CN104914153A - 双层电极式固体电解质co2气体传感器及制备工艺 - Google Patents

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本发明公开了一种双层电极式固体电解质CO2气体传感器及制备工艺，所述传感器自下而上包括RuO2加热测温元件，Al2O3基底，下层金薄膜电极，固体电解质薄膜层，上层金薄膜电极，反应电极，制备工艺包括：在Al2O3陶瓷基底上通过丝网印刷的方法制作RuO2加热测温元件，在Al2O3陶瓷基底的另一面通过微机电加工工艺沉积Au金属电极，Li3PO4固体电解质层，并在电解质层和电极的上方印刷反应电极Li2CO3，最终形成固体电解质CO2气敏元件。传感器的Au薄膜电极分为上下两层，在竖直方向上排列，减小了传感器的体积和传感器的散热面积，降低了传感器的功耗。

Description

双层电极式固体电解质CO2气体传感器及制备工艺
技术领域
本发明涉及气体敏感器件及制造技术，特别涉及一种CO2气体传感器及其制备方法。
背景技术
近些年来，固体电解质因其良好的离子导电特性而越来越广泛的被应用于气体传感器中。目前，CO2常规固体电解质气体传感器已经取得了很大的发展，市场上已经出现通过传统方法加工的CO2传感器产品，如采用高强度冲压高温烧结得到的NASICON、YSZ等作为固体电解质，在固体电解质层附加反应电极和参比电极，即可得到对特定气体敏感的传感器。但这种传感器的材料制备较为复杂，电解质层厚度在毫米级，通常通过粘接加热器的方式进行加热，这使得气体传感器的体积和功耗均较大，而且响应特性也较缓慢。随着MEMS(微机电系统)、纳米技术、及信息技术的发展，气体传感器向着微型化、集成化、低功耗、实时性及高安全的方向发展。在薄膜功能材料基础上，开发微型化的气体传感器，与宏观的气体传感器有着很大的不同。它们在体积、功耗、灵敏度、重复性、批量生产、成本、工艺稳定性等方面具有明显的优势，而将薄膜固体电解质与微型化工艺结合进行气体传感器的制备，符合器件集成化、智能化、功能多样化的必然发展趋势。Ji-Young Yoon等人将Li3PO4,Li2CO3,Al2CO3混合烧结到一起形成CO2气体传感器，其参比电极为LiMn2O4，该气体传感器在370℃对CO2有较好的响应。文献“Fabrication of the Planar-Type CO2GasSensor Using an Evaporated Li3PO4Film and Its Sensing Characteristics”(C.Jeong,H.G.Song,D.R.Chang,and H.S.Kim.Metals and MaterialsInternational)采用Li3PO4作为固体电解质，制备的CO2气体传感器获得了良好的性能，但是其结构依然采用的是在固体电解质表面并列制作反应电极和参比电极，造成传感器的表面积较大，散失较多热量，功耗较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有双层电极结构的薄膜微型化固体电解质CO2气体传感器及制备方法，该传感器采用立体结构，将两个金电极制作在竖直方向上，能减小传感器的整体体积与表面积，降低传感器的功耗，同时具有加热温控装置，使传感器在特定的温度范围内工作，具有良好的响应和恢复特性。
为达到以上目的，本发明是采用如下技术方案予以实现的：
一种双层电极式固体电解质CO2气体传感器，包括Al2O3基底，该Al2O3基底的反面设有作为加热温控元件的RuO2厚膜层，Al2O3基底正面设有下金薄膜电极层，该下金薄膜电极层上面覆盖Li3PO4固体电解质层，Li3PO4固体电解质层上面设有上Au薄膜电极层，上Au薄膜电极层上面覆盖有Li2CO3反应电极层。
上述结构中，所述Al2O3基底厚度为不大于0.5毫米。
所述RuO2厚膜的厚度为20微米。形状为带状环形结构。
所述上、下层Au薄膜电极的厚度均为300～600纳米。
所述下Au薄膜电极层为方形或梳状，上Au薄膜电极层为梳状。
前述双层电极式固体电解质CO2气体传感器的制备工艺，其特征在于，包括下述步骤：
