CN108235465A - 一种微热盘及其制作方法及微热盘系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微热盘及其制作方法及微热盘系统，包括：衬底，绝缘支撑层，电阻加热层，以及温度感测单元，温度感测单元呈环形设置于衬底的四周。本发明通过采用设置于衬底四周的环形温度感测单元，增加了温度感测单元与环境的接触面积，感测环境温度精度高；温度感测单元工作在室温下，长期稳定性好；同时环形金属层可有效屏蔽外界电磁干扰对微热盘芯片工作的影响。另外，温度感测单元可以实时精确的感测周围环境的温度变化，并自动将采集的温度传输出去，以控制加热区域的加热功率，达到恒定芯片工作温度的目的，方便快捷。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种微热盘及其制作方法及微热盘系统。
背景技术
微热盘装置广泛应用于需要局部高温的产品中，包括高温化学传感器、微型化学反应器、红外光源、流量传感器等。
微热盘通过温度隔离技术，实现小尺寸和低功耗。微热盘工作时，发热区的实际工作温度对产品的应用有重要影响。具体到化学传感和化学反应器应用领域，温度条件直接影响到传感材料的活性和化学反应速度；微热盘作为NDIR红外光源使用时，红外光源的发射效率与温度的四次方成正比，温度的轻微波动会造成光强的较大波动；应用到流量传感器领域时，温度的波动也会影响测试精度。
微热盘一般通过加热电阻来产生高温，通过控制加热电流，可以改变加热功率，进而改变发热区温度，当环境温度变化时，仅保持恒定的加热电压/电流或加热功率，发热区温度会随着环境温度改变而变化，如果希望维持恒定的发热区温度，需要改变加热功率来进行补偿。
一种广泛采用的方案是直接测试发热区温度，然后根据测试结果进行补偿。该方案在实际应用中存在长期处于高温下，温度感测单元材料容易发生老化漂移。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种微热盘及其制作方法及微热盘系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种集成环境温度传感器的微热盘，包括：由下往上依次层叠的衬底、绝缘支撑层和电阻加热层，所述衬底的中部设置有温度隔离腔体，所述温度隔离腔体上部的绝缘支撑层为温度隔离悬膜，所述电阻加热层位于所述绝缘支撑层上，所述电阻加热层的加热区域位于所述温度隔离悬膜的中部，其特征在于，还包括温度感测单元，所述温度感测单元呈环形设置于所述衬底(也即微热盘芯片)的四周。
本发明的有益效果是：本发明通过采用设置于芯片四周的环形温度感测单元，增加了温度感测单元与环境的接触面积，感测环境温度精度高；温度感测单元工作在室温下，长期稳定性好；同时环形金属层可有效屏蔽外界电磁干扰对微热盘芯片工作的影响。另外，温度感测单元可以实时精确的感测周围环境的温度变化，并自动将采集的温度传输出去，以控制加热区域的加热功率，达到恒定芯片工作温度的目的，方便快捷。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，所述温度感测单元呈非闭环状，且位于所述微热盘上所有电路的最外侧。
本发明的进一步有益效果是：一方面，通过采用环形设计，增加了温度感测单元与环境的接触面积，高精度地感测周围的环境温度；另一方面通过采用环形设计，可以有效屏蔽外界电磁干扰对微热盘芯片工作的影响；另外，工艺简单，成本低。非闭环的目的是将两端与控制器连接，以自动进行环境温度测量和控温处理。
进一步，所述温度感测单元呈波浪形的非闭环状。
本发明的进一步有益效果是：设置波浪线的温度感测单元，进一步增大温度感测单元与环境的接触面积，高精度感测周围的环境温度。
