微热板器件及包括此类微热板器件的传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种微热板器件，其包括：框架、薄膜、包括至少一有源层的有源区以及被设计成加热所述有源层的加热结构，所述加热结构具有同心的轨径，并且所述加热结构包括内轨径(20)和内间隔(22)以及外轨径(24)和外间隔(26)，所述外轨径(24)和外间隔(26)是位于最远离所述加热结构的中心处的一个或两个轨径和间隔，其特征在于，所述外轨径(24)被设计成与自身相邻轨径的靠近度较所述内轨径(20)与自身相邻轨径的靠近度更高和/或被设计成具有较所述内轨径(20)更小的宽度，所述内轨径(20)的宽度和间距基本恒定。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】微热板器件及包括此类微热板器件的传感器
本专利技术涉及微热板器件。本专利技术也涉及包括此类微热板器件的传感器，所述传感器更具体地为气体传感器器件。
技术介绍
基于MEMS的微热板器件被越来越普遍地用于诸如微型流量传感器或气体传感器等应用中，其探测原理基于周围气体或有源功能层的温度升高。当被集成到便携式装置中时，这些微传感器的小尺寸具有优势。然而，在此类应用中，重要参数不仅在于小尺寸，还在于低的功率消耗，这是因为该重要参数对便携式仪器的电池寿命产生直接影响。为此，已进行了大量研发，旨在使这些传感器的效率最大化，即在使微热板的功率消耗最小化的同时使其灵敏度、选择性、稳定性和响应速度最大化。微热板通常基于一延伸跨过刚性框架的薄膜结构，在该薄膜结构上沉积有电阻式加热结构以将薄膜的有源区加热至给定的所需温度。有源区的温度均匀度是对于良好传感器效率的关键因数，即对于必须保持的尽可能低的消耗功率的最佳使用的关键因数。温度均匀度可通过针对加热结构使用合适的图案而得以优化。用于微热板的最常用且最直接的加热电阻器图案为例如在EP0859536和WO02/080620中所示的简单弯曲式恒定宽度且等距间隔的轨径。这一类型的加热器代表一种近似均匀的热源但却由于经过薄膜到冷框架的热传导损失而得到不均匀的温度分布。图1示出了在(该示例中目标温度为500℃的)有源区中使用均匀热源在整个微热板上得到的一类温度曲线图(曲线A)与已求得的理想均匀温度曲线图(曲线B)的对比。为了对温度均匀度的缺乏进行校正，主要研究了两种策略：通过使用附加的散热板来增大有源区内的热导率从而通过在薄膜平面内的传导局部地促进热传递并且因而减小该有源区中的温度梯度；通过改变加热器的截面和/或其位置来局部地调整耗散的热量。第一策略中的散热板可以例如是位于薄膜下的硅岛(例如WO00/75649，或者“CMOSmicrohotplatesensorsystemforoperatingtemperaturesupto500℃”byGrafetal.,SensorsandActuatorsB117(2006)346-352(运行温度高达500℃的CMOS微热板传感器系统，Graf等人，传感器和致动器B，2006(117)：346-352)或者位于加热器与有源区之间的两个电介质层间的附加的金属板(例如GB2464016)。根据散热板的导热率的不同，这一方式或多或少有效地减小了有源区中的温度梯度。然而，在任一情况下，制作这一附加的散热板都代表了以下各项的显著增加：工艺复杂度、工艺步骤的数量以及与工作在高温下的多层结构中的热机械应力相关联的风险。此外，这一散热板代表一附加的热质量，该热质量增大了微热板的热惯性因而也增大了其热响应时间，对于在循环模式下使用这些微热板的应用，例如当微热板被用作IR吸收气体传感器中的IR发射器时，增大热响应时间是主要的不足。第二策略不会带来这些不足，这是因为其仅依赖于改变现有层的形状因而不需要任何附加层抑或任何附加的工艺步骤，并且也不会增大待加热体的热质量。已经进行了通过对耗散的热量的局部调整来提高微热板的温度均匀度的各种经验尝试。一种方式在于在加热器轨径中创建一个或更多个凹陷(例如EP1273908或者US2004/118202)以在该凹陷中局部地抑制热源并且同时由于热流线的局部强制集中而增大凹陷的边界处的热耗散。另一方式在于仅加热有源区的外围(参见例如US7279692或者“Fabricationandcharacterizationofmicro-gassensorfornitrogenoxidesgasdetection”byLeeetal./SensorsandActuatorsB64(2000)31-36(用于探测氮氧化物气体的微气体传感器的制造与表征)，Lee等人，传感器和致动器B，2000(64)：31-36)。前两种方式通常都得到如图1中曲线C所示的在非加热中心具有或较重要或较不重要的温度下降的温度曲线图。其他方式在于通过从蜗形加热器轨径的中间到边界逐渐减小轨径宽度(EP2278308)或者反过来通过朝向有源区的边界增大轨径宽度(WO2007/026177)来改变轨径的截面。其他设计还将可变的轨径宽度与可变的轨径间距相结合(“Optimizationofawafer-levelprocessforthefabricationofhighlyreproduciblethin-filmMOXsensors”byElmietal.,SensorsandActuatorsB131(2008)548-555(对用于制造高度可重复的薄膜MOX传感器的晶圆级工艺的优化，Elmi等人，传感器和致动器B，2008(131)：548-555))。所有这些迥异并且甚至部分矛盾的解决方案以及研究——例如“Designandoptimizationofahigh-temperaturesiliconmicro-hotplatefornanoporouspalladiumpellistors”(Leeetal.MicroelectronicsJournal34(2003)115-126)(用于纳米多孔钯催化可燃性气体传感器的高温硅微热板的设计及优化，Lee等人，微电子学杂志，2003(34)：115-126)——都很好地示出了用于设计这些微热板加热器的经验性检误法。因此，目前尚不存在用于在微热板的有源区中取得良好的温度均匀度从而提高使用此类微热板的传感器的精确度、效率及可靠性的有效解决方案。
