CN111796005B - 一种低温微型气敏元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温微型气敏元件及其制备方法，属于气体传感元件的制造技术领域。该低温微型气敏元件由基底、电极层、敏感层和覆盖层组成，电极层通过物理或化学沉积设置于基底上，电极层上设有激光刻蚀的凹槽，未刻蚀部分为电极图形；敏感层通过原位生长或涂覆填充于激光刻蚀的凹槽中，覆盖层通过涂覆设置于电极层和敏感层上。在基底上覆盖一层电极层，通过激光打字机在电极层上绘制所需电极图形；其上覆盖一层以金属氧化物为主要成分的敏感层，通过烧结将敏感层固定在电极层上；其上再涂覆一层高分子材料作为覆盖层。该气敏元件尺寸灵活可变，可依据应用器件的体积大小而改变，最小尺寸为0.2×0.2mm，工作温度低于100℃。
Description
技术领域
本发明属于气体传感元件的制造技术领域，特别涉及一种低温微型气敏元件及其制备方法。
背景技术
空气污染严重威胁着人类的健康，研究表明室内污染可能要比室外高出5倍，而80％以上的城市人口，七成多的时间在室内度过，而儿童、孕妇和慢性病人，因为在室内停留的时间比其他人群更长，受到室内环境污染的危害就更加显著。室内空气污染源主要有新家具、涂料、新衣服等，污染源释放的甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等会引发呼吸道疾病、慢性肺病、气管炎、支气管炎和肺癌等诸多疾病，因而我们需要实时获取室内空气质量信息及时采取应对措施。
气敏元件的诞生实现了室内空气的实时监测。气敏元件可以将某种气体的体积分数转化成电信号控制空气净化器及时净化空气或空气交换气及时将室内空气与室外空气进行置换，保持室内空气新鲜。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温微型气敏元件及其制备方法，该气敏元件尺寸灵活可变，可依据应用器件的体积大小而改变，最小尺寸为0.2×0.2mm，工作温度低于100℃。
一种低温微型气敏元件，由基底、电极层、敏感层和覆盖层组成，所述的电极层通过物理或化学沉积设置于基底上，所述的电极层上设有激光刻蚀的凹槽，未刻蚀部分为电极图形；所述的敏感层通过原位生长或涂覆填充于激光刻蚀的凹槽中，所述的覆盖层通过涂覆设置于电极层和敏感层上。
在本发明中，所述的基底为玻璃或陶瓷等。基底尺寸可依据应用器件的体积大小而改变，最小尺寸为0.2×0.2mm。
所述的电极层由氧化锡、金、银或铂等组成，厚度小于100微米；所述的电极图形通过激光打字机(或激光雕刻机、激光打码机)在电极层上刻蚀(即凹版雕刻)去除多余电极材料形成凹槽，未刻蚀部分为电极图形，所述的电极图形为叉指电极或圆形电极图形。
所述的敏感层由金属氧化物和玻璃或陶瓷材料构成，所述的金属氧化物可以为氧化锌、氧化钨或氧化铟，金属氧化物与玻璃或陶瓷的质量比为100:1～100:20；敏感层通过涂覆覆盖在激光刻蚀的凹槽中，再通过烧结固定在电极材料表面。
所述的覆盖层由导电高分子材料和胶黏剂组成，所述的导电高分子材料为聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等，胶黏剂为环氧树脂、聚亚酰胺等，混合比例为50：1～1：50；涂覆于敏感层和电极层表面。所述的覆盖层的厚度为10nm～10μm，优选为20nm～5μm。
该低温微型气敏元件的尺寸可依据应用器件的体积大小而改变，最小尺寸为0.2×0.2mm，工作温度为室温(25℃)至100℃。
一种低温微型气敏元件的制备方法，包括如下步骤：
(1)在基底上覆盖一层电极层，通过激光打字机在电极层上刻蚀多余导电极材料绘制所需电极图形；
(2)在绘制的电极图形表面覆盖一层以金属氧化物为主要成分的敏感层，通过烧结将敏感层固定在电极层上；
(3)在敏感层和绘制的电极图形的电极层表面，再涂覆一层高分子材料作为覆盖层。
所述基底可以为玻璃、陶瓷等，基底尺寸灵活可变，可依据应用器件的体积大小而改变，最小尺寸为0.2×0.2mm。
