基于MEMS的微熱板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能測試研究

沈偉強(qiáng)，趙 將，馬 薇，張根偉，楊 杰，曹樹亞

(1.國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102205；2.蘇州力牧微電子有限公司，江蘇蘇州 215000)

0 引言

氣敏半導(dǎo)體傳感器作為傳感器領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，在工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-4]。氣敏半導(dǎo)體傳感器主要由敏感材料和微熱板組成，敏感材料的工作溫度較高，一般在200～400 ℃，這就需要能夠提供穩(wěn)定溫度的加熱裝置，基于MEMS(micro-electro-mechanical system)工藝制作的微熱板可以作為加熱平臺，對敏感材料進(jìn)行加熱并使其保持在特定工作溫度，MEMS技術(shù)有利于微熱板的小型化，能夠進(jìn)一步降低傳感器的功耗、減少熱響應(yīng)時(shí)間，符合傳感器快速響應(yīng)、靈敏檢測、低功耗、小體積等發(fā)展需求[5]，可以應(yīng)用在分布式網(wǎng)絡(luò)化學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)以及可穿戴氣體檢測裝備研制等方面。

微熱板作為加熱支撐器件，其機(jī)械性能和加熱性能是研究的重點(diǎn)，通過研究不同的加熱電極和膜層材料，以及改變電極幾何形狀和尺寸等方法，降低微熱板的功耗，減少熱響應(yīng)時(shí)間，提高熱穩(wěn)定性等性能[6-8]。根據(jù)微熱板支撐膜的形狀不同，現(xiàn)有微熱板主要分為膜式結(jié)構(gòu)和懸浮式結(jié)構(gòu)[9-10]。針對微熱板的基本結(jié)構(gòu)，為了提高微熱板性能，國內(nèi)外科研人員進(jìn)行了一系列研究，如通過設(shè)計(jì)新型的驅(qū)動輪型電極結(jié)構(gòu)，有效的提高了加熱區(qū)溫度分布均勻性[11]，通過將電極設(shè)計(jì)成雙螺旋結(jié)構(gòu)，并對比加熱電極材料分別為鉑、鉬、鎢，降低了微熱板的形變大小[12]。目前，市面上的商用微熱板一般為懸浮式結(jié)構(gòu)，在加熱到400 ℃時(shí)功耗在40 mW左右，功耗較大，而且由于MEMS制備工藝十分復(fù)雜，加熱電阻的溫阻特性一般與標(biāo)準(zhǔn)金屬電阻存在差異，在實(shí)際使用時(shí)存在無法通過電阻值準(zhǔn)確得到當(dāng)前工作溫度的問題。

本文設(shè)計(jì)了一種功耗較低、加熱狀態(tài)下結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定的懸浮式結(jié)構(gòu)微熱板，加熱電極設(shè)計(jì)成回型結(jié)構(gòu)，采用復(fù)合膜以減小應(yīng)力。基于MEMS加工工藝制備微熱板，并對其穩(wěn)定性、溫阻特性、加熱功耗、熱響應(yīng)時(shí)間等性能進(jìn)行測試研究。

1 微熱板工作原理

微熱板作為氣敏半導(dǎo)體傳感器的基底，起到支撐并為敏感材料提供工作溫度的作用，微熱板型氣敏半導(dǎo)體傳感器工作過程如圖1所示。

圖1 微熱板型氣敏半導(dǎo)體傳感器工作過程

微熱板工作原理：在加熱電極兩端施加電壓，持續(xù)通電產(chǎn)生熱量，使微熱板升溫至工作狀態(tài)，金屬加熱電極通電產(chǎn)生熱量后，將熱量傳遞給支撐層和隔離層，熱量也會從支撐層傳遞給襯底，在襯底表面耗散掉，由于微熱板邊界與空氣接觸，存在溫差，空氣對流也帶走一部分熱量，最終整個(gè)微熱板將達(dá)到一個(gè)動態(tài)平衡，稱之為熱穩(wěn)態(tài)。

對于微熱板型氣體傳感器，在建立模型時(shí)需要考慮3種機(jī)制：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。微熱板熱損失機(jī)理如圖2所示。

圖2 微熱板熱損失機(jī)理

600 ℃以下的溫度可忽略輻射，圖2中顯示了熱傳導(dǎo)、熱對流的主要熱損失的位置。Th為微型加熱器的溫度，Ta為環(huán)境溫度，且Th>Ta。大部分熱損失是由通過微熱板和空氣的熱傳導(dǎo)以及通過薄膜外表面與周圍空氣之間熱對流引起的。

