本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種微型加熱器及其加工方法。

背景技術(shù)：

相關(guān)技術(shù)中，面型微加熱器的結(jié)構(gòu)主要有封閉膜結(jié)構(gòu)和懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)的功耗要比封閉膜結(jié)構(gòu)功耗低，而懸臂梁結(jié)構(gòu)由于復(fù)合膜的熱應(yīng)力釋放問(wèn)題將導(dǎo)致器件在水平面上起伏，而且隨著器件反應(yīng)溫度的升高，復(fù)合膜將受熱膨脹，這些都會(huì)增加懸臂梁結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力局部聚集。封閉膜機(jī)械性能更好，懸膜機(jī)械性能要差些，但與cmos工藝的兼容性好些。由于封閉薄膜機(jī)械強(qiáng)度更好，并且有利于后續(xù)敏感材料的涂覆及后續(xù)傳感器壽命的提高，多數(shù)傳感器使用這種設(shè)計(jì)方案。

然而，封閉膜結(jié)構(gòu)的面型微加熱器在長(zhǎng)期的工作過(guò)程中，其內(nèi)部的器件易發(fā)生損壞問(wèn)題，從而影響傳感器的實(shí)際使用效果和工作的可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請(qǐng)是基于發(fā)明人對(duì)以下事實(shí)和問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)作出的：發(fā)明人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，封閉膜結(jié)構(gòu)的面型微加熱器在長(zhǎng)期的工作過(guò)程中，其內(nèi)部的器件發(fā)生損壞主要是由材料疲勞斷裂導(dǎo)致的。通過(guò)發(fā)明人的進(jìn)一步研究和探索，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致器件的疲勞斷裂的原因在于：封閉膜結(jié)構(gòu)的面型微加熱的腔室內(nèi)的氣體壓力變化導(dǎo)致其支撐膜除受自身熱應(yīng)力影響外，還受到氣壓差引起的周期性/長(zhǎng)期性壓力差，從而使得支撐膜在周期性/長(zhǎng)期性壓力差的作用下易發(fā)生疲勞斷裂。

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題之一。為此，本發(fā)明提出一種微型加熱器，所述微型加熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高。

本發(fā)明還提出了一種上述微型加熱器的加工方法。

根據(jù)本發(fā)明第一方面實(shí)施例的微型加熱器，包括：襯底，所述襯底具有沿其厚度方向相對(duì)設(shè)置的第一表面和第二表面，所述襯底上設(shè)有在厚度方向貫穿其的隔熱通孔，且所述襯底上設(shè)有連通所述隔熱通孔和外界的通氣結(jié)構(gòu)；支撐膜，所述支撐膜設(shè)在所述襯底的所述第一表面上且封蓋所述隔熱通孔的第一端；加熱件，所述加熱件設(shè)在所述支撐膜的遠(yuǎn)離所述隔熱通孔的表面上；封裝殼，所述封裝殼設(shè)在所述襯底的所述第二表面上且封蓋所述隔熱通孔的第二端。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的微型加熱器，通過(guò)在襯底上設(shè)置連通隔熱通孔和外界的通氣結(jié)構(gòu)，由此在微型加熱器工作時(shí)，由隔熱通孔、支撐膜和封裝殼限定的腔室與外界連通，防止由于腔室的內(nèi)外存在的壓力差而導(dǎo)致器件易損壞的問(wèn)題。

根據(jù)本發(fā)明的一些可選實(shí)施例，所述襯底的所述第二表面上設(shè)有凹槽，所述凹槽與所述封裝殼之間限定出所述通氣結(jié)構(gòu)。

可選地，所述凹槽為多個(gè)且沿所述隔熱通孔的周向間隔設(shè)置。

可選地，所述凹槽的橫截面呈弧形或u形。

根據(jù)本發(fā)明的一些可選實(shí)施例，所述隔熱通孔的位于所述第一表面的端部形成為圓形。

進(jìn)一步地，所述隔熱通孔的橫截面面積在由所述第一表面至所述第二表面的方向上增大。

根據(jù)本發(fā)明的一些可選實(shí)施例，所述加熱件為加熱電阻絲，所述加熱電阻絲在其延伸方向上的曲率變化是連續(xù)的。

可選地，所述加熱電阻絲在所述支撐膜上的投影呈圓形、橢圓形、漸開線形或頂點(diǎn)處倒圓角的多邊形。

可選地，所述加熱電阻絲包括彼此平行且間隔設(shè)置的多個(gè)直段以及連接相鄰兩個(gè)所述直段的彎段，所述彎段與所述直段的連接處平滑過(guò)渡。

根據(jù)本發(fā)明第二方面實(shí)施例的微型加熱器的加工方法，包括如下步驟：s10、在所述襯底的所述第一表面沉積形成所述支撐膜；s20、在所述支撐膜上布設(shè)所述加熱件；s30、從所述襯底的所述第二表面沿其厚度方向刻蝕所述襯底以形成所述隔熱通孔，在所述襯底的所述第二表面上刻蝕所述襯底以形成所述凹槽；s40、采用粘接劑將所述封裝殼與所述襯底連接以封裝所述微型加熱器的內(nèi)部器件。