所述电极层可以为氧化锡、金、银、铂等材料，厚度小于100微米，通过激光打字机将电极层绘制成所需的叉指电极、圆形电极等。所述的电极层通过磁控溅射方法沉积在基底上。
所述敏感层包括金属氧化物和玻璃或陶瓷；金属氧化物可以为氧化锌、氧化钨或氧化铟，将金属氧化物与玻璃或陶瓷以100:1～100:20的质量比混合，再加入有机溶剂如乙醇混合，溶剂的加入量与金属氧化物与玻璃或陶瓷的混合物的质量比为10:3～10:10，涂覆在激光刻蚀的凹槽中，压制平整，未刻蚀的电极图形上不覆盖敏感层；在600～900℃温度下将金属氧化物烧结在电极材料表面。
所述的高分子材料包括导电高分子材料和胶黏剂，其中导电高分子材料为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩，胶黏剂为环氧树脂、聚亚酰胺等，混合比例为50：1～1：50。覆盖层的作用是为了防止金属氧化物脱落、提高金属氧化物导电性，实现在低温下将气体浓度信号转换为电信号的需要。
本发明低温微型气敏元件的响应机理是低温下高分子覆盖层与金属氧化物敏感层吸附被测气体由于电子相互作用内部载流子浓度发生变化引起宏观电阻变化从而将气体浓度转化为电信号。
本发明的有益效果为：
(1)气体元件尺寸灵活可变，可将气体浓度变化信息直接转化为与电信号相关的电阻变化信息，有较高的电子器件相容性。
(2)气体元件使用温度低(100℃以下)，降低了使用过程中发生火灾危险的可能性，降低了电子器件材料的耐高温要求。
附图说明
图1是气敏元件结构示意图。
图2是实施例1中涂覆敏感层后结构示意图。
图3是实施例1中涂覆覆盖层后结构示意图。
图4是实施例1制备的低温微型气敏元件在50℃测试的对不同浓度二氧化氮的响应值。
具体实施方式
如图1所示，本发明的低温微型气敏元件，由基底1、电极层2、敏感层3和覆盖层4组成，电极层2设置于基底1上，电极层2上设有激光雕刻的凹槽和电极图形(未刻蚀部分)；敏感层3镶嵌在电极层2上激光刻蚀的凹槽中，覆盖层4设置于电极层2和敏感层3上。
上述低温微型气敏元件的制备方法为在所需基底1上覆盖一层电极层2，通过激光打字机在电极层2上绘制所需电极图形，然后在绘制的电极图形表面覆盖一层金属氧化物作为敏感层3，最后为了防止金属氧化物脱落提高金属氧化物导电性实现在低温下将气体浓度信号转换为电信号需要在金属氧化物表面再涂覆一层高分子材料作为覆盖层4，其响应机理是低温下高分子覆盖层与金属氧化物敏感层吸附被测气体由于电子相互作用内部载流子浓度发生变化引起宏观电阻变化从而将气体浓度转化为电信号。
基底1为玻璃、陶瓷等，基底尺寸灵活可变可依据应用器件的体积大小而改变最小尺寸为0.2×0.2mm。
电极层2为氧化锡、金、银、铂等材料，厚度小于100微米，通过激光打字机将电极层2绘制成所需的叉指电极、圆形电极等。
敏感层3由金属氧化物与玻璃或陶瓷材料混合烧结于电极层上，金属氧化物可以为氧化锌、氧化钨、氧化铟，通过将金属氧化物与玻璃或陶瓷以100:1～100:20的质量比混合，在600～900℃温度下将金属氧化物烧结在电极材料表面。
覆盖层4中高分子材料为导电高分子与胶黏剂，其中导电高分子为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩，胶黏剂为环氧树脂、聚亚酰胺等，混合比例为50：1～1：50。将导电高分子聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等与胶黏剂环氧树脂、聚亚酰胺等，混合比例为50：1～1：50，涂覆于敏感层3和电极层的电极图形表面。
该低温微型气敏元件由基底1、电极层2、敏感层3和覆盖层4组合而成，尺寸灵活可变，可依据应用器件的体积大小而改变，最小尺寸为0.2×0.2mm，工作温度低于100℃。
实施例1
以玻璃为基板，采用磁控溅射在基板上覆盖30μm氧化锡作为电极层，利用激光打字机调节适当功率(50～100w)在上面绘制叉指电极。
