微热板的热测试和热分析

第22卷第2期工程热物理学报Vol 22, No. 2JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSar,2001微热板的热测试和热分析顾毓沁1张荣海1朱德忠1孙晓毅1阉桂珍2唐祯安3Philip C H. Chan Johnny KO(1.清华大学工程力学系,北京100084;2.北京大学电子工程系,北京1008713.大连理工大学电子工程系,辽宁大连1160234.香港科技大学电机及电子工程学系,香港九龙清水湾)精要随着近代高新技术的发展,要求各种探测器微型化.微加工技术的进步,使得微器件制造有了可能,于是徽传感器就应运而生了.微热板作为一种微型加热器在微传感器中有着极为重要的作用.它的温度分布和热特性直接影响微传感器的工作性能,为此微热板的热测试和热分析成为微传感器的研制、使用和评价所必不可少的工作本文针对研制中的气体传感器的微热板,用红外热成像技术进行热测试和分析,获得气体传感器微热板的微小区域的温度分布,为传感器的研制提供了可靠的依据关键词微热板,传感器,红外热成像;温度分布中图分类号:TK39文标识码:A文章编号:0253231x(2001)02-022603THERMAL ANALYSIS AND MEASUREMENTOF MICRO-HOTPLATEGU Yu-Qin! ZHANG Rong-Hai' ZHU De-Zhong! SUN Xiao-Yi YAN Gui-ZhenTANG Zhen-An Philip C.H. Chand Johnny K.O. Sin I-Ming Shing(1. Department of En2. Institute of Microelectronics, Beijing University, Beijing 100871, China;3. Department of Electronic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China;4. Dept. of Electrical Electronic Engineering, Hong Kong Univ, of Science Technology, Hong Kong, ChinaAbstract With the development of high technology, sensors become more and more small. Theprogress in micro-fabrication technology enables devices to be miniaturized. As a micro-heater, themicro-hotplate is a very important component in micro-sensor. Its temperature distribution and thernal characteristics directly determine the micro-sensor's behavior, thus, thermal measurement andanalysis of micro-hotplate become an indispensable step in the design, application and evaluation ofmicro-sensorsbo. In this paper, infrared thermograph is applied in the thermal analysis and measurement of micro-of small area of micro-hotplate is mearovide a reliable basis for the development of micro-senseKey words micro-hotplate; micro-sensor; infrared thermograph; temperature distribution故而名种微型传感器,例如薄膜气体传感器中国煤化工传感器以及黴型压力流量近代高新技术的发展提出了研制微型传感器的CNMHG迷进行分析、研究、制造和需要.微加工技术的发展使微型传感器的制造成为性能评估收稿日期:200011-25;修订日期:20001218基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.59955-5)和香港研究资助局基金资助项目( No HKUST6001/9作者简介:顾毓沁(1936-),女,江苏苏州人,教授,1964年研究生毕业于消华大学工程力学系,主要从事传热、热物性及热物理毓沁等:微热板的热测试和热分析微型气体传感器是一种开发研究较多的器件,传感器曾先后有不同类型传感器的原理分析、材料研制本文研究的微热板为四臂支撑对称结构复合介设计和制造研究的报道,金属氧化物半导体在不同质板,其主体材料是二氧化硅和氮化硅。加热电阻温度下对不同气体具有高灵敏度的吸收特性,在吸为多晶硅,接触电极为A/Tiw/Au复合金属多层收了气体以后会改变氧化物的电导率,据此就可以膜结构。结构示意图如图2所示。微热板的总厚度检测各种不同类型的气体。由此可知,传感器必须约为2.5m,长宽尺度均为120m由集成的微加热器模块和信号转换器件组成,信号转换器用以检测氧化物电导率的变化。