تاثیر قرار دادن لایه نازک سیلیکون در زیر غشای دی‌الکتریک بر روی عملکرد یک میکروهیتر

محورهای موضوعی : روش ها و فرآیندهای نوین در تولید

فاطمه سمایی فر ¹ , احمد عفیفی ² , حسن عبداللهی ³

1 - محقق/دانشگاه صنعتی مالک اشتر
2 - دانشیار/دانشگاه صنعتی مالک اشتر
3 - استادیار/دانشگاه هوایی شهید ستاری

تاریخ دریافت : 1394/07/27 تاریخ پذیرش : 1394/09/30 تاریخ انتشار : 1394/09/01

کلید واژه: MEMS, توزیع دمای یکنواخت, غشای معلق شده, میکروهیتر, میکروحسگر,

چکیده مقاله :

با توسعه ریزفناوری میکروماشین کاری و میکروالکترونیک، میکروهیترها کاربردهای زیادی در میکروحسگرها پیدا کرده اند. یکنواختی توزیع دما یکی از عوامل تاثیرگذار در افزایش حساسیت و دقت یک حسگر گازی است که در آن هیتر استفاده شده است. در این مقاله روش قرار دادن لایه نازک سیلیکون در زیر غشای دی الکتریک به منظور بهبود یکنواختی گرما در میکروهیتر، مورد بررسی قرار گرفته است. دو میکروهیتر پلاتینی با ساختار غشای معلق بر روی بستر سیلیکون و بر پایه فناوری میکروماشین کاری حجمی طراحی، ساخته و مشخصه یابی شده اند. در میکروهیتر اول از لایه نازک سیلیکون به ضخامت µm10 در زیر غشای دی الکتریک استفاده شده است در حالیکه میکروهیتر دوم بدون این لایه ساخته شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که با قرار دادن لایه نازک سیلیکون، یکنواختی توزیع دما و استحکام مکانیکی بهبود می یابد درحالیکه توان مصرفی و پاسخ زمانی افزایش می یابد. هم چنین نتایج تجربی به نتایج حاصل از شبیه سازی بسیار نزدیک است و نشان می دهد که میکروهیتر با لایه نازک سیلیکون به ضخامت µm10 برای رسیدن به دمای oC500 دارای توان مصرفی و پاسخ زمانی mW50 و ms23/4 به ترتیب می باشد ولی میکروهیتر ساخته شده بدون این لایه، برای رسیدن به این دما دارای توان مصرفی و پاسخ زمانی mW13 و ms4/2 است.

منابع و مأخذ:

 

[1]     J. Courbat, M. Canonica, D. Teyssieux, D. Briand & N. De Rooij, “Design and fabrication of micro-hotplates made on a polyimide foil: electrothermal simulation and characterization to achieve power consumption in the low mW range”, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 21, pp. 015014, 2010.

 

[2]     C.-L. Dai, “A capacitive humidity sensor integrated with micro heater and ring oscillator circuit fabricated by CMOS–MEMS technique”, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 122, pp. 375-380, 2007.

 

[3]     Elmi, S. Zampolli, E. Cozzani, F. Mancarella & G. Cardinali, “Development of ultra-low-power consumption MOX sensors with ppb-level VOC detection capabilities for emerging applications”, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 135, pp. 342-351, 2008.

 

[4]     W.-J. Hwang, K.-S. Shin, J.-H. Roh, D.-S. Lee & S.-H. Choa, “Development of micro-heaters with optimized temperature compensation design for gas sensors”, Sensors, Vol. 11, pp. 2580-2591, 2011.

[5]     W. Konz, J. Hildenbrand, M. Bauersfeld, S. Hartwig, A. Lambrecht, V. Lehmann & et al, “Micromachined IR-source with excellent blackbody like behaviour”, in Proc. SPIE, pp. 540-548, 2005.

 

[6]     C. Tao, C. Yin, M. He & S. Tu, “Thermal analysis and design of a micro-hotplate for Si-substrated micro-structural gas sensor”, Proceedings of the 3rd IEEE International Conference of Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, pp. 284-287, 2008.

 

[7]     J. Courbat, D. Briand & N. F. De Rooij, “Reliability improvement of suspended platinum-based micro-heating elements” Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 142, pp. 284-291, 2008.

 

[8]     G.-S. Chung & J.-M. Jeong, “Fabrication of micro heaters on polycrystalline 3C-SiC suspended membranes for gas sensors and their characteristics”, Microelectronic Engineering, Vol. 87, pp. 2348-2352, 2010.

 

[9]     J. Laconte, D. Flandre & J.-P. Raskin, Micromachined thin-film sensors for SOI-CMOS co-integration, Springer, Berlin, 2006.

