一种MEMS固体电解质氧气传感器及其加工方法与流程

本发明涉及氧气传感器领域，具体涉及一种MEMS固体电解质氧气传感器及其加工方法。

背景技术：

MEMS全称Micro Electromechanical System，微机电系统，是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。

氧气传感器是汽车上的标准配置，迄今为止，特别是在汽车领域，已经提出了各种类型的氧气传感器，并且付诸实施。

氧化锆氧传感器是利用氧化锆陶瓷敏感元件测量各类加热炉或排气管道中的氧电势，由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制炉内燃烧空然比，保证产品质量及尾气排放达标的测量元件，广泛应用于各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧等炉体的气氛控制。在一定的温度条件下，如果在二氧化锆块状陶瓷两侧的气体中分别存在着不同的氧分压(即氧浓度)时，二氧化锆陶瓷内部将产生一系列的反应，和氧离子的迁移。这时通过二氧化锆两侧的引出电极，可测到稳定的毫伏级信号，我们称之为氧电势。通过能斯特方程即可计算氧气浓度的大小。

日本公开专利申请No.2005-201840公开了一种氧气传感器，其包括：衬底部分；感测部分，该感测部分布置在衬底部分上，并且具有氧离子传导实心电解质层和一对位于该实心电解质层的相对侧上的内、外电极；以及保护装置，该保护装置固定于衬底部分，以在其中环绕感测部分。但此类型氧气传感器体积大，功耗高，不适用于移动式设备或由电池供电的使用环境。

因此急需一种体积小，功耗低，灵敏度高，使用寿命长的MEMS固体电解质氧气传感器及其加工方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种体积小，功耗低，灵敏度高，使用寿命长的MEMS固体电解质氧气传感器及其加工方法。

本发明提供了如下的技术方案：

一种MEMS固体电解质氧气传感器，包括支撑层，所述支撑层下部设有硅基底，所述支撑层上表面设有敏感层，所述敏感层包括氧离子固体电解质单元，所述氧离子固体电解质单元间以铂层连接形成串联的氧离子固体电解质阵列，所述敏感层表面覆有绝缘层，所述绝缘层表面设有铂加热丝。

本发明提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，所述硅基底下表面开有延伸至所述支撑层的绝热槽，绝热槽能够防止热量通过硅基底传递至外界，具有保温作用，所述支撑层的厚度为1-5μm，优选为2μm，该厚度范围的支撑层有足够的机械强度，且不影响MEMS固体电解质氧气传感器的灵敏度。

本发明提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，所述敏感层的一侧开有透气孔，有利于散发工作中产生的热量。

本发明提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，所述氧离子固体电解质单元的一端暴露于空气，另一端通过所述绝缘层与空气隔绝，该设计便于氧离子固体电解质单元在高温下形成电势，所述氧离子固体电解质单元的数量为1-100个，厚度为100-1000nm，优选为400nm。

本发明提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，所述铂层的上下表面还设有阻挡层，所述铂层的厚度为100-250nm，优选为200nm，所述阻挡层的厚度为10-30nm，阻挡层是为了阻挡金属铂向支撑层和绝缘层扩散。

本发明提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，所述绝缘层边缘设有若干缺口形成引线窗，方便所述敏感层的信号引出，所述绝缘层的厚度为1-5μm，优选为3μm，所述绝缘层具有隔绝气体的作用。

本发明提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，所述铂加热丝呈S型排布，有利于给MEMS固体电解质氧气传感器提供足够且均匀的温度。

本发明提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：用酸溶液、有机溶剂和去离子水中的一种清洗硅基底，然后以氮气吹干。

S2：以低压化学气相沉积法在洗净的硅基底上沉积氮化硅层，然后以等离子体增强化学气相沉积法在氮化硅层表面沉积二氧化硅层，获得支撑层。

S3：以磁控溅射法或以溶胶凝胶法制备氧离子固体电解质前驱液，在步骤S2中获得的支撑层表面旋涂、光刻、显影、高温热处理得到若干氧离子固体电解质单元，在所述氧离子固体电解质单元之间依次沉积阻挡层、铂层和阻挡层，形成串联的氧离子固体电解质阵列，最终获得敏感层。

