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m e m s 面型礅加热器的结构啦计与制作 m e m s 面型微加热器的结构设计和制作 昊雷( 微电子学与固体电子学) 指导导师：王跃林教授李铁研究员 摘要 随着m e m s 技术的不断发展，基于m e m s 技术的微型加热器在气体传感器、 红外探测器等领域的应用日趋广泛。m e m s 微加热器通常采用绝热性好的薄膜作为 衬底材料，具有体积小，功耗低，响应时间短，灵敏度高，重复性好，易于集成和 阵列化等一系列优点。本文在对国内外相关工作进行回顾的基础上，针对低功耗、 大均温面积的m e m s 技术面型微加热器开展了热学和力学上较为系统的设计工作， 设计出分别适用于真空和大气两种工作环境下的新型结构，并通过制造和测试对设 计进行了验证。获得了在大气下5 0 0 3 0 0 u m2 区域内温差仅o 0 5 。c 1 t m ，5 0 0 。c 高 温下功耗仅2 5 r o w 的新结构器件，总体上各项性能均好于现有报道。 在热学设计中，针对该器件在不同应用条件下的特点详细讨论了器件功耗、加 热效率、热时间常数等关键问题，并对大面积均温特性作了重点分析。建立了简化 的热学模型，通过解析解分析了真空和大气两种状态下微加热器温度分布特征及其 影响因素，得到了大面积均温微加热器热学设计的一些指导性原则。根据这些原则 提出了真空和大气下的几种新型结构，并结合有限元模拟结果对具体结构进行了优 化。 所得到的热学设计原则具体如下：( 1 1 真空和大气两种状态下微加热器的热学特 性差别较大，其设计应分别予以考虑；( 2 ) 在真空下，环形加热器结构可以获得较好 的均温特性，内部添加均热器可以进一步提高均温特性。模拟结果显示：在约 1 0 0 0 1 0 0 0 u m2 的封闭膜上，2 0 m w 功率可使最高温度达到6 4 0 k ，在约5 0 0 x6 0 0 u m 2 区域内温差仅为o 0 2 。c i ：( 3 ) 在大气下，由于热对流和气体热传导的存在，应 将加热丝适当扩展到反应区内部，以提高整体温度均匀性，具体结构可以通过有限 元模拟进行优化。经过优化的结构，在大气下模拟结果显示1 0 0 0 x 1 0 0 0 u m2 的封闭膜 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士擘位论文 摘要 上功耗约7 0 m w 时最高温度达到7 1 0 k ，在约5 0 0 3 0 0 u m2 区域内温差仅 0 0 5 “c p m 。 在力学设计方面，设计了一种通过应力补偿实现稳定机械性能的复合膜结构作为 器件的支撑膜：对各层薄膜实际应力进行测试，由测试结果对各层膜厚比例进行了 设计，以满足应力补偿的条件；采用有限元方法对器件进行了热应力模拟分析，研 究了高温在膜上产生的热应力。 本文还采用了热氧化、l p c v d 、磁控溅射等薄膜制各工艺以及硅的离子刻蚀、 各向异性腐蚀等工艺手段，制备了以p t 薄膜电阻为加热器和测温器的器件，解决了 金属薄膜腐蚀前合金化保护等问题。对完成制作的器件进行了电阻温度系数的标 定，按照标定结果通过测量电阻确定了器件温度，并在大气下进行了稳态、瞬态电 热特性和均温性能的测试。测试结果表明微加热器温度分布情况与有限元模拟结果 基本吻合。经模拟优化的加热器结构在大气下实现了低功耗和快响应：输入功率 2 5 m w 时可获得5 0 0 0 c 的高温，响应时间仅1 3 m s ，为此种新型的面型微加热器在 m e m s 气体传感器和红外探测等领域的应用打下了良好的基础。 关键词：微型加热器，微电子机械系统，气体传感器，微型光源 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 m e m s 面型微加热辨的结构设计与制作 t h es t r u c t u r ed e s i g na n df a b r i c a t i o no fm e m sm i c r oh e a t e r w u ，l e i ( m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i ds t a t ee l e c t r o n i c s ) a d v i s o r ：p r o f e s s o rw a n g ，y u e l i n & p r o f e s s o rl i ，t i e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e m st e c h n o l o g y , m i c r o h e a t e rb a s e do nm e m sh a s g r a d u a l l yg a i n e di t sw i d ea p p l i c a t i o n so ng a ss e n s o r s ，i n f r a r e dd e t e c t o r s ，i n f r a r e ds o u r c e s a n ds o m eo t h e rs e n s o r s b ye m p l o y i n gs o m