CN212572999U - 具有应力调节层的微热板 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有应力调节层的微热板，包括：硅基底，包括相对设置的第一表面及第二表面；硅基底包括中心加热区及外围支撑区，中心加热区包括贯穿第一表面以及第二表面的空气绝热腔；陶瓷悬膜，设于第一表面；应力调节层，覆盖至少部分陶瓷悬膜的上表面；加热层，加热层包括加热电阻膜及加热电极；加热电阻膜设于陶瓷悬膜上方并位于中心加热区，加热电极设于陶瓷悬膜上方并与加热电阻膜电连接；加热层至少部分与应力调节层接合。本实用新型的具有应力调节层的微热板，通过设置覆盖陶瓷悬膜的应力调节层，能够吸收陶瓷悬膜受热产生的热应力，可以大大提高陶瓷悬膜的应力承受能力，提高了微热板的稳定性。

Description

具有应力调节层的微热板

技术领域

本实用新型涉及电子器件制造技术领域，尤其涉及一种具有应力调节层的微热板。

背景技术

基于硅微加工技术的微热板(Micro Hotplate,MHP)是微电子机械系统(MEMS)中常用的加热平台，已广泛应用于微型气体传感器、微型热式流量计、微型红外探测器以及气压计等微器件。微热板的基本结构包括悬空介质薄膜以及电阻条。当电流通过电阻条时，电阻产生的焦耳热一部分用于加热微热板，另外一部分以传导、对流和辐射的方式耗散于周围环境中悬空结构使微热板具有非常小的热惯性和非常高的电热耦合效率，毫瓦级热功率就能使其中心温区在几毫秒内迅速升温。因此微热板具有非常快的热响应时间和较低的热功耗。

微热板通电之后，微热板悬膜的核心区域会在几十或者几百毫秒迅速达到工作温度，温度变化迅速，悬膜急剧温升。任何材料都具有热应力，在加热的情况下材料在三维方向上会伸长或者收缩，进而产生热应力，同理，对于微热板悬膜而言，急剧的温升，也会产生巨大的应力。对于传统的硅基微热板，通常采用化学气相沉积不同厚度的氧化硅、氮化硅来匹配和调节热应力；对于陶瓷悬膜基微热板，除了改变陶瓷配方，尚没有人在结构上进行调整热应力。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可具有应力调节层的微热板。

为实现上述实用新型目的，本实用新型一实施方式提供一种具有应力调节层的微热板，其特征在于，包括：硅基底，包括相对设置的第一表面及第二表面；所述硅基底包括中心加热区及外围支撑区，所述中心加热区包括贯穿所述第一表面以及所述第二表面的空气绝热腔；陶瓷悬膜，设于所述第一表面；应力调节层，覆盖至少部分所述陶瓷悬膜的上表面；加热层，所述加热层包括加热电阻膜及加热电极；所述加热电阻膜设于所述陶瓷悬膜上方并位于所述中心加热区，所述加热电极设于所述陶瓷悬膜上方并与所述加热电阻膜电连接；所述加热层至少部分与所述应力调节层接合。

作为本实用新型的进一步改进，所述加热电阻膜设于所述陶瓷悬膜上表面；所述应力调节层覆盖所述加热电阻膜，并向下延伸以覆盖部分所述陶瓷悬膜的上表面。

作为本实用新型的进一步改进，所述应力调节层设于所述陶瓷悬膜及所述加热层之间。

作为本实用新型的进一步改进，所述应力调节层包括平铺层及延伸层，所述平铺层设于所述陶瓷悬膜及所述加热层之间，所述延伸层覆盖所述加热电阻膜，并向下延伸以覆盖部分所述陶瓷悬膜的上表面。

