新聞中心

EEPW首頁(yè) > 模擬技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > MEMS結(jié)構(gòu)科普:氧傳感器知識(shí)研究

MEMS結(jié)構(gòu)科普:氧傳感器知識(shí)研究

作者: 時(shí)間:2013-10-15 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

圖1是 結(jié)構(gòu)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??煽吹剑?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/MEMS">MEMS 結(jié)構(gòu)利用敏感膜下的磷多晶硅電阻作加熱器,采用了 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 的工藝流程圖如圖2 所示。

MEMS結(jié)構(gòu)科普:氧傳感器知識(shí)研究

MEMS結(jié)構(gòu)科普:氧傳感器知識(shí)研究

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(lái)越多,氧空位也越來(lái)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(lái),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(lái)控制反應(yīng)氣體O2 的流量,同時(shí)使用壓電閥來(lái)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(lái)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(wú)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。

MEMS結(jié)構(gòu)科普:氧傳感器知識(shí)研究

MEMS結(jié)構(gòu)科普:氧傳感器知識(shí)研究

MEMS結(jié)構(gòu)科普:氧傳感器知識(shí)研究

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(lái)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。



關(guān)鍵詞: MEMS 氧傳感器

評(píng)論


相關(guān)推薦

技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