CN107089638A - 微型加热器及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型加热器及其加工方法，所述微型加热器包括：衬底，所述衬底具有沿其厚度方向相对设置的第一表面和第二表面，所述衬底上设有在厚度方向贯穿其的隔热通孔，所述隔热通孔的位于所述第一表面的端部形成为圆形；支撑膜，所述支撑膜设在所述衬底的第一表面且封盖所述隔热通孔；加热件，所述加热件设在所述支撑膜上。根据本发明实施例的微型加热器，通过使隔热通孔的位于第一表面的端部形成为圆形，从而实现支撑膜的封盖隔热通孔的部分也为圆形，即支撑膜中处于悬空的部分为圆形，由此使得支撑膜中处于悬空的部分的边缘是光滑连续的，可以避免支撑膜的应力集中问题，从而提高支撑膜的寿命及微型加热器工作的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及微机电(MEMS)技术领域，尤其是涉及一种微型加热器和该微型加热器的加工方法。
背景技术
相关技术中的微型加热器在结构设计中通常存在应力集中问题，从而导致器件容易损坏，使用寿命短等问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种微型加热器，所述微型加热器通过使隔热通孔的位于第一表面的端部形成为圆形，可以避免支撑膜的应力集中问题，从而提高支撑膜的寿命及微型加热器工作的可靠性。
本发明还提出了一种微型加热器的加工方法。
根据本发明第一方面实施例的微型加热器，包括：衬底，所述衬底具有沿其厚度方向相对设置的第一表面和第二表面，所述衬底上设有在厚度方向贯穿其的隔热通孔，所述隔热通孔的位于所述第一表面的端部形成为圆形；支撑膜，所述支撑膜设在所述衬底的第一表面且封盖所述隔热通孔；加热件，所述加热件设在所述支撑膜上。
根据本发明实施例的微型加热器，通过使隔热通孔的位于第一表面的端部形成为圆形，从而实现支撑膜的封盖隔热通孔的部分也为圆形，即支撑膜中处于悬空的部分为圆形，由此使得支撑膜中处于悬空的部分的边缘是光滑连续的，可以避免支撑膜的应力集中问题，从而提高支撑膜的寿命及微型加热器工作的可靠性。
另外，根据本发明实施例的微型加热器还可以具有如下附加技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述隔热通孔的横截面积在从所述第一表面到所述第二表面的方向上逐渐增大。
可选地，所述隔热通孔形成为圆台形。
可选地，所述加热件为加热电阻丝，所述加热电阻丝在其延伸方向上的曲率变化是连续的。
可选地，所述加热电阻丝在所述支撑膜上的投影呈圆形、椭圆形、渐开线形或顶点处倒圆角的多边形。
优选地，所述加热电阻丝包括彼此平行且间隔设置的多个直段以及连接相邻两个所述直段的弯段，所述弯段与所述直段的连接处平滑过渡。
根据本发明第二方面实施例的微型加热器的加工方法，所述加工方法用于加工根据本发明第一方面实施例的微型加热器，所述加工方法包括以下步骤：
S10：在所述衬底的第一表面上沉积形成所述支撑膜；
S20：在所述支撑膜上制作所述加热件；
S30：从所述衬底的第二表面朝向所述第一表面刻蚀所述衬底以形成所述隔热通孔。
根据本发明实施例的微型加热器的加工方法，微型加热器制作过程简单、易操作且成型质量高。
另外，根据本发明实施例的微型加热器的加工方法还可以具有如下附加技术特征：
根据本发明的一个实施例，在所述S30步骤中，刻蚀所述隔热通孔的步骤如下：
首先采用干法刻蚀技术由所述衬底的第二表面朝向第一表面刻蚀所述衬底以形成所述隔热通孔的第一部分；
再采用湿法刻蚀技术在所述隔热通孔的第一部分的基础上继续沿所述衬底的厚度方向刻蚀所述衬底以形成所述隔热通孔。
可选地，所述干法刻蚀技术为深反应离子刻蚀(DRIE)。
可选地，所述湿法刻蚀的腐蚀剂为表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚(TritonX-100)和四甲基氢氧化铵(TMAH)的混合溶液。
可选地，所述支撑膜为由氧化硅层和氮化硅层构成的复合薄膜结构，在所述S10步骤中，在所述衬底的第一表面上沉积形成所述支撑膜的步骤如下：
先采用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法在衬底的第一表面沉积氧化硅层；
然后再采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法在所述氧化硅层上沉积氮化硅层。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的微型加热器的立体图；
图2是图1中所示的微型加热器的另一个角度的立体图。
附图标记：
微型加热器100；
