CN218766742U - 一种用于气体传感器的mems微热板 - Google Patents
一种用于气体传感器的mems微热板 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供一种用于气体传感器的MEMS微热板,其包括:衬底,其具有正面和背面;空腔,其自所述衬底的正面延伸至所述衬底内;结构层,其位于所述衬底的正面,且所述结构层包括自所述衬底的正面向上层叠的支撑层、加热层、隔离层、检测层和保护层;其中,所述加热层包括加热丝和与所述加热丝两端电连接的一对加热电极;所述检测层包括叉指电极和与所述叉指电极两端电连接的一对检测电极。与现有技术相比,本实用新型具有低应力,长寿命,加热均匀,尺寸更小,功耗更低,制作简单成本低的优势。
Description
【技术领域】
本实用新型涉及传感器技术和微机电系统技术领域,尤其涉及一种用于气体传感器的MEMS微热板。
【背景技术】
随着社会智能化的发展,气体传感器在民用领域、工业领域以及环境监测领域都有着重要的应用;气体传感器的气敏材料要正常工作往往要依托于一个加热部件,我们称之为微热板。以MEMS(Micro Electro Mechanical Systems,微机电系统)技术加工的微热板具有小型化、一致性好、低功耗、低成本的优势。
但是,MEMS技术制作的微热板还处在多方研发阶段,目前各方研制的微热板有的为三明治式层叠结构,但是层间应力难以均匀对称,导致微热板在高温工作环境下寿命较短;有的为加热电极和测量电极同层放置,但这将导致微热板受热不均,不仅功耗高,性能也欠佳。
因此,有必要提出一种技术方案来克服上述问题。
【实用新型内容】
本实用新型的目的之一在于提供一种用于气体传感器的MEMS微热板,其具有低应力,长寿命,加热均匀,尺寸更小,功耗更低,制作简单的优势。
根据本实用新型的一个方面,本实用新型提供一种用于气体传感器的MEMS微热板,其包括:衬底,其具有正面和背面;空腔,其自所述衬底的正面延伸至所述衬底内;结构层,其位于所述衬底的正面,且所述结构层包括自所述衬底的正面向上层叠的支撑层、加热层、隔离层、检测层和保护层;其中,所述加热层包括加热丝和与所述加热丝两端电连接的一对加热电极;所述检测层包括叉指电极和与所述叉指电极两端电连接的一对检测电极。
与现有技术相比,本实用新型的用于气体传感器的MEMS微热板中,位于衬底正面的结构层包括自衬底的正面向上层叠的支撑层、加热层、隔离层、检测层和保护层,且各层的结构和功能分布均匀,从而使本实用新型具有低应力,长寿命,加热均匀,尺寸更小,功耗更低,制作简单的优势。
【附图说明】
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案,下面将对实施例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一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:
图1为本实用新型在一个实施例中的用于气体传感器的MEMS微热板的立体图;
图2为本实用新型在一个实施例中的用于气体传感器的MEMS微热板的爆炸图;
图3为本实用新型在一个实施例中的用于气体传感器的MEMS微热板的纵剖面图;
图4为本实用新型在一个实施例中的用于气体传感器的MEMS微热板的制作方法的流程示意图;
图5-图13为本实用新型在一个实施例中图4所示的各步骤对应的结构的纵剖面图。
【具体实施方式】
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明,本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