进一步，所述温度感测单元有多个，且每相邻两个所述温度感测单元首尾相连。
本发明的进一步有益效果是：由于首尾相连，最外圈的温度感测单元的一端和最内圈的温度感测单元的一端可分别外接控制器等设备。设置多个非闭环形的温度感测单元，且相邻两个温度感测单元的首尾相连，进一步增大温度感测单元与环境的接触面积，高精度感测周围的环境温度。
进一步，所述温度感测单元的材料为铂或铂合金。
本发明的进一步有益效果是：贵金属铂或铂合金具有较大的热阻系数，温度感测精度高；同时贵金属铂或铂合金抗氧化，高温稳定性好。
为了解决本发明的技术问题，还提供了一种前述微热盘的制作方法，包括：
步骤1、在所述衬底上沉积所述绝缘支撑层；
步骤2、在所述绝缘支撑层上沉积所述加热电阻层；
步骤3、在所述绝缘支撑层上沉积非闭环形的温度感测单元；
步骤4、释放悬膜，形成所述温度隔离腔体。
本发明的有益效果是：本发明通过采用设置于衬底四周的环形温度感测单元，增加了温度感测单元与环境的接触面积，感测环境温度精度高；温度感测单元工作在室温下，长期稳定性好；环形金属层可有效屏蔽外界电磁干扰对微热盘芯片工作的影响。另外，温度感测单元可以实时精确的感测周围环境的温度变化，并自动将采集的温度传输出去，以控制加热区域的加热功率，达到恒定芯片工作温度的目的，方便快捷，工艺简单，成本低，有利于微热盘小型化和集成化。
进一步，所述电阻加热层与所述温度感测单元采用相同的材料；所述步骤2和步骤3同时进行。
为了解决本发明的技术问题，还提供了一种微热盘系统，包括:控制器以及前述的一种集成环境温度传感器的微热盘，所述控制器与所述温度感测单元的两端连接，还与所述加热电阻层连接。
本发明的有益效果是：将温度感测单元的两端与控制器连接，以自动进行环境温度测量和控温处理。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种微热盘的结构俯视示意图；
图2为图1对应的沿A-A方向的剖面示意图；
图3为本发明实施例二提供的一种微热盘的结构俯视示意图；
图4为本发明实施例三提供的一种微热盘的结构俯视示意图；
图5为本发明实施例一提供的一种微热盘系统的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部位列表如下：
1、衬底，11、温度隔离腔体，2、绝缘支撑层，21、温度隔离悬膜，3、电阻加热层，31、加热区域，4、温度感测单元，5、控制器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例一
一种微热盘，如图1和图2所示，包括：包括由下往上依次层叠的衬底1、绝缘支撑层2和电阻加热层3，衬底1的中部设置有温度隔离腔体11，温度隔离腔体11上部的绝缘支撑层2为温度隔离悬膜21，电阻加热层3以预设形状位于绝缘支撑层2上，电阻加热层3的加热区域31位于温度隔离悬膜21的中部，还包括温度感测单元4，温度感测单元4呈环形设置于衬底1(也即微热盘芯片)的四周。
通过采用设置于衬底四周的环形温度感测单元，增加了温度感测单元与环境的接触面积，感测环境温度精度高；温度感测单元工作在室温下，长期稳定性好；同时环形金属层可有效屏蔽外界电磁干扰对微热盘芯片工作的影响。另一方面，温度感测单元可以实时精确的感测周围环境的温度变化，并自动将采集的温度传输出去，以控制加热区域的加热功率，达到恒定芯片工作温度的目的，方便快捷。
优选的，所述温度感测单元呈非闭环状，位于所有电路的最外侧。温度感测单元的首尾两端分别为第一端41和第二端42。
通过采用环形设计，增加了温度感测单元与环境的接触面积，高精度地感测周围的环境温度；温度感测单元工作在室温下，长期稳定性好；通过采用环形设计，可以有效屏蔽外界电磁干扰对微热盘芯片工作的影响；另外，工艺简单，成本低。非闭环的目的是将两端与控制器连接，以自动进行环境温度测量和控温处理。
