微型加熱器、氣體傳感器和紅外光源制造技術(shù)

本實用新型專利技術(shù)提供一種微型加熱器、氣體傳感器和紅外光源，所述微型加熱器具有（111）型硅片襯底、設(shè)置于（111）型硅片襯底上表面的抗腐蝕掩膜層和功能結(jié)構(gòu)層。所述功能結(jié)構(gòu)層具有貼附在抗腐蝕掩膜層上表面的加熱電阻條及其引線結(jié)構(gòu)。所述（111）型硅片襯底和抗腐蝕掩膜層及功能結(jié)構(gòu)層共同形成有位于微型加熱器整體中間上側(cè)位置處且懸空設(shè)置的加熱區(qū)、間隔形成在加熱區(qū)周圍的框架區(qū)。所述抗腐蝕掩膜層和功能結(jié)構(gòu)層共同形成有連接加熱區(qū)和框架區(qū)的支撐懸梁。所述（111）型硅片襯底包括形成在框架區(qū)下側(cè)的襯底框架、形成在加熱區(qū)底部的硅結(jié)構(gòu)層、采用各向異性濕法腐蝕工藝形成在襯底框架和硅結(jié)構(gòu)層之間的絕熱腔。（*該技術(shù)在2024年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)位于微電子機(jī)械系統(tǒng)
，尤其涉及一種微型加熱器及設(shè)置有該微型加熱器的氣體傳感器和紅外光源。
技術(shù)介紹
加熱器是熱相關(guān)氣體傳感器和熱輻射型紅外光源的關(guān)鍵部件之一。基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)制造的微型加熱器由于其低功耗、低成本、小體積和批量制造的特點，具有很高的性價比。MEMS微加熱器上覆蓋金屬氧化物半導(dǎo)體和電極即構(gòu)成金屬氧化物半導(dǎo)體式氣體傳感器；對于金屬鉑材料構(gòu)成的加熱電阻絲，由于其本身便具有一定的氣敏特性，在其上覆蓋一層催化劑材料，則構(gòu)成催化燃燒式氣體傳感器；在微加熱器上制作一層高輻射率材料則構(gòu)成紅外光源。由于這類熱相關(guān)氣體傳感器和紅外光源的加熱溫度對輸出信號有非常大的影響，因此在工作過程中需要保持溫度的穩(wěn)定。另一方面，為了降低器件的功耗，加熱區(qū)和襯底間常常制作空腔、懸臂梁等絕熱結(jié)構(gòu)，用來降低器件最主要的熱損耗一一熱傳導(dǎo)。從襯底材料上看，這些MEMS加熱器主要有兩種，一種是采用如氧化硅、氮化硅復(fù)合層作為支撐膜，與加熱電阻絲、氣敏層或輻射層等形成加熱區(qū)，這種結(jié)構(gòu)具有較高的絕熱性，并且熱質(zhì)量較小，適用于需要對溫度進(jìn)行高頻調(diào)制的應(yīng)用，但同時也因為比表面積大，容易由于熱對流造成溫度擾動，影響信號輸出的穩(wěn)定性；另一種是采用SOI (Silicon-On-1nsulator，絕緣襯底上的娃)襯底，除了第一種所述的復(fù)合層外，在其下方還具有一定厚度的硅結(jié)構(gòu)，既可以增加加熱區(qū)的機(jī)械強度，也可由于具有更大的熱容而實現(xiàn)對加熱區(qū)的保溫作用，減小表面熱對流對加熱區(qū)溫度的擾動，但這種結(jié)構(gòu)由于支撐梁也集成了一定厚度的硅材料，造成熱阻變小，增大了熱傳導(dǎo)，從而使器件功耗上升。因此，有必要對現(xiàn)有的微型加熱器予以改進(jìn)以解決上述問題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本技術(shù)的目的在于提供一種具有較大熱容同時熱損耗較小的微型加熱器、氣體傳感器和紅外光源。為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本技術(shù)提供了一種微型加熱器，其具有(111)型硅片襯底、設(shè)置于(111)型硅片襯底上表面的抗腐蝕掩膜層和功能結(jié)構(gòu)層；所述功能結(jié)構(gòu)層具有貼附在抗腐蝕掩膜層上表面的加熱電阻條及其引線結(jié)構(gòu)，所述(111)型硅片襯底和抗腐蝕掩膜層及功能結(jié)構(gòu)層共同形成有位于微型加熱器整體中間上側(cè)位置處且懸空設(shè)置的加熱區(qū)、間隔形成在加熱區(qū)周圍的框架區(qū)，所述抗腐蝕掩膜層和功能結(jié)構(gòu)層共同形成有連接加熱區(qū)和框架區(qū)的薄膜狀支撐懸梁，所述(111)型硅片襯底包括形成在框架區(qū)下側(cè)的襯底框架、形成在加熱區(qū)底部的硅結(jié)構(gòu)層、采用各向異性濕法腐蝕工藝形成在襯底框架和硅結(jié)構(gòu)層之間的絕熱腔。