CN216087038U - 一种带功能层的微热板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带功能层的微热板，包括基底、加热层、绝缘介质层和功能层，基底的中心加热区设置有连续凹陷部，凹陷部内设有导电材料，形成加热电阻，绝缘介质层设置在加热层背离基底的一侧，功能层设置在绝缘介质层背离加热层一侧，功能层包括相互电连接的信号感测电极和功能模块，功能模块用于感测外部信号。本实用新型通过控制凹陷部的宽度以及深度可以有效的控制加热电阻的电阻大小，具有较好的稳定性和可靠性，及制作工艺简单，制作成本低，更加小型化等特点，且通过功能层与加热层之间设置绝缘介质层，避免了加热信号和感测信号的相互干扰问题。

Description

一种带功能层的微热板

技术领域

本实用新型涉及电子器件制造技术领域，更具体的说，涉及一种带功能层的微热板。

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。

目前常见的微热板的加热电阻很难控制，导致生产工艺冗长，良率不高，成本增加，且加热电阻设置于微热板的基底上，很难做到在同等电阻条件下，实现微热板的更加小型化。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型技术方案提供了一种带功能层的微热板，具有较好的稳定性和可靠性，制作工艺简单，制作成本低，且更加小型化。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种带功能层的微热板，所述微热板包括：

基底，所述基底包括中心加热区以及位于中心加热区外围的外围支撑区，所述中心加热区具有自基底的一表面向相对的另一表面凹陷的空气绝热腔；

加热层，所述加热层包括电连接的加热电极以及加热电阻，所述加热电极设置在所述基底上，所述基底的中心加热区设置有连续凹陷部，所述凹陷部内设有导电材料，形成所述加热电阻；

绝缘介质层，所述绝缘介质层设置在所述加热层背离所述基底的一侧；

功能层，所述功能层设置在所述绝缘介质层背离所述加热层一侧，所述功能层包括相互电连接的信号感测电极和功能模块，所述功能模块用于感测外部信号。

优选地，所述基底包括第一支撑层和设置于第一支撑层上的第二支撑层，所述第一支撑层和第二支撑层一体成型或分体设置，且所述加热电极设置于所述第二支撑层上，所述空气绝热腔贯穿所述第一支撑层，所述凹陷部设于第二支撑层内。

优选地，所述第一支撑层为硅基底，所述第二支撑层为陶瓷膜，所述陶瓷膜分体设置于所述硅基底上，且所述加热电极设置于所述陶瓷膜上，所述凹陷部设于所述陶瓷膜内。

优选地，所述基底为全陶瓷基底，所述第一支撑层为基底部，所述第二支撑层为支撑部，所述支撑部与基底部一体成型，且所述加热电极设置于所述支撑部上，所述凹陷部设于所述支撑部内。

优选地，所述凹陷部的宽度变化设置，且所述凹陷部构成的加热电阻形成预设形状。

优选地，所述凹陷部的深度小于等于所述第二支撑层的厚度。

优选地，所述导电材料的厚度小于、等于或大于所述凹陷部的深度。

优选地，所述凹陷部的宽度为0.2μm~20μm，深度为1μm~20μm，且所述深度与宽度比不小于0.8。

优选地，所述导电材料为Pt、Au、Ag、Cu、Al、Ni、W、Ag/Pd合金以及Pt/A u合金中的任一种。

优选地，所述绝缘介质层的厚度为1um~10um，且其电阻率大于10¹³Ω·cm。

本实用新型技术方案提供的带有功能层的微热板，其加热电阻通过凹陷部形成，通过控制凹陷部的宽度以及深度可以有效的控制加热电阻的电阻大小，这样可以很大程度上简化制备工艺，加热电阻的检测准确性更高，而且通过凹陷部结构可以将宽度做的很小，这样可以节约材料，可以做到器件的体积更加小型化。且通过功能层与加热层之间设置绝缘介质层，避免了加热信号和感测信号的相互干扰问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种带功能层的微热板的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种微热板的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种微热板的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的另一种微热板的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的另一种微热板的结构示意图；

图6a~6c为本实用新型实施例提供的一种加热层的不同结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参考图1，图1为本实用新型一实施例提供的一种带功能层的微热板的结构示意图，该微热板10包括：硅基底11、陶瓷膜12、加热层、绝缘介质层16和功能层，其中，硅基底11具有相对的第一表面111和第二表面112，且所述硅基底11具有中心加热区A以及位于中心加热区A外围的外围支撑区B，所述中心加热区A具有贯穿所述第一表面111以及所述第二表面112的空气绝热腔15。

