包含具有电阻加热器的微热板的气体传感器及相关方法技术

一种微热板，所述微热板包括悬置在衬底上方的膜，所述膜通过连接在所述衬底与所述膜之间的多个系链悬置在所述衬底上方。所述膜包括电阻加热器，所述电阻加热器包括导电材料，所述导电材料从所述膜的外围部分到所述膜的中心具有变化的宽度。所述导电材料包括在第一方向上成螺旋形的第一部分，以及在第二方向上成螺旋形且在所述膜的所述中心与所述第一部分电接触的第二部分。所述微热板进一步包括在第一系链上方延伸且与所述衬底上的接合焊盘和所述第一部分电接触的第一导电迹线，和在另一系链上方延伸且与所述衬底上的另一接合焊盘和所述第二部分电接触的第二导电迹线。还公开检测至少一种分析物的相关化学传感器和相关方法。

Gas sensor including micro hot plate with resistance heater and related methods

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含具有电阻加热器的微热板的气体传感器及相关方法优先权要求本申请要求2018年4月23日提交的“包含具有电阻加热器的微热板的气体传感器及相关方法(GASSENSORSINCLUDINGMICROHOTPLATESWITHRESISTIVEHEATERS,ANDRELATEDMETHODS)”的第15/959,807号美国专利申请的申请日的权益，所述美国专利申请要求2017年4月26日提交的“具有电阻加热器的微热板、包含所述微热板的气体传感器及相关方法(MICROHOTPLATESWITHRESISTIVEHEATERS,GASSENSORSINCLUDINGTHEMICROHOTPLATES,ANDRELATEDMETHODS)”的第62/490,227号美国临时专利申请的权益。
本公开的实施例总体上涉及微机电系统(MEMS)，例如微热板装置、包含微热板装置的气体传感器，本公开的实施例还涉及形成和操作微热板装置和气体传感器的相关方法。更具体地，本公开的实施例涉及具有电阻加热器的微热板，所述电阻加热器经配置以均匀地加热微热板的膜同时降低微热板结构中的功耗和局部过热，本公开的实施例还涉及操作微热板的相关方法以及制造微热板的相关方法。
技术介绍
微热板可能在用于化学检测应用的传感器中有用。微热板可以包含化学敏感涂层，用于检测一或多种气体或分析物的一或多种性质。与测量为数百微米的现有微热板装置相比，微热板的大小可以设定成具有约几十到几百微米的尺寸，以消耗更少的功率，并且更容易集成到更小的封装中。可以使用基于MEMS的或基于CMOS的硅工艺形成微热板。与微热板相关联的常规加热元件可以提供用于加热微热板的悬置膜或设置在加热元件上方的材料(例如，化学敏感涂层)的热源。然而，由于微热板远离膜的部分的热损失差异，加热元件和与加热元件相关联的任何化学敏感涂层材料经常呈现不同的温度，从而导致整个微热板的温度分布不均匀。作为非限制性实例，支撑加热元件的膜的外围部分可能比其中心部分损失相对更多的热量，从而导致整个加热元件和膜的温度分布不均匀。例如，在一些情况下，外围部分通常呈现比膜的中心部分更大的对流，从而导致来自外围部分的热损失比来自膜的中心部分的热损失更大。另外，从悬置微热板到其支撑衬底通过支撑系链传导而导致的热损失可能进一步加剧微热板的温度分布不均匀。此外，化学敏感涂层材料上的化学反应以及在参考微热板的无涂层板表面上进行的物理测量(例如，针对热导率测量)可能对温度变化敏感，并且相关联传感器的性能可能会受到微热板不均匀操作温度的不利影响。为了补偿整个微热板的不均匀热损失，一些微热板并入了散热板，以有助于通过膜的在某种程度上均匀的热传递。其它装置包含具有独特形状的加热元件，所述形状包含尖角和方向突变。然而，这样的尖角和方向突变可能不利地影响电阻加热器的操作和寿命。
技术实现思路
本文公开的实施例包含微热板、包含至少一个微热板的化学传感器以及检测至少一种分析物的方法。例如，根据一个实施例，一种微热板包括悬置在衬底上方的膜，所述膜通过连接在所述衬底与所述膜之间的多个系链悬置在所述衬底上方。所述膜包括电阻加热器，所述电阻加热器包括导电材料，所述导电材料从所述膜的外围部分到所述膜的中心具有变化的宽度。所述导电材料包括在第一方向上成螺旋形的第一部分，以及在第二方向上成螺旋形且在所述膜的所述中心与所述第一部分电接触的第二部分。所述微热板进一步包括在第一系链上方延伸且与所述衬底上的接合焊盘和所述第一部分电接触的第一导电迹线，和在另一系链上方延伸且与所述衬底上的另一接合焊盘和所述第二部分电接触的第二导电迹线。在另外的实施例中，一种化学传感器包括至少一个微热板。所述至少一个微热板包括在形成于衬底中的空隙上方延伸的多个系链，所述多个系链将膜支撑在所述衬底上方且包括多个介电层。