CN109775655A - 一种超低功耗中低温实心微热平台及其制作方法 - Google Patents

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丁桂甫
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Abstract

本发明公开了一种超低功耗中低温实心微热平台，包括：衬底；绝热层，所述绝热层设置在所述衬底上；加热结构，所述加热结构设置在所述绝热层上，通过所述绝热层实现与所述衬底的热隔离和电绝缘；以及导热层，所述导热层设置成覆盖所述加热结构，通过所述导热层实现快速热传导、电绝缘和温度均匀化。

Description

一种超低功耗中低温实心微热平台及其制作方法
技术领域
本发明涉及微细加工及微机电***(MEMS)技术领域，尤其是涉及一种超低功耗中低温实心微热平台及其制作方法。
背景技术
随着对传感器小型化、低功耗需求的增长，将敏感材料与微热平台集成在一起的微热平台式气体传感器越来越受关注。最常用的气敏材料为一些半导体金属氧化物，这类传感器的工作温度高达200℃至450℃，所以通常需要微热平台结构实现热隔离，降低功耗。
现有的微热平台结构包括连续膜和悬空膜两种，分别是由背面刻蚀和正面刻蚀加工而成，其中，悬空膜因能显著降低功耗而获得广泛研究，但是悬空微热平台工艺复杂，成品率不高，结构强度及稳定性较差；目前的微热平台绝缘层通常使用氧化硅、氮化硅等无机绝缘材料，但是沉积氧化硅、氮化硅的成本较高，工艺周期较长。
针对现有的微热平台结构存在的制作工艺复杂、成本高昂、结构强度不高、稳定性较差等问题，本发明提出一种新型的超低功耗中低温实心微热平台及其制作方法至少部分的克服了上述问题。
发明内容
针对现有的微热平台结构存在的制作工艺复杂、成本高昂、结构强度不高、稳定性较差等问题，根据本发明的一个方面，提供一种超低功耗中低温实心微热平台，包括：
衬底；
绝热层，所述绝热层设置在所述衬底上；
加热结构，所述加热结构设置在所述绝热层上，并通过所述绝热层实现与所述衬底的热隔离和电绝缘；以及
导热层，所述导热层设置成覆盖所述加热结构，通过所述导热层实现快速热传导、电绝缘和温度均匀化。导热层还可以通过图形化加工进一步减少散热，促进应力释放。
在本发明的一个实施例中，所述衬底材料为低热导率材料，如玻璃、陶瓷、有机基板。硅等热导率较高的材料也可以作为衬底，但是会造成功耗的增加，需要通过更厚的绝热层来平衡。
在本发明的一个实施例中，所述绝热层设置在所述加热结构的底部和侧方。
在本发明的一个实施例中，所述绝热层的材料是可以通过原位合成微加工制作的一切低热导率电绝缘材料，如有机胶体掺杂低热导率无机纳米颗粒或晶须。
在本发明的一个实施例中，所述绝热层的材料为掺杂2wt％至10wt％纳米二氧化硅的聚酰亚胺，厚度为30微米至100微米。
在本发明的一个实施例中，所述加热结构为加热丝或加热薄膜。
在本发明的一个实施例中，所述加热结构为线宽5-15微米、厚度100-300纳米的铂加热丝。
在本发明的一个实施例中，所述导热层的材料是可以通过原位合成微加工制作的一切高热导率电绝缘材料，如有机胶体掺杂高热导率无机纳米颗粒或晶须。
在本发明的一个实施例中，所述导热层的材料为掺杂2wt％至10wt％纳米碳化硅晶须的聚酰亚胺，厚度为4微米至10微米。
根据本发明的另一个实施例，提供一种超低功耗中低温实心微热平台的制造方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成绝热层；
在所述绝热层上形成加热结构；以及
形成覆盖所述加热结构的导热层。
在本发明的另一个实施例中，该方法还包括形成加热结构的电极对露头。
本发明提供一种超低功耗中低温实心微热平台及其制作方法，通过在衬底上依次制作绝热层、加热结构和导热层形成实心微热平台，绝热层阻止加热结构产生的热量向衬底方向传导，导热层将热量快速传导至特定区域并提高微热平台温度均匀性。基于本发明的该种超低功耗中低温实心微热平台及其制作方法，具有微热平台的加热速度快、热量损耗小、器件功耗低、结构可靠、成品率高等优点。
附图说明
为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出根据本发明的一个实施例的一种超低功耗中低温实心微热平台100的剖面示意图。
图2A至图2D示出根据本发明的一个实施例形成该种超低功耗中低温实心微热平台100的过程剖面示意图。