et h i nf i l m sw i t hg o o dt h e r m a li n s u l a t i o na s t h es u b s t r a t e ，t h em i c r o h e a t e rp r e s e n t sas e r i e so fa d v a n t a g e ss u c ha sm i n i a t u r i z e ds i z e ， l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，f a s tr e s p o n s e ，h i g hs e n s i t i v i t y , g o o di t e r a t i o na n df e a s i b i l i t yo f s e n s o ra r r a yi n t e g r a t i o n w i t hab r i e f r e v i e wo nt h er e l a t e dw o r k si nt h i sa r e a ，s y s t e m a t i c t h e r m a la n dm e c h a n i c a ld e s i g no fam e m sb a s e dm i c r o - h e a t e gw h i c hc o n c e n t r a t e so n l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n du n i f o r mt e m p e r a t u r ei nal a r g ea r e a ，i sp e r f o r m e da n d c o n f i r m e dt h r o u g ht h ef a b r i c a t i o na n dm e a s u r e m e n t so ft h ea c t u a ld e v i c e s d e v i c e sw i t h n e ws t r u c t u r e si na t m o s p h e r es h o ws m a l lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo 0 5 。c i n ni nal a r g e a r e ao f5 0 0 3 0 0 u m 2 w i t hal o wp o w e ro f2 5 m wf o r5 0 0 。c ，w h i c ha r eb e t t e rt h a nt h e p r e s e n tp u b l i c a t e dr e s u l t s i nt h et h e r m a ld e s i g n ，s o m em i t i mp r o b l e m sc o n c e r n i n gp o w e rc o n s u m p t i o n ，h e a t i n g e f f i c i e n c ya n dt h e r m a lt i m ec o n s t a n te t c a r ec a r e f u l l yc o n s i d e r e da c c o r d i n gt ot h e i r d i f f e r e n t a p p l i c a t i o n s d i s c u s s i o n o nt e m p e r a t u r e u n i f o r m i t y i s e m p h a s i z e d t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e db a s e do n a s i m p l i f i e dt h e r m a lm o d e li n v a c u u n qa n da t m o s p h e r er e s p e c t i v e l y s o m et h e r m a l p r i n c i p l e sf o ram i c r o h e a t e rd e s i g nh a v eb e e no b t a i n e d o nt h eb a s i so ft h e s ep r i n c i p l e s ， s o m en e ws t r u c t u r e s w o r k i n g i nv a c u u mo r a t m o s p h e r e w i t hl a r g e - a r e au n i f o r m t e m p e r a t u r ea r ep r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y , a n df u r t h e ro p t i m i z e dt h r o u g hs i m u l a t i o nw o r kb y t h ef e am e t h o di na n s y s t h et