用于MEMS传感器的加热装置的制作方法

本发明涉及一种用于mems传感器的加热装置。本发明还涉及一种用于制造用于mems传感器的加热装置的方法。

背景技术：

以金属氧化物为基础的气体传感器是公知的并且用于探测和定量不同的气体。该传感器为了它的功能而典型地需要的高达400摄氏度的温度。这样的传感器在mems实施方案中通常由二氧化硅膜片或氮化硅膜片实现，由铂或其他材料构成的加热元件布置到该膜片上。此处特别是与使用在移动的终端设备、例如智能手机中的传感器的微型化有关的可靠性是有问题的。

就此而言，电子迁移可以是特别重要的损害机理，该损害机理可以基于设计缺陷而导致加热结构快速失效。传感器的微型化和与此相应的导线轨通常导致更高的电流密度并且可能使问题更激化。

us6450025b1公开了一种具有层式结构的微加热元件，通过层式结构可以限制微加热元件的扭转或翘曲。

us8410560b2公开了一种具有双向通电以降低电子迁移的微加热板。

技术实现要素：

本发明的任务在于，提供用于mems传感器的改进的加热装置。

根据第一观点，所述任务通过用于mems传感器的加热装置解决，所述加热装置包括：

-用于电流的金属导入元件；

-用于电流的金属导出元件；和

-在导入元件和导出元件之间构造的限定数量的金属加热元件，其中，在导入元件中、在导出元件中和在加热元件中基本上可形成恒定的电流密度。

以该方式提供一种加热装置，通过该加热装置基于均匀的电流密度分布而可实现最小电流密度发散性。结果是可以以该方式使加热装置的使用寿命最大化，因为由此极大减少了基于电子迁移的损害。此外，可以借助于加热装置明显改善用于mems传感器的加热特性。

根据第二观点，所述任务通过用于制造用于mems传感器的加热装置的方法解决，所述方法具有以下步骤：

-提供用于电流的金属导入元件；

-提供用于电流的金属导出元件；

-在导入元件和导出元件之间布置金属加热元件，其中，导入元件、导出元件和加热元件如此构造，使得在所有元件中基本上可形成恒定的电流密度。

加热装置的优选实施方式是从属权利要求的主题。

加热装置的优选实施方式的特征在于，导入元件在加热区域上延伸地具有限定地逐渐减小的宽度，并且导出元件在加热区域上延伸地具有限定地逐渐增大的宽度。以该方式可能的是，在所有所述元件中形成基本恒定的电流密度。

加热装置的另一个优选实施方式设置为，在加热区域中的导入元件和导出元件分别与沿电流流动方向布置的加热元件的总宽度一样宽。以该方式提供用于加热装置的制造规定的一般原则，通过该加热装置可以简单地实现有关电流密度分布的所述效果。

加热装置的另一个优选实施方案设置为，导入元件和导出元件的宽度变化曲线线性地构造，并且加热元件一样宽并且以基本上相同的相互间距构造。以该方式提供用于加热装置的各个元件的可特别简单地实现的原则，通过该原则促进了加热装置的简单制造。

加热装置的另一个优选实施方式的特征在于，可以通过加热元件形成在加热区域中形成均匀的温度分布。以该方式可以改善用于传感器的传感特性。

加热装置的另一个优选实施方案设置为，在加热区域中构造至少一个不接电的、具有限定的比膜片材料更高的导热性的、用于使温度分布均匀化的均匀化元件，其中，均匀化元件在两个加热元件之间构造。由此根据以下事实，即加热装置布置在其上的膜片是差的热导体，使膜片上的加热区域中的温度分布均匀化。

加热装置的另外的优选实施方式的特征在于，均匀化元件有角地或限定倒圆角地构造。以该方式有利地提供均匀化元件的不同几何形状，通过该几何形状可以实现根据应用特定的效果。

加热装置的另外的优选实施方式的特征在于，加热元件直线地或限定弯曲地构造。以该方式有利地提升了加热装置的设计多样性。

加热装置的另外的优选实施方式的特征在于，加热装置的材料是以下材料中的至少一种：铂、钌、铂钌合金、钛、二氧化钛、铂钛合金、铱、铂钛钯合金、铂锆石氧化物合金。以该方式提供不同的材料技术上的可能性，通过这些可能性可以实现加热装置。

加热装置的另一个有利的扩展方案设置为，导入元件、导出元件和加热元件由相同的材料构造或者由不同的材料构造。以该方式也提供了不同的材料技术上的可能性，通过这些可能性可以实现加热装置。

