CN214114913U - 一种新型悬膜式mems微热板 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及传感器技术领域，具体涉及一种新型悬膜式MEMS微热板。包括单晶硅衬底、下绝缘层、加热层及其电极端、上绝缘层、测试层及其电极端和覆盖层。本实用新型通过增加覆盖层，覆盖层除加热层电极端、测试层电极端和中间测试层区域裸露，其他区域全覆盖，可以实现良好的隔热作用，降低热损耗；同时将加热层和测试层裸露的金属导线包裹在内，降低热胀冷缩导致的甭线问题；而且可以增强下绝缘层悬膜的结构强度。覆盖层位于测试层区域裸露，在测试层区域上形成特定图形的凹槽，后期在涂覆敏感材料时，可以对敏感材料起到围坝作用，提高敏感材料涂覆的一致性，同时可以增加敏感材料与微热板的紧密结合，有效较少敏感材料的脱落问题。

Description

一种新型悬膜式MEMS微热板

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，具体涉及一种新型悬膜式MEMS微热板。

背景技术

微热板作为一种常用的微型加热平台，它的基本结构包括悬空介质薄膜以及薄膜电阻线条。当电流通过薄膜电阻线条时，电阻产生的焦耳热一部分用于加热微热板，另一部分以传导、对流和热辐射的形式耗散于周围环境中。

随着MEMS技术和微电子技术的不断发展，微热板因为其阵列化制作工艺、体积小，功耗低并且易于其他材料结合的巨大优势得到广泛应用，比如微型气体传感器，微加速计、微气压计以及薄膜量热卡计等。其中微热板在微型气体传感器的应用中占比最大。

在现有技术中，微热板的主要研究重点是尽可能的降低功耗，一方面，通过在加热层底部加入真空隔热层、隔热沟槽或者其他材质的隔热层。例如实用新型专利201710126277.2和实用新型专利201420399824.6公开的。另一方面，也有研究者通过降低目标导热的热损，来降低功耗，例如实用新型专利201920113696.7所公开的在加热电极和插齿电极层中间加入一层即具有极高导热性又绝缘的金刚石层，最终起到减低功耗的效果。

而目前，作为微型气体传感器领域内的微热板只追求低的功耗，并不可以满足所有使用要求。在微型气体传感器应用中，微热板不仅要有较低的功耗，同时它要与不同的敏感材料相结合，共同实现稳定、可靠的气体传感器机能。现有MEMS微热板直接将敏感材料涂覆在测试层上，因为敏感材料为粉状材料，直接涂覆在测试层上，对工艺要求较高，而且效果不是很理想，长久实用容易脱落，造成测试误差。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是提供一种制备有特定形状的覆盖层，覆盖层位于测试层区域和电极端区域裸露，其他区域全覆盖的新型悬膜式MEMS微热板。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种新型悬膜式MEMS微热板，其特征在于：包括单晶硅衬底；

下绝缘层，通过PECVD技术覆盖在所述单晶硅衬底上；

加热层及其电极端，通过匀胶光刻技术定义形状及位置、通过磁控溅射技术沉积在所述下绝缘层上，所述加热层位于所述微热板中间；

上绝缘层，通过PECVD技术覆盖在所述加热层上；

测试层及其电极端，通过匀胶光刻技术定义形状及位置、通过磁控溅射技术沉积在所述上绝缘层上，所述测试层位于所述微热板中间；

覆盖层，通过PECVD技术沉积在所述测试层上，所述覆盖层将所述加热层电极端、所述测试层电极端和中间所述测试层区域裸露、其他区域全覆盖，所述覆盖层位于所述测试层上端区域形成敏感材料涂覆凹槽；