h e o r e t i c a lt h e r m a la n a l y s i ss a y st h a t ，( 1 ) t h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo ft h e m i c r o h e a t e r w o r k i n g i nv a c u u ma n da t m o s p h e r ei s d e f i n i t e l yd i f f e r e n t ，d i f f e r e n t s t r u c t u r e ss h o u l db ec o n s i d e r e di nt h e s et w od i s t i n c ta p p l i c a t i o n s ；( 2 ) i nv a c u u r n ，t h e 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 s t r u c t u r ew i t har i n gh e a t e rs h o w sg o o dt e m p e r a t u r eu n i f o n n i t y , w h i c hc a l lb ef u r t h e r i m p r o v e db yah o m o g e n e o u sb l o c ki n s i d et h eh e a t e r t h es i m u l a t i o nw o r kd e r n o n s t r a t e s t h a tt h i ss t r u c t u r eo f f e r sat e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo f o 0 2 。c p mi n a na r e ao f 5 0 0 6 0 0 u m 2 w i t ht h em a x i m u mt e m p e r a t u r eo f6 4 0 ka n dt h es u p p l i e dp o w e ro f2 0 m w o na n1 0 0 0 t 0 0 0 u m 2 c l o s e dm e m b r a n e ；( 3 ) h la t m o s p h e r e d u et ot h ee x i s t e n c eo fg a s c o n v e c t i o na n dc o n d u c t i o n ，t h eh e a t e rs h o u l de n t e ri n t ot h ec e n t r a la r e at oi n c r e a s et h e i n n e r t e m p e r a t u r e ，w h i c hc a i li m p r o v et h e w h o l et e m p e r a t u r eu n i f o r m i t ye f f i c i e n t l y s i m u l a t i o n so ft h eo p t i m i z e ds t r u c t u r ei na t m o s p h e r es h o w sat e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo f o 0 5 。c i n n i na na r e ao f5 0 0 3 0 0 u m2 w i t ht h ep o w e r7 0 m wa n dt h em a x i m u l n t e m p e r a t u r e7 1 0 k i nt h em e c h a n i c a ld e s i g n ，am u l t i l a y e rm e m b r a n ei sd e s i g n e dt oc o m p e n s a t et h e i n n e rs t r e s s e sf o rh i 曲m e c h a n i c a ls t a b i l i t y , w h i c hi si m p o r t a n ti np r o c e s s t h e r m a l i n d u c e ds t r e s si sa l s os i m u l a t e dt oa n a l y z et h es t a b i l i t yo ft h em i c r o h e a t e r sw o r k i n ga t h i 曲t e m p e r a t u r e s o m ei cp r o c e s s e ss u c ha st h e r m a lo x i d a t i o na n dl p c v dt o g e t h e rw i mm a g n e t i c s p u t t e r i n go f m e t a lp t ，d r ye t c h i n ga n dw e te t c h i n gm