根據(jù)本發(fā)明第二方面實(shí)施例的微型加熱器的加工方法，加工過(guò)程簡(jiǎn)單、易操作且成型質(zhì)量高。

根據(jù)本發(fā)明的一些可選實(shí)施例，在所述s30步驟中，刻蝕所述隔熱通孔及所述凹槽的步驟如下：先采用干法刻蝕技術(shù)由所述襯底的所述第二表面沿其厚度方向刻蝕所述襯底以形成所述隔熱通孔的第一部分，采用上述干法刻蝕技術(shù)在所述襯底的所述第二表面上刻蝕所述襯底以形成所述凹槽的第一部分；再采用濕法刻蝕技術(shù)在所述隔熱通孔的第一部分的基礎(chǔ)上繼續(xù)沿所述襯底的厚度方向刻蝕所述襯底以形成所述隔熱通孔，采用上述濕法刻蝕技術(shù)在所述凹槽的第一部分的基礎(chǔ)上繼續(xù)刻蝕所述襯底以形成所述凹槽。

可選地，所述干法刻蝕技術(shù)為深反應(yīng)離子刻蝕。

可選地，所述濕法刻蝕技術(shù)的腐蝕劑為聚乙二醇辛基苯基醚和四甲基氫氧化銨的混合溶液。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的微型加熱器的部分立體結(jié)構(gòu)圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的微型加熱器的另一個(gè)角度的部分立體結(jié)構(gòu)圖。

附圖標(biāo)記：

襯底1，第一表面11，第二表面12，隔熱通孔13，第一段131，第二段132，通氣結(jié)構(gòu)14，

支撐膜2，

加熱件3，直段31，彎段32，

電極4。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，除非另有說(shuō)明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。

在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

下面參考圖1和圖2描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的微型加熱器。

如圖1和圖2所示，根據(jù)本發(fā)明第一方面實(shí)施例的微型加熱器，包括：襯底1、支撐膜2、加熱件3和封裝殼(圖未示出)。例如，上述微型加熱器可以為面型微加熱器，上述微型加熱器可以應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域。

具體而言，襯底1具有沿其厚度方向相對(duì)設(shè)置的第一表面11和第二表面12，在襯底1沿水平方向放置時(shí)，第一表面11和第二表面12為襯底1的上表面和下表面。襯底1上設(shè)有在厚度方向貫穿其的隔熱通孔13，且襯底1上設(shè)有連通隔熱通孔13和外界的通氣結(jié)構(gòu)14?？蛇x地，襯底1可以為硅襯底。

支撐膜2設(shè)在襯底1的第一表面11上且封蓋隔熱通孔13的第一端，支撐膜2的中部封蓋隔熱通孔13的第一端，支撐膜2的鄰近其外周沿的部分支撐在襯底1上且與襯底1相連。支撐膜2可以為氧化硅膜、氮化硅膜或氧化硅/氮化硅復(fù)合膜。

加熱件3設(shè)在支撐膜2的遠(yuǎn)離隔熱通孔13的表面上，通過(guò)支撐膜2支撐加熱件3并將加熱件3與隔熱通孔13相隔開?？蛇x地，加熱件3可以為絲狀、片狀等。襯底1上還設(shè)有與加熱件3相連的電極4，電極4可以鄰近襯底1的外周沿設(shè)置。例如，在襯底1呈方形時(shí)，電極4可以設(shè)在襯底1的四個(gè)拐角處。

封裝殼設(shè)在襯底1的第二表面12上且封蓋隔熱通孔13的第二端，通過(guò)封裝殼、支撐膜2分別封蓋隔熱通孔13的第二端和第一端，使得封裝殼、支撐膜2與隔熱通孔13之間共同限定出腔室。

可以理解的是，在微型加熱器工作的過(guò)程中，加熱件3工作會(huì)產(chǎn)生熱量，而支撐膜2將加熱件3與隔熱通孔13隔開，此時(shí)支撐膜2的兩個(gè)表面承受不同的壓力，支撐膜2的兩個(gè)表面中的一個(gè)表面朝向加熱件3且另一個(gè)表面朝向上述腔室，使得支撐膜2除受自身熱應(yīng)力影響外，還會(huì)受到的由熱量引起的壓力差。

通過(guò)在襯底1上設(shè)置了上述通氣結(jié)構(gòu)14，通過(guò)該通氣結(jié)構(gòu)14可以將該腔室與外界連通，由此在微型加熱器工作時(shí)，可以減小上述腔室內(nèi)的氣體壓力與其外部的氣體壓力的壓力差，使得上述腔室內(nèi)的氣體壓力與其外部的氣體壓力趨于一致，從而可以減小支撐膜2所受的壓力差，使得支撐膜2的兩側(cè)壓力趨于一致，從而可以防止支撐膜2因受到周期性/長(zhǎng)期性的壓力差而導(dǎo)致的疲勞損壞問(wèn)題，延長(zhǎng)微型加熱器的使用壽命，提高微型加熱器工作的可靠性。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的微型加熱器，通過(guò)在襯底1上設(shè)置連通隔熱通孔13和外界的通氣結(jié)構(gòu)14，由此在微型加熱器工作時(shí)，由隔熱通孔13、支撐膜2和封裝殼限定的腔室與外界連通，防止由于腔室的內(nèi)外存在的壓力差而導(dǎo)致器件易損壞的問(wèn)題。

根據(jù)本發(fā)明的一些可選實(shí)施例，參照?qǐng)D2，襯底1的第二表面12上設(shè)有凹槽，該凹槽可以沿徑向延伸并貫穿隔熱通孔13的內(nèi)壁及襯底1的外周壁，凹槽與封裝殼之間限定出通氣結(jié)構(gòu)14。由此，通過(guò)在襯底1的第二表面12上設(shè)置凹槽，可以方便通氣結(jié)構(gòu)14的加工成型，且使得通氣結(jié)構(gòu)14簡(jiǎn)單。

可選地，參照?qǐng)D2，凹槽可以為多個(gè)且沿隔熱通孔13的周向間隔設(shè)置。由此，可以使上述腔室內(nèi)的氣體與其外部的氣體可以快速、均勻地流通，使得腔室內(nèi)的氣體壓力與其外部的氣體壓力更快地趨于一致，同時(shí)可以使腔室內(nèi)的各個(gè)部分的氣體壓力更為均勻。例如，上述多個(gè)凹槽可以呈輻射狀設(shè)置，由此可以縮短氣體的流動(dòng)路徑，同時(shí)可以增大氣體的流動(dòng)面積，可以更好地使得支撐膜2的兩側(cè)壓力趨于一致，更為顯著地減小支撐膜2所受的壓力差。

可選地，上述凹槽的橫截面可以呈弧形或u形。由此使得凹槽的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工成型，同時(shí)使得凹槽的內(nèi)壁面平滑而避免應(yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)一步地提高了微型加熱器的可靠性。

根據(jù)本發(fā)明的一些可選實(shí)施例，參照?qǐng)D1和圖2，隔熱通孔13的位于第一表面11的端部形成為圓形，使得支撐膜2的封蓋隔熱通孔13的部分也為圓形，即支撐膜2中處于懸空的部分為圓形，由此可以使支撐膜2中處于懸空的部分其邊緣是光滑連續(xù)的而避免了凸角的出現(xiàn)，從而可以防止支撐膜2的應(yīng)力集中問(wèn)題，進(jìn)一步地提高支撐膜2的壽命及微型加熱器工作的可靠性?？蛇x地，支撐膜2整體可以呈圓形或方形。

進(jìn)一步地，隔熱通孔13的橫截面面積在由第一表面11至第二表面12的方向上(參照?qǐng)D2中的由上向下的方向上)增大。由此，可以提高微型加熱器的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及強(qiáng)度，同時(shí)可以提高微型加熱器的芯片密度。

例如，隔熱通孔13可以形成為圓臺(tái)形。

又例如，參照?qǐng)D2，隔熱通孔13可以包括內(nèi)徑不同的第一段131和第二段132，上述第一段131和第二段132均形成為圓柱形，其中第一段131鄰近隔熱通孔13的第一表面11，第二段132鄰近隔熱通孔13的第二表面12，第一段131的內(nèi)徑小于第二段132的內(nèi)徑。

根據(jù)本發(fā)明的一些可選實(shí)施例，參照?qǐng)D1，加熱件3可以為加熱電阻絲，加熱電阻絲在其延伸方向上的曲率變化是連續(xù)的。由此，使得加熱電阻絲的各個(gè)部分之間均為平滑連接過(guò)渡，可以防止加熱件3上出現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的問(wèn)題，進(jìn)一步地提高微型加熱器的可靠性。

例如，加熱電阻絲在支撐膜2上的投影可以呈圓形、橢圓形、漸開線形或頂點(diǎn)處倒圓角的多邊形。

又例如，參照?qǐng)D1，加熱電阻絲可以包括彼此平行且間隔設(shè)置的多個(gè)直段31以及連接相鄰兩個(gè)直段31的彎段32，彎段32與直段31的連接處平滑過(guò)渡。由此，可以使加熱電阻絲均勻分布在支撐膜2上，使得微型加熱器在工作時(shí)可以獲得較大面積且高質(zhì)量的均溫區(qū)域。

