CN207423635U - 一种微加热器及气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种微加热器，涉及微机电系统领域。微加热器包括基底、支撑层、加热层、绝缘膜、加热电极焊盘和信号检测电极。基底位于最底层。支撑层设置于所述基底上。加热层设置于支撑层上，加热层包括加热电阻和至少两条用于支撑加热电阻的支撑悬臂。绝缘膜设置于支撑层远离基底的一侧，绝缘膜覆盖于加热层和支撑层上方，并覆盖加热层的侧面。加热电极焊盘设置于绝缘膜上方，与加热电阻相连。信号检测电极设置于绝缘膜上方。基底中与加热电阻所在位置对应的区域为贯穿基底的中空区域。本实用新型的微加热器同时使用悬膜和悬梁技术，提高微加热器的机械稳定性，采用悬空结构，可以提高微加热器的能效，延长微加热器的使用寿命。

Description

一种微加热器及气体传感器

技术领域

本实用新型涉及微机电系统领域，特别是涉及一种微加热器及气体传感器。

背景技术

气体传感器技术在环境监测、物联网、工业检测、国防安全、智能家居等领域具有广泛的应用。多种方式可实现气体检测，如质谱/能谱/色谱检测设备、半导体气体传感器、声表面波气体检测等。随着半导体微纳加工技术的成熟，低成本、低功耗、小型化、智能化、集成化的气体传感器元器件在实际工程应用中具有巨大的需求，从而促使基于MEMS技术的微型多种气体检测器件，以及气体与温湿度、气压同时检测的超集成化传感器件的发展。

目前工业上比较成熟的MEMS气体传感器均采用微加热器使气敏材料在高温下吸附靶向气体，常规气敏材料的理想工作温度均在200-500℃范围内。为了以较低的能耗实现高温，一般微加热器均悬膜或悬梁臂支撑加热区域，减少热能在固体材料内的传输损耗。悬膜型器件由于只靠一层悬膜支撑其加热电阻，悬膜容易造成变形，稳定性差；悬梁臂型器件与悬膜型器件相比，功耗较小，但机械稳定性较差。此外，一般的微加热器通常采用贵金属铂作为加热丝，采用贵金属金作为与气敏材料连接的叉指电极。需要两次贵金属沉积工艺，极大地增加了微热器件的制造成本。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是要提供一种微加热器，解决现有技术中微加热器机械稳定性差、使用寿命短等问题。

本实用新型的另一个目的是采用单晶硅作为微加热器的加热电阻，以减少贵金属使用，降低微加热器的成本。

特别地，本实用新型提供了一种微加热器，用于气体传感器，包括：

用于提供支撑基础的基底；

设置于所述基底上的支撑层；

设置于所述支撑层上的加热层，所述加热层包括加热电阻和至少两条用于支撑所述加热电阻的支撑悬臂；

绝缘膜，设置于所述支撑层远离所述基底的一侧，所述绝缘膜覆盖于所述加热层和所述支撑层上方；

加热电极焊盘，设置于所述绝缘膜上方，并与所述加热电阻相连；

信号检测电极，设置于所述绝缘膜上方，其包括导电电极及两个信号检测电极焊盘，所述信号检测电极与所述加热电阻之间为所述绝缘膜；

其中，所述基底的与所述加热电阻相对应的区域为中空区域，所述中空区域构造成沿上下方向贯穿所述基底。

可选地，所述加热层由单晶硅构成。

可选地，所述加热层由<100>晶向的低阻重掺杂单晶硅构成。

可选地，所述加热电阻形状为矩形，并位于所述支撑层的中心区域，所述中空区域的面积大于所述加热电阻的面积。

可选地，所述支撑悬臂为两条，两条所述支撑悬臂分别连接于所述加热电阻的相对设置的第一端和第二端。

可选地，所述加热电阻与所述支撑悬臂一体化成型。

可选地，所述信号检测电极焊盘分别位于两条所述支撑悬臂上方，所述信号检测电极焊盘与所述支撑悬臂之间为所述绝缘膜。

可选地，所述加热电阻的上表面具有两个电极连接区域，两个所述电极连接区域分别位于所述加热电阻的相对设置的第三端和第四端，两个所述加热电极焊盘分别连接于两个所述电极连接区域。

