CN108158039B - 一种集成多个Pt温度传感器的MEMS发热芯片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片，包括：第一衬底(1‑1)，其正面有凹型的微腔体(2)；微腔体(2)内有贯穿第一衬底(1‑1)的微通孔(3)；第二衬底(1‑2)，其背面有垂直于其背面的微流道阵列(4)，正面中心区域设有垂直于其正面的多孔结构(5)，微流道阵列(4)与多孔结构(5)连通；其正面表面有多个Pt薄膜电阻温度传感器(6)；第一衬底(1‑1)的正面与第二衬底(1‑2)的背面粘合在一起。本发明还公开了发热芯片的制备方法。本发明的发热芯片可以对发热芯片的温度进行实时测量，有效避免了温度测量不准确等问题。

Description

一种集成多个Pt温度传感器的MEMS发热芯片及其制造方法
技术领域
本发明涉及电子烟技术领域，特别涉及一种集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS电子烟发热芯片及其制造方法。
背景技术
多数市售电子烟采用发热丝为发热元件，在供电状态下，发热丝通过电热转化产生的高热量加热烟液使之雾化。由于发热丝本身的螺旋形结构及导油件在其上的缠绕方式，使得发热丝在工作时难免出现局部高温的现象。烟液成分、导油材质在电子烟过高的温度下会发生理化性质的变化，可能产生有害裂解产物；高温下，烟液中的一些香气成分会被破坏，影响吸味的丰富性；电子烟温度过高也会使雾化产生的烟气温度过高，可能对呼吸道造成损伤；在烟液供应不足的情况下，过高的温度还会烧焦雾化芯(糊芯)，产生糊味，抽吸体验变差。
为了改善以上缺陷，近年来，在电子烟中出现了温控技术。该温控技术的基本原理是：电子烟温控芯片通过读取发热丝的电阻，来监控发热丝温度。发热丝本质上是电阻丝，当发热丝温度升高时，发热丝内部金属离子间的碰撞数随之增加，进而金属的电阻率会随温度变化，温度与阻值之间通过电阻温度系数相关联。具体而言，电子烟内置有发热丝阻值检测电路，允许用户根据自身喜好设置发热丝的最高温度。发热丝的基准电阻在室温下测定，以便确定与基准阻值相关的正确温度，然后，通过连续测定电子烟启动时的阻值并应用电阻-温度公式估算出电子烟的工作温度。通过温控芯片的特定算法，调节电池输出功率，使发热丝阻值不超过与用户设定温度相对应的计算值。目前常用的温控发热丝类型主要有镍200、钛和316不锈钢丝等。该技术的优势是发热丝不会过热、不会干烧、也同时避免了烟液过高蒸发温度下产生的异味和有害物质，大幅提升电子烟的整体体验和使用安全性。
目前，应用于电子烟的“温控”实际上是根据金属的电阻值变化换算出对应的温度从而实现所谓的“温控”，其最终还是依据发热丝的电阻变化来实现的。该温控方式不是通过温度传感器来检测温度，而是通过电子烟主机芯片计算发热丝的阻值变化来换算出温度信息，所以实际上目前电子烟的温控是以发热丝的阻值变化为依据的，并不是以实际温度来判断的，结果，温度的准确性直接与阻值的准确性相关，如果芯片检测到的初始阻值不准确，那根据电阻温度系数计算出来的温度就不会准确，如果基数错误，那整个计算结果也是错误的。另外，该温控方式依然存在以下问题：发热丝的电阻值只能反映整体的温度情况，当发生局部温度过高的时候，不能有效监测；其次在使用过程中，发热丝会因为高温老化、氧化等原因导致电阻的变化，会导致测温误差越来越大。
在众多测温方法中，电阻温度传感器(或电阻测温器，通常简称RTD)是最精确的方法之一，而薄膜电阻温度传感器相比传统RTD的优势是高灵敏度和快速热响应，这是因为其较小的尺寸减少了敏感元件和环境之间的热交换。金属铂(Pt)因对热的良好响应、电阻率与温度之间的高度线性正相关以及在高温下的长期化学稳定性，而成为薄膜电阻温度传感器的首选材料。目前，多数Pt薄膜电阻温度传感器可采用COMS(互补金属氧化物半导体)工艺或MEMS(微机电系统)工艺在硅或金属衬底上制备。特别是在MEMS器件中采用Pt，可允许制造在温度升高时能对塑性变形有高度耐受性的结构。
发明内容
本发明的目的在于解决现有电子烟温控技术存在的问题，采用先进的MEMS加工技术，设计出集成温度传感器的MEMS电子烟发热芯片及其制造方法。通过集成温度传感器，实时准确地测量MEMS发热芯片的温度，并配合外部温度控制器，实现MEMS发热芯片的准确控制，使烟液均匀雾化。
本发明第一方面公开了一种集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片，包括：
第一衬底(1-1)，呈片状，其正面有凹型的微腔体(2)；所述微腔体(2)内有贯穿所述第一衬底(1-1)的微通孔(3)；
