TWI321373B - - Google Patents

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九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種整合觸媒層及微感測器之燃料電池之 製法，特別是指一種將溫度感測器、濕度感測器、氣體擴散層、 觸媒層，以及流場板整合在一起之燃料電池之製法，其兼具整 合後結構0單、可啊測量溫度無度，以及測溫度後還可對 内部加溫之功效。 【先前技術】 燃料电池内部之溫、濕度對其性能之好壞有直接的影響， 因為性能之好壞大多決定於膜電極組的濕潤程度，濕度太大或 乾燥及溫度過高都會造成電池性能下降，S此即時監控燃料電 池内部之溫、濕度為一重要的課題。 現有的燃料電池之結構複雜，無法將微感測器、氣體擴散 層、觸媒層及流場板整合在一起，因此，不論在生產、組裝、 製造、量測'校正上都很麻煩，整體製造成本高，體積也難以 微小化。 其一人，若將微感測器裝設在燃料電池之流道中，一方面會 〜響原有机場，另一方面其導線很難埋設與配置。再者，在流 道潮濕的環境巾’微制ϋ及其導線料短路，會造成量測不 準確的問題。 此外除非罝測溫度之微感測器與量測濕度之微感測器同 時6又置，否則無法同時測量溫度與濕度。 因此，有必要研發新技術以解決上述缺點。 【發明内容】 本發月之主要目的’在於提供—種整合觸媒層及微感測器 之燃料電池之製法，其整合後結構簡單。 本發明之次-目的’在於提供一種整合觸媒層及微感測器 之燃料電池之製法，可同時測量溫度與濕度。 本發明之又-目的’在於提供—讎合觸層及微感測器之燃 料電池之製法，其測溫度外還可對池内部加溫。 本發明係提供-種整合卿層及微❹❻之燃料電池之 製法，其包括下列步驟： 一·多孔矽層製造步驟； 二·觸媒部產生步驟； 三·絕緣層形成步驟； 四·微感測器產生步驟；以及 五·完成步驟。 本發明之上述目的與優點’不難從下述所選用實施例之詳 細說明與附圖中，獲得深入瞭解。 茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後： 【實施方式】 參閱第一、第二及第三圖，本發明係為一種整合觸媒層及 微感測器之燃料電池之製法，其包括下列步驟：一.多孔石夕詹 製造步驟11、二•觸媒部產生步驟丨2、三·絕緣層形成步驟 叫 1373 , ?、四·微感測器產生步驟Η以及五·完成步驟15。兹分段 詳述各步驟如下： 厂·多孔矽層製造步驟11:準備一無孔洞之矽晶片2〇， (參閱第四圖）’其具有-第-表面應及一第二表面施利 • 用—職之侧液在該第—表面2GA上侧出複數個流道部 21 ’再利用微影技術與蝕刻技術在該第二表面20Β上蝕刻出複 ^ 數個孔洞部22，而形成一多孔矽層20，該孔洞部22連通該流

道部21而使其具有氣體擴散層之功能。 U 貫務上，本案係首先準備一 n_type>g夕晶片2〇，，進行下 列詳細程序，如第四圖所示： 第一程序501:以高溫爐管熱氧化成長1〇〇〇A厚之氮化矽 (SiaN4)於該矽晶片20’之兩面（即第一表面20A及第二表面 20B) ’而氮财主要目的係作錢氧化鉀(_祕刻時之钱 刻罩幕層（etching mask); 第二程序5G2 :在第-表面2〇a上進行「光微影製程 (photolithography)」’即以微影製程定義出方形的圖案； 第二程序503 :在第一表面20A上進行「反應性離子蝕刻 (reactive i〇n etching)」，用金當蝕刻遮罩（etching胍池） 避免圖形被氫氟酸(HF)蝕刻液破壞，並且以背面照光方式來提 高钱刻速率； 第四程序504:利用氫氧化鉀(koh)蝕刻液，在矽晶片2〇’ 7 1321373 第面20A钱刻出所要的流道部21之寬度與深度，且預留 一些石夕晶片2〇’厚度。