基于空气隔热层的MEMS微热板及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于空气隔热层的MEMS微热板及其制作方法，主要解决现有微热板温度分布不均和功耗大的问题，其自下而上包括：硅衬底(1)，下绝缘层(2)、上绝缘层(3)和覆盖层(4)；覆盖层(4)的上部中间设有测试电极(5)和加热电极(6)，且测试电极(5)被加热电极(6)所包围，覆盖层(4)上部的四个对角位置设有极板(7)，该硅衬底(1)通过腐蚀形成空气绝热槽(8)，该上绝缘层(3)中间自上而下设有通孔阵列(10)和空气隔热层(9)，下绝缘层(2)、上绝缘层(3)和覆盖层(4)通过腐蚀同时形成加热平台(11)和悬臂(12)，本发明专利技术温度分布均匀、功耗低，可用于气体传感器的加热装置。

【技术实现步骤摘要】
基于空气隔热层的MEMS微热板及其制作方法本专利技术属于微电子器件
，特别涉及MEMS微热板及其制作方法，可用于气体传感器中的加热装置。技术背景当前，微机电系统MEMS气体传感器以其高灵敏度、低功耗、小体积、易集成等众多优势，在人工智能、物联网、空气质量监测、化工生产和安全家居等领域发挥着极其重要的作用。MEMS气体传感器通常由MEMS微热板和气敏膜两部分组成，其中MEMS微热板发挥着至关重要的作用，它用于提供一个稳定且恒定的工作温度，以确保气敏膜可以准确地检测被测气体浓度变化，参见赵如如，MEMS集成甲醛传感器设计及性能检测研究，哈尔滨理工大学，2014。传统MEMS微热板结构,如图1所示，其中图1a为传统MEMS微热板的俯视图，图1b为传统MEMS微热板的AB剖面，图1c为传统MEMS微热板的CD剖面，图1d为传统MEMS微热板的EF剖面，图1e为传统MEMS微热板中加热电极的俯视图。该传统MEMS微热板自下而上包括：硅衬底、下绝缘层、加热电极、下电极板、上绝缘层、测试电极、上电极板和测试极板，该硅衬底通过腐蚀形成空气绝热槽，所述下电极板和上电极板之间设有接触孔，且下电极板和上电极板电气连接，所述下绝缘层和上绝缘层通过腐蚀形成加热平台和悬臂。然而，由于传统MEMS微热板将加热电极与测试电极制作于不同层的位置，导致MEMS微热板的功率较高，且MEMS微热板上的温度分布不均匀，即MEMS微热板中心温度与边缘温度差异很大，造成MEMS微热板上部各处气敏膜的气敏响应存在较大差异，最终影响整个气体传感器的气敏特性。r>
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于空气隔热层的MEMS微热板及其制作方法，利用空气隔热层显著改善微热板上温度分布的均匀性，利用同层的加热电极与测试电极有效减小微热板的功耗，提高整个气体传感器的气敏特性。为了实现上述目的，本专利技术基于空气隔热层的MEMS微热板，包括：硅衬底1，下绝缘层2、上绝缘层3、覆盖层4、测试电极5、加热电极6、极板7、空气绝热槽8、加热平台11和悬臂12；硅衬底1、下绝缘层2、上绝缘层3和覆盖层4自下而上分布，极板7位于覆盖层4上部的四个对角位置，加热平台11和悬臂12通过腐蚀下绝缘层2、上绝缘层3和覆盖层4同时形成，空气绝热槽8通过腐蚀硅衬底1形成，其特征在于：上绝缘层3中间自上而下设有通孔阵列10和空气隔热层9；该空气隔热层9为长方体空腔，其下界面与下绝缘层2的上界面重合，该长方体空腔在水平方向位于加热平台的区域内，其与加热平台边界的水平间距Q均相等，Q≥0μm；加热电极6和测试电极5位于覆盖层4的上部中间同一层，且测试电极5被加热电极6所包围。作为优选，所述加热电极6，其采用环绕形结构，以便于对测试电极5实施包围；所述测试电极5，其采用插指形结构，以提高测试的准确度。作为优选，所述硅衬底1选取p型(100)的硅片，其厚度h为200～500μm。作为优选，所述下绝缘层2的厚度td为1～5μm；所述上绝缘层3的厚度tu为1～2.5μm；所述覆盖层4的厚度tc为2～4μm；所述空气隔热层9的厚度ta为0.5～2.0μm，且ta<tu。作为优选，所述空气绝热槽8的深度g为5～100μm,其上表面在水平方向大于加热平台11区域，且上表面各边在水平方向与加热平台11边界的距离B均相等，20μm≤B≤150μm。