微熱板的熱測試和熱分析

第22卷第2期工程熱物理學(xué)報Vol 22, No. 2JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSar,2001微熱板的熱測試和熱分析顧毓沁1張榮海1朱德忠1孫曉毅1閹桂珍2唐禎安3Philip C H. Chan Johnny KO(1.清華大學(xué)工程力學(xué)系,北京100084;2.北京大學(xué)電子工程系,北京1008713.大連理工大學(xué)電子工程系,遼寧大連1160234.香港科技大學(xué)電機及電子工程學(xué)系,香港九龍清水灣)精要隨著(zhù)近代高新技術(shù)的發(fā)展,要求各種探測器微型化.微加工技術(shù)的進(jìn)步,使得微器件制造有了可能,于是徽傳感器就應運而生了.微熱板作為一種微型加熱器在微傳感器中有著(zhù)極為重要的作用.它的溫度分布和熱特性直接影響微傳感器的工作性能,為此微熱板的熱測試和熱分析成為微傳感器的研制、使用和評價(jià)所必不可少的工作本文針對研制中的氣體傳感器的微熱板,用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行熱測試和分析,獲得氣體傳感器微熱板的微小區域的溫度分布,為傳感器的研制提供了可靠的依據關(guān)鍵詞微熱板,傳感器,紅外熱成像;溫度分布中圖分類(lèi)號:TK39文標識碼:A文章編號: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故而名種微型傳感器,例如薄膜氣體傳感器中國煤化工傳感器以及黴型壓力流量近代高新技術(shù)的發(fā)展提出了研制微型傳感器的CNMHG迷進(jìn)行分析、研究、制造和需要.微加工技術(shù)的發(fā)展使微型傳感器的制造成為性能評估收稿日期:200011-25;修訂日期:20001218基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(No.59955-5)和香港研究資助局基金資助項目( No HKUST6001/9作者簡(jiǎn)介:顧毓沁(1936-),女,江蘇蘇州人,教授,1964年研究生畢業(yè)于消華大學(xué)工程力學(xué)系,主要從事傳熱、熱物性及熱物理毓沁等:微熱板的熱測試和熱分析微型氣體傳感器是一種開(kāi)發(fā)研究較多的器件,傳感器曾先后有不同類(lèi)型傳感器的原理分析、材料研制本文研究的微熱板為四臂支撐對稱(chēng)結構復合介設計和制造研究的報道,金屬氧化物半導體在不同質(zhì)板,其主體材料是二氧化硅和氮化硅。加熱電阻溫度下對不同氣體具有高靈敏度的吸收特性,在吸為多晶硅,接觸電極為A/Tiw/Au復合金屬多層收了氣體以后會(huì )改變氧化物的電導率,據此就可以膜結構。結構示意圖如圖2所示。微熱板的總厚度檢測各種不同類(lèi)型的氣體。由此可知,傳感器必須約為2.5m,長(cháng)寬尺度均為120m由集成的微加熱器模塊和信號轉換器件組成,信號轉換器用以檢測氧化物電導率的變化。顯而易見(jiàn)氣體敏感薄膜多晶硅加熱及測溫電阻氣體微傳感器的研究中微加熱器( micro-heater),也稱(chēng)微熱板( micro-hotplate)的熱分析、熱設計和熱測試是十分重要的本文利用顯微紅外熱成像方法,對微型氣體傳感器的微加熱器進(jìn)行熱測試,獲得了它的有效發(fā)射率及熱像圖,計算確定微熱板的溫度分布,為器件氧化硅氮化硅的熱設計和研制提供了必需的實(shí)驗數據硅襯底2氣體傳感器的工作原理和微熱板的作用圖2氣體傳感器的微熱板的圖形氣體傳感器的敏感部分是一層氣體敏感膜,本3微熱板的熱測試文研究的傳感器的敏感層是氧化錫(SnO2)膜,它在微熱板工作中重要的工作參數是溫度及加熱功度的吸收特性,所以必須具有微熱板形式的微型加且保溫度能達到測量氣體敏感度最大的范圍,而熱器,使氣體敏感膜處在合適的溫度范圍內才能正耗來(lái)維持微熱板的溫度,所以微熱板的熱測試應能常工作.對此微熱板應有加熱、控溫、均溫及功率小的要求做到測量各個(gè)功率值下的穩定的溫度分布,微熱板的尺寸在百微米的量級,要測出溫度分布必需采用氣體傳感器的微熱板掃描電子顯微鏡(EM照高空間分辨率的儀器。為此選用顯微紅外熱成我像系片如圖1所示,微熱板有兩種構成方式,一種為膜片統來(lái)實(shí)現這樣的測量,它的空間分辨率為10m,結構,另一種為四臂支撐的懸浮板結構微熱板,由31紅外熱像儀溫度測量原理表面微機械或體微機械或犧牲層技術(shù)等加工而成。當紅外熱像儀對準器件表面進(jìn)行探測時(shí),紅外在板上有加熱電阻和溫度傳感器,可以在400C的探測器所接收到的輻射能量E由三部分組成,即溫度范圍內調控微熱板達到預定的工作溫度。板的被測器件表面本身的輻射能量E1,從被測器件表面上表面上制有需要加熱工作的氣體敏感膜。