預留下來的厚度，即為氣體擴散層厚 度； 第五私序505.在石夕晶片2〇，的背面，即第二表面施上， 進仃「光微影製程」，微影定義出多孔石夕之形狀與孔洞（也可以 算是孔洞部22)大小； 第，、私序506:在第二表面2〇β上進行「反應性離子钱刻」； 第七耘序507 :再利用一蝕刻擋罩23保護該第一表面 20Α ’然後對該第二表自2〇β以氫氟酸(HF)钱刻液_出多孔 矽’以完成氣體擴散層。 第八程序508 :移除該姓刻擋罩23。 一 ·觸媒部產生步驟12 :準備複數個觸媒顆粒24(如第三 圖所示之預定金屬粒），並使其均勻分佈在該多孔矽層2〇之孔 洞部22之側壁，而使其具有觸煤層之功能； 實務上，本案係利用化學表面改質之方式，將多孔石夕層 20的孔洞部22側壁表面改質成具有帶正電荷之官能基，藉由 靜電力作用吸引帶負電荷之白金前驅物，以離子交換 的方式將奈米白金顆粒（即觸媒顆粒24)嵌入至孔洞部22侧壁 表面，最後再利用氫氣還原處理，此方法不僅可以提高孔洞部 22内白金顆粒之含量，更可使奈米白金顆粒（即觸媒顆粒24) 均勻地分散於孔洞部22側壁上。使用奈米鉑主要是考量電沈 8 積或物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，簡稱 PVD) 方式僅能沈積在多孔矽層2〇的孔洞部22表面，考慮到觸媒的 使用率和觸媒所造成的阻抗沒有奈米顆粒等級所產生的好。因 此藉由奈米銘（即觸媒顆粒24)來提高整體電池性能或壽命。 二、絕緣層形成步驟13 :於該第二表面20B上形成一絕 緣層30 ;在本案之實施例中，如第五及第六圖，其包括下列 步驟： 弟九程序509 :利用黃光製程，包含塗佈光阻、曝光、顯 影定義出微溫、濕度感測器底下所需之絕緣層區域； 第十程序510 ;接著以反應性離子蝕刻機(Reactive I〇n Etching’簡稱RIE)乾蝕刻定義出絕緣層區域。 第十一私序511.再利用黃光製程，包含塗佈光阻、曝光、 顯影來定義出微溫度感測器與微濕度感測器之下電極以外之 區域。 四、微感測器產生步驟14 :將至少一微感測器層4〇設於 該絕緣層30上，該微感測器層40具備之功能係選自溫度感 測、溼度感測其中至少一項。 如第五、第六'第七及第八圖，兹以整合溫度感測、渔度 感測兩者之實施例如下： '第十二程序512 :接著以電子束蒸鍍機（e—beam evaporator)蒸鑛鈦(Ti)及銘（Pt)薄膜。 第十三程序513 :再利用金屬剝離法⑴ft_〇ff)製程來完 成微溫度感測器與微濕度感測器下電極之圖案（pattern)，此 即微濕度感測器42之感濕薄膜422通常此微溫度感測器41微 濕度感測為42之下電極421 ’在這個部分，圖中雖然晝成共 用’實務上可以修改成下列之方式： [a] 彼此水平的隔開’如弟九圖所示，即分別設於同一層 之預定位置，但互不接觸；或是 [b] 彼此垂直的隔開，如弟十圖所示，即中間再以習知塗 佈技術設一感測器隔層411。 因此，不論是共用、水平的隔開、垂直的隔開都屬於本發 明之保護範圍。 第十四程序514:旋塗該微濕度感測器42之感濕薄膜 422 ’該感濕薄膜422係選用苯環丁烯(Benz〇cyci〇butene，簡 稱BCB)、聚醢亞胺（p〇iyimide)其中之一。 第十五程序515 .再以熱蒸鑛機（thermai evap〇rat〇r)蒸 鑛金。 第十六程序516 :並利用黃光製程，包含塗佈光阻（即形 成-光阻層43)、曝光、顯影來完成微濕度感測@ 42之上電 極423與導線之區域，此即微濕度感測器42之上電極423。 第十七程序517 :接著以金蝕刻液餘刻。 五、完成步驟15 :製造出一將微感測器層4〇、氣體擴散 層（可以算是多孔矽層20)、觸媒層（即均勻分佈於孔洞部22 上之複數觸媒顆粒24)及流場板整合在該一起之燃料電池。 