CN204873818U - 微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器，包括硅基座、绝缘膜、加热单元以及均热板；硅基座中部设有通孔，绝缘膜覆盖在基座及其通孔上，其中绝缘膜覆盖形成有悬臂梁；加热单元包括加热丝和电极，加热丝设于悬臂梁上，电极设于绝缘膜上；均热板位于通孔中，并连接于悬臂梁的下方。本实用新型采用悬臂梁，减少微加热器的热传导散热；采用复合绝缘膜，实现了应力的补偿，增大了悬臂梁的结构稳定性；采用了微弹簧，释放了复合膜的本征应力和微加热器工作时产生的热胀应力；采用均热板，大大提高了反映区域的均温性，提高了反应精度；可采用硅基MEMS工艺，可以和大规模集成电路工艺完美兼容，适于大规模生产。

Description

微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器

技术领域

本实用新型涉及微加热器，具体是一种微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器。

背景技术

作为基于MEMS技术的面型传感器，在聚合酶反应芯片加热器、以及红外分析系统中的红外光源、极端条件下的气体探测、室内甲醛气体综合症预防等方面得到了广泛的应用。如何在功耗一定的情况下获得较大面积均匀分布的温度是衡量微加热器性能高低的一个重要标准。

目前，大多数的面型微加热器都是通过控制加热丝的空间布局的方式为了获得高质量的均温区域，原理是通过改变加热丝空间布局的方式，增加反映区域边界的放热、减小中间区域放热的方式。该方式由于要顾及加热丝空间布局从而限制了微加热器微型化；或者通过三明治夹层的方式将加热单元、均热单元、反应单元利用高绝缘系数、高临界击穿电场的材料隔离开来，由于是三层结构，在支撑膜或者是悬臂梁结构上制备成本以及功耗都相对较大；面型微加热器的结构主要有封闭膜结构和悬臂梁结构，悬臂梁结构的功耗要比封闭膜结构功耗低，而悬臂梁结构由于复合膜的热应力释放问题将导致器件在水平面上起伏，而且随着器件反应温度的升高，复合膜将受热膨胀，这些都会增加悬臂梁结构热应力局部聚集。

实用新型内容

本实用新型为解决上述悬臂梁无应力释放以及反应单元温度不均匀问题，提供了一种微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器，为了达到上述目的本实用新型采用如下技术方案：

一种微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器，包括硅基座、绝缘膜、加热单元以及均热板；所述硅基座中部设有通孔，所述绝缘膜覆盖在所述基座及其通孔上，其中所述绝缘膜覆盖在所述通孔上的部分设有空气隙而形成悬臂梁；所述加热单元包括加热丝和电极，所述加热丝设于所述悬臂梁上，所述电极设于所述绝缘膜上；所述均热板位于所述通孔中，并连接于所述悬臂梁的下方。

优选的，所述绝缘膜包括由第一绝缘膜构成的压应力层和由第二绝缘膜构成的张应力层。

优选的，所述压应力层由SiO₂制成，所述张应力层由Si_xN_y或SiC制成。

优选的，所述悬臂梁包括一条以上悬臂，所述悬臂整体为呈直角的二次弯折结构。

优选的，一条以上所述悬臂组成的所述悬臂梁呈整体右旋或者左旋结构，旋转中心位于所述通孔中心。

优选的，所述加热单元由铬或铂制成。

优选的，所述均热板由单晶硅制成。

优选的，所述硅基座由100晶向单晶硅制成。

本实用新型提供的微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器增强悬臂梁的强度与高温工作极限；自带均热板结构用以将热量均匀分布于反应单元处，提高了反应精度和提高了反应单元处的空间利用率。本实用新型的基于MEMS技术的微加热器，采用悬臂梁结构，减少微加热器的热传导散热；采用复合膜结构，实现了应力的补偿，增大了悬臂梁的结构稳定性；采用了微弹簧结构，释放了复合膜的本征应力和微加热器工作时产生的热胀应力；采用均热板结构，大大提高了反映区域的均温性，提高了反应精度；采用硅基MEMS工艺，可以和大规模集成电路工艺完美兼容，适于大规模生产。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的不当限定，在附图中：

图1是本实用新型实施例左视图示意图；

图2是本实用新型实施例俯视图示意图；

图3是本实用新型实施例仰视图示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

实施例：

如图1～3所示，一种微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器，包括硅基座1、绝缘膜、加热单元4以及均热板6；硅基座1由<110>晶向单晶硅制成，所述硅基座1中部设有通孔，所述绝缘膜覆盖在所述基座及其通孔上，其中所述绝缘膜覆盖在所述通孔上的部分设有空气隙8而形成悬臂梁10；所述加热单元4包括加热丝11和电极5,加热丝11宽度为20μm，长度为1.5mm,电极5为Au电极，所述加热丝11设于所述悬臂梁10上，所述电极5设于所述绝缘膜上，加热单元4同时具有加热与测温功能，可采用直流或者交流电源供电；所述均热板6位于所述通孔中，并连接于所述悬臂梁10的下方。

本实施例中的所述绝缘膜包括由第一绝缘膜2构成的压应力层和由第二绝缘膜3构成的张应力层，两者组成的复合膜能进行应力补偿，获得较高机械性能稳定的复合膜，复合膜都是绝缘膜起到电隔离作用。其中所述压应力层由SiO₂制成，所述张应力层由Si_xN_y或SiC制成。