e t h o d sa r ee m p l o y e dt of a b r i c a t et h e d e v i c e s t h ep r o t e c t i o nf o rt h em e t a lf i l md u r i n gt h ew e te t c h i n gp r o c e s si sr e a l i z e db y m e t a l l i z a t i o nb e f o r et h ee t c h i n g t h et c r ( t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to fr e s i s t i v i t y ) o fp t f i l mi st e s t e d i nac o n s t a n tt e m p e r a t u r ec a v i t y b a s e do nt h et e s t e dt c d e v i c e s t e m p e r a t u r eu n d e rd i f f e r e n ts u p p l i e dp o w e rc a nb ec a l c u l a t e df r o mt h er e s i s t a n c e so f t h e d e v i c e s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ed e v i c e s e l e c t r i c a la n dt h e r m a lp e r f o r m a n c e so f s t e a d ys t a t ea n dt r a n s i e n ts t a t e ，a sw e l la st h ep e r f o r m a n c eo ft e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yi n a t m o s p h e r ea r ew e l li na g r e e m e n tw i t ht h es i m u l a t i o n s t h ed e v i c e sw i t ht h eo p t i m i z e d s t r u c t u r ei na t m o s p h e r ed e m o n s t r a t e sah i 曲h e a t i n ge f f i c i e n c ya n df a s tr e s p o n s e ，w i t ha s u p p l i e dp o w e ro f2 5 m w , t e m p e r a t u r ea sh i 【g ha s5 0 0 0 c ，a n dt h et h e r m a lt i m ec o n s t a n t 1 3 m sa r ea c h i e v e d a l lt h e s ew o r kb u i l dt h eb a s ef o rs u c hn e wm i c r o - h e a t e r s a p p l i c a t i o n si nt h ea r e a so f g a ss e n s i n ga n di n f r a r e dd e t e c t i n g k e y w o r d s ：m i c r o h e a t e r , m e m s ，g a ss e n s o r , i n f r a r e dd e t e c t o r 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 m e m s 面型微加热器的设汁_ 制作 第一章绪论 1 1 微电子机械系统( m e m s ) 简介 1 1 1m e m s 及其特点 随着科学技术的不断进步，人们对自然界未知领域的研究越来越呈现出两极化 的发展趋势，一方面是针对宇宙的极大化研究，尺度特征为光年；另一方面是针对 原子、分子、电子的极小化研究，尺度特征为微米、纳米。随着对微观世界的探索， 微型化成为近二三十年自然科学和工程技术发展的重要趋势之一，并形成了一门新 兴的交叉学科，在美国称为微电子机械系统( m e m s m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m ) ，日本称为微机械( m i c r o m a c h i n e ) ，欧洲称为微系统技术( m s t ) 。m e m s 的 含义是指微小尺寸范围的装置和系统的设计、研究和制造以及它们与宏观世界的连 结和集成。m e m s 的目的在于将微结构的传感技术、致动技术和微电子控制技术集 成于一体，形成同时具有“传感一计算( 控制) 一执行”功能的智能微型装置或系统【l “。 作为一门交叉学科，m e m s 的重要意义不仅在于能缩小体积、减少成本，它的 研究和发展更为在微观领域探索新原理、开发新功能、制造新器件提供了途径。