微热板中微纳空气间隙传热特性研究.pdf

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1、2016年第35卷第5期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)9DOI：10．13873／J．1000--9787(2016)05--0009-04微热板中微纳空气间隙传热特性研究关经纬，黄正兴，唐祯安(大连理工大学电子科学与技术学院。辽宁大连116024)摘要：在微热板(MHP)的应用过程中，其本身的热特性是影响器件性能的重要因素之一，同时加热电极和衬底之间的气体间隙传热是影响MHP热特性的一个关键因素。采用标准CMOS工艺和简单的post—CMOS工艺，设计制作了一种具有550nm空

2、气间隙的MHP，在热稳态下利用MHP的自加热效应测得了空气间隙的传热热导，结果表明：截面积为35mx35m、厚550nm的空气间隙的热导为6．74×10～W／K，MHP的整体热导为7．51×10一W／K，可见在MHP热耗散中，空气间隙传热占主导地位。关键词：微尺度；空气间隙；微热板；热传导中图分类号：TN407文献标识码：A文章编号：1000-9787(2016)05-0009-04Researchonthermalc0nductancecharacteristicsoOfIsSuUbmicrongasga[pofmi‘cro-hotpl

3、ateGUANJing-wei，HUANGZheng—xing，TANGZhen—an(SchoolofElectronicScienceandTechnology，DMianUniversityofTechnology，Dalian116024，China)Abstract：Inrecentyears，micro—hotplate(MHP)iswidelyusedtomakethermalsensors，heatingcompo—nents，infraredemitters，andpowergenerators．InMHPapplica

4、tion，itsownthermalcharacteristicsisoneoftheimportantfactorsthataffectdeviceperformanceandaswellastheheattransfercharacteristicsofgasgapbetweenheatingelectrodeandsubstrateisakeyfactoraffectingthermalcharacteristicsofMHP．UsingstandardCMOStechnologyandsimplepost—CMOSprocess，

5、aMHPwithsectionalareaof35LLmx35p,mandthicknessof550nmairgapisdesigned．Usingself-heatingeffectofMHP，thermalconductanceofgasgapismeasuredinthermalsteadystate．TheresultsshowthatgasgapconductanceiS6．74×10W／KmandtheoverallconductanceiS7．51X10W／Km，whichindicatesthatgasgapconduc

6、tancedominatestheheatlossofMHP．Keywords：microscale；gasgap；micro—hotplate；heatconduction0引言1MHP的设计和制作由于体积小、质量轻、功耗低、升温快、易集成等优点，采用标准0．5p,mCMOS工艺，设计和制作了一种表面基于硅微加工技术的微热板(micro—hotplate，MHP)已成为加工型MHP，标准工艺包含两层多晶硅层(Polyl和微电子机械系统中常用的加热平台，已广泛用于制作热传Poly2)、三层金属层(金属铝)和钝化层(氮化硅层)，表l感器、加

7、热器、红外线发射器和能量生成器等，例如：红外线给出了各层的详细尺寸。MHP掩模板版图如图1所示，本感应热电堆⋯、微测辐射热计、微型气体传感器、微文MHP用金属2做牺牲层，流片完成后，利用简单的post—加速度计j、微皮拉尼气压传感器、薄膜量热卡计J、微CMOS工艺去掉铝牺牲层，即可做出550nm厚的气体间发射器]、热电器件“等。这些器件的性能很大程度上隙，使MHP悬空，加工流程如图2所示，制作好的MHP如取决于MHP结构的传热特性，它们的响应时间、灵敏度、功图3所示，整体面积为65txm×65m，加热电极的面积为耗和输出电压与MHP的热导

8、、热容有着直接的关系。文35mx35Ixm，通过两条悬臂梁支撑。献[12一l4]指出在一定气压下，加热电极与衬底间的空气2MHP的传热分析间隙传热在MHP传热中占主导地位，所以，空气间隙传热M