AlN 陶瓷微熱板MEMS 傳感器陣列設計與工藝實現*

趙文杰，楊守杰，于 洋，王向鑫，施云波

(哈爾濱理工大學測控技術與通信工程學院測控技術與儀器黑龍江省高校重點實驗室，黑龍江哈爾濱150080)

0 引 言

目前，MEMS 傳感器與陣列技術工藝研究主要集中在硅基工藝上［1，2］，傳統的硅微熱板結構存在工藝的復雜性和多種成膜工藝的兼容問題，特別是在較高加熱工作條件下，存在溫度漂移和熱膨脹系數不匹配及膜基結合特性差等因素帶來的可靠性下降，響應熱穩定性差等失穩問題，制約了MEMS 半導體氣體傳感器的應用［3］。雖然陶瓷MEMS氣體傳感器研究和發展較晚，但隨著陶瓷材料機械性能改進和微加工工藝技術的提高，Al2O3，AlN 及SiC 等陶瓷作為微熱板基底具有熱性能穩定、結構設計簡單、工藝成本較低及兼容性好等優點，已經在微熱板陶瓷基氣體傳感器取得了一定進展［4～6］。

陶瓷微熱板傳感器陣列是將多個傳感器單元集成在同一襯底上，傳感器單元處于加熱工作狀態時，由于單元之間熱傳導難免產生較大熱干擾，使工作溫度偏離或溫度分布改變。針對陶瓷抗腐蝕性和難加工特點，傳統硅工藝濕法刻蝕不再適用，采用激光微加工刻蝕方法可有效解決陶瓷襯底難刻蝕熱隔離結構問題。在陶瓷微熱板傳感器中Pt膜是加熱器電極、溫度傳感器及信號電極最理想的材料，需通過光刻剝離工藝來實現，雖然反轉工藝法通過采用反轉膠可以實現理想的梯形凹槽，達到良好的剝離效果，但在實際應用過程中相對增加了反轉烘和范曝光兩道工藝步驟，同時1～2 s 的曝光時間對光刻膠成型的質量難以精確控制，常用的AZ 系列的反轉膠價格較為昂貴，提高了工藝成本。能否使用普通的正性光刻膠實現剝離工藝一直是科研工作者研究熱點［7，8］。

針對非硅基陶瓷微熱板的MEMS 工藝特點，本文提出了采用激光微加工刻蝕技術進行熱隔離設計，優化傳感器陣列單元的熱梯度分布。同時針對抗腐蝕Pt 膜圖形化采用普通正性光刻膠難實現光刻剝離工藝特點，研究柔性機械光刻剝離工藝制備方法，實現陶瓷微熱板Pt 膜電極傳感器陣列設計的關鍵技術。

1 設計與仿真

1.1 結構設計與熱分析

研究MEMS 微熱板氣體傳感器熱學特性目的在于低功耗化，熱穩定特性及合理的熱梯度分布特性設計，可以通過材料選擇、結構設計及封裝方式等手段進行優化。其中在熱損耗的三種途徑中熱傳導占主導作用，膜基的熱傳導是一個三維問題，為了模型簡化，在膜基縱向尺寸較小情況下，即膜厚較薄時可以忽略縱向熱傳導損失，一般膜厚在μm 級，而膜基橫向尺寸在mm 級。從模型結構上進一步解決熱傳導損耗的復雜性，封閉膜結構一般可將方形膜基結構轉換近似為圓形結構，從而轉換為圓柱坐標體系一維熱傳導問題進行分析。

從工藝上AlN 陶瓷形成優良質量的封閉的薄膜是一個難點［2］。為解決其厚度帶來的熱傳導損失問題，可以采用熱隔離結構減小熱傳導截面積，從而減小結構幾何因子Gm，可有效降低熱傳導損耗。如果按著一維熱傳導模型，熱傳導損耗與熱傳導梁的截面積Abeam呈正比，與梁的長度l 呈反比，如圖1 所示為懸浮橋式傳感器單元結構，其膜基的熱傳導損耗公式為

圖1 氣體傳感器陣列單元結構平面與截面圖Fig 1 Planar and sectional graphs of unit structure of gas sensor array

