專(zhuān)利名稱(chēng)：集成溫度控制系統(tǒng)的微型直接甲醇燃料電池及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微能源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及集成溫度控制系統(tǒng)的微型直接甲醇燃 料電池及其制作方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是將燃料(如甲醇、氫氣等)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。隨 著便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展及其產(chǎn)品功能的增強(qiáng)，隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)布局的復(fù)
雜性增強(qiáng)，以及面向片上系統(tǒng)(soc)的微納系統(tǒng)對(duì)可集成微能源的需求，環(huán)保、
高效的微型燃料電池的研究與開(kāi)發(fā)正在成為世界范圍內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)。各種燃料電
池中，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)以其能量密度高(理論能量密度為鋰離子 電池的10倍以上)、可低溫工作、環(huán)保等特點(diǎn)而具有優(yōu)勢(shì)。其中以甲醇為燃料的 直接甲醇燃料電池(DMFC)成為微型能源的最佳候選者，因?yàn)樗速|(zhì)子交換 膜燃料電池的特點(diǎn)外，液體燃料儲(chǔ)存與輸運(yùn)方便的特點(diǎn)更為重要。利用成熟的微 機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制作的微型硅基燃料電池具有精度高，重復(fù)性好，可以 等比例縮放，批量生產(chǎn)成本低等的優(yōu)點(diǎn)，并有望同其他微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器 件和電路集成，促進(jìn)自供給、低成本、高性能的微型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
然而，微型直接甲醇燃料電池在低溫下并不具備最佳的性能，并且當(dāng)溫度低 于0'C時(shí)，由于液體燃料被冰凍成固態(tài)而停止工作。即使溫度回升使得燃料電池 重新工作，燃料液態(tài)與固態(tài)之間的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的體積變化對(duì)膜電極(MEA)結(jié)構(gòu)造 成損害，從而使得性能下降。這給微型直接甲醇燃料電池在便攜式電子產(chǎn)品中的 應(yīng)用帶來(lái)了很大的問(wèn)題，因?yàn)檫@些電子產(chǎn)品可能要在低溫環(huán)境中使用，比如冬季時(shí)節(jié)、極地地區(qū)。另外，過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子交換膜(PEM)脫水甚至磺酸根
分解，質(zhì)子交換膜僅能在一個(gè)相對(duì)狹窄的溫度范圍內(nèi)工作。所以對(duì)于微型直接甲 醇燃料電池來(lái)說(shuō)，保持一個(gè)合適的工作溫度是十分必要的，尤其是在一些極端的 環(huán)境中。本發(fā)明將溫度控制系統(tǒng)，包括一個(gè)微型加熱器和一個(gè)微型溫度傳感器，
