MEMS面型微加熱器的結構設計和制作.pdf

1、隨著MEMS技術的不斷發(fā)展，基于MEMS技術的微型加熱器在氣體傳感器、紅外探測器等領域的應用日趨廣泛。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，響應時間短，靈敏度高，重復性好，易于集成和陣列化等一系列優(yōu)點。本文在對國內外相關工作進行回顧的基礎上，針對低功耗、大均溫面積的MEMS技術面型微加熱器開展了熱學和力學上較為系統(tǒng)的設計工作，設計出分別適用于真空和大氣兩種工作環(huán)境下的新型結構，并通過制造和測試對設計進行

2、了驗證。獲得了在大氣下500×300um2區(qū)域內溫差僅0.05℃/μm，500℃高溫下功耗僅25mW的新結構器件，總體上各項性能均好于現有報道。 在熱學設計中，針對該器件在不同應用條件下的特點詳細討論了器件功耗、加熱效率、熱時間常數等關鍵問題，并對大面積均溫特性作了重點分析。建立了簡化的熱學模型，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設計的一些指導性原則。根據這些原則提

3、出了真空和大氣下的幾種新型結構，并結合有限元模擬結果對具體結構進行了優(yōu)化。 所得到的熱學設計原則具體如下：(1)真空和大氣兩種狀態(tài)下微加熱器的熱學特性差別較大，其設計應分別予以考慮；(2)在真空下，環(huán)形加熱器結構可以獲得較好的均溫特性，內部添加均熱器可以進一步提高均溫特性。模擬結果顯示：在約1000×1000um2的封閉膜上，20mW功率可使最高溫度達到640K，在約500×600um2區(qū)域內溫差僅為0.02℃/μm；(3)在大

4、氣下，由于熱對流和氣體熱傳導的存在，應將加熱絲適當擴展到反應區(qū)內部，以提高整體溫度均勻性，具體結構可以通過有限元模擬進行優(yōu)化。經過優(yōu)化的結構，在大氣下模擬結果顯示1000×1000um2的封閉膜上功耗約70mW時最高溫度達到710K，在約500×300um2區(qū)域內溫差僅0.05℃/μm。 在力學設計方面，設計了一種通過應力補償實現穩(wěn)定機械性能的復合膜結構作為器件的支撐膜；對各層薄膜實際應力進行測試，由測試結果對各層膜厚比例進行了

5、設計，以滿足應力補償的條件；采用有限元方法對器件進行了熱應力模擬分析，研究了高溫在膜上產生的熱應力。 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等問題。對完成制作的器件進行了電阻-溫度系數的標定，按照標定結果通過測量電阻確定了器件溫度，并在大氣下進行了穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)電熱特性和均溫性能的測試。測試結果表明微加