用于MEMS傳感器的加熱裝置的制作方法

本發明涉及一種用于mems傳感器的加熱裝置。本發明還涉及一種用于制造用于mems傳感器的加熱裝置的方法。

背景技術：

以金屬氧化物為基礎的氣體傳感器是公知的并且用于探測和定量不同的氣體。該傳感器為了它的功能而典型地需要的高達400攝氏度的溫度。這樣的傳感器在mems實施方案中通常由二氧化硅膜片或氮化硅膜片實現，由鉑或其他材料構成的加熱元件布置到該膜片上。此處特別是與使用在移動的終端設備、例如智能手機中的傳感器的微型化有關的可靠性是有問題的。

就此而言，電子遷移可以是特別重要的損害機理，該損害機理可以基于設計缺陷而導致加熱結構快速失效。傳感器的微型化和與此相應的導線軌通常導致更高的電流密度并且可能使問題更激化。

us6450025b1公開了一種具有層式結構的微加熱元件，通過層式結構可以限制微加熱元件的扭轉或翹曲。

us8410560b2公開了一種具有雙向通電以降低電子遷移的微加熱板。

技術實現要素：

本發明的任務在于，提供用于mems傳感器的改進的加熱裝置。

根據第一觀點，所述任務通過用于mems傳感器的加熱裝置解決，所述加熱裝置包括：

-用于電流的金屬導入元件；

-用于電流的金屬導出元件；和

-在導入元件和導出元件之間構造的限定數量的金屬加熱元件，其中，在導入元件中、在導出元件中和在加熱元件中基本上可形成恒定的電流密度。

以該方式提供一種加熱裝置，通過該加熱裝置基于均勻的電流密度分布而可實現最小電流密度發散性。結果是可以以該方式使加熱裝置的使用壽命最大化，因為由此極大減少了基于電子遷移的損害。此外，可以借助于加熱裝置明顯改善用于mems傳感器的加熱特性。

根據第二觀點，所述任務通過用于制造用于mems傳感器的加熱裝置的方法解決，所述方法具有以下步驟：

-提供用于電流的金屬導入元件；

-提供用于電流的金屬導出元件；

-在導入元件和導出元件之間布置金屬加熱元件，其中，導入元件、導出元件和加熱元件如此構造，使得在所有元件中基本上可形成恒定的電流密度。

加熱裝置的優選實施方式是從屬權利要求的主題。

加熱裝置的優選實施方式的特征在于，導入元件在加熱區域上延伸地具有限定地逐漸減小的寬度，并且導出元件在加熱區域上延伸地具有限定地逐漸增大的寬度。以該方式可能的是，在所有所述元件中形成基本恒定的電流密度。

加熱裝置的另一個優選實施方式設置為，在加熱區域中的導入元件和導出元件分別與沿電流流動方向布置的加熱元件的總寬度一樣寬。以該方式提供用于加熱裝置的制造規定的一般原則，通過該加熱裝置可以簡單地實現有關電流密度分布的所述效果。

加熱裝置的另一個優選實施方案設置為，導入元件和導出元件的寬度變化曲線線性地構造，并且加熱元件一樣寬并且以基本上相同的相互間距構造。以該方式提供用于加熱裝置的各個元件的可特別簡單地實現的原則，通過該原則促進了加熱裝置的簡單制造。

加熱裝置的另一個優選實施方式的特征在于，可以通過加熱元件形成在加熱區域中形成均勻的溫度分布。以該方式可以改善用于傳感器的傳感特性。

加熱裝置的另一個優選實施方案設置為，在加熱區域中構造至少一個不接電的、具有限定的比膜片材料更高的導熱性的、用于使溫度分布均勻化的均勻化元件，其中，均勻化元件在兩個加熱元件之間構造。由此根據以下事實，即加熱裝置布置在其上的膜片是差的熱導體，使膜片上的加熱區域中的溫度分布均勻化。

加熱裝置的另外的優選實施方式的特征在于，均勻化元件有角地或限定倒圓角地構造。以該方式有利地提供均勻化元件的不同幾何形狀，通過該幾何形狀可以實現根據應用特定的效果。

加熱裝置的另外的優選實施方式的特征在于，加熱元件直線地或限定彎曲地構造。以該方式有利地提升了加熱裝置的設計多樣性。

加熱裝置的另外的優選實施方式的特征在于，加熱裝置的材料是以下材料中的至少一種：鉑、釕、鉑釕合金、鈦、二氧化鈦、鉑鈦合金、銥、鉑鈦鈀合金、鉑鋯石氧化物合金。以該方式提供不同的材料技術上的可能性，通過這些可能性可以實現加熱裝置。

加熱裝置的另一個有利的擴展方案設置為，導入元件、導出元件和加熱元件由相同的材料構造或者由不同的材料構造。以該方式也提供了不同的材料技術上的可能性，通過這些可能性可以實現加熱裝置。