集成在微型直接甲醇燃料電池中，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作溫度的控制。SuhaoHe等人報(bào)道了 一種使用金薄膜做溫度傳感器探測(cè)工作溫度的質(zhì)子交換膜燃料電池。但集成有完 整的溫度控制系統(tǒng)的燃料電池目前還沒(méi)有文章報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供集成溫度控制系統(tǒng)的微型直接甲醇燃料電池及其制作 方法。
集成溫度控制系統(tǒng)的微型直接甲醇燃料電池，電池內(nèi)部為三明治結(jié)構(gòu)，包括 陰極極板、陽(yáng)極極板和位于兩極板之間的膜電極，陰極極板和陽(yáng)極極板靠近膜電 極的一側(cè)為正面，另一側(cè)為背面，正面為微型溝道用來(lái)傳輸燃料；燃料電池外部 為電池載具和陽(yáng)極上蓋組成的電池外圍封裝夾具，其特征在于，將溫度控制系統(tǒng) 集成到微型直接甲醇燃料電池內(nèi)部，溫度控制系統(tǒng)由微型加熱器和微型溫度傳感 器組成；微型加熱器集成在陰極極板背面，微型溫度傳感器集成在陽(yáng)極極板背面， 或者，微型加熱器集成在陽(yáng)極極板背面，微型溫度傳感器集成在陰極極板背面， 微型加熱器和微型溫度傳感器均采用金屬制作，所述金屬為Pt、 Cu或Au;夾具 材料采用聚甲基丙烯酸甲酯。
集成溫度控制系統(tǒng)的微型直接甲醇燃料電池的制作方法，其特征在于，將微 型加熱器與微型溫度傳感器利用微機(jī)電系統(tǒng)工藝集成到微型直接甲醇燃料電池 內(nèi)部，在陽(yáng)極極板上集成微型溫度傳感器，在陰極極板上集成微型加熱器，或者， 在陽(yáng)極極板上集成微型加熱器，在陰極極板上集成微型溫度傳感器，該方法步驟如下，
(l)陰極極板和陽(yáng)極極板的制作采用相同的工藝，均通過(guò)下面八個(gè)步驟制作
(a) 在〈100〉晶向的雙拋硅片上兩面熱氧化生長(zhǎng)0.05 0.2pm的二氧化硅， 作為應(yīng)力緩沖層，再通過(guò)氣相沉積法，在壓力為20 40Pa下淀積0.1 0.3pm的 氮化硅作為體硅腐蝕掩蔽層；
(b) 應(yīng)用雙面光刻技術(shù)，在硅片的一面，采用正膠暗場(chǎng)的光刻板，光刻出燃料 進(jìn)出口和溝道區(qū)，此面為靠近膜電極的一側(cè)，為正面，然后在硅片背面，采用正 膠暗場(chǎng)的光刻板，做出與正面對(duì)應(yīng)的進(jìn)出口圖形，然后用反應(yīng)離子刻蝕去除光刻 暴露的氮化硅，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30 40%的氫氟酸按體積比氫氟酸:水=1: (50 200)配制的氫氟酸的水溶液去除光刻暴露的二氧化硅；
(c) 用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30 40%的KOH水溶液體硅腐蝕硅片兩側(cè)，當(dāng)腐蝕面相遇， 形成穿通的進(jìn)出口后及時(shí)停止，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30 40%的氫氟酸，50 100°C 水浴加熱，去除氮化硅和二氧化硅掩蔽層；
(d) 硅片兩面熱氧化生長(zhǎng)0.05 0.2pm的二氧化硅，作為微型加熱器或微型溫 度傳感器與硅片的絕緣層；
(e) 在硅片背面，采用正膠暗場(chǎng)的光刻板，做出微型加熱器或微型溫度傳感器 圖形；
(f) 在硅片背面濺射0.01 0.05pm的Ti，再濺射0.1 0.5pm的Pt、 Cu或Au， 其中，Ti為黏附層，Pt、 Cu或Au為微型加熱器層或微型溫度傳感器層，采用正 膠剝離技術(shù)，最終形成金屬圖形；