第二衬底(1-2)，呈片状，其背面有垂直于其背面的微流道阵列(4)，正面中心区域设有垂直于其正面的多孔结构(5)，所述微流道阵列(4)与多孔结构(5)连通；其正面表面有多个Pt薄膜电阻温度传感器(6)；
所述第一衬底(1-1)的正面与所述第二衬底(1-2)的背面粘合在一起。
优选地，所述微腔体(2)的深度为1毫米至5毫米；所述微通孔(3)的直径为500微米至1毫米。
优选地，所述第二衬底(1-2)的正面有金属薄膜，所述金属薄膜的厚度为200～500nm；所溅射的金属薄膜材料为Ti/Pt或Cr/Pt中的一种或几种。
优选地，所述微流道阵列(4)的微流道的直径为10微米至500微米，所述微流道的深度为所述第二衬底(1-2)高度的1/2～3/4。
优选地，所述多孔结构(5)的孔径为100纳米至1000纳米。
优选地，所述第一衬底为玻璃或高阻单晶硅制成，所述高阻单晶硅的电阻率大于10Ω·cm。
优选地，所述第二衬底为低阻单晶硅制成，所述低阻单晶硅的电阻率小于0.01Ω·cm。
本发明第二发明公开了一种集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片的制备方法，包括以下步骤：
第一衬底(1-1)的制备：
(1)在玻璃片或电阻率大于10Ω·cm的高阻单晶硅片的正面光刻形成微腔体图形，然后采用腐蚀溶液腐蚀出微腔体(2)；
(2)对步骤(1)所得到的玻璃片或高阻单晶硅片背面进行光刻，然后采用腐蚀溶液腐蚀出贯穿所述的玻璃片或高阻单晶硅片的微通孔(3)；即得到所述的第一衬底(1-1)；
第二衬底(1-2)的制备：
(a)在电阻率小于0.01Ω·cm的低电阻率的硅片的背面光刻形成微流道阵列图形；
(b)采用深反应离子刻蚀工艺对步骤(a)的低电阻率硅片的背面进行刻蚀，形成微流道阵列(4)；
(c)采用低压化学气相沉积工艺对步骤(b)所得到的低电阻率硅片的正面沉积一层氮化硅；
(d)对步骤(c)所得到的低电阻率硅片的正面进行光刻，采用反应离子刻蚀工艺去除中部裸露的氮化硅层；
(e)采用电化学腐蚀工艺对步骤(d)所得到的低电阻率硅片的正面腐蚀出多孔结构(5)，使多孔结构与背面的微流道阵列连通；
(f)对步骤(e)所得到的低电阻率硅片在正面光刻，磁控溅射沉积形成金属薄膜；
(g)在步骤(f)所得到的溅射金属薄膜的硅片正面进行旋涂光刻胶光刻，形成温度传感器图形；
(h)采用干法蚀刻步骤(g)所暴露的金属薄膜，留下所需金属薄膜图形；
(i)用丙酮除去步骤(h)表面所残留的光刻胶,；
(j)在(i)中除去光刻胶的硅片正面表面溅射氧化铝层；
(K)在(j)所述氧化铝层表面再次旋涂光刻胶光刻并采用干法蚀刻暴露的氧化铝层；
(l)用丙酮除去(k)残留的光刻胶后，即为所述第二衬底(1-2)
集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片的制备:
(甲)将所述第一衬底(1-1)的正面与所述第二衬底(1-2)的背面紧密接触，通过键合工艺粘合在一起；
(乙)采用划片机将步骤(甲)得到的芯片进行划片；
(丙)将步骤(乙)得到的芯片划片的第二衬底正面用银浆料粘结导线后高温烧结后自然冷却至室温，即得到所述的集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片。
优选地，步骤(1)或(2)所述的腐蚀液，其中玻璃片的腐蚀液为氢氟酸溶液，高阻单晶硅片的腐蚀液为氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液之一。
优选地，步骤(f)所溅射的金属薄膜材料为Ti/Pt或Cr/Pt中的一种或几种。
优选地，步骤(丙)所述的高温为300～700℃，烧结时间为10～20分钟。
本发明的有益结果：
(1)本发明采用集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片对电子烟发热芯片的温度进行实时测量，温度测量准确，传感器寿命长、工作可靠，有效避免了现有电子烟发热体温度测量不准确、发热体老化导致测温电阻不断变化等问题；可对芯片进行实时温度控制，一是避免过热；二是可根据用户需求进行温度调节，从而改变雾化量，烟液分散效果好，加热均匀，可以有效提高热利用率，改善雾化效果。
(2)本发明可以根据实际需要，设置多个铂电阻温度传感器，对芯片表面温度进行分布式测量，得到芯片不同区域的温度分布，可避免现有方法导致无法测量发热体局部温度的问题。
附图说明