(1)在Al2O3基底的反面使用Ru浆料，采用丝网印刷工艺制作加热测温元件的图形，并于800℃下形成RuO2厚膜层；
(2)通过掩膜板遮蔽，在Al2O3基底的正面采用磁控溅射工艺溅射一下金薄膜电极层；
(3)在Al2O3基底正面与下层金薄膜电极层上面，通过掩膜板遮蔽，采用热阻蒸发镀膜工艺蒸发沉积一Li3PO4固体电解质层，并于700℃保温2小时成型；
(4)在Li3PO4固体电解质层上，通过掩膜板遮蔽，采用磁控溅射工艺溅射一上Au薄膜电极层；
(5)最后在上Au薄膜电极层上采用丝网印刷工艺制作一Li2CO3反应电极层，并于600℃保温1小时成型。
上述工艺中，所述Li3PO4固体电解质层成型厚度为1微米。所述Li2CO3反应电极成型厚度为10微米。
本发明与现有的技术相比，具有以下优点：
1.采用MEMS工艺制备Li3PO4电解质薄膜和Au薄膜电极使得传感器的结构集成化，使传感器的工艺稳定，重复性好。
2.传感器两个金电极采用竖直方向排列，减小传感器的体积与散热面积，减少材料的使用，降低传感器的功耗。
3.传感器的上层电极形状为梳状，增加三相界面的面积，改善传感器的响应特性。
附图说明
以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明双层电极式固体电解质CO2气体传感器的结构示意图。
图中：1、Li2CO3反应电极层；2、上Au薄膜电极层；3、Li3PO4固体电解质层；4、下Au薄膜电极层；5、Al2O3基底；6、加热温控元件。
图2为图1传感器的正面平面布局结构及其电路引线示意图。
图中：21、下Au薄膜电极层引脚；22、上Au薄膜电极层引脚；该两引脚的电压信号作为传感器的输出信号与外界环境中的CO2浓度直接相关。
图3为图1传感器Al2O3基底反面RuO2温控元件的结构及引线示意图。
图中：加热温控引脚31、32接外部电压处理放大电路；同时接外部电阻测量电路，温控元件电阻变化与传感器温度呈对应关系，通过电阻信号转换电路转为电压信号，作为反馈，接入控制电路控制施加在RuO2厚膜上的驱动电压。
具体实施方式
如图1-图3所示，一种双层电极式固体电解质CO2气体传感器，自下而上分别是加热温控元件6、Al2O3基底5、下层金薄膜电极4、Li3PO4固体电解质层3、上层Au薄膜电极2、Li2CO3反应电极1。上、下金薄膜电极在竖直方向上排列，通过Li3PO4固体电解质层形成完整的电学回路，输出电动势。
在该结构中，加热温控元件6为20微米厚的RuO2厚膜，通过丝网印刷的方式印制在Al2O3基底5的反面，同时充当加热和测温两个功能(图3)，并经过烧结最终成型。该传感器的温控原理是，由于RuO2电阻与温度有良好的线性关系，可以通过测定RuO2电阻，反应加热温度，通过电阻信号转换电路来反馈控制电路改变驱动电压的大小，从而使芯片的工作温度维持在500℃左右，并能适应不同的环境温度。
下层金薄膜电极4通过磁控溅射的方法制作在Al2O3基底正面，厚度为300～600纳米。在下层金薄膜电极上方蒸发沉积Li3PO4固体电解质层3并烧结成型，厚度约为1微米。Li3PO4固体电解质层上溅射300～600纳米的上层Au薄膜电极2，并在上层金薄膜电极2上通过丝网印刷和烧结的方法制备厚度约为10微米的Li2CO3反应电极1，两个Au薄膜电极引脚对应图2中的21、22。位于Al2O3基底上的加热温控引脚31、32(图3)用于对加热温控元件提供驱动电压和测量RuO2厚膜的电阻，下、上Au薄膜电极层引脚21、22(图2)用于提供输出电势信号。
图1双层电极式固体电解质CO2气体传感器的具体制备工艺如下：
(1)在0.4毫米厚的Al2O3基底5反面使用Ru浆料印刷加热温控元件6，并放入800℃的环境中保温1小时形成RuO2厚膜；
(2)在Al2O3基底5的正面，通过掩膜板遮蔽，采用磁控溅射工艺溅射下层金薄膜电极4，形状为方形或梳状，厚度为300～600纳米；
(3)在Al2O3基底5与金薄膜电极4的正面，通过掩膜板遮蔽金薄膜电极4的引线脚，采用热阻蒸发镀膜工艺蒸发沉积一层Li3PO4固体电解质层3，并置于700℃保温2小时，成型厚度约为1微米；
(4)在Li3PO4固体电解质层上，通过掩膜板遮蔽，采用磁控溅射工艺溅射沉积上层Au薄膜电极2，形状为梳状，厚度为300～600纳米；