所述膜包括在所述多个介电层的两个介电层之间的电阻加热器，所述电阻加热器包括导电材料，所述导电材料具有在第一方向上成螺旋形的第一部分和在第二相反方向上成螺旋形的第二部分，所述导电材料从所述电阻加热器的外部部分到其中心部分具有变化的宽度。所述微热板进一步包括导电加热器迹线，所述导电加热器迹线经配置以向所述电阻加热器提供功率，所述导电加热器迹线覆盖在所述系链中的至少一者上。在另外的实施例中，一种测量热导率、放热事件和吸热事件中的至少一者的方法，其包括向至少一个微热板的电阻加热器提供电流，所述电阻加热器从其外围部分到其中心包括变化的宽度，所述电阻加热器包括从所述电阻加热器的所述外围部分朝向所述中心延伸且在顺时针方向上成螺旋形的第一部分，以及在所述电阻加热器的所述中心与所述第一部分接触且从所述电阻加热器的所述中心朝向所述电阻加热器的所述外围部分延伸且在逆时针方向上成螺旋形的第二部分。所述方法进一步包括测量所述电阻加热器两端的电压和电流，以及计算所述电阻加热器的电阻以确定所述电阻加热器的平均温度。在其它实施例中，一种用于提供样本正交分析的传感器包括微热板阵列。每个微热板包括电阻加热器，所述电阻加热器包括导电材料，所述导电材料从所述膜的外围部分到所述膜的中心具有变化的宽度。所述导电材料包括在第一方向上成螺旋形的第一部分，以及在第二方向上成螺旋形且在所述膜的所述中心附近与所述第一部分电接触的第二部分。所述传感器进一步包括控制器，所述控制器经配置以确定所述微热板阵列中的至少一个微热板的所述电阻加热器的至少一种性质以及所述微热板阵列中的至少一个微热板的叉指式电极之间的电阻中的一或多者。在又其它实施例中，一种测量来自包括微热板阵列的传感器的响应的方法包括向微热板阵列中的每个微热板的电阻加热器提供电流，每个微热板的所述电阻加热器从膜的外围部分到所述膜的中心具有变化的宽度。所述导电材料包括在第一方向上成螺旋形的第一部分，以及在第二方向上成螺旋形且在所述膜的所述中心附近与所述第一部分电接触的第二部分。所述方法进一步包括测量来自所述微热板阵列中的每个微热板的响应，其中测量来自所述微热板阵列的每个微热板的响应包括：分析来自在覆盖在其电阻加热器上方的介电材料上不含涂层材料或包括惰性材料的至少一个参考微热板的响应，分析来自在覆盖在其电阻加热器上方的介电材料上包括催化材料的至少一个微热板的响应，以及分析来自在覆盖在其电阻加热器上方的介电材料上包括选自由p型半导体、n型半导体和离子导体组成的群组的化学感测材料的至少一个微热板的响应。附图说明图1A是根据本公开的实施例沿着图1C所示的剖面线A-A截取的微热板的顶视横截面图；图1B是根据本公开的实施例沿着图1D所示的剖面线B-B截取的微热板的顶视横截面图；图1C是沿着图1A中的剖面线C-C截取的图1A的微热板的侧视横截面图；图1D是沿着图1A中的剖面线D-D截取的图1A的微热板的侧视横截面图；图1E是沿着图1A中的剖面线E-E截取的图1A的微热板的侧视横截面图；图1F是沿着图1A中的剖面线F-F截取的微热板的侧视横截面图；图1G是根据本公开的其它实施例的微热板的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于分析样本的传感器，所述传感器包括：/n微热板，所述微热板包括悬置在衬底上方的膜，所述膜通过连接在所述衬底与所述膜之间的多个系链悬置在所述衬底上方，所述膜包括：/n电阻加热器，所述电阻加热器包括导电材料，所述导电材料从所述膜的外围部分到所述膜的中心具有变化的宽度，所述导电材料包括：/n在第一方向上成螺旋形的第一部分；以及/n在第二方向上成螺旋形且在所述膜的所述中心附近与所述第一部分电接触的第二部分；以及/n在第一系链上方延伸且与所述衬底上的接合焊盘和所述第一部分电接触的第一导电迹线，和在另一系链上方延伸且与所述衬底上的另一接合焊盘和所述第二部分电接触的第二导电迹线。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170426 US 62/490,2271.一种用于分析样本的传感器，所述传感器包括：
微热板，所述微热板包括悬置在衬底上方的膜，所述膜通过连接在所述衬底与所述膜之间的多个系链悬置在所述衬底上方，所述膜包括：
电阻加热器，所述电阻加热器包括导电材料，所述导电材料从所述膜的外围部分到所述膜的中心具有变化的宽度，所述导电材料包括：
在第一方向上成螺旋形的第一部分；以及
在第二方向上成螺旋形且在所述膜的所述中心附近与所述第一部分电接触的第二部分；以及
在第一系链上方延伸且与所述衬底上的接合焊盘和所述第一部分电接触的第一导电迹线，和在另一系链上方延伸且与所述衬底上的另一接合焊盘和所述第二部分电接触的第二导电迹线。