加热装置的优选扩展方案的特征在于，加热装置一体式地构造。由此可以有利地将制造成本降到最低。

接下来根据多个附图详细阐述本发明的多个特征和优点。此处所有公开的特征与它们在专利权利要求中的引用关系无关地以及与在说明书和附图中对它们的无关地阐述构成本发明的主题。相同的或功能相同的元件有相同的参考标记。附图尤其考虑用于解释发明根本的原则并且并非一定按正确比例示出。

公开的方法特征由公开的相应装置特征类似地得出，反之亦然。这尤其意味着，有关加热装置的特征、技术优点和实施方案以类似的方式由用于制造加热装置的方法的相应实施方案、特征和优点得出，反之亦然。

附图说明

在附图中示出：

图1在俯视图中的气体mems传感器的加热区域的基本视图；

图2在横截面视图中的气体mems传感器的加热区域的基本视图；

图3根据本发明的加热装置的第一实施方式的基本视图；

图4根据本发明的加热装置的另一个实施方式的基本视图；

图5通过加热装置可实现的效果的基本视图；

图6通过加热装置可实现的温度分布的基本视图；

图7具有加热装置的传感器的简化框图；和

图8根据本发明的方法的实施方式的基本流程。

具体实施方式

本发明的核心观点在于，提供一种用于具有微加热装置的气体传感器或其他应用的加热元件或者说加热装置的特定设计，该设计可很大程度地抵抗电子迁移并且由此促进气体传感器更长的使用寿命和更高的可靠性。

尤其设置实现了用于mems气体传感器的薄层金属加热元件的特定造型。加热元件在膜片上实现并且负责达到为化学反应所需的温度。然而提出的加热元件也可以有利地在其他、尤其是化学传感器元件中使用，该传感器元件需要提高的运行温度和/或允许相似的结构。

在图1中以俯视图示意性示出基本的mems传感器100。该传感器包括芯片或者说载体30，膜片20施加在该芯片或者说载体上。芯片材料在载体30的确定区域中从背面移除，使得膜片20构造在该区域中。在膜片20上构造加热元件或者说加热装置10。

图2在横截面示图中示出图1的基本结构。

传统的构造为折叠带(例如呈s形状)的加热元件显示出呈电子迁移形式的损害机理。为了补偿出现在可能导致断路的、不希望的材料去除部(英语：voids，空隙)中的不希望的电子迁移，提出加热装置10的特定的几何构型。

本发明的核心构思在于，提供一种由金属或其他低阻抗材料构成的、具有达到至少400摄氏度温度的能力的薄层加热器的特定设计。加热器可以布置在膜片上或者由二氧化硅/氮化硅或其他材料构成的其他可选择的结构上或由至少在表面上是电绝缘的并且一般具有差的导热能力的材料构成的堆上。加热器的制造可以借助于不同的mems制造方法或其他薄层方法进行。加热器可以通过具有与膜片类似或相同的性质的保护层覆盖。

有利地，可以通过具有所提出的加热装置的传感器很大程度补偿电子迁移的影响，并且由此提高mems传感器的使用寿命。

因此，本发明优选实现在加热装置中的均匀的、即尽可能不发散的电流密度分布。由此可以有利地提高整个mems传感器的使用寿命和可靠性。

根据本发明的加热装置10的第一实施方式在图3中的俯视图中示出，该加热装置在具有膜片20(未示出)的载体(30)上实现。加热装置10包括金属导入元件11和金属导出元件12，这些元件优选由铂构成。在导入元件11和导出元件12之间布置有多个加热元件13。导入元件11、导出元件12和加热元件13优选由相同的材料(相同的薄层平面，其中，金属的厚度为大约100纳米到大约800纳米)组成，该材料可以同时沉积并且同时结构化。导入元件11、导出元件12和加热元件13优选一体化地构造，但替换地也可以构造为分开的、相互连接的元件。

“导入元件”和“导出元件”的功能随后可以可互换地使用，其中，部分的功能重叠也是可能的，以至于导入元件11总是也可以至少部分作为导出元件12起作用，反之亦然。

加热元件13将加热电流从导入元件11导向导出元件12，并且在此在加热区域h中用于产热。加热区域h可以为大约20微米到大约500微米大小。可看出从右上方进入到导入元件11中并且在左下方从导出元件12出来的电流流动方向r。在可操作的正常运行中，电流被馈入到导入元件11中，然后经过加热元件13，并且经过导出元件12被导出。由此在加热区域h中发生放热，该放热设置用于膜片、例如气体mems传感器的膜片的加热。

