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成基片坯体，即下层氧化锆基板；将含有纯度达到97％以上的氧化铝粉末的浆料印刷在下层氧化锆基板的外表面，制备氧化铝陶瓷绝缘层；然后将含有铂粉的导电浆料印刷在该氧化铝陶瓷绝缘层上，并一次印刷形成铂加热元件和加热电极片；第四步，接下来，用含有氧化锆粉的粘合剂将上层氧化锆基板和下层氧化锆基板层叠在一起，加热至40 ～ 60 度同时压紧密实，再将测量电极端浸入含有镁铝尖晶石的浆料中提拉，形成包裹一体的多孔陶瓷保护层；第五步，合并包裹成一体的生坯在1300 ～ 1500 度高温烧结1 ～ 3 个小时，制备出集成片式氧传感器。

现有技术还存在如下不足：芯片强度达不到所需要的强度需求，芯片电极与测量气体接触不充分，影响感测效果。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种强度满足要求、芯片电极与测量气体充分接触、感测效果良好的传感器芯片。

为实现上述的目的，采用了如下方案：一种气体传感器芯片，由第一层至第四层共四层压电基片叠压而成，其中，

所述第一层压电基片上设置有参比气体通道；

所述第一层压电基片和第二层压电基片之间设置有参比电极，所述参比气体通道与所述参比电极相连通；

所述第二层压电基片和第三层压电基片之间设置有加热电极，所述第二层压电基片上涂覆有气体敏感膜，所述气体敏感膜为对相应的气体具有吸附和解吸附性能的聚合物膜；

所述第三层和第四层压电基片之间还设有一对柔性电极对和传感层，所述传感层设于所述的柔性电极对之间。

进一步地，所述参比电极上覆盖有多孔氧化铝层，所述参比气体通道与多孔氧化铝层连通。

进一步地，所述一对柔性电极对的制作材料为Ag、Cu、碳纳米管或石墨烯中的一种。

进一步地，所述传感层是含P型掺杂材料的有机聚噻吩层。

进一步地，所述P 型掺杂材料采用NOPF6、碘单质或三氯化铁中的一种。

本发明的有益效果：

（1）本发明设有专用于检测气体的参比通道，具有灵敏度高，响应快，选择性好，结构简单，寿命长等特点；

（2）加工生成的气体传感器的传感层由P 型掺杂后的有机聚合噻吩构成，以传感层的电阻变化作为鉴定的依据，提高了传感器的敏感性能；

（3）设有一对柔性电极对和传感层，而传感器的各层也由柔性材质制备，传感器芯片本身是柔性的，可在食品或药品等包装材料的表面印刷，既不会影响产品的本质，又可以起到监测的作用。

附图说明

图1是本发明的气体传感器芯片的结构示意图。

图中，1为第一层压电基片，2为第二层压电基片，3为第三层压电基片，4为第四层压电基片，5为参比气体通道，6为参比电极，7为加热电极，8为传感层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

实施例1

一种气体传感器芯片，由第一层至第四层共四层压电基片叠压而成，其中，

所述第一层压电基片1上设置有参比气体通道5；

所述第一层压电基片1和第二层压电基片2之间设置有参比电极6，所述参比气体通道5与所述参比电极6相连通；

所述第二层压电基片2和第三层压电基片3之间设置有加热电极7，所述第二层压电基片2上涂覆有气体敏感膜，所述敏感膜为对相应的气体具有吸附和解吸附性能的聚合物膜；

所述第三层和第四层压电基片4之间还设有一对柔性电极对和传感层8，所述传感层8设于所述的柔性电极对之间。柔性电极对的制作材料碳纳米管。传感层8P型掺杂材料的有机聚噻吩层。

该气体传感器芯片的制造方法：包括以下步骤：

1）在第一层压电基片1上开设参比气体通道5；

2）在第二层压电基片2上涂覆厚度为120纳米的气体敏感膜；

3）在第三层和第四层压电基片4之间设置一对柔性电极对和传感层8，并将传感层8设于所述的柔性电极对之间；

4）将参比电极6设置在第一层压电基片1和第二层压电基片2之间，将加热电极7设置在第二层压电基片2和第三层压电基片3之间；

5）将柔性电极对和参比电极6相连接；

6）将第一层压电基片1至第四层压电基片4顺次叠压在一起。

实施例2

所述第一层压电基片1上设置有参比气体通道5；

所述第三层和第四层压电基片4之间还设有一对柔性电极对和传感层8，所述传感层8设于所述的柔性电极对之间。柔性电极对的制作材料石墨烯。传感层8P型碘单质的有机聚噻吩层。

该气体传感器芯片的制造方法：包括以下步骤：

1) 在第一层压电基片1上开设参比气体通道5；

2) 在第二层压电基片2上涂覆厚度为200纳米的气体敏感膜；

3) 在第三层和第四层压电基片4之间设置一对柔性电极对和传感层8，并将传感层8设于所述的柔性电极对之间；

4) 将参比电极6设置在第一层压电基片1和第二层压电基片2之间，将加热电极7设置在第二层压电基片2和第三层压电基片3之间；

5) 将柔性电极对和参比电极6相连接；

6) 将第一层压电基片1至第四层压电基片4顺次叠压在一起。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种气体传感器芯片，其特征在于，由第一层至第四层共四层压电基片叠压而成，其中，

所述第一层压电基片上设置有参比气体通道；

2.根据权利要求1所述的一种气体传感器芯片，其特征在于，所述参比电极上覆盖有多孔氧化铝层，所述参比气体通道与多孔氧化铝层连通。

3.根据权利要求1所述的一种气体传感器芯片，其特征在于，所述一对柔性电极对的制作材料为Ag、Cu、碳纳米管或石墨烯中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种气体传感器芯片，其特征在于，所述传感层是含P型掺杂材料的有机聚噻吩层。

5.根据权利要求4所述的一种气体传感器芯片，其特征在于，所述P 型掺杂材料采用NOPF6、碘单质或三氯化铁中的一种。