CN103018309B - 一种用于氧传感器的TiO2敏感层结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于氧传感器的TiO2敏感层结构及其制备方法，TiO2敏感层结构通过网状处理，可抑制裂纹产生和裂纹的传播，有效的减少了热应力产生的裂纹，表面与体积比的提高，有利于氧气的吸附从而增加了TiO2敏感层敏感性和减少响应时间。本发明TiO2敏感层制备方法是在有加热丝的硅基片上进行，首先在加热丝上制备出绝缘层，在绝缘层上制备叉指电极，然后在叉指电极上制备TiO2薄膜，用反应离子刻蚀把TiO2薄膜做出网状结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种Pt作为催化剂的氧传感器用TiO2敏感层结构，以及采用MEMS（微机电系统）工艺制备该TiO2敏感层的方法，该敏感层形状有利于提高以TiO2为敏感层的氧气传感器的性能。
背景技术
伴随着我国工业的快速发展，环境和能源问题日益突出，为了能可持续发展，节能减排已经是一项重要的国策。氧气化学性质非常活泼，是在工业生产中重要的助燃气体，针对氧气浓度的检测和控制是节能减排的重要手段，也是安全的保障。在冶金行业中，冶金工业中的氧气炼钢、轧钢和有色金属冶炼，还有冶金过程中不可避免的会有危险性气体产生，如高炉煤气、转炉煤气等，对其氧含量的检测和控制能有效预防和避免危险情况发生。我国火力发电比重很大，适时适量控制锅炉中氧气含量能有效提高锅炉燃烧率，从而有效的控制煤炭的利用率及有害废气的排放。化工行业中，一些气体的合成、废气的充分处理都需最佳控制氧含量。另外，汽车发动机氧气传感器的普遍应用，发动机中燃料的利用率都是节能减排的重要一环，而氧气和燃料的控制比，能有效减少汽车尾气中有害气体的排放，提高燃料的利用率。
综上，对于用氧气传感器对氧气进行监测和控制已经是各国学者的一项重要研究课题。人们用不同的原理开发出各种不同的氧气传感器：催化电化学氧传感器、热磁式氧传感器、氧化锆氧传感器、光纤氧气传感器、可调谐激光式氧传感器等。其中在汽车工业和火电厂中广泛应用氧化锆氧传感器，但是这种传感器不但价格贵，而且质量大导致响应时间长，特别是在发动机刚启动时反应时间更长。
F.Haghighat et al.、Francicoso et al.采用金属氧化物TiO2半导体薄膜作为电阻型氧气传感器，它不需要空气中的参比电极，在高温下有好的稳定性，在贵金属掺杂下能提高敏感性和相应时间。但是，TiO2薄膜做为敏感材料时需要一定的温度，在此温度下传统的方形薄膜由于和基底的热膨胀系数不能完全匹配，会出现应力，由于该应力不能释放导致裂纹产生。裂 纹过多会影响传感器电特性，严重影响精度。另外，TiO2敏感层是通过材料表面的氧气吸附和解附来改变薄膜电导率对氧气浓度进行检测的，对于方形结构没能很好的提高表面与体积比。
发明内容
本发明的目的是提供一种Pt作为催化剂的氧传感器用TiO2敏感层结构，以及该TiO2敏感层的制备方法，通过网状处理所形成的该TiO2敏感层可提高表面能，从而抑制裂纹的产生和裂纹的传播，有效的减少了由于热膨胀系数不匹配导致的热应力产生的裂纹，有利于氧气的吸附从而增加了TiO2敏感层敏感性和减少响应时间。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术放案予以实现的：
一种用于氧传感器的TiO2敏感层结构，包括设置在绝缘层上表面的Pt叉指状电极层和其上的TiO2敏感层，Pt叉指状电极层下面设有Ti粘结层，形状和Pt叉指状电极相吻合，其中，绝缘层为上、下两层，上、下绝缘层之间有加热层，其特征在于，所述TiO2敏感层为掺杂有Pt的TiO2层，其平面几何特征为多孔网状结构。
上述方案中，所述多孔网状结构的TiO2敏感层，其网线宽为2-4μm；纵横网线围成的网孔为边长4-8μm的正方形，最外层网线围成边长为74-148μm大正方形。所述Pt叉指状电极，叉指宽度刚好为网线宽度。叉指间距刚好为网孔的边长。
前述用于氧传感器的TiO2敏感层结构的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
a．用匀胶光刻法在绝缘层表面定义出Pt叉指状电极的形状和位置；
b.用溅射方法溅射50nm厚的Ti作为Ti粘结层，随后溅射150nm厚Pt，采用超声剥离工艺去除胶膜形成叉指状电极；
c．以溶胶凝胶法制备含钛离子乳胶，用匀胶法涂敷到叉指状电极所在位置的上绝缘层上，并覆盖叉指状电极，经500℃烘干，形成TiO2膜层；
d．用光刻胶做掩蔽层，利用反应离子刻蚀法将TiO2膜层刻蚀成正方形网状结构，并同时刻蚀出叉指电极引线盘。