显而易见气体敏感薄膜多晶硅加热及测温电阻气体微传感器的研究中微加热器( micro-heater),也称微热板( micro-hotplate)的热分析、热设计和热测试是十分重要的本文利用显微红外热成像方法,对微型气体传感器的微加热器进行热测试,获得了它的有效发射率及热像图,计算确定微热板的温度分布,为器件氧化硅氮化硅的热设计和研制提供了必需的实验数据硅衬底2气体传感器的工作原理和微热板的作用图2气体传感器的微热板的图形气体传感器的敏感部分是一层气体敏感膜,本3微热板的热测试文研究的传感器的敏感层是氧化锡(SnO2)膜,它在微热板工作中重要的工作参数是温度及加热功度的吸收特性,所以必须具有微热板形式的微型加且保温度能达到测量气体敏感度最大的范围,而热器,使气体敏感膜处在合适的温度范围内才能正耗来维持微热板的温度,所以微热板的热测试应能常工作.对此微热板应有加热、控温、均温及功率小的要求做到测量各个功率值下的稳定的温度分布,微热板的尺寸在百微米的量级,要测出温度分布必需采用气体传感器的微热板扫描电子显微镜(EM照高空间分辨率的仪器。为此选用显微红外热成我像系片如图1所示,微热板有两种构成方式,一种为膜片统来实现这样的测量,它的空间分辨率为10m,结构,另一种为四臂支撑的悬浮板结构微热板,由31红外热像仪温度测量原理表面微机械或体微机械或牺牲层技术等加工而成。当红外热像仪对准器件表面进行探测时,红外在板上有加热电阻和温度传感器,可以在400C的探测器所接收到的辐射能量E由三部分组成,即温度范围内调控微热板达到预定的工作温度。板的被测器件表面本身的辐射能量E1,从被测器件表面上表面上制有需要加热工作的气体敏感膜。除了在反射的环境辐射能量E2,从被测器件表面透射的环微传感器方面的应用,微热板还是生物芯片技术中境辐射能量E3,因此有的重要部件,所以微热板的研究意义并不局限于微E=E1+E2+E3设环境辐射能量为Ea,与被测器件表面温度相同的黑体辐射能量为EEa由环境温度T。决定,中国煤化工定,被测物体发射率T,则可以得出ECNMHG1,所以有:E=E+(1-)En=co08+(1-e)'or(1)其中c是环境的发射率,o为黑体辐射常数,其方方数据感器的微热板SEM照片值为567×10-8w/(m2K4)工程热物学报红外热像仪的标定是利用高精度的黑体炉作为根据实际测试得到,微热板中心部分的平均有标准,用红外热像仪测量其表面温度,做出黑体炉温效发射率是075,四周为05,据此发射率值,就可度与光电转换器件的输出电压的关系曲线。所以,算得微热板工作情况下的真实温度分布。图4显示直接从红外热像仪的热图像中读出的温度是物体表的是微热板加热电压为16V下的真实温度分布,其面的辐射温度,并不是真实温度,在热像仪标定中用加热功率为68mW到了黑体炉,而黑体炉的辐射特性满足斯蒂芬·玻3.3讨论尔兹曼( Stefan- Boltzmann)定律,所以标定后的辐射测试所得的温度分布表明,中间温度较低,四周温度值与接收到的辐射能量的关系如下:较高,这是合理的.因为加热用的多晶硅处于四周,E=goT(2)而且此多晶硅是夹在多层介质膜中间的,其上还有二氧化硅和氮化硅,中央区域的最上层是氧化锡其中T称为辐射温度所以温度最高处并不在多晶硅的正上方,测试结果红外热像仪的探测器是一种光电转换器件,由锑化钢材料制成,可以将接收到的红外波段的热辐表明,微热板的加热功率、温度均匀性是能够符合射能量转换为电信号,经过放大、整形,模数转换后气体传感器的基本要求的,但是从提高性能的要求来看,还应在减少加热功率和提高温度均匀性方面成为数字信号,在显示器上通过图像显示出来图像有所改进。温度分布的测试为此改进提供了实验依中的每一个点的灰度值与被测物体上该点发出并到达光电转换器件的辐射能量是对应的.这样,应用据公式(2),红外热像仪经过一定的运算,就可以从图像上读出被测物体表面的每一个点的辐射温度值结合式(1)和式(2)有:o0=ooT+(1-)co074(3)(20319(255103这样,由公式(3)就得到了器件表面的辐射温度Tr(253:195)与真实温度T6的数量关系。3.2微热板表面的真实温度分布测量图3微热板在加热功率为68mW的红外热像仪获得的是微热板表面的辐射温度分辐射温度分布(128mx128gm)布,如图3所示。由式(3)可知,要确定它的真实温度,除了知道T和e外,还需知道发射率。环境温度Ta由测量获得,环境发射率可以近似取e=1,所以其关键是发射率E,应该指出,此发射率并不只是被测样品的表面特性,还与红外热像系统的测试光路有关,所以它是一种有效发射率。在式(3)中,如果微热板的真实温度T已知,而微热板上每一点的辐射温度可以由热像仪读取,那么,其发射率就X/umY/um图4微热板在加热功率为68mW的真实温度分布测试中,这个已知的真实温度是在一个恒温控参考文制炉中加热获取的John S Suehle, Richard E Cavicchi. Michael Gaitan根据微热板的测试看出,它的有效发射率分布基本上是两个区域,中间区域是一个发射率值,四周为另一个值。我们使微热板处于多个恒定的温度I 9中国煤化工如 cated Using CMoS Micro-cessing. IEEE Electronic DeCNMHG8-120Iang et al. An Integrate Tin Dioxide Gas Sen-条件下,实测此恒定的温度值,即微热板的真实温sor with an Improved Integrated Micro-Hotplate. Sensorsand Actuators B46, 1998, 174-179度值,再由热像图上显示的辐射温度来确定其发射图]朱德忠,顾毓沁,晋宏师等.电子器件真实温度和发射率率分布的红外测量.红外技术,200022(1):4548