[发明专利]一种用于氧传感器的TiO2 敏感层结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Pt作为催化剂的氧传感器用TiO₂敏感层结构，以及采用MEMS（微机电系统）工艺制备该TiO₂敏感层的方法，该敏感层形状有利于提高以TiO₂为敏感层的氧气传感器的性能。

背景技术

伴随着我国工业的快速发展，环境和能源问题日益突出，为了能可持续发展，节能减排已经是一项重要的国策。氧气化学性质非常活泼，是在工业生产中重要的助燃气体，针对氧气浓度的检测和控制是节能减排的重要手段，也是安全的保障。在冶金行业中，冶金工业中的氧气炼钢、轧钢和有色金属冶炼，还有冶金过程中不可避免的会有危险性气体产生，如高炉煤气、转炉煤气等，对其氧含量的检测和控制能有效预防和避免危险情况发生。我国火力发电比重很大，适时适量控制锅炉中氧气含量能有效提高锅炉燃烧率，从而有效的控制煤炭的利用率及有害废气的排放。化工行业中，一些气体的合成、废气的充分处理都需最佳控制氧含量。另外，汽车发动机氧气传感器的普遍应用，发动机中燃料的利用率都是节能减排的重要一环，而氧气和燃料的控制比，能有效减少汽车尾气中有害气体的排放，提高燃料的利用率。

综上，对于用氧气传感器对氧气进行监测和控制已经是各国学者的一项重要研究课题。人们用不同的原理开发出各种不同的氧气传感器：催化电化学氧传感器、热磁式氧传感器、氧化锆氧传感器、光纤氧气传感器、可调谐激光式氧传感器等。其中在汽车工业和火电厂中广泛应用氧化锆氧传感器，但是这种传感器不但价格贵，而且质量大导致响应时间长，特别是在发动机刚启动时反应时间更长。

F.Haghighat et al.、Francicoso et al.采用金属氧化物TiO₂半导体薄膜作为电阻型氧气传感器，它不需要空气中的参比电极，在高温下有好的稳定性，在贵金属掺杂下能提高敏感性和相应时间。但是，TiO₂薄膜做为敏感材料时需要一定的温度，在此温度下传统的方形薄膜由于和基底的热膨胀系数不能完全匹配，会出现应力，由于该应力不能释放导致裂纹产生。裂纹过多会影响传感器电特性，严重影响精度。另外，TiO₂敏感层是通过材料表面的氧气吸附和解附来改变薄膜电导率对氧气浓度进行检测的，对于方形结构没能很好的提高表面与体积比。

发明内容

本发明的目的是提供一种Pt作为催化剂的氧传感器用TiO₂敏感层结构，以及该TiO₂敏感层的制备方法，通过网状处理所形成的该TiO₂敏感层可提高表面能，从而抑制裂纹的产生和裂纹的传播，有效的减少了由于热膨胀系数不匹配导致的热应力产生的裂纹，有利于氧气的吸附从而增加了TiO₂敏感层敏感性和减少响应时间。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术放案予以实现的：

一种用于氧传感器的TiO₂敏感层结构，包括设置在绝缘层上表面的Pt叉指状电极层和其上的TiO₂敏感层，Pt叉指状电极层下面设有Ti粘结层，形状和Pt叉指状电极相吻合，其中，绝缘层为上、下两层，上、下绝缘层之间有加热层，其特征在于，所述TiO₂敏感层为掺杂有Pt的TiO₂层，其平面几何特征为多孔网状结构。

上述方案中，所述多孔网状结构的TiO₂敏感层，其网线宽为2-4μm；纵横网线围成的网孔为边长4-8μm的正方形，最外层网线围成边长为74-148μm大正方形。所述Pt叉指状电极，叉指宽度刚好为网线宽度。叉指间距刚好为网孔的边长。

前述用于氧传感器的TiO₂敏感层结构的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

a．用匀胶光刻法在绝缘层表面定义出Pt叉指状电极的形状和位置；

b.用溅射方法溅射50nm厚的Ti作为Ti粘结层，随后溅射150nm厚Pt，采用超声剥离工艺去除胶膜形成叉指状电极；

c．以溶胶凝胶法制备含钛离子乳胶，用匀胶法涂敷到叉指状电极所在位置的上绝缘层上，并覆盖叉指状电极，经500℃烘干，形成TiO₂膜层；

d．用光刻胶做掩蔽层，利用反应离子刻蚀法将TiO₂膜层刻蚀成正方形网状结构，并同时刻蚀出叉指电极引线盘。