CN107404775B - 一种基于多孔硅绝热层的微加热板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于多孔硅绝热层的微加热板及其制备方法，属于气体传感器的硅基加热板技术领域。所述微加热板从上到下依次包括电极组、多孔硅层、二氧化硅层和硅基座，所述电极组包括加热电极和信号电极，所述加热电极的形状为蛇形，所述信号电极为叉指电极，所述信号电极指状凸起设于加热电极蛇形凹陷处，且加热电极和信号电极互不接触。采用新型多孔硅绝热层材料代替现有二氧化硅和氮化硅绝热层材料，利用体硅加工工艺释放出的硅基座，硅基座采用背面硅腐蚀加工的方法制成，加大了绝热层与空气的接触面积，能很好的减少加热板上热量的耗散，具备体积小、灵敏度高、成本低、功耗小、易批量生产、机械电气性强以及加工工艺稳定等优点。
Description
技术领域
本发明属于气体传感器的硅基加热板技术领域，具体涉及一种基于多孔硅绝热层的微加热板及其制备方法。
背景技术
人们通过五官感觉，即视觉、味觉、触觉、嗅觉、听觉等去感知周围环境发生的现象及其变化，从而不断地认识自然、了解世界，进而去发展科学，开发资源，改造世界为人类造福。传感器技术就是实现五官感觉的人工化，依据仿生学技术，实现人造的五种感官。
工业的发展造成了每年有大量的废气排放到大气之中，这些有害气体的排放对自然环境以及生态平衡造成了严重的破坏,例如导致酸雨、温室效应、臭氧层破坏等。同时，在工业生产中，有毒、可燃的原料气体的泄漏会导致火灾、爆炸、人员中毒等事故，是安全生产的巨大隐患。
随着人们环保意识的增强以及各国对有毒气体排放和污染物排放方面的严格立法，各种气体监测及预警装置正在得到越来越广泛的应用，所以气体传感器的研究也成为了热点，市场需求也越来越大。气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来，并将它转换成电信号的器件，以便提供有关待测气体的存在及其浓度大小的信息。
近些年来，微电子机械系统( MEMS)技术由于得到了集成电路工业的支持，其发展速度异常迅猛。随着MEMS技术的发展，推进了气体传感器向微型化、低功耗和集成化发展，相比传统气体传感器具有功耗低、一致性好、响应更快等优点，微结构气体传感器在此基础上应运而生并很快成为气体传感器领域的一种主要结构形式。基于 MEMS 技术而制作的微结构气体传感器，拥有体积小、功耗低、灵敏度高、成本低、加工工艺稳定、易批量生产、机械电气性强等优点，并且有助于提高气体传感器的选择性及可靠性，促进其智能化、集成化、多功能化。微加热板(MHP)是MEMS微型传感器中一个重要的组成部分, 为了充分发挥敏感材料的敏感特性和选择性, 微加热板的设计对敏感材料是否能够正常发挥特性起着非常重要的作用，所以微加热板的加热区域温度场分布尽量均匀，并且低功耗。近年来，随着微电子机械系统技术的发展，多孔硅作为硅基MEMS微传感器中的优良绝热层材料显示出极大优势，再次引起人们的关注。
微热板的结构设计与力、热学设计是不可分割的。力学设计要求微热板要有较高的机械强度，关注的是支撑膜的机械稳定性；热学设计则要解决热响应速率，加热功率和温度分布均匀性的问题。另外，制作材料的选取也对微热板的力学和热学设计产生较大的影响，薄膜的杨氏模斌、泊松比、热膨胀系数、热导率、电阻率等各不相同，而这些参数还与加工工艺有着很大的关系，设计时都要予以考虑。但是现有的微热板的制作工艺繁多，过程比较复杂，薄膜沉积工艺产生的内应力控制，湿法腐蚀的保护，牺牲层工艺等问题都需要解决。
发明内容
解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种基于多孔硅绝热层的微加热板及其制备方法，具备体积小、灵敏度高、成本低、功耗小、易批量生产、机械电气性强以及加工工艺稳定等优点。