除了在反射的環(huán)境輻射能量E2,從被測器件表面透射的環(huán)微傳感器方面的應用,微熱板還是生物芯片技術(shù)中境輻射能量E3,因此有的重要部件,所以微熱板的研究意義并不局限于微E=E1+E2+E3設環(huán)境輻射能量為Ea,與被測器件表面溫度相同的黑體輻射能量為EEa由環(huán)境溫度T。決定,中國煤化工定,被測物體發(fā)射率T,則可以得出ECNMHG1,所以有:E=E+(1-)En=co08+(1-e)'or(1)其中c是環(huán)境的發(fā)射率,o為黑體輻射常數,其方方數據感器的微熱板SEM照片值為567×10-8w/(m2K4)工程熱物學(xué)報紅外熱像儀的標定是利用高精度的黑體爐作為根據實(shí)際測試得到,微熱板中心部分的平均有標準,用紅外熱像儀測量其表面溫度,做出黑體爐溫效發(fā)射率是075,四周為05,據此發(fā)射率值,就可度與光電轉換器件的輸出電壓的關(guān)系曲線(xiàn)。所以,算得微熱板工作情況下的真實(shí)溫度分布。圖4顯示直接從紅外熱像儀的熱圖像中讀出的溫度是物體表的是微熱板加熱電壓為16V下的真實(shí)溫度分布,其面的輻射溫度,并不是真實(shí)溫度,在熱像儀標定中用加熱功率為68mW到了黑體爐,而黑體爐的輻射特性滿(mǎn)足斯蒂芬·玻3.3討論爾茲曼( Stefan- Boltzmann)定律,所以標定后的輻射測試所得的溫度分布表明,中間溫度較低,四周溫度值與接收到的輻射能量的關(guān)系如下:較高,這是合理的.因為加熱用的多晶硅處于四周,E=goT(2)而且此多晶硅是夾在多層介質(zhì)膜中間的,其上還有二氧化硅和氮化硅,中央區域的最上層是氧化錫其中T稱(chēng)為輻射溫度所以溫度最高處并不在多晶硅的正上方,測試結果紅外熱像儀的探測器是一種光電轉換器件,由銻化鋼材料制成,可以將接收到的紅外波段的熱輻表明,微熱板的加熱功率、溫度均勻性是能夠符合射能量轉換為電信號,經(jīng)過(guò)放大、整形,模數轉換后氣體傳感器的基本要求的,但是從提高性能的要求來(lái)看,還應在減少加熱功率和提高溫度均勻性方面成為數字信號,在顯示器上通過(guò)圖像顯示出來(lái)圖像有所改進(jìn)。溫度分布的測試為此改進(jìn)提供了實(shí)驗依中的每一個(gè)點(diǎn)的灰度值與被測物體上該點(diǎn)發(fā)出并到達光電轉換器件的輻射能量是對應的.這樣,應用據公式(2),紅外熱像儀經(jīng)過(guò)一定的運算,就可以從圖像上讀出被測物體表面的每一個(gè)點(diǎn)的輻射溫度值結合式(1)和式(2)有:o0=ooT+(1-)co074(3)(20319(255103這樣,由公式(3)就得到了器件表面的輻射溫度Tr(253:195)與真實(shí)溫度T6的數量關(guān)系。3.2微熱板表面的真實(shí)溫度分布測量圖3微熱板在加熱功率為68mW的紅外熱像儀獲得的是微熱板表面的輻射溫度分輻射溫度分布(128mx128gm)布,如圖3所示。由式(3)可知,要確定它的真實(shí)溫度,除了知道T和e外,還需知道發(fā)射率。環(huán)境溫度Ta由測量獲得,環(huán)境發(fā)射率可以近似取e=1,所以其關(guān)鍵是發(fā)射率E,應該指出,此發(fā)射率并不只是被測樣品的表面特性,還與紅外熱像系統的測試光路有關(guān),所以它是一種有效發(fā)射率。在式(3)中,如果微熱板的真實(shí)溫度T已知,而微熱板上每一點(diǎn)的輻射溫度可以由熱像儀讀取,那么,其發(fā)射率就X/umY/um圖4微熱板在加熱功率為68mW的真實(shí)溫度分布測試中,這個(gè)已知的真實(shí)溫度是在一個(gè)恒溫控參考文制爐中加熱獲取的John S Suehle, Richard E Cavicchi. Michael Gaitan根據微熱板的測試看出,它的有效發(fā)射率分布基本上是兩個(gè)區域,中間區域是一個(gè)發(fā)射率值,四周為另一個(gè)值。我們使微熱板處于多個(gè)恒定的溫度I 9中國煤化工如 cated Using CMoS Micro-cessing. IEEE Electronic DeCNMHG8-120Iang et al. An Integrate Tin Dioxide Gas Sen-條件下,實(shí)測此恒定的溫度值,即微熱板的真實(shí)溫sor with an Improved Integrated Micro-Hotplate. Sensorsand Actuators B46, 1998, 174-179度值,再由熱像圖上顯示的輻射溫度來(lái)確定其發(fā)射圖]朱德忠,顧毓沁,晉宏師等.電子器件真實(shí)溫度和發(fā)射率率分布的紅外測量.紅外技術(shù),200022(1):4548