專利名稱：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
技術領域：
本發(fā)明屬于微能源技術領域，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：
燃料電池是將燃料(如甲醇、氫氣等)的化學能直接轉(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，隨著無線傳感網(wǎng)絡布局的復
雜性增強，以及面向片上系統(tǒng)(soc)的微納系統(tǒng)對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發(fā)正在成為世界范圍內(nèi)關注的熱點。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)保等特點而具有優(yōu)勢。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，因為它除了質(zhì)子交換 膜燃料電池的特點外，液體燃料儲存與輸運方便的特點更為重要。利用成熟的微 機電系統(tǒng)(MEMS)技術制作的微型硅基燃料電池具有精度高，重復性好，可以 等比例縮放，批量生產(chǎn)成本低等的優(yōu)點，并有望同其他微機電系統(tǒng)(MEMS)器 件和電路集成，促進自供給、低成本、高性能的微型系統(tǒng)的實現(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，并且當溫度低 于0'C時，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)變導致的體積變化對膜電極(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 應用帶來了很大的問題，因為這些電子產(chǎn)品可能要在低溫環(huán)境中使用，比如冬季時節(jié)、極地地區(qū)。另外，過高的溫度會導致質(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相對狹窄的溫度范圍內(nèi)工作。所以對于微型直接甲 醇燃料電池來說，保持一個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)，包括一個微型加熱器和一個微型溫度傳感器，
集成在微型直接甲醇燃料電池中，實現(xiàn)對工作溫度的控制。SuhaoHe等人報道了 一種使用金薄膜做溫度傳感器探測工作溫度的質(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有文章報道。
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、陽極極板和位于兩極板之間的膜電極，陰極極板和陽極極板靠近膜電 極的一側(cè)為正面，另一側(cè)為背面，正面為微型溝道用來傳輸燃料；燃料電池外部 為電池載具和陽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極極板背面， 或者，微型加熱器集成在陽極極板背面，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電系統(tǒng)工藝集成到微型直接甲醇燃料電池 內(nèi)部，在陽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)陰極極板和陽極極板的制作采用相同的工藝，均通過下面八個步驟制作
(a) 在〈100〉晶向的雙拋硅片上兩面熱氧化生長0.05 0.2pm的二氧化硅， 作為應力緩沖層，再通過氣相沉積法，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) 應用雙面光刻技術，在硅片的一面，采用正膠暗場的光刻板，光刻出燃料 進出口和溝道區(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 膠暗場的光刻板，做出與正面對應的進出口圖形，然后用反應離子刻蝕去除光刻 暴露的氮化硅，并用質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為30 40%的KOH水溶液體硅腐蝕硅片兩側(cè)，當腐蝕面相遇， 形成穿通的進出口后及時停止，使用質(zhì)量分數(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，最終形成金屬圖形；
(g) 在硅片背面，等離子增強化學氣相沉積法淀積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，用來保護金屬器件以及與外界絕緣，再 使用光刻，反應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 陽極極板，或者集成了微型加熱器的極板作為陽極極板，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極極板、膜電極、電池載具和陽極上蓋組成 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)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(陰)極極板的微型溫度傳感器，可以探測電池工作溫度，整個溫控系統(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是陰陽極板工藝制作流程圖中標號
l-陰極極板；2-陽極極板；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-固定燃料導管的PDMS塊；7-電池載具；8-陽極上蓋；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。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明-實施例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、陽極極板和位于兩極板之間的膜電極，陰極極板和陽極極板靠近膜電 極的一側(cè)為正面，另一側(cè)為背面，正面為微型溝道用來傳輸燃料；燃料電池外部 為電池載具和陽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電系統(tǒng)工藝集成到微型直接甲醇燃料電池內(nèi)部，在陽極極 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)陰極極板通過下面八個歩驟制作
(a) 在〈100〉晶向的雙拋硅片上兩面熱氧化生長0.1(im的二氧化硅(溫度1100 °C，常壓，通入氧氣)，作為應力緩沖層，再通過氣相沉積法，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) 應用雙面光刻技術，在硅片的一面，采用正膠暗場的光刻板，光刻出燃料 進出口和溝道區(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 膠暗場的光刻板，做出與正面對應的進出口圖形，然后用反應離子刻蝕去除光刻 暴露的氮化硅，并用質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為33。/。的KOH水溶液體硅腐蝕硅片兩側(cè)，當腐蝕面相遇，形 成穿通的進出口后及時停止，使用質(zhì)量分數(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，最終形成金屬圖形；
(g) 在硅片背面，等離子增強化學氣相沉積法淀積0.3pm的氮化硅做為鈍化層 覆蓋微型加熱器，用來保護金屬器件以及與外界絕緣，再使用光刻，反應離子刻 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)陽極極板通過下面八個步驟制作
(a) 在〈100〉晶向的雙拋硅片上兩面熱氧化生長0.1jam的二氧化硅(溫度1100 °C，常壓，通入氧氣)，作為應力緩沖層，再通過氣相沉積法，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) 應用雙面光刻技術，在硅片的一面，采用正膠暗場的光刻板，光刻出燃料 進出口和溝道區(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 膠暗場的光刻板，做出與正面對應的進出口圖形，然后用反應離子刻蝕去除光刻 暴露的氮化硅，并用質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為33Yo的KOH水溶液體硅腐蝕硅片兩側(cè)，當腐蝕面相遇，形 成穿通的進出口后及時停止，使用質(zhì)量分數(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，最終形成金屬圖形；