图3示出根据本发明的一个实施例形成该种超低功耗中低温实心微热平台100的过程的流程图300。
图4示出根据本发明的又一实施例的一种超低功耗中低温实心微热平台400的剖面示意图。
图5示出根据本发明的一个实施例的基于超低功耗中低温实心微热平台的传感器结构500。
图6A和图6B示出根据本发明的一个实施例的基于超低功耗中低温实心微热平台的传感器结构500的立体示意图。
图7A至图7F示出根据本发明的一个实施例形成基于超低功耗中低温实心微热平台的传感器结构500的过程剖面示意图。
图8示出根据本发明的一个实施例形成基于超低功耗中低温实心微热平台的传感器结构500的过程的流程图800。
图9示出根据本发明的一个实施例的超低功耗中低温实心微热平台氢气传感器功耗-温度关系曲线与同样加热面积的悬空微热平台氢气传感器功耗-温度关系曲线对比示意图。
具体实施方式
在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
本发明提供一种超低功耗中低温实心微热平台及其制作方法，通过在衬底上依次制作绝热层、加热结构和导热层形成实心微热平台，绝热层阻止加热结构产生的热量向衬底方向传导，导热层将热量快速传导至特定区域并提高微热平台温度均匀性。基于本发明的该种超低功耗中低温实心微热平台及其制作方法，具有微热平台的加热速度快、热量损耗小、器件功耗低、结构可靠、成品率高等优点。
下面结合图1来详细介绍根据本发明的一个实施例的一种超低功耗中低温实心微热平台。图1示出根据本发明的一个实施例的一种超低功耗中低温实心微热平台100的剖面示意图。如图1所示，该超低功耗中低温实心微热平台100进一步包括衬底110、绝热层120、加热结构130以及导热层140。
衬底110用于承载该微热平台，其材料可以为玻璃、陶瓷等无机衬底，也可以为有机基板材料。在本发明的一个具体实施例中，衬底110为1毫米厚的玻璃基板。
绝热层120设置在衬底110的上方，为热的不良导体，起到阻止热量传导作用，同时绝热层120也为绝缘体，绝热层120可以采用在有机胶体(如聚酰亚胺、苯并环丁烯等)中掺杂低热导率无机纳米颗粒或晶须(如纳米二氧化硅、六钛酸钾晶须等)形成。在本发明的一个实施例中，绝热层120可以通过向聚酰亚胺中掺杂二氧化硅形成。在本发明的一个具体实施例中，绝热层120材料是聚酰亚胺掺杂约5wt％纳米二氧化硅，厚度约为50微米。
加热结构130为该微热平台的加热装置，设置在绝热层120的上方，通过绝热层120实现与衬底110的热隔离和电绝缘，加热结构130可以为加热丝、加热薄膜等加热结构。在本发明的一个实施例中，加热结构130由铂(Pt)加热丝构成，形状为双螺旋形，面积为200×200平方微米，线宽为10微米，厚度为200纳米。
导热层140设置在覆盖加热结构130的绝热层120的上方，为热的良导体，起到将加热结构130产生的热量快速传导到其表面的作用，并促进热量横向传递从而提高微热平台的温度均匀性，同时导热层140也为绝缘体，导热层可以采用在有机胶体中掺杂高热导率无机纳米颗粒或晶须(如纳米碳化硅晶须、纳米氮化铝颗粒等)。在本发明的一个实施例中，导热层140可以通过向聚酰亚胺中掺杂碳化硅形成。在本发明的一个具体实施例中，导热层140的材料是聚酰亚胺掺杂约5wt％纳米碳化硅晶须，厚度约为6微米。
下面结合图2A至图2D以及图3来详细描述形成该种超低功耗中低温实心微热平台100的过程。图2A至图2D示出根据本发明的一个实施例形成该种超低功耗中低温实心微热平台100的过程剖面示意图；图3示出根据本发明的一个实施例形成该种超低功耗中低温实心微热平台100的过程的流程图300。
首先，在步骤310，如图2A所示，提供衬底210。衬底210用于承载该微热平台，其材料可以为玻璃、陶瓷等无机衬底，也可以为有机基板材料。在本发明的一个具体实施例中，衬底210为1毫米厚的玻璃基板。
接下来，在步骤320，如图2B所示，在衬底210上形成绝热层220。绝热层220可以通过旋涂、沉积等方法设置在衬底210上，绝热层220为热的不良导体，起到阻止热量传导作用，同时绝热层220也为绝缘体。在本发明的一个实施例中，绝热层220可以通过向聚酰亚胺中掺杂二氧化硅形成。在本发明的一个具体实施例中，绝热层220材料是聚酰亚胺掺杂约5wt％纳米二氧化硅，厚度约为50微米。