图1为本发明的集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片的侧面剖视图；
图2为本发明第一衬底侧面剖视图；
图3第二衬底侧面剖视图；
图4第二衬底正面俯视图；
图5第二衬底背面俯视图。
附图标记为：1-1、第一衬底；1-2、第二衬底；2、微腔体；3、微通孔；4、微流道阵列；5、多孔结构；6、Pt薄膜电阻温度传感器；7、氮化硅层；8、Al2O3层。
具体实施方式
本发明第一方面公开了一种集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片，包括：
第一衬底(1-1)，呈片状，其正面有凹型的微腔体(2)；所述微腔体(2)内有贯穿所述第一衬底(1-1)的微通孔(3)；
第二衬底(1-2)，呈片状，其背面有垂直于其背面的微流道阵列(4)，正面中心区域设有垂直于其正面的多孔结构(5)，所述微流道阵列(4)与多孔结构(5)连通；其正面表面有多个Pt薄膜电阻温度传感器(6)；
所述第一衬底(1-1)的正面与所述第二衬底(1-2)的背面粘合在一起。
所述微腔体(2)的深度为3毫米；所述微通孔(3)的直径为750微米。
所述第二衬底(1-2)的正面有金属薄膜，所述金属薄膜的厚度为350nm；所述金属薄膜的材料为Ti/Pt/Au。
所述微流道阵列(4)的微流道的直径为35微米，所述微流道的深度为所述第二衬底(1-2)高度的1/2。
所述多孔结构(5)的孔径为500纳米。
所述第一衬底为玻璃或高阻单晶硅制成，所述高阻单晶硅的电阻率为20Ω·cm。
所述第二衬底为低阻单晶硅制成，所述低阻单晶硅的电阻率为0.005Ω·cm。
一种集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片的制备方法步骤为：
第一衬底(1-1)的制备：
(1)在电阻率为20Ω·cm的高阻单晶硅片的正面光刻形成微腔体图形，然后采用腐蚀液为氢氧化钾溶液腐蚀出微腔体(2)；
(2)对步骤(1)所得到的高阻单晶硅片背面进行光刻，然后采用腐蚀液为氢氧化钾溶液腐蚀出贯穿所述的玻璃片或高阻单晶硅片的微通孔(3)；即得到所述的第一衬底(1-1)；
第二衬底(1-2)的制备：
(a)在电阻率为0.005Ω·cm的低电阻率的硅片的背面光刻形成微流道阵列图形；
(b)采用深反应离子刻蚀工艺对步骤(a)的低电阻率硅片的背面进行刻蚀，形成微流道阵列(4)；
(c)采用低压化学气相沉积工艺对步骤(b)所得到的低电阻率硅片的正面沉积一层氮化硅；
(d)对步骤(c)所得到的低电阻率硅片的正面进行光刻，采用反应离子刻蚀工艺去除中部裸露的氮化硅层；
(e)采用电化学腐蚀工艺对步骤(d)所得到的低电阻率硅片的正面腐蚀出多孔结构(5)，使多孔结构与背面的微流道阵列连通；
(f)对步骤(e)所得到的低电阻率硅片在正面光刻，磁控溅射沉积形成Ti/Pt金属薄膜；
(g)在步骤(f)所得到的溅射有金属薄膜的硅片正面进行旋涂光刻胶光刻，形成温度传感器图形；
(h)采用干法蚀刻步骤(g)所暴露的金属薄膜，留下所需的金属薄膜图形；
(i)用丙酮除去步骤(h)表面所残留的光刻胶,；
(j)在(i)中除去光刻胶的硅片正面表面溅射氧化铝层；
(K)在(j)所述氧化铝层表面再次旋涂光刻胶光刻并采用干法蚀刻暴露的氧化铝层；
(l)用丙酮除去(k)残留的光刻胶后，即为所述第二衬底(1-2)
集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片的制备:
(甲)将所述第一衬底(1-1)的正面与所述第二衬底(1-2)的背面紧密接触，通过键合工艺粘合在一起；
(乙)采用划片机将步骤(甲)得到的芯片进行划片；
(丙)将步骤(乙)得到的芯片划片的第二衬底正面用银浆料粘结导线后600℃烧结10分钟后自然冷却至室温，即得到所述的集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片。

Claims (9)

1.一种集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片，其特征在于，包括：
第一衬底（1-1），呈片状，其正面有凹型的微腔体（2）；所述微腔体（2）内有贯穿所述第一衬底（1-1）的微通孔（3）；所述第一衬底为玻璃或高阻单晶硅制成，所述高阻单晶硅的电阻率大于10Ω·cm；
第二衬底（1-2），呈片状，其背面有垂直于其背面的微流道阵列（4），正面中心区域设有垂直于其正面的多孔结构（5），所述微流道阵列（4）与多孔结构（5）连通；其正面表面有多个Pt薄膜电阻温度传感器（6）；所述第二衬底为低阻单晶硅制成，所述低阻单晶硅的电阻率小于0.01Ω·cm；
