MEMS面型微加热器的结构设计和制作

摘要

随着MEMS技术的不断发展，基于MEMS技术的微型加热器在气体传感器、红外探测器等领域的应用日趋广泛。MEMS微加热器通常采用绝热性好的薄膜作为衬底材料，具有体积小，功耗低，响应时间短，灵敏度高，重复性好，易于集成和阵列化等一系列优点。本文在对国内外相关工作进行回顾的基础上，针对低功耗、大均温面积的MEMS技术面型微加热器开展了热学和力学上较为系统的设计工作，设计出分别适用于真空和大气两种工作环境下的新型结构，并通过制造和测试对设计进行了验证。获得了在大气下500×300um2区域内温差仅0.05℃/μm，500℃高温下功耗仅25mW的新结构器件，总体上各项性能均好于现有报道。 在热学设计中，针对该器件在不同应用条件下的特点详细讨论了器件功耗、加热效率、热时间常数等关键问题，并对大面积均温特性作了重点分析。建立了简化的热学模型，通过解析解分析了真空和大气两种状态下微加热器温度分布特征及其影响因素，得到了大面积均温微加热器热学设计的一些指导性原则。根据这些原则提出了真空和大气下的几种新型结构，并结合有限元模拟结果对具体结构进行了优化。 所得到的热学设计原则具体如下：(1)真空和大气两种状态下微加热器的热学特性差别较大，其设计应分别予以考虑；(2)在真空下，环形加热器结构可以获得较好的均温特性，内部添加均热器可以进一步提高均温特性。模拟结果显示：在约1000×1000um2的封闭膜上，20mW功率可使最高温度达到640K，在约500×600um2区域内温差仅为0.02℃/μm；(3)在大气下，由于热对流和气体热传导的存在，应将加热丝适当扩展到反应区内部，以提高整体温度均匀性，具体结构可以通过有限元模拟进行优化。经过优化的结构，在大气下模拟结果显示1000×1000um2的封闭膜上功耗约70mW时最高温度达到710K，在约500×300um2区域内温差仅0.05℃/μm。 在力学设计方面，设计了一种通过应力补偿实现稳定机械性能的复合膜结构作为器件的支撑膜；对各层薄膜实际应力进行测试，由测试结果对各层膜厚比例进行了设计，以满足应力补偿的条件；采用有限元方法对器件进行了热应力模拟分析，研究了高温在膜上产生的热应力。 本文还采用了热氧化、LPCVD、磁控溅射等薄膜制备工艺以及硅的离子刻蚀、各向异性腐蚀等工艺手段，制备了以Pt薄膜电阻为加热器和测温器的器件，解决了金属薄膜腐蚀前合金化保护等问题。对完成制作的器件进行了电阻-温度系数的标定，按照标定结果通过测量电阻确定了器件温度，并在大气下进行了稳态、瞬态电热特性和均温性能的测试。测试结果表明微加热器温度分布情况与有限元模拟结果基本吻合。经模拟优化的加热器结构在大气下实现了低功耗和快响应：输入功率25mW时可获得500℃的高温，响应时间仅1.3ms，为此种新型的面型微加热器在MEMS气体传感器和红外探测等领域的应用打下了良好的基础。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1微电子机械系统(MEMS)简介

1.1.1 MEMS及其特点

1.1.2 MEMS技术基础

1.1.3 MEMS发展前景和面临的问题

1.2气体传感器技术

1.2.1气体传感器历史

1.2.2 MEMS技术微结构气体传感器

1.3微型加热器技术

1.3.1气敏传感器中的微型加热器

1.3.2微加热器的其他应用

1.4本论文的主要工作

第二章MEMS面型微加热器的理论分析和设计

2.1 MEMS面型微加热器的结构设计

2.1.1微加热器单元的基本结构

2.1.2电桥结构

2.2微加热器的力学设计

2.2.1支撑膜的应力补偿

2.2.2高温下的热应力

2.3微加热器的热学设计

2.3.1微加热器热分布的解析解分析

2.3.2微加热器的瞬态电热分析

2.4微加热器的有限元模拟

2.4.1有限元模型

2.4.2 ANSYS稳态电热分析

2.4.3 ANSYS瞬态电热分析

2.4.4 ANSYS热应力分析

2.5小结

第三章MEMS面型微加热器的材料和制作工艺

3.1微加热器制作工艺

3.1.1支撑膜的制作

3.1.2加热电阻的制作

3.1.3硅的各向异性腐蚀技术

3.2工艺流程

3.3小结

第四章MEMS面型微加热器的性能测试

4.1器件参数

4.2 Pt薄膜电阻温度系数标定

4.3微加热器加热电阻的电热特性测试

4.3.1稳态电热特性测试

4.3.2瞬态电热特性测试

4.4复合膜应力的测量

4.4.1内应力的测量

4.4.2支撑膜高温下的稳定性

4.5微加热器温度均匀性测试

4.6小结

第五章总结和展望

参考文献

致 谢

作者简介及攻读硕士学位期间发表论文