MEMS面型微加熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作.pdf

1、隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，基于MEMS技術(shù)的微型加熱器在氣體傳感器、紅外探測器等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。MEMS微加熱器通常采用絕熱性好的薄膜作為襯底材料，具有體積小，功耗低，響應(yīng)時(shí)間短，靈敏度高，重復(fù)性好，易于集成和陣列化等一系列優(yōu)點(diǎn)。本文在對國內(nèi)外相關(guān)工作進(jìn)行回顧的基礎(chǔ)上，針對低功耗、大均溫面積的MEMS技術(shù)面型微加熱器開展了熱學(xué)和力學(xué)上較為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)出分別適用于真空和大氣兩種工作環(huán)境下的新型結(jié)構(gòu)，并通過制造和測試對設(shè)計(jì)進(jìn)行

2、了驗(yàn)證。獲得了在大氣下500×300um2區(qū)域內(nèi)溫差僅0.05℃/μm，500℃高溫下功耗僅25mW的新結(jié)構(gòu)器件，總體上各項(xiàng)性能均好于現(xiàn)有報(bào)道。 在熱學(xué)設(shè)計(jì)中，針對該器件在不同應(yīng)用條件下的特點(diǎn)詳細(xì)討論了器件功耗、加熱效率、熱時(shí)間常數(shù)等關(guān)鍵問題，并對大面積均溫特性作了重點(diǎn)分析。建立了簡化的熱學(xué)模型，通過解析解分析了真空和大氣兩種狀態(tài)下微加熱器溫度分布特征及其影響因素，得到了大面積均溫微加熱器熱學(xué)設(shè)計(jì)的一些指導(dǎo)性原則。根據(jù)這些原則提

3、出了真空和大氣下的幾種新型結(jié)構(gòu)，并結(jié)合有限元模擬結(jié)果對具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。 所得到的熱學(xué)設(shè)計(jì)原則具體如下：(1)真空和大氣兩種狀態(tài)下微加熱器的熱學(xué)特性差別較大，其設(shè)計(jì)應(yīng)分別予以考慮；(2)在真空下，環(huán)形加熱器結(jié)構(gòu)可以獲得較好的均溫特性，內(nèi)部添加均熱器可以進(jìn)一步提高均溫特性。模擬結(jié)果顯示：在約1000×1000um2的封閉膜上，20mW功率可使最高溫度達(dá)到640K，在約500×600um2區(qū)域內(nèi)溫差僅為0.02℃/μm；(3)在大

4、氣下，由于熱對流和氣體熱傳導(dǎo)的存在，應(yīng)將加熱絲適當(dāng)擴(kuò)展到反應(yīng)區(qū)內(nèi)部，以提高整體溫度均勻性，具體結(jié)構(gòu)可以通過有限元模擬進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，在大氣下模擬結(jié)果顯示1000×1000um2的封閉膜上功耗約70mW時(shí)最高溫度達(dá)到710K，在約500×300um2區(qū)域內(nèi)溫差僅0.05℃/μm。 在力學(xué)設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)了一種通過應(yīng)力補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定機(jī)械性能的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)作為器件的支撐膜；對各層薄膜實(shí)際應(yīng)力進(jìn)行測試，由測試結(jié)果對各層膜厚比例進(jìn)行了

5、設(shè)計(jì)，以滿足應(yīng)力補(bǔ)償?shù)臈l件；采用有限元方法對器件進(jìn)行了熱應(yīng)力模擬分析，研究了高溫在膜上產(chǎn)生的熱應(yīng)力。 本文還采用了熱氧化、LPCVD、磁控濺射等薄膜制備工藝以及硅的離子刻蝕、各向異性腐蝕等工藝手段，制備了以Pt薄膜電阻為加熱器和測溫器的器件，解決了金屬薄膜腐蝕前合金化保護(hù)等問題。對完成制作的器件進(jìn)行了電阻-溫度系數(shù)的標(biāo)定，按照標(biāo)定結(jié)果通過測量電阻確定了器件溫度，并在大氣下進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)電熱特性和均溫性能的測試。測試結(jié)果表明微加