專利名稱：基于SiC的MOSFET的汽車發(fā)動機用氧傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體氣敏傳感器，具體涉及到一種測量汽車發(fā)動機中氧濃度的氧氣傳感器。
背景技術(shù)：
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車擁有量的急劇增加，使得汽車尾氣的排放日益增長，這對城市環(huán)境的大氣污染變得愈發(fā)的嚴(yán)重，因而有必要采取措施使得發(fā)動機中燃油充分燃燒，盡可能最大程度地提高燃燒效率，以達(dá)到節(jié)省燃料、減少汽車尾氣等有害氣體的排放的目的。因而氧氣傳感器的研究一直是汽車用傳感器研究的一個重要研究領(lǐng)域。目前已經(jīng)實用化的常見的汽車用氧傳感器一般為電化學(xué)型，其中又可分為氧濃差型、極限電流型和化學(xué)擴散型等。一種廣泛用于燃燒過程控制、氣氛控制和氣體排放控制的化學(xué)傳感器便是氧化鋯^o2氧傳感器，它是通過檢測排氣中的氧濃度提供給電控單元E⑶(Electronic Control Unit)，作為控制空燃比(A/F)在最佳值(理論值)附近的基準(zhǔn)信號，來微調(diào)燃料的噴射量，以使得汽車廢氣中的C0、HC、N0x等成分在各種工況下都能得到很高的凈化率，最終達(dá)到降低環(huán)境污染和節(jié)省能源的目的。在電化學(xué)型氧傳感器中，ZrO2濃差型氧傳感器是最早實用化的氧傳感器，這是以固體電解質(zhì)為基礎(chǔ)，摻加2價或3價金屬氧化物，如氧化鈷CoOj2O3 (氧化釔)等進(jìn)行固溶后，其氣敏材料性能穩(wěn)定，導(dǎo)電性加強。以被測氣體作為濃差電池的一方，已知濃度的參考?xì)怏w為另一方，通過測量由于^O2的離子導(dǎo)電性而產(chǎn)生的濃差電池的電動勢，判定被測氣體濃度的大小，它的特點是當(dāng)燃料濃度處于高的一側(cè)，它有很高的敏感性。另一種氧傳感器便是極限電流型，它是在片狀^O2電解質(zhì)的兩側(cè)涂以Pt電極，并把它置于一側(cè)有小孔的腔中。當(dāng)給電解質(zhì)外加電壓時，氣氛中的氧將通過小孔從電解質(zhì)的一側(cè)向另一側(cè)，當(dāng)電壓逐漸從零增大時，電流最初隨電壓升高而增大，但由于小孔對氧擴散的限制，最終達(dá)到飽和，稱飽和電流(或稱界限電流)。飽和電流的大小基本上與氣體中的氧濃度成正比，因此可以通過飽和電流的測量標(biāo)定氣氛中的氧濃度，可以獲得一簇類似晶體三極管特性曲線的恒電流特性曲線，這特性曲線與被測氧濃度一一對應(yīng)。這就是限流型氧傳感器測氧的基本原理。上述傳統(tǒng)的限流型氧傳感器的氧檢測方法能精確地分析氧的濃度，但其成本高、 裝置復(fù)雜、體積大、使用和維修麻煩，已經(jīng)不能滿足汽車智能化時代對傳感器小型化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化控制的要求。大多數(shù)的光學(xué)氧氣傳感器靈敏度較低、穩(wěn)定性較差，也不適用于汽車發(fā)動機的惡劣環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)氧化鋯^O2氧傳感器體積大、難以與控制電路集成的缺陷， 設(shè)計出了一種新型的半導(dǎo)體氧敏傳感器。利用金屬鉬Pt對吸附氧的催化離解作用，設(shè)計出了基于金屬Pt電極的金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(yīng)晶體管MOSFET結(jié)構(gòu)的氧敏傳感器。利用Pt柵極對氧吸附后產(chǎn)生單位面積電容的變化，從而引起閾值電壓的變化。通過保持柵源電壓恒定，采用二極管連接方式連接成閉合電路，當(dāng)所檢測的氧濃度發(fā)生變化時，半導(dǎo)體傳感器的漏電流也會發(fā)生相應(yīng)的改變。該種氧敏傳感器具有很高的響應(yīng)速度和靈敏度，采用碳化硅作為襯底材料，能夠完全滿足在高溫、高濕度環(huán)境下正常工作的要求。本發(fā)明所述的基于MOSFET的汽車發(fā)動機用氧傳感器，利用N型溝道MOSFET結(jié)構(gòu)構(gòu)造氧傳感器，在MOSFET結(jié)構(gòu)的氧化硅層上加一層氧氣敏感材料，同時在氧敏感材料薄膜上濺射Pt作為金屬電極，該氧傳感器利用Pt對吸附氧的離解起催化作用，在氧氣/鉬/氧敏感材料薄膜的三相界面上，使分子狀態(tài)的氧離解成氧離子02_，產(chǎn)生的02_在Pt/氧敏感材料界面處與氧敏材料晶格中的02_進(jìn)行置換反應(yīng)，從而根據(jù)氧敏材料薄膜層單位面積電容的變化確定SiC的MOSFET傳感器閾值電壓，通過測量閾值電壓的變化獲得氧氣濃度的變化，從而實現(xiàn)傳感器對氧濃度的測量。氧敏材料薄膜采用釔穩(wěn)定氧化鋯YSZ，YSZ中被置換出來的02_通過YSZ晶體中的空位發(fā)生遷移，根據(jù)YSZ層單位面積電容Cysz可計算柵極單位面積電容Cx，