可选地，所述基底为硅基底，所述支撑层为氧化硅悬膜，所述绝缘膜为氧化铝或氧化铪，所述信号检测电极和所述加热电极焊盘均由Ti/TiN/Au三层复合材料构成。

特别地，本实用新型还提供了一种气体传感器，包括上述微加热器。

本实用新型的微加热器同时使用悬膜和悬梁技术，在中空的基底上铺设一层支撑层作为悬膜，来支撑加热电阻，同时在加热电阻的对称两侧设置两条支撑悬臂作为悬梁，悬臂和悬梁的同时使用可以大幅提高微加热器的机械稳定性。微加热器中的基底的与加热电阻相对应的区域为中空区域，中空区域沿上下方向贯穿基底，该悬空结构可以减少热能在基底内的传输损耗，提高微加热器的能效，延长微加热器的使用寿命。

另外，本实用新型的微加热器中采用单晶硅作为加热电阻，这样，加热电阻和支撑悬臂可以一体化设置，进一步增加稳定性；同时，由于<100>晶向的低阻重掺杂单晶硅具有良好的导电性能，采用单晶硅代替贵金属，可以减少贵金属使用，降低微加热器的成本。

根据下文结合附图对本实用新型具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本实用新型一个实施例的微加热器的示意性截面图；

图2是根据本实用新型一个实施例的微加热器的示意性俯视图。

图中附图标记为：

1-基底，2-支撑层，3-加热层，4-绝缘膜，5-加热电极焊盘，6-信号检测电极，12-中空区域，31-支撑悬臂，32-加热电阻，41-电极连接区域，100-微加热器。

具体实施方式

目前，工业上比较成熟的MEMS气体传感器均采用微加热器使气敏材料在高温下吸附靶向气体，常规气敏材料的理想工作温度均在200-500℃范围内。为了以较低的能耗实现高温，一般微加热器采用悬膜或悬梁臂支撑加热区域，减少热能在固体材料内的传输损耗。悬梁臂型器件与悬膜型器件相比，功耗较小，但机械稳定性较差。为解决上述问题，申请人经过多次试验，最终决定将悬梁和悬臂同时应用到一个微加热器中。

图1是根据本实用新型一个实施例的微加热器的示意性截面图。图2是根据本实用新型一个实施例的微加热器的示意性俯视图。如图1所示，还可以参考图2，一种用于气体传感器的微加热器100包括基底1、支撑层2、加热层3、绝缘膜4、加热电极焊盘5和信号检测电极6。基底1位于最底层，用于提供支撑基础。支撑层2设置于所述基底1上。加热层3设置于支撑层2上，加热层3包括加热电阻32和至少两条用于支撑加热电阻的支撑悬臂31。绝缘膜4设置于支撑层2远离基底1的一侧，绝缘膜4覆盖于加热层3和支撑层2上方(即上表面)，当绝缘膜4的厚度低于加热层的厚度时，绝缘膜4还要覆盖加热层3的侧面。加热电极焊盘5设置于绝缘膜4上方，与加热电阻32相连。信号检测电极6设置于绝缘膜4上方，其包括导电电极及两个信号检测电极焊盘，导电电极设置于加热电阻32上方，导电电极与加热电阻32之间为绝缘膜4。基底1中与加热电阻32所在位置对应的区域为中空区域12，中空区域12构造成贯穿基底1。

本实用新型的微加热器同时使用悬膜和悬梁技术，在中空的基底上铺设一层支撑层作为悬膜，来支撑加热电阻，同时在加热电阻的对称两侧设置两条支撑悬臂作为悬梁，悬臂和悬梁的同时使用可以大幅提高微加热器的机械稳定性。微加热器中的基底的与加热电阻相对应的区域为中空区域，中空区域沿上下方向贯穿基底，该悬空结构可以减少热能在基底内的传输损耗，提高微加热器的能效，延长微加热器的使用寿命。

在本实用新型的一个进一步地实施例中，微加热器中采用单晶硅作为加热电阻，这样，加热电阻和支撑悬臂可以一体化设置，进一步增加稳定性；进一步地，单晶硅为<100>晶向的低阻重掺杂单晶硅，由于<100>晶向的低阻重掺杂单晶硅具有良好的导电性能，采用单晶硅代替贵金属，可以减少贵金属使用，降低微加热器的成本。重掺杂硅单晶为掺入杂质量比较多的半导体硅单晶。通常杂质浓度大于每立方厘米原子数为10¹⁸个。