可看出，导入元件11的宽度在沿电流流动方向r的走向中限定变小。在此，精确的形状f(x)如此适配于加热元件13的几何形状，使得达到均匀的电流密度分布。与此相应地，导出元件12的宽度沿电流流动方向r越来越大。此处各加热元件13的宽度和它们相互的间距如此选择，使得产生尽可能大的具有均匀温度的区域。导入元件11和导出元件12如此成形并且如此适配于加热元件13的几何形状，使得电流密度在各处基本上是恒定的。

由此结果可能是，在导入元件11和导出元件12中的电流密度基本上保持恒定，由此可以有利地最小化或者说消除电子迁移的影响。

通过这种几何形状可以实现多个优点：

-在整个加热装置上的恒定的和均匀的电流密度，这由于电流密度发散而导致电子迁移损害的降低，

-在加热区域上的加热功率密度的适配可能性，该可能性通过加热元件可变的宽度和间距达到

-通过所述两个方面可以普遍地提升加热装置中的电流密度，由此实现更小的设计，由此有利地促进整个传感器的小型化。

用于所述元件11、12、13的合适的材料例如为：钌、铂钌合金、钛、二氧化钛、铂钛合金、铱、铂钛钯合金、铂锆石氧化物合金。

此外可看出，附加地改变加热元件13的宽度和间距，以便提升在加热区域h中的温度均匀化。此处遵循典型的方法，即，使边缘区域中的功率/热量更多地消散。

此外为该目的可看出在两个加热元件13之间设置的均匀化元件14，该均匀化元件没有与加热元件13电连接，并且用于改善或均衡在加热区域h中的加热效应。优选可以设置多个均匀化元件14，其中，每个均匀化元件14具有比膜片20的材料限定地高的导热性，以便由此促进温度分布的均匀化。

在其他未示出的实施方式中，均匀化元件14可以具有圆形或者说倒圆角的形状或者是一个环的区段。

图4示出根据本发明的加热装置10的另一个实施方式。该变型方案也包括导入元件11和导出元件12，其中可看出，宽度沿加热区域h均匀减小，并且加热元件13的宽度在整个加热区域h上是恒定的。加热元件13以基本相同的相互间距构造。这结果导致在功率元件11、12中和在加热区域h中的均匀的电流密度。由此尽可能地避免电流密度发散，并且使用寿命可以有利地提高。

在加热装置10的另一个在图中未示出的实施方式中，在元件11、12上的加热元件13固定部处直角棱角可以是倒圆角的，以便在那里避免在该区域中的电流的局部密集并且以便进一步提升可靠性。

图5示出加热装置10中的基于模拟的电流密度分布。根据均匀的阴影线看出电流密度的非常高的均匀化。

图6示出通过加热装置10可实现的温度分布，其中可看出，在基本对应于加热区域h的中心区域存在足够的热能均匀化，其中，温度的偏差仅为大约10％到大约15％。温度在中心区域大约为430摄氏度并且在边缘区域大约为22摄氏度。

图7示出具有所提出的加热装置10的传感器100的非常简化的示图。此处mems传感器10优选构造为气体mems传感器。

图8示出根据本发明的方法的实施方式的原理流程图。

在步骤200中提供用于电流的金属导入元件11。

在步骤210中提供用于电流的金属导出元件12。

最后在步骤220中实施金属加热元件13在导入元件11和导出元件12之间的布置，其中，导入元件11、导出元件12和加热元件13如此构造，使得在所有元件11、12、13中可形成基本恒定的电流密度。

总结而言，通过本发明提出一种尤其用于基于mems的化学传感器(例如用于co2、co、o2等的传感器)的加热装置，该加热装置布置在具有膜片的载体上。加热装置的特征在于均匀的或发散最小化的或无发散的电流密度分布，由此可以有利地将通过电子迁移引起的损害降到最低限度。

所述功率元件的精确形状适配于加热元件的几何形状。加热元件的参数(例如间距、形状等)如此选择，使得在加热区域中的温度分布尽可能地均匀。

此外，该设计提出用于提升温度均匀化的扩展可能性，因为为该目的不受最大化可允许的电流梯度的限制并且由此开启新的自由度或减少不同设计观点之间的相关性。由此结果是，加热结构的进一步缩小是可能的，这导致总体更小的和更节约能量的传感器，更改传感器特别好地适用于在移动的终端设备中的使用。

因为通过本发明实现了高导电性材料在非常高电流密度情况下的使用，由此实现小于1.5伏的低电压用于加热器的运行。由此不需要用于电压提升的电子元件，如在半导体元件(例如掺杂硅或碳化硅)的情况下那样，由此可以有利地节省成本。

本发明可以有利地应用到其他类似构造的传感器元件上。

虽然优先根据正确的应用实例阐述本发明，但专业人员也可以在不偏离本发明核心的情况下优先实现未公开或只有部分公开的实施方式。