请参考图1所示,其为本实用新型在一个实施例中的用于气体传感器的MEMS微热板的立体图;请参考图2所示,其为本实用新型在一个实施例中的用于气体传感器的MEMS微热板的爆炸图;请参考图3所示,其为本实用新型在一个实施例中的用于气体传感器的MEMS微热板的纵剖面图。
图1-图3所示的用于气体传感器的MEMS微热板包括衬底1、空腔9和结构层(未标识)。衬底1具有正面和背面且背面指向正面的方向为正方向。空腔9自衬底1的正面延伸至衬底1内。结构层位于衬底1的正面,且结构层包括自衬底1的正面沿正方向层叠的支撑层10、加热层13、隔离层11、检测层14和保护层12。加热层13包括加热丝5和与加热丝5两端电连接的一对(或两个)加热电极2;检测层14包括叉指电极4和与叉指电极4两端电连接的一对(或两个)检测电极3。
其中,加热丝5悬置于空腔9上方,一对加热电极2位于空腔9外侧;叉指电极4悬置于空腔9上方,一对检测电极3位于空腔9外侧。在图1-图3所示的具体实施例中,叉指电极4与加热丝5相对。
在图1-图3所示的具体实施例中,加热层13还包括第一桥腿15和第二桥腿16,第一桥腿15和第二桥腿16悬置于空腔9上方且位于加热丝5外侧,其中,加热丝5的一端经第一桥腿15与一个加热电极2电连接,其另一端经第二桥腿16与另一个加热电极2电连接;检测层14还包括第三桥腿17和第四桥腿18,第三桥腿17和第四桥腿18悬置于空腔9上方且位于叉指电极4外侧,其中,叉指电极4的一端经第三桥腿17与一个检测电极3电连接,其另一端经第四桥腿18与另一个检测电极3电连接;两个(或一对)加热电极2分别位于芯片的一对对角上;两个(或一对)检测电极3分别位于同一芯片的另一对对角上。需要说明的是,在另一个实施例中,两个加热电极2和两个检测电极3可以根据需要设置于芯片的任一位置。
在图1-图3所示的具体实施例中,第一桥腿15、第二桥腿16、加热丝5和一对加热电极2是通过图形化加热层13制成的;第三桥腿17、第四桥腿18、叉指电极4和一对检测电极3是通过图形化检测层14制成的。
图1-图3所示的用于气体传感器的MEMS微热板还包括叉指电极窗口19、两个检测电极窗口20、两个加热电极窗口21和若干切割窗口(例如,深硅刻蚀窗口)22。
其中,叉指电极窗口19位于叉指电极4上方,且叉指电极窗口19贯穿保护层12,以露出叉指电极4。两个检测电极窗口20分别位于两个检测电极3上方,且检测电极窗口20贯穿保护层12,以露出对应的检测电极3;两个加热电极窗口21分别位于两个加热电极2上方,且加热电极窗口21贯穿保护层12和隔离层11,以露出对应的加热电极2。
叉指电极窗口19、加热电极2和加热丝5在保护层12上的垂直投影构成第一投影(未标识);第一桥腿15、第二桥腿16、第三桥腿17和第四桥腿18在保护层12上的垂直投影构成第二投影(未标识);若干切割窗口22沿第一投影和第二投影的边缘外侧排布,以在结构层悬置于空腔9上方的区域中分割出中部热板7和桥腿结构6;且切割窗口22贯穿保护层12、隔离层11和支撑层10(或贯穿结构层),直至与空腔9连通。
也可以说,若干切割窗口22在结构层悬置于空腔9上方的区域分割中出中部热板7和桥腿结构6;切割窗口22贯穿保护层12、隔离层11和支撑层10(或贯穿结构层),直至与空腔9连通;第一桥腿15、第二桥腿16、第三桥腿17和第四桥腿18位于桥腿结构6;叉指电极窗口19、叉指电极4和加热丝5位于中部热板7。
在图1-图3所示的具体实施例中,桥腿结构6和中部热板7上均匀分布有若干通孔8,通孔8贯穿保护层12、隔离层11和支撑层10(或贯穿结构层),直至与空腔9连通。支撑层10为氮化硅或氧化硅;隔离层11为氮化硅或氧化硅。在另一实施例中,可以在桥腿结构6或中部热板7上均匀分布有若干通孔8。
