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CN116170906A - 一种支撑梁的mems微加热器及其制造方法 - Google Patents

一种支撑梁的mems微加热器及其制造方法 Download PDF

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CN116170906A CN202211559639.4A CN202211559639A CN116170906A CN 116170906 A CN116170906 A CN 116170906A CN 202211559639 A CN202211559639 A CN 202211559639A CN 116170906 A CN116170906 A CN 116170906A
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heater
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CN202211559639.4A
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张韬
潘泽权
张春华
熊流广
王宇航
张健
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Northeast Forestry University
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Northeast Forestry University
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    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/02—Details
    • H05B3/06—Heater elements structurally combined with coupling elements or holders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • H—ELECTRICITY
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
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Abstract

一种支撑梁的MEMS微加热器及其制造方法，属于MEMS技术领域。利用支撑梁吸收热应力以及外界震动，同时提高了温度均匀性，增加了加热器的使用寿命。该MEMS微加热器包括：硅基衬底；隔热层，用于减少MEMS加热器因为热传导损失的热量；绝缘层，通过导热作用，提高加热区域的温度均匀性；加热电阻，位于绝热层的上方；隔离层，完全覆盖在加热电阻的上方。该制造方法，包括以下步骤：S1.刻蚀硅基衬底形成支撑梁、外框和加热平台；S2.在硅基衬底上下两表面上形成隔热层；S3.在隔热层上形成绝缘层；S4.在绝缘层上形成加热电阻；S5.形成隔离层覆盖加热电阻。本发明的加热区通过四周的支撑梁悬浮在空中，减小了热量的损失，同时通过支撑梁的形变吸收了内部的热应力。