优选的，所述电阻加热层和温度感测单元的材料为铂或铂合金。
贵金属铂或铂合金具有较大的热阻系数，温度感测精度高，同时贵金属铂或铂合金抗氧化，高温稳定性好。
下面详细说明这种结构的集成环境温度传感器的微热盘的制造方法，它包括以下步骤：
步骤1、在衬底1上通过LPCVD法沉积绝缘支撑层2(氮化硅，500nm)；
步骤2、通过剥离工艺沉积电阻加热层3和温度感测单元4(Pt，300nm)，其中温度感测单元4由1圈设置于微热盘芯片外侧的环形结构组成；
步骤3、背面光刻、干法ICP各向异性蚀刻，释放悬膜，形成温度隔离腔体(11)。
加热电阻层材料与环形温度感测单元可采用相同的材料，材料沉积可同时进行，工艺简单。
一种集成环境温度传感器的微热盘系统，可恒定微热盘的工作温度，不受环境温度变化影响，如5图所示，包括:控制器5以及前述的一种微热盘，控制器与温度感测单元的两端连接，还与加热电阻连接。
将温度感测单元的两端与控制器连接，以自动进行环境温度测量和控温处理。
实施例二
一种微热盘，如图3所示，包括：包括由下往上依次层叠的衬底1、绝缘支撑层2和电阻加热层3，衬底1的中部设置有温度隔离腔体11，温度隔离腔体11上部的绝缘支撑层2为温度隔离悬膜21，电阻加热层3以预设形状位于绝缘支撑层2上，电阻加热层3的加热区域31位于温度隔离悬膜21的中部，还包括温度感测单元4，温度感测单元4呈环形设置于衬底1(也即微热盘芯片)的四周。
通过采用设置于芯片四周的环形温度感测单元，增加了温度感测单元与环境的接触面积，感测环境温度精度高；温度感测单元工作在室温下，长期稳定性好；同时环形金属层可有效屏蔽外界电磁干扰对微热盘芯片工作的影响。另一方面，温度感测单元可以实时精确的感测周围环境的温度变化，并自动将采集的温度传输出去，以控制加热区域的加热功率，达到恒定芯片工作温度的目的，方便快捷。
优选的，所述温度感测单元呈非闭环状，位于所有电路的最外侧。
一方面，通过采用环形设计，增加了温度感测单元与环境的接触面积，高精度地感测周围的环境温度；另一方面通过采用环形设计，可以有效屏蔽外界电磁干扰对微热盘芯片工作的影响；另外，工艺简单，成本低。非闭环的目的是将两端与控制器连接，以自动进行环境温度测量和控温处理。
优选的，温度感测单元呈波浪形的非闭环状。
设置波浪线的温度感测单元，进一步增大温度感测单元与环境的接触面积，高精度感测周围的环境温度
需要说明的是，波浪形的非闭环状，可以为城墙形且围绕于衬底的四周边缘。
优选的，所述电阻加热层和温度感测单元的材料为铂或铂合金。
贵金属铂或铂合金具有较大的热阻系数，温度感测精度高，同时贵金属铂或铂合金抗氧化，高温稳定性好。
下面详细说明这种结构的集成环境温度传感器的微热盘的制造方法，它包括以下步骤：
步骤1、在衬底1上通过LPCVD法沉积绝缘支撑层2(氮化硅，500nm)；
步骤2、通过剥离工艺沉积电阻加热层3和温度感测单元4(Pt，300nm)，其中温度感测单元4由1圈设置于微热盘芯片外侧的环形结构组成，环形结构呈波浪形的非闭环状；
步骤3、背面光刻、干法ICP各向异性蚀刻，释放悬膜，形成温度隔离腔体(11)。
加热电阻层材料与环形温度感测单元可采用相同的材料，材料沉积可同时进行，工艺简单。
实施例三
一种微热盘，如图4所示，包括：包括由下往上依次层叠的衬底1、绝缘支撑层2和电阻加热层3，衬底1的中部设置有温度隔离腔体11，温度隔离腔体11上部的绝缘支撑层2为温度隔离悬膜21，电阻加热层3以预设形状位于绝缘支撑层2上，电阻加热层3的加热区域31位于温度隔离悬膜21的中部，还包括温度感测单元4，温度感测单元4呈环形设置于衬底1(也即微热盘芯片)的四周。