所述单晶硅衬底下端指定位置处刻蚀成空腔。

进一步地，所述下绝缘层和所述上绝缘层的厚度为100nm-800nm。

进一步地，所述加热层和所述测试层的厚度为50nm-500nm。

进一步地，所述覆盖层的厚度为100nm-1200nm。

进一步地，所述下绝缘层、所述上绝缘层和所述覆盖层为氧化硅层或氮化硅层。

进一步地，所述敏感材料涂覆凹槽的面积小于所述加热层加热区的面积。

本实用新型的有益效果是：

1.通过增加覆盖层，覆盖层除加热层电极端、测试层电极端和中间测试层区域裸露，其他区域全覆盖，可以实现良好的隔热作用，降低热损耗；同时将加热层和测试层裸露的金属导线包裹在内，降低热胀冷缩导致的甭线问题；而且可以增强下绝缘层悬膜的结构强度。

2.覆盖层位于测试层区域裸露，因为覆盖层具有一定的厚度，在测试层区域上形成特定图形的凹槽，后期在涂覆敏感材料时，可以对敏感材料起到围坝作用，提高敏感材料涂覆的一致性，同时可以增加敏感材料与微热板的紧密结合，有效较少敏感材料的脱落问题。

3.因为敏感材料涂覆凹槽的面积小于加热层加热区的面积，这种设计可以缩小敏感材料中心区域与边缘区域的温差，实现更理想的气体传感器性能。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型制备方法示意图；

图3为本实用新型应用示意图；

图中标记为：

1、单晶硅衬底，2、陶瓷悬梁层，3、加热层，4、绝缘层，5、测试层，6、覆盖层，7、敏感材料，101、空腔，201、悬膜，301、加热层电极端，401、测试层电极端。

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，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

一种新型悬膜MEMS微热板，如图1所示，包括：单晶硅衬底1、下绝缘层2、加热层3及其电极端301、上绝缘层4、测试层5及其电极端501和覆盖层6。下绝缘层2通过PECVD技术覆盖在单晶硅衬底1上表面；加热层3及其电极端301先通过匀胶光刻技术定义出加热丝及其电机端的形状及位置、在通过磁控溅射技术在下绝缘层2上沉积一层金属铂作为加热层3及其电极端301；上绝缘层4同样通过PECVD技术覆盖在加热层3上；测试层5为叉齿电极测试层，同样通过匀胶光刻技术定义出叉齿电极及其电极端的形状及位置、在通过磁控溅射技术在上绝缘层4上沉积一层金属铂作为测试层5及其电极端501；覆盖层6通过PECVD技术沉积在测试层5上，覆盖层6将加热层电极端301、测试层电极端501和中间测试层5区域裸露、其他区域全覆盖，覆盖层6位于测试层5上端区域形成敏感材料涂覆凹槽；当晶硅衬底1下表面指定位置处刻蚀成空腔101，空腔上方的下绝缘层2部分构成悬膜201。

其中，下绝缘层2和上绝缘层4的厚度为100nm-800nm，加热层3和测试层5的厚度为50-500nm，覆盖层6的厚度为100nm-1200nm。下绝缘层2、上绝缘层4和覆盖层6为氧化硅层或氮化硅层。

通过增加覆盖层6，覆盖层6除加热层电极端301、测试层电极端501和中间测试层5区域裸露，其他区域全覆盖，可以实现良好的隔热作用，降低热损耗；同时将加热层3和测试层5裸露的金属导线包裹在内，降低热胀冷缩导致的甭线问题；而且可以增强下绝缘层悬膜的结构强度。覆盖层6位于测试层5区域裸露，因为覆盖层具有一定的厚度，在测试层区域上形成特定图形的凹槽，后期在涂覆敏感材料7时，可以对敏感材料起到围坝作用，提高敏感材料7涂覆的一致性，同时可以增加敏感材料7与微热板的紧密结合，有效较少敏感材料的脱落问题。

在本实用新型中，覆盖层6所形成的敏感材料涂覆凹槽的面积小于加热层3加热丝形成的加热区面积，因为敏感材料涂覆凹槽的面积小于加热层加热区的面积，这种设计可以缩小敏感材料中心区域与边缘区域的温差，实现更理想的气体传感器性能。

