圖1是MEMS 結(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)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(jié)構(gòu)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(shè)計成一體化器件，可以集成化生產(chǎn)、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(jié)構(gòu)的TiO2 氧傳感器的工藝流程圖如圖2 所示。
TiO2 是寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度在3 eV 以上。在真空制備TiO2 半導(dǎo)體時，當(dāng)氧分壓較低時，在TiO2 中產(chǎn)生大量的氧空位，構(gòu)成N 型半導(dǎo)體 。TiO2 薄膜的氧敏機(jī)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(xiàn)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(xué)吸附，最后進(jìn)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(zhì)量作用關(guān)系，得到二氧化鈦的電導(dǎo)率與氧分壓P 的關(guān)系為：σ = Aμn eP^(- 1/x)
其中：A是質(zhì)量作用常數(shù)，是和氧空位濃度有關(guān)的系數(shù);σ是TiO2 的電導(dǎo)率;μn 是電子遷移率;P 為氧分壓;隨著離子缺陷的本質(zhì)及電離情況，x 的值在4～6 之間變化。