2 微熱板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

懸浮式結(jié)構(gòu)從微熱板的底部向上依次包括襯底、支撐層、加熱電極、隔離層和測量電極；其特點(diǎn)是通過4個(gè)懸臂梁作為機(jī)械支撐，連接中間加熱平臺與隔離層，使加熱平臺懸空，如圖3所示。

圖3 微熱板三維結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 參數(shù)優(yōu)化

微熱板結(jié)構(gòu)中，加熱電極與硅襯底相隔離，通常采用熱氧化工藝形成二氧化硅層，避免電極與硅襯底之間短路和寄生電容的產(chǎn)生。為了最大程度釋放微熱板的殘余應(yīng)力，考慮支撐層使用復(fù)合膜，將二氧化硅和氮化硅2種材料交替沉積。

對支撐層和隔離層的厚度進(jìn)行優(yōu)化，在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，在改變二氧化硅支撐層厚度時(shí)，隨著二氧化硅厚度的增加，形變量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，當(dāng)硅片表面熱氧化0.5 μm二氧化硅，接著淀積0.9 μm氮化硅時(shí)，微熱板的形變最小。加熱電極設(shè)計(jì)成回型結(jié)構(gòu)，測量電極設(shè)計(jì)成叉指型結(jié)構(gòu)，厚度為0.1 μm，電極寬度和間距均為10 μm，如圖4所示。

圖4 鉑電極掩模板

為了調(diào)節(jié)應(yīng)力，隔離層同樣采用復(fù)合膜，經(jīng)過微熱板結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，在加熱電極表面淀積0.6 μm二氧化硅，然后淀積0.4 μm氮化硅。最終支撐層總厚度為1.4 μm，隔離層厚度為1.0 μm。微熱板結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖5所示。

圖5 微熱板結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

對微熱板進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)熱仿真，并提取了加熱區(qū)域截面溫度分布，繪出了一維溫度分布曲線，仿真結(jié)果如圖6所示。

(a)微熱板穩(wěn)態(tài)熱溫度分布

圖6(a)為微熱板穩(wěn)態(tài)熱溫度分布云圖，圖6(b)為提取的一維截面溫度分布曲線，可以看出，熱量集中分布在微熱板加熱平臺區(qū)域，最高溫度為400.13 ℃，并且溫度分布較均勻。根據(jù)穩(wěn)態(tài)熱仿真結(jié)果計(jì)算微熱板的功耗、溫度梯度，在仿真過程中通過對加熱電極施加熱生成率作為載荷，計(jì)算熱生成率與加熱電極體積的乘積得到功耗。微熱板的功耗為18.8 mW，功耗較小，溫度梯度為1.1%，溫度分布較均勻，并且形變較小，僅為0.273 μm，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。

2.2 微熱板工藝設(shè)計(jì)

采用微納加工工藝制作，主要包括氧化、光刻、金屬沉積、PECVD沉積、KOH干法腐蝕、激光切割等微納加工工藝。簡化加工流程示意圖如圖7所示。

圖7 微熱板工藝流程示意圖

首先，在襯底表面熱氧化一層二氧化硅，起到絕熱作用，采用LPCVD在正面淀積氮化硅，與二氧化硅構(gòu)成支撐層，如圖7(a)所示；然后采用磁控濺射結(jié)合剝離的方式形成鉑金屬加熱電極，如圖7(b)所示；繼續(xù)淀積二氧化硅和氮化硅，形成加熱電極和測量電極之間的隔離層，同樣采用磁控濺射加剝離的方式形成測量電極，如圖7(c)、圖7(d)所示；然后采用干法刻蝕開窗，刻蝕形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖7(e)所示；最后采用背面體硅刻蝕，形成懸浮膜結(jié)構(gòu)，如圖7(f)所示。

為了方便測試，對微熱板進(jìn)行了封裝。微熱板芯片及封裝實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 微熱板芯片圖、局部放大圖及微熱板封裝圖

3 微熱板表征與特性研究

3.1 微熱板結(jié)構(gòu)表征

使用MEMS工藝進(jìn)行工藝制備后，得到了懸浮式結(jié)構(gòu)微熱板，為了表征微熱板的結(jié)構(gòu)與形貌，使用場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡Quanta FEG250對微熱板進(jìn)行觀察，表征后的微熱板形貌結(jié)構(gòu)如圖9所示。

由圖9的掃描電鏡結(jié)果圖可以看出，微熱板的結(jié)構(gòu)和形貌比較完整，腐蝕窗口尺寸為344.3 μm×346.4 μm，在誤差范圍內(nèi)，金屬電極輪廓清晰，電極寬度和間距均為9.754 μm，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 微熱板溫阻特性測試