综 观其技术特征和相关理论基础，m e m s 特点大致可以归纳如下： 1 微型化：在微小尺寸范围内，机械依其特征尺寸可以划分为1 - l o m m 的小型机械， 1 a n l m m 的微型机械以及l n m 一1 a n 的纳米机械。所谓m e m s 广义上包括了微 型机械和纳米机械。同时，m e m s 又不仅是物理上的微观层次，它有着因微型 化带来的能耗低，惯性小，品质因子和谐振频率高，响应时间短等特点。 2 以单晶硅( s i ) 为主要加工材料，有着优良的机械性能和电性能：s i 材料的强度、 硬度、和杨氏模量与f e 相当，密度和灿近似，热传导率与m o 和w 不相上下。 3 可批量生产和集成化：m e m s 的发展源于微电子技术，可以大批量、低成本生 产；其制造工艺与传统“i c ”工艺的兼容性可将微型传感器、微型机构、微型执行 器以及信号处理和控制电路、接口、通讯系统以及电源集成为一体，实现智能微 系统。 4 各学科领域交叉程度大：作为典型的多学科交叉的前沿性研究领域，m e m s 目 前的研究已经涉及电子、机械、材料、光学、流体、化学、医学、生物等学科， 技术影响遍及包括各种传感器件、医疗、生物、通讯、机器人、国防、能源以及 航空航天领域。 中国科学院上海微系统与信g 技术研究所硕士学位论文 ： 第一章绪论 m e m s 研究最早可追溯到卜个世纪6 0 年代第一个硅微压力传感器的问世，其 后1 9 8 8 年美国加州大学伯克立分校m u l l e r 研究小组成功研制转子直径为6 0 1 0 0 t i n 的硅静电电机，揭示了应用硅( s i ) 微加工技术制造微小可动结构的可行性，由于其具 有与集成电路的兼容性，引起了各国科学界，产业界和政府部门的高度重视【4 1 。现 今m e m s 研究以美国，日本，德国最具代表性。我国对m e m s 的研究从8 0 年代中 期开始展开，国家自然科学基金、“8 6 3 ”计划等对m e m s 的研究都给予了充分的重 视和资助。据国外权威统计公司s p c 的统计，我国m e m s 的研究处于世界第八位 ( 4 - 卯一 1 1 2m e m s 技术基础 m e m s 技术是以包括微细加工技术( m i c r o t e c h i l i q u e s ) 、系统级技术 ( s y s t e m t e c h n i q u e s ) 、以及材料技术和相关物理机制( m 砒e r i n sa n de 髓c t s ) 在内的技 术和理论为基础的“，其大致关系可见图1 1 。 图1 1m e m s 的技术和理论基础 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学住论文 m e m s 面型微加热擀的设计与制作 微细加工技术是微电子机械系统的核心，也是m e m s 技术中最活跃的领域。 m e m s 涉及到的加工技术主要有：在微电子加工技术之上发展起来的以表面微加工 技术( s u r f a c em i c r o m a c h i n i n g ) ，体微加工技术( b u l km i c r o m a c h i n i n g ) 为代表的硅基微 加工技术；键合技术( w a f e rb o n d i n g ) ；以及一些非硅微细加工技术( n o n s i l i c o n m i c r o m a c h i n i n g ) 1 2 。8 】，见图1 2 。下面我们分别予以简单介绍。 s u r f a c em i o r o m a e h i n i n g b u l kt n i o r o t n a c h i n i n g _ 。x , f a f c a rb o n d i n g i n t e g r a t e dc i r o u i tt a bb u l km i c r o m a o h i n i n g 1 - t m 1 0 f x i n1 0 0 p m+ 1 0 0 0 弘m f e a t u r e e e p t h ( u r n ) 图1 2 微细加工技术的特征尺寸 表面微加工技术： 表面微加工技术是在基底材料( 如硅，玻璃、铝) 表面利用集成电路中的平面 化制造技术来制造可动的微机械结构，其基底材料本身只是作为衬底并不参与加工 过程。表面微加工技术主要包括结构层和牺牲层的制备和腐蚀，主要工艺包括湿法 腐蚀、干法刻蚀和薄膜沉积。它首先通过薄膜的沉积和成型，然后再通过有选择性 的蚀刻来移走牺牲层，余下的部分形成结构层，为微器件提供敏感元件、可动部件、 以及电接触等 2 , 6 , 7 1 。它的优点是能够充分利用现有的i c 生产工艺，对尺寸的控制精 度高，与i c 兼容；但布局的平面化也限制了表面加工，它所制造的机械结构基本都 是二维的，厚度完全受限于沉积薄膜的厚度。 体微加工技术： 体微加工技术是将体材料如单晶硅基片加工成微机械结构的加工过程，它是制 造三维结构的一种方法。主要工艺是选择性化学蚀刻( 9 - 干法和湿法两种) 1 2 , 7 1 。由 于硅在腐蚀液里具有不同的刻蚀速率，因此对硅的腐蚀又分为各向同性腐蚀和各向 异性腐蚀。各向同性腐蚀是指腐蚀时，腐蚀速率在各个方向上相同，而各向异性腐 蚀是指腐蚀时在某一个方向上的腐蚀速率相同。与表面微加工技术相比，体微加工 的工艺尺寸较大，通常在几微米到几百微米。 