MEMS氣體傳感器微熱板仿真設(shè)計及氣敏性能研究

張偉巖, 岳 宏, 劉繼江, 尹春岳, 孫略升, 王烜赫

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術(shù)憑借微尺寸,易集成等優(yōu)勢被譽為20世紀(jì)最具影響力技術(shù)之一[1]。隨著硅基半導(dǎo)體技術(shù)的日臻成熟,半導(dǎo)體式氣體傳感器結(jié)構(gòu)也迎來巨大變革,20世紀(jì)80年代美國首次設(shè)計出微熱板式的氣體傳感器,代替了傳統(tǒng)的陶瓷管式加熱結(jié)構(gòu)[2,3]。這種微熱板式的氣體傳感器具有靈敏度高、功耗低、尺寸小與半導(dǎo)體工藝兼容的優(yōu)勢[4～6],已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于氣體檢測領(lǐng)域[7,8]。目前,MEMS微熱板結(jié)構(gòu)的傳感器己逐漸成為該領(lǐng)域的一種主要結(jié)構(gòu)形式,而微熱板的隔熱設(shè)計、機械強度的優(yōu)化則是氣體傳感器制備中急需解決的技術(shù)難點。

本文通過對微熱板結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,根據(jù)結(jié)果對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,從而解決微熱板熱串?dāng)_等難題。

1 MEMS氣體傳感器微熱板芯片設(shè)計

本文通過Ansys軟件對基于MEMS工藝的微熱板進(jìn)行了仿真分析,開展微熱板的隔熱設(shè)計研究,對該結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力進(jìn)行了分析,并對微熱板隔熱槽尖點出的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。獲得功耗低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且熱場分布均勻的微熱板。

1.1 微熱板仿真分析

本文中微熱板基底選用硅,主體部分采用SiO2,Si3N4的復(fù)合結(jié)構(gòu),加熱電極材料選擇Pt,采用SiO2作為敏感電極與加熱電極之間的絕緣層,敏感電極選用貴金屬—金(Au),并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,確定結(jié)構(gòu)參數(shù)后制備微熱板器件。

本文設(shè)計的微熱板有效區(qū)域面積為400 μm×400 μm,其下層為硅基座,上層置于SiO2與Si3N4材料組成的低應(yīng)力薄膜之上的微加熱板。采用Ansys對平膜結(jié)構(gòu)和懸浮結(jié)構(gòu)的微熱板進(jìn)行仿真分析,將加熱電極設(shè)定固定溫度400 ℃。其中,傳感器和空氣之間的熱對流可為自然對流,設(shè)定對流系數(shù)為30 W/(m2·℃),周圍環(huán)境的空氣溫度設(shè)定為20 ℃。對微熱板進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱分析,平膜及懸膜結(jié)構(gòu)微熱板在高溫下的溫場如圖1所示,平膜結(jié)構(gòu)的微熱板襯底溫度高達(dá)199.8 ℃,具有較大的熱損耗；懸膜結(jié)構(gòu)的微熱板襯底的溫度較低,為72.4 ℃,表明該結(jié)構(gòu)的微熱板降低了對硅襯底的熱傳導(dǎo),對邊界的熱串?dāng)_影響較小,起到了很好的熱隔離作用。

圖1 平膜及懸膜結(jié)構(gòu)高溫下溫場分布

然而該尺寸懸膜結(jié)構(gòu)的微熱板邊界溫度也高達(dá)70 ℃以上,在此基礎(chǔ)上對微熱板結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化,首先減小微熱板懸臂梁寬度增加懸臂梁的長度用以減弱熱量向基底的傳導(dǎo)；縮小加熱電極的寬度和間距,降低同等功率下的驅(qū)動電流,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的微熱板結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的懸膜結(jié)構(gòu)的微熱板功耗僅為45 mW。從圖3中可以看出,當(dāng)加熱平臺為377 ℃時,微熱板的襯底溫度僅為24 ℃左右,顯著降低了對襯底的熱傳導(dǎo)。

圖3 優(yōu)化后懸膜結(jié)構(gòu)高溫溫場分布

當(dāng)加熱電極進(jìn)行加熱時,會使得微加熱板上產(chǎn)生一定的應(yīng)力。對其進(jìn)行熱應(yīng)力仿真分析如圖4所示,微熱板熱應(yīng)力主要集中在懸臂梁附近,懸臂梁附近的熱應(yīng)力平均為1 106.9 MPa,最大應(yīng)力集中在隔熱槽的尖點處,為1 411.4 MPa,遠(yuǎn)大于Si3N4的斷裂強度(1 000 MPa),影響整個微熱板的使用壽命。

圖4 微熱板的熱應(yīng)力分布

為降低微熱板的熱應(yīng)力,本文在隔熱槽的尖點處設(shè)計圓角結(jié)構(gòu),從而減小懸臂梁附近的熱應(yīng)力。從仿真圖5中可以看出,主要的熱應(yīng)力仍發(fā)生在懸臂梁附近,但最大熱應(yīng)力為827.07 MPa,小于Si3N4的斷裂強度,因此,可以證明隔熱槽的倒圓角結(jié)構(gòu)不但可以避免應(yīng)力集中,而且可以減小懸臂梁附近的熱應(yīng)力。

圖5 倒圓角的微熱板熱應(yīng)力分布

1.2 微熱板制備工藝研究

微熱板的制作方法:在單晶硅表面利用熱氧化和低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)制作SiO2和Si3N4薄膜,通過控制SiO2和Si3N4的膜厚減小微熱板的應(yīng)力；然后制作鉑薄膜,采用濕法腐蝕和干法刻蝕交替工藝,刻蝕出圖形化的鉑薄膜加熱電阻,利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)在硅片正面沉積SiO2鈍化層,并在其上制作引出電極,再通過背面濕法各向異性腐蝕去除多余的硅材料,微熱板與固支邊之間通過相同材料的微型梁連接起來。