加熱裝置的優選擴展方案的特征在于，加熱裝置一體式地構造。由此可以有利地將制造成本降到最低。

接下來根據多個附圖詳細闡述本發明的多個特征和優點。此處所有公開的特征與它們在專利權利要求中的引用關系無關地以及與在說明書和附圖中對它們的無關地闡述構成本發明的主題。相同的或功能相同的元件有相同的參考標記。附圖尤其考慮用于解釋發明根本的原則并且并非一定按正確比例示出。

公開的方法特征由公開的相應裝置特征類似地得出，反之亦然。這尤其意味著，有關加熱裝置的特征、技術優點和實施方案以類似的方式由用于制造加熱裝置的方法的相應實施方案、特征和優點得出，反之亦然。

附圖說明

在附圖中示出：

圖1在俯視圖中的氣體mems傳感器的加熱區域的基本視圖；

圖2在橫截面視圖中的氣體mems傳感器的加熱區域的基本視圖；

圖3根據本發明的加熱裝置的第一實施方式的基本視圖；

圖4根據本發明的加熱裝置的另一個實施方式的基本視圖；

圖5通過加熱裝置可實現的效果的基本視圖；

圖6通過加熱裝置可實現的溫度分布的基本視圖；

圖7具有加熱裝置的傳感器的簡化框圖；和

圖8根據本發明的方法的實施方式的基本流程。

具體實施方式

本發明的核心觀點在于，提供一種用于具有微加熱裝置的氣體傳感器或其他應用的加熱元件或者說加熱裝置的特定設計，該設計可很大程度地抵抗電子遷移并且由此促進氣體傳感器更長的使用壽命和更高的可靠性。

尤其設置實現了用于mems氣體傳感器的薄層金屬加熱元件的特定造型。加熱元件在膜片上實現并且負責達到為化學反應所需的溫度。然而提出的加熱元件也可以有利地在其他、尤其是化學傳感器元件中使用，該傳感器元件需要提高的運行溫度和/或允許相似的結構。

在圖1中以俯視圖示意性示出基本的mems傳感器100。該傳感器包括芯片或者說載體30，膜片20施加在該芯片或者說載體上。芯片材料在載體30的確定區域中從背面移除，使得膜片20構造在該區域中。在膜片20上構造加熱元件或者說加熱裝置10。

圖2在橫截面示圖中示出圖1的基本結構。

傳統的構造為折疊帶(例如呈s形狀)的加熱元件顯示出呈電子遷移形式的損害機理。為了補償出現在可能導致斷路的、不希望的材料去除部(英語：voids，空隙)中的不希望的電子遷移，提出加熱裝置10的特定的幾何構型。

本發明的核心構思在于，提供一種由金屬或其他低阻抗材料構成的、具有達到至少400攝氏度溫度的能力的薄層加熱器的特定設計。加熱器可以布置在膜片上或者由二氧化硅/氮化硅或其他材料構成的其他可選擇的結構上或由至少在表面上是電絕緣的并且一般具有差的導熱能力的材料構成的堆上。加熱器的制造可以借助于不同的mems制造方法或其他薄層方法進行。加熱器可以通過具有與膜片類似或相同的性質的保護層覆蓋。

有利地，可以通過具有所提出的加熱裝置的傳感器很大程度補償電子遷移的影響，并且由此提高mems傳感器的使用壽命。

因此，本發明優選實現在加熱裝置中的均勻的、即盡可能不發散的電流密度分布。由此可以有利地提高整個mems傳感器的使用壽命和可靠性。

根據本發明的加熱裝置10的第一實施方式在圖3中的俯視圖中示出，該加熱裝置在具有膜片20(未示出)的載體(30)上實現。加熱裝置10包括金屬導入元件11和金屬導出元件12，這些元件優選由鉑構成。在導入元件11和導出元件12之間布置有多個加熱元件13。導入元件11、導出元件12和加熱元件13優選由相同的材料(相同的薄層平面，其中，金屬的厚度為大約100納米到大約800納米)組成，該材料可以同時沉積并且同時結構化。導入元件11、導出元件12和加熱元件13優選一體化地構造，但替換地也可以構造為分開的、相互連接的元件。

“導入元件”和“導出元件”的功能隨后可以可互換地使用，其中，部分的功能重疊也是可能的，以至于導入元件11總是也可以至少部分作為導出元件12起作用，反之亦然。

加熱元件13將加熱電流從導入元件11導向導出元件12，并且在此在加熱區域h中用于產熱。加熱區域h可以為大約20微米到大約500微米大小。可看出從右上方進入到導入元件11中并且在左下方從導出元件12出來的電流流動方向r。在可操作的正常運行中，電流被饋入到導入元件11中，然后經過加熱元件13，并且經過導出元件12被導出。由此在加熱區域h中發生放熱，該放熱設置用于膜片、例如氣體mems傳感器的膜片的加熱。