權(quán)利要求
1.基于SiC的MOSFET結(jié)構(gòu)的汽車發(fā)動機用氧傳感器，其特征在于在MOSFET結(jié)構(gòu)的氧化硅層上加一層氧敏感材料，同時在氧敏感材料薄膜上濺射金屬鉬Pt作為金屬電極，在氧氣/鉬/氧敏感材料薄膜的三相界面上，使分子狀態(tài)的氧離解成氧離子02_，產(chǎn)生的02_在 Pt/氧敏感材料界面處與氧敏感材料晶格中的02_進(jìn)行置換反應(yīng)，根據(jù)氧敏感材料薄膜層單位面積電容Cysz的變化確定SiC的閾值電壓，通過測量閾值電壓的變化獲得氧氣濃度的變化，從而實現(xiàn)傳感器對氧濃度的測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車發(fā)動機用氧傳感器，其特征在于=MOSFET結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體傳感器采用N型表面溝道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車發(fā)動機用氧傳感器，其特征在于=MOSFET結(jié)構(gòu)采用埋溝形式，即通過離子注入的方式將N型雜質(zhì)注入到P-SiC溝道區(qū)域的表面，在柵氧層的下面形成溝道，溝道深度為0. 10 μ m 0. 20 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車發(fā)動機用氧傳感器，其特征在于=MOSFET結(jié)構(gòu)采用P型碳化硅作為襯底，氧敏感材料采用YSZ薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車發(fā)動機用氧傳感器，其特征在于氧敏感材料采用包括 Τ 02薄膜在內(nèi)的氧敏金屬氧化物薄膜材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5其中之一所述的汽車發(fā)動機用氧傳感器，其特征在于根據(jù)公式 &二九s +2《-ρ,/C； + W^^^iV^/Cx計算傳感器閾值電壓VT，其中，Φω3金屬(Pt)與半導(dǎo)體(SiC)的功函數(shù)之差、ΦΡ_半導(dǎo)體的費米電勢、q_電子電量、Na-半導(dǎo)體中受主雜質(zhì)濃度，Na= 1016cnT3、Qf-單位面積固定的表面態(tài)電荷密度、ε C1-真空的介電常數(shù)、Cx-柵極單位面積電容、碳化硅的相對介電常數(shù)。
7.基于SiC的MOSFET的檢測汽車尾氣氧濃度的傳感器制造方法，其特征在于，以P型碳化硅作為襯底，以氧敏金屬氧化物作為氧氣敏感層材料，在MOSFET結(jié)構(gòu)的柵氧層上生長一層氧敏金屬氧化物薄膜，接著在氧敏金屬氧化物薄膜上濺射金屬鉬Pt電極，在氧氣/鉬 /氧敏金屬氧化物薄膜的三相界面上，使分子狀態(tài)的氧離解成氧離子02_，產(chǎn)生的02_在Pt/ 氧敏金屬氧化物界面處與氧敏金屬氧化物薄膜晶格中的O2-進(jìn)行置換反應(yīng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器制造方法，其特征在于，MOSFET結(jié)構(gòu)采用埋溝形式，即通過離子注入的方式將N型雜質(zhì)注入到P-SiC溝道區(qū)域的表面，在柵氧層的下面形成溝道， 溝道深度典型值為0. 10 μ m 0. 20 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器制造方法，其特征在于，MOSFET結(jié)構(gòu)采用P型碳化硅作為襯底，氧敏感材料采用YSZ薄膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感器制造方法，其特征在于，YSZ薄膜為向氧化鋯^O2中加入摻雜濃度為Na = IO16CnT3的氧化釔^O3進(jìn)行固溶。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于SiC材料的MOSFET的汽車發(fā)動機用氧傳感器及其制備方法。利用了碳化硅材料的禁帶寬度大、擊穿電場高、電子飽和漂移速度高、熱導(dǎo)率大等良好特性，將其作為N型溝道MOSFET的P型襯底，滿足高溫工作的要求。在MOSFET結(jié)構(gòu)中，在原有的柵氧層上在生長一層氧敏薄膜材料(如YSZ)，金屬柵電極采用金屬Pt，該MOSFET型氧敏傳感器的溝道可以是表面溝道也可以是埋型溝道。在該傳感器中，氧濃度的變化可轉(zhuǎn)變?yōu)闁叛鯇訂挝幻娣e電容的變化，從而導(dǎo)致閾值電壓的變化。同時，本發(fā)明還給出該SiCMOSFET型氧敏傳感器的制作方法。
文檔編號F01N11/00GK102169104SQ20101060009
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者代作海, 馮世娟, 唐政維, 彭能, 徐洋, 李銀國, 王巍, 王曉磊, 羅元 申請人:重慶郵電大學(xué)