所述硅基底11为双面氧化、单面氧化或是未氧化的单晶硅片，所述单晶硅片的晶向为100或是111，可以使得陶瓷膜12和硅基底11具有稳定的接触效果。或者，所述硅基底为双面氧化、单面氧化或是未氧化的多晶硅片。采用单晶硅片或是多晶硅片，能够使得陶瓷膜12和硅基底11具有稳定的接触效果。

所述硅基底11的厚度为50μm-700μm，包括端点值。具体的，所述硅基底11的厚度可以为100μm、200μm、300μm、50μm或是600μm。采用上述厚度取值的硅基底11，在保证微热板10具有较薄厚度的同时，使得微热板10具有较好的机械强度。

陶瓷膜12设置于硅基底11的第一表面111，所述陶瓷膜12是由形成在所述硅基底11表面的设定陶瓷浆料烧结而成。将设定的陶瓷浆料采用厚膜印刷工艺在硅基底11的表面形成陶瓷膜12，经过高温烧结后，可以形成致密的陶瓷膜12，可以使得陶瓷膜12可以与硅基底11稳定可靠的结合，结合力良好，且致密坚硬。

本申请实施例中，所述陶瓷浆料可以为玻璃和陶瓷体系的混合材料；或，所述陶瓷浆料可以为微晶玻璃体系；或，所述陶瓷浆料可以为单相陶瓷。所述陶瓷膜12的厚度可以为1μm-50μm，包括端点值。具体的，所述陶瓷膜12的厚度可以为10μm、20μm、30μm或是40μm。在所述硅基底11的表面形成上述厚度取值的陶瓷膜12，在保证陶瓷膜12厚度较薄的同时，可以使得陶瓷膜12具有较好的电学、力学以及热学性能。

所述加热层包括电连接的加热电极13以及加热电阻14，其中，所述加热电极13设置在所述陶瓷膜12背离硅基底11第一表面111的一侧表面上；所述加热电阻14位于所述中心加热区A。

优选地，所述陶瓷膜12背离硅基底11的第一表面111的一侧面上向下凹陷形成连续凹陷部141，所述凹陷部141内设有导电材料142，形成加热电阻14。凹陷部141中的导电材料142可以通过电镀、印刷填充等方式设于其中，也可以通过烧结的方式让导电材料142融化烧结，让其导电性能更加稳定。

另外，对于凹陷部141的设计可以根据加热电阻14的需求来设计凹陷部141的宽度以及深度，这样可以通过设计来预设电阻，这样制备出来的电阻和预设的目标电阻会更加接近，更加准确，可控性更好；可以大大的减少生产的工艺，提高良率节约成本。优选地，所述凹陷部141的深度小于等于陶瓷膜12的深度，也就是说，凹陷部141可以形成于陶瓷膜12内，即此时形成的凹陷部141为凹槽，如图1所示，也可以贯穿陶瓷膜12，即此时形成的凹陷部141为穿孔，如图2所示，此时，凹陷部141至少有两个表面（即上表面和下表面）与空气相接触。另外，凹陷部141可以根据需要设置为特定形状，如凹陷部141为长方形或方形，凹陷部141为三角形、半圆弧形、梯形等。本实施例对凹陷部141的设置数量、宽度、深度等均可不做具体限定。优选地，凹陷部141的宽度可为0.2μm~30μm，深度为1μm~30μm，且所述深度与宽度比不小于0.8，本申请可以将加热电阻14做的很细，即凹陷部141比较窄，这样可以很大程度上减少器件的体积，使的器件微型化，既节约成本也减少体积。

另外，凹陷部141内填充的导电材料142的高度可以小于凹陷部141的深度，如图3所示，也可以等于凹陷部141的深度，如图1所示，也可以大于凹陷部141的深度，如图4所示。也就是说，填充的导电材料142的上表面（即靠近陶瓷膜12的上表面的一面）可以低于凹陷部141的上表面（即陶瓷膜12的上表面），也可以与凹陷部141的上表面齐平，也可以凸出于凹陷部141的上表面。本实用新型通过将加热电阻14部分内嵌于陶瓷膜12内，可以减小微热板10整体的体积，即在同等电阻要求下，可以做到更加小型化。

加热电极13和加热电阻14可以采用同一导电浆料形成的同一加热层制备。其他方式中，二者可以采用不同的电阻浆料以及电极浆料分别制备，此时，加热电极13为具有一定面积的导电焊盘，外界电路可以通过压焊、球焊、点焊等焊接方式与加热电极13进行电性连接。加热电极13主要为微热板提供外界施加的电信号，加热电阻14为微热板的主要发热元件，当外界的电流通过加热电极传输到加热电阻时，加热电阻产生焦耳热，进而为微热板提供热源。