根據圖1 傳感器單元熱隔離結構設計，基片厚d=0.2 mm的AlN 陶瓷基片，采用激光刻蝕四個梯形熱隔離通孔結構設計，所形成的梁的橫截面積Abeam=0.2 mm×0.2 mm，梁的長度l=0.7 mm，傳感器單元加熱區尺寸1.2 mm×1.2 mm。可見，采用圖1 模型熱隔離懸浮橋結構設計，其熱傳導損耗較大降低，同時熱隔離孔的設計減小了的空氣接觸表面積，也降低了熱對流和熱輻射損耗。

1.2 熱結構仿真

微熱板傳感器陣列加熱器生成的熱能，由于溫度梯度、空氣接觸、電磁輻射形式存在以熱傳導、熱對流和熱輻射途徑最終達到熱平衡。圖2 為理想邊界條件熱隔離前后傳感器陣列ANSYS 仿真熱梯度分布和溫度梯度矢量圖，假設在理想邊界條件下(即環境溫度為25 ℃時)，空氣的對流系數hf=10 W·m－2·K－1，忽略熱輻射影響。在感器陣列設計過程中襯底基片采用AlN 陶瓷，加熱電極與信號電極為Pt膜。主要材料AlN 和Pt 膜熱傳導系數分別為170 W/(m·K)和73 W/(m·K)。

從圖2(a)，(c)未隔離結構微熱板的溫度分布云圖和矢量圖中可以看出:由于熱傳導的影響，單元的熱場發生偏離工作溫區現象，單元之間存在嚴重熱場交疊干擾，溫度矢量較均勻向邊緣擴散。從圖2(b)，(d)中可以看出:在熱隔離設計后相同功耗下溫度明顯升高，溫度分布集中在單元加熱區，且溫度梯度矢量主要沿著傳感器單元的4 個梁方向梯度擴散，四單元陣列具有較理想的穩態熱分布梯度特性。由于熱隔離孔作用降低了熱傳導的擴散損失，同時降低了熱對流和熱輻射面積，從而提高中間加熱區與邊界基體的溫度梯度，降低了對其它單元之間的熱干擾耦合影響，驗證了結構設計的合理性與工藝實現的可行性。

圖2 理想邊界條件熱隔離前后傳感器陣列ANSYS仿真熱梯度分布和溫度梯度矢量圖Fig 2 Thermal gradient distribution and temperature gradient ector graphs of sensor array before and after thermal isolation by ANSYS simulation under ideal boundary conditions

2 關鍵工藝

2.1 柔性機械剝離工藝

柔性機械剝離方法是采用普通BP212 型正性光刻膠，通過柔性的雙向拉伸聚丙烯(biaxially oriented polypropylene，BOPP)壓敏膠粘帶，粘附在金屬化沉積的基片表面，采用機械力揭膜(機械力F 作用)的方法依靠壓敏膠帶的粘附作用力剝離掉未直接沉積在基片表面的金屬線。柔性機械剝離工藝法解決了普通正性光刻膠形成倒梯形凹槽沉積金屬Pt 膜時，由于梯度臺階沉積互連無法剝離干凈的問題，機械剝離前要用丙酮有機溶劑溶掉金屬膜下的光刻膠。柔性機械剝離法工藝步驟流程如圖3 所示。

圖3 柔性機械剝離法工藝流程Fig 3 Flexible mechanical lift-off process

柔性機械剝離法避免了使用化學腐蝕劑刻蝕的污染，同時簡化了反轉工藝法步驟，降低了工藝成本，保證了金屬膜線條的清晰和質量。柔性機械剝離法要求顯影后正性光刻膠殘留較少，保證沉積金屬與基底粘附力較好，在采用BOPP 膠帶時，金屬膜與基底的粘附力大于與膠帶的粘附力，從而保證機械剝離需要的部分不被剝落。圖4 是在陶瓷基片上采用柔性機械剝離法制備的Pt 膜電極，電極線寬100 μm，線間隙50 μm，且線條邊緣清晰、完整，根據邊緣效果分析，此工藝法可實現線條細化到10 μm 左右。

圖4 AlN 陶瓷基柔性機械剝離傳感器陣列與放大實物圖Fig 4 Physical and enlarged graphs of AlN-based sensor array prepared by flexible mechanical lift-off process