键合技术： 键合技术是将制作出的微结构部件通过键合的方法制成微器件的加工方法。它 又分为硅熔融键合( 热键合) 和静电键合【”。硅熔融键合是借助粘合剂通过化学反 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学拄论丈 第章绪论 应在相邻硅原子之间，2 生共价键形成的键合，而静电键合是在静电作用下使紧密接 触的界面在高温f 发生化学反应形成化学键的键合，静电键合可将玻璃与金属、合 金或半导体键台在一起，其气密性和稳定性更高。 非硅微加工技术： 非硅微加工技术包括诸如l i g a 技术、激光微机械加工技术、深等离子刻蚀技 术、紫外线厚胶刻蚀技术等一些采用x 光、紫外光深层光刻、电铸、感应耦合等离 子体硅刻蚀等工艺，实现具有高深宽比、高各向异性选择比的微机械结构制造技术 【9 1 。 1 1 3m e m s 发展前景和面临的问题 经过几十年的发展，m e m s 制造技术和理论研究不断深入，显示出了以下几个 发展趋势：1 ) 制造工艺多样化，微型化，重复性好。2 ) 系统级技术智能化，集成 化，多功能化 3 川。3 ) 制造技术的进步和微尺度下理论研究的突破使微机电系统开始 向纳机电系统( n e m s ) 过渡【l 。 当然，m e m s 技术也面临着一些问题。目前m e m s 发展势头强劲，但是研究 开发和工业化规模生产之间转化速度慢，还需要解决如设计技术、封装与测试、可 靠性、应用研究和标准化等问题【3 ，4 ；m e m s 涉及面广，设计过程复杂、周期长，极 大地限制了m e m s 技术的发展：另外，对于m e m s 理论研究方面虽取得了一些进 展，但是并不系统，有待进一步研究。总之，微机电系统在应用系统设计、器件建 模仿真、加工、封装测试等方面还没有产生成熟、系统性的方法，无论是其基础理 论还是应用系统研究都有着广阔的空间。 1 2 气体传感器技术 1 2 1 气体传感器历史 气体传感器的研究始于上个世纪三十年代，五十年代出现了第一个商用气体传 感器。经过五十多年的发展气体传感器已经成长为一个年销售额达数亿美元的大型 市场，传感器的品种也达到了数百种。传统的气体传感器主要用于家庭中常用的煤 气、液化石油气、天然气以及矿井中瓦斯气体的监测和报警。随着人类社会进入信 息化时代，作为获取信息的重要技术手段之一，以敏感元器件及传感技术为代表的 敏感技术的地位越来越得到人们的重视。其中气敏技术或气体传感器技术作为敏感 技术的一个重要领域，吸引了目前世界各国投入大量人力物力进行研究【1 五”j 。据有 4 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 第毫绪论 应在相邻硅原子之间产生共价键形成的键合，而静电键合是在静电作月f 使紧密接 触的界面在高温下发生化学反应形成化学键的键合，静电键台町将玻璃与金属、合 会或半导体键合存一起，其气密性和稳定性更高。 非硅微加工技术： 非硅微加工技术包括诸如l i g a 技术、激光微机械加工技术、深等离子刻蚀技 术、紫外线厚胶刻蚀技术等一些采用x 光、紫外光深层光刻、电铸、感应耦合等离 子体硅刻蚀等工艺，实现具有高深宽比、高各向异性选择比的微机械结构制造技术 引。 1 1 3m e m s 发展前景和面临的问题 经过几十年的发展，m e m s 制造技术和理论研究不断深入，显示出了以下几个 发展趋势：1 ) 制造工艺多样化，微型化，重复性好。2 ) 系统级技术智能化，集成 化，多功能化【j 。3 ) n 造技术的进步和微尺度下理论研究的突破使微机电系统开始 向纳机电系统( n e m s ) 过渡i j 。 当然，m e m s 技术也面临着一些问题。目前m e m s 发展势头强劲，但是研究 开发和工业化规模生产之间转化速度慢，还需要解决如设计技术、封装与测试、可 靠性、应用研究和标准化等问题p 】；m e m s 涉及面广，设计过程复杂、周期长，极 大地限制了m e m s 技术的发展：另外，对于m e m s 理论研究方面虽取得了一些进 展，但是并不系统，有待进步研究。总之，微机电系统在应用系统设计、器件建 模仿真、加工、封装测试等方面还没有产生成熟、系统性的方法，无论足其基础理 论还是应用系统研究都有着广阔的空间。 1 2 气体传感器技术 1 2 1 气体传感器历史 气体传感器的研究始十上个世纪三| _ 年代，五f 一年代出现了第一个商用气体传 感器。经过五十多年的发展气体传感器已经成长为一个年销售额达数亿美元的大型 市场，传感器的品种也达到了数百种。传统的气体传感器主要用于家庭中常用的煤 气、液化石油气、天然气以及矿井中瓦斯气体的监测和报警。随着人类社会进入信 息化时代，作为获取信息的重要技术手段之一，以敏感元器件及传感技术为代表的 敏感技术的地位越来越得到人们的重视。其中气敏技术或气体传感器技术作为敏感 技术的一个重要领域，吸引了目前世界各国投入大量人力物力进行研究l 1 2 , 1 3 。据有 技术的一个重要领域，吸引了目前世界各国投入大量人力物力进行研究i l o “l 。据有 4中国科学院上海擞糸统与信息技术研究所硕士学住沧五 第章绪论 应在相邻硅原子之间，2 生共价键形成的键合，而静电键合是在静电作用下使紧密接 触的界面在高温f 发生化学反应形成化学键的键合，静电键合可将玻璃与金属、合 金或半导体键台在一起，其气密性和稳定性更高。 