(g) 在硅片背面，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法淀積0.1 lpm的氮化硅做為鈍 化層覆蓋微型加熱器或微型溫度傳感器，用來(lái)保護(hù)金屬器件以及與外界絕緣，再 使用光刻，反應(yīng)離子刻蝕使露出引線端；(h)硅片正面濺射0.01 0.05pm的Ti作為粘附層，再濺射0.1 0.5pm的Pt
或Au作為電流收集層，得到集成了微型加熱器的極板或集成了微型溫度傳感器 的極板；
集成了微型加熱器的極板作為陰極極板，集成了微型溫度傳感器的極板作為 陽(yáng)極極板，或者集成了微型加熱器的極板作為陽(yáng)極極板，集成了微型溫度傳感器 的極板作為陰極極板；
(2)將步驟(1)制備的陰極極板和陽(yáng)極極板、膜電極、電池載具和陽(yáng)極上蓋組成 的電池外圍封裝夾具封裝成燃料電池，其中，夾具材料采用聚甲基丙烯酸甲酯。
本發(fā)明的有益效果為
集成在陰(陽(yáng))極極板的微型加熱器，可以放出熱量提高電池工作溫度；集成 在陽(yáng)(陰)極極板的微型溫度傳感器，可以探測(cè)電池工作溫度，整個(gè)溫控系統(tǒng)的 集成可以使燃料電池工作在理想溫度，該發(fā)明可以通過(guò)調(diào)整微型直接甲醇燃料電 池的工作溫度而使其性能提高，并且在低溫環(huán)境下仍然可以通過(guò)提高溫度使其工 作。


圖1是集成溫度控制系統(tǒng)的微型直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖2是極板結(jié)構(gòu)的截面圖3是陰陽(yáng)極板工藝制作流程圖中標(biāo)號(hào)
l-陰極極板；2-陽(yáng)極極板；3-碳紙；4-質(zhì)子交換膜；5-膜電極同硅極板間的 PDMS密封墊圈；6-固定燃料導(dǎo)管的PDMS塊；7-電池載具；8-陽(yáng)極上蓋；9-螺 絲；10-正面帶有溝道的硅片；ll-二氧化硅；12-微型溫度加熱器或微型溫度傳感 器；13-氮化硅。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明-實(shí)施例1
集成溫度控制系統(tǒng)的微型直接甲醇燃料電池，電池內(nèi)部為三明治結(jié)構(gòu)，包括 陰極極板、陽(yáng)極極板和位于兩極板之間的膜電極，陰極極板和陽(yáng)極極板靠近膜電 極的一側(cè)為正面，另一側(cè)為背面，正面為微型溝道用來(lái)傳輸燃料；燃料電池外部 為電池載具和陽(yáng)極上蓋組成的電池外圍封裝夾具，將溫度控制系統(tǒng)集成到微型直 接甲醇燃料電池內(nèi)部，溫度控制系統(tǒng)由微型加熱器和微型溫度傳感器組成；微型 加熱器集成在陰極極板背面，微型溫度傳感器集成在陽(yáng)極極板背面，微型加熱器 和微型溫度傳感器均采用金屬Pt制作；夾具材料采用聚甲基丙烯酸甲酯
(PMMA)，較之前采用的鋁合金夾具，由于聚甲基丙烯酸甲酯的熱導(dǎo)系數(shù)低， 更有利于減小表面散熱及維持電池的工作溫度。
集成溫度控制系統(tǒng)的微型直接甲醇燃料電池的制作方法，將微型加熱器與微 型溫度傳感器利用微機(jī)電系統(tǒng)工藝集成到微型直接甲醇燃料電池內(nèi)部，在陽(yáng)極極 板上集成微型溫度傳感器，在陰極極板上集成微型加熱器，該方法步驟如下，
(l)陰極極板通過(guò)下面八個(gè)歩驟制作
(a) 在〈100〉晶向的雙拋硅片上兩面熱氧化生長(zhǎng)0.1(im的二氧化硅(溫度1100 °C，常壓，通入氧氣)，作為應(yīng)力緩沖層，再通過(guò)氣相沉積法，在壓力為25Pa下 淀積0.2|im的氮化硅作為體硅腐蝕掩蔽層；