S4：利用S2中所述工艺，在S3中获得的敏感层表面沉积氮化硅和二氧化硅，覆盖氧离子固体电解质单元的一端，氧离子固体电解质单元的另一端仍暴露于空气，形成绝缘层。

S5：通过光刻工艺，在绝缘层表面中心部位形成加热丝图形，在叉指电极及加热丝图形上溅射氮化钽粘接层，然后在粘接层上溅射铂层，通过剥离工艺，得到绝缘层上的S型铂加热丝。

S6：采用湿法和干法相结合的工艺在硅基底下面制备出绝热槽。

本发明提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器的加工方法，所述步骤S3中所述的氧离子固体电解质单元的成分为氧化锆、氧化钇、氧化钙、钼酸镧和氧化铈中的一种或多种，所述阻挡层为氮化钽或氮化钛。

本发明提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器的加工方法，，其特征在于，所述步骤S3中磁控溅射法的处理温度为600-1200℃，处理时间为10分钟-3小时。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的MEMS固体电解质氧气传感器，采用了MEMS加工方法制备，相较于传统的氧气传感器，MEMS固体电解质氧气传感器的体积由立方厘米级降低到立方毫米级别，因此热容及表面积减小，功耗也随之由瓦级降低到毫瓦级别。

2、本发明提供的MEMS固体电解质氧气传感器，敏感层采用串联的氧离子固体电解质阵列，可形成数倍的浓差信号，传感器信号较强，相比于只能形成一个氧浓差信号的传统传感器，灵敏度大大提高。

3、本发明提供的MEMS固体电解质氧气传感器，因功耗降低，灵敏度提高，所以其使用寿命也明显延长。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的主视结构示意图；

图2是本发明的俯视结构示意图。

图中标记为：1、绝热槽；2、硅基底；3、支撑层；4、铂层；5、绝缘层；6、铂加热丝；7、氧离子固体电解质单元；8、引线窗；9、透气孔。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示，一种MEMS固体电解质氧气传感器，包括2μm的支撑层3，支撑层3下部设有硅基底2，硅基底2下表面开有延伸至支撑层3的绝热槽1，支撑层3上表面设有敏感层，所述敏感层包括氧离子固体电解质单元7，氧离子固体电解质单元7间以铂层4连接形成串联的氧离子固体电解质阵列，所述敏感层的一侧开有透气孔9，所述敏感层表面覆有绝缘层5，绝缘层5表面设有铂加热丝6。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，氧离子固体电解质单元7的一端暴露于空气，另一端通过绝缘层5与空气隔绝，氧离子固体电解质单元7的数量为100个，厚度为400nm。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，铂层4的上下表面还设有阻挡层，铂层4的厚度为200nm，阻挡层的厚度为10nm。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，绝缘层5边缘设有若干缺口形成引线窗8，绝缘层5的厚度为3μm。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，铂加热丝6呈S型排布。

一种MEMS固体电解质氧气传感器的加工方法，包括以下步骤：

S1：用酸溶液清洗硅基底2，然后以氮气吹干。

S2：以低压化学气相沉积法在洗净的硅基底2上沉积氮化硅层，然后以等离子体增强化学气相沉积法在氮化硅层表面沉积二氧化硅层，获得支撑层3。

S3：以溶胶凝胶法制备氧离子固体电解质前驱液，在步骤S2中获得的支撑层3表面旋涂、光刻、显影、高温热处理得到100个氧离子固体电解质单元7，在氧离子固体电解质单元7之间依次沉积阻挡层、铂层4和阻挡层，形成串联的氧离子固体电解质阵列，最终获得敏感层。

S4：利用S2中所述工艺，在S3中获得的敏感层表面沉积氮化硅和二氧化硅，覆盖氧离子固体电解质单元7的一端，氧离子固体电解质单元7的另一端仍暴露于空气，形成绝缘层5。

S5：通过光刻工艺，在绝缘层5表面中心部位形成加热丝图形，在叉指电极及加热丝图形上溅射氮化钽粘接层，然后在粘接层上溅射铂层，通过剥离工艺，得到绝缘层5上的S型铂加热丝6。