技术方案：一种基于多孔硅绝热层的微加热板，所述微加热板从上到下依次包括电极组 、多孔硅层、二氧化硅层和硅基座，所述电极组包括加热电极和信号电极，所述加热电极的形状为蛇形，所述信号电极为叉指电极，所述信号电极指状凸起设于加热电极蛇形凹陷处，且加热电极和信号电极互不接触。
作为优选，所述多孔硅层的孔隙率为78~82%。
作为优选，所述二氧化硅层和硅基座的加工方法为背面硅腐蚀。
作为优选，所述硅基座为单晶硅。
作为优选，所述加热电极为Pt电极。
作为优选，所述电极组的厚度为35~45μm，所述多孔硅层的厚度为100~110μm，所述二氧化硅层的厚度为35~45μm，所述硅基座的厚度为1.8~2.2 mm。
作为优选，所述电极组的厚度为40μm，所述多孔硅层的厚度为110μm，所述二氧化硅层的厚度为40μm，所述硅基座的厚度为2 mm。
本发明的另一个技术方案为所述基于多孔硅绝热层的微加热板的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一.将硅锭拉单晶，切片、磨片、抛光后制成硅基座，然后用清洗液清洗硅基座表面站污杂质；
步骤二.将步骤一处理后的硅基座置于氧化炉内，用热氧化法在硅基座表面生长二氧化硅层；
步骤三.利用电化学腐蚀法在二氧化硅层上制备多孔硅层；
步骤四.用光刻技术在多孔硅层上刻出加热电极和信号电极的形状，然后溅射Pt，用光刻剥离形成加热电极和信号电极；
步骤五. 采用体硅加工工艺中的湿法化学腐蚀技术从背面腐蚀二氧化硅层和硅基座，释放出多孔硅层，最终完成整个制备过程。
作为优选，所述步骤五中采用体硅加工工艺中的湿法化学腐蚀技术从背面腐蚀二氧化硅层和硅基座，腐蚀基脚间距为1 mm。
有益效果：本发明与现有技术相比较，具有以下突出的优点：
1、相比于传统加热板功耗更低，温度分布更均匀，用新型多孔硅绝热层材料代替现有二氧化硅和氮化硅绝热层材料，利用体硅加工工艺释放出的硅基座，硅基座采用背面硅腐蚀加工的方法制成，加大了绝热层与空气的接触面积，能很好的减少加热板上热量的耗散。由于多孔硅存在许多孔洞状的微通道，形成存储空气的微腔，空气作为最好的阻热物质，导致多孔硅具有良好的绝热性，对热量传导起一定的阻隔作用，增强加热效果的同时降低功耗。
2、采用金属Pt做的蛇形加热电极和叉指信号电极，金属Pt在400~500℃高温下也能稳定的工作，相比较于传统加热板，功耗更低、加工工艺更加稳定，有助于提高气体传感器的选择性及可靠性，促进其智能化、集成化、多功能化。
3、所述加热板拥有体积小、灵敏度高、成本低、加工工艺稳定、易批量生产、机械电气性强等优点。
附图说明
图1是所述微加热板结构示意图；
图2是所述加热电极和信号电极的结构示意图；
图3是热生成率为1.2E10 W/m3、绝热层为多孔硅层、采用背面硅腐蚀加工硅基座基脚间距为1mm时加热板工作区温度的有限元仿真结果图；
图4是热生成率为1.2E10 W/m3、绝热层换成二氧化硅层、采用背面硅腐蚀加工硅基座基脚间距为1mm时加热板工作区温度的有限元仿真结果图；
图5是热生成率为1.2E10 W/m3、绝热层为多孔硅层、采用背面硅腐蚀加工硅基座基脚间距为1.5mm时加热板工作区温度的有限元仿真结果图；
图6是热生成率为1.2E10 W/m3、绝热层为多孔硅层、不采用背面硅腐蚀加工硅基座基脚间距为1mm时加热板工作区温度的有限元仿真结果图。
图中标号代表如下：1.电极组；2.多孔硅层；3.二氧化硅层；4.硅基座；5.加热电极；6.信号电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
一种基于多孔硅绝热层的微加热板，所述加热板采用多层结构，参照图1，从上到下依次包括电极组1、多孔硅层2、二氧化硅层3和硅基座4，所述电极组1包括加热电极5和信号电极6，参照图2，所述加热电极5的形状为蛇形，所述信号电极6为叉指电极，所述信号电极6指状凸起设于加热电极5蛇形凹陷处，且加热电极5和信号电极6互不接触。电极组1厚度为35μm，多孔硅层2的厚度为100μm，二氧化硅层3的厚度为35μm，硅基座4的厚度为1.8 mm。