(b) 應(yīng)用雙面光刻技術(shù)，在硅片的一面，采用正膠暗場(chǎng)的光刻板，光刻出燃料 進(jìn)出口和溝道區(qū)，此面為靠近膜電極的一側(cè)，為正面，然后在硅片背面，采用正 膠暗場(chǎng)的光刻板，做出與正面對(duì)應(yīng)的進(jìn)出口圖形，然后用反應(yīng)離子刻蝕去除光刻 暴露的氮化硅，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的氫氟酸按體積比氫氟酸:水=1:100配制的氫氟酸的水溶液去除光刻暴露的二氧化硅；
(c) 用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33。/。的KOH水溶液體硅腐蝕硅片兩側(cè)，當(dāng)腐蝕面相遇，形 成穿通的進(jìn)出口后及時(shí)停止，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的氫氟酸，IO(TC水浴加熱， 去除氮化硅和二氧化硅掩蔽層；
(d) 硅片兩面熱氧化生長(zhǎng)O.lpm的—氧化硅，作為微型加熱器與硅片的絕緣
層；
(e) 在硅片背面，采用正膠暗場(chǎng)的光刻板，做出微型加熱器圖形；
(f) 在硅片背面濺射0.02|im的Ti，再濺射0.18pm的Pt，其中，Ti為黏附層， Pt為微型加熱器層(加熱層)，采用正膠剝離技術(shù)，最終形成金屬圖形；
(g) 在硅片背面，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法淀積0.3pm的氮化硅做為鈍化層 覆蓋微型加熱器，用來(lái)保護(hù)金屬器件以及與外界絕緣，再使用光刻，反應(yīng)離子刻 蝕使露出引線端；
(h) 硅片正面濺射0.02(im的Ti作為粘附層，再濺射0.18(xm的Pt作為電流收 集層，得到集成了微型加熱器的極板，將此極板作為陰極極板；
(2)陽(yáng)極極板通過(guò)下面八個(gè)步驟制作
(a) 在〈100〉晶向的雙拋硅片上兩面熱氧化生長(zhǎng)0.1jam的二氧化硅(溫度1100 °C，常壓，通入氧氣)，作為應(yīng)力緩沖層，再通過(guò)氣相沉積法，在壓力為25Pa下 淀積0.2)am的氮化硅作為體硅腐蝕掩蔽層；
(b) 應(yīng)用雙面光刻技術(shù)，在硅片的一面，采用正膠暗場(chǎng)的光刻板，光刻出燃料 進(jìn)出口和溝道區(qū)，此面為靠近膜電極的一側(cè)，為正面，然后在硅片背面，采用正 膠暗場(chǎng)的光刻板，做出與正面對(duì)應(yīng)的進(jìn)出口圖形，然后用反應(yīng)離子刻蝕去除光刻 暴露的氮化硅，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的氫氟酸按體積比氫氟酸:水=1:100配制的 氫氟酸的水溶液去除光刻暴露的二氧化硅；(c) 用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33Yo的KOH水溶液體硅腐蝕硅片兩側(cè)，當(dāng)腐蝕面相遇，形 成穿通的進(jìn)出口后及時(shí)停止，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的氫氟酸，IO(TC水浴加熱， 去除氮化硅和二氧化硅掩蔽層；
(d) 硅片兩面熱氧化生長(zhǎng)O.lpm的二氧化硅，作為微型溫度傳感器與硅片的絕 緣層；
(e) 在硅片背面，采用正膠暗場(chǎng)的光刻板，做出微型溫度傳感器圖形；
(f) 在硅片背面濺射0.02pm的Ti，再濺射0.18pm的Pt，其中，Ti為黏附層， Pt為微型溫度傳感器層，采用正膠剝離技術(shù)，最終形成金屬圖形；