S6：采用湿法和干法相结合的工艺在硅基底2下面制备出绝热槽1。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器的加工方法，所述步骤S3中所述的氧离子固体电解质单元的成分为氧化锆和氧化钇，所述阻挡层为氮化钽。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器体积小，功耗低，灵敏度高，使用寿命长。

实施例2

如图1和图2所示，一种MEMS固体电解质氧气传感器，包括1μm的支撑层3，支撑层3下部设有硅基底2，硅基底2下表面开有延伸至支撑层3的绝热槽1，支撑层3上表面设有敏感层，所述敏感层包括1个氧离子固体电解质单元7，所述敏感层的一侧开有透气孔9，所述敏感层表面覆有绝缘层5，绝缘层5表面设有铂加热丝6。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，氧离子固体电解质单元7的一端暴露于空气，另一端通过绝缘层5与空气隔绝，氧离子固体电解质单元7的数量为1个，厚度为100nm。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，绝缘层5边缘设有若干缺口形成引线窗8，绝缘层5的厚度为1μm。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，铂加热丝6呈S型排布。

一种MEMS固体电解质氧气传感器的加工方法，包括以下步骤：

S1：用有机溶剂清洗硅基底2，然后以氮气吹干。

S2：以低压化学气相沉积法在洗净的硅基底2上沉积氮化硅层，然后以等离子体增强化学气相沉积法在氮化硅层表面沉积二氧化硅层，获得支撑层3。

S3：以溶胶凝胶法制备氧离子固体电解质前驱液，在步骤S2中获得的支撑层3表面旋涂、光刻、显影、高温热处理得到1个氧离子固体电解质单元7，获得敏感层。

S4：利用S2中所述工艺，在S3中获得的敏感层表面沉积氮化硅和二氧化硅，覆盖氧离子固体电解质单元7的一端，氧离子固体电解质单元7的另一端仍暴露于空气，形成绝缘层5。

S5：通过光刻工艺，在绝缘层5表面中心部位形成加热丝图形，在叉指电极及加热丝图形上溅射氮化钽粘接层，然后在粘接层上溅射铂层，通过剥离工艺，得到绝缘层5上的S型铂加热丝6。

S6：采用湿法和干法相结合的工艺在硅基底2下面制备出绝热槽1。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器的加工方法，所述步骤S3中所述的氧离子固体电解质单元7的成分为氧化锆和氧化钙。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器体积小，功耗低，灵敏度高，使用寿命长。

实施例3

如图1和图2所示，一种MEMS固体电解质氧气传感器，包括5μm的支撑层3，支撑层3下部设有硅基底2，硅基底2下表面开有延伸至支撑层3的绝热槽1，支撑层3上表面设有敏感层，所述敏感层包括氧离子固体电解质单元7，氧离子固体电解质单元7间以铂层4连接形成串联的氧离子固体电解质阵列，所述敏感层的一侧开有透气孔9，所述敏感层表面覆有绝缘层5，绝缘层5表面设有铂加热丝6。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，氧离子固体电解质单元7的一端暴露于空气，另一端通过绝缘层5与空气隔绝，氧离子固体电解质单元7的数量为50个，厚度为1000nm。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，铂层4的上下表面还设有阻挡层，铂层4的厚度为250nm，阻挡层的厚度为30nm。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，绝缘层5边缘设有若干缺口形成引线窗8，绝缘层5的厚度为5μm。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，铂加热丝6呈S型排布。

一种MEMS固体电解质氧气传感器的加工方法，包括以下步骤：

S1：用有机溶剂清洗硅基底2，然后以氮气吹干。

S2：以低压化学气相沉积法在洗净的硅基底2上沉积氮化硅层，然后以等离子体增强化学气相沉积法在氮化硅层表面沉积二氧化硅层，获得支撑层3。

S3：以磁控溅射法，处理温度为1200℃，处理时间为10分钟，在步骤S2中获得的支撑层3表面旋涂、光刻、显影、高温热处理得到50个氧离子固体电解质单元7，在氧离子固体电解质单元7之间依次沉积阻挡层、铂层4和阻挡层，形成串联的氧离子固体电解质阵列，最终获得敏感层。