Description

一种支撑梁的MEMS微加热器及其制造方法
技术领域
本发明属于MEMS技术领域，具体涉及一种支撑梁的MEMS微加热器及其制造方法。
背景技术
基于MEMS技术制备的微加热器是常用的加热平台，用于加热平台上的材料或者元件达到一定的温度条件。由于MEMS微加热器具有功耗低、响应速度快、体积小、可批量生产、易集成等优势，现已广泛用于微气体传感器、微驱动器、微加速度计和微红外光源等。
MEMS微加热器的基本结构包括机械支撑结构以及薄膜电阻。薄膜电阻分布于加热平台上，起到加热或测温作用。
现有技术中，为了提高加热器的响应速度，降低热损耗，普遍采用悬浮薄膜结构，悬浮薄膜通过支撑悬臂连接在支撑衬底上。因此该结构的力学性能较差，悬浮的薄膜容易破裂，导致加热器的抗震动等性能较弱，限制了加热器的使用范围。在加热器的使用过程中会造成温度分布不均匀，从而使加热器内部的热应力较大，进一步加剧了薄膜的破裂，降低了加热器的使用寿命。
发明内容
本发明为了解决上述问题，进而提供一种支撑梁的MEMS微加热器及其制造方法，利用支撑梁吸收热应力以及外界震动，同时提高了温度均匀性，增加了加热器的使用寿命。
本发明所采取的技术方案是：
一种支撑梁的MEMS微加热器，包括
硅基衬底，
隔热层，位于硅基衬底的上下两表面，用于减少MEMS加热器因为热传导损失的热量；
绝缘层，位于隔热层的上表面起到绝缘作用，同时通过导热作用，提高加热区域的温度均匀性；
加热电阻，位于绝缘层的上方；
隔离层，完全覆盖在加热电阻的上方，并在加热电阻的电极位置进行开窗。
一种MEMS微加热器的制造方法，包括以下步骤：
S1.在硅基衬底上刻蚀形成支撑梁、外框和加热平台；
S2.在硅基衬底上下两表面上生长SiO2薄膜，形成隔热层；
S3.等离子体加强化学气相沉积法在隔热层上表面上形成绝缘层；
S4.采用靶向溅射工艺在绝缘层表面加工加热电阻；
S5.等离子体加强化学气相沉积法生长隔离层，完全覆盖加热电阻。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明的加热区通过四周的支撑梁悬浮在空中，减小了热量的损失，同时通过支撑梁的形变吸收了内部的热应力，避免加热区域在高温工作时发生变形翘曲。
2.本发明通过设置隔热层降低热量损失，降低MEMS微加热器的功耗。
3.本发明结构简单，减少了制造工序，降低了制造难度，可用于大规模生产。
附图说明
图1是本发明剖面结构示意图。
图2为本发明硅基衬底俯视结构示意图。
图3为本发明加热电阻示意图。
图4为MEMS微加热器的工艺流程图。
其中：1、硅基衬底；2、隔热层；3、绝缘层；4、加热电阻；5、隔离层；6、支撑梁；7、外框；8、加热平台。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的做进一步详细的描述。
参照图1～图3所示，本发明的一种支撑梁的MEMS微加热器，包括
硅基衬底1，可采用(100)晶向的n型单晶硅，厚度为200～500μm，硅基衬底1两面抛光。
隔热层2，位于硅基衬底1的上下两表面，材质为SiO2，通过等离子体加强化学气相沉积法(PECVD)制造，厚度为50～500nm。用于减少MEMS加热器因为热传导损失的热量，减小器件的功耗；
绝缘层3，位于隔热层2的上表面，采用高导热绝缘材料(Si3N4或Al2O3)，通过等离子体加强化学气相沉积法(PECVD)制造，厚度为50～500nm。绝缘层3边缘与加热平台8完全对齐，绝缘层3可以防止加热电阻4和硅基衬底1直接接触，不仅可以起到绝缘作用，同时通过材料的高导热特性，提高加热区域的温度均匀性；绝缘层3还可以和下面隔热层2的SiO2形成复合材料层，减小加热过程中的热应力。
加热电阻4，位于绝缘层3的上方；材料为铂、钨等可以很好的和MEMS工艺相兼容的耐高温金属材料。通过射频磁控溅射法和剥离法制造加热电阻4的厚度为50～500nm，加热电阻4采取螺旋环绕结构，以便于对加热平台8进行均匀加热。当加热电阻4采用铂等电阻率温度系数稳定的材料时，可以同时作为MEMS微加热器的测温电阻。
隔离层5，为了防止在工作中加热电阻4与其他物体直接接触，在所述加热电阻4表面覆盖隔离层5，并在加热电阻4的电极位置进行开窗。隔离层5边缘完全与加热平台8边缘对齐。隔离层5的材料为导热率较高的Si3N4或Al2O3，厚度为100～300nm。
通过深反应离子刻蚀技术刻蚀硅基衬底1形成支撑梁6、外框7和加热平台8三个区域，
加热平台8，位于硅基衬底1中部，作为器件的加热区域以及样品搭载区域；
