[发明专利]一种小尺寸极限电流型氧化锆氧传感器芯体及其制备方法

说明书

本发明涉及氧传感器技术领域，特别涉及一种小尺寸极限电流型氧化锆氧传感器芯体，自上而下依次包括多孔Pt电极阳极层、YSZ固体电解质层、多孔Pt电极阴极层、绝缘层和加热电极层，多孔Pt电极阳极层、多孔Pt电极阴极层和加热电极层均连接有导电丝。以此减少YSZ固体电解质层的层数，减少测氧时氧气的扩散路径，进而降低响应时间，使其快速响应。同时，还提供了相应的制造方法，采用该方法可以制造微米级尺寸芯体；芯体各功能层的总厚度在1.1μm‑24μm，很大程度上降低了芯体的厚度，进而在后续加热处理时可以降低功耗并改善加热不均匀性。

技术领域

本发明涉及氧传感器技术领域，特别涉及一种小尺寸极限电流型氧化锆氧传感器芯体及其制备方法。

背景技术

极限电流型氧化锆氧传感器由于其具有响应速度快，无需参比气体且对密封性要求不高等优势，在医疗、工业、汽车、仓储等多个领具有广泛的应用。以氧化锆为固体电解质的氧传感器其工作温度要求在650℃及以上，故需提供一个加热电压使其正常工作。

目前制备氧化锆固体电解质氧传感器芯体方法大多为陶瓷流延工艺，单层流延生坯厚度一般控制在0.03-2.5mm，整个芯体一般需要2～3层固体电解质，将各个功能层叠加之后芯体厚度达到毫米级，使得在对其进行加热处理时消耗大量能量，且不能保证加热一致性；随着应用场景和应用需求的增加和扩展，对于低功耗、小尺寸、快速响应、高精度氧传感器的需求更加迫切；传统陶瓷流延工艺难以实现芯体各功能层尺寸减小至微米甚至纳米级，且无法保证其精度，从而使氧传感器最终性能出现偏差。

因此，亟需针对小尺寸极限电流氧传感器芯体及其制备工艺。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷与不足，为此本发明提供了一种小尺寸极限电流型氧化锆氧传感器芯体及其制备方法，能够制得微米级尺寸芯体，可以降低功耗，改善加热的均匀性，提升氧传感器的精度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种小尺寸极限电流型氧化锆氧传感器芯体，自上而下依次包括多孔Pt电极阳极层、YSZ固体电解质层、多孔Pt电极阴极层、绝缘层和加热电极层，所述多孔Pt电极阳极层、多孔Pt电极阴极层和加热电极层均连接有导电丝；所述小尺寸极限电流型氧化锆氧传感器芯体的总厚度为1.1μm-24μm。

进一步地，所述多孔Pt电极阳极层的厚度为0.2μm-3μm。

进一步地，所述YSZ固体电解质层的厚度为0.3μm-12μm。

进一步地，所述多孔Pt电极阴极层的厚度为0.2μm-3μm。

进一步地，所述绝缘层的厚度为0.2μm-3μm。

进一步地，所述加热电极层的厚度为0.2μm-3μm。

进一步地，所述绝缘层的形状与所述加热电极层的形状保持一致，所述绝缘层的形状为S形。

本发明还提供了一种上述小尺寸极限电流型氧化锆氧传感器芯体的制造方法，其步骤为：

步骤1、准备一个硅衬底，对硅衬底先用丙酮进行超声清洗10min-20min，再用无水乙醇超声清洗10min-30min，之后在去离子水中清洗10min-20min，将硅衬底吹干；

步骤2、将步骤1中吹干的硅衬底固定在多靶磁控溅射设备中溅射室的衬底盘上，将溅射室真空抽至4×10^-5Pa-6×10^-3Pa，向溅射室内通入氧气与氩气的混合气体，混合气体的流速为16sccm-75sccm；所述氧气和氩气的体积比为1：1-1：20；

步骤3、调整溅射室内的压力，并在硅衬底上进行功能层的薄膜沉积，功能层在硅基底上沉积的顺序依次包括多孔Pt电极阳极层、YSZ固体电解质层、多孔Pt电极阴极层、绝缘层和加热电极层；功能层的总厚度为1.1μm-24μm；