支撑层10的作用:对支撑层10背离空腔9一侧的加热层13、隔离层11、检测层14和保护层12起到悬空支撑作用。
加热层13的作用:对结构层的整个悬空部分通电加热。
隔离层11的作用:将加热层13和检测层14电绝缘。
检测层14的作用:检测层14的中间为叉指电极4,使用时,叉指电极4上会涂覆气敏材料,气敏材料将两叉指电极4电连接。
保护层12的作用:1.保护叉指电极4;2.与各层之间起到应力平衡作用,以抵消层间应力。
通孔8的作用:1.一定程度上释放层间应力,提高可靠性;2.深硅刻蚀的时候(其用于在衬底1上形成空腔9)可作为释放孔,方便刻蚀剂进入,提升刻蚀效果;3.可降低热板热容,从而降低器件使用时的功耗。
图1-图3所示的用于气体传感器的MEMS微热板的工作原理:加热层13位于芯片对角的两个加热电极2通电后,中部热板7发热,检测层14的叉指电极4上涂覆的气敏材料受热处于工作状态,此时气敏材料吸附待测气体,阻值发生变化,通过检测叉指电极4间气敏材料电阻的变化,检测出待测气体的浓度。
请参考图4所示,其为本实用新型在一个实施例中的用于气体传感器的MEMS微热板的制作方法的流程示意图;请参考图5-图13所示,其为本实用新型在一个实施例中图4所示的各步骤对应的结构的纵剖面图。采用图4所示的制作方法可以制得如图1-3所示的用于气体传感器的MEMS微热板。
图4所示的用于气体传感器的MEMS微热板的制作方法包括如下步骤。
步骤410、如图5所示,提供具有正面和背面的衬底1。在一个实施例中,衬底1为硅衬底。
步骤420、如图6所示,在衬底1的正面形成(或生长)支撑层10。在一个实施例中,支撑层10为氮化硅或氧化硅。
步骤430、如图7所示,在支撑层10上形成(或生长)加热层13,并采用光刻工艺,通过刻蚀加热层13(或图形化加热层13)形成加热丝5、一对(或两个)加热电极2、第一桥腿15和第二桥腿16。其中,加热丝5位于加热层13中部;一对加热电极2位于加热丝5外侧;第一桥腿15和第二桥腿16位于加热丝5和一对加热电极2之间,其中,加热丝5的一端经第一桥腿15与一个加热电极2电连接,其另一端经第二桥腿16与另一个加热电极2电连接。在一个实施例中,加热层13可以是金、铂、钨、多晶硅中的一个或多个。
步骤440、如图8所示,在刻蚀后(或在图形化后)的加热层13上形成(或生长)隔离层11。在一个实施例中,隔离层11为氮化硅或氧化硅。
步骤450、如图9所示,在隔离层11上形成(或生长)检测层14,并采用光刻工艺,通过刻蚀检测层14(或图形化检测层14)形成叉指电极4、一对(或两个)检测电极3、第三桥腿17和第四桥腿18(具体可参见图2和图3)。其中,叉指电极4位于检测层14中部;一对检测电极3位于叉指电极4外侧;第三桥腿17和第四桥腿18位于叉指电极4和一对检测电极3之间,其中,叉指电极4的一端经第三桥腿17与一个检测电极3电连接,其另一端经第四桥腿18与另一个检测电极3电连接。在一个实施例中,检测层14可以是金、铂、钨、多晶硅中的一个或多个。
在图5-图13所示的实施例中,两个加热电极2分别位于芯片的一对对角上;两个检测电极3分别位于同一芯片的另一对对角上。需要说明的是,在另一个实施例中,两个加热电极2和两个检测电极3可以根据需要设置于芯片的任一位置。
步骤460、如图10所示,在刻蚀后(或在图形化后)的检测层14上形成(或生长)保护层12。其中,自衬底1的正面向正方向层叠的支撑层10、加热层13、隔离层11、检测层14和保护层12构成结构层(未标识)。
步骤470、如图11所示,自保护层12向衬底1方向通过光刻,以形成叉指电极窗口19、两个检测电极窗口20(具体可参见图2和图3)、两个加热电极窗口21和若干切割窗口(例如,深硅刻蚀窗口)22。