衬底1；第一表面11；第二表面12；隔热通孔13；第一段131；第二段132；
支撑膜2；
加热件3；直段31；弯段32；
电极4。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面参考图1-图2描述根据本发明第一方面实施例的微型加热器100。
如图1-图2所示，根据本发明实施例的微型加热器100包括：衬底1、支撑膜2和加热件3。
衬底1具有沿其厚度方向相对设置的第一表面11和第二表面12，在衬底1沿水平方向放置时，第一表面11为衬底1的上表面，第二表面12为衬底1的下表面。衬底1上设有在厚度方向贯穿其的隔热通孔13，隔热通孔13的位于第一表面11的端部形成为圆形。可选地，衬底1可以为硅衬底。
支撑膜2设在衬底1的第一表面11且封盖隔热通孔13，支撑膜2的中部封盖隔热通孔13的位于第一表面11的端部，支撑膜2的邻近其外周沿的部分支撑在衬底1上且与衬底1相连。支撑膜2可以为氧化硅膜、氮化硅膜或氧化硅/氮化硅复合膜。
隔热通孔13的位于第一表面11的端部形成为圆形，使得支撑膜2的封盖隔热通孔13的部分也为圆形，即支撑膜2中处于悬空的部分为圆形，由此可以使得支撑膜2中处于悬空的部分的边缘是光滑连续的而避免了凸角的出现，由此可以避免支撑膜2的应力集中问题，从而提高支撑膜2的寿命及微型加热器100工作的可靠性。可选地，支撑膜2整体可以呈圆形或多边形(例如图1所示的方形)等。
加热件3设在支撑膜2上，具体地，加热件3设在支撑膜2的远离隔热通孔13的表面上，通过支撑膜2支撑加热件3，并将加热件3与隔热通孔13相隔开。可选地，加热件3可以为丝状、片状等。衬底1上还设有与加热件3相连的电极4，电极4可以邻近衬底1的外周沿设置。例如，当衬底1成方形时，电极4可以设在衬底1的四个拐角处(如图1所示)。
根据本发明实施例的微型加热器100，通过使隔热通孔13的位于第一表面11的端部形成为圆形，从而实现支撑膜2的封盖隔热通孔13的部分也为圆形，即支撑膜2中处于悬空的部分为圆形，由此使得支撑膜2中处于悬空的部分的边缘是光滑连续的，可以避免支撑膜2的应力集中问题，从而提高支撑膜2的寿命及微型加热器100工作的可靠性。
在本发明一个实施例中，隔热通孔13的横截面积在从第一表面11到第二表面12的方向上(参照图2中的由上向下的方向上)逐渐增大。由此，可以提高微型加热器100的整体结构稳定性及强度，同时可以提高微型加热器100的芯片密度。
例如，隔热通孔13可以形成为圆台形。
又例如，参照图2，隔热通孔13可以包括内径不同的第一段131和第二段132，上述第一段131和第二段132均形成为圆柱形，其中第一段131邻近隔热通孔13的第一表面11，第二段132邻近隔热通孔13的第二表面12，第一段131的内径小于第二段132的内径。
根据本发明的一些可选实施例，参照图1，加热件3可以为加热电阻丝，加热电阻丝在其延伸方向上的曲率变化是连续的。由此，使得加热电阻丝的各个部分之间均为平滑连接过渡，可以防止加热件3上出现结构应力集中的问题，进一步地提高微型加热器100的可靠性和寿命。
例如，加热电阻丝在支撑膜2上的投影可以呈圆形、椭圆形、渐开线形或顶点处倒圆角的多边形。
又例如，参照图1，加热电阻丝可以包括彼此平行且间隔设置的多个直段31以及连接相邻两个直段31的弯段32，弯段32与直段31的连接处平滑过渡。由此，可以使加热电阻丝均匀分布在支撑膜2上，使得微型加热器100在工作时可以获得较大面积且高质量的均温区域。
下面参照图1和图2描述根据本发明实施例的微型加热器100的加工方法，所述加工方法用于加工根据本发明上述第一方面实施例的微型加热器100，加工方法包括一下步骤：
S10、在衬底1的第一表面11沉积形成支撑膜2。可以利用化学气相沉积技术在衬底1的第一表面11沉积形成上述支撑膜2，该支撑膜2可以为复合膜结构。其中，在衬底1上沉积支撑膜2之前，可以对衬底1的第一表面11和第二表面12进行抛光，由此可以增强支撑膜2与衬底1之间的连接强度和可靠性。
S20、在支撑膜2上制作加热件3，可以利用溅射工艺在支撑膜2上沉积形成加热件3，例如可以采用磁控溅射的方法。根据设计要求在支撑膜2上溅射沉积成片状或丝状的加热件3，加热件3的图形形状可以为圆形、椭圆形、渐开线形、顶点处倒圆角的多边形或蛇形。
S30：从衬底1的第二表面12朝向第一表面11刻蚀衬底1以形成隔热通孔13。
根据本发明实施例的微型加热器100的加工方法，微型加热器100制作过程简单、易操作且成型质量高。