作为优选，所述通孔阵列10由p行、p列大小相同的正方形通孔组成，p≥2，各正方形通孔的边长U满足0μm<U<1μm，相邻两正方形通孔的间距j满足0μm<j<10μm，最外围正方形通孔的边界与空气隔热层9边界的水平距离为F，且F>0μm，。为实现上述目的，本专利技术制作基于空气隔热层的MEMS微热板的方法，其特征在于，包括以下步骤：A)在硅衬底上采用热氧化工艺制作厚度td为1～5μm的SiO2绝缘介质，形成下绝缘层；B)在下绝缘层上淀积一层厚度为ta的易腐蚀材料层，ta的取值范围为0.5～2.0μm，并在易腐蚀材料层上制作掩膜，利用该掩膜刻蚀出形状为长方体的牺牲层；C)在牺牲层和下绝缘层上淀积一层绝缘介质，并进行平坦化处理，形成厚度为tu的上绝缘层，tu的取值范围为1～2.5μm，且tu>ta；D)在上绝缘层表面制作掩膜，利用该掩膜进行刻蚀，刻蚀至牺牲层上表面为止，形成通孔阵列，该通孔阵列由p行、p列大小相同的正方形通孔组成，p≥2，各正方形通孔的边长U满足0μm<U<1μm，相邻两正方形通孔的间距为j，最外围正方形通孔的边缘与牺牲层边界的水平距离为F，且F>0μm，0μm<j<10μm；E)利用在上绝缘层形成的通孔阵列，采用湿法腐蚀工艺完全腐蚀掉牺牲层，形成空气隔热层；F)在形成有空气隔热层的上绝缘层上淀积厚度为tc的介质材料，tc的取值范围为2～4μm，完全覆盖通孔阵列，并进行平坦化处理，形成覆盖层；G)在覆盖层上制作测试电极、加热电极和极板；H)在覆盖层、测试电极、加热电极和极板的上部制作掩膜，利用该掩膜进行刻蚀，且刻蚀至硅衬底表面为止，形成加热平台和悬臂，该加热平台的区域在水平方向大于空气隔热层的区域，且加热平台边界与空气隔热层边界的水平间距均为Q，且Q≥0μm；I)采用湿法腐蚀工艺腐蚀硅衬底，形成深度g为5～100μm的空气绝热槽，该空气绝热槽上表面在水平方向大于加热平台的区域，且加热平台边界在水平方向与空气绝热槽上表面各边的距离B均相等，且20μm≤B≤150μm，完成整个微热板的制作。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、温度均匀性好本专利技术由于采用了空气隔热层，有效抑制了加热电极产生的热量向加热平台外部的散失，从而提高了微热板的温度均匀性。2、功耗低本专利技术由于采用同一层金属制作加热电极与测试电极，因此可以有效减小加热电极与测试电极之间热量传递过程中的散失，从而可以显著减少微热板的功耗。仿真结果表明，本专利技术的温度均匀性以及功耗，明显优于传统MEMS微热板。附图说明图1为传统MEMS微热板的结构图；图2是本专利技术基于空气隔热层的MEMS微热板结构俯视图；图3是图2的AB横向剖面图；图4是图2的CD横向剖面图；图5是本专利技术中的通孔阵列分布图；图6是本专利技术基于空气隔热层的MEMS微热板的工艺制作流程图；图7是本专利技术与传统MEMS微热板的温度分布仿真对比图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例和效果作进一步详细描述。参照图2、图3、图4和图5，本专利技术基于空气隔热层的MEMS微热板的结构自下而上包括：硅衬底1、下绝缘层2、上绝缘层3和覆盖层4。所述覆盖层4上部中间设有测试电极5和加热电极6，其中测试电极5采用插指形结构，加热电极6采用环绕形结构，且测试电极5被加热电极6所包围。所述覆盖层4上部的四个对角位置设有极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于空气隔热层的MEMS微热板，包括：硅衬底(1)，下绝缘层(2)、上绝缘层(3)、覆盖层(4)、测试电极(5)、加热电极(6)、极板(7)、空气绝热槽(8)、加热平台(11)和悬臂(12)；硅衬底(1)、下绝缘层(2)、上绝缘层(3)和覆盖层(4)自下而上分布，极板(7)位于覆盖层(4)上部的四个对角位置，加热平台(11)和悬臂(12)通过腐蚀下绝缘层(2)、上绝缘层(3)和覆盖层(4)同时形成，空气绝热槽(8)通过腐蚀硅衬底(1)形成，其特征在于：/n上绝缘层(3)中间自上而下设有通孔阵列(10)和空气隔热层(9)；该空气隔热层(9)为长方体空腔，其下界面与下绝缘层(2)的上界面重合，该长方体空腔在水平方向位于加热平台的区域内，其与加热平台边界的水平间距Q均相等，Q≥0μm；/n加热电极(6)和测试电极(5)位于覆盖层(4)的上部中间同一层，且测试电极(5)被加热电极(6)所包围。/n