下面參照?qǐng)D1和圖2描述根據(jù)本發(fā)明第二方面實(shí)施例的微型加熱器的加工方法。

根據(jù)本發(fā)明第二方面實(shí)施例的微型加熱器的加工方法，包括如下步驟：

s10、在襯底1的第一表面11沉積形成支撐膜2?？梢岳没瘜W(xué)氣相沉積技術(shù)在襯底1的第一表面11沉積形成上述支撐膜2，該支撐膜2可以為復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。例如，可以采用低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)或等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在襯底1的第一表面11上沉積形成氧化硅/氮化硅復(fù)合膜。其中，在襯底1上沉積支撐膜2之前，可以對(duì)襯底1的第一表面11和第二表面12進(jìn)行拋光，由此可以增強(qiáng)支撐膜2與襯底1之間的連接強(qiáng)度和可靠性。

s20、在支撐膜2上布設(shè)加熱件3，可以利用濺射工藝在支撐膜2上沉積形成加熱件3，例如可以采用磁控濺射的方法。根據(jù)設(shè)計(jì)要求在支撐膜2上濺射沉積成片狀或絲狀的加熱件3，加熱件3的圖形形狀可以為圓形、橢圓形、漸開線形、頂點(diǎn)處倒圓角的多邊形或蛇形。

s30、從襯底1的第二表面12沿其厚度方向(參照?qǐng)D2中的由下向上的方向)刻蝕襯底1以形成隔熱通孔13，在襯底1的第二表面12上刻蝕襯底1以形成凹槽。隔熱通孔13和凹槽的刻蝕可以同時(shí)進(jìn)行，也可以先后進(jìn)行(例如，可以先刻蝕隔熱通孔13，再刻蝕凹槽)。當(dāng)然，隔熱通孔13和凹槽同時(shí)刻蝕可以提高加工效率。

s40、采用粘接劑將封裝殼與襯底1連接以封裝微型加熱器的內(nèi)部器件。在封裝時(shí)，在封裝殼上涂抹粘接劑，再將封裝殼與襯底1的第二表面12粘接。在封裝殼上涂抹粘接劑時(shí)，使得封裝殼上的粘接區(qū)域的粘接劑厚度能夠均一且小于凹槽的深度，以防止封裝殼與襯底1粘接時(shí)凹槽被粘接劑填滿而使得微型加熱器的通氣結(jié)構(gòu)14被堵住。

根據(jù)本發(fā)明第二方面實(shí)施例的微型加熱器的加工方法，加工過(guò)程簡(jiǎn)單、易操作且成型質(zhì)量高。

根據(jù)本發(fā)明的一些可選實(shí)施例，在上述s30步驟中，刻蝕隔熱通孔13及凹槽的步驟如下：

先采用干法刻蝕技術(shù)由襯底1的第二表面12沿其厚度方向刻蝕襯底1以形成隔熱通孔13的第一部分，采用上述干法刻蝕技術(shù)在襯底1的第二表面12上刻蝕襯底1以形成凹槽的第一部分。

再采用濕法刻蝕技術(shù)在隔熱通孔13的第一部分的基礎(chǔ)上繼續(xù)沿襯底1的厚度方向刻蝕襯底1以形成隔熱通孔13，采用上述濕法刻蝕技術(shù)在凹槽的第一部分的基礎(chǔ)上繼續(xù)刻蝕襯底1以形成凹槽。

由此，通過(guò)干法刻蝕技術(shù)與濕法刻蝕技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)，可以降低微型加熱器的加工成本，并可以保證成型質(zhì)量。而且，在刻蝕隔熱通孔13時(shí)先采用干法刻蝕再采用濕法刻蝕，可以避免干法刻蝕對(duì)支撐膜2可能造成的損壞；在刻蝕凹槽時(shí)采用干法刻蝕與濕法刻蝕相結(jié)合的技術(shù)，可以提高凹槽的深度，避免封裝后微型加熱器的上述腔室形成密閉腔。

可選地，上述干法刻蝕技術(shù)可以為深反應(yīng)離子刻蝕。

可選地，上述濕法刻蝕技術(shù)的腐蝕劑可以為聚乙二醇辛基苯基醚和四甲基氫氧化銨的混合溶液。例如，在襯底1為硅襯底時(shí)，濕法刻蝕技術(shù)的腐蝕劑采用上述的混合溶液，可以消除硅各向異性產(chǎn)生的銳角應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)，并且有利于消除凹槽上形成凸臺(tái)而引起的腐蝕問(wèn)題。

在本說(shuō)明書的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示意性實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。