本实施例中的所述悬臂梁10包括一条以上悬臂，本实施例中的悬臂为四条，所述悬臂整体为呈直角的二次弯折结构，即悬臂整体为L形，包括连个45°的弯折部，避免了在制备过程中沿硅基座<110>方向的断裂，此外悬臂也可以为S形。一条以上所述悬臂组成的所述悬臂梁10呈整体右旋或者左旋结构，旋转中心位于所述通孔中心。

作为上述实施例方案的部分优选方案，所述加热单元4可以采用与MEMS工艺兼容性好的材料，Cr加热层可以实现较低温(<200℃)的加热；Pt电阻可以实现较高温度(200-800℃)的加热与测温，也可以是Ni。

作为上述实施例方案的部分优选方案，所述均热板6由单晶硅制成。

新型微弹簧式悬臂梁自带均热板结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)、在硅基座上生长绝缘层；生长第二绝缘层；

(2)、刻蚀第二绝缘层，露出第一绝缘层窗口；

(3)、刻蚀掉第一绝缘层，露出硅基座；继续刻蚀硅基座1.5-2.5μm；

(4)、制备加热层；

(5)、制备电极；

(6)、退火处理；

(7)、将微加热器反置，正反校正对齐，制作环形刻蚀槽，干法刻蚀硅基座20-25μm；

(8)、去掉中央岛上的第一、第二绝缘层；

(9)、湿法或干法同步刻蚀中央岛以及环形刻蚀槽直至露出空气隙；

(10)、继续刻蚀掉悬臂梁上的硅，露出均热板。

具体的，同样可参考图1～3，本实例的新型微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器，其制备方法包括以下步骤：

(1)、在<100>晶向的硅基座1上通过干氧或者干氧湿氧结合的方法制备双面800nm厚的SiO₂第一绝缘层2，再通过等离子体增强化学气相沉积PECVD技术制备双面600nm厚的Si_xN_y/SiC第二绝缘层3；

(2)、用匀浆机在3上均匀旋涂一层正胶BP212，利用光刻技术去除非空气隙8处光刻胶，然后磁控溅射300nm厚Ni作为刻蚀掩膜，利用lift-of剥离工艺露出空气隙8窗口。然后进行感应耦合等离子体ICP技术刻蚀，刻蚀掉空气隙8的第二绝缘层；

(3)、利用HF酸刻蚀液继续刻蚀掉空气隙处的第一绝缘层2，然后利用TMAH刻蚀继续刻蚀硅基座1，深度为1.5μm-2.5μm；

(4)、清洗掉正面Ni保护膜，利用磁控溅射机溅射Pt/Ni加热丝。厚度分别为200nm/20nm。旋涂厚度0.9μm负胶BN303-30，利用光刻技术制备出加热丝：长1.5mm，宽20μm。

(5)、利用电子束蒸发EBE技术以及lift-off技术制备0.5μmAu电极；

(6)、加热到500℃，氮气氛围，45min退火处理；

(7)、将微加热器反置，正反图案校正。然后利用步骤(2)的工艺刻蚀出环形刻蚀槽9的窗口并用反应离子刻蚀RIE干法工艺蚀硅基座1深度为20-25μm；

(8)、利用步骤(2)的工艺刻蚀掉均热板6上面覆盖的第一绝缘层2、第二绝缘层3；

(9)、利用四甲基氢氧化铵TMAH各向异性湿法刻蚀工艺或深反应离子刻蚀DRIE干法刻蚀工艺同时刻蚀环形刻蚀槽9和均热板6上面覆盖的单晶硅直到刻穿露出正面的空气隙8；

(10)、将该器件放入TMAH刻蚀液中湿法刻蚀掉悬臂梁10上剩余的1.5μm-2.5μm单晶硅，释放出悬臂梁10，以及露出硅均热板6。

以上对本实用新型实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本实用新型实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器，其特征在于：

包括硅基座、绝缘膜、加热单元以及均热板；

所述硅基座中部设有通孔，所述绝缘膜覆盖在所述基座及其通孔上，其中所述绝缘膜覆盖在所述通孔上的部分设有空气隙而形成悬臂梁；

所述加热单元包括加热丝和电极，所述加热丝设于所述悬臂梁上，所述电极设于所述绝缘膜上；

所述均热板位于所述通孔中，并连接于所述悬臂梁的下方。

2.如权利要求1所述的微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器，其特征在于：所述绝缘膜包括由第一绝缘膜构成的压应力层和由第二绝缘膜构成的张应力层。

3.如权利要求2所述的微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器，其特征在于：所述压应力层由SiO₂制成，所述张应力层由Si_xN_y或SiC制成。

4.如权利要求1所述的微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器，其特征在于：所述悬臂梁包括一条以上悬臂，所述悬臂整体为呈直角的二次弯折结构。

5.如权利要求4所述的微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器，其特征在于：一条以上所述悬臂组成的所述悬臂梁呈整体右旋或者左旋结构，旋转中心位于所述通孔中心。

6.如权利要求1所述的微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器，其特征在于：所述加热单元由铬或铂制成。

7.如权利要求1所述的微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器，其特征在于：所述均热板由单晶硅制成。

8.如权利要求1所述的微弹簧式悬臂梁自带均热板微加热器，其特征在于：所述硅基座由100晶向单晶硅制成。