然后，在步骤330，如图2C所示，在绝热层220上形成加热结构230。加热结构230为微热平台的加热装置，通过绝热层220实现与衬底210的热隔离和电绝缘，从而防止其产生的热量轻易传导到衬底210，加热结构230可以为加热丝、加热薄膜等加热结构。在本发明的一个实施例中，加热结构230由铂(Pt)加热丝构成，形状为双螺旋形，面积为200×200平方微米，线宽为10微米，厚度为200纳米。
最后，在步骤340，如图2D所示，形成覆盖加热结构230的导热层240。导热层240可以通过旋涂、沉积等方式形成，导热层240为热的良导体，起到将加热结构230产生的热量快速传导到其表面的作用，并促进热量横向传递从而提高微热平台的温度均匀性，同时导热层240也为绝缘体。在本发明的一个实施例中，导热层240可以通过向聚酰亚胺中掺杂碳化硅形成。在本发明的一个具体实施例中，导热层240的材料是聚酰亚胺掺杂约5wt％纳米碳化硅晶须，厚度约为6微米。
下面再结合图4来详细介绍根据本发明的又一实施例的一种超低功耗中低温实心微热平台。图4示出根据本发明的又一实施例的一种超低功耗中低温实心微热平台400的剖面示意图。如图4所示，该超低功耗中低温实心微热平台400进一步包括衬底410、绝热层420、加热结构430以及导热层440。与图1所示实施例不同的是，该实施例中的该种超低功耗中低温实心微热平台400的绝热层420除设置在衬底410与加热结构430之间，还设置在加热结构430的侧部，从而实现对加热结构430更好的绝热作用。该种结构也可以描述为加热结构430嵌入/埋入到绝热层420的内部，其形成方式可以通过在绝热层420中形成沟槽，然后通过图形化电镀或者大马士革工艺形成加热结构430。基于该实施例的该种超低功耗中低温实心微热平台400相对于超低功耗中低温实心微热平台100具有更好的绝热效果、更快速的加热能力、更低的功耗。
下面再结合图5、图6A和图6B来详细介绍根据本发明的一个实施例的基于超低功耗中低温实心微热平台的传感器。图5示出根据本发明的一个实施例的基于超低功耗中低温实心微热平台的传感器结构500；图6A和图6B示出根据本发明的一个实施例的基于超低功耗中低温实心微热平台的传感器结构500的立体示意图。如图5、图6A和图6B所示，该基于超低功耗中低温实心微热平台的传感器结构500进一步包括衬底510、绝热层520、加热结构530、导热层540以及感测结构550。在图6A中导热层覆盖整个表面，在图6B中导热层通过图形化加工成只覆盖在加热区域上方，面积为400×400平方微米。
衬底510、绝热层520、加热结构530、导热层540与前述实施例中所披露的结构、材料和功能类似，在此不再赘述。感测结构550设置在加热结构530上方导热层540的上面，从而使感测结构550可以被加热结构530快速的加热到设定的温度。在本发明的一个实施例中，传感器结构500为检测氢气的气敏传感器，感测结构550为氢敏材料，使用的是钯(Pd)敏感膜及钯测试电极，形状为双螺旋形，面积约为150×150平方微米，线宽约为10微米，厚度约为150纳米。基于超低功耗中低温实心微热平台的传感器结构500最高工作温度不超过350℃，长时间连续工作温度不超过300℃。
下面结合图7A至图7F以及图8来详细描述形成该种基于超低功耗中低温实心微热平台的传感器结构500的过程。图7A至图7F示出根据本发明的一个实施例形成基于超低功耗中低温实心微热平台的传感器结构500的过程剖面示意图；图8示出根据本发明的一个实施例形成基于超低功耗中低温实心微热平台的传感器结构500的过程的流程图800。
首先，在步骤810，如图7A所示，提供衬底710。衬底710用于承载该微热平台，其材料可以为玻璃、陶瓷等无机衬底，也可以为有机基板材料。在本发明的一个具体实施例中，衬底710为1毫米厚的玻璃基板。
接下来，在步骤820，如图7B所示，在衬底710上形成绝热层720。绝热层720可以通过旋涂、沉积等方法设置在衬底710上，绝热层720为热的不良导体，起到阻止热量传导作用，同时绝热层720也为绝缘体。在本发明的一个实施例中，绝热层720可以通过向聚酰亚胺中掺杂二氧化硅形成。在本发明的一个具体实施例中，绝热层720材料是聚酰亚胺掺杂约5wt％纳米二氧化硅，厚度约为50微米。
然后，在步骤830，如图7C所示，在绝热层720上形成加热结构730及电极对731。加热结构730及电极对731可以通过图形化电镀或沉积工艺形成，加热结构730为微热平台的加热装置，通过绝热层720实现与衬底710的热隔离和电绝缘，从而防止其产生的热量轻易传导到衬底710，加热结构730可以为加热丝、加热薄膜等加热结构。在本发明的一个实施例中，加热结构730由铂(Pt)加热丝730和铂电极对731构成，形状为双螺旋形，面积为200×200平方微米，线宽为10微米，厚度为200纳米。