如图2所示，微加热器100的加热电阻32形状可以为矩形，加热电阻32位于支撑层2的中心区域。基底1的中空区域12的面积大于加热电阻32的面积，可以提高热区温度分布的均匀性，从而提高气敏材料吸附的均匀性。加热层3中起支撑作用的支撑悬臂31可以为两条，两条支撑悬臂31分别连接于加热电阻相对设置的第一端和第二端，例如，两条支撑悬臂31可分别连接于加热电阻32的横向两端，且相对于加热电阻32中心对称。具体地，在图2所示的视图状态下，两条支撑悬臂分别连接于加热电阻的左右两端。加热电阻可以与支撑悬臂一体化成型，进一步增强结构的稳定性。信号检测电极6设置于绝缘膜上方，其包括导电电极及两个信号检测电极焊盘。导电电极及两个信号检测电极焊盘相对于加热电阻中心对称。信号检测电极6与加热电阻32之间为绝缘膜4，导电电极设置于加热电阻32的上方。具体地，在图2所示的视图的状态下，导电电极为叉指电极，两个叉指电极交叉设置于加热电阻上方，叉指电极之间涂覆有气敏材料。

加热电阻的上表面具有两个电极连接区域41，两个电极连接区域41分别位于加热电阻相对设置的第三端和第四端，例如，两个电极连接区域可分别设置于加热电阻的纵向两端，且相对于加热电阻的横向中心轴线轴对称。两个加热电极焊盘5分别连接于两个电极连接区域。如图2所示，加热电阻32的上下两端分别为第三端和第四端，两个加热电极焊盘5分别连接于两个电极连接区域41，且两个加热电极焊盘均直接连接于加热电阻的上表面。

在本实用新型的一个实施例中，基底1为硅基底，厚度可以为100-500μm。支撑层2为氧化硅悬膜，厚度可以为100-1000nm。加热层3为单晶硅，厚度可以为0.3-5μm。绝缘膜4为氧化铝、氧化铪或其它绝缘氧化膜，厚度为10-50nm。信号检测电极和加热电极焊盘均由Ti/TiN/Au三层复合材料构成，Ti为粘附层，厚度为5-50nm，TiN为主要导电材料，厚度为50-500nm，Au为导电层，厚度可降低至50nm以下。

在本实用新型的一个具体的实施例中，微热板器包括硅基底、氧化硅悬膜、单晶硅悬梁、绝缘膜和顶电极层。硅基底由<100>晶向的单晶硅构成，硅基底中间区域被完全刻蚀挖空。氧化硅悬膜为SOI硅片的中间氧化层，位于中空硅基底上方，具有支撑作用，用于支撑单晶硅悬梁，进一步说，主要用于支撑加热电阻，厚度为100～300nm。单晶硅悬梁由SOI硅片重掺杂顶硅器件层，位于氧化硅膜上方，为由<100>晶向的重掺杂、低电阻率单晶硅构成，中间区域为矩形，单晶硅悬梁由中间矩形区和两条悬臂组成，其中，单晶硅的电阻率ρ<0.01Ω·cm。单晶硅悬梁通过位于硅基底上方的两条悬臂支撑中间区域，单晶硅悬梁的矩形区位于氧化硅悬膜中心区域，作为加热电阻。氧化硅悬膜与单晶硅悬梁均有接近零应力的薄膜。加热电阻将悬膜分区，有效地分散了微加热器工作时产生热应力，提高器件持续高温工作时的寿命与机械稳定性。单晶硅悬梁与氧化硅悬膜以键合方法粘连，吸附力极强，增加结构的稳定性。绝缘膜完全包覆氧化硅膜和加热单元上方，为氧化铝或氧化铪等常用栅氧介质，绝缘膜能够完全包覆悬梁，且不产生应力；顶电极层由两个部分构成：信号检测电极和与单晶硅悬梁(其中的加热电阻)连通的加热电极焊盘，顶电极层的材料成分为Ti/TiN/Au复合结构，Au层厚度可减少至50nm。

上述实施例同时使用悬膜和悬梁技术，采用SOI硅片，以低阻重掺杂单晶硅作为加热单元，减少贵金属的使用的同时，提高微热器的能效、机械稳定性、使用寿命以及热区温度分布的均匀性，从而提高气敏材料吸附的均匀性；微加热器的工艺流程与CMOS工艺兼容，可低成本、大规模生产。

上述实施例中的微加热器的制备方法分为：

S101，在SOI硅片顶层上制备具有加热层3图案的掩膜，SOI全称为Silicon-On-Insulator，即绝缘衬底上的硅，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层；其中，SOI硅片从下到上依次为衬底硅、氧化硅膜和单晶硅；