可选地，支撑膜2为由氧化硅层和氮化硅层构成的复合薄膜结构，在所述S10步骤中，在衬底1的第一表面11上沉积形成支撑膜2的步骤如下：先采用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法在衬底1的第一表面11沉积氧化硅层；然后再采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法在氧化硅层上沉积氮化硅层，由此形成低应力的复合薄膜结构。
在本发明的一些实施例中，在所述S30步骤中，刻蚀所述隔热通孔13的步骤如下：首先采用干法刻蚀技术由衬底1的第二表面12朝向第一表面11刻蚀衬底1以形成隔热通孔13的第一部分；再采用湿法刻蚀技术在所述隔热通孔13的第一部分的基础上继续沿衬底1的厚度方向刻蚀衬底1以形成隔热通孔13。
由此，通过干法刻蚀技术与湿法刻蚀技术相结合的技术，可以降低微型加热器100的加工成本，并可以保证成型质量。而且，在刻蚀隔热通孔13时先采用干法刻蚀再采用湿法刻蚀，可以避免干法刻蚀对支撑膜2可能造成的损坏。可选地，隔热通孔13的第一部分的横截面积由上至下可以均相等，在该第一部分的基础上采用上述湿法刻蚀技术对衬底1继续刻蚀以形成横截面面积由上至下逐渐增大的隔热通孔13，加工方便且对支撑膜2可以进行很好的保护，避免支撑膜2损坏。
可选地，上述干法刻蚀技术可以为深反应离子刻蚀(DRIE)。
可选地，上述湿法刻蚀技术的腐蚀剂可以为表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚(TritonX-100)和四甲基氢氧化铵(TMAH)的混合溶液。例如，在衬底1为硅衬底时，湿法刻蚀技术的腐蚀剂采用上述的混合溶液，可以消除硅各向异性产生的锐角应力集中结构。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (11)
1.一种微型加热器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底具有沿其厚度方向相对设置的第一表面和第二表面，所述衬底上设有在厚度方向贯穿其的隔热通孔，所述隔热通孔的位于所述第一表面的端部形成为圆形；
支撑膜，所述支撑膜设在所述衬底的第一表面且封盖所述隔热通孔；
加热件，所述加热件设在所述支撑膜上。
2.根据权利要求1所述的微型加热器，其特征在于，所述隔热通孔的横截面积在从所述第一表面到所述第二表面的方向上逐渐增大。
3.根据权利要求2所述的微型加热器，其特征在于，所述隔热通孔形成为圆台形。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的微型加热器，其特征在于，所述加热件为加热电阻丝，所述加热电阻丝在其延伸方向上的曲率变化是连续的。
5.根据权利要求4所述的微型加热器，其特征在于，所述加热电阻丝在所述支撑膜上的投影呈圆形、椭圆形、渐开线形或顶点处倒圆角的多边形。
6.根据权利要求4所述的微型加热器，其特征在于，所述加热电阻丝包括彼此平行且间隔设置的多个直段以及连接相邻两个所述直段的弯段，所述弯段与所述直段的连接处平滑过渡。
7.一种微型加热器的加工方法，所述加工方法用于加工根据权利要求1-6中任一项所述的微型加热器，其特征在于，所述加工方法包括以下步骤：
S10：在所述衬底的第一表面上沉积形成所述支撑膜；
S20：在所述支撑膜上制作所述加热件；
S30：从所述衬底的第二表面朝向所述第一表面刻蚀所述衬底以形成所述隔热通孔。
8.根据权利要求7所述的微型加热器的加工方法，其特征在于，在所述S30步骤中，刻蚀所述隔热通孔的步骤如下：
首先采用干法刻蚀技术由所述衬底的第二表面朝向第一表面刻蚀所述衬底以形成所述隔热通孔的第一部分；
再采用湿法刻蚀技术在所述隔热通孔的第一部分的基础上继续沿所述衬底的厚度方向刻蚀所述衬底以形成所述隔热通孔。
9.根据权利要求8所述的微型加热器的加工方法，其特征在于，所述干法刻蚀技术为深反应离子刻蚀(DRIE)。
10.根据权利要求8所述的微型加热器的加工方法，其特征在于，所述湿法刻蚀的腐蚀剂为表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚(TritonX-100)和四甲基氢氧化铵(TMAH)的混合溶液。
11.根据权利要求7所述的微型加热器的加工方法，其特征在于，所述支撑膜为由氧化硅层和氮化硅层构成的复合薄膜结构，在所述S10步骤中，在所述衬底的第一表面上沉积形成所述支撑膜的步骤如下：
先采用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法在衬底的第一表面沉积氧化硅层；
然后再采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法在所述氧化硅层上沉积氮化硅层。
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