AlN 陶瓷微熱板MEMS 傳感器陣列設(shè)計(jì)與工藝實(shí)現(xiàn)*

趙文杰，楊守杰，于 洋，王向鑫，施云波

(哈爾濱理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院測(cè)控技術(shù)與儀器黑龍江省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150080)

0 引 言

目前，MEMS 傳感器與陣列技術(shù)工藝研究主要集中在硅基工藝上［1，2］，傳統(tǒng)的硅微熱板結(jié)構(gòu)存在工藝的復(fù)雜性和多種成膜工藝的兼容問(wèn)題，特別是在較高加熱工作條件下，存在溫度漂移和熱膨脹系數(shù)不匹配及膜基結(jié)合特性差等因素帶來(lái)的可靠性下降，響應(yīng)熱穩(wěn)定性差等失穩(wěn)問(wèn)題，制約了MEMS 半導(dǎo)體氣體傳感器的應(yīng)用［3］。雖然陶瓷MEMS氣體傳感器研究和發(fā)展較晚，但隨著陶瓷材料機(jī)械性能改進(jìn)和微加工工藝技術(shù)的提高，Al2O3，AlN 及SiC 等陶瓷作為微熱板基底具有熱性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、工藝成本較低及兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在微熱板陶瓷基氣體傳感器取得了一定進(jìn)展［4～6］。

陶瓷微熱板傳感器陣列是將多個(gè)傳感器單元集成在同一襯底上，傳感器單元處于加熱工作狀態(tài)時(shí)，由于單元之間熱傳導(dǎo)難免產(chǎn)生較大熱干擾，使工作溫度偏離或溫度分布改變。針對(duì)陶瓷抗腐蝕性和難加工特點(diǎn)，傳統(tǒng)硅工藝濕法刻蝕不再適用，采用激光微加工刻蝕方法可有效解決陶瓷襯底難刻蝕熱隔離結(jié)構(gòu)問(wèn)題。在陶瓷微熱板傳感器中Pt膜是加熱器電極、溫度傳感器及信號(hào)電極最理想的材料，需通過(guò)光刻剝離工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然反轉(zhuǎn)工藝法通過(guò)采用反轉(zhuǎn)膠可以實(shí)現(xiàn)理想的梯形凹槽，達(dá)到良好的剝離效果，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中相對(duì)增加了反轉(zhuǎn)烘和范曝光兩道工藝步驟，同時(shí)1～2 s 的曝光時(shí)間對(duì)光刻膠成型的質(zhì)量難以精確控制，常用的AZ 系列的反轉(zhuǎn)膠價(jià)格較為昂貴，提高了工藝成本。能否使用普通的正性光刻膠實(shí)現(xiàn)剝離工藝一直是科研工作者研究熱點(diǎn)［7，8］。

針對(duì)非硅基陶瓷微熱板的MEMS 工藝特點(diǎn)，本文提出了采用激光微加工刻蝕技術(shù)進(jìn)行熱隔離設(shè)計(jì)，優(yōu)化傳感器陣列單元的熱梯度分布。同時(shí)針對(duì)抗腐蝕Pt 膜圖形化采用普通正性光刻膠難實(shí)現(xiàn)光刻剝離工藝特點(diǎn)，研究柔性機(jī)械光刻剝離工藝制備方法，實(shí)現(xiàn)陶瓷微熱板Pt 膜電極傳感器陣列設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 設(shè)計(jì)與仿真

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱分析

研究MEMS 微熱板氣體傳感器熱學(xué)特性目的在于低功耗化，熱穩(wěn)定特性及合理的熱梯度分布特性設(shè)計(jì)，可以通過(guò)材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及封裝方式等手段進(jìn)行優(yōu)化。其中在熱損耗的三種途徑中熱傳導(dǎo)占主導(dǎo)作用，膜基的熱傳導(dǎo)是一個(gè)三維問(wèn)題，為了模型簡(jiǎn)化，在膜基縱向尺寸較小情況下，即膜厚較薄時(shí)可以忽略縱向熱傳導(dǎo)損失，一般膜厚在μm 級(jí)，而膜基橫向尺寸在mm 級(jí)。從模型結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步解決熱傳導(dǎo)損耗的復(fù)雜性，封閉膜結(jié)構(gòu)一般可將方形膜基結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換近似為圓形結(jié)構(gòu)，從而轉(zhuǎn)換為圓柱坐標(biāo)體系一維熱傳導(dǎo)問(wèn)題進(jìn)行分析。