本实用新型的制备方法如下：

S1：清洗单晶硅衬底，利用酸溶液、有机溶剂和去离子水等溶液对单晶硅衬底进行清洗；

S2：制备下绝缘层，采用PECVD技术，沉积一层厚度为100-800nm的氧化硅层或氮化硅层作为下绝缘层；

S3：制备加热层及其电极端，在下绝缘层上先通过匀胶光刻技术定义出加热丝层及其电极端的形状及位置，再利用磁控溅射技术沉积一层50-500nm的金属铂或金作为加热层及其电极端，最后通过剥离工艺去除光刻胶；

S4：制备上绝缘层，采用步骤S2的技术和流程在加热层上沉积一层100nm-800nm的氧化硅层或氮化硅层作为上绝缘层；

S5：制备测试层及其电极端，采用步骤S3的技术和流程，在上绝缘层上先通过匀胶光刻技术定义出叉齿电极及其电极端的形状及位置，再利用磁控溅射技术在上绝缘层上沉积一层50-500nm的金属铂或金作为测试层及其电极端，最后通过剥离工艺去除光刻胶。

S6：制备覆盖层，在测试层上采用PECVD技术沉积一层100nm-1200nm的氧化硅层或氮化硅层作为覆盖层，覆盖层将加热层电极端、测试层电极端和中间测试层区域裸露、其他区域全覆盖，覆盖层位于测试层上端区域形成敏感材料涂覆凹槽，敏感材料涂覆凹槽对后期敏感材料涂覆时起到围坝作用，增强敏感材料涂覆的一致性，以及提高敏感材料与微热板的紧密贴合；

S7：利用湿法刻蚀，在单晶硅衬底的下表面利用浓硫酸刻蚀处空腔。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新型悬膜式MEMS微热板，其特征在于：包括单晶硅衬底(1)；

下绝缘层(2)，通过PECVD技术覆盖在所述单晶硅衬底(1)上；

加热层(3)及其电极端(301)，通过匀胶光刻技术定义形状及位置、通过磁控溅射技术沉积在所述下绝缘层(2)上，所述加热层(3)位于所述微热板中间；

上绝缘层(4)，通过PECVD技术覆盖在所述加热层(3)上；

测试层(5)及其电极端(501)，通过匀胶光刻技术定义形状及位置、通过磁控溅射技术沉积在所述上绝缘层(4)上，所述测试层(5)位于所述微热板中间；

覆盖层(6)，通过PECVD技术沉积在所述测试层(5)上，所述覆盖层(6)将所述加热层电极端(301)、所述测试层电极端(501)和中间所述测试层(5)区域裸露、其他区域全覆盖，所述覆盖层(6)位于所述测试层(5)上端区域形成敏感材料涂覆凹槽；

所述单晶硅衬底(1)下端指定位置处刻蚀成空腔。

2.如权利要求1所述的一种新型悬膜式MEMS微热板，其特征在于：所述下绝缘层(2)和所述上绝缘层(4)的厚度为100nm-800nm。

3.如权利要求1所述的一种新型悬膜式MEMS微热板，其特征在于：所述加热层(3)和所述测试层(5)的厚度为50nm-500nm。

4.如权利要求1所述的一种新型悬膜式MEMS微热板，其特征在于：所述覆盖层(6)的厚度为100nm-1200nm。

5.如权利要求1所述的一种新型悬膜式MEMS微热板，其特征在于：所述下绝缘层(2)、所述上绝缘层(4)和所述覆盖层(6)为氧化硅层或氮化硅层。

6.如权利要求1-5任一权利要求所述的一种新型悬膜式MEMS微热板，其特征在于：所述敏感材料涂覆凹槽的面积小于所述加热层(3)加热区的面积。

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