其中,叉指电极窗口19位于叉指电极4上方,且叉指电极窗口19贯穿保护层12,以露出叉指电极4。两个检测电极窗口20分别位于两个检测电极3上方,且检测电极窗口20贯穿保护层12,以露出对应的检测电极3;两个加热电极窗口21分别位于两个加热电极2上方,且加热电极窗口21贯穿保护层12和隔离层11,以露出对应的加热电极2。
叉指电极窗口19、加热电极2和加热丝5在保护层12上的垂直投影构成第一投影(未标识);第一桥腿15、第二桥腿16、第三桥腿17和第四桥腿18在保护层12上的垂直投影构成第二投影(未标识);若干切割窗口22沿第一投影和第二投影的边缘外侧排布,以在结构层中分割出中部热板7和桥腿结构6;且切割窗口22贯穿保护层12、隔离层11和支撑层10(或贯穿结构层),直至衬底1的正面。
也可以说,若干切割窗口22在结构层中分割出中部热板7和桥腿结构6;切割窗口22贯穿保护层12、隔离层11和支撑层10(或贯穿结构层),直至衬底1的正面;第一桥腿15、第二桥腿16、第三桥腿17和第四桥腿18位于桥腿结构6;叉指电极窗口19、叉指电极4和加热丝5位于中部热板7。
步骤480、如图12所示,经若干切割窗口22自衬底1的正面向衬底1内进行干法深硅刻蚀,以在衬底1内形成若干凹槽23。在一个实施例中,凹槽23的刻蚀深度10-50um。
步骤490、如图13所示,经若干切割窗口22和若干凹槽23,使用湿法深硅刻蚀继续刻蚀衬底1,以形成空腔9,使得中部热板7和桥腿结构6悬置于空腔9的上方。其中,空腔9自衬底1的正面延伸至衬底1内。
其中,步骤480和步骤490的目的是,经若干切割窗口22自衬底1的正面向衬底1内刻蚀,以形成空腔9,使得中部热板7和桥腿结构6悬置于空腔9的上方。在另一个实施例中,也可以省去步骤480,经若干切割窗口22自衬底1的正面向衬底1内直接使用湿法深硅刻蚀,以形成空腔9,使得中部热板7和桥腿结构6悬置于空腔9的上方。其中,空腔9自衬底1的正面延伸至衬底1内。
在一个实施例中,在经若干切割窗口22对衬底1进行刻蚀前(即在步骤480和490前),还包括在桥腿结构6和/或中部热板7上均匀刻蚀若干通孔8,通孔8贯穿保护层12、隔离层11和支撑层10(或贯穿结构层),直至衬底1的正面。在经若干切割窗口22对衬底1进行刻蚀时,通孔8可作为释放孔,方便刻蚀剂进入,提高刻蚀效果。
其中,支撑层10的作用:对支撑层10背离空腔9一侧的加热层13、隔离层11、检测层14和保护层12起到悬空支撑作用。
加热层13的作用:对结构层的整个悬空部分通电加热。
隔离层11的作用:将加热层13和检测层14电绝缘。
检测层14的作用:检测层14的中间为叉指电极4,使用时,叉指电极4上会涂覆气敏材料,气敏材料将两叉指电极4电连接。
保护层12的作用:1.保护叉指电极4;2.与各层之间起到应力平衡作用,以抵消层间应力。
通孔8的作用:1.一定程度上释放层间应力,提高可靠性;2.深硅刻蚀的时候(其用于在衬底1上形成空腔9)可作为释放孔,方便刻蚀剂进入,提高刻蚀效果;3.可降低热板热容,从而降低器件使用时的功耗。
综上所述,本实用新型的用于气体传感器的MEMS微热板及制作方法中,位于衬底正面的结构层包括自衬底的正面向上层叠的支撑层10、加热层13、隔离层11、检测层14和保护层12,且各层的结构和功能分布均匀,从而使本实用新型具有低应力,长寿命,加热均匀,尺寸更小,功耗更低的优势。另外整个制作过程只需三层光罩,制作简单成本更低。