所述硅基座4选择<100>单晶硅，硅基座4上表面设有二氧化硅层3，用于支撑多孔硅层2和电极组1，并且具备绝热和绝缘的作用。二氧化硅层3和硅基座4采用背面硅腐蚀加工的方法制成，加大了绝热层与空气的接触面积，空气作为最好的阻热物质，可以减少加热板上热量的耗散，并且增大加热电极工作区与硅基座基脚的距离，防止将热量传导到导热系数较大的硅基座4上而导致热量的进一步耗散。所述二氧化硅层3上表面设有多孔硅层2，由于多孔硅存在许多孔洞状的微通道，形成存储空气的微腔，空气作为最好的阻热物质，导致多孔硅具有良好的绝热性，对热量传导起一定的阻隔作用。多孔硅层2上设有金属Pt做的蛇形加热电极5和叉指信号电极6，金属Pt可以在400~500℃高温下进行稳定的工作。
所述微加热板制备方法包括以下步骤：
(1)硅片的制备和清洗：将硅锭拉单晶，切片、磨片、抛光后制成硅基座4，然后用清洗液清洗硅基座4表面的站污杂质，如油脂等有机物、钠离子、钾离子等；
(2)在氧化炉内利用热氧化方法在处理后的硅基座4表面生长二氧化硅层3；
(3)利用电化学腐蚀法在二氧化硅表面生长多孔硅层2；
(4)用光刻技术在多孔硅层2刻出加热电极5和信号电极6的形状，溅射金属Pt，然后用光刻剥离(lift-off)形成加热电极5和信号电极6；
(5)采用体硅加工工艺中的湿法化学腐蚀技术从背面腐蚀掉一部分硅和二氧化硅，释放出薄区膜片结构。
实施例2
一种基于多孔硅绝热层的微加热板，所述加热板采用多层结构，参照图1，从上到下依次包括电极组1、多孔硅层2、二氧化硅层3和硅基座4，所述电极组1包括加热电极5和信号电极6，参照图2，所述加热电极5的形状为蛇形，所述信号电极6为叉指电极，所述信号电极6指状凸起设于加热电极5蛇形凹陷处，且加热电极5和信号电极6互不接触。电极组1的厚度为45μm，多孔硅层2的厚度为110μm，二氧化硅层3的厚度为45μm，硅基座4的厚度为2.2mm。
所述硅基座4选择<100>单晶硅，硅基座4上表面设有二氧化硅层3，用于支撑多孔硅层2和电极组1，并且具备绝热和绝缘的作用。二氧化硅层3和硅基座4采用背面硅腐蚀加工的方法制成，加大了绝热层与空气的接触面积，空气作为最好的阻热物质，可以减少加热板上热量的耗散，并且增大加热电极工作区与硅基座基脚的距离，防止将热量传导到导热系数较大的硅基座4上而导致热量的进一步耗散。所述二氧化硅层3上表面设有多孔硅层2，由于多孔硅存在许多孔洞状的微通道，形成存储空气的微腔，空气作为最好的阻热物质，导致多孔硅具有良好的绝热性，对热量传导起一定的阻隔作用。多孔硅层2上设有金属Pt做的蛇形加热电极5和叉指信号电极6，金属Pt可以在400~500℃高温下进行稳定的工作。
所述微加热板制备方法包括以下步骤：
(1)硅片的制备和清洗：将硅锭拉单晶，切片、磨片、抛光后制成硅基座4，然后用清洗液清洗硅基座4表面的站污杂质，如油脂等有机物、钠离子、钾离子等；
(2)在氧化炉内利用热氧化方法在处理后的硅基座4表面生长二氧化硅层3；
(3)利用电化学腐蚀法在二氧化硅表面生长多孔硅层2；
(4)用光刻技术在多孔硅层2刻出加热电极5和信号电极6的形状，溅射金属Pt，然后用光刻剥离(lift-off)形成加热电极5和信号电极6；
(5)采用体硅加工工艺中的湿法化学腐蚀技术从背面腐蚀掉一部分硅和二氧化硅，释放出薄区膜片结构。
实施例3
一种基于多孔硅绝热层的微加热板，所述加热板采用多层结构，参照图1，从上到下依次包括电极组1、多孔硅层2、二氧化硅层3和硅基座4，所述电极组1包括加热电极5和信号电极6，参照图2，所述加热电极5的形状为蛇形，所述信号电极6为叉指电极，所述信号电极6指状凸起设于加热电极5蛇形凹陷处，且加热电极5和信号电极6互不接触。电极组1的厚度为40μm，多孔硅层2的厚度为110μm，二氧化硅层3的厚度为40μm，硅基座4的厚度为2 mm。