(g) 在硅片背面，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法淀積0.3pm的氮化硅做為鈍化層 覆蓋微型溫度傳感器，用來(lái)保護(hù)金屬器件以及與外界絕緣，再使用光刻，反應(yīng)離 子刻蝕使露出引線端；
(h) 硅片正面濺射0.02pm的Ti作為粘附層，再濺射0.18pm的Pt作為電流收 集層，得到集成了微型溫度傳感器的極板，將此極板作為陽(yáng)極極板，陰陽(yáng)極板工 藝制作流程圖如圖3所示；
(3)將步驟(1)制備的陰極極板、步驟(2)制備的陽(yáng)極極板、膜電極、電池載具和 陽(yáng)極上蓋組成的電池外圍封裝夾具封裝成燃料電池，其中，夾具材料采用聚甲基 丙烯酸甲酯；封裝過(guò)程主要分為三歩
(a) 陽(yáng)極極板2和陽(yáng)極上蓋8的封裝陽(yáng)極極板2通過(guò)PDMS (PDMS是一種 聚合物，為聚二甲基硅氧烷)薄膜同陽(yáng)極上蓋直接粘附，燃料進(jìn)出管固定在PDMS 塊6中，在PDMS固定塊6與PDMS膜之間以及導(dǎo)管與PDMS固定塊交點(diǎn)周?chē)?采用液態(tài)PDMS固化的方法固定；
(b) 陰極極板1同電池載具7的封裝陰極極板為自吸氧陰極極板，將PDMS 緩沖膜，陰極極板l，和兩側(cè)粘附有PDMS密封圈5的膜電極依次放入電池載具7中，并調(diào)整位置，其中，膜電極由兩塊涂有催化劑的碳紙3和夾在中間的質(zhì)子 交換膜4構(gòu)成，陽(yáng)極催化劑使用Pt-Rll合金，陰極催化劑使用金屬Pt;
(c)將(a)和(b)封裝好的組件對(duì)接，并用螺絲9固定，完成整個(gè)電池的封裝。 圖1是集成溫度控制系統(tǒng)的微型直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖，陰極極板1 緊靠膜電極一側(cè)，內(nèi)部微型溝道用于從外部向膜電極輸送氧氣燃料(稱(chēng)其為陰極 極板正面)，陽(yáng)極極板2緊靠膜電極一側(cè)，與陰極極板正面類(lèi)似，內(nèi)部微型溝道 用于從外部向膜電極輸送液態(tài)甲醇燃料(稱(chēng)其為陽(yáng)極極板正面)。陰極極板與陽(yáng) 極極板的正面都淀積有金屬層用來(lái)收集、傳導(dǎo)電流。電池封裝中使用的PDMS部 件，分別用于:膜電極同硅極板之間形成的密封墊圈5以及固定燃料導(dǎo)管的PDMS 塊6。
圖2是極板結(jié)構(gòu)的截面圖，10是iH面帶有溝道的硅片，二氧化硅ll做為硅 片與微型溫度加熱器或微型溫度傳感器12之間的絕緣層，微型溫度加熱器或微 型溫度傳感器12濺射在極板背面，氮化硅13做為鈍化層將微型溫度加熱器或微 型溫度傳感器結(jié)構(gòu)覆蓋。為了更好的實(shí)現(xiàn)溫度控制，將微型溫度加熱器或微型溫 度傳感器設(shè)計(jì)在了與正面有效面積對(duì)應(yīng)的區(qū)域，這樣提高了加熱效率，測(cè)溫更加 準(zhǔn)確。
集成在陰極極板的微型加熱器，可以放出熱量提高電池工作溫度；集成在陽(yáng) 極極板的微型溫度傳感器，可以探測(cè)電池工作溫度，整個(gè)溫控系統(tǒng)的集成可以使 燃料電池工作在理想溫度，該發(fā)明可以通過(guò)調(diào)整微型直接甲醇燃料電池的工作溫 度而使其性能提高，并且在低溫環(huán)境下仍然可以通過(guò)提高溫度使其工作。
實(shí)施例2
集成溫度控制系統(tǒng)的微型直接甲醇燃料電池，電池內(nèi)部為三明治結(jié)構(gòu)，包括 陰極極板、陽(yáng)極極板和位于兩極板之間的膜電極，陰極極板和陽(yáng)極極板靠近膜電極的一側(cè)為正面，另一側(cè)為背面，正面為微型溝道用來(lái)傳輸燃料；燃料電池外部 為電池載具和陽(yáng)極上蓋組成的電池外圍封裝夾具，將溫度控制系統(tǒng)集成到微型直
