一种两悬梁MEMS阵列式陶瓷悬梁微热板的制作方法

一种两悬梁mems阵列式陶瓷悬梁微热板
技术领域
1.本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种两悬梁mems阵列式陶瓷悬梁微热板。


背景技术：

2.随着mems技术和微电子技术的不断发展，微热板因为其阵列化制作工艺、体积小，功耗低并且易于其他材料结合的巨大优势得到广泛应用，比如微型气体传感器，微加速计、微气压计以及薄膜量热卡计等。其中微热板在微型气体传感器的应用中占比最大。并且随时市场的需求，阵列式的微热板因其能够实现混合气体的检测而广受喜爱。
3.但是，这些微热板和阵列微热板的研究方向中，大多数为悬膜式微热板，因为悬膜式微热板的具有较低的热损而备受追崇。然而悬膜式微热板在使用过程中，因为长期的通电断电导致的热胀冷缩会将悬膜结构变得翘曲不平，从而引起很多不利影响，比如说加热丝阻值变化，气体传感器使用中敏感材料的脱落等。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是提供一种采用陶瓷为悬梁结构的两悬梁mems阵列式陶瓷悬梁微热板。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种两悬梁mems阵列式陶瓷悬梁微热板，包括单晶硅衬底；
7.陶瓷悬梁层，通过印刷、烘干、煅烧在所述单晶硅衬底上，所述陶瓷悬梁层中间印刷为阵列式i形支撑悬梁，所述i形支撑悬梁的中心交叉部形成功能区；
8.加热层及其电极端，沉积在所述陶瓷悬梁层上，所述加热层沉积在所述功能区上，所述电极端沉积在所述i形支撑悬梁外的所述陶瓷悬梁层上，所述电极端上下布置分别形成正负电极端，相邻两个功能区或多个功能区上的所述加热层单独使用一个所述正负电极端；
9.绝缘层，通过气相沉积法沉积在所述加热层上，覆盖所述i形支撑悬梁或者覆盖除所述加热层电极端外的陶瓷悬梁层上；
10.测试层及其电极端，所述测试层沉积在所述功能区处的所述绝缘层上，所述测试层电极端沉积在所述i形支撑悬梁外的所述陶瓷悬梁层上或者所述i形支撑悬梁外的所述绝缘层上，所述测试层电极端上下布置，所述相邻两个功能区上的所述测试层均单独使用一个正负电极端；
11.所述单晶硅衬底位于所述阵列式i形支撑悬梁处刻穿成空腔，使所述阵列式 i形支撑悬梁悬空构成陶瓷悬梁架。
12.进一步地，所述陶瓷悬梁层的厚度为50μm
‑
800μm。
13.进一步地，所述加热层的厚度为50nm
‑
500nm。
14.进一步地，所述绝缘层的厚度为100nm
‑
800nm。
15.进一步度，所述测试层为叉齿电极，其厚度为50nm
‑
500nm。
16.优选的，所述阵列i形支撑悬梁印刷为两组。
17.进一步地，所述绝缘层覆盖除所述加热层电极端外的陶瓷悬梁层上
18.本发明的有益效果是：
19.1.通过阵列式，实现混合气体的检测，并且采用具有更低导热系数和更坚硬的陶瓷材料作为mems微热板的悬梁结构，比传统的开隔热槽单晶硅悬梁微热板而言，隔热效果显著，整体结构更可靠，而且通过陶瓷悬梁有效能够降低自身功耗。
20.2.采用印刷、烘干和煅烧工艺将陶瓷与单晶硅衬底相结合，工艺简单可靠，成本更低。
附图说明
21.图1为本实用新型阵列式陶瓷悬梁层制备示意图；
22.图2为加热层制备示意图；
23.图3为绝缘层制备示意图；
24.图4为测试层制备示意图；
25.图5为单晶硅刻穿示意图；
26.图6为本实用新型应用示意图；
27.图中标记为：
28.1、单晶硅衬底，2、陶瓷悬梁层，3、加热层，4、绝缘层，5、测试层，101、空腔，201、i形支撑悬梁，202、功能区，301、加热层电极端，501、测试层电极端，601、第一敏感材料，602、第二敏感材料。
具体实施方式
29.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
30.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
31.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
32.一种两悬梁mems阵列式陶瓷悬梁微热板，如图1
‑
