MEMS气体传感器微热板芯片热均匀性设计及性能

基于微电子机械系统(MEMS)技术的气体传感器具有灵敏度高、尺寸小、响应速度快、功耗低等优点,成为下一代半导体气体传感器的重要发展方向,其中敏感氧化物材料的温度均匀性对其探测灵敏度、选择性和可靠性均有重要影响。聚焦MEMS气体传感器中的核心微热板芯片的设计,通过热学分析和物理场有限元仿真,设计了一种等温热区占比90%的微热板芯片,有效解决了MEMS气体传感器中微小芯片内大面积均匀加热问题。在此理论基础上,设计了两款微热板芯片结构并进行了表征。实际测试结果显示温度-功耗曲线与仿真结果一致,在372℃工作温度下,方形薄膜结构的微热板芯片单位面积功耗仅为2.8×10^(-4)mW/μm^(2),但圆形薄膜结构的微热板芯片温度分布更均匀,两种设计的工作温度均可以达到370℃以上。受限于低温成膜工艺,该微热板芯片薄膜的最大应力仅为1500 MPa左右,这为后续优化设计提升工作温度和降低功耗提供了一定参考。