2.根据权利要求1所述的传感器，其中：
所述膜包括两种或更多种介电材料，所述电阻加热器设置在所述两种或更多种介电材料之间；并且
所述多个系链中的每个系链包括所述两种或更多种介电材料，所述多个系链中的至少一个系链包括导电迹线。


3.根据权利要求2所述的传感器，其中所述膜进一步包括化学感测材料、催化涂层材料和惰性涂层材料中的至少一者。


4.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第二部分至少设置在所述第一部分的相邻螺旋之间。


5.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一部分与所述第二部分之间的间隙基本恒定并且小于所述导电材料的最小宽度。


6.根据权利要求1所述的传感器，其中所述膜具有多边形形状。


7.根据权利要求1所述的传感器，其进一步包括与所述第一部分电接触的第一导电感测线迹线和与所述第二部分电接触的第二导电感测线迹线，所述第一导电感测线迹线和所述第二导电感测线迹线经配置以测量所述电阻加热器两端的电压。


8.根据权利要求7所述的传感器，其中所述第一导电感测线迹线在不位于所述第一部分与所述第二部分之间的位置处与所述第一部分电接触。


9.根据权利要求1所述的传感器，其中所述电阻加热器在至少一个系链与所述膜的相交处包括加宽的弯曲部分。


10.根据权利要求1所述的传感器，其中所述电阻加热器包括从加宽部分到所述膜的所述中心连续增加的宽度。


11.根据权利要求1所述的传感器，其中所述多个系链中的每个系链在所述膜和所述衬底附近具有比在远离所述膜和所述衬底的部分处更大的宽度。


12.根据权利要求11所述的传感器，其进一步包括与覆盖在所述电阻加热器上的化学敏感涂层材料电接触的多个电极，所述多个电极包括叉指式电极并且经配置以测量所述化学敏感涂层材料的电阻率。


13.根据权利要求1所述的传感器，其中连接在所述衬底与所述膜之间的所述多个系链包括至少两个系链。


14.根据权利要求13所述的传感器，其中所述多个系链包括六个系链，所述第一导电迹线和所述第二导电迹线覆盖在所述系链中的两者上，导电感测线迹线覆盖在所述系链中的两者上且与所述电阻加热器电连通，且化学感测电极迹线覆盖在所述系链中的两者上且与覆盖在所述电阻加热器上的叉指式电极电连通。


15.根据权利要求14所述的传感器，其进一步包括控制器，所述控制器经配置以至少通过将由所述第一导电感测线...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·罗杰斯，C·J·杜德利，D·A·霍普金斯，E·J·盖格，
申请(专利权)人：内华达纳米技术系统公司，
类型：发明
国别省市：美国;US