技术实现思路
本专利技术提供了一种能够避免现有技术的不足的微热板器件。相应地，本专利技术涉及一种微热板器件，包括：框架、薄膜、包括至少一有源层的有源区以及被设计成加热所述有源层的加热结构，所述加热结构具有同心的轨径，并且所述加热结构包括内轨径和内间隔以及外轨径和外间隔，所述外轨径和外间隔是位于最远离所述加热结构的中心处的一个或两个轨径和间隔，所述外轨径被设计成与自身相邻轨径的靠近度较所述内轨径与自身相邻轨径的靠近度更高和/或被设计成具有较所述内轨径更小的宽度以使得所述外轨径比所述内轨径窄，所述内轨径的宽度和间距基本恒定。加热结构的这一设计保证了微热板的有源区内的最佳温度均匀度。本专利技术还涉及一种包括此类微热板的气体传感器。本专利技术还涉及一种包括此类微热板的催化气体传感器。本专利技术还涉及一种包括此类微热板的红外吸收气体传感器。本专利技术还涉及一种包括此类微热板的化学电阻气体传感器。本专利技术还涉及一种通过使用一包括上述微热板器件的气体传感器来测量气体浓度的方法，这样的微热板器件具有一施加有至少一加热电压或至少一加热电流以加热有源层并且使得能够测量所述气体的浓度的加热结构，所述至少一加热电压或所述至少一加热电流以循环模式被间歇性地供给。附图说明图1示出了与已得到的理想温度曲线图相比，针对现有技术的不同加热结构的图案温度随薄膜中的位置的变化；图2示出了根据本专利技术的微热板器件的示意性俯视图；图3为图2中的微热板器件的A-A截面图；图4a至4d示出了本专利技术中所使用的加热结构的图案的俯视图；图5示出了与理想温度曲线图相比，针对本专利技术的微热板器件温度随薄膜中的位置的变化；以及图6示出了输出信号，所述输出信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微热板器件(1)，包括：框架(2)、薄膜(4)、包括至少一有源层(8)的有源区(6)以及被设计成加热所述有源层的加热结构(10)，所述加热结构具有同心的轨径，并且所述加热结构包括内轨径(20)和内间隔(22)以及外轨径(24)和外间隔(26)，所述外轨径(24)和外间隔(26)是位于最远离所述加热结构的中心处的一个或两个轨径和间隔，其特征在于，所述外轨径(24)被设计成与自身相邻轨径的靠近度较所述内轨径(20)与自身相邻轨径的靠近度更高和/或被设计成具有较所述内轨径(20)更小的宽度以使得所述外轨径(24)比所述内轨径(20)更窄，所述内轨径(20)的宽度和间距基本恒定。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.07.16 EP PCT/EP2012/0639311.一种微热板器件，包括：框架、薄膜、包括至少一有源层的有源区以及被设计成加热所述有源层的加热结构，所述加热结构具有同心的轨径并且包括内轨径和内间隔以及外轨径和外间隔，所述外轨径和所述外间隔为距离所述加热结构的中心最远的一个或两个轨径和一个或两个间隔，其中，所述外轨径被设计成与自身相邻轨径的靠近度较所述内轨径与自身相邻轨径的靠近度更高和/或被设计成具有较所述内轨径更小的宽度，以使得所述外轨径比所述内轨径更窄，所述内轨径的宽度和间距恒定。2.根据权利要求1所述的微热板器件，所述外轨径被设计成与自身相邻轨径的靠近度更高，其中，内间隔宽度与外间隔宽度之比大于2。3.根据权利要求1所述的微热板器件，所述外轨径被设计成与自身相邻轨径的靠近度更高，其中，内间隔宽度与外间隔宽度之比大于4。4.根据权利要求2或3所述的微热板器件，其中，所述内间隔宽度与外间隔宽度之比小于50。5.根据权利要求1所述的微热板器件，所述外轨径被设计成具有较所述内轨径更小的宽度，其中，所述内轨径宽度与外轨径宽度之比大于1.3。6.根据权利要求1所述的微热板器件，所述外轨径被设计成具有较所述内轨径更小的宽度，其中，所述内轨径宽度与外轨径宽度之比大于2。7.根据权利要求5或6所述的微热板器件，其中，所述内轨径宽度与外轨径宽度之比小于5。8.根据权利要求1所述的微热板器件，其中，各个轨径是环形的。9.根据权利要求8所述的微热板器件，其中，所述加热结构由单个蜗形轨径制成。10.根据权利要求8所述的微热板器件，其中，所述加热结构由相互串联连接的若干个同心弧制成。11.根据权利要求1所述的微热板器件，其中，各个轨径是多边形的。12.根据权利要求1所述的微热板器件，其中，所述加热结构由从铂和多晶硅中选择的一种材料制成。13.根据权利要求1所述的微热板器件，其中，所述有源层为被设计成对可燃性气体的放热氧化进行催化的催化层。14.根据权利要求1所述的微热板器件，其中，所述有源层为被设计成形成红外辐射源的高发射率层。15.根据权利要求1所述的微热板器件，其中，所述有源层为被设计成在存在气体时改变自身的电阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：克莉丝汀·艾尔皮，尼古拉斯·莫瑟尔，
申请(专利权)人：SGX传感器公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH