本發明涉及傳感器，尤其涉及一種mems電化學氣體傳感器及其加工方法。

背景技術：

1、燃料電池型電化學氣體傳感器具有準確可靠、零功耗、靈敏度高等優點，但是用傳統組裝方式生產出的電化學傳感器尺寸大，很難集成到手機等終端應用上，而且在規模化生產中需要投入大量勞動力。

2、專利申請（申請號cn?202311116378.3）中公開了一種氣體傳感器的膜電極其制備方法和應用，該專利申請中使用片狀固態nafion電解質膜，制備電極漿料后通過熱壓或印刷等方式在電解質膜兩側表面加工工作電極和對電極，再通過組裝的方式完成電化學傳感器的生產。專利申請（申請號cn?202311250266.7）中公開了一種pcb基電化學半固態氣體傳感器的制備方法，該專利申請中使用半固態有機凝膠電解質，nafion溶液僅作為質子導電層覆蓋連接各共面電極。然而，上述電化學傳感器不是基于mems工藝，結構體積較大，無法實現微小化、集成化。

3、mems工藝能夠顯著縮小傳感器體積，并且實現在一個襯底上同步加工制作多個傳感器，從而降低每個傳感器的成本。為了實現微型化，傳統電化學傳感器所用的片狀電解質材料不適用，因為其需要裁剪后組裝使用，和mems工藝不兼容；液體電解質也難以做成微型化結構，因為注入液體及密封困難。目前有使用的固體電解質材料，如磷酸鋰等，可以通過熱蒸發工藝成膜，但是這類材料存在兩個問題：①只有加熱到數百度才能工作，常溫下不具有離子導電性，而一旦加熱才能工作，就需要外加電壓，即不能實現零功耗；②即使加熱使其能夠工作，輸出的信號也很低，因為固體電解質材料普遍離子導電率相對（液體）低。

4、專利申請（申請號cn?202110866623.7）中公開了超薄全固態甲醛電化學氣體傳感器，該專利申請中使用nafion溶液作為電解質漿料成分之一，但其制成的固體電解質膜層厚達幾十至幾百微米，各電極和電解質之間還需要覆蓋一層催化層才可工作。專利申請（申請號cn?202410012524.6中公開了基于mems技術的混成電位型氣體傳感器及其制備方法，該專利申請中雖然使用了mems加工技術，但是未對襯底、電極等做特殊工藝處理，從而制成的傳感器響應信號會很低。

5、因此，現有的mems電化學氣體傳感器難以實現在微型化的同時保障傳感器響應信號足夠大。

技術實現思路

1、有鑒于此，本發明主要目的是利用半固態電解質并結合mems工藝，提出一種mems電化學氣體傳感器及其加工方法，以實現在微型化的同時保障傳感器響應信號足夠大。

2、具體地，本發明所保護的技術方案如下：

3、一種mems電化學氣體傳感器，主要由透氣襯底結構、對電極、半固態電解質層和工作電極組成，所述對電極設置在所述透氣襯底結構上，且所述對電極、半固態電解質和工作電極形成“三明治”結構，其中，所述半固態電解質層主要是由半固態電解質溶液經過烘烤形成的薄膜結構。所述半固態電解質溶液主要是由固態聚合物和液體增塑劑組成的電解液，其經過烘烤形成的半固態電解質層具有高電導率、較高機械強度和良好的高溫穩定性。所述半固態電解質層的厚度優選為1-30?μm。

4、為提高上述傳感器響應信號，使所述工作電極與待測氣體充分接觸，對在所述工作電極表面進行粗糙化處理，使所述工作電極具有微結構，如錐形微結構。

5、為提高上述傳感器響應信號，增加所述半固態電解質層和所述工作電極的有效接觸面積，所述半固態電解質層和所述工作電極的界面處設置凹凸結構。

6、為了保證所述透氣襯底結構的透氣性，使所述對電極與空氣充分接觸，并發生還原反應，所述透氣襯底結構可以為形成有微孔結構的襯底，所述微孔結構中的微孔為通孔，孔徑為20-60?μm；所述透氣襯底結構也可以包括無孔襯底和設置在所述無孔襯底和所述對電極之間的防水透氣層，防水透氣材料為聚四氟乙烯（ptfe）。

