MEMS單晶硅加熱霧化芯片設計與制作*

韓 熠， 宋鳳民， 李廷華， 陳 李， 吳 俊， 朱東來

(1.云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南 昆明 650202；2.重慶大學 新型微納器件與系統重點學科實驗室，重慶 400044；3.重慶大學 光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400044)

0 引 言

霧化是采用物理的方法將液體分散成微小液滴的過程，在霧化治療、油霧潤滑、霧化加濕等領域應用廣泛。常用的霧化方法有超聲霧化、氣流霧化、振動霧化、聲表面波霧化、加熱霧化等等[1～4]。對于水、藥液等低粘度液體，超聲霧化、微孔振動霧化等均具有較好的霧化效果。而對油等高粘度液體，加熱霧化則是一個較好的選擇。加熱霧化是將加熱器的溫度升至液體沸點附近，使得接觸的液體快速氣化形成霧滴。

微機電系統(micro-electro-mechanical system,MEMS)微加熱芯片具有體積小、一致性較好等優點，在氣體傳感器、濕度傳感器、PCR芯片等領域得到重要應用，國內外報道了多種結構的MEMS微加熱芯片，這些發熱芯片大多是在襯底上制作電阻器作為發熱體，工作時在發熱體電極上加載電壓，進而產生焦耳熱使得芯片溫度上升[5～7]。常見的發熱電阻器材料包括Pt,Au,SiC,TiN等，研究的重點在發熱電阻器的幾何結構、分布方式等，以提高升溫的迅速性和溫度分布的均勻性[8～10]。對于液體的加熱霧化應用，上述結構的發熱芯片存在以下不足：一是對于大功率、高溫加熱容易導致電阻器脫落；二是由于芯片要和液體長期接觸，使得發熱電阻器與液體之間的絕緣變得困難；三是由于電阻器通過熱傳導來加熱芯片，使得電阻器的布局對芯片溫度分布均勻性影響較大，需要精心設計芯片結構，制造工藝也相對復雜。

為此，本文提出一種新型的單晶硅發熱芯片結構，利用完整的重摻雜單晶硅層作為發熱體，較好地克服了上述問題。本文對芯片進了設計和仿真分析，通過各向異性濕法腐蝕工藝完成了芯片的制作，并對芯片的發熱性能進行了初步測試。

1 單晶硅加熱霧化芯片設計

與金屬依靠自由電子導電不同，半導體是依靠電子和空穴兩種載流子導電。由于本征激發的載流子非常少，因此本征硅的導電能力很差。本文選用重摻雜的N型(100)單晶硅，如圖1所示為芯片結構示意圖。芯片主體為低阻單晶硅，中部設置500 μm邊長的正方形霧化孔陣列，總共168個。芯片與金屬引線通過銀漿連接。芯片直接采用重摻雜的單晶硅作為發熱體，而無需額外制作發熱電阻器，克服了電阻器熱傳導過程導致的溫度分布不均的問題。

圖1 單晶硅加熱霧化芯片結構示意

加熱霧化芯片設計參數:電阻率為約5×10-3Ω·cm,長為10 mm，寬為10 mm，硅片總厚為500 μm，孔邊長為500 μm，孔數量為168，芯片發熱層厚度為100 μm。在不考慮霧化孔陣列和銀漿接觸電阻的情況下，可以估算出芯片電阻大約0.5 Ω。由于孔陣列和銀漿接觸電阻的存在，實際測得的電阻會增大。

2 芯片電—熱耦合仿真

為評估加熱芯片的溫度分布均勻性，采用ANSYS10.0軟件進行電熱耦合分析。為了降低計算復雜度，對模型進行了適當簡化，微孔陣列的數量有所減少，而且仿真中沒有設置空氣對流系數，仿真結果的溫度比實際溫度要高。仿真的參數:楊氏模量為160 GPa,泊松系數為0.24,電阻率為5×10-3Ω·cm,熱膨脹系數為2.6×10-6/K,導熱系數為150 W/mK。

電熱耦合仿真結果如圖2所示。由于結構對稱，兩電極之間的電勢云圖也大致對稱(見圖2(a))；從圖2(b)溫度分布云圖可以看出，該芯片由于采用整層的單晶硅作為發熱電阻，其溫度分布非常均勻。

圖2 ANSYS電熱耦合分析結果

3 芯片的制作工藝

主要采用各向異性濕法腐蝕完成芯片的制作，工藝流程如圖3(a)所示，其主要工藝步驟為：a) 選用4 in，500 μm，〈100〉晶向的N型重摻雜單晶硅，清洗烘干；b)雙面熱氧化200 nm的二氧化硅(SiO2)層，再通過(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)制作200 nm的氮化硅層；c)在硅片背面光刻，通過SF6等離子刻蝕去除裸露的氮化硅層和氧化硅層；d)通過70 ℃,33 %的KOH濕法腐蝕減薄至100 μm；e)在硅片正面光刻，采用SF6等離子刻蝕去除氮化硅(Si3N4)和SiO2層；f)采用70 ℃,33 %的氫氧化鉀(KOH)濕法腐蝕微孔陣列直至完全穿通，并經熱氧化，使所有裸露的單晶硅覆蓋一層200 nm的SiO2作為絕緣層。切片完成的芯片照片如圖3(b)所示，圖3(c)為孔陣列的掃描電鏡圖片。

圖3 芯片制作工藝、照片及SEM

4 加熱霧化芯片測試實驗

建立測試平臺，對加熱霧化芯片進行了初步測試。將微型溫度傳感器緊貼在芯片表面，選用的微型溫度傳感器體積為2.3 mm×2.0 mm×1.1 mm，測試時不會對芯片溫度造成較大影響。采用可調直流電源給芯片施加電壓。

首先測試芯片的電阻值。室溫下測得芯片電阻約為0.6 Ω，包括引線電阻、接觸電阻和芯片自身的電阻。將溫度傳感器緊貼在芯片中心區域，給芯片施加不同的電壓，測量不同溫度下的芯片電阻值。測試結果如圖4所示。隨著溫度上升，芯片的電阻增大，二者呈正相關。采用3.7 V供電(鋰電池的電壓)，4 s內芯片溫度可上升至300 ℃。

圖4 電壓、溫度與電阻的關系曲線

其次對芯片表面溫度分布均勻性進行測試。給芯片施加1.5 V的直流電壓，待溫度穩定后，在芯片上選擇5個區域進行測試，如圖5所示。芯片中心的溫度最高，角落溫度最低，最低溫比最高溫低12.7 %。ANSYS仿真中，將兩個電極位置的參考溫度設為25 ℃，因此和實際測試有一定差異。

圖5 溫度均勻性測試

對芯片的加熱霧化性能進行測試。選用甘油作為測試液體，其粘度為1 500 cp，沸點290.0 ℃。將甘油滴在濾紙上，與芯片緊密接觸，采用鋰電池對芯片施加3.7 V的電壓。霧化測試結果如圖6所示，當芯片溫度升至250 ℃以上，甘油開始迅速霧化。

圖6 甘油霧化測試

5 結 論

測試結果表明：芯片電阻約0.6 Ω，且阻值與溫度呈正相關；芯片升溫迅速，3.7 V供電時大約4 s溫度可上升至300 ℃；芯片溫度分布比較均勻，穩定時最低溫比最高溫低12.7 %；采用3.7 V鋰電池供電，可實現對高粘度甘油的迅速霧化。該芯片結構和制作工藝流程簡單、溫度均勻性好，有利于實現大批量制造。