(g) 在硅片背面，等離子增強化學氣相沉積法淀積0.3pm的氮化硅做為鈍化層 覆蓋微型溫度傳感器，用來保護金屬器件以及與外界絕緣，再使用光刻，反應離 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，將此極板作為陽極極板，陰陽極板工 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)制備的陽極極板、膜電極、電池載具和 陽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；封裝過程主要分為三歩
(a) 陽極極板2和陽極上蓋8的封裝陽極極板2通過PDMS (PDMS是一種 聚合物，為聚二甲基硅氧烷)薄膜同陽極上蓋直接粘附，燃料進出管固定在PDMS 塊6中，在PDMS固定塊6與PDMS膜之間以及導管與PDMS固定塊交點周圍 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)封裝好的組件對接，并用螺絲9固定，完成整個電池的封裝。 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(稱其為陰極 極板正面)，陽極極板2緊靠膜電極一側(cè)，與陰極極板正面類似，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(稱其為陽極極板正面)。陰極極板與陽 極極板的正面都淀積有金屬層用來收集、傳導電流。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。為了更好的實現(xiàn)溫度控制，將微型溫度加熱器或微型溫 度傳感器設計在了與正面有效面積對應的區(qū)域，這樣提高了加熱效率，測溫更加 準確。
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 極極板的微型溫度傳感器，可以探測電池工作溫度，整個溫控系統(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)境下仍然可以通過提高溫度使其工作。
實施例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、陽極極板和位于兩極板之間的膜電極，陰極極板和陽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傳輸燃料；燃料電池外部 為電池載具和陽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電系統(tǒng)工藝集成到微型直接甲醇燃料電池內(nèi)部，在陽極極 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)陰極極板通過下面八個步驟制作
(a) 在〈100〉晶向的雙拋硅片上兩面熱氧化生長0.15pm的二氧化硅(溫度 1200°C，常壓，通入氧氣)，作為應力緩沖層，再通過氣相沉積法，在壓力為30Pa 下淀積0.3pm的氮化硅作為體硅腐蝕掩蔽層；
(b) 應用雙面光刻技術，在硅片的一面，采用正膠暗場的光刻板，光刻出燃料 進出口和溝道區(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 膠暗場的光刻板，做出與正面對應的進出口圖形，然后用反應離子刻蝕去除光刻 暴露的氮化硅，并用質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為40。/。的KOH水溶液體硅腐蝕硅片兩側(cè)，當腐蝕面相遇，形 成穿通的進出口后及時停止，使用質(zhì)量分數(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(測溫層)，釆用正膠剝離技術，最終形成金屬圖形；
(g) 在硅片背面，等離子增強化學氣相沉積法淀積0.5|_im的氮化硅做為鈍化層 覆蓋微型溫度傳感器，用來保護金屬器件以及與外界絕緣，再使用光刻，反應離 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)陽極極板通過下面八個步驟制作
(a) 在〈100〉晶向的雙拋硅片上兩面熱氧化生長0.15pm的二氧化硅(溫度 1200°C，常壓，通入氧氣)，作為應力緩沖層，再通過氣相沉積法，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) 應用雙面光刻技術，在硅片的.面，采用正膠暗場的光刻板，光刻出燃料 進出口和溝道區(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 膠暗場的光刻板，做出與正面對應的進出口圖形，然后用反應離子刻蝕去除光刻 暴露的氮化硅，并用質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為40。/。的KOH水溶液體硅腐蝕硅片兩側(cè)，當腐蝕面相遇，形 成穿通的進出口后及時停止，使用質(zhì)量分數(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，最終形成金屬圖形；
fe)在硅片背面，等離子增強化學氣相沉積法淀積0.5pm的氮化硅做為鈍化層
覆蓋微型加熱器，用來保護金屬器件以及與外界絕緣，再使用光刻，反應離子刻
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，將此極板作為陽極極板，陰陽極板工藝制 作流程圖如圖3所示；
(3)將歩驟(1)制備的陰極極板、步驟(2)制備的陽極極板、膜電極、電池載具和 陽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；電池封裝過程與實施例l相同。
集成在陽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，可以探測電池工作溫度，整個溫控系統(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)境下仍然可以通過提高溫度使其工作。
權利要求
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、陽極極板和位于兩極板之間的膜電極，陰極極板和陽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傳輸燃料；燃料電池外部為電池載具和陽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極極板背面，或者，微型加熱器集成在陽極極板背面，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電系統(tǒng)工藝集成到微型直接甲醇燃料 電池內(nèi)部，在陽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)陰極極板和陽極極板的制作采用相同的工藝，均通過下面八個步驟制作(a) 在〈100〉晶向的雙拋硅片上兩面熱氧化生長0.05 0.2pm的二氧化硅， 作為應力緩沖層，再通過氣相沉積法，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) 應用雙面光刻技術，在硅片的一面，采用正膠暗場的光刻板，光刻出燃料 進出口和溝道區(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 膠暗場的光刻板，做出與正面對應的進出口圖形，然后用反應離子刻蝕去除光刻 暴露的氮化硅，并用質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為30 40%的KOH水溶液體硅腐蝕硅片兩側(cè)，當腐蝕面相遇， 形成穿通的進出口后及時停止，使用質(zhì)量分數(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，最終形成金屬圖形；(g) 在硅片背面，等離子增強化學氣相沉積法淀積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，用來保護金屬器件以及與外界絕緣，再 使用光刻，反應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 陽極極板，或者集成了微型加熱器的極板作為陽極極板，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極極板、膜電極、電池載具和陽極上蓋組成 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)明公開了屬于微能源技術領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極極板背面，或者，微型加熱器集成在陽極極板背面，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電池工作溫度，該發(fā)明可以通過調(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)境下仍然可以通過提高溫度使其工作。
文檔編號G05D23/19GK101533922SQ20091008128
公開日2009年9月16日 申請日期2009年3月31日 優(yōu)先權日2009年3月31日
發(fā)明者劉理天, 謙 張, 王曉紅 申請人:清華大學