【技术特征摘要】
1.基于空气隔热层的MEMS微热板，包括：硅衬底(1)，下绝缘层(2)、上绝缘层(3)、覆盖层(4)、测试电极(5)、加热电极(6)、极板(7)、空气绝热槽(8)、加热平台(11)和悬臂(12)；硅衬底(1)、下绝缘层(2)、上绝缘层(3)和覆盖层(4)自下而上分布，极板(7)位于覆盖层(4)上部的四个对角位置，加热平台(11)和悬臂(12)通过腐蚀下绝缘层(2)、上绝缘层(3)和覆盖层(4)同时形成，空气绝热槽(8)通过腐蚀硅衬底(1)形成，其特征在于：
上绝缘层(3)中间自上而下设有通孔阵列(10)和空气隔热层(9)；该空气隔热层(9)为长方体空腔，其下界面与下绝缘层(2)的上界面重合，该长方体空腔在水平方向位于加热平台的区域内，其与加热平台边界的水平间距Q均相等，Q≥0μm；
加热电极(6)和测试电极(5)位于覆盖层(4)的上部中间同一层，且测试电极(5)被加热电极(6)所包围。


2.根据权利要求1所述的微热板，其特征在于，加热电极(6)，其采用环绕形结构，以便于对测试电极(5)实施包围。


3.根据权利要求1所述的微热板，其特征在于，测试电极(5)，其采用插指形结构，以提高测试的准确度。


4.根据权利要求1所述的微热板，其特征在于，硅衬底(1)选取p型(100)的硅片，其厚度h为200～500μm。


5.根据权利要求1所述的微热板，其特征在于，
下绝缘层(2)的厚度td为1～5μm；
上绝缘层(3)的厚度tu为1～2.5μm；
覆盖层(4)的厚度tc为2～4μm。
空气隔热层(9)的厚度ta为0.5～2.0μm，且ta<tu，其中tu为上绝缘层(3)的厚度。


6.根据权利要求1所述的微热板，其特征在于，空气绝热槽(8)的深度g为5～100μm,其上表面在水平方向大于加热平台(11)区域，且上表面各边在水平方向与加热平台(11)边界的距离B均相等，20μm≤B≤150μm。


7.根据权利要求1所述的微热板，其特征在于，通孔阵列(10)由p行、p列大小相同的正方形通孔组成，p≥2，各正方形通孔的边长U满足0μm<U<1μm，相邻两正方形通孔的间距j满足0μm<j<10μm，最外围正方形通孔的边界...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨翠，毛维，闵星，艾治州，史芝纲，王晓飞，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61