S4：利用S2中所述工艺，在S3中获得的敏感层表面沉积氮化硅和二氧化硅，覆盖氧离子固体电解质单元7的一端，氧离子固体电解质单元7的另一端仍暴露于空气，形成绝缘层5。

S5：通过光刻工艺，在绝缘层5表面中心部位形成加热丝图形，在叉指电极及加热丝图形上溅射氮化钽粘接层，然后在粘接层上溅射铂层，通过剥离工艺，得到绝缘层5上的S型铂加热丝6。

S6：采用湿法和干法相结合的工艺在硅基底2下面制备出绝热槽1。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器的加工方法，所述步骤S3中所述的氧离子固体电解质单元的成分为氧化钙和氧化铈，所述阻挡层为氮化钛。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器体积小，功耗低，灵敏度高，使用寿命长。

实施例4

如图1和图2所示，一种MEMS固体电解质氧气传感器，包括3μm的支撑层3，支撑层3下部设有硅基底2，硅基底2下表面开有延伸至支撑层3的绝热槽1，支撑层3上表面设有敏感层，所述敏感层包括氧离子固体电解质单元7，氧离子固体电解质单元7间以铂层4连接形成串联的氧离子固体电解质阵列，所述敏感层的一侧开有透气孔9，所述敏感层表面覆有绝缘层5，绝缘层5表面设有铂加热丝6。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，氧离子固体电解质单元7的一端暴露于空气，另一端通过绝缘层5与空气隔绝，氧离子固体电解质单元7的数量为40个，厚度为600nm。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，铂层4的上下表面还设有阻挡层，铂层4的厚度为150nm，阻挡层的厚度为20nm。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，绝缘层5边缘设有若干缺口形成引线窗8，绝缘层5的厚度为2μm。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器，铂加热丝6呈S型排布。

一种MEMS固体电解质氧气传感器的加工方法，包括以下步骤：

S1：用去离子水清洗硅基底2，然后以氮气吹干。

S2：以低压化学气相沉积法在洗净的硅基底2上沉积氮化硅层，然后以等离子体增强化学气相沉积法在氮化硅层表面沉积二氧化硅层，获得支撑层3。

S3：以磁控溅射法，处理温度为600℃，处理时间为3小时，在步骤S2中获得的支撑层3表面旋涂、光刻、显影、高温热处理得到40个氧离子固体电解质单元7，在氧离子固体电解质单元7之间依次沉积阻挡层、铂层4和阻挡层，形成串联的氧离子固体电解质阵列，最终获得敏感层。

S4：利用S2中所述工艺，在S3中获得的敏感层表面沉积氮化硅和二氧化硅，覆盖氧离子固体电解质单元7的一端，氧离子固体电解质单元7的另一端仍暴露于空气，形成绝缘层5。

S5：通过光刻工艺，在绝缘层5表面中心部位形成加热丝图形，在叉指电极及加热丝图形上溅射氮化钽粘接层，然后在粘接层上溅射铂层，通过剥离工艺，得到绝缘层5上的S型铂加热丝6。

S6：采用湿法和干法相结合的工艺在硅基底2下面制备出绝热槽1。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器的加工方法，所述步骤S3中所述的氧离子固体电解质单元的成分为钼酸镧、氧化锆和氧化铈，所述阻挡层为氮化钛。

本实施例提供的一种MEMS固体电解质氧气传感器体积小，功耗低，灵敏度高，使用寿命长。

实验例

如表1所示，将传统氧气传感器与实施例1-4中MEMS固体电解质氧气传感器进行性能对比，表明与传统氧气传感器相比，本发明实施例1-4所提供的MEMS固体电解质氧气传感器，体积由立方厘米级降低到立方毫米级别，体积小，功耗由瓦级降低到毫瓦级别，功耗低，寿命延长3-5年，浓差信号也为传统氧气传感器浓差信号的数倍，传感器信号较强。

表1

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。