當然’最後可由打線機(wire bonder)將微溫、微濕度感 測器41與42以及電路板(PCB板）用鋁線（圖中未示）連接起 來’以進行後續之量測。 以上即為本發明之製程之詳細敘述。 關於前述之溫度感測部份，微溫度感測器41指的是利用 熱阻材料所製作而成的感測區域，一般採用如第七圖所示的柵 狀圖形，此種圖形較為簡單，且可在單位面積裡容納較長的金 屬薄膜。其具有兩種功能： [1] 感測溫度：利用兩端所量得之電阻，即可反推算出相 對應之溫度； [2] 對内部加溫：在兩端施加預定電壓，即可使電阻發 熱，因此，可利用施加之電壓來加溫。 其次’關於微濕度感測器42，其指的是利用高分子材料 所製作而朗感親域，—般朗如H所補三明治結構 i即電谷之結構）’亦即藉由量測上、下電極423與421間之電 合p可反推^内狀錢。此獅絲製程上較麻煩， 仁疋由於上、下電極423與421相對位置不一樣及接觸面積較 大’故可增加其靈敏度。 關於电谷计异’微濕度感測器42之電容值與上、下電極 "似ί豐之面積成正比，與微濕度感測器42之厚度成 •右要增加微濕度感測器42之電容值，勢必要增加上、 J電極423與421重疊之面積或是減少微濕度感測器42之厚 。:所以在料微濕度感測器&時，除了要改變微濕度感測 。$何$狀(如加大面積）’提高微濕度感测器42之性能 外’也必綱時要考慮難触板之麟上·的面積，造成 燃料電池集電面積之減少㈣彡響電池性能下降。 旦當然論是微溫度感測器41或是微濕度感測器42，其 數置與感測範圍/感測位置均可自行調整，例如可在整個流道 之進入點1/4長度點、中央點、3/4長度點及流出點五處分 別叹微溫度感測H 41及微濕度感測器42 ;或是自行依產品需 求而改變設計。 綜上所述’本發明之優點及功效可歸納為： π [1]整合後結構料。本發縣溫度❹m、濕度感測 盗、氣體擴散層、觸層以及鱗财_電池必備之元件以 創新製程全部整合在一起，使結構簡單化。 [2 ]可同¥測S 度與 >缝。本發明於燃料電池上設置絕 緣層，以舰緣層附設微感測器層，即包括了溫度制器與濕 度感測器’可狀直制量燃料電池⑽之溫度及濕度，相當 方便。 [3]測溫度之外還可對内部加溫。本發明以熱阻材料製成 破度感測器’除了從熱阻材兩端量得電阻可反推算出溫度外，· 在熱阻材料兩端施加預定電壓，可控制電阻發熱進而對燃料電 池内部加溫，控制燃料電池處於最佳之作業溫度。 以上僅疋藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例 所做的任何簡單修改與變化’料麟本發明之精神與範圍。 由以上詳細說明’可使熟知本項技藝者明瞭本發明的確可 達成前述目的，實已符合專利法之規定，爰提出發明專利申請。 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明之製法之流程圖 第二圖係本發明之多歸層之局料大示意圖 第三圖係第二圖之多孔石夕層之局部剖視示意圖 第四圖係本發明之前半段製程之示意圖 第五圖係本發明之後半段製程之示意圖 第六圖係本發明之成品之局部剖視示意圖 第七圖係本發明之微溫度感測器之示意圖 第八圖係本發明之微濕度感測器之示咅圖 第九圖係微感測器層採水平隔開方式之示音圖 第十圖係微感測器層採垂直隔開方式之示意圖 1321373

【主要元件符號說明】 11多孔矽層製造步驟 13絕緣層形成步驟 15完成步驟 20多孔矽層 20B第二表面 22孔洞部 24觸媒顆粒 40微感測器層 411微感測器隔層 421下電極 423上電極 501第一程序 503第三程序 505第五程序 507第七程序 509第九程序 511第十一程序 513第十三程序 515第十五程序 517第十七程序 12觸媒部產生步驟 14微感測器產生步驟 20’矽晶片 20A第一表面 21流道部 23蝕刻擋罩 30絕緣層 41微溫度感測器 42微濕度感測器 422感濕薄膜 43光阻層 502第二程序 504第四程序 506第六程序 508第八程序 510第十程序 512第十二程序 514第十四程序 516第十六程序 14

