[發(fā)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

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111489395.2
• 申請(qǐng)日: 2021-12-08
• 公開（公告）號(hào): CN114062464A
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高峰;孫志檬;李春賀;劉皓;孫俊杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 明石創(chuàng)新（煙臺(tái)）微納傳感技術(shù)研究院有限公司;明石創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司
• 主分類號(hào): G01N27/407
• 分類號(hào): G01N27/407;G01N27/409;G01N27/417;C23C14/08;C23C14/14;C23C14/35
• 代理公司: 北京中濟(jì)緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 潘劍敏

本發(fā)明涉及氧傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種小尺寸極限電流型氧化鋯氧傳感器芯體，自上而下依次包括多孔Pt電極陽極層、YSZ固體電解質(zhì)層、多孔Pt電極陰極層、絕緣層和加熱電極層，多孔Pt電極陽極層、多孔Pt電極陰極層和加熱電極層均連接有導(dǎo)電絲。以此減少YSZ固體電解質(zhì)層的層數(shù)，減少測(cè)氧時(shí)氧氣的擴(kuò)散路徑，進(jìn)而降低響應(yīng)時(shí)間，使其快速響應(yīng)。同時(shí)，還提供了相應(yīng)的制造方法，采用該方法可以制造微米級(jí)尺寸芯體；芯體各功能層的總厚度在1.1μm?24μm，很大程度上降低了芯體的厚度，進(jìn)而在后續(xù)加熱處理時(shí)可以降低功耗并改善加熱不均勻性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氧傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及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。

背景技術(shù)

極限電流型氧化鋯氧傳感器由于其具有響應(yīng)速度快，無需參比氣體且對(duì)密封性要求不高等優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)療、工業(yè)、汽車、倉儲(chǔ)等多個(gè)領(lǐng)具有廣泛的應(yīng)用。以氧化鋯為固體電解質(zhì)的氧傳感器其工作溫度要求在650℃及以上，故需提供一個(gè)加熱電壓使其正常工作。

目前制備氧化鋯固體電解質(zhì)氧傳感器芯體方法大多為陶瓷流延工藝，單層流延生坯厚度一般控制在0.03-2.5mm，整個(gè)芯體一般需要2～3層固體電解質(zhì)，將各個(gè)功能層疊加之后芯體厚度達(dá)到毫米級(jí)，使得在對(duì)其進(jìn)行加熱處理時(shí)消耗大量能量，且不能保證加熱一致性；隨著應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用需求的增加和擴(kuò)展，對(duì)于低功耗、小尺寸、快速響應(yīng)、高精度氧傳感器的需求更加迫切；傳統(tǒng)陶瓷流延工藝難以實(shí)現(xiàn)芯體各功能層尺寸減小至微米甚至納米級(jí)，且無法保證其精度，從而使氧傳感器最終性能出現(xiàn)偏差。

因此，亟需針對(duì)小尺寸極限電流氧傳感器芯體及其制備工藝。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷與不足，為此本發(fā)明提供了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，能夠制得微米級(jí)尺寸芯體，可以降低功耗，改善加熱的均勻性，提升氧傳感器的精度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種小尺寸極限電流型氧化鋯氧傳感器芯體，自上而下依次包括多孔Pt電極陽極層、YSZ固體電解質(zhì)層、多孔Pt電極陰極層、絕緣層和加熱電極層，所述多孔Pt電極陽極層、多孔Pt電極陰極層和加熱電極層均連接有導(dǎo)電絲；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。

進(jìn)一步地，所述多孔Pt電極陽極層的厚度為0.2μm-3μm。

進(jìn)一步地，所述YSZ固體電解質(zhì)層的厚度為0.3μm-12μm。

進(jìn)一步地，所述多孔Pt電極陰極層的厚度為0.2μm-3μm。

進(jìn)一步地，所述絕緣層的厚度為0.2μm-3μm。

進(jìn)一步地，所述加熱電極層的厚度為0.2μm-3μm。

進(jìn)一步地，所述絕緣層的形狀與所述加熱電極層的形狀保持一致，所述絕緣層的形狀為S形。

本發(fā)明還提供了一種上述小尺寸極限電流型氧化鋯氧傳感器芯體的制造方法，其步驟為：

步驟1、準(zhǔn)備一個(gè)硅襯底，對(duì)硅襯底先用丙酮進(jìn)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(shè)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?yàn)R射室內(nèi)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(diào)整濺射室內(nèi)的壓力，并在硅襯底上進(jìn)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、YSZ固體電解質(zhì)層、多孔Pt電極陰極層、絕緣層和加熱電極層；功能層的總厚度為1.1μm-24μm；