支撑梁6，位于加热平台8四周，支撑梁6与加热平台8之间具有一定间隙，间隙大小为50～200μm。支撑梁6与外框7之间具有一定间隙，间隙大小为50～200μm。通过支撑梁6的形变吸收加热区域因为高温引起的热应力；支撑梁6的宽度为100～1000μm，支撑梁6的形状为长条形、弧形或者V形中的一种，支撑梁6减少了加热区域与外部的接触面积，可以起到隔热保温的作用，提高加热区域的温度均匀性。支撑梁6采用对称结构，可以提高器件的抗冲击能力。
外框7，通过支撑梁6与加热平台8相连接，起到支撑固定作用。
如图4所示，本发明的一种MEMS微加热器的制造方法，包括以下步骤：
S1.准备洁净的双抛单晶硅片作为硅基衬底1，在硅基衬底1上通过深反应离子刻蚀技术加工出预定形状的槽，形成支撑梁6、外框7和加热平台8；
S2.通过等离子体加强化学气相沉积法(PECVD)在硅基衬底1上下两表面上生长SiO2薄膜，形成隔热层2；
S3.在隔热层2上表面上形成绝缘层3，即通过等离子体加强化学气相沉积法(PECVD)在SiO2上表面生长Si3N4薄膜形成绝缘层3；
S4.采用靶向溅射工艺在绝缘层表面加工加热电阻4；具体为：在所述绝缘层3表面通过匀胶光刻加工出加热电阻4的形状及位置，通过磁控溅射沉积一层金属铂形成加热电阻4，采用剥离工艺去除剩余光刻胶。
S5.等离子体加强化学气相沉积法(PECVD)生长隔离层5，即通过等离子体加强化学气相沉积法(PECVD)在加热平台8上表面沉积一层Al2O3形成隔离层，完全覆盖加热电阻4。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种支撑梁的MEMS微加热器，其特征在于：包括
硅基衬底(1)，
隔热层(2)，位于硅基衬底(1)的上下两表面，用于减少MEMS加热器因为热传导损失的热量；
绝缘层(3)，位于隔热层(2)的上表面起到绝缘作用，同时通过导热作用，提高加热区域的温度均匀性；
加热电阻(4)，位于绝缘层(3)的上方；
隔离层(5)，完全覆盖在加热电阻(4)的上方，并在加热电阻(4)的电极位置进行开窗。
2.根据权利要求1所述的一种支撑梁的MEMS微加热器，其特征在于：通过刻蚀硅基衬底(1)形成支撑梁(6)、外框(7)和加热平台(8)三个区域，
加热平台(8)，位于硅基衬底(1)中部，作为器件的加热区域以及样品搭载区域；
支撑梁(6)，位于所述加热平台(8)四周，通过支撑梁(6)的形变吸收加热区域因为高温引起的热应力；
外框(7)，通过支撑梁(6)与加热平台(8)相连接，起到支撑固定作用。
3.根据权利要求1所述的一种支撑梁的MEMS微加热器，其特征在于：所述硅基衬底(1)采用(100)晶向的n型单晶硅，厚度为200～500μm，所述硅基衬底(1)两面抛光。
4.根据权利要求1所述的一种支撑梁的MEMS微加热器，其特征在于：所述隔热层(2)材质为SiO2，通过等离子体加强化学气相沉积法制造，厚度为50～500nm。
5.根据权利要求1所述的一种支撑梁的MEMS微加热器，其特征在于：所述绝缘层(3)采用高导热绝缘材料，通过等离子体加强化学气相沉积法制造，厚度为50～500nm。
6.根据权利要求1所述的一种支撑梁的MEMS微加热器，其特征在于：所述加热电阻(4)的材料为耐高温金属，厚度为50～500nm，加热电阻(4)采取螺旋环绕结构，以便于对加热平台(8)进行均匀加热。
7.根据权利要求2所述的一种支撑梁的MEMS微加热器，其特征在于：所述支撑梁(6)与外框(7)之间具有一定间隙，间隙大小为50～200μm。
8.根据权利要求2所述的一种支撑梁的MEMS微加热器，其特征在于：所述支撑梁(6)与加热平台(8)之间具有一定间隙，间隙大小为50～200μm。
9.一种MEMS微加热器的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.在硅基衬底(1)上刻蚀形成支撑梁(6)、外框(7)和加热平台(8)；
S2.在硅基衬底(1)上下两表面上生长SiO2薄膜，形成隔热层(2)；
S3.等离子体加强化学气相沉积法在隔热层(2)上表面上形成绝缘层(3)；
S4.采用靶向溅射工艺在绝缘层表面加工加热电阻(4)；
S5.等离子体加强化学气相沉积法生长隔离层(5)。
10.根据权利要求9所述的一种MEMS微加热器的制造方法，其特征在于：所述S4具体为：在所述绝缘层(3)表面通过匀胶光刻加工出加热电阻(4)的形状及位置，通过磁控溅射沉积一层金属铂形成加热电阻(4)，采用剥离工艺去除剩余光刻胶。
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