作为本实用新型的进一步改进，所述应力调节层的厚度为1um-50um。

作为本实用新型的进一步改进，所述应力调节层为陶瓷颗粒层、陶瓷纤维层或者陶瓷颗粒纤维复合层。

作为本实用新型的进一步改进，所述应力调节层为陶瓷颗粒层或者陶瓷颗粒纤维复合层，其中的陶瓷颗粒为圆形、方形或不规则形状的其中之一。

作为本实用新型的进一步改进，所述应力调节层为陶瓷颗粒层或者陶瓷颗粒纤维复合层，其中的陶瓷颗粒直径为0.1um-20um。

作为本实用新型的进一步改进，所述应力调节层为陶瓷纤维层或者陶瓷颗粒纤维复合层，其中的陶瓷纤维直径大小为0.1um-20um。

作为本实用新型的进一步改进，所述应力调节层为陶瓷纤维层或者陶瓷颗粒纤维复合层，其中的陶瓷纤维长度为1um-200um。

作为本实用新型的进一步改进，所述具有应力调节层的微热板还包括陶瓷保护层，所述陶瓷保护层覆盖所述加热电阻膜或所述应力调节层。

与现有技术相比，本实用新型公开的具有应力调节层的微热板，通过设置覆盖陶瓷悬膜的应力调节层，从而能够吸收陶瓷悬膜受热产生的热应力，可以大大提高陶瓷悬膜的应力承受能力，使得陶瓷悬膜在急剧的升温和降温过程中，不会开裂，提高了微热板的稳定性。

附图说明

图1是本实用新型第一实施方式中具有应力调节层的微热板的结构示意图；

图2是本实用新型第二实施方式中具有应力调节层的微热板的结构示意图；

图3是本实用新型第三实施方式中具有应力调节层的微热板的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本实用新型进行详细描述。但这些实施方式并不限制本实用新型，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。

应该理解，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设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。

图1-3示出了本实用新型实施方式中的具有应力调节层的微热板。

如图1所示，本实用新型第一实施方式公开的具有应力调节层的微热板包括：硅基底11，陶瓷悬膜12，应力调节层16及加热层。所述硅基底包括相对设置的第一表面111及第二表面112。硅基底包括中心加热区A及外围支撑区B，所述中心加热区A包括贯穿所述第一表面111以及所述第二表面112的空气绝热腔15。陶瓷悬膜12设于所述第一表面111。

所述应力调节层16覆盖至少部分所述陶瓷悬膜12的上表面。所述加热层包括加热电阻膜14及加热电极13；所述加热电阻膜14设于所述陶瓷悬膜12上方并位于所述中心加热区A’，所述加热电极13设于所述陶瓷悬膜12上方并与所述加热电阻膜14电连接。所述加热层至少部分与所述应力调节层16接合。

本实用新型公开的具有应力调节层的微热板，通过设置覆盖至少部分陶瓷悬膜12的应力调节层16，从而能够吸收陶瓷悬膜12受热产生的热应力，可以大大提高陶瓷悬膜12的应力承受能力，使得陶瓷悬膜12在急剧的升温和降温过程中，不会开裂，提高了微热板的稳定性。

具体来说，在本实施方式中，所述加热电阻膜14设于所述陶瓷悬膜12上表面，加热电极也设于所述陶瓷悬膜12的上表面并与加热电阻膜14电连接。所述应力调节层16覆盖所述加热电阻膜14，并向下延伸以覆盖部分所述陶瓷悬膜12的上表面。

优选的，所述应力调节层16的厚度为1um—50um。将应力调节层16的厚度设为1um-50um，以使其与陶瓷悬膜12的厚度对应，并且可以较好地匹配微热板功耗，避免应力调节层16太厚使功耗过大。

优选的，所述应力调节层16为陶瓷颗粒层、陶瓷纤维层或者陶瓷颗粒纤维复合层。具体地，应力调节层的材料可以由氧化铝、氧化锆、氧化镁、氮化铝、氮化硅、氮化硼、碳化硅、莫来石瓷、钡长石瓷、高铝瓷、高硅瓷、堇青石瓷、滑石瓷、镁橄榄石瓷、硅灰石瓷、锆英石瓷中的一种或者几种组成，形态分为颗粒或者纤维。采用陶瓷颗粒和/或者陶瓷纤维来制作应力调节层，则可使得其整体结构较为稀疏，内部充满孔缝，从而可以吸收产生在陶瓷悬膜上的热应力，避免陶瓷悬膜上的热应力过大而出现问题。

当所述应力调节层16为陶瓷颗粒层或者陶瓷颗粒纤维复合层时，其中的陶瓷颗粒为圆形、方形或不规则形状的其中之一。具体来说，陶瓷颗粒可以优选圆形。圆形和不规则形状的陶瓷颗粒堆集起来，形成的应力调节层16的密度较大，整体结构较为致密。而方形的陶瓷颗粒堆集后形成的应力调节层16密度相对较小，会产生孔洞，整体结构较为稀疏。具体可以根据所需要的应力调节层的密度，形成的缝隙以及可调节的应力大小，来选取陶瓷颗粒的形状。