上述方法中，所述多孔网状结构的TiO2敏感层，其网线宽为2-4μm；纵横网线围成的网孔为正方形，边长4-8μm，最外层网线围成大正方形， 边长为74-148μm。所述Pt叉指状电极的叉指宽度刚好为网线宽度；叉指间距刚好为网孔的边长。所述的含钛乳胶，加入有乙酰丙酮铂，使Pt：Ti的原子数比为0.05。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、所用TiO2薄膜通过溶胶凝胶法制备，容易掺杂，经济性好，图形容易通过MEMS技术获得，加工工艺好。
2、TiO2敏感层结构，通过网状处理，提高了表面能，抑制了裂纹的产生和裂纹的传播，有效的减少了由于热膨胀系数不匹配导致的热应力产生的裂纹。
3、TiO2敏感层结构，通过网状处理，表面与体积比的提高，有利于氧气的吸附从而增加了TiO2敏感层敏感性和减少响应时间。
附图说明
以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是一种常规TiO2敏感层平面结构图。其图形是传统的二维平面型结构。
图2是本发明Pt作为催化剂的网状TiO2敏感层结构图。图形经过网格化处理。图2中的1为网线。
图3是本发明制备在硅片基底上、以Pt作为催化剂的网状TiO2敏感层（图2）及氧传感器剖面结构示意图。图中：2、TiO2膜层；3、Pt叉指电极（指形宽度与TiO2网线宽相同）；4、Ti粘结层；5、上绝缘层；6、铂加热层；7、下绝缘层；8、SiO2层；9、硅基底。
图4为图1中Pt叉指电极平面布置图。图中：10、叉指宽度；11、叉指间距。
具体实施方式
参见图1，传统的TiO2敏感层只是简单的平面方形，在加热工作条件下很容易受热应力产生裂纹，影响敏感层电气特性。
参见图2，TiO2敏感层结构通过网状处理，抑制裂纹在网线1中的产生和裂纹在网线1中的传播，有效的减少了网线1中由于热膨胀系数不匹配导致的热应力产生的裂纹；表面与体积比的提高，有利于氧气的吸附从 而增加了TiO2敏感层敏感性和减少响应时间。网线1宽为2-4μm，纵横网线围成的网孔为边长4-8μm的正方形；最外层网线围成边长为74-148μm大正方形。
参见图3、图4，Pt叉指电极3厚度为150nm，下面有厚为50nm的Ti粘结层4，粘结层形状和Pt叉指电极吻合，叉指宽度10刚好为图2中网线1的宽度（2-4μm）；叉指间距11刚好为网孔的边长（4-8μm）。在硅衬底部开出窗口，上绝缘层为Si3N4层，下层绝缘层为Si3N4。
本发明Pt作为催化剂的网状TiO2敏感层制备方法如下：
a．硅基底9上制备上、下绝缘层5、7，上、下绝缘层间设有铂加热层6，用匀胶光刻法在上绝缘层5表面定义出Pt叉指电极3的形状和位置，叉指宽度为2-4μm，叉指间距为4-8μm；
b.用溅射方法溅射50nm厚的Ti作为Ti粘结层4，随后溅射150nm厚Pt，采用超声剥离工艺去除胶膜形成叉指电极3；
c．以溶胶凝胶法制备含钛离子乳胶，其中，可加入乙酰丙酮铂，使Pt：Ti的原子数比达到0.05。用匀胶法涂敷到叉指电极所在位置的上绝缘层上，并覆盖叉指电极，经500℃烘干，形成TiO2膜层2；
d．用光刻胶做掩蔽层，利用反应离子刻蚀法将TiO2膜层刻蚀成正方形网状结构，并同时刻蚀出叉指电极引线盘。
Claims (4)
1.一种用于氧传感器的TiO2敏感层结构的制备方法，所述的TiO2敏感层结构，包括设置在绝缘层上表面的Pt叉指状电极层和Pt叉指状电极层上的TiO2敏感层，Pt叉指状电极层下面设有Ti粘结层，形状和Pt叉指状电极相吻合，其中，绝缘层为上、下两层，上、下绝缘层之间有加热层，所述TiO2敏感层为掺杂有Pt的TiO2层，其平面几何特征为多孔网状结构，其特征在于，包括下述步骤：
a.用匀胶光刻法在绝缘层表面定义出Pt叉指状电极的形状和位置；
b.用溅射方法溅射50nm厚的Ti作为Ti粘结层，随后溅射150nm厚Pt，采用超声剥离工艺去除胶膜形成叉指状电极；
c.以溶胶凝胶法制备含钛离子乳胶，用匀胶法涂敷到叉指状电极所在位置的上绝缘层上，并覆盖叉指状电极，经500℃烘干，形成TiO2膜层；
d.用光刻胶做掩蔽层，利用反应离子刻蚀法将TiO2膜层刻蚀成正方形网状结构，并同时刻蚀出叉指电极引线盘。
2.如权利要求1所述的用于氧传感器的TiO2敏感层结构的制备方法，其特征在于，多孔网状结构的TiO2敏感层，其网线宽为2-4μm；纵横网线围成的网孔为正方形，边长4-8μm。
3.如权利要求2所述的用于氧传感器的TiO2敏感层结构的制备方法，其特征在于，所述Pt叉指状电极的叉指宽度刚好为网线宽度；叉指间距刚好为网孔的边长。
4.如权利要求1所述的用于氧传感器的TiO2敏感层结构的制备方法，其特征在于，所述的含钛离子乳胶，加入有乙酰丙酮铂，使Pt：Ti的原子数比为0.05。
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