所述第一衬底（1-1）的正面与所述第二衬底（1-2）的背面粘合在一起；
将第二衬底正面用银浆料粘结导线后600℃烧结10分钟后自然冷却至室温，即为所述的集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片。
2.根据权利要求1所述的集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片，其特征在于，所述微腔体（2）的深度为1毫米至5毫米；所述微通孔（3）的直径为500微米至1毫米。
3.根据权利要求1所述的集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片，其特征在于，所述第二衬底（1-2）的正面有金属薄膜，所述金属薄膜的厚度为200～500nm；所述金属薄膜的材料为Ti/Pt/Au、TiW/Au、Al、Cr或Pt/Au中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片，其特征在于，所述微流道阵列（4）的微流道的直径为10微米至500微米，所述微流道的深度为所述第二衬底（1-2）高度的1/2～3/4。
5.根据权利要求1所述的集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片，其特征在于，所述多孔结构（5）的孔径为100纳米至1000纳米。
6.一种集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一衬底（1-1）的制备：
（1）在玻璃片或电阻率大于10Ω·cm的高阻单晶硅片的正面光刻形成微腔体图形，然后采用腐蚀溶液腐蚀出微腔体（2）；
（2）对步骤（1）所得到的玻璃片或高阻单晶硅片背面进行光刻，然后采用腐蚀溶液腐蚀出贯穿所述的玻璃片或高阻单晶硅片的微通孔（3）；即得到所述的第一衬底（1-1）；
第二衬底（1-2）的制备：
（a）在电阻率小于0.01Ω·cm的低电阻率的硅片的背面光刻形成微流道阵列图形；
（b）采用深反应离子刻蚀工艺对步骤（a）的低电阻率硅片的背面进行刻蚀，形成微流道阵列（4）；
（c）采用低压化学气相沉积工艺对步骤（b）所得到的低电阻率硅片的正面沉积一层氮化硅；
（d）对步骤（c）所得到的低电阻率硅片的正面进行光刻，采用反应离子刻蚀工艺去除中部裸露的氮化硅层；
（e）采用电化学腐蚀工艺对步骤（d）所得到的低电阻率硅片的正面腐蚀出多孔结构（5），使多孔结构与背面的微流道阵列连通；
（f）对步骤（e）所得到的低电阻率硅片在正面光刻，磁控溅射沉积形成金属薄膜；
（g）在步骤（f）所得到的溅射有金属薄膜的硅片正面进行旋涂光刻胶光刻，形成温度传感器图形；
（h）采用干法蚀刻步骤（g）所暴露的金属薄膜，留下所需的Pt金属薄膜图形；
（i）用丙酮除去步骤（h）表面所残留的光刻胶,；
（j）在（i）中除去光刻胶的硅片正面表面溅射氧化铝层；
（K）在（j）所述氧化铝层表面再次旋涂光刻胶光刻并采用干法蚀刻暴露的氧化铝层；
（l）用丙酮除去（k）残留的光刻胶后，即为所述第二衬底（1-2）；
集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片的制备:
（甲）将所述第一衬底（1-1）的正面与所述第二衬底（1-2）的背面紧密接触，通过键合工艺粘合在一起；
（乙）采用划片机将步骤（甲）得到的芯片进行划片；
（丙）将步骤（乙）得到的芯片划片的第二衬底正面用银浆料粘结导线后高温烧结后自然冷却至室温，即得到所述的集成多个Pt薄膜电阻温度传感器的MEMS发热芯片。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）或（2）所述的腐蚀液，其中玻璃片的腐蚀液为氢氟酸溶液，高阻单晶硅片的腐蚀液为氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液之一。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（f）所溅射的金属薄膜材料为Ti/Pt或Cr/ Pt中的一种或几种。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（丙）的高温为300～700℃，烧结时间为10～20分钟。
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