专利名称：掺杂薄膜型λ传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种多元掺杂薄膜金属-氧化物-半导体(MOS)型λ传感器，特别涉及一种掺杂铂(Pt)和二氧化钛(TiO2)的五氧化二铌(Nb2O5)薄膜结构微型λ传感器，属于通过薄膜电阻变化，测试气体中氧与燃气比率的传感器。
目前，汽车排气管中常采用高温离子导体二氧化锆作电解质的浓差电池型λ传感器，测试废气中的λ值，分析排气组份。如采用德国博世公司生产的λ传感器。这种传感器性能优良，但结构复杂，价格昂贵。更为严重的是，它易受氧化铅、二氧化硫、五氧化二磷等物质的毒害。轻则传感器性能变坏，重则完全失效。此外，用金属-氧化物-半导体(MOS)研制成的λ传感器，具有灵敏度高，结构简单，成本低廉等优点，世界各国都纷纷投入大量人力、物力进行研究与开发。现已研究开发成功的氧敏材料有近十种。如二氧化钛(TiO2)[Ceram.Bull，1975，54，28]、五氧化二铌(Nb2O5)[Proc.3rd Sensor Symp.Japan，1983，p.185]钛酸锶(SrTiO3)[Sensorsand Actuators B，1993，15-16，45-54]等。制备MOS型λ传感器，采用的工艺主要有块体烧结法、厚膜丝网印刷法、薄膜沉积法等三种。其中，尤以薄膜工艺最为先进，能大批量生产一致性和互换性好的器件。在这一工艺中，采用掺杂，可有效地改善MOS器件的灵敏度。掺杂的通常做法是，在形成薄膜(蒸发、溅射)之前，先将杂质与本体按所需比例混合，放入坩埚中蒸发，或混合后，制成靶体进行溅射。然而，采用这样的掺杂工艺，要获得不同掺杂量的薄膜，流程十分冗长和繁复，且因薄膜沉积过程中的分馏效应以及溅射速率的差异等因素影响，掺杂量的控制也相当困难。因此，薄膜工艺制备MOS型λ传感器，掺杂是急待解决的问题。也正因为如此，掺杂薄膜MOS型λ传感器至今尚未问世。为了突破这一困境，本实用新型通过改进薄膜掺杂工艺和技术，研制成一种多元掺杂薄膜MOS型λ传感器。
本实用新型的目的是，避免在成膜前制备具有确定掺杂量的原材料或靶体，而利用离子束增强沉积技术，将多种掺杂元素与氧敏材料本体组成组合靶进行离子束掺杂。掺杂中，一束离子溅射靶体，另一束离子轰击衬底，在薄膜沉积过程中实现现场动态多元掺杂，从而形成一种新的掺铂(Pt)和二氧化钛(TiO2)的五氧化二铌(Nb2O5)薄膜，制成本实用新型掺杂薄膜MOS型λ传感器。
本实用新型λ传感器主要由绝缘材料衬底，如陶瓷、硅或玻璃、掺杂铂(Pt)和二氧化钛(TiO2)的五氧化二铌(Nb2O5)薄膜、叉指形铂电极、铂薄膜电阻温度传感器、铂薄膜温度加热器和五氧化二铌(Nb2O5)上的氧化镁(MgO)防中毒保护层构成。在MOS(金属-氧化物-半导体)型λ传感器中，敏感材料的电阻率ρ可由下式表示ρ＝A·exp(Ea/KT)Po21/m其中，Ea为活化能，K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，Po2为氧分压，m为表征材料对氧敏感度的特征因子，A为比例常数。当材料中含铂(pt)等催化剂时，达到理论完全燃烧，即理论上λ＝1时，氧敏材料的电阻率将在λ＝1附近产生突变，λ值表达为
其中，V空、V燃、V′空、V′燃分别为空气和燃料的体积。
由此可见，增大氧敏材料电阻率突变值，可提高传感器的灵敏度；掺杂铂催化剂，可提高传感器的响应速度。据此，本实用新型在氧敏薄膜材料中，采用离子束增强沉积方法掺杂了铂和二氧化钛。并且为了使器件可靠工作，还在氧敏薄膜五氧化二铌(Nb2O5)上沉积了掺铂多孔氧化镁(MgO)保护层，以防止传感器中毒。在氧化铌(Nb2O5)薄膜中，掺杂铂(Pt)和二氧化钛(TiO2)的范围为五氧化二铌(Nb2O5)薄膜厚度为0.3-2微米时，铂(Pt)的掺杂量为0.1-0.5％(摩尔比)，二氧化钛(TiO2)掺杂量为2-8％(摩尔比)。在多孔氧化镁(MgO)防中毒保护膜中掺杂铂(Pt)的范围为多孔氧化镁(MgO)膜厚度为1-5微米时，铂(Pt)掺杂量为0.1-1％(摩尔比)。