微熱板的制備工藝流程如圖6所示,a.熱氧化SiO2：選用n型(100)硅片,電阻率為3～10 Ω·cm，采用0號液、2號液徹底清洗硅片,清洗后對硅片進(jìn)行熱氧化,使硅片上、下表面生長一層1.0 μm左右的SiO2層；b.Si3N4沉積：利用低壓化學(xué)氣相沉積(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)沉積厚度為150～200 nm左右的Si3N4層；c.蒸鍍Cr/Pt薄膜：利用電子束蒸發(fā)方式在介質(zhì)層表面沉積Cr/Pt薄膜,厚度約為40 nm/400nm,其中Cr為過渡層,Pt作為加熱電阻與信號電阻材料；d.電阻條制作：涂膠后,采用光刻機進(jìn)行紫外曝光，將曝光后的硅片置于顯影液中顯影，顯影結(jié)束后,利用反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)工藝對Pt薄膜進(jìn)行圖形化,濕法去除裸露出的Cr薄膜,完成加熱電阻及信號電阻的制作;e.SiO2絕緣層沉積：利用PECVD在硅片正面沉積SiO2鈍化層；f.刻蝕引線孔：利用光刻和刻蝕工藝對SiO2鈍化層進(jìn)行圖形化,制作引線孔；g.制作引出電極：利用電子束蒸發(fā)工藝在其上沉積Cr/Au電極,控制Cr層厚約60 nm,Au層厚約300 nm，光刻,顯影后,采用濕法去除裸露的Au層與Cr層,完成引出電極的制作；h.刻蝕背面介質(zhì)層：采用光刻工藝刻蝕出背面腐蝕區(qū)域,并采用RIE刻蝕Si3N4與SiO2,再用氫氟酸(HF)緩沖液漂至SiO2完全去除；i.刻蝕正面通孔：采用光刻工藝刻蝕出正面通孔腐蝕區(qū)域,并用RIE刻蝕Si3N4與SiO2,再用HF緩沖液漂至SiO2完全去除；j.結(jié)構(gòu)層釋放：采用KOH和四甲基氫氧化銨(TMAH)交替腐蝕,釋放微熱板結(jié)構(gòu)層。

圖6 微熱板制作工藝流程

1.3 敏感膜成型工藝研究

MEMS微熱板制作完成后,需要在測試電極表面涂覆氣體敏感材料并進(jìn)行燒結(jié),使材料與基底間具有良好的粘附性,提高器件可靠性。綜合考慮微熱板芯片的有效涂覆面積較小,懸臂梁結(jié)構(gòu)所能承受的力有限,傳統(tǒng)的厚膜工藝難以滿足要求。因此，本文采用一種微納米材料沉積打印技術(shù)制備ZnO敏感膜,采用此方法制備的敏感膜厚度均勻可控,線條精度能夠達(dá)到10 μm。

其制備工藝如下：

1)配制敏感膜漿料：將0.1 g ZnO粉體溶于10 mL去離子水和松油醇的混合溶液中(體積比1︰1),攪拌均勻后配制成敏感膜漿料。

2)敏感膜涂覆：用噴頭吸取一定體積的敏感膜漿料,根據(jù)顯微鏡移動噴頭,在微熱板涂覆區(qū)噴涂敏感膜漿料,諧振釋放機制保證膜的連續(xù)性和均勻性。

3)敏感膜老化：將微熱板放在老化箱中,施加老化電壓使微熱板加熱,將溶劑蒸發(fā),獲得具有一定厚度且均勻分布在測試電極表面的敏感膜。

成膜后的器件如圖7所示,在微熱板叉指電極表面均勻覆蓋ZnO膜,并且膜表面沒有出現(xiàn)裂紋,說明粉體材料沒有團(tuán)聚,均勻分散在電極間隙和表面。

圖7 涂覆敏感膜的微熱板

2 MEMS氣體傳感器性能測試

將負(fù)載敏感材料的微熱板器件與氣體傳感器電路板進(jìn)行組裝,制備出氣體傳感器,在200 ℃時測試氣體傳感器對不同體積分?jǐn)?shù)NO2(0.1×10-6～200×10-6)的瞬態(tài)響應(yīng)和恢復(fù)特性,如圖8所示,結(jié)果表明：該傳感器對NO2具有較好的響應(yīng)和恢復(fù)特性,檢測下限達(dá)到0.1×10-6。圖9則表明該傳感器樣機在200 ℃時,其響應(yīng)值與NO2體積分?jǐn)?shù)(0.1×10-6～200×10-6)間具有良好的線性關(guān)系。

圖8 氣體傳感器對不同體積分?jǐn)?shù)NO2的瞬態(tài)響應(yīng)—恢復(fù)曲線

圖9 傳感器的NO2體積分?jǐn)?shù)與響應(yīng)值曲線

3 結(jié) 論

本文通過對微熱板結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計,通過隔熱設(shè)計降低熱量向基底的傳導(dǎo),減少熱損耗,成功制備了功耗僅為45 mW的微熱板芯片,設(shè)計圓弧應(yīng)力勻散結(jié)構(gòu)也改善微熱板的應(yīng)力集中問題。測試器件對NO2的氣敏性能也表現(xiàn)出良好的響應(yīng)和恢復(fù)特性,在體積分?jǐn)?shù)區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。