MEMS結(jié)構(gòu)科普:氧傳感器知識(shí)研究

圖1是MEMS 結(jié)構(gòu)氧傳感器的示意圖。在P型硅襯底上熱氧化生長(zhǎng)SiO2 隔離層，采用LPCVD設(shè)備生長(zhǎng)多晶硅并光刻加熱電阻。為了控制加熱電阻的阻值，在多晶硅中摻入P。然后使用LPCVD法，在襯底正反兩面淀積Si3 N4 層，背面刻蝕腐蝕窗口，利用各向異性腐蝕技術(shù)刻蝕出硅杯。正面蒸Pt光刻得到叉指檢測(cè)電極。然后利用鈦靶采用交流磁控濺射鍍膜法，在檢測(cè)電極上生長(zhǎng)TiO2 敏感薄膜。可看到，該MEMS 結(jié)構(gòu)氧傳感器利用敏感膜下的磷多晶硅電阻作加熱器，采用了MEMS 的深刻蝕工藝， 從而減少器件的熱容量，降低功耗。把檢測(cè)電極和加熱電極合理設(shè)計(jì)成一體化器件，可以集成化生產(chǎn)、批量制作。整個(gè)芯片的尺寸為3 mm×3mm×0 .54 mm ，膜片厚度約為2 .5 μm，硅杯的杯底膜片尺寸為1 .4 mm× 1 .4 mm， 敏感膜片大小為0 .72mm×0 .72 mm。MEMS 結(jié)構(gòu)的TiO2 氧傳感器的工藝流程圖如圖2 所示。

TiO2 是寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度在3 eV 以上。在真空制備TiO2 半導(dǎo)體時(shí)，當(dāng)氧分壓較低時(shí)，在TiO2 中產(chǎn)生大量的氧空位，構(gòu)成N 型半導(dǎo)體 。TiO2 薄膜的氧敏機(jī)理是作為施主中心的氧空位隨外界氧分壓的變化而變化，從而引起了材料電阻率的變化。氧空位的變化是通過TiO2 表面的氧吸附平衡而實(shí)現(xiàn)的。TiO2 表面對(duì)氧氣的吸附過程首先是氧吸附于TiO2 表面的物理吸附，然后過渡到化學(xué)吸附，最后進(jìn)入常晶格的氧位置。隨著氧分壓的上升，TiO2 吸附的氧越來越多，氧空位也越來越少，所以電阻也逐漸增大。利用質(zhì)量作用關(guān)系，得到二氧化鈦的電導(dǎo)率與氧分壓P 的關(guān)系為：σ = Aμn eP^（- 1/x）

其中：A是質(zhì)量作用常數(shù)，是和氧空位濃度有關(guān)的系數(shù);σ是TiO2 的電導(dǎo)率;μn 是電子遷移率;P 為氧分壓;隨著離子缺陷的本質(zhì)及電離情況，x 的值在4～6 之間變化。

交流磁控濺射鍍膜法是在磁場(chǎng)的控制下，利用高壓電場(chǎng)使惰性氣體輝光放電產(chǎn)生電離，電離產(chǎn)生的正離子高速轟擊靶材，使靶材上的鈦原子濺射出來，濺射出的鈦原子與反應(yīng)氣體O2 反應(yīng)，在基板上沉積出TiO2 薄膜。

我們?cè)贘GP - 350 磁控濺射儀中用高純鈦板作靶材，其直徑為60 mm，厚度為4 mm，靶與襯底間距為60 mm，反應(yīng)磁控濺射用頻率為13 .56 MHz。工作氣體為純度99 .99 % 的Ar 和99 .99 % 的O2 。采用質(zhì)量流量控制器來控制反應(yīng)氣體O2 的流量，同時(shí)使用壓電閥來控制真空腔內(nèi)的工作氣體氣壓。利用復(fù)合壓強(qiáng)控制儀來控制壓電閥和真空計(jì)，使得氣體壓強(qiáng)及流量控制非常穩(wěn)定。氣體比例為O2 ：Ar= 1 ：2 保持恒定。反應(yīng)室預(yù)真空為10^（- 3） Pa。濺射時(shí)工作氣壓為70 Pa。試樣基體為單晶硅片，鍍膜前用丙酮超聲波清洗，后再用去離子水漂洗、烘干。襯底采用水冷卻，用熱電偶測(cè)量其溫度值。此時(shí)得到的是無定型的二氧化鈦薄膜，在500℃ 做退火處理，得到銳鈦礦二氧化鈦。圖3 是交流磁控濺射鍍膜法制備的二氧化鈦薄膜的X 射線衍射圖譜（XRD）。由圖3 可以看出最強(qiáng)的兩個(gè)衍射峰出現(xiàn)在銳鈦礦相（101） 晶面（2θ = 25 .24°） 和（004） 晶面（2θ= 37 .820°） ，特別是（101）晶面擇優(yōu)趨向明顯，結(jié)晶度增大，表明TiO2 薄膜表面結(jié)晶相為銳鈦礦相。

電阻型氧敏感材料性能的指標(biāo)主要是在氣氛改變時(shí)電阻的變化幅度和響應(yīng)時(shí)間。薄膜元件的氧敏感性能測(cè)試可用氧含量氣氛變化時(shí)檢測(cè)電阻變化來表示。由于當(dāng)溫度保持恒定時(shí)，檢測(cè)電阻的阻值只依賴于氣體中的氧體積份數(shù)，所以本實(shí)驗(yàn)是在室溫下的純N2 的氣氛中，逐漸加入一定量的O2 ，然后測(cè)定各個(gè)氧氣體積份數(shù)下的電阻值。薄膜的氧敏感性能如圖4 所示。可以看到，薄膜元件的氧敏感性能較好，電阻的變化幅度比較明顯。響應(yīng)時(shí)間也是氣敏器件的一個(gè)重要參數(shù)，一般將器件阻值增量由33 % 變化到穩(wěn)定增量的66 %所需的時(shí)間定義為響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間。在通有恒定電流的情況下，測(cè)量TiO2 的電壓值，得到圖5 所示的薄膜元件在空氣附近氣氛反復(fù)變化時(shí)的響應(yīng)特性。從圖中可以看到薄膜元件對(duì)O2 具有較好的響應(yīng)。對(duì)氧氣氛的響應(yīng)時(shí) 間在300 ms 左右，恢復(fù)時(shí)間在6s 左右。