微熱板的電阻一致性良好說明MEMS加工工藝一致性良好，這對微熱板式氣體傳感器的性能十分重要。測試了40個(gè)微熱板在常溫下的電阻，微熱板的阻值分布在275 Ω左右，270～290 Ω范圍電阻約占90%，阻值不同的原因是磁控濺射時(shí)鍍膜不均勻，使得制備出的鉑金屬加熱電極電阻有波動，計(jì)算得到MEMS工藝制備下鉑金加熱電極在常溫時(shí)的電阻率約為1.4×10-7Ω·m，而標(biāo)準(zhǔn)鉑金常溫下的電阻率為1.1×10-7Ω·m，工藝制備的微熱板與標(biāo)準(zhǔn)鉑金電阻的電阻率相近。綜上，鉑金加熱電極的一致性良好。

(a)SEM下微熱板正面形貌

微熱板的加熱電極采用的是金屬鉑材料，鉑金本身具有良好的溫阻特性，通過測量鉑電極的電阻，可以計(jì)算得到當(dāng)前電壓下微熱板的溫度。由于采用磁控濺射、剝離的方式制備得到鉑加熱電極，實(shí)際工藝上的差異會使材料的溫阻系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)鉑金不同，因此，為了獲取微熱板實(shí)際的工作溫度，需要對加熱電極進(jìn)行溫阻標(biāo)定測試。

實(shí)驗(yàn)用到的儀器主要為萬用表、烘箱，萬用表采用KEYSIGHT 34465A，該萬用表精度高，且可以通過軟件實(shí)時(shí)記錄測量數(shù)據(jù)，可以方便、準(zhǔn)確得到加熱電極電阻大小。實(shí)驗(yàn)測試平臺如圖10所示。

圖10 微熱板溫阻特性測試平臺

實(shí)驗(yàn)測試的具體方法為，在PCB管腳兩端接入數(shù)字萬用表，然后將微熱板放入烘箱中，設(shè)定溫度從30 ℃開始，每升溫10 ℃記錄一次加熱電極阻值，描繪出加熱電極的溫阻曲線。實(shí)驗(yàn)測量微熱板的溫阻特性曲線，如圖11所示。

圖11 微熱板加熱電極溫阻特性曲線

由圖11可以看出，加熱電極電阻隨著溫度的升高而增大，電阻與溫度具有很好的線性關(guān)系，并且不同微熱板溫阻關(guān)系的斜率相差不大，說明加熱電極線性關(guān)系的一致性較好。

按照電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC751國際標(biāo)準(zhǔn)的方程式，對于范圍0～850 ℃，鉑電阻溫度電阻特性適用公式：

Rt=R0(1+At+Bt2)

(1)

式中：Rt為溫度t時(shí)鉑熱電阻的阻值，Ω；t為溫度，℃；R0為溫度為0 ℃時(shí)鉑熱電阻的阻值，Ω；A、B為分度常數(shù)。

將圖11中微熱板加熱電極溫阻特性曲線中的數(shù)據(jù)點(diǎn)使用式(1)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到擬合曲線，如圖12所示。

圖12 微熱板加熱電極溫度-電阻多項(xiàng)式擬合曲線

圖12中，曲線為加熱電極溫度-電阻多項(xiàng)式擬合曲線，擬合得到的R0=265.671 86 Ω，分度常數(shù)A=2.467×10-3，B=4.14×10-7。從圖12可以看出，擬合曲線經(jīng)過絕大多數(shù)實(shí)際測溫?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)，相關(guān)系數(shù)R2為0.998 57，接近±1，擬合效果較好。因此，經(jīng)過多項(xiàng)式擬合之后得到的鉑加熱電極溫度-電阻計(jì)算公式為

Rt=265.67(1+2.467×10-3t+4.14×10-7t2)

(2)

式(2)表示了微熱板加熱電極的溫阻特性關(guān)系，通過測量加熱電極的電阻值，得到當(dāng)前的溫度，因此可以將加熱電極等效為一個(gè)溫度傳感器，達(dá)到測溫效果。

3.3 微熱板功率特性測試

微熱板作為氣敏半導(dǎo)體傳感器的重要組成器件，工作功耗是其重要的特性指標(biāo)之一，通過在加熱電極兩端施加電壓使其升溫，測得通過加熱電極的電流，得到在該電壓下加熱電極的電阻和加熱功率。由于在3.2中得到了加熱電極溫度-電阻線性關(guān)系，根據(jù)溫度標(biāo)定的結(jié)果，由加熱電極電阻值得到微熱板工作溫度，可以得到微熱板的溫度與功率之間的關(guān)系，如圖13所示。