接甲醇燃料電池內(nèi)部，溫度控制系統(tǒng)由微型加熱器和微型溫度傳感器組成；微型 溫度傳感器集成在陰極極板背面，微型加熱器集成在陽(yáng)極極板背面，微型加熱器
和微型溫度傳感器均采用金屬All制作；夾具材料采用聚甲基丙烯酸甲酯
(PMMA)，較之前采用的鋁合金夾具，由于聚甲基丙烯酸甲酯的熱導(dǎo)系數(shù)低， 更有利于減小表面散熱及維持電池的工作溫度。
集成溫度控制系統(tǒng)的微型直接甲醇燃料電池的制作方法，將微型加熱器與微 型溫度傳感器利用微機(jī)電系統(tǒng)工藝集成到微型直接甲醇燃料電池內(nèi)部，在陽(yáng)極極 板上集成微型加熱器，在陰極極板上集成微型溫度傳感器，該方法步驟如下，
(l)陰極極板通過(guò)下面八個(gè)步驟制作
(a) 在〈100〉晶向的雙拋硅片上兩面熱氧化生長(zhǎng)0.15pm的二氧化硅(溫度 1200°C，常壓，通入氧氣)，作為應(yīng)力緩沖層，再通過(guò)氣相沉積法，在壓力為30Pa 下淀積0.3pm的氮化硅作為體硅腐蝕掩蔽層；
(b) 應(yīng)用雙面光刻技術(shù)，在硅片的一面，采用正膠暗場(chǎng)的光刻板，光刻出燃料 進(jìn)出口和溝道區(qū)，此面為靠近膜電極的一側(cè)，為正面，然后在硅片背面，采用正 膠暗場(chǎng)的光刻板，做出與正面對(duì)應(yīng)的進(jìn)出口圖形，然后用反應(yīng)離子刻蝕去除光刻 暴露的氮化硅，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸按體積比氫氟酸:水=1:150的氫氟 酸的水溶液去除光刻暴露的一氧化硅；
(c) 用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40。/。的KOH水溶液體硅腐蝕硅片兩側(cè)，當(dāng)腐蝕面相遇，形 成穿通的進(jìn)出口后及時(shí)停止，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸，90。C水浴加熱，去 除氮化硅和二氧化硅掩蔽層；
(d) 硅片兩面熱氧化生長(zhǎng)0.15pm的二氧化硅，作為微型溫度傳感器與硅片的絕緣層；
(e) 在硅片背面，采用正膠暗場(chǎng)的光刻板，做出微型溫度傳感器圖形；
(f) 在硅片背面濺射0.04pm的Ti，再濺射0.4pm的Au，其中，Ti為黏附層， Au為微型溫度傳感器層(測(cè)溫層)，釆用正膠剝離技術(shù)，最終形成金屬圖形；
(g) 在硅片背面，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法淀積0.5|_im的氮化硅做為鈍化層 覆蓋微型溫度傳感器，用來(lái)保護(hù)金屬器件以及與外界絕緣，再使用光刻，反應(yīng)離 子刻蝕使露出引線端；
(h) 硅片正面濺射0.04pm的Ti作為粘附層，再濺射0.4pm的Au作為電流收 集層，得到集成了微型溫度傳感器的極板，將此極板作為陰極極板；
(2)陽(yáng)極極板通過(guò)下面八個(gè)步驟制作
(a) 在〈100〉晶向的雙拋硅片上兩面熱氧化生長(zhǎng)0.15pm的二氧化硅(溫度 1200°C，常壓，通入氧氣)，作為應(yīng)力緩沖層，再通過(guò)氣相沉積法，在壓力為30Pa 下淀積0.3|im的氮化硅作為體硅腐蝕掩蔽層；
(b) 應(yīng)用雙面光刻技術(shù)，在硅片的.面，采用正膠暗場(chǎng)的光刻板，光刻出燃料 進(jìn)出口和溝道區(qū)，此面為靠近膜電極的一側(cè)，為正面，然后在硅片背面，采用正 膠暗場(chǎng)的光刻板，做出與正面對(duì)應(yīng)的進(jìn)出口圖形，然后用反應(yīng)離子刻蝕去除光刻 暴露的氮化硅，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸按體積比氫氟酸:水=1:150的氫氟 酸的水溶液去除光刻暴露的二氧化硅；
