[发明专利]基于空气隔热层的MEMS微热板及其制作方法

说明书

本发明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)，本发明温度分布均匀、功耗低，可用于气体传感器的加热装置。

本发明属于微电子器件技术领域，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。

发明内容

本发明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，本发明基于空气隔热层的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t_d为1～5μm；所述上绝缘层3的厚度t_u为1～2.5μm；所述覆盖层4的厚度t_c为2～4μm；所述空气隔热层9的厚度t_a为0.5～2.0μm，且t_at_u。