本实用新型λ传感器的性能为(1)废气的λ值在0.9与1.1之间交替变换时，传感器的电阻值突变三个数量级以上(从几十欧姆至几万欧姆间来回变动)；(2)响应时间小于0.2秒(响应时间定义为由一种气氛变为另一种气氛时，传感器信号达到90％稳态时所需时间)；(3)二种气氛经过十次以上反复来回测定后，电阻值突变波动小于5％，(4)工作寿命超过10万公理(行驶路程)。
本实用新型的优点是，不但具有MOS型传感器灵敏度高，结构简单、成本低等优点，而且用离子束增强沉积制备多元掺杂薄膜，薄膜与衬底结合牢固，薄膜的厚度和组份可严格控制，且薄膜均匀，沉积速度快，可在低温下制备掺杂薄膜，从而使传感器的一致性，互换性大为提高。此外，本实用新型传感器的制作工艺可与微电子平面工艺相容，是一种性能优良，可批量生产，可靠、实用的λ传感器。
图1是本实用新型λ传感器的顶视图。其中，1是铂温度传感器，2是绝缘衬底，3是叉指形铂电极，4是离子束增强沉积掺杂铂和二氧化钛的五氧化二铌薄膜，5是掺铂多孔氧化镁保护层。
图2是本实用新型λ传感器的仰视图。其中，6是传感器底部的铂加热器。
图3是本实用新型λ传感器中A-A′剖视图。
以下结合附图详细说明符合本实用新型发明主题的实施例。
实施例1本实施例掺杂薄膜MOS(金属-氧化物-半导体)型λ传感器中，衬底2选用陶瓷材料，厚度0.3-1.00毫米，双面抛光。铂温度传感器1的大小为，宽25-75微米，厚0.3-1.5微米，20℃时，电阻值为100-400欧姆，阻值与温度成良好的线性关系。铂温度传感器1经标定后，测量其电阻值即可获知衬底2的温度。λ传感器背面的铂加热器6设计尺寸为，宽0.5-1.0毫米，厚0.3-1.5微米，叉指形铂电极3的间隔为50-200微米，宽50-200微米，厚为0.3-1.5微米。离子束增强沉积掺杂铂(Pt)和二氧化钛(TiO2)的五氧化二铌(Nb2O5)薄膜，直接沉积于叉指形铂电极3之间，以提高器件响应灵敏度和响应速度。此外，为防止λ传感器在使用中中毒，还在五氧化二铌Nb2O5)掺杂薄膜4上沉积掺铂多孔氧化镁(MgO)保护层5。最后，将制备的芯片经引线、封装便制成本实用新型λ传感器。
实施例2按实施例1的设计原则和方法，还可制成其它尺寸大小的λ传感器。
权利要求1.一种掺杂薄膜金属-氧化物-半导体(MOS)型λ传感器，包括绝缘衬底，叉指形铂薄膜电极、铂薄膜加热器和铂薄膜温度传感器，其特征在于有一层由离子束增强沉积的多元掺杂的五氧化二铌(Nb2O5)薄膜。
2.根据权利要求1所述的掺杂薄膜金属-氧化物-半导体(MOS)型λ传感器，其特征在于五氧化二铌(Nb2O5)薄膜中掺杂物为铂(Pt)和氧化钛(TiO2)。
3.根据权利要求1或2所述的掺杂薄膜金属-氧化物-半导体(MOS)型λ传感器，其特征在于五氧化二铌(Nb2O5)薄膜厚度为0.3-2微米时，铂(Pt)掺杂量为0.1-0.5％(摩尔比)，二氧化钛(TiO2)掺杂量为2-8％(摩尔比)。
4.根据权利要求1所述的掺杂薄膜金属-氧化物-半导体(MOS)型λ传感器，其特征在于五氧化二铌(Nb2O5)薄膜上有一层掺铂(Pt)多孔氧化镁(MgO)防中毒保护膜。
5.根据权利要求4所述的掺杂薄膜金属-氧化物-半导体(MOS)型λ传感器，其特征在于掺铂(Pt)多孔氧化镁(MgO)防中毒保护膜，厚度为1-5微米时，铂(Pt)掺杂量为0.1-1％(摩尔比)。
6.根据权利要求1所述的掺杂薄膜金属-氧化物-半导体(MOS)型λ传感器，其特征在于绝缘衬底材料可以是陶瓷或硅片或玻璃片。
专利摘要本实用新型涉及一种多元掺杂薄膜金属－氧化物－半导体(MOS)型λ传感器。主要由绝缘衬底、叉指形铂膜电极、铂薄膜加热器、铂薄膜温度传感器、掺杂五氧化二铌氧敏薄膜和预防中毒保护层构成。其中,氧敏薄膜采用离子束增强沉积现场多元掺杂制备。薄膜上外加的防中毒保护层可使器件可靠工作。因此,是一种灵敏度高,响应时间短,温度系数小,可批量生产一致性和互换性好的,广泛应用于汽车、能源和环保领域的低成本λ传感器。
文档编号G01N27/12GK2293071SQ9720670
公开日1998年9月30日 申请日期1997年3月10日 优先权日1997年3月10日
发明者朱建中, 任琮欣 申请人:中国科学院上海冶金研究所