[發明專利]一種小尺寸極限電流型氧化鋯氧傳感器芯體及其制備方法

在審

• 申請號: 202111489395.2
• 申請日: 2021-12-08
• 公開（公告）號: CN114062464A
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 高峰;孫志檬;李春賀;劉皓;孫俊杰
• 申請（專利權）人: 明石創新（煙臺）微納傳感技術研究院有限公司;明石創新產業技術研究院有限公司
• 主分類號: G01N27/407
• 分類號: G01N27/407;G01N27/409;G01N27/417;C23C14/08;C23C14/14;C23C14/35
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 潘劍敏

1.一種小尺寸極限電流型氧化鋯氧傳感器芯體，其特征在于，自上而下依次包括多孔Pt電極陽極層(1)、YSZ固體電解質層(2)、多孔Pt電極陰極層(3)、絕緣層(4)和加熱電極層(5)，所述多孔Pt電極陽極層(1)、多孔Pt電極陰極層(3)和加熱電極層(5)均連接有導電絲(6)；所述小尺寸極限電流型氧化鋯氧傳感器芯體的總厚度為1.1μm-24μm。

2.根據權利要求1所述的小尺寸極限電流型氧化鋯氧傳感器芯體，其特征在于，所述多孔Pt電極陽極層(1)的厚度為0.2μm-3μm。

3.根據權利要求2所述的小尺寸極限電流型氧化鋯氧傳感器芯體，其特征在于，所述YSZ固體電解質層(2)的厚度為0.3μm-12μm。

4.根據權利要求3所述的小尺寸極限電流型氧化鋯氧傳感器芯體，其特征在于，所述多孔Pt電極陰極層(3)的厚度為0.2μm-3μm。

5.根據權利要求4所述的小尺寸極限電流型氧化鋯氧傳感器芯體，其特征在于，所述絕緣層(4)的厚度為0.2μm-3μm。

6.根據權利要求5所述的小尺寸極限電流型氧化鋯氧傳感器芯體，其特征在于，所述加熱電極層(5)的厚度為0.2μm-3μm。

7.根據權利要求6所述的小尺寸極限電流型氧化鋯氧傳感器芯體，其特征在于，所述絕緣層(4)的形狀與所述加熱電極層(5)的形狀保持一致，所述絕緣層(4)的形狀為S形。

8.根據權利要求7所述的小尺寸極限電流型氧化鋯氧傳感器芯體的制造方法，其特征在于，其步驟為：

步驟1、準備一個硅襯底，對硅襯底先用丙酮進行超聲清洗10min-20min，再用無水乙醇超聲清洗10min-30min，之后在去離子水中清洗10min-20min，將硅襯底吹干；

步驟2、將步驟1中吹干的硅襯底固定在多靶磁控濺射設備中濺射室的襯底盤上，將濺射室真空抽至4×10^-5Pa-6×10^-3Pa，向濺射室內通入氧氣與氬氣的混合氣體，混合氣體的流速為16sccm-75sccm；所述氧氣和氬氣的體積比為1：1-1：20；

步驟3、調整濺射室內的壓力，并在硅襯底上進行功能層的薄膜沉積，功能層在硅基底上沉積的順序依次包括多孔Pt電極陽極層(1)、YSZ固體電解質層(2)、多孔Pt電極陰極層(3)、絕緣層(4)和加熱電極層(5)；功能層的總厚度為1.1μm-24μm；

步驟4、將功能層放進退火爐中進行熱退火處理，退火溫度為500℃-1000℃，退火時間為0.5h-1.5h，以消除在磁控濺射過程中功能層的殘留應力；

步驟5、將功能層冷卻至室溫，將多孔Pt電極陽極層(1)、多孔Pt電極陰極層(3)和加熱電極層(5)熔接相應的導電絲(6)，得到小尺寸極限電流型氧化鋯氧傳感器芯體。

9.根據權利要求8所述的小尺寸極限電流型氧化鋯氧傳感器芯體的制造方法，其特征在于，所述步驟3包括以下步驟：

步驟3-1、濺射多孔Pt電極陽極層(1)時，采用直流濺射的方式濺射沉積；濺射室的壓力為20Pa-80Pa，薄膜沉積的速度為6nm/min-15nm/min，以得到厚度為0.2μm-3μm的多孔Pt電極陽極層(1)；

步驟3-2、濺射YSZ固體電解質層(2)時，采用射頻濺射的方式濺射沉積，YSZ固體電解質層(2)的材質為三氧化二釔和氧化鋯，三氧化二釔的質量百分比為3mol％-8mol％；靶基距為90mm，濺射室的壓力為0.1Pa-0.75Pa，薄膜沉積的速度為2nm/min-5nm/min，以得到厚度為0.3μm-12μm的YSZ固體電解質層(2)；

步驟3-3、濺射多孔Pt電極陰極層(3)時，采用直流濺射的方式濺射沉積；沉積功率保持在400W，濺射室的壓力為20Pa-80Pa，薄膜沉積的速度為6nm/min-15nm/min，以得到厚度為0.2μm-3μm的多孔Pt電極陰極層(3)；

步驟3-4、濺射絕緣層(4)時，采用射頻濺射的方式濺射沉積；絕緣層(4)的材質為純度達99％以上的氧化鋁，沉積功率保持在400W，濺射室壓力為0.1Pa-0.75Pa，薄膜沉積速度為2nm/min-5nm/min，以得到厚度為0.2μm-3μm的絕緣層(4)；

步驟3-5、濺射加熱電極層(5)時，采用直流濺射的方式濺射沉積；濺射室的壓力為0.1Pa-0.75Pa，薄膜沉積的速度為2nm/min-5nm/min，以得到厚度為0.2μm-3μm的加熱電極層(5)。