进一步的，所述应力调节层16中陶瓷颗粒直径为0.1um—20um。具体来说，可以将陶瓷颗粒分布大小优选为1um。这样的陶瓷颗粒大小适中，可以对应力调节起到较好的作用。当然，在其他实施方式中，根据应力调节层的密度，形成的缝隙以及可调节的应力大小，陶瓷颗粒的直径还可以选用其他合适的数值。

当所述应力调节层16为陶瓷纤维层或者陶瓷颗粒纤维复合层，其中的陶瓷纤维直径大小为0.1um-20um。

优选的，所述应力调节层16中陶瓷纤维直径大小为0.1um—20um。

优选的，所述应力调节层16中陶瓷纤维的长度为1um—200um。

进一步的，所述具有应力调节层的微热板还包括陶瓷保护层17，所述陶瓷保护层17覆盖所述应力调节层16的上表面，并向下延伸以覆盖应力调节层的侧表面。因应力调节层16的结构较为稀疏，并且由颗粒或陶瓷组合而成，因此可能会发生应力调节层16内部的颗粒或纤维散落的情况，而设置陶瓷保护层17可以覆盖应力调节层16的外表面，防止应力调节层16的散落。

另外，所述硅基底11选自双面氧化、单面氧化或者未氧化的单晶硅片或者多晶硅片，单晶硅片的晶向为100或者111，所述硅基底11的厚度为50um—700um。

所述陶瓷膜12由玻璃+陶瓷体系组成，或者由微晶玻璃体系组成，或者由单相陶瓷组成。

优选的，所述陶瓷膜12的厚度为1um—100um。

优选的，所述陶瓷悬膜12面积为0.1mm*0.1mm—90mm*90mm。

所述加热电14阻的几何形状可以为蛇形曲线、异形曲线、蚊香型曲线、长方形、正方形中的一种或多种的组合。

所述加热电阻14由金属薄膜或合金薄膜或金属氧化物薄膜制得，所述金属薄膜选自Pt、Au、Ag、Cu、Al、Ni、W、Mo中的任意一种，所述合金薄膜选自Ni/Cr、Mo/Mn、Cu/Zn、Ag/Pd、Pt/Au、Fe/Co中的任意一种，所述金属氧化物薄膜选自RuO2或SnO2:Sb2O3中的任意一种。

如图2所示，为本实用新型第二实施方式公开的具有应力调节层的微热板。

所述具有应力调节层的微热板包括硅基底21，陶瓷悬膜22，应力调节层26及加热层。所述硅基底包括相对设置的第一表面211及第二表面212。硅基底包括中心加热区A’及外围支撑区B’，所述中心加热区A’包括贯穿所述第一表面211以及所述第二表面212的空气绝热腔25。陶瓷悬膜22设于所述第一表面211。

所述应力调节层26设于所述陶瓷悬膜22及所述加热层之间。所述加热层包括加热电阻膜14及加热电极13；所述加热电阻膜14设于所述应力调节层26上表面并位于所述中心加热区A’，所述加热电极13设于所述应力调节层26上表面并与所述加热电阻膜14电连接。也就是说，应力调节层26设于加热层的下方并完全覆盖陶瓷悬膜22的上表面。另外，在本实施方式中，陶瓷保护层27覆盖所述加热电阻膜24，并向下延伸以部分覆盖所述应力调节层26。陶瓷保护层17可以覆盖加热电阻膜14，以使加热电阻膜14绝缘。应力调节层26的上表面分别被加热电阻膜24、陶瓷保护膜27及加热电极23所覆盖，因此不会散落。

其他特征与第一实施方式所公开的具有应力调节层的微热板相同，因此不再赘述。

如图3所示，为本实用新型第三实施方式公开的具有应力调节层的微热板。

具有应力调节层的微热板包括：硅基底31，陶瓷悬膜32，应力调节层36及加热层。所述硅基底包括相对设置的第一表面311及第二表面312。硅基底包括中心加热区A”及外围支撑区B”，所述中心加热区A’包括贯穿所述第一表面311以及所述第二表面312的空气绝热腔35。陶瓷悬膜32设于所述第一表面311。