(c) 用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40。/。的KOH水溶液體硅腐蝕硅片兩側(cè)，當(dāng)腐蝕面相遇，形 成穿通的進(jìn)出口后及時(shí)停止，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸，9(TC水浴加熱，去 除氮化硅和二氧化硅掩蔽層；
(d) 硅片兩面熱氧化生長(zhǎng)0.15nm的二氧化硅，作為微型加熱器與硅片的絕緣
層；(e;i在硅片背面，采用正膠暗場(chǎng)的光刻板，做出微型加熱器圖形； (f)在硅片背面濺射0.04pm的Ti，再濺射0.4pm的Au，其中，Ti為黏附層，
Au為微型加熱器層(加熱層)，采用正膠剝離技術(shù)，最終形成金屬圖形；
fe)在硅片背面，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法淀積0.5pm的氮化硅做為鈍化層
覆蓋微型加熱器，用來(lái)保護(hù)金屬器件以及與外界絕緣，再使用光刻，反應(yīng)離子刻
蝕使露出引線端；
(h)硅片正面濺射0.04pm的Ti作為粘附層，再濺射0.4pm的Au作為電流收 集層，得到集成了微型加熱器的極板，將此極板作為陽(yáng)極極板，陰陽(yáng)極板工藝制 作流程圖如圖3所示；
(3)將歩驟(1)制備的陰極極板、步驟(2)制備的陽(yáng)極極板、膜電極、電池載具和 陽(yáng)極上蓋組成的電池外圍封裝夾具封裝成燃料電池，其屮，夾具材料采用聚甲基 丙烯酸甲酯；電池封裝過(guò)程與實(shí)施例l相同。
集成在陽(yáng)極極板的微型加熱器，可以放出熱量提高電池工作溫度；集成在陰 極極板的微型溫度傳感器，可以探測(cè)電池工作溫度，整個(gè)溫控系統(tǒng)的集成可以使 燃料電池工作在理想溫度，該發(fā)明可以通過(guò)調(diào)整微型直接甲醇燃料電池的工作溫 度而使其性能提高，并且在低溫環(huán)境下仍然可以通過(guò)提高溫度使其工作。
權(quán)利要求
1、集成溫度控制系統(tǒng)的微型直接甲醇燃料電池，電池內(nèi)部為三明治結(jié)構(gòu)，包括陰極極板、陽(yáng)極極板和位于兩極板之間的膜電極，陰極極板和陽(yáng)極極板靠近膜電極的一側(cè)為正面，另一側(cè)為背面，正面為微型溝道用來(lái)傳輸燃料；燃料電池外部為電池載具和陽(yáng)極上蓋組成的電池外圍封裝夾具，其特征在于，將溫度控制系統(tǒng)集成到微型直接甲醇燃料電池內(nèi)部，溫度控制系統(tǒng)由微型加熱器和微型溫度傳感器組成；微型加熱器集成在陰極極板背面，微型溫度傳感器集成在陽(yáng)極極板背面，或者，微型加熱器集成在陽(yáng)極極板背面，微型溫度傳感器集成在陰極極板背面，微型加熱器和微型溫度傳感器均采用金屬制作，所述金屬為Pt、Cu或Au；夾具材料采用聚甲基丙烯酸甲酯。
2、 集成溫度控制系統(tǒng)的微型直接甲醇燃料電池的制作方法，其特征在于， 將微型加熱器與微型溫度傳感器利用微機(jī)電系統(tǒng)工藝集成到微型直接甲醇燃料 電池內(nèi)部，在陽(yáng)極極板上集成微型溫度傳感器，在陰極極板上集成微型加熱器， 或者，在陽(yáng)極極板上集成微型加熱器，在陰極極板上集成微型溫度傳感器，該方 法步驟如下，(l)陰極極板和陽(yáng)極極板的制作采用相同的工藝，均通過(guò)下面八個(gè)步驟制作(a) 在〈100〉晶向的雙拋硅片上兩面熱氧化生長(zhǎng)0.05 0.2pm的二氧化硅， 作為應(yīng)力緩沖層，再通過(guò)氣相沉積法，在壓力為20 40Pa下淀積0.1 0.3pm的 