[發明專利]一種用于氧傳感器的TiO2 敏感層結構及其制備方法

有效

• 申請號: 201210521345.2
• 申請日: 2012-12-06
• 公開（公告）號: CN103018309A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 王海容;孫全濤;張歡;陳磊
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N27/409
• 分類號: G01N27/409
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 朱海臨

技術領域

本發明涉及一種Pt作為催化劑的氧傳感器用TiO₂敏感層結構，以及采用MEMS（微機電系統）工藝制備該TiO₂敏感層的方法，該敏感層形狀有利于提高以TiO₂為敏感層的氧氣傳感器的性能。

背景技術

伴隨著我國工業的快速發展，環境和能源問題日益突出，為了能可持續發展，節能減排已經是一項重要的國策。氧氣化學性質非常活潑，是在工業生產中重要的助燃氣體，針對氧氣濃度的檢測和控制是節能減排的重要手段，也是安全的保障。在冶金行業中，冶金工業中的氧氣煉鋼、軋鋼和有色金屬冶煉，還有冶金過程中不可避免的會有危險性氣體產生，如高爐煤氣、轉爐煤氣等，對其氧含量的檢測和控制能有效預防和避免危險情況發生。我國火力發電比重很大，適時適量控制鍋爐中氧氣含量能有效提高鍋爐燃燒率，從而有效的控制煤炭的利用率及有害廢氣的排放。化工行業中，一些氣體的合成、廢氣的充分處理都需最佳控制氧含量。另外，汽車發動機氧氣傳感器的普遍應用，發動機中燃料的利用率都是節能減排的重要一環，而氧氣和燃料的控制比，能有效減少汽車尾氣中有害氣體的排放，提高燃料的利用率。

綜上，對于用氧氣傳感器對氧氣進行監測和控制已經是各國學者的一項重要研究課題。人們用不同的原理開發出各種不同的氧氣傳感器：催化電化學氧傳感器、熱磁式氧傳感器、氧化鋯氧傳感器、光纖氧氣傳感器、可調諧激光式氧傳感器等。其中在汽車工業和火電廠中廣泛應用氧化鋯氧傳感器，但是這種傳感器不但價格貴，而且質量大導致響應時間長，特別是在發動機剛啟動時反應時間更長。

F.Haghighat?et?al.、Francicoso?et?al.采用金屬氧化物TiO₂半導體薄膜作為電阻型氧氣傳感器，它不需要空氣中的參比電極，在高溫下有好的穩定性，在貴金屬摻雜下能提高敏感性和相應時間。但是，TiO₂薄膜做為敏感材料時需要一定的溫度，在此溫度下傳統的方形薄膜由于和基底的熱膨脹系數不能完全匹配，會出現應力，由于該應力不能釋放導致裂紋產生。裂紋過多會影響傳感器電特性，嚴重影響精度。另外，TiO₂敏感層是通過材料表面的氧氣吸附和解附來改變薄膜電導率對氧氣濃度進行檢測的，對于方形結構沒能很好的提高表面與體積比。

發明內容

本發明的目的是提供一種Pt作為催化劑的氧傳感器用TiO₂敏感層結構，以及該TiO₂敏感層的制備方法，通過網狀處理所形成的該TiO₂敏感層可提高表面能，從而抑制裂紋的產生和裂紋的傳播，有效的減少了由于熱膨脹系數不匹配導致的熱應力產生的裂紋，有利于氧氣的吸附從而增加了TiO₂敏感層敏感性和減少響應時間。

為達到以上目的，本發明是采取如下技術放案予以實現的：

一種用于氧傳感器的TiO₂敏感層結構，包括設置在絕緣層上表面的Pt叉指狀電極層和其上的TiO₂敏感層，Pt叉指狀電極層下面設有Ti粘結層，形狀和Pt叉指狀電極相吻合，其中，絕緣層為上、下兩層，上、下絕緣層之間有加熱層，其特征在于，所述TiO₂敏感層為摻雜有Pt的TiO₂層，其平面幾何特征為多孔網狀結構。

上述方案中，所述多孔網狀結構的TiO₂敏感層，其網線寬為2-4μm；縱橫網線圍成的網孔為邊長4-8μm的正方形，最外層網線圍成邊長為74-148μm大正方形。所述Pt叉指狀電極，叉指寬度剛好為網線寬度。叉指間距剛好為網孔的邊長。

前述用于氧傳感器的TiO₂敏感層結構的制備方法，其特征在于，包括下述步驟：

a．用勻膠光刻法在絕緣層表面定義出Pt叉指狀電極的形狀和位置；

b.用濺射方法濺射50nm厚的Ti作為Ti粘結層，隨后濺射150nm厚Pt，采用超聲剝離工藝去除膠膜形成叉指狀電極；

c．以溶膠凝膠法制備含鈦離子乳膠，用勻膠法涂敷到叉指狀電極所在位置的上絕緣層上，并覆蓋叉指狀電極，經500℃烘干，形成TiO₂膜層；

d．用光刻膠做掩蔽層，利用反應離子刻蝕法將TiO₂膜層刻蝕成正方形網狀結構，并同時刻蝕出叉指電極引線盤。