所述应力调节层36包括平铺层361及延伸层362，所述平铺层361设于所述陶瓷悬膜32及所述加热层之间，所述延伸层362覆盖所述加热电阻膜34，并向下延伸以部分覆盖所述陶瓷悬膜32的上表面。所述加热层包括加热电阻膜34及加热电极33。所述加热电阻膜34设于所述平铺层361上表面并位于所述中心加热区A”，所述加热电极33设于所述平铺层361上表面并与所述加热电阻膜34电连接。也就是说，在加热电阻膜34的上表面及陶瓷悬膜32的上表面均设有应力调节层36，并且覆盖加热电阻膜34的延伸层362还可以覆盖部分陶瓷悬膜32的上表面。

另外，在本实施方式中，陶瓷保护层37覆盖所述延伸层362的上表面，并向下延伸以覆盖延伸层362的侧表面。从而，延伸层362的上表面及侧表面被陶瓷保护层所覆盖，而平铺层361的上表面分别被加热电阻膜34、陶瓷保护膜37及加热电极33所覆盖，因此延伸层362及平铺层361均不会散落。

其他特征与第一实施方式所公开的具有应力调节层的微热板相同，因此不再赘述。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种具有应力调节层的微热板，其特征在于，包括：

硅基底，包括相对设置的第一表面及第二表面；所述硅基底包括中心加热区及外围支撑区，所述中心加热区包括贯穿所述第一表面以及所述第二表面的空气绝热腔；

陶瓷悬膜，设于所述第一表面；

应力调节层，覆盖至少部分所述陶瓷悬膜的上表面；

加热层，所述加热层包括加热电阻膜及加热电极；所述加热电阻膜设于所述陶瓷悬膜上方并位于所述中心加热区，所述加热电极设于所述陶瓷悬膜上方并与所述加热电阻膜电连接；所述加热层至少部分与所述应力调节层接合。

2.根据权利要求1所述的具有应力调节层的微热板，其特征在于，所述加热电阻膜设于所述陶瓷悬膜上表面；

所述应力调节层覆盖所述加热电阻膜，并向下延伸以覆盖部分所述陶瓷悬膜的上表面。

3.根据权利要求1所述的具有应力调节层的微热板，其特征在于，所述应力调节层设于所述陶瓷悬膜及所述加热层之间。

4.根据权利要求1所述的具有应力调节层的微热板，其特征在于，所述应力调节层包括平铺层及延伸层，所述平铺层设于所述陶瓷悬膜及所述加热层之间，所述延伸层覆盖所述加热电阻膜，并向下延伸以覆盖部分所述陶瓷悬膜的上表面。

5.根据权利要求1所述的具有应力调节层的微热板，其特征在于，所述应力调节层的厚度为1um-50um。

6.根据权利要求1所述的具有应力调节层的微热板，其特征在于，所述应力调节层为陶瓷颗粒层、陶瓷纤维层或者陶瓷颗粒纤维复合层。

7.根据权利要求1所述的具有应力调节层的微热板，其特征在于，所述应力调节层为陶瓷颗粒层或者陶瓷颗粒纤维复合层，其中的陶瓷颗粒为圆形、方形或不规则形状的其中之一。

8.根据权利要求1所述的具有应力调节层的微热板，其特征在于，所述应力调节层为陶瓷颗粒层或者陶瓷颗粒纤维复合层，其中的陶瓷颗粒直径为0.1um-20um。

9.根据权利要求1所述的具有应力调节层的微热板，其特征在于，所述应力调节层为陶瓷纤维层或者陶瓷颗粒纤维复合层，其中的陶瓷纤维直径大小为0.1um-20um。

10.根据权利要求1所述的具有应力调节层的微热板，其特征在于，所述应力调节层为陶瓷纤维层或者陶瓷颗粒纤维复合层，其中的陶瓷纤维长度为1um-200um。

11.根据权利要求1所述的具有应力调节层的微热板，其特征在于，所述具有应力调节层的微热板还包括陶瓷保护层，所述陶瓷保护层覆盖所述加热电阻膜或所述应力调节层。

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