S102，制备加热层3；

S103，制备绝缘膜4；

S104，在绝缘膜4上制备电极连接区域；

S105，制备加热电极焊盘和信号检测电极；

S106，在衬底硅上制备中空区域。

具体的，本实用新型所公开的用于气体传感器的悬膜/悬梁混合式的微加热器的制备方法，主要分为：

(1)SOI硅片的参数定制：SOI硅片的衬底硅为<100>单晶硅，氧化层厚度为100-1000nm，顶硅层厚度为0.3-5μm，电阻率ρ<0.01Ω·cm。

(2)在SOI硅片顶硅层上旋涂光刻胶，曝光、显影后留下对应的光刻胶掩膜。

(3)刻蚀形成单晶硅悬梁，采用干法或湿法方式去除残胶，RCA法清洗样品表面。

(4)采用原子层沉积方法生长10～50nm的绝缘膜，优选的材料有氧化铝、氧化铪等。

(5)匀胶、光刻、显影使图中刻蚀窗口暴露，采用感应耦合等离子刻蚀方法刻蚀掉绝缘膜。

(6)利用磁控溅射与lift-off工艺制备电子Ti/TiN/Au复合导电电极，Ti作为粘附层，厚度在5～50nm范围；TiN作为主要导电材料，厚度在50～500nm范围内，Au作为导电层，并可以隔绝了TiN与气敏材料的接触，使气敏材料不受电极污染；Au层厚度低至50nm范围。

(7)将微加热器退火处理，氮气环境下退火一小时，温度400-600℃。

(8)将微加热器翻转，并在进行背面对准光刻；

(9)利用DRIE刻蚀制备硅基底的中间通孔；氧化硅悬膜为深硅刻蚀的终止层。

优选地，工艺中(2)、(3)两步工艺可以替换为：先进行热氧化生10～200nm的氧化硅，以氧化硅做掩膜，通过湿法刻蚀得到单晶硅加热丝层。此时单晶膜侧壁将成约55°角的坡度，对整个实施例的实现具有有利效果。

本实用新型还提供了一种气体传感器，包括上述微加热器100。

本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括结构在示出时除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的结构翻转，则被描述为位于其它单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其它单元或特征“上方”或“之上”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。结构可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。

当元件或层被称为在另一部件或层“上”或与另一部件或层“连接”时，其可以直接在该另一部件或层上、连接到该另一部件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当部件被称为“直接在另一部件或层上”、“直接连接在另一部件或层上”，不能存在中间部件或层。

并且，应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或结构，但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本实用新型的多个示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种微加热器，用于气体传感器，其特征在于，包括：

用于提供支撑基础的基底；

设置于所述基底上的支撑层；

设置于所述支撑层上的加热层，所述加热层包括加热电阻和至少两条用于支撑所述加热电阻的支撑悬臂；

绝缘膜，设置于所述支撑层远离所述基底的一侧，所述绝缘膜覆盖于所述加热层和所述支撑层上方；

加热电极焊盘，设置于所述绝缘膜上方，并与所述加热电阻相连；

信号检测电极，设置于所述绝缘膜上方，其包括导电电极及两个信号检测电极焊盘，所述信号检测电极与所述加热电阻之间为所述绝缘膜；

其中，所述基底的与所述加热电阻相对应的区域为中空区域，所述中空区域构造成沿上下方向贯穿所述基底。

2.根据权利要求1所述的微加热器，其特征在于，所述加热层由单晶硅构成。

3.根据权利要求2所述的微加热器，其特征在于，所述加热层由<100>晶向的低阻重掺杂单晶硅构成。

4.根据权利要求1所述的微加热器，其特征在于，所述加热电阻形状为矩形，并位于所述支撑层的中心区域，所述中空区域的面积大于所述加热电阻的面积。

5.根据权利要求1所述的微加热器，其特征在于，所述支撑悬臂为两条，两条所述支撑悬臂分别连接于所述加热电阻的相对设置的第一端和第二端。

6.根据权利要求1所述的微加热器，其特征在于，所述加热电阻与所述支撑悬臂一体化成型。

7.根据权利要求1所述的微加热器，其特征在于，所述信号检测电极焊盘分别位于两条所述支撑悬臂上方，所述信号检测电极焊盘与所述支撑悬臂之间为所述绝缘膜。

8.根据权利要求7所述的微加热器，其特征在于，所述加热电阻的上表面具有两个电极连接区域，两个所述电极连接区域分别位于所述加热电阻的相对设置的第三端和第四端，两个所述加热电极焊盘分别连接于两个所述电极连接区域。

9.根据权利要求1所述的微加热器，其特征在于，所述基底为硅基底，所述支撑层为氧化硅悬膜，所述绝缘膜为氧化铝或氧化铪，所述信号检测电极和所述加热电极焊盘均由Ti/TiN/Au三层复合材料构成。

10.一种气体传感器，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的微加热器。