作為本技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，所述抗腐蝕掩膜層采用氧化硅掩膜、或氮化硅掩膜、或氧化硅和氮化硅復(fù)合掩膜。作為本技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，所述支撐懸梁的長寬比在1.7至300之間。作為本技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，在水平方向上，所述加熱區(qū)與框架區(qū)的相對側(cè)設(shè)置有抗腐蝕掩膜層。為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本技術(shù)還提供了一種氣體傳感器，其包括上述的微型加熱器以及成型在微型加熱器中的功能結(jié)構(gòu)層的加熱電阻條及其引線結(jié)構(gòu)外側(cè)的絕緣層和金屬氧化物氣敏層。為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本技術(shù)還提供了一種紅外光源，其包括上述的微型加熱器以及成型在微型加熱器中的功能結(jié)構(gòu)層的加熱電阻條及其引線結(jié)構(gòu)外側(cè)的高輻射率層。本技術(shù)的有益效果是:本技術(shù)中微型加熱器利用(111)硅片襯底的各向異性濕法腐蝕機(jī)制，在加熱區(qū)下側(cè)制作了一定厚度的硅結(jié)構(gòu)層，使加熱區(qū)具有較大的熱容，減小溫度的擾動，同時加熱區(qū)與襯底框架之間形成有絕熱腔，且支撐懸梁仍為薄膜結(jié)構(gòu)，具有較高的絕熱性能，熱傳導(dǎo)較小，從而可有效降低微型加熱器的功耗，并且本技術(shù)微型加熱器具有制作工藝簡單，加工成本低的優(yōu)點。【附圖說明】圖1a是本技術(shù)微型加熱器的制造方法中步驟SI所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1b是本技術(shù)微型加熱器的制造方法中步驟S2所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1c是本技術(shù)微型加熱器的制造方法中步驟S3所呈現(xiàn)的部分結(jié)構(gòu)示意圖。圖1d是本技術(shù)微型加熱器的制造方法中步驟S3所呈現(xiàn)的另一結(jié)構(gòu)示意圖。圖1e是本技術(shù)微型加熱器的制造方法中步驟S4-S5所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1f是本技術(shù)微型加熱器的制造方法中步驟S6所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2a是本技術(shù)微型加熱器的制造方法中步驟S2所呈現(xiàn)的與支撐懸梁軸向垂直的截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2b是本技術(shù)微型加熱器的制造方法中步驟S4所呈現(xiàn)的與支撐懸梁軸向垂直的截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2c是本技術(shù)微型加熱器的制造方法中步驟S5所呈現(xiàn)的與支撐懸梁軸向垂直的截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2d是本技術(shù)微型加熱器的制造方法中步驟S6所呈現(xiàn)的與支撐懸梁軸向垂直的截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3a是本技術(shù)微型加熱器的制造方法中步驟S3所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)俯視示意圖。圖3b是本技術(shù)微型加熱器的制造方法中步驟S5所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)俯視示意圖。