为了使微热板具有更小的热容，更快的热响应，将与加热电阻相接触的陶瓷膜设置成悬膜，通过刻蚀技术，将基底11与陶瓷膜相接触的硅全部刻蚀掉，形成空气绝热腔15，由于空气具有较低的热导率，具有很好的绝热性。采用深硅刻蚀技术形成空气绝热腔15，可以通过物理方法或是化学方法刻蚀所述中心加热区A对应的硅基底11，形成所述空气绝热腔。加热电阻14的形状根据加热层的不同形状做适当调整，但无论为何种形状，加热电极13与加热电阻14均电性连接，加热电阻14根据需要设置成特定的形状，加热后为微热板的工作提供特定的温度。

所述微热板还包括设置在所述加热层背离所述硅基底11一侧的绝缘介质层16；以及设置在所述绝缘介质层16背离所述加热层一侧的功能层，所述功能层包括相互电连接的信号感测电极17和功能模块18，所述功能模块18用于感测外部信号。信号感测电极17和加热电阻14通过所述绝缘介质层16隔离，避免了不同电信号之间的相互干扰。可以根据微热板要实现的功能选择设定的材料制备所述功能层18。

与现有技术相比，本实用新型实施例提供微热板10的加热电阻14通过凹陷部141形成，通过控制凹陷部141的宽度以及深度可以有效的控制加热电阻14的电阻大小，这样可以很大程度上简化制备工艺，加热电阻14的检测准确性更高，而且通过凹陷部141结构可以将宽度做的很小，这样可以节约材料，可以做到器件的体积更加小型化。且通过功能层与加热层之间设置绝缘介质层，避免了加热信号和感测信号的相互干扰问题。

参考图5，图5为本实用新型实施例提供的另一种微热板的结构示意图，图5所示方式中，该微热板20包括：基底21、加热层、绝缘介质层25和功能层，图5所示方式与图1所示方式不同在于，基底21为全陶瓷基底，其包括一体成型的基底部211和支撑部212，基底21具有相对的第三表面213和第四表面214，且所述基底具有中心加热区A以及位于中心加热区A外围的外围支撑区B，所述中心加热区A具有自所述第四表面214向第三表面213凹陷的空气绝热腔24。基底部及支撑部114由陶瓷生坯高温烧结而成，从而使得基底11一体成型。

所述加热层包括电连接的加热电极22以及加热电阻23，其中，所述加热电极22设置在基底的第三表面211上，具体设置于基底部211的上表面上；所述加热电阻23位于所述中心加热区A。

优选地，所述支撑部212背离基底部211的第三表面213的一侧面上向下凹陷形成至少一个连续凹陷部231，所述凹陷部231内设有导电材料232，形成加热电阻23。凹陷部231中的导电材料232可以通过电镀、印刷填充等方式设于其中，也可以通过烧结的方式让导电材料232融化烧结，让其导电性能更加稳定。

另外，对于凹陷部231的设计可以根据电阻的需求来设计凹陷部231的宽度以及深度，这样可以通过设计来预设电阻，这样制备出来的电阻和预设的目标电阻会更加接近，更加准确，可控性更好；可以大大的减少生产的工艺，提高良率节约成本。优选地，所述凹陷部231的深度小于等于基底部211的深度，也就是说，凹陷部231可以形成于基底部211内，即此时形成的凹陷部231为凹槽，也可以贯穿基底部211，即此时形成的凹陷部231为穿孔，此时，凹陷部231至少有两个表面（即上表面和下表面）与空气相接触。另外，凹陷部231可以根据需要设置为特定形状，如凹陷部231为长方形或方形，凹陷部231为三角形、半圆弧形、梯形等。本实施例对凹陷部231的设置数量、宽度、深度等均可不做具体限定。优选地，凹陷部231的宽度可为0.2μm~30μm，深度为1μm~30μm，且所述深度与宽度比不小于0.8，本申请可以将加热电阻23做的很细，即凹陷部231比较窄，这样可以很大程度上减少器件的体积，使的器件微型化，既节约成本也减少体积。

另外，凹陷部231内填充的导电材料232的高度可以小于凹陷部231的深度，也可以等于凹陷部231的深度，也可以大于凹陷部231的深度。也就是说，填充的导电材料232的上表面（即靠近基底部211的上表面的一面）可以低于凹陷部231的上表面（即基底部的上表面），也可以与凹陷部231的上表面齐平，也可以凸出于凹陷部231的上表面。本实用新型通过将加热电阻23部分内嵌于基底部211内，可以减小微热板20整体的体积，即在同等电阻要求下，可以做到更加小型化。