(5)在上层Au薄膜电极上，采用丝网印刷工艺制作出Li2CO3反应电极1，600℃保温1小时使之成型，成型厚度为10微米。
如图3所示，RuO2加热测温元件的形状为带状环形结构，在引脚31、32上接外部驱动电压与电阻测量电路。RuO2加热测温元件电阻变化与温度呈对应关系，通过电阻测量电路检测出RuO2元件电阻变化，通过电阻反馈电路形成反馈电压调节施加在RuO2元件的驱动电压，使传感器的温度稳定在一定的范围，保证传感器的正常工作。
本发明双层电极式固体电解质CO2气体传感器的工作机理如下：
(1)在反应电极Li2CO3上发生下面的化学反应：
生成Li+、e-，通过上Au薄膜电极和Li3PO4固体电解质传导到达下Au薄膜电极，在两个Au薄膜电极之间形成电动差，该电势差方程为：
E＝E0-RT/nF Ln p(CO2)     (2)
其中，E0为标准条件下给定气体浓度p(CO2)时的电动势；
R——气体常数(8.314J·K-1·mol-1)；
T——温度(K)；
n——CO2反应电极中得到和失去的电子数；
F——法拉第常数(96485C·mol-1)。
通过测量Li2CO3反应电极与下层金薄膜电极间的电势差，由公式(2)可以得到CO2的体积分数。

Claims (8)

1.一种双层电极式固体电解质CO2气体传感器，其特征在于，包括Al2O3基底，该Al2O3基底的反面设有作为加热温控元件的RuO2厚膜层，Al2O3基底正面设有下金薄膜电极层，该下金薄膜电极层上面覆盖Li3PO4固体电解质层，Li3PO4固体电解质层上面设有上Au薄膜电极层，上Au薄膜电极层上面覆盖有Li2CO3反应电极层。
2.如权利要求1所述的双层电极式固体电解质CO2气体传感器，其特征在于，所述Al2O3基底厚度为不大于0.5毫米。
3.如权利要求1所述的双层电极式固体电解质CO2气体传感器，其特征在于，所述RuO2厚膜的形状为带状环形结构，厚度为20微米。
4.如权利要求1所述的双层电极式固体电解质CO2气体传感器，其特征在于，所述上、下层Au薄膜电极的厚度均为300～600纳米。
5.如权利要求1所述的双层电极式固体电解质CO2气体传感器，其特征在于，所述下Au薄膜电极层为方形或梳状，上Au薄膜电极层为梳状。
6.一种双层电极式固体电解质CO2气体传感器的制备工艺，其特征在于，包括下述步骤：
(1)在Al2O3基底的反面使用Ru浆料，采用丝网印刷工艺制作加热测温元件的图形，并于800℃下形成RuO2厚膜层；
(2)通过掩膜板遮蔽，在Al2O3基底的正面采用磁控溅射工艺溅射一下金薄膜电极层；
(3)在Al2O3基底正面与下层金薄膜电极层上面，通过掩膜板遮蔽，采用热阻蒸发镀膜工艺蒸发沉积一Li3PO4固体电解质层，并于700℃保温2小时成型；
(4)在Li3PO4固体电解质层上，通过掩膜板遮蔽，采用磁控溅射工艺溅射一上Au薄膜电极层；
(5)最后在上Au薄膜电极层上采用丝网印刷工艺制作一Li2CO3反应电极层，并于600℃保温1小时成型。
7.如权利要求6所述的双层电极式固体电解质CO2气体传感器的制备工艺，其特征在于，所述Li3PO4固体电解质层成型厚度为1微米。
8.如权利要求6所述的双层电极式固体电解质CO2气体传感器的制备工艺，其特征在于，所述Li2CO3反应电极成型厚度为10微米。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106383161A (zh) * 2016-09-09 2017-02-08 西安交通大学 基于Li3PO4‑Li4SiO4混合固体电解质的电势型气体传感器及其制备方法
CN113410653A (zh) * 2021-06-02 2021-09-17 杭州电子科技大学 大型单口径射电望远镜及其提升指向误差的方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0125069A1 (en) * 1983-04-26 1984-11-14 Ngk Insulators, Ltd. Electrochemical element and device including the element