Claims (1)

1321373 申請專利範圍： 货个丨象E!修正本 1 ·一種整合觸媒層及微感測器之燃料電池之製法，其包括下 列步驟： 一·多孔石夕層製造步驟：準備一無孔洞之石夕晶片，其 具有一第一表面及一第二表面，利用預定之蝕刻液於 該第一表面上姓刻出複數個流道部，再利用微影技術 與蝕刻技術於該第二表面上蝕刻出複數個孔洞部，而 形成一多孔矽層’該孔洞部連通該流道部而使其具有 氣體擴散層之功能； 一·觸媒部產生步驟：準備複數個預定金屬之觸媒顆 粒’並使其均勻分佈在該多孔矽層之孔洞部之側壁， 而使其具有觸煤層之功能； 二.絕緣層形成步驟：於該第二表面上形成一絕緣層； 四.微感測器產生步驟：將至少一微感測器層設於該絕緣 層上，該微感測器層係選自微溫度感測器、微溼度感 測器其中至少一項； 五·完成步驟：製造出—將微感測器、氣體擴散層、觸媒 層及流場板整合一體之燃料電池。 2·如申請專利範圍第1項所述之整合觸媒層及微感測器之燃 料電池之製法，其中，該多孔矽層製造步驟係包括： 第一知序.以南溫爐管熱氧化成長厚之氮化矽 (SisN4)於該矽晶片之第—表面及第二表面； 15 第二程序：於該第—表面上進行級影製程，即以微影 製程定義出方形圖案； 第三程序：於該第—表面上進行反應㈣子餘刻，以金 作為餘刻遮罩，避免方形圖案被氫氟酸(HF)餘刻液破壞， 並以背面照光方式提高蝕刻速率； 第四程序.矛J用氫氧化鉀(KQH)餘刻液，於該石夕晶片的第 一面钱刻出所要的流道部之寬度與深度，且預留一石夕晶片 厚度，用以做為氣體擴散層厚度； 第五程序：於該石夕晶片之第二表面上，進行光微影製程， 微影定義出多孔毅形狀與孔洞大小； 第’、各序.於該第二表面上進行反應性離子餘刻； ▲第七程序··再軸鮮保護該第__表面，然後對 第表面進行氫氟酸(Up)飯刻液姓刻出多孔石夕，以完成 氣體擴散層； 第八程序：移除該I虫刻擋罩。 如申巧專利㈣第1項所述之整合觸媒層及微感測器之燃 Ί池之製法’其巾，該絕緣層形成步驟係包括： 〜第九轉.彻黃絲程’包含_光阻、曝光、顯影 ，出微/皿、J'度感測II底下所需之絕緣層區域； #十序，接著以反應轉伟職乾侧定義出絕緣 層區域； 第十私序：再利用黃光製程，包含塗佈光阻、曝光、 顯影來定義出微溫度感測器與微濕度感測器之下電極以外 之區域； 第十二程序：接著以電子束蒸鍍機蒸鍍鈦(Ti)及鉑(pt) 薄膜； 第十二程序：再利用金屬剝離法（lift-off)製程來完成 °亥微溫度感測器與該微濕度感測器下電極之圖案。 如申請專利範圍第1項所述之整合觸媒層及微感測器之燃 料電池之製法，其中，微感測器產生步驟係包括： 第十四程序：接著旋塗苯環丁烯(BCB)當微濕度感測器之 感濕薄膜； 第十五程序··再以熱蒸鍍機蒸鍍金； 第十六程序··並利用黃光製程，包含塗佈光阻、曝光、 顯影來完成微濕度感測器之上電極與導線之區域； 第十七程序：接著以金蝕刻液蝕刻。 如申請專利範圍第1項所述之整合觸媒層及微感測器之燃 料電池之製法，其中，該微溫度感測器係為鈦(Ti)及鉑（Pt) 薄犋。 如申請專利範圍第1項所述之整合觸媒層及微感測器之燃 料電池之製法’其中，該微濕度感測器依序由一下電極、 感濕 >彝犋及一上電極所組成。 如申請專利範圍第1項所述之整合觸媒層及微感測器之燃 料電池之製法，其中，該微溫度感測器與該微濕度感測器 係彼此水平的分隔開。 如申請專利範圍第1項所述之整合觸媒層及微感測器之燃 料電池之製法，其中，該微溫度感測器與該微濕度感測器 係彼此被一微感測器隔層垂直的分隔開。