 

[10] J.-C. Shim & G.-S. Chung, “Fabrication and characteristics of Pt/ZnO NO sensor integrated SiC micro heater”, in Sensors IEEE, pp. 350-353, 2010.

 

[11] J. C. Belmonte, J. Puigcorbe, J. Arbiol, A. Vila, J. Morante, N. Sabate & et al, “High-temperature low-power performing micromachined suspended micro-hotplate for gas sensing applications”, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 114, pp. 826-835, 2006.

 

[12] B. Guo, A. Bermak, P. C. Chan & G.-Z. Yan, “A monolithic integrated 4× 4 tin oxide gas sensor array with on-chip multiplexing and differential readout circuits”, solid-state electronics, Vol. 51, pp. 69-76, 2007.

 

[13] Hotovy, V. Rehacek, F. Mika, T. Lalinsky, S. Hascik, G. Vanko & et al, “Gallium arsenide suspended microheater for MEMS sensor arrays”, Microsystem Technologies, Vol. 14, pp. 629-635, 2008.

 

[14] D.-S. Lee, C.-H. Shim, J.-W. Lim, J.-S. Huh, D.-D. Lee & Y.-T. Kim, “A microsensor array with porous tin oxide thin films and microhotplate dangled by wires in air”, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 83, pp. 250-255, 2002.

 

[15] K.-N. Lee, D.-S. Lee, S.-W. Jung, Y.-H. Jang, Y.-K. Kim & W.-K. Seong, “A high-temperature MEMS heater using suspended silicon structures”, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 19, pp. 115011, 2009.

 

[16] M. Ehmann, P. Ruther, M. von Arx & O. Paul, “Operation and short-term drift of polysilicon-heated CMOS microstructures at temperatures up to 1200 K”, Journal of micromechanics and microengineering, Vol. 11, pp. 397, 2001.

 

[17] X. Yi, J. Lai, H. Liang & X. Zhai, “Fabrication of a MEMS micro-hotplate”, in Journal of Physics: Conference Series, pp. 012098, 2011.

 

[18] T. A. Kunt, T. J. McAvoy, R. E. Cavicchi & S. Semancik, “Optimization of temperature programmed sensing for gas identification using micro-hotplate sensors”, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 53, pp. 24-43, 1998.

 

[19] R. Phatthanakun, P. Deekla, W. Pummara, C. Sriphung, C. Pantong & N. Chomnawang, “Fabrication and control of thin-film aluminum microheater and nickel temperature sensor”, Proceedings of 8th International Conference of the Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology, pp. 14-17, 2011.

 

[20] M. Aslam, C. Gregory & J. Hatfield, “Polyimide membrane for micro-heated gas sensor array”, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 103, pp. 153-157, 2004.

 

[21] S. Astié, A. Gue, E. Scheid & J. Guillemet, “Design of a low power SnO< sub> 2</sub> gas sensor integrated on silicon oxynitride membrane”, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 67, pp. 84-88, 2000.

 

[22] D. Briand, M. Gretillat, B. Van Der Schoot & N. De Rooij, “Thermal management of micro-hotplates using MEMCAD as simulation tool”, Power (mW), Vol. 1, pp. 5mm2, 2000.

 

[23] P. Ruther, M. Ehmann, T. Lindemann & O. Paul, “Dependence of the temperature distribution in micro hotplates on heater geometry and heating mode”, Proceedings of the 12th International Conference of Transducers, Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, pp. 73-76, 2003.

 

[24] J. O. Dennis, A. Y. Ahmed & N. M. Mohamad, “Design, Simulation and Modeling of a Micromachined High Temperature Microhotplate for Application in Trace Gas Detection”, International Journal of Engineering and Technology, Vol. 10, pp. 89-96, 2010.

 

[25] O. Sidek, M. Ishak, M. Khalid, M. Abu Bakar & M. Miskam, “Effect of heater geometry on the high temperature distribution on a MEMS micro-hotplate”, Proceedings of the 3rd Asia Symposium of Quality Electronic Design (ASQED), pp. 100-104, 2011.

 

[26]    ف. سمائی­فر، ح. حاج قاسم، م. محتشمی­فر، م. رض. علی ­احمدی، "طراحی و شبیه­سازی میکروهیتر ساخته شده با تکنولوژی MEMS"، مجله صنایع الکترونیک، دوره 3، شماره4، ص. 95-111، زمستان 1391.

 

Mayadas & M. Shatzkes, “Electrical-resistivity model for polycrystalline films: the case of arbitrary reflection at external surfaces”, Physical review B, Vol. 1, pp. 1382, 1970.