7、所述mems電化學氣體傳感器的工作原理為待測氣體到達工作電極表面發生氧化反應，產生的正離子通過所述半固態電解質薄膜傳輸到對電極表面；由于所述襯底結構具有較好的透氣性，使空氣中的氧氣能達到所述對電極表面與正離子和電子結合發生還原反應，該電化學反應引起流經外部線路的電流，通過測外接負載的電壓得出待測氣體濃度。

8、本發明還提供一種上述mems電化學氣體傳感器的加工方法，依次包括步驟：加工透氣襯底結構、加工對電極、加工半固態電解質層、加工工作電極；其中，所述加工半固態電解質層的步驟包括：先采用噴涂或旋涂工藝將半固態電解質溶液噴涂或旋涂在對電極上，再進行烘干固化處理，從而在所述對電極上加工形成半固態電解質層，其中，所述烘干固化處理的工藝參數為：烘干溫度90-150℃、烘干時間30-60?min。

9、進一步，所述半固態電解質層溶液的質量百分比濃度優選為5%-10%。

10、為了增加半固態電解質層和對電極的有效接觸面積，提高傳感器響應信號，所述加工半固態電解質層的步驟可以包括：先采用噴涂或旋涂工藝將所述半固態電解質溶液噴涂或旋涂在所述對電極上，再進行所述烘干固化處理，然后采用納米壓印或刻蝕工藝在所述半固態電解質層上加工出凹凸結構；或者也可以先在所述對電極上采用覆蓋掩膜進行凹凸圖形化噴涂工藝，再進行所述烘干固化處理工藝，以便在所述半固態電解質層上加工出凹凸結構。

11、所述加工透氣襯底結構的步驟可以包括：采用激光打孔法或干法刻蝕法或濕法腐蝕法在所述無孔襯底上加工微孔結構，形成所述透氣襯底結構。另外，所述加工透氣襯底結構的步驟也可以包括：先采用噴涂工藝或旋涂工藝，再結合烘干固化工藝在所述無孔襯底上形成防水透氣層；或者采用濺射工藝在所述無孔襯底上形成防水透氣層。

12、所述加工工作電極的步驟包括：采用濺射或蒸發或噴涂或旋涂工藝，并結合表面粗糙化工藝，在所述半固態電解質層上加工一層具有微結構的工作電極。

13、因此，本發明提供的所述mems電化學氣體傳感器，結合mems工藝可將半固態電解質層厚度控制在1-30?μm，不但可以將傳感器的尺度可以做至1?mm，還由于半固態電解質層比較薄，內阻低，易于離子傳輸，使得高傳感器響應快、輸出信號足夠高；如此，本發明提供的mems電化學氣體傳感器不但能做到微型化、零功耗工作，還能具有良好的響應信號，使其負載電阻為千歐級，輸出電流達μa級；可用于監測一氧化碳（co）、乙醇、甲醛等具有還原性的氣體。整個傳感器結構及工藝簡單，不需要制備復雜的漿料，可以進行批量化生產、集成化封裝，顯著降低每個傳感器的成本。

技術特征：

1.一種mems電化學氣體傳感器，其特征在于，主要由透氣襯底結構、對電極、半固態電解質層和工作電極組成，且所述對電極、半固態電解質和工作電極形成“三明治”結構，其中，所述半固態電解質層主要是由半固態電解質溶液經過烘烤形成的薄膜結構，所述半固態電解質溶液主要由固態聚合物和液體增塑劑組成。