圖3c是本技術(shù)微型加熱器的制造方法中步驟S6所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)俯視示意圖。【具體實施方式】以下將結(jié)合附圖所示的各實施方式對本技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)描述。但這些實施方式并不限制本技術(shù)，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本技術(shù)的保護(hù)范圍內(nèi)。請參照圖lf、圖2d及圖3c所示為本技術(shù)微型加熱器的一較佳實施例。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本技術(shù)的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本技術(shù)中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。本技術(shù)所述微型加熱器具有(111)型硅片襯底101、設(shè)置于(111)型硅片襯底101上表面的抗腐蝕掩膜層102和功能結(jié)構(gòu)層；所述功能結(jié)構(gòu)層具有貼附在抗腐蝕掩膜層102上表面的加熱電阻條及其引線結(jié)構(gòu)103。其中，所述(111)型硅片襯底101和抗腐蝕掩膜層102及功能結(jié)構(gòu)層共同形成有位于微型加熱器整體中間上側(cè)位置處且懸空設(shè)置的加熱區(qū)2、通過腐蝕窗口 105間隔形成在加熱區(qū)2周圍的框架區(qū)3。所述抗腐蝕掩膜層102和功能結(jié)構(gòu)層共同形成有連接加熱區(qū)2和框架區(qū)3的薄膜狀支撐懸梁109。所述(111)型硅片襯底101包括形成在框架區(qū)3下側(cè)的襯底框架1011、形成在加熱區(qū)2底部的硅結(jié)構(gòu)層107、采用各向異性濕法腐蝕工藝形成在襯底框架1011和硅結(jié)構(gòu)層107之間的絕熱腔106。請結(jié)合圖1a至圖1f、圖2a至圖2d以及圖3a至圖所示，本技術(shù)還涉及所述微型加熱器的制造方法，其包括以下步驟:S1、如圖1a所示，提供一(111)型硅片101作為襯底，并在該襯底101上表面刻蝕深度為tl的多個凹槽1010，以在襯底101頂部形成位于凹槽1010之間的加熱區(qū)硅結(jié)構(gòu)層107和多個連接加熱區(qū)硅結(jié)構(gòu)層107的支撐梁凸臺108 (如圖2a、3a所示)；S2、如圖la、2a和3a所示，在步驟SI獲得的結(jié)構(gòu)上表面制作絕緣的抗腐蝕掩膜層102 ;該上表面包括凹槽1010的內(nèi)壁面；其中，在本步驟中，所述抗腐蝕掩膜層可采用氧化硅掩膜、或氮化硅掩膜、或氧化硅和氮化硅復(fù)合掩膜；S3、如圖1c和Id所示，在步驟S2獲得的結(jié)構(gòu)上表面制作功能結(jié)構(gòu)層，該本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種微型加熱器，其具有（111）型硅片襯底、設(shè)置于（111）型硅片襯底上表面的抗腐蝕掩膜層和功能結(jié)構(gòu)層；所述功能結(jié)構(gòu)層具有貼附在抗腐蝕掩膜層上表面的加熱電阻條及其引線結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述（111）型硅片襯底和抗腐蝕掩膜層及功能結(jié)構(gòu)層共同形成有位于微型加熱器整體中間上側(cè)位置處且懸空設(shè)置的加熱區(qū)、間隔形成在加熱區(qū)周圍的框架區(qū)，所述抗腐蝕掩膜層和功能結(jié)構(gòu)層共同形成有連接加熱區(qū)和框架區(qū)的薄膜狀支撐懸梁，所述（111）型硅片襯底包括形成在框架區(qū)下側(cè)的襯底框架、形成在加熱區(qū)底部的硅結(jié)構(gòu)層、采用各向異性濕法腐蝕工藝形成在襯底框架和硅結(jié)構(gòu)層之間的絕熱腔。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：羅雯雯，
申請(專利權(quán))人：蘇州諾聯(lián)芯電子科技有限公司，
類型：新型
國別省市：江蘇;32