接下来，在步骤840，如图7D所示，形成覆盖加热结构730的导热层740。导热层740可以通过旋涂、沉积等方式形成，导热层740为热的良导体，起到将加热结构730产生的热量快速传导到其表面的作用，并促进热量横向传递从而提高微热平台的温度均匀性，同时导热层740也为绝缘体。在本发明的一个实施例中，导热层740可以通过向聚酰亚胺中掺杂碳化硅形成。在本发明的一个具体实施例中，导热层740的材料是聚酰亚胺掺杂约5wt％纳米碳化硅晶须，厚度约为6微米。
然后，在步骤850，如图7E所示，形成加热结构730的电极对731的引出/漏出。具体引出/漏出工艺可以通过图形化刻蚀实现。
最后，在步骤860，如图7F所示，在覆盖加热结构730的导热层740上形成感测结构750。感测结构750可以被加热结构730快速的加热到设定的温度。在本发明的一个实施例中，传感器结构500为检测氢气的气敏传感器，感测结构750为氢敏材料，使用的是钯(Pd)敏感膜及钯测试电极，形状为双螺旋形，面积约为150×150平方微米，线宽约为10微米，厚度约为150纳米。基于超低功耗中低温实心微热平台的传感器结构500最高工作温度不超过350℃，长时间连续工作温度不超过300℃。
图9示出根据本发明的一个实施例的超低功耗中低温实心微热平台氢气传感器功耗-温度关系曲线与同样加热面积的悬空微热平台氢气传感器功耗-温度关系曲线对比示意图。由图9可以看出，基于本发明的该种超低功耗中低温实心微热平台氢气传感器具有更低的功耗，更快速的升温曲线，因此，传感器具有更灵敏、更稳定、更快速的检测性能。
基于本发明提供的该种超低功耗中低温实心微热平台及其制作方法，通过在衬底上依次制作绝热层、加热结构和导热层形成实心微热平台，绝热层阻止加热结构产生的热量向衬底方向传导，导热层将热量快速传导至特定区域。基于本发明的该种超低功耗中低温实心微热平台及其制作方法，具有微热平台的加热速度快、热量损耗小、器件功耗低、结构可靠、成品率高等优点。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种超低功耗中低温实心微热平台，包括：
衬底；
绝热层，所述绝热层设置在所述衬底上；
加热结构，所述加热结构设置在所述绝热层上，并通过所述绝热层实现与所述衬底的热隔离和电绝缘；以及
导热层，所述导热层设置成覆盖所述加热结构。
2.如权利要求1所述的超低功耗中低温实心微热平台，其特征在于，所述衬底材料为玻璃、陶瓷或有机基板。
3.如权利要求1所述的超低功耗中低温实心微热平台，其特征在于，所述绝热层设置在所述加热结构的底部和侧方。
4.如权利要求1所述的超低功耗中低温实心微热平台，其特征在于，所述绝热层的材料是导热率小于0.12W/(m*K)的绝缘材料；
所述绝热层的材料是有机胶体，其中掺杂低热导率无机纳米颗粒或晶须；或者
所述绝热层的材料为掺杂2wt％至10wt％纳米二氧化硅的聚酰亚胺，厚度为30微米至100微米。
5.如权利要求1所述的超低功耗中低温实心微热平台，其特征在于，所述加热结构为加热丝或加热薄膜。
6.如权利要求5所述的超低功耗中低温实心微热平台，其特征在于，所述加热结构为线宽5-15微米、厚度100-300纳米的铂加热丝。
7.如权利要求1所述的超低功耗中低温实心微热平台，其特征在于，所述导热层的材料是导热率大于1.5W/(m*K)的绝缘材料；
所述导热层的材料是有机胶体掺杂高热导率无机纳米颗粒或晶须；或者
所述导热层的材料为掺杂2wt％至10wt％纳米碳化硅晶须的聚酰亚胺，厚度为4微米至10微米。
8.如权利要求1所述的超低功耗中低温实心微热平台，其特征在于，所述导热层具有图形化结构，使所述导热层覆盖所述加热结构的面积减小，从而降低散热。
9.一种超低功耗中低温实心微热平台的制造方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成绝热层；
在所述绝热层上形成加热结构；以及
形成覆盖所述加热结构的导热层。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
形成加热结构的电极对露头；和/或
形成导热层的图形化结构，使所述导热层覆盖加热结构的面积减小，从而降低散热。
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