在本实用新型的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“正”、“背”、“左”、“右”、“竖直”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本实用新型和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本实用新型的限制。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式,本实用新型的保护范围并不以上述实施方式为限,但凡本领域普通技术人员根据本实用新型揭示内容所作的等效修饰或变化,皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于气体传感器的MEMS微热板,其特征在于,其包括:
衬底,其具有正面和背面;
空腔,其自所述衬底的正面延伸至所述衬底内;
结构层,其位于所述衬底的正面,且所述结构层包括自所述衬底的正面向上层叠的支撑层、加热层、隔离层、检测层和保护层;
其中,所述加热层包括加热丝和与所述加热丝两端电连接的一对加热电极;所述检测层包括叉指电极和与所述叉指电极两端电连接的一对检测电极。
2.根据权利要求1所述的用于气体传感器的MEMS微热板,其特征在于,
所述加热丝悬置于所述空腔上方,所述一对加热电极位于所述空腔外侧;
所述叉指电极悬置于所述空腔上方,所述一对检测电极位于所述空腔外侧。
3.根据权利要求2所述的用于气体传感器的MEMS微热板,其特征在于,
所述加热层还包括第一桥腿和第二桥腿,所述第一桥腿和第二桥腿悬置于所述空腔上方且位于所述加热丝外侧,其中,所述加热丝的一端经所述第一桥腿与一个所述加热电极电连接,其另一端经所述第二桥腿与另一个所述加热电极电连接;
所述检测层还包括第三桥腿和第四桥腿,所述第三桥腿和第四桥腿悬置于所述空腔上方且位于所述叉指电极外侧,其中,所述叉指电极的一端经所述第三桥腿与一个所述检测电极电连接,其另一端经所述第四桥腿与另一个所述检测电极电连接。
4.根据权利要求3所述的用于气体传感器的MEMS微热板,其特征在于,
所述一对加热电极分别位于芯片的一对对角上;
所述一对检测电极分别位于所述芯片的另一对对角上。
5.根据权利要求3所述的用于气体传感器的MEMS微热板,其特征在于,
所述第一桥腿、第二桥腿、加热丝和一对加热电极是通过图形化所述加热层制成的;
所述第三桥腿、第四桥腿、叉指电极和一对检测电极是通过图形化所述检测层制成的。
6.根据权利要求1所述的用于气体传感器的MEMS微热板,其特征在于,
所述叉指电极上涂覆有气敏材料,所述气敏材料将所述叉指电极电连接。
7.根据权利要求3-6任一所述的用于气体传感器的MEMS微热板,其特征在于,其还包括叉指电极窗口、两个检测电极窗口和两个加热电极窗口,
所述叉指电极窗口位于所述叉指电极上方,且所述叉指电极窗口贯穿所述保护层,以露出所述叉指电极;
两个所述检测电极窗口分别位于所述一对检测电极上方,且所述检测电极窗口贯穿所述保护层,以露出对应的所述检测电极;
两个所述加热电极窗口分别位于所述一对加热电极上方,且所述加热电极窗口贯穿所述保护层和隔离层,以露出对应的所述加热电极。
8.根据权利要求7所述的用于气体传感器的MEMS微热板,其特征在于,其还包括若干切割窗口,
所述若干切割窗口在所述结构层悬置于所述空腔上方的区域分割出中部热板和桥腿结构;
所述切割窗口贯穿所述结构层直至与所述空腔连通;
第一桥腿、第二桥腿、第三桥腿和第四桥腿位于所述桥腿结构中;
所述叉指电极窗口、叉指电极和加热丝位于所述中部热板中。
9.根据权利要求8所述的用于气体传感器的MEMS微热板,其特征在于,
所述桥腿结构和/或中部热板上均匀分布有若干通孔,
所述通孔贯穿所述结构层直至与所述空腔连通。
10.根据权利要求1所述的用于气体传感器的MEMS微热板,其特征在于,
所述支撑层为氮化硅或氧化硅;
所述隔离层为氮化硅或氧化硅。
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