非硅微加工技术： 非硅微加工技术包括诸如l i g a 技术、激光微机械加工技术、深等离子刻蚀技 术、紫外线厚胶刻蚀技术等一些采用x 光、紫外光深层光刻、电铸、感应耦合等离 子体硅刻蚀等工艺，实现具有高深宽比、高各向异性选择比的微机械结构制造技术 【9 1 。 1 1 3m e m s 发展前景和面临的问题 经过几十年的发展，m e m s 制造技术和理论研究不断深入，显示出了以下几个 发展趋势：1 ) 制造工艺多样化，微型化，重复性好。2 ) 系统级技术智能化，集成 化，多功能化 3 川。3 ) 制造技术的进步和微尺度下理论研究的突破使微机电系统开始 向纳机电系统( n e m s ) 过渡【l 。 当然，m e m s 技术也面临着一些问题。目前m e m s 发展势头强劲，但是研究 开发和工业化规模生产之间转化速度慢，还需要解决如设计技术、封装与测试、可 靠性、应用研究和标准化等问题【3 ，4 ；m e m s 涉及面广，设计过程复杂、周期长，极 大地限制了m e m s 技术的发展：另外，对于m e m s 理论研究方面虽取得了一些进 展，但是并不系统，有待进一步研究。总之，微机电系统在应用系统设计、器件建 模仿真、加工、封装测试等方面还没有产生成熟、系统性的方法，无论是其基础理 论还是应用系统研究都有着广阔的空间。 1 2 气体传感器技术 1 2 1 气体传感器历史 气体传感器的研究始于上个世纪三十年代，五十年代出现了第一个商用气体传 感器。经过五十多年的发展气体传感器已经成长为一个年销售额达数亿美元的大型 市场，传感器的品种也达到了数百种。传统的气体传感器主要用于家庭中常用的煤 气、液化石油气、天然气以及矿井中瓦斯气体的监测和报警。随着人类社会进入信 息化时代，作为获取信息的重要技术手段之一，以敏感元器件及传感技术为代表的 敏感技术的地位越来越得到人们的重视。其中气敏技术或气体传感器技术作为敏感 技术的一个重要领域，吸引了目前世界各国投入大量人力物力进行研究【1 五”j 。据有 4 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 m e m sl 面型徽加热器的设计与制作 关统计，美围相关安全法令颁布后，在1 9 9 6 年剑2 0 0 2 年，气体传感器年均增睦率 为2 7 3 0 。 气体传感器种类繁多，根据气敏特性大致可以分为半导体式、固体电解式、接 触燃烧式、光学式、热导式等【” ：其中最为成熟应用最为广泛的当属半导体式。半 导体的气敏特性最早由b r a t t a i n 和b a r d e e n 1 4 1 司于1 9 5 2 年提出，不久t a g u c h i ( 1 6 1 和 s e i y a m a n 【”】就分别报道了基于金属氧化物的半导体陶瓷气体传感器。 图1 3 丝网印刷技术制作的陶瓷衬底的半导体金属氧化物气体传感器 现今t a g u c h i 式的气体传感器仍在市场上占有很大比重，丝网印刷技术的使用 使得这种厚膜的金属氧化物半导体传感器得以批量生产，结构简单，制作方便、较 好的性能也使其在各领域应用广泛【l5 1 。但是此类传感器存在功耗大，一致性、选择 性差，由于采用陶瓷衬底这种厚膜材料，单个器件功耗高，普遍在2 0 0 m w - 1 w 之间 “副；由于阵列化难度大，其选择性只能通过掺杂、催化、选择最佳温度来优化；另 外器件与信号处理的电学单元难以集成 1 4 i 。这些都成为制约此类气体传感器发展的 障碍。 1 2 2m e m s 技术微结构气体传感器 随着科技的发展、人们生活水平的提高以及酸雨、温室效应、臭氧层破坏、环 境污染等生态问题的出现，对气体传感器的需求也在不断发生变化，新的研究课题 不断被提出，研究内容不断增加，难度相应增大；例如，检测气体从原来的还原性 气体( h 2 、c 4 h 1 0 、c 1 4 4 等) 扩展到有毒气体( c o 、n 0 2 、h 2 s 、n o 、n h 3 、p h 3 等) 以及 与食品相关的气体( 鱼肉鲜度、醋酸乙脂等) 【i ”，这不但要求气体传感器必须有较 高的灵敏度和选择性，重复性和稳定性要好，而且要能批量生产、性能价格比要高 等。目前能实现实时地对各种气体进行监测分析、反馈控制的有气象色谱分析等仪 中国科学院上海微系统与信皂技术研究所硕士学位论文5 第辛绪论 器，但其仪器体积庞人、不易连续、实时、实地检测。 近年来，m e m s 技术使得气体传感技术有了飞跃性的发展。基于m e m s 技术 制作的微结构气体传感器有着体积小、功耗低、灵敏度高、重复性好、易批量生产、 成本低、加工工艺稳定，易于阵列化并能与信号采集和处理电路集成的优点，这使 气体传感技术实现真正的智能化成为可能。将气体传感器的阵列化技术和模式识别 技术相结合可以极大地改善变量分析中的选择性，利用阵列中不同传感器的交叉选 择性来确定混合气体中的特定分量，就可以给出各分量浓度的定量信息 1 8 】。 m e m s 技术气体传感器的研究始于9 0 年代初期，g a l l 1 9 】和s u e h l e 2 0 l 在1 9 9 1 年 和1 9 9 3 年相继发表了基于m e m s 技术的平面热折线型气体传感器和与c m o s 工艺 兼容的热平板式气体传感器。