所述微热板20还包括设置在所述加热层背离所述基底21一侧的绝缘介质层25；以及设置在所述绝缘介质层25背离所述加热层一侧的功能层，所述功能层包括相互电连接的信号感测电极26和功能模块27，所述功能模块27用于感测外部信号。信号感测电极26和加热电阻23通过所述绝缘介质层25隔离，避免了不同电信号之间的相互干扰。可以根据微热板要实现的功能选择设定的材料制备所述功能层27。

参考图6a~6c，为本实用新型实施例提供的一种加热层的结构示意图，图6a所示加热层具有加热电阻341和加热电极331，加热电阻341为异型曲线；图6b所示加热层具有加热电阻342和加热电极332，加热电阻342为蚊香型曲线；图6c所示加热层具有加热电阻343和加热电极333，加热电阻343为蛇形曲线，加热电阻343的线宽均匀。加热层的图案结构不局限于图6a~6c中三种方式，不局限于一种图形结构，还可以为多种图形结构的结合，如同一加热层中可以包括上述三种方式中的至少两种的组合。

所述绝缘介质层16的材料组分与所述陶瓷膜12的材料组分相同，这样，可以使得所述绝缘介质层16与所述陶瓷膜12具有相同的物质结构，具有较强的结合力。所述绝缘介质层16覆盖所述加热电阻14，露出所述加热电极13。

所述绝缘介质层16的形成方法与所述陶瓷膜12的形成方法相同。所述绝缘介质层16的厚度为1um~10um。所述绝缘介质层16的电阻率大于10¹³Ω·cm。所述功能模块18的材料包括气体敏感材料、热释电材料以及光电材料中的任一种。

与现有技术相比，本实用新型实施例提供的微热板中，将加热层的加热电阻至少部分内嵌于陶瓷膜内，在同等电阻要求下，可以将微热板做的更加小型化。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的制备方法而言，由于其与实施例公开的微热板相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见微热板对应部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种带功能层的微热板，其特征在于，所述微热板包括：

基底，所述基底包括中心加热区以及位于中心加热区外围的外围支撑区，所述中心加热区具有自基底的一表面向相对的另一表面凹陷的空气绝热腔；

加热层，所述加热层包括电连接的加热电极以及加热电阻，所述加热电极设置在所述基底上，所述基底的中心加热区设置有连续凹陷部，所述凹陷部内设有导电材料，形成所述加热电阻；

绝缘介质层，所述绝缘介质层设置在所述加热层背离所述基底的一侧；

功能层，所述功能层设置在所述绝缘介质层背离所述加热层一侧，所述功能层包括相互电连接的信号感测电极和功能模块，所述功能模块用于感测外部信号。

2.根据权利要求1所述的微热板，其特征在于，所述基底包括第一支撑层和设置于第一支撑层上的第二支撑层，所述第一支撑层和第二支撑层一体成型或分体设置，且所述加热电极设置于所述第二支撑层上，所述空气绝热腔贯穿所述第一支撑层，所述凹陷部设于第二支撑层内。

3.根据权利要求2所述的微热板，其特征在于，所述第一支撑层为硅基底，所述第二支撑层为陶瓷膜，所述陶瓷膜分体设置于所述硅基底上，且所述加热电极设置于所述陶瓷膜上，所述凹陷部设于所述陶瓷膜内。

4.根据权利要求2所述的微热板，其特征在于，所述基底为全陶瓷基底，所述第一支撑层为基底部，所述第二支撑层为支撑部，所述支撑部与基底部一体成型，且所述加热电极设置于所述支撑部上，所述凹陷部设于所述支撑部内。

5.根据权利要求1所述的微热板，其特征在于，所述凹陷部的宽度变化设置，且所述凹陷部构成的加热电阻形成预设形状。

6.根据权利要求2所述的微热板，其特征在于，所述凹陷部的深度小于等于所述第二支撑层的厚度。

7.根据权利要求1所述的微热板，其特征在于，所述导电材料的厚度小于、等于或大于所述凹陷部的深度。

8.根据权利要求1所述的微热板，其特征在于，所述凹陷部的宽度为0.2μm~20μm，深度为1μm~20μm，且所述深度与宽度比不小于0.8。

9.根据权利要求1所述的带功能层的微热板，其特征在于，所述绝缘介质层的厚度为1um~10um，且其电阻率大于1013Ω·cm。

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