MEMS氣體傳感器微熱板仿真設計及氣敏性能研究

張偉巖, 岳 宏, 劉繼江, 尹春岳, 孫略升, 王烜赫

(中國電子科技集團公司第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

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

本文通過對微熱板結構進行仿真分析,根據結果對其進行結構優化,從而解決微熱板熱串擾等難題。

1 MEMS氣體傳感器微熱板芯片設計

本文通過Ansys軟件對基于MEMS工藝的微熱板進行了仿真分析,開展微熱板的隔熱設計研究,對該結構的熱應力進行了分析,并對微熱板隔熱槽尖點出的連接結構進行了優化設計。獲得功耗低、結構穩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的復合結構,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),并對結構進行仿真分析,確定結構參數后制備微熱板器件。

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

圖1 平膜及懸膜結構高溫下溫場分布

然而該尺寸懸膜結構的微熱板邊界溫度也高達70 ℃以上,在此基礎上對微熱板結構進一步優化,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；縮小加熱電極的寬度和間距,降低同等功率下的驅動電流,其結構如圖2所示。

圖2 優化后的微熱板結構

優化后的懸膜結構的微熱板功耗僅為45 mW。從圖3中可以看出,當加熱平臺為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。

圖3 優化后懸膜結構高溫溫場分布

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

圖4 微熱板的熱應力分布

為降低微熱板的熱應力,本文在隔熱槽的尖點處設計圓角結構,從而減小懸臂梁附近的熱應力。從仿真圖5中可以看出,主要的熱應力仍發生在懸臂梁附近,但最大熱應力為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構不但可以避免應力集中,而且可以減小懸臂梁附近的熱應力。

圖5 倒圓角的微熱板熱應力分布

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氣相沉積技術制作SiO2和Si3N4薄膜,通過控制SiO2和Si3N4的膜厚減小微熱板的應力；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：利用電子束蒸發方式在介質層表面沉積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,采用光刻機進行紫外曝光，將曝光后的硅片置于顯影液中顯影，顯影結束后,利用反應離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)工藝對Pt薄膜進行圖形化,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鈍化層進行圖形化,制作引線孔；g.制作引出電極：利用電子束蒸發工藝在其上沉積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.刻蝕背面介質層：采用光刻工藝刻蝕出背面腐蝕區域,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域,并用RIE刻蝕Si3N4與SiO2,再用HF緩沖液漂至SiO2完全去除；j.結構層釋放：采用KOH和四甲基氫氧化銨(TMAH)交替腐蝕,釋放微熱板結構層。

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行燒結,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,懸臂梁結構所能承受的力有限,傳統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,根據顯微鏡移動噴頭,在微熱板涂覆區噴涂敏感膜漿料,諧振釋放機制保證膜的連續性和均勻性。

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,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裂紋,說明粉體材料沒有團聚,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

將負載敏感材料的微熱板器件與氣體傳感器電路板進行組裝,制備出氣體傳感器,在200 ℃時測試氣體傳感器對不同體積分數NO2(0.1×10-6～200×10-6)的瞬態響應和恢復特性,如圖8所示,結果表明：該傳感器對NO2具有較好的響應和恢復特性,檢測下限達到0.1×10-6。圖9則表明該傳感器樣機在200 ℃時,其響應值與NO2體積分數(0.1×10-6～200×10-6)間具有良好的線性關系。

圖8 氣體傳感器對不同體積分數NO2的瞬態響應—恢復曲線

圖9 傳感器的NO2體積分數與響應值曲線

3 結 論

本文通過對微熱板結構進行仿真設計,通過隔熱設計降低熱量向基底的傳導,減少熱損耗,成功制備了功耗僅為45 mW的微熱板芯片,設計圓弧應力勻散結構也改善微熱板的應力集中問題。測試器件對NO2的氣敏性能也表現出良好的響應和恢復特性,在體積分數區間內呈現良好的線性關系。