5所示，包括单晶硅衬底 1、陶瓷悬梁层2、加热层3及其电极端301、绝缘层4、测试层5及其电极端 501。
33.如图1所示，陶瓷悬梁层2，通过印刷、烘干、煅烧在所述单晶硅衬底1上，陶瓷悬梁层2中间印刷为阵列式i形支撑悬梁201，i形支撑悬梁201的中心交叉部形成功能区202。
34.如图2所示，加热层3及其电极端301，沉积在陶瓷悬梁层2上，加热层3 沉积在功能
区202上，电极端301沉积在i形支撑悬梁201外的陶瓷悬梁层2 上，电极端301上下布置分别形成正负电极端，相邻两个功能区或多个功能区 202上的所述加热层3单独使用一个所述正负电极端，这样可以实现通过施加不同的电压或电流达到不同的温度，以实现不同气敏材料所需要的最优工作温度，可以有效的降低功耗。
35.如图3所示，绝缘层4，通过气相沉积法沉积在加热层3上，覆盖i形支撑悬梁201或者覆盖除加热层电极端301外的陶瓷悬梁层2上。本实施例中，绝缘层4覆盖除加热层电极端301外的陶瓷悬梁层2上，将加热层3及其电极端301 之间的引线完全覆盖。
36.如图4所示，测试层5及其电极端501，测试层5沉积在功能区202处的绝缘层4上，测试层电极端501沉积在i形支撑悬梁201外的陶瓷悬梁层2上或i 形支撑悬梁201外的绝缘层4上，测试层电极端501上下布置，相邻两个功能区 202上的测试层5均单独使用一个正负电极端。
37.如图5所示，单晶硅衬底1位于阵列式i形支撑悬梁201处刻穿成空腔101，使阵列i形支撑悬梁201悬空构成陶瓷悬梁架。
38.本实施例中，阵列式i形支撑悬梁201印刷为两组，构成两个功能区202，分别形成两组加热层，两组加热层共用同一个加热层正负电极端，两个功能区 202处的绝缘层4上沉积两组测试层，两组测试层分别单独使用一个正负电极端，共形成两组测试层正负电极端，后期封装形成六个引脚，分别对应加热层电极端和两组测试层电极端。
39.如图6所示，后期封装时，在两组测试层上分别涂覆第一敏感材料601和第二敏感材料602共两种敏感材料，即可封装成具备有两种检测能力的气体传感器。
40.本实用新型两悬梁mems阵列式陶瓷悬梁微热板的制作方法如下：
41.s1：清洁单晶硅衬底1；利用酸溶液、有机溶剂和去离子水等容易对单晶硅衬底进行清洗，然后吹干，单晶硅衬底的尺寸为常用尺寸，可以为2寸、4寸、 6寸或8寸等。
42.s2：如图2所示，制备陶瓷悬梁层2，印刷：将陶瓷浆料以规则图案印刷在所述单晶硅衬底上，陶瓷悬梁层2中间印刷为阵列式i支撑悬梁201；将陶瓷浆料通过丝网印刷方式，在单晶硅衬底1上图案化，陶瓷浆料为玻璃、陶瓷材料和有机溶剂按照比例混合而成，印刷厚度为50μm
‑
800μm，悬梁的样式如图2所示。其中，陶瓷悬梁层的悬梁结构的宽度为本实用新型微热板宽度的2％
‑
30％，优先采用宽度为3.4％，相邻悬梁直角的间距大于等于0.2mm，这个尺寸即可以有效的避免每个加热单元引起的热辐射干扰，又可以将悬梁间距降到最低，实现更小的器件尺寸。烘干：然后将印刷后的所述陶瓷浆料进行初步烘干；烘干温度为50
‑
200℃，时间2
‑
24h。煅烧：最后将初步烘干后的所述陶瓷浆料进行煅烧，形成陶瓷层；煅烧温度为450
‑
1400℃，时间2
‑
24h。煅烧有利于悬梁陶瓷层2紧密坚硬、并且可以与单晶硅衬底1具有良好的附着力，保证陶瓷层的可靠性和稳定性。
43.s3：如图3所示，制备加热丝层3及其电极端301，在所述陶瓷悬梁层上通过匀胶光刻技术定义出加热层及其电极端的形状及位置，在利用磁控溅射技术沉积一层金属加热丝层及其电极端，在利用剥离工艺去除残留的光刻胶；金属加热丝采用金属铂或者金沉积。
44.s6：如图4所示，制备绝缘层4，采用气相沉积法在所述加热丝层上沉积一层绝缘层；采用pecvd技术，保持单晶硅衬底温度为100
‑
380℃，沉积一层厚度为100
‑
800nm的氧化硅层或者氮化硅层。
45.s7：如图5所示，制备测试层5及其电极端501，采用所述s5步骤制备测试层及其电
极端；沉积测试层后，也通过玻璃工艺去除残留的光刻胶。
46.s8：蚀刻成型，采用湿法蚀刻，在所述单晶硅衬底背面制定位置用浓硫酸刻穿形成空腔101，得到所述陶瓷悬梁式微热板。
47.以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。