技術分享：MEMS 結構氧傳感器的分析研究

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。可看到，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，是和氧空位濃度有關的系數;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。