CN2293071Y - 掺杂薄膜型λ传感器 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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)Po2 1/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。
附图说明:
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。
下面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。
Claims (6)
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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN 97206703 CN2293071Y (zh) | 1997-03-10 | 1997-03-10 | 掺杂薄膜型λ传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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CN 97206703 CN2293071Y (zh) | 1997-03-10 | 1997-03-10 | 掺杂薄膜型λ传感器 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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CN2293071Y true CN2293071Y (zh) | 1998-09-30 |
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ID=33926629
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CN 97206703 Expired - Fee Related CN2293071Y (zh) | 1997-03-10 | 1997-03-10 | 掺杂薄膜型λ传感器 |
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CN (1) | CN2293071Y (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101162211B (zh) * | 2007-11-23 | 2010-06-09 | 黑龙江大学 | 一种丙酮气敏材料的应用 |
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1997
- 1997-03-10 CN CN 97206703 patent/CN2293071Y/zh not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Granted publication date: 1998.09.30 |