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
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體氣敏傳感器，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：
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域。目前已經實用化的常見的汽車用氧傳感器一般為電化學型，其中又可分為氧濃差型、極限電流型和化學擴散型等。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)附近的基準信號，來微調燃料的噴射量，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，最終達到降低環(huán)境污染和節(jié)省能源的目的。在電化學型氧傳感器中，ZrO2濃差型氧傳感器是最早實用化的氧傳感器，這是以固體電解質為基礎，摻加2價或3價金屬氧化物，如氧化鈷CoOj2O3 (氧化釔)等進行固溶后，其氣敏材料性能穩(wěn)定，導電性加強。以被測氣體作為濃差電池的一方，已知濃度的參考氣體為另一方，通過測量由于^O2的離子導電性而產生的濃差電池的電動勢，判定被測氣體濃度的大小，它的特點是當燃料濃度處于高的一側，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電解質的兩側涂以Pt電極，并把它置于一側有小孔的腔中。當給電解質外加電壓時，氣氛中的氧將通過小孔從電解質的一側向另一側，當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。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、 裝置復雜、體積大、使用和維修麻煩，已經不能滿足汽車智能化時代對傳感器小型化、集成化和網絡化控制的要求。大多數(shù)的光學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)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術氧化鋯^O2氧傳感器體積大、難以與控制電路集成的缺陷， 設計出了一種新型的半導體氧敏傳感器。利用金屬鉬Pt對吸附氧的催化離解作用，設計出了基于金屬Pt電極的金屬-氧化物-半導體型場效應晶體管MOSFET結構的氧敏傳感器。利用Pt柵極對氧吸附后產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，當所檢測的氧濃度發(fā)生變化時，半導體傳感器的漏電流也會發(fā)生相應的改變。該種氧敏傳感器具有很高的響應速度和靈敏度，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結構構造氧傳感器，在MOSFET結構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_，產生的02_在Pt/氧敏感材料界面處與氧敏材料晶格中的02_進行置換反應，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，
權利要求
1.基于SiC的MOSFET結構的汽車發(fā)動機用氧傳感器，其特征在于在MOSFET結構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_進行置換反應，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結構半導體傳感器采用N型表面溝道。
3.根據(jù)權利要求1所述的汽車發(fā)動機用氧傳感器，其特征在于=MOSFET結構采用埋溝形式，即通過離子注入的方式將N型雜質注入到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結構采用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薄膜在內的氧敏金屬氧化物薄膜材料。
6.根據(jù)權利要求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)與半導體(SiC)的功函數(shù)之差、ΦΡ_半導體的費米電勢、q_電子電量、Na-半導體中受主雜質濃度，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結構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-進行置換反應。
8.根據(jù)權利要求7所述的傳感器制造方法，其特征在于，MOSFET結構采用埋溝形式，即通過離子注入的方式將N型雜質注入到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)權利要求7所述的傳感器制造方法，其特征在于，MOSFET結構采用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結構中，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，氧濃度的變化可轉變?yōu)闁叛鯇訂挝幻娣e電容的變化，從而導致閾值電壓的變化。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