所述硅基座4选择<100>单晶硅，硅基座4上表面设有二氧化硅层3，用于支撑多孔硅层2和电极组1，并且具备绝热和绝缘的作用。二氧化硅层3和硅基座4采用背面硅腐蚀加工的方法制成，加大了绝热层与空气的接触面积，空气作为最好的阻热物质，可以减少加热板上热量的耗散，并且增大加热电极工作区与硅基座基脚的距离，防止将热量传导到导热系数较大的硅基座4上而导致热量的进一步耗散。所述二氧化硅层3上表面设有多孔硅层2，通过电化学腐蚀法制备了具有不同导热系数的多孔硅样品，经实验，当多孔硅的孔隙率为80%±2、厚度为110μm时，导热系数最低为0.20 W/m•K，由于多孔硅存在许多孔洞状的微通道，形成存储空气的微腔，空气作为最好的阻热物质，导致多孔硅具有良好的绝热性，对热量传导起一定的阻隔作用。多孔硅层2上设有金属Pt做的蛇形加热电极5和叉指信号电极6，金属Pt可以在400~500℃高温下进行稳定的工作。
所述微加热板制备方法包括以下步骤：
(1)硅片的制备和清洗：将硅锭拉单晶，切片、磨片、抛光后制成硅基座4，然后用清洗液清洗硅基座4表面的站污杂质，如油脂等有机物、钠离子、钾离子等；
(2)在氧化炉内利用热氧化方法在处理后的硅基座4表面生长二氧化硅层3；
(3)利用电化学腐蚀法在二氧化硅表面生长多孔硅层2；
(4)用光刻技术在多孔硅层2刻出加热电极5和信号电极6的形状，溅射金属Pt，然后用光刻剥离(lift-off)形成加热电极5和信号电极6；
(5)采用体硅加工工艺中的湿法化学腐蚀技术从背面腐蚀掉一部分硅和二氧化硅，释放出薄区膜片结构，腐蚀基脚间距为1mm。
实施例4
同实施例3，将所述制备方法制备的微加热板在有限元仿真软件中建模，模拟时在加热板的加热电极5上加载热生成率为1.2E10W/m3的载荷进行分析，设定对流系数为20W/(m2·℃)，周围环境的空气温度设定为16℃，对加热板进行稳态热分析得出温度分布云图，参照图3，从图中可以看出，最高温度为428℃，并且在整个工作区域温度分布均匀。
实施例5
同实施例3，区别在于所述步骤（5）中腐蚀基脚间距为1.5 mm，在有限元仿真软件中建模，模拟时在加热板的加热电极5上加载热生成率为1.2E10W/m3的载荷进行分析，设定对流系数为20W/(m2·℃)，周围环境的空气温度设定为16℃，对加热板进行稳态热分析得出温度分布云图，参照图5，从图中可以看出，最高温度为534℃，并且在整个工作区域温度分布均匀。
对比例1
同实施例3，区别在于将所述多孔硅层2换成二氧化硅绝热层。在有限元仿真软件中建模，模拟时在加热板的加热电极5上加载热生成率为1.2E10W/m3的载荷进行分析，设定对流系数为20W/(m2·℃)，周围环境的空气温度设定为16℃，对加热板进行稳态热分析得出温度分布云图，参照图4，最高温度为257℃，并且最高温度分布于信号电极和加热电极的中部。
对比例2
同实施例3，区别在于不采用体硅加工工艺中的湿法化学腐蚀技术从背面腐蚀掉一部分硅和二氧化硅。在有限元仿真软件中建模，模拟时在加热板的加热电极5上加载热生成率为1.2E10W/m3的载荷进行分析，设定对流系数为20W/(m2·℃)，周围环境的空气温度设定为16℃，对加热板进行稳态热分析得出温度分布云图，参照图6，最高温度为271℃，并且最高温度主要分布在加热电极5上。
实施例4和实施例5区别在于腐蚀基脚间距不同，从图3和图5中可以看出，在保证硅基座的机械强度和稳定性的前提下，基脚间距越大，绝热性越好。实施例4和对比例1的区别在于绝热层不同，采用二氧化硅绝热层，加热最高温度为257℃，采用多孔硅层，加热最高温度为428℃，因此，采用多孔硅层为绝热层的加热板的性能较好。实施例4和对比例2的区别在于硅基座加工工艺不同，实施例4采用体硅加工工艺中的湿法化学腐蚀技术从背面腐蚀掉一部分硅和二氧化硅，对比例2不做处理，最终得到的结果也不相同，对比例2中加热板加热的最高温度为271℃，并且主要分布在加热电极5上，而实施例4中加热板的最高温度为428℃，在整个工作区域内温度分布均匀。综上所述，本专利所设计的加热板结构，相对于现有技术，确保了高温的均匀性与隔绝性，功耗也非常低。