從工藝上AlN 陶瓷形成優(yōu)良質(zhì)量的封閉的薄膜是一個(gè)難點(diǎn)［2］。為解決其厚度帶來(lái)的熱傳導(dǎo)損失問(wèn)題，可以采用熱隔離結(jié)構(gòu)減小熱傳導(dǎo)截面積，從而減小結(jié)構(gòu)幾何因子Gm，可有效降低熱傳導(dǎo)損耗。如果按著一維熱傳導(dǎo)模型，熱傳導(dǎo)損耗與熱傳導(dǎo)梁的截面積Abeam呈正比，與梁的長(zhǎng)度l 呈反比，如圖1 所示為懸浮橋式傳感器單元結(jié)構(gòu)，其膜基的熱傳導(dǎo)損耗公式為

圖1 氣體傳感器陣列單元結(jié)構(gòu)平面與截面圖Fig 1 Planar and sectional graphs of unit structure of gas sensor array

根據(jù)圖1 傳感器單元熱隔離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基片厚d=0.2 mm的AlN 陶瓷基片，采用激光刻蝕四個(gè)梯形熱隔離通孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所形成的梁的橫截面積Abeam=0.2 mm×0.2 mm，梁的長(zhǎng)度l=0.7 mm，傳感器單元加熱區(qū)尺寸1.2 mm×1.2 mm?？梢?jiàn)，采用圖1 模型熱隔離懸浮橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其熱傳導(dǎo)損耗較大降低，同時(shí)熱隔離孔的設(shè)計(jì)減小了的空氣接觸表面積，也降低了熱對(duì)流和熱輻射損耗。

1.2 熱結(jié)構(gòu)仿真

微熱板傳感器陣列加熱器生成的熱能，由于溫度梯度、空氣接觸、電磁輻射形式存在以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射途徑最終達(dá)到熱平衡。圖2 為理想邊界條件熱隔離前后傳感器陣列ANSYS 仿真熱梯度分布和溫度梯度矢量圖，假設(shè)在理想邊界條件下(即環(huán)境溫度為25 ℃時(shí))，空氣的對(duì)流系數(shù)hf=10 W·m－2·K－1，忽略熱輻射影響。在感器陣列設(shè)計(jì)過(guò)程中襯底基片采用AlN 陶瓷，加熱電極與信號(hào)電極為Pt膜。主要材料AlN 和Pt 膜熱傳導(dǎo)系數(shù)分別為170 W/(m·K)和73 W/(m·K)。

從圖2(a)，(c)未隔離結(jié)構(gòu)微熱板的溫度分布云圖和矢量圖中可以看出:由于熱傳導(dǎo)的影響，單元的熱場(chǎng)發(fā)生偏離工作溫區(qū)現(xiàn)象，單元之間存在嚴(yán)重?zé)釄?chǎng)交疊干擾，溫度矢量較均勻向邊緣擴(kuò)散。從圖2(b)，(d)中可以看出:在熱隔離設(shè)計(jì)后相同功耗下溫度明顯升高，溫度分布集中在單元加熱區(qū)，且溫度梯度矢量主要沿著傳感器單元的4 個(gè)梁方向梯度擴(kuò)散，四單元陣列具有較理想的穩(wěn)態(tài)熱分布梯度特性。由于熱隔離孔作用降低了熱傳導(dǎo)的擴(kuò)散損失，同時(shí)降低了熱對(duì)流和熱輻射面積，從而提高中間加熱區(qū)與邊界基體的溫度梯度，降低了對(duì)其它單元之間的熱干擾耦合影響，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與工藝實(shí)現(xiàn)的可行性。