EP0182921A1 (en) * 1984-06-01 1986-06-04 Kabushiki Kaisya Advance Gas sensor
JPH03202766A (ja) * 1989-12-29 1991-09-04 Nippon Ceramic Co Ltd 厚膜型炭酸ガスセンサ
JPH0422860A (ja) * 1990-05-17 1992-01-27 Matsushita Seiko Co Ltd 炭酸ガス検知器
EP0468249A1 (de) * 1990-07-11 1992-01-29 ROTH-TECHNIK GMBH & Co. Forschung für Automobil- und Umwelttechnik Verfahren zur Herstellung eines CO2-Sensors
CN1746669A (zh) * 2005-09-14 2006-03-15 北京科技大学 一种双固体电解质co2传感器及其制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0125069A1 (en) * 1983-04-26 1984-11-14 Ngk Insulators, Ltd. Electrochemical element and device including the element
EP0182921A1 (en) * 1984-06-01 1986-06-04 Kabushiki Kaisya Advance Gas sensor
JPH03202766A (ja) * 1989-12-29 1991-09-04 Nippon Ceramic Co Ltd 厚膜型炭酸ガスセンサ
JPH0422860A (ja) * 1990-05-17 1992-01-27 Matsushita Seiko Co Ltd 炭酸ガス検知器
EP0468249A1 (de) * 1990-07-11 1992-01-29 ROTH-TECHNIK GMBH & Co. Forschung für Automobil- und Umwelttechnik Verfahren zur Herstellung eines CO2-Sensors
CN1746669A (zh) * 2005-09-14 2006-03-15 北京科技大学 一种双固体电解质co2传感器及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
INHEE LEE 等: "Potentiometric carbon dioxide sensor based on thin Li3PO4 electrolyte and Li2CO3 sensing electrode", 《IONICS》 *
YONGMING ZHU等: "Potentiometric CO2 sensor with Au,Li2CO3/Li+-electrolyte/LiMn2O4 structure", 《JOURNAL OF SOLID STATE ELECTROCHEMSTRY》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106383161A (zh) * 2016-09-09 2017-02-08 西安交通大学 基于Li3PO4‑Li4SiO4混合固体电解质的电势型气体传感器及其制备方法
CN106383161B (zh) * 2016-09-09 2019-02-05 西安交通大学 基于Li3PO4-Li4SiO4混合固体电解质的电势型气体传感器及其制备方法
CN113410653A (zh) * 2021-06-02 2021-09-17 杭州电子科技大学 大型单口径射电望远镜及其提升指向误差的方法
CN113410653B (zh) * 2021-06-02 2022-10-11 杭州电子科技大学 大型单口径射电望远镜及其提升指向误差的方法

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