在绘制的叉指电极上面涂覆氧化钨与玻璃的混合粉体，氧化钨与玻璃粉体的重量比为100：2，加入乙醇(加入量为固液质量比10：2～10：10)将粉体混合均匀涂覆于电极(叉指电极)表面，压制平整，在500℃下烧结10分钟，涂覆敏感层后结构如图2。
将聚苯胺与聚亚酰胺胶粘剂混合质量比为1：5，涂敷于敏感层，厚度为(10nm～10μm)，在60℃下烘干，涂覆覆盖层后结构如图3。
对实施例1制备的低温微型气敏元件进行测试，如图4所示，为在50℃测试的低温微型气敏元件对不同浓度二氧化氮的响应值，从图中可以看到，本实施例制备的气敏元件在低温50℃下，对2ppm二氧化氮产生了一定的响应，对20ppm二氧化氮产生了显著的响应。同时，该气敏元件尺寸还可灵活变化，依据应用器件的体积大小而改变。
Claims (8)
1.一种低温微型气敏元件，其特征在于：由基底、电极层、敏感层和覆盖层组成，所述的电极层通过物理或化学沉积设置于基底上，所述的电极层上设有激光刻蚀的凹槽，未刻蚀部分为电极图形；所述的敏感层通过原位生长或涂覆填充于激光刻蚀的凹槽中，所述的覆盖层通过涂覆设置于电极层和敏感层上；所述的敏感层由金属氧化物和玻璃材料组成，或所述的敏感层由金属氧化物和陶瓷材料组成，所述的金属氧化物为氧化锌、氧化钨或氧化铟，金属氧化物与玻璃的质量比为100:1~100:20，或者金属氧化物与陶瓷的质量比为100:1~100:20；所述的覆盖层由导电高分子材料和胶黏剂组成；所述的基底为玻璃或陶瓷；所述的电极层由氧化锡、金、银或铂组成，厚度小于100微米；所述的电极图形通过激光打字机在电极层上绘制得到；敏感层通过涂覆覆盖在激光刻蚀的凹槽中，再通过烧结固定在凹槽中；所述的导电高分子材料为聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩，胶黏剂为环氧树脂或聚亚酰胺，混合比例为50：1~1：50，涂覆于敏感层和电极层表面；所述的覆盖层的厚度为10nm~10μm。
2.根据权利要求1所述的低温微型气敏元件，其特征在于：所述的基底尺寸依据应用器件的体积大小而改变，最小尺寸为0.2×0.2mm。
3.根据权利要求1所述的低温微型气敏元件，其特征在于：所述的电极图形为叉指电极或圆形电极图形。
4.根据权利要求1所述的低温微型气敏元件，其特征在于：所述的低温微型气敏元件的尺寸依据应用器件的体积大小而改变，最小尺寸为0.2×0.2mm，工作温度为室温至100℃。
5.一种低温微型气敏元件的制备方法，包括如下步骤：
（1）在基底上覆盖一层电极层，通过激光打字机在电极层上绘制所需电极图形；所述基底为玻璃或陶瓷；所述电极层为氧化锡、金、银或铂组成，厚度小于100微米，通过激光打字机将电极层绘制成所需的叉指电极或圆形电极；
（2）在绘制的电极图形表面覆盖一层以金属氧化物为主要成分的敏感层，将金属氧化物与玻璃混合，或者将金属氧化物与陶瓷混合，涂覆在绘制的电极图形表面，通过烧结将敏感层固定在激光烧结的凹槽中；所述敏感层包括金属氧化物和玻璃，或者所述敏感层包括金属氧化物和陶瓷，所述的金属氧化物为氧化锌、氧化钨或氧化铟，金属氧化物与玻璃的质量比为100:1~100:20，或者金属氧化物与陶瓷的质量比为100:1~100:20；
（3）在敏感层和电极层表面，再涂覆一层高分子材料作为覆盖层，所述的高分子材料包括导电高分子材料和胶黏剂；所述的导电高分子材料为聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩，胶黏剂为环氧树脂或聚亚酰胺，混合比例为50：1~1：50。
6.根据权利要求5所述的低温微型气敏元件的制备方法，其特征在于：所述基底尺寸依据应用器件的体积大小而改变，最小尺寸为0.2×0.2mm。
7.根据权利要求5所述的低温微型气敏元件的制备方法，其特征在于：所述的电极层通过磁控溅射方法沉积在基底上。
8.根据权利要求5所述的低温微型气敏元件的制备方法，其特征在于：所述的烧结为在600~900℃温度下将金属氧化物烧结在电极层凹槽中。
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