2.根據權利要求1所述的mems電化學氣體傳感器，其特征在于，所述半固態電解質溶液包括nafion溶液、聚偏氟乙烯溶液、聚甲基丙稀酸甲酯溶液或鋰鑭鈦氧溶液。

3.根據權利要求1所述的mems電化學氣體傳感器，其特征在于，所述工作電極具有微結構。

4.根據權利要求3所述的mems電化學氣體傳感器，其特征在于，所述半固態電解質層和所述工作電極的界面處設置凹凸結構。

5.根據權利要求1-4任一項所述的mems電化學氣體傳感器，其特征在于，所述透氣襯底結構為形成有微孔結構的襯底，所述微孔結構中的微孔為通孔，孔徑為20-60?μm。

6.根據權利要求1-4任一項所述的mems電化學氣體傳感器，其特征在于，所述透氣襯底結構包括無孔襯底和防水透氣層，所述防水透氣層設置在所述無孔襯底和所述對電極之間。

7.根據權利要求1所述的mems電化學氣體傳感器，其特征在于，所述透氣襯底結構包括硅襯底、玻璃襯底、陶瓷襯底或柔性襯底。

8.根據權利要求1所述的mems電化學氣體傳感器，其特征在于，還包括設置在所述半固態電解質層上的參比電極，所述參比電極與所述工作電極間隔設置。

9.一種權利要求1所述的mems電化學氣體傳感器的加工方法，依次包括步驟：加工透氣襯底結構、加工對電極、加工半固態電解質層、加工工作電極；

10.根據權利要求9所述的加工方法，其特征在于，所述半固態電解質層溶液的質量百分比濃度優選為5%-10%。

11.根據權利要求9或10所述的加工方法，其特征在于，所述加工半固態電解質層的步驟包括：先采用噴涂或旋涂工藝將所述半固態電解質溶液噴涂或旋涂在所述對電極上，再進行所述烘干固化處理，然后采用納米壓印或刻蝕工藝在所述半固態電解質層上加工出凹凸結構；

12.根據權利要求9或10所述的加工方法，其特征在于，所述加工透氣襯底結構的步驟包括：采用激光打孔法或干法刻蝕法或濕法腐蝕法在所述無孔襯底上加工微孔結構，形成所述透氣襯底結構。

13.根據權利要求9或10所述的加工方法，其特征在于，所述加工透氣襯底結構的步驟包括：先采用噴涂工藝或旋涂工藝，再結合烘干固化工藝在所述無孔襯底上形成防水透氣層；或者采用濺射工藝在所述無孔襯底上形成防水透氣層。

14.根據權利要求9或10所述的加工方法，其特征在于，所述加工工作電極的步驟包括：采用濺射或蒸發或噴涂或旋涂工藝，并結合表面粗糙化工藝，在所述半固態電解質層上加工一層具有微結構的工作電極。

技術總結
本發明提供了一種MEMS電化學氣體傳感器及加工方法。所述傳感器主要由透氣襯底結構、對電極、半固態電解質層和工作電極組成，且所述對電極、半固態電解質和工作電極形成“三明治”結構，其中，所述半固態電解質層厚度為1?30μm，主要是由半固態電解質溶液經過烘烤形成的薄膜結構。本發明主要是基于半固態電解質材料采用噴涂或旋涂、烘干固化等工藝加工半固態電解質層，并結合MEMS工藝設計制備的MEMS電化學氣體傳感器，不但能將傳感器結構的尺寸做到1?mm，實現微型化、零功耗工作，還能使氣體傳感器具有良好的響應信號，使負載電阻為千歐級，輸出電流在μA級。上述傳感器可用于監測一氧化碳、乙醇、甲醛等具有還原性的氣體。

技術研發人員：古瑞琴,劉琦,于亞偉,劉紅霞,李威
受保護的技術使用者：鄭州煒盛電子科技有限公司
技術研發日：
技術公布日：2025/3/20