目前，基于m e m s 技术的微结构气体传感器已经发展 出了较多的种类，成为了气体传感器领域的一种主要的结构形式。从它们与气体分 子的作用机理来看大致可以分成三种类型：电量型器件、质量型器件和电量、质量 双参数型器件【l ”。 电量型器件利用敏感元件接触被测气体后所发生的电学量的变化来实现对气体 的检测。电学量包括敏感膜的电导、二极管的反向电流、场效应管的阈值电压。具 体有薄膜电导型、平面热线型、场效应管型、二极管型、晶体管型、电化学式、固 态电解质式等几种类型。 质量型器件是利用气体敏感膜吸附了被测气体后敏感膜的质量发生变化来进行 气体检测的，这类传感器将被测量转换为频率输出，因此具有精度高、抗干扰能力 强、易于与计算机等处理系统接口等优点。目前已有石英晶体型和硅粱谐振器两种 类型。 质量电量型双参数器件利用了在化学分析中元素荷质比不同来区分各种元素的 原理，分别测出被测气体分子的质量和电荷量，以其苟质比的不同来区分各种气体 分子。质量电量型器件综合了质量型器件和电量型器件各自的优点，对气体有较高 的选择性，只用一个传感器就可同时得到被测气体分子的质量和电荷量。这一类型 的有声表面波型和双参数硅梁型等。 电量型器件研究时间最早、范围最广，是目前m e m s 微结构气体传感器的主流 结构。这其中又以薄膜电导型和平面热折线型为代表，是近年来气体传感器研究的 热点。 薄膜电导型气体传感器： 这类气体传感器是利用敏感膜吸附气体后敏感膜电导率的变化来实现对气体的 检测的。图1 4 是其典型结构图。它由加热元件、温度传感器、又指电极、气体敏 感膜和硅衬底几部分组成。加热元件一般用扩散电阻、多晶硅或金属p t 制成；叉指 电极用于感应敏感膜电导率的变化，一般选择金电极；气体敏感根据被测气体的不 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 m e m s 而型撇加热器的改计与制怍 同可以选用金属氧化物半导体( 如s n o ：，w 0 3 ，z n o ，f e ：0 3 等) 膜或有机高分子敏感 膜。为了进一步减少功耗，可以用硅的各项异性腐蚀技术从背面将硅衬底减薄，进 一步减少热耗散。 这类传感器的特点是结构简单，制作方便，可以根据被测气体选择敏感膜，理 论上可以适用于任何一种气体的检测，属于目前应用最广的一种微结构气体传感器 结构形式。 ：氯他 图1 4 薄膜电导型气体传感器结构示意图 平面热折线型气体传感器： 这类气体传感器实际上是一种高温电阻温度计，可燃性气体在催化氧化的过程 中所放热量会引起温度的变化，而这种温度的变化又与气体种类和浓度有关，平面 热折线型气体传感器正是通过测量该温度的变化量来实现对气体的检测。传感器的 选择性可以由不同的催化剂来控制。要得到高的气体灵敏度，元件应有高的温度灵 敏度，而且元件的敏感面应足够地热，以激活被测气体的催化反应。图1 5 是g a l l 等人制作的平面热折线型气体传感器的结构图【1 ”，硅衬底上用l p c v d 的方法生长 1 5 0 r i m 厚的氮化硅，再在氮化硅上淀积一层钯金属膜作为加热器、测温器和催化剂， 并在金属膜上依次覆盖绝缘层( a 1 2 0 3 ) 和制作催化剂层。 金属膜 图1 5 平面热线型气体传感器结构示意图 氮化硅薄膜 硅衬底 除此之外，近年来基于m e m s 的非色散式红外( n d i r ：n o n d i s p e r s i v ei n f r a r e d ) 气体传感器 2 2 ，2 3 1 发展较快，这种传感器利用气体对特定波段红外光的吸收 2 4 ，2 5 1 或是通过光声效应2 6 ，2 7 1 来对可燃性气体进行探测并能进行精确定量的化学分析，本 文将在下一节微型加热器在红外光源的应用中作简单介绍。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 第章绪论 1 3 微型加热器技术 1 3 1 气敏传感器中的微型加热器 前文所述的薄膜电导型和平面热折线型两种m e m s 技术气敏传感器具有共同 的典型特征：采用封闭膜或悬膜 1 4 , 2 8 】结构，在膜上集成面型微加热器和催化剂，通 过微加热器将膜中心区域加热到适当的温度( 3 0 0 5 0 0 。c ) ，从而借助高温下催化剂 和被探测气体的反应对气体进行探测。这种结构的核心是被称作有源区( a c t i v ea r e a ) 的部分，制作在以s i 为外框架的支撑膜上，包括加热器、温度传感器和气敏薄膜。 支撑膜上的有源区和外框架之间形成很好的热隔离，使得器件在较小的功率下就可 以达到气体探测所需要的高温，而s i 框架和电极引线仍保持在室温。在这一器件中， 电势、电压的测定、选择性、灵敏度、响应时间和传感器的恢复都依赖于温度，因 此加热器以及温度传感器是此类气体传感器的核心部件之一。敏感材料通常在特定 的温度下才能和某一气体发生反应，产生敏感作用，因此对加热器的设计要求是能 够获得尽可能大面积的均匀温区，这样有利于保证器件的选择性和灵敏度。下面对 微加热器的两个主要组成部分：支撑膜和加热电阻的材料，结构进行简单介绍。 支撑膜： 面型微加热器的支撑膜材料通常有两种：一种是氧化硅、氮化硅组成的厚度在 l u m - 2 u m 之间的复合膜 2 9 , 3 0 , 3 1 】，另一种是