圖13 微熱板溫度-功率關(guān)系曲線

由圖13可以看出，隨著功率的增加，微熱板的溫度單調(diào)增加，在工作溫度為200 ℃以內(nèi)，微熱板升溫較快，隨著功率的增加，微熱板升溫趨緩，當(dāng)工作溫度為400 ℃時(shí)，功耗為24 mW。

3.4 熱響應(yīng)時(shí)間測試

熱響應(yīng)時(shí)間反應(yīng)了微熱板的升溫效率和控溫能力，是微熱板性能的重要指標(biāo)之一。在微熱板兩端連接源表(PRECISE S100)，施加3.5 V電壓，測量微熱板從室溫升溫至400 ℃的響應(yīng)曲線，如圖14所示。

圖14 微熱板熱響應(yīng)時(shí)間測試

從圖14中可以看出，熱響應(yīng)時(shí)間曲線在0～5 ms范圍內(nèi)具有良好的線性度，在5～12 ms范圍內(nèi)溫度上升趨緩，12 ms之后即溫度上升到437 ℃時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。溫度上升時(shí)間的10%～90%為響應(yīng)時(shí)間，從曲線圖中可以得出上升時(shí)間10%在1.2 ms處，上升時(shí)間90%在10.8 ms處，則微熱板熱響應(yīng)時(shí)間為9.6 ms，達(dá)到了快速升溫的要求。

3.5 微熱板穩(wěn)定性測試

微熱板作為加熱平臺，起到為敏感材料提供穩(wěn)定溫度的作用，在氣敏半導(dǎo)體傳感器實(shí)際應(yīng)用中，微熱板加熱溫度的穩(wěn)定性能至關(guān)重要，決定敏感材料對氣體的靈敏度。在測試過程中，對微熱板施加不同的電壓，使其長時(shí)間工作在1、2、3、3.5 V電壓下，使用源表實(shí)時(shí)記錄加熱電極電阻值的變化，測量結(jié)果如圖15所示。

圖15 微熱板穩(wěn)定性測試

實(shí)驗(yàn)中對微熱板加熱300 min，測量其加熱電極電阻變化量。從圖15可以看出，在電壓1、2、3 V條件下，加熱電極電阻在300 min內(nèi)，相比起始的加熱阻值，最大變化量為0.7 Ω，變化不明顯；當(dāng)電壓為3.5 V時(shí)，微熱板電阻值有上升趨勢，相比起始的加熱阻值，最大變化量為5.6 Ω，阻值變化率為1.06%。考慮原因是由于電壓過高，邊界散熱緩慢，導(dǎo)致微熱板溫度有所增加，加熱電極電阻變大。總體來說，微熱板滿足長時(shí)間工作的需求，熱穩(wěn)定性能良好。

3.6 性能評價(jià)

為了評價(jià)所設(shè)計(jì)微熱板的性能，與商用微熱板進(jìn)行了橫向比較，由于不同微熱板之間尺寸、加熱溫度、功耗等參數(shù)不同，單獨(dú)比較某一指標(biāo)意義不大，因此，采取比較微熱板加熱效率的方法，即mm2·℃/mW，具體結(jié)果如表1所示。

表1 微熱板加熱效率對比結(jié)果

表1給出了微熱板實(shí)測結(jié)果和2種商用微熱版的加熱效率結(jié)果，可以看出，微熱板的加熱效率為0.67 mm2·℃/mW，大于2種商用微熱版的0.60 mm2·℃/mW和0.20 mm2·℃/mW，相比之下，自研微熱板的加熱效率更高，性能更優(yōu)異。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并制備了一種懸浮式結(jié)構(gòu)微熱板，并對其進(jìn)行了全面測試，測試結(jié)果表明，微熱板的形貌結(jié)構(gòu)完整，電阻值一致性較好，擬合得到了鉑金屬加熱電極的溫度-電阻計(jì)算公式，加熱性能穩(wěn)定，熱響應(yīng)時(shí)間為9.6 ms，加熱區(qū)域溫度達(dá)到400 ℃時(shí)功耗為24 mW，并且加熱效率較高。微熱板性能優(yōu)異，符合MEMS氣敏半導(dǎo)體傳感器小型化、低功耗的發(fā)展趨勢，為化學(xué)偵察裝備的研制以及可穿戴氣體檢測裝備的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。