通过采用设置于芯片四周的环形温度感测单元，增加了温度感测单元与环境的接触面积，感测环境温度精度高；温度感测单元工作在室温下，长期稳定性好；同时环形金属层可有效屏蔽外界电磁干扰对微热盘芯片工作的影响。另一方面，温度感测单元可以实时精确的感测周围环境的温度变化，并自动将采集的温度传输出去，以控制加热区域的加热功率，达到恒定芯片工作温度的目的，方便快捷。
优选的，所述温度感测单元呈非闭环状，位于所有电路的最外侧。
一方面，通过采用环形设计，增加了温度感测单元与环境的接触面积，高精度地感测周围的环境温度；另一方面通过采用环形设计，可以有效屏蔽外界电磁干扰对微热盘芯片工作的影响；另外，工艺简单，成本低。非闭环的目的是将两端与控制器连接，以自动进行环境温度测量和控温处理。
进一步，所述温度感测单元有多个，且每相邻两个所述温度感测单元首尾相连。
本发明的进一步有益效果是：由于首尾相连，最外圈的温度感测单元的一端和最内圈的温度感测单元的一端可分别外接控制器等设备。设置多个非闭环形的温度感测单元，且相邻两个温度感测单元的首尾相连，进一步增大温度感测单元与环境的接触面积，高精度感测周围的环境温度。
优选的，所述电阻加热层和温度感测单元的材料为铂或铂合金。
贵金属铂或铂合金具有较大的热阻系数，温度感测精度高，同时贵金属铂或铂合金抗氧化，高温稳定性好。
下面详细说明这种结构的集成环境温度传感器的微热盘的制造方法，它包括以下步骤：
步骤1、在衬底1上通过LPCVD法沉积绝缘支撑层2(氮化硅，500nm)；
步骤2、通过剥离工艺沉积电阻加热层3和温度感测单元4(Pt，200nm)，其中温度感测单元4由3圈设置于微热盘芯片外侧的环形结构组成；
步骤3、背面光刻、干法ICP各向异性蚀刻，释放悬膜，形成温度隔离腔体(11)。
加热电阻层材料与环形温度感测单元可采用相同的材料，材料沉积可同时进行，工艺简单。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种微热盘，包括：由下往上依次层叠的衬底(1)、绝缘支撑层(2)和电阻加热层(3)，所述衬底(1)的中部设置有温度隔离腔体(11)，所述温度隔离腔体(11)上部的绝缘支撑层(2)为温度隔离悬膜(21)，所述电阻加热层(3)位于所述绝缘支撑层(2)上，所述电阻加热层(3)的加热区域(31)位于所述温度隔离悬膜(21)的中部，其特征在于，还包括温度感测单元(4)，所述温度感测单元(4)呈环形设置于所述衬底(1)的四周。
2.根据权利要求1所述的一种微热盘，其特征在于，所述温度感测单元(4)呈非闭环状，且位于所述微热盘上所有电路的最外侧。
3.根据权利要求2所述的一种微热盘，其特征在于，所述温度感测单元(4)呈波浪形的非闭环状。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种微热盘，其特征在于，所述温度感测单元(4)有多个，且每相邻两个所述温度感测单元(4)首尾相连。
5.根据权利要求1至3任一项所述的一种微热盘，其特征在于，所述温度感测单元(4)的材料为铂或铂合金。
6.一种如权利要求1至5任一项所述的微热盘的制作方法，其特征在于，包括：
步骤1、在所述衬底上沉积所述绝缘支撑层；
步骤2、在所述绝缘支撑层上沉积所述电阻加热层；
步骤3、在所述绝缘支撑层的边缘上沉积非闭环形的所述温度感测单元；
步骤4、释放悬膜，形成所述温度隔离腔体。
7.根据权利要求6所述的一种制作方法，其特征在于，所述电阻电热层与所述温度感测单元采用相同的材料；所述步骤2和步骤3同时进行。
8.一种微热盘系统，其特征在于，包括：控制器(5)以及如权利要求1至5任一项所述的一种微热盘，所述控制器(5)与所述温度感测单元(4)的两端连接，还与所述电阻电热层(3)连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180629 |