圖2 理想邊界條件熱隔離前后傳感器陣列ANSYS仿真熱梯度分布和溫度梯度矢量圖Fig 2 Thermal gradient distribution and temperature gradient ector graphs of sensor array before and after thermal isolation by ANSYS simulation under ideal boundary conditions

2 關(guān)鍵工藝

2.1 柔性機(jī)械剝離工藝

柔性機(jī)械剝離方法是采用普通BP212 型正性光刻膠，通過(guò)柔性的雙向拉伸聚丙烯(biaxially oriented polypropylene，BOPP)壓敏膠粘帶，粘附在金屬化沉積的基片表面，采用機(jī)械力揭膜(機(jī)械力F 作用)的方法依靠壓敏膠帶的粘附作用力剝離掉未直接沉積在基片表面的金屬線。柔性機(jī)械剝離工藝法解決了普通正性光刻膠形成倒梯形凹槽沉積金屬Pt 膜時(shí)，由于梯度臺(tái)階沉積互連無(wú)法剝離干凈的問(wèn)題，機(jī)械剝離前要用丙酮有機(jī)溶劑溶掉金屬膜下的光刻膠。柔性機(jī)械剝離法工藝步驟流程如圖3 所示。

圖3 柔性機(jī)械剝離法工藝流程Fig 3 Flexible mechanical lift-off process

柔性機(jī)械剝離法避免了使用化學(xué)腐蝕劑刻蝕的污染，同時(shí)簡(jiǎn)化了反轉(zhuǎn)工藝法步驟，降低了工藝成本，保證了金屬膜線條的清晰和質(zhì)量。柔性機(jī)械剝離法要求顯影后正性光刻膠殘留較少，保證沉積金屬與基底粘附力較好，在采用BOPP 膠帶時(shí)，金屬膜與基底的粘附力大于與膠帶的粘附力，從而保證機(jī)械剝離需要的部分不被剝落。圖4 是在陶瓷基片上采用柔性機(jī)械剝離法制備的Pt 膜電極，電極線寬100 μm，線間隙50 μm，且線條邊緣清晰、完整，根據(jù)邊緣效果分析，此工藝法可實(shí)現(xiàn)線條細(xì)化到10 μm 左右。

圖4 AlN 陶瓷基柔性機(jī)械剝離傳感器陣列與放大實(shí)物圖Fig 4 Physical and enlarged graphs of AlN-based sensor array prepared by flexible mechanical lift-off process

2.2 激光刻蝕工藝

微熱板型器件設(shè)計(jì)和加工往往需對(duì)溫度分布影響，特別是對(duì)功耗和溫度分布的調(diào)整，考慮陶瓷微熱板難加工特性，通常采用激光刻蝕隔熱槽進(jìn)行熱分布調(diào)整。隔熱槽的設(shè)計(jì)和制作是材料、結(jié)構(gòu)、尺寸綜合設(shè)計(jì)結(jié)果，首先，隔熱槽寬度要盡可能的窄，以減少對(duì)基體的熱應(yīng)力影響和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生;其次，隔熱槽設(shè)計(jì)要將各個(gè)分立元件分離，最大限度地消除單元之間的熱干擾;再次，隔熱槽設(shè)計(jì)要考慮熱分布的對(duì)稱性，避免溫度場(chǎng)梯度分布不均產(chǎn)生的失穩(wěn)影響。利用激光刻蝕具有高精度、刻蝕深寬比高、無(wú)污染、操作靈活等特點(diǎn)，圖5 給出了激光微加工熱隔離刻蝕的工藝原理。

圖6 給出了四單元傳感器陣列熱隔離刻蝕結(jié)構(gòu)圖，由于AlN 陶瓷具有較高導(dǎo)熱性，不易發(fā)生局部受熱膨脹斷裂現(xiàn)象，可以刻蝕微梁寬到0.2 mm。從圖6 中可以看出:刻蝕邊緣效果清晰整齊，熱隔離刻蝕效果理想?？梢?jiàn)通過(guò)激光刻蝕實(shí)現(xiàn)了陶瓷微熱板抗腐蝕、難加工的工藝難點(diǎn)，有效優(yōu)化了陶瓷微熱板的熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了陶瓷陶瓷加工工藝的可行性。

