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随着科技的飞速发展，在航空航天、医药生物、食品加工、环境监测等领域需要对氧进行有效检测。在不同领域，针对环境适应性、功能、尺寸的要求，使氧传感器在测量精度、敏感范围、高环境适应性、小型化、易集成等方面的研究受到了广泛的关注。由于TiO2具有独特的物理和化学性质，使其在气体传感器方面拥有重要的应用价值。上世纪90年代，纳米材料科学的兴起为以TiO2为对象的基础理论和应用研究注入了新的内容。由于纳米材料的量子尺寸效应、表面效应等使得TiO2纳米材料的结构和性质都与常规TiO2有很大的差别，因此纳米结构薄膜的研究为TiO2气敏性能的提高、新型传感器的设计提供了新的研究内容。本文采用纳米TiO2球壳薄膜作为敏感薄膜利用Si/TiO2异质结构的优良电学特性设计pn结衬底电极TiO2氧传感器并进行以下理论分析和研究工作：1.采用原子尺度Ti金属粒子尺度沉积-液相分离-核壳自组装-萃取分离-分步氧化的研究方法，实现尺寸在250nm左右中空通透TiO2球壳结构的制备。并实现了球壳结构TiO2薄膜与反应溅射制备W-TiO2薄膜、Pt-TiO2薄膜过渡层的共同作用的氧敏感膜的设计、制备。将液态条件下物理沉积到油里得到的接近原子尺寸的Ti金属超原子，注入到含有170nm-200nm作为核、球形碳纳米的二氯甲烷与酒精的混合溶液中，完成与碳球的核壳自组装，形成以碳球为核、Ti超原子粒子为壳的核壳结构，利用萃取技术分离除去油溶液，真空蒸发出去萃取液中的溶剂，在富氧条件下梯次升温氧化Ti金属形成TiO2壳的同时，使碳核的分子氧化蒸发，制备出尺度在250nm左右的中空通透TiO2球壳，并将纳米球壳沉积在溅射工艺制备的同质的TiO2过渡层上，获得宽禁带半导体球壳结构薄膜氧敏感材料。2.利用XRD、AFM、XPS、TEM等表征手段分析了制备薄膜的成分与结构。制备完成的TiO2纳米球壳直径在250nm左右，结构完整。球壳结构的TiO2壳层壁在35nm-50nm之间，壳层上TiO2粒子呈规则性分布，粒径约为15nm-25nm之间，粒径分布比较均匀。二维晶格象清晰的显示出锐钦矿相TiO2的（101）和（004）晶面，其晶面间距分别为0.35nm和0.24nm。并且通透纳米球壳组成的TiO2薄膜能够很好的覆盖在过渡层表面，不存在裂纹等不连续的缺陷，能够满足提高被测气体的表面吸附，获得优良的气体灵敏度的结构特点。3.基于TiO2薄膜与TiO2/Si异质结敏感机制设计了pn结结构电极TiO2氧传感器。利用TiO2/Si异质结纵向面电流传输来改善传感器性能。传感器由TiO2敏感薄膜有源区与检测电极、加热电阻与加热电极、温控二极管与检测电极三部分组成。C型硅杯表面有源区上制作pn结，有源区两侧非活性区覆盖SiO2，在p+-Si中性区、n+-Si中性区上制作Pt检测电极，SiO2层区域制作Pt加热电极，有源区pn结及检测Pt电极上表面利用溅射工艺与模板包覆工艺生长掺杂TiO2敏感薄膜。实现了传感器与Si集成工艺相兼容。4.结合气敏材料微观结构、物理化学吸附以及TiO2/Si异质结构的敏感性能，在明确本结构设计的TiO2气体传感器气敏性能改善机制的基础上，讨论了传感器工作温度、环境湿度对传感器气敏特性的影响。系统地测试了传感器的灵敏度、选择性、温湿度特性、响应时间与恢复时间以迟滞特性。