MEMS結構科普:氧傳感器知識研究

圖1是MEMS 結構氧傳感器的示意圖。在P型硅襯底上熱氧化生長SiO2 隔離層，采用LPCVD設備生長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刻蝕出硅杯。正面蒸Pt光刻得到叉指檢測電極。然后利用鈦靶采用交流磁控濺射鍍膜法，在檢測電極上生長TiO2 敏感薄膜?？煽吹?，該MEMS 結構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。把檢測電極和加熱電極合理設計成一體化器件，可以集成化生產、批量制作。整個芯片的尺寸為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 結構的TiO2 氧傳感器的工藝流程圖如圖2 所示。

TiO2 是寬禁帶半導體，禁帶寬度在3 eV 以上。在真空制備TiO2 半導體時，當氧分壓較低時，在TiO2 中產生大量的氧空位，構成N 型半導體 。TiO2 薄膜的氧敏機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現(xiàn)的。TiO2 表面對氧氣的吸附過程首先是氧吸附于TiO2 表面的物理吸附，然后過渡到化學吸附，最后進入常晶格的氧位置。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。利用質量作用關系，得到二氧化鈦的電導率與氧分壓P 的關系為：σ = Aμn eP^（- 1/x）

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

交流磁控濺射鍍膜法是在磁場的控制下，利用高壓電場使惰性氣體輝光放電產生電離，電離產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氣體O2 反應，在基板上沉積出TiO2 薄膜。

我們在JGP - 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 。采用質量流量控制器來控制反應氣體O2 的流量，同時使用壓電閥來控制真空腔內的工作氣體氣壓。利用復合壓強控制儀來控制壓電閥和真空計，使得氣體壓強及流量控制非常穩(wěn)定。氣體比例為O2 ：Ar= 1 ：2 保持恒定。反應室預真空為10^（- 3） Pa。濺射時工作氣壓為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，用熱電偶測量其溫度值。此時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 可以看出最強的兩個衍射峰出現(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，結晶度增大，表明TiO2 薄膜表面結晶相為銳鈦礦相。

電阻型氧敏感材料性能的指標主要是在氣氛改變時電阻的變化幅度和響應時間。薄膜元件的氧敏感性能測試可用氧含量氣氛變化時檢測電阻變化來表示。由于當溫度保持恒定時，檢測電阻的阻值只依賴于氣體中的氧體積份數(shù)，所以本實驗是在室溫下的純N2 的氣氛中，逐漸加入一定量的O2 ，然后測定各個氧氣體積份數(shù)下的電阻值。薄膜的氧敏感性能如圖4 所示?？梢钥吹剑∧ぴ难趺舾行阅茌^好，電阻的變化幅度比較明顯。響應時間也是氣敏器件的一個重要參數(shù)，一般將器件阻值增量由33 % 變化到穩(wěn)定增量的66 %所需的時間定義為響應時間和恢復時間。在通有恒定電流的情況下，測量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變化時的響應特性。從圖中可以看到薄膜元件對O2 具有較好的響應。對氧氣氛的響應時 間在300 ms 左右，恢復時間在6s 左右。