可看出，導入元件11的寬度在沿電流流動方向r的走向中限定變小。在此，精確的形狀f(x)如此適配于加熱元件13的幾何形狀，使得達到均勻的電流密度分布。與此相應地，導出元件12的寬度沿電流流動方向r越來越大。此處各加熱元件13的寬度和它們相互的間距如此選擇，使得產生盡可能大的具有均勻溫度的區域。導入元件11和導出元件12如此成形并且如此適配于加熱元件13的幾何形狀，使得電流密度在各處基本上是恒定的。

由此結果可能是，在導入元件11和導出元件12中的電流密度基本上保持恒定，由此可以有利地最小化或者說消除電子遷移的影響。

通過這種幾何形狀可以實現多個優點：

-在整個加熱裝置上的恒定的和均勻的電流密度，這由于電流密度發散而導致電子遷移損害的降低，

-在加熱區域上的加熱功率密度的適配可能性，該可能性通過加熱元件可變的寬度和間距達到

-通過所述兩個方面可以普遍地提升加熱裝置中的電流密度，由此實現更小的設計，由此有利地促進整個傳感器的小型化。

用于所述元件11、12、13的合適的材料例如為：釕、鉑釕合金、鈦、二氧化鈦、鉑鈦合金、銥、鉑鈦鈀合金、鉑鋯石氧化物合金。

此外可看出，附加地改變加熱元件13的寬度和間距，以便提升在加熱區域h中的溫度均勻化。此處遵循典型的方法，即，使邊緣區域中的功率/熱量更多地消散。

此外為該目的可看出在兩個加熱元件13之間設置的均勻化元件14，該均勻化元件沒有與加熱元件13電連接，并且用于改善或均衡在加熱區域h中的加熱效應。優選可以設置多個均勻化元件14，其中，每個均勻化元件14具有比膜片20的材料限定地高的導熱性，以便由此促進溫度分布的均勻化。

在其他未示出的實施方式中，均勻化元件14可以具有圓形或者說倒圓角的形狀或者是一個環的區段。

圖4示出根據本發明的加熱裝置10的另一個實施方式。該變型方案也包括導入元件11和導出元件12，其中可看出，寬度沿加熱區域h均勻減小，并且加熱元件13的寬度在整個加熱區域h上是恒定的。加熱元件13以基本相同的相互間距構造。這結果導致在功率元件11、12中和在加熱區域h中的均勻的電流密度。由此盡可能地避免電流密度發散，并且使用壽命可以有利地提高。

在加熱裝置10的另一個在圖中未示出的實施方式中，在元件11、12上的加熱元件13固定部處直角棱角可以是倒圓角的，以便在那里避免在該區域中的電流的局部密集并且以便進一步提升可靠性。

圖5示出加熱裝置10中的基于模擬的電流密度分布。根據均勻的陰影線看出電流密度的非常高的均勻化。

圖6示出通過加熱裝置10可實現的溫度分布，其中可看出，在基本對應于加熱區域h的中心區域存在足夠的熱能均勻化，其中，溫度的偏差僅為大約10％到大約15％。溫度在中心區域大約為430攝氏度并且在邊緣區域大約為22攝氏度。

圖7示出具有所提出的加熱裝置10的傳感器100的非常簡化的示圖。此處mems傳感器10優選構造為氣體mems傳感器。

圖8示出根據本發明的方法的實施方式的原理流程圖。

在步驟200中提供用于電流的金屬導入元件11。

在步驟210中提供用于電流的金屬導出元件12。

最后在步驟220中實施金屬加熱元件13在導入元件11和導出元件12之間的布置，其中，導入元件11、導出元件12和加熱元件13如此構造，使得在所有元件11、12、13中可形成基本恒定的電流密度。

總結而言，通過本發明提出一種尤其用于基于mems的化學傳感器(例如用于co2、co、o2等的傳感器)的加熱裝置，該加熱裝置布置在具有膜片的載體上。加熱裝置的特征在于均勻的或發散最小化的或無發散的電流密度分布，由此可以有利地將通過電子遷移引起的損害降到最低限度。

所述功率元件的精確形狀適配于加熱元件的幾何形狀。加熱元件的參數(例如間距、形狀等)如此選擇，使得在加熱區域中的溫度分布盡可能地均勻。

此外，該設計提出用于提升溫度均勻化的擴展可能性，因為為該目的不受最大化可允許的電流梯度的限制并且由此開啟新的自由度或減少不同設計觀點之間的相關性。由此結果是，加熱結構的進一步縮小是可能的，這導致總體更小的和更節約能量的傳感器，更改傳感器特別好地適用于在移動的終端設備中的使用。

因為通過本發明實現了高導電性材料在非常高電流密度情況下的使用，由此實現小于1.5伏的低電壓用于加熱器的運行。由此不需要用于電壓提升的電子元件，如在半導體元件(例如摻雜硅或碳化硅)的情況下那樣，由此可以有利地節省成本。

本發明可以有利地應用到其他類似構造的傳感器元件上。

雖然優先根據正確的應用實例闡述本發明，但專業人員也可以在不偏離本發明核心的情況下優先實現未公開或只有部分公開的實施方式。