氮化硅作為體硅腐蝕掩蔽層；(b) 應(yīng)用雙面光刻技術(shù)，在硅片的一面，采用正膠暗場(chǎng)的光刻板，光刻出燃料 進(jìn)出口和溝道區(qū)，此面為靠近膜電極的一側(cè)，為正面，然后在硅片背面，采用正 膠暗場(chǎng)的光刻板，做出與正面對(duì)應(yīng)的進(jìn)出口圖形，然后用反應(yīng)離子刻蝕去除光刻 暴露的氮化硅，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30 40%的氫氟酸按體積比氫氟酸:水=1: (50 200)配制的氫氟酸的水溶液去除光刻暴露的二氧化硅；(c) 用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30 40%的KOH水溶液體硅腐蝕硅片兩側(cè)，當(dāng)腐蝕面相遇， 形成穿通的進(jìn)出口后及時(shí)停止，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30 40%的氫氟酸，50 100°C 水浴加熱，去除氮化硅和二氧化硅掩蔽層；(d) 硅片兩面熱氧化生長(zhǎng)0.05 0.2pm的二氧化硅，作為微型加熱器或微型溫 度傳感器與硅片的絕緣層；(e) 在硅片背面，采用正膠暗場(chǎng)的光刻板，做出微型加熱器或微型溫度傳感器 圖形；(f) 在硅片背面濺射0.01 0.05pm的Ti，再濺射0.1 0.5nm的Pt、 Cu或Au， 其中，Ti為黏附層，Pt、 Cu或Au為微型加熱器層或微型溫度傳感器層，采用正 膠剝離技術(shù)，最終形成金屬圖形；(g) 在硅片背面，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法淀積0.1 lpm的氮化硅做為鈍 化層覆蓋微型加熱器或微型溫度傳感器，用來(lái)保護(hù)金屬器件以及與外界絕緣，再 使用光刻，反應(yīng)離子刻蝕使露出引線端；(h) 硅片正面濺射0.01 0.05pm的Ti作為粘附層，再濺射0.1 0.5pm的Pt 或Au作為電流收集層，得到集成了微型加熱器的極板或集成了微型溫度傳感器 的極板；集成了微型加熱器的極板作為陰極極板，集成了微型溫度傳感器的極板作為 陽(yáng)極極板，或者集成了微型加熱器的極板作為陽(yáng)極極板，集成了微型溫度傳感器 的極板作為陰極極板；(2)將步驟(1)制備的陰極極板和陽(yáng)極極板、膜電極、電池載具和陽(yáng)極上蓋組成 的電池外圍封裝夾具封裝成燃料電池，其中，夾具材料采用聚甲基丙烯酸甲酯。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于微能源技術(shù)領(lǐng)域的集成溫度控制系統(tǒng)的微型直接甲醇燃料電池及其制作方法。該電池將溫度控制系統(tǒng)集成到微型直接甲醇燃料電池內(nèi)部，溫度控制系統(tǒng)由微型加熱器和微型溫度傳感器組成；微型加熱器集成在陰極極板背面，微型溫度傳感器集成在陽(yáng)極極板背面，或者，微型加熱器集成在陽(yáng)極極板背面，微型溫度傳感器集成在陰極極板背面；制作方法為將微型加熱器與微型溫度傳感器利用微機(jī)電系統(tǒng)工藝集成到微型直接甲醇燃料電池內(nèi)部。微型加熱器可以放出熱量提高電池工作溫度；微型溫度傳感器可以探測(cè)電池工作溫度，該發(fā)明可以通過(guò)調(diào)整微型直接甲醇燃料電池的工作溫度而使其性能提高，并且在低溫環(huán)境下仍然可以通過(guò)提高溫度使其工作。
文檔編號(hào)G05D23/19GK101533922SQ20091008128
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者劉理天, 謙 張, 王曉紅 申請(qǐng)人:清華大學(xué)