本加热板用导热系数更低的多孔硅层代替传统的二氧化硅层，产用背面腐蚀技术释放出薄区膜片结构，增大与空气的接触面积，增大加热电极工作区与硅基座基脚的距离，防止将热量传导到导热系数较大的硅基座上面导致热量的耗散。从而降低了加热板的功耗，使其更加节能。
本加热板具有功耗低，工作区温度分布均匀，体积小、灵敏度高、成本低、加工工艺稳定、易批量生产、机械电气性强等优点。更符合现代节能政策。
以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。在发明所披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明所揭露的技术范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于多孔硅绝热层的微加热板的制备方法，其特征在于，所述微加热板从上到下依次包括电极组 （1）、多孔硅层（2）、二氧化硅层（3）和硅基座（4），所述电极组（1）包括加热电极（5）和信号电极（6），所述加热电极（5）的形状为蛇形，所述信号电极（6）为叉指电极，所述信号电极（6）指状凸起设于加热电极（5）蛇形凹陷处，且加热电极（5）和信号电极（6）互不接触，所述基于多孔硅绝热层的微加热板的制备方法包括以下步骤：
步骤一.将硅锭拉单晶，切片、磨片、抛光后制成硅基座（4），然后用清洗液清洗硅基座（4）表面站污杂质；
步骤二.将步骤一处理后的硅基座（4）置于氧化炉内，用热氧化法在硅基座（4）表面生长二氧化硅层（3）；
步骤三.利用电化学腐蚀法在二氧化硅层（3）上制备多孔硅层（2）；
步骤四.用光刻技术在多孔硅层（2）上刻出加热电极（5）和信号电极（6）的形状，然后溅射Pt，用光刻剥离形成加热电极（5）和信号电极（6）；
步骤五. 采用体硅加工工艺中的湿法化学腐蚀技术从背面腐蚀二氧化硅层（3）和硅基座（4），释放出多孔硅层（2），最终完成整个制备过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于多孔硅绝热层的微加热板的制备方法，其特征在于，所述多孔硅层（2）的孔隙率为78~82%。
3.根据权利要求1所述的一种基于多孔硅绝热层的微加热板的制备方法，其特征在于，所述二氧化硅层（3）和硅基座（4）的加工方法为背面硅腐蚀。
4.根据权利要求1所述的一种基于多孔硅绝热层的微加热板的制备方法，其特征在于，所述硅基座（4）为单晶硅。
5.根据权利要求1所述的一种基于多孔硅绝热层的微加热板的制备方法，其特征在于，所述加热电极（5）为Pt电极。
6.根据权利要求1所述的一种基于多孔硅绝热层的微加热板的制备方法，其特征在于，所述电极组（1）的厚度为35~45μm，所述多孔硅层（2）的厚度为100~110μm，所述二氧化硅层（3）的厚度为35~45μm，所述硅基座（4）的厚度为1.8~2.2 mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于多孔硅绝热层的微加热板的制备方法，其特征在于，所述电极组（1）的厚度为40μm，所述多孔硅层（2）的厚度为110μm，所述二氧化硅层（3）的厚度为40μm，所述硅基座（4）的厚度为2 mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于多孔硅绝热层的微加热板的制备方法，其特征在于，所述步骤五中采用体硅加工工艺中的湿法化学腐蚀技术从背面腐蚀二氧化硅层（3）和硅基座（4），腐蚀基脚间距为1 mm。
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