2.2 激光刻蝕工藝

微熱板型器件設計和加工往往需對溫度分布影響，特別是對功耗和溫度分布的調整，考慮陶瓷微熱板難加工特性，通常采用激光刻蝕隔熱槽進行熱分布調整。隔熱槽的設計和制作是材料、結構、尺寸綜合設計結果，首先，隔熱槽寬度要盡可能的窄，以減少對基體的熱應力影響和殘余應力的產生;其次，隔熱槽設計要將各個分立元件分離，最大限度地消除單元之間的熱干擾;再次，隔熱槽設計要考慮熱分布的對稱性，避免溫度場梯度分布不均產生的失穩影響。利用激光刻蝕具有高精度、刻蝕深寬比高、無污染、操作靈活等特點，圖5 給出了激光微加工熱隔離刻蝕的工藝原理。

圖6 給出了四單元傳感器陣列熱隔離刻蝕結構圖，由于AlN 陶瓷具有較高導熱性，不易發生局部受熱膨脹斷裂現象，可以刻蝕微梁寬到0.2 mm。從圖6 中可以看出:刻蝕邊緣效果清晰整齊，熱隔離刻蝕效果理想。可見通過激光刻蝕實現了陶瓷微熱板抗腐蝕、難加工的工藝難點，有效優化了陶瓷微熱板的熱結構設計，提高了陶瓷陶瓷加工工藝的可行性。

圖5 激光刻蝕簡化原理圖Fig 5 Simplified principle diagram of laser etching

圖6 四單元傳感器陣列熱隔離刻蝕結構圖Fig 6 Structural diagrams of the thermal isolation etching of four-unit sensor array

3 仿真實驗分析

為驗微熱板傳感器陣列結構設計的合理性及熱隔離設計降低功耗的效果，進行了有限元熱仿真實驗定量分析。圖7 給出了熱隔離前后微熱板傳感器陣列徑向溫度分布曲線分布。從圖7(a)中曲線可以看出:熱擴散分布保持結構的對稱性，相鄰兩傳感器單元有效溫區向中心發生偏離，偏移距離達0.5 mm，單元加熱區溫差最大值達50 ℃，相鄰單元之間的溫度場交疊嚴重，與中心節點溫差小于10 ℃，幾乎形成統一溫度場。原因是主要受AlN 基底熱傳導系數較高和結構幾何系數Gm偏高影響，需要進行結構尺度設計，降低結構幾何系數，調整溫度分布偏移，降低單元之間的溫度干擾影響。

結構尺度優化設計主要有兩種方法，一是減小有效溫區膜厚方式降低熱傳導，二是刻蝕懸浮橋結構減小熱傳導截面積方式降低熱傳導，根據陶瓷難加工特性，采用熱隔離刻蝕懸浮橋結構方法降低結構幾何系數。從圖7(b)給出了采用熱隔離后懸浮橋結構溫度徑向分布曲線，從圖中可以看出相鄰傳感器單元溫區未發生偏離，單元加熱區最大溫差小于10 ℃，單元加熱中心溫度與陣列中心溫差達80 ℃以上，相鄰單元之間的溫度場交疊干擾明顯降低，采用熱隔離設計明顯降低了陣列單元之間的熱干擾影響。在相同的加熱功耗下相對未熱隔離結構溫度提高了50 ℃，說明熱隔離結構明顯提高了功耗設計。

圖7 熱隔離設計前后陣列單元徑向溫度分布曲線Fig 7 Temperature distribution curves of sensor array before and after thermal isolation

4 結 論

通過陶瓷微熱板氣體傳感器陣列設計與熱穩態分析，設計了AlN 基微熱板四單元熱隔離氣體傳感器陣列，并對結構進行了有限元熱仿真實驗，給出了熱隔離前后溫度曲線對比分析，驗證結構設計的合理性。根據AlN 陶瓷微熱板的抗腐蝕性和難加工特性，實現了利用普通正性光刻，通過膠柔性機械光刻剝離工藝法制備良好的Pt 膜結構。同時采用激光微加工實現了熱隔離設計，驗證了非硅基MEMS 工藝的可行性。激光微加工和柔性機械剝離相結合的微加工方法具有方法簡單、成本低、應用靈活等特點，為研究新型微結構的氣體傳感器提供技術支持。

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