圖5 激光刻蝕簡(jiǎn)化原理圖Fig 5 Simplified principle diagram of laser etching

圖6 四單元傳感器陣列熱隔離刻蝕結(jié)構(gòu)圖Fig 6 Structural diagrams of the thermal isolation etching of four-unit sensor array

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)微熱板傳感器陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及熱隔離設(shè)計(jì)降低功耗的效果，進(jìn)行了有限元熱仿真實(shí)驗(yàn)定量分析。圖7 給出了熱隔離前后微熱板傳感器陣列徑向溫度分布曲線分布。從圖7(a)中曲線可以看出:熱擴(kuò)散分布保持結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，相鄰兩傳感器單元有效溫區(qū)向中心發(fā)生偏離，偏移距離達(dá)0.5 mm，單元加熱區(qū)溫差最大值達(dá)50 ℃，相鄰單元之間的溫度場(chǎng)交疊嚴(yán)重，與中心節(jié)點(diǎn)溫差小于10 ℃，幾乎形成統(tǒng)一溫度場(chǎng)。原因是主要受AlN 基底熱傳導(dǎo)系數(shù)較高和結(jié)構(gòu)幾何系數(shù)Gm偏高影響，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺度設(shè)計(jì)，降低結(jié)構(gòu)幾何系數(shù)，調(diào)整溫度分布偏移，降低單元之間的溫度干擾影響。

結(jié)構(gòu)尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)主要有兩種方法，一是減小有效溫區(qū)膜厚方式降低熱傳導(dǎo)，二是刻蝕懸浮橋結(jié)構(gòu)減小熱傳導(dǎo)截面積方式降低熱傳導(dǎo)，根據(jù)陶瓷難加工特性，采用熱隔離刻蝕懸浮橋結(jié)構(gòu)方法降低結(jié)構(gòu)幾何系數(shù)。從圖7(b)給出了采用熱隔離后懸浮橋結(jié)構(gòu)溫度徑向分布曲線，從圖中可以看出相鄰傳感器單元溫區(qū)未發(fā)生偏離，單元加熱區(qū)最大溫差小于10 ℃，單元加熱中心溫度與陣列中心溫差達(dá)80 ℃以上，相鄰單元之間的溫度場(chǎng)交疊干擾明顯降低，采用熱隔離設(shè)計(jì)明顯降低了陣列單元之間的熱干擾影響。在相同的加熱功耗下相對(duì)未熱隔離結(jié)構(gòu)溫度提高了50 ℃，說(shuō)明熱隔離結(jié)構(gòu)明顯提高了功耗設(shè)計(jì)。

圖7 熱隔離設(shè)計(jì)前后陣列單元徑向溫度分布曲線Fig 7 Temperature distribution curves of sensor array before and after thermal isolation

4 結(jié) 論

通過(guò)陶瓷微熱板氣體傳感器陣列設(shè)計(jì)與熱穩(wěn)態(tài)分析，設(shè)計(jì)了AlN 基微熱板四單元熱隔離氣體傳感器陣列，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元熱仿真實(shí)驗(yàn)，給出了熱隔離前后溫度曲線對(duì)比分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。根據(jù)AlN 陶瓷微熱板的抗腐蝕性和難加工特性，實(shí)現(xiàn)了利用普通正性光刻，通過(guò)膠柔性機(jī)械光刻剝離工藝法制備良好的Pt 膜結(jié)構(gòu)。同時(shí)采用激光微加工實(shí)現(xiàn)了熱隔離設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了非硅基MEMS 工藝的可行性。激光微加工和柔性機(jī)械剝離相結(jié)合的微加工方法具有方法簡(jiǎn)單、成本低、應(yīng)用靈活等特點(diǎn)，為研究新型微結(jié)構(gòu)的氣體傳感器提供技術(shù)支持。

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