MEMS单晶硅加热雾化芯片设计与制作*

韩 熠， 宋凤民， 李廷华， 陈 李， 吴 俊， 朱东来

(1.云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南 昆明 650202；2.重庆大学 新型微纳器件与系统重点学科实验室，重庆 400044；3.重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044)

0 引 言

雾化是采用物理的方法将液体分散成微小液滴的过程，在雾化治疗、油雾润滑、雾化加湿等领域应用广泛。常用的雾化方法有超声雾化、气流雾化、振动雾化、声表面波雾化、加热雾化等等[1～4]。对于水、药液等低粘度液体，超声雾化、微孔振动雾化等均具有较好的雾化效果。而对油等高粘度液体，加热雾化则是一个较好的选择。加热雾化是将加热器的温度升至液体沸点附近，使得接触的液体快速气化形成雾滴。

微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)微加热芯片具有体积小、一致性较好等优点，在气体传感器、湿度传感器、PCR芯片等领域得到重要应用，国内外报道了多种结构的MEMS微加热芯片，这些发热芯片大多是在衬底上制作电阻器作为发热体，工作时在发热体电极上加载电压，进而产生焦耳热使得芯片温度上升[5～7]。常见的发热电阻器材料包括Pt,Au,SiC,TiN等，研究的重点在发热电阻器的几何结构、分布方式等，以提高升温的迅速性和温度分布的均匀性[8～10]。对于液体的加热雾化应用，上述结构的发热芯片存在以下不足：一是对于大功率、高温加热容易导致电阻器脱落；二是由于芯片要和液体长期接触，使得发热电阻器与液体之间的绝缘变得困难；三是由于电阻器通过热传导来加热芯片，使得电阻器的布局对芯片温度分布均匀性影响较大，需要精心设计芯片结构，制造工艺也相对复杂。

为此，本文提出一种新型的单晶硅发热芯片结构，利用完整的重掺杂单晶硅层作为发热体，较好地克服了上述问题。本文对芯片进了设计和仿真分析，通过各向异性湿法腐蚀工艺完成了芯片的制作，并对芯片的发热性能进行了初步测试。

1 单晶硅加热雾化芯片设计

与金属依靠自由电子导电不同，半导体是依靠电子和空穴两种载流子导电。由于本征激发的载流子非常少，因此本征硅的导电能力很差。本文选用重掺杂的N型(100)单晶硅，如图1所示为芯片结构示意图。芯片主体为低阻单晶硅，中部设置500 μm边长的正方形雾化孔阵列，总共168个。芯片与金属引线通过银浆连接。芯片直接采用重掺杂的单晶硅作为发热体，而无需额外制作发热电阻器，克服了电阻器热传导过程导致的温度分布不均的问题。

图1 单晶硅加热雾化芯片结构示意

加热雾化芯片设计参数:电阻率为约5×10-3Ω·cm,长为10 mm，宽为10 mm，硅片总厚为500 μm，孔边长为500 μm，孔数量为168，芯片发热层厚度为100 μm。在不考虑雾化孔阵列和银浆接触电阻的情况下，可以估算出芯片电阻大约0.5 Ω。由于孔阵列和银浆接触电阻的存在，实际测得的电阻会增大。

2 芯片电—热耦合仿真

为评估加热芯片的温度分布均匀性，采用ANSYS10.0软件进行电热耦合分析。为了降低计算复杂度，对模型进行了适当简化，微孔阵列的数量有所减少，而且仿真中没有设置空气对流系数，仿真结果的温度比实际温度要高。仿真的参数:杨氏模量为160 GPa,泊松系数为0.24,电阻率为5×10-3Ω·cm,热膨胀系数为2.6×10-6/K,导热系数为150 W/mK。

电热耦合仿真结果如图2所示。由于结构对称，两电极之间的电势云图也大致对称(见图2(a))；从图2(b)温度分布云图可以看出，该芯片由于采用整层的单晶硅作为发热电阻，其温度分布非常均匀。

图2 ANSYS电热耦合分析结果

3 芯片的制作工艺

主要采用各向异性湿法腐蚀完成芯片的制作，工艺流程如图3(a)所示，其主要工艺步骤为：a) 选用4 in，500 μm，〈100〉晶向的N型重掺杂单晶硅，清洗烘干；b)双面热氧化200 nm的二氧化硅(SiO2)层，再通过(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)制作200 nm的氮化硅层；c)在硅片背面光刻，通过SF6等离子刻蚀去除裸露的氮化硅层和氧化硅层；d)通过70 ℃,33 %的KOH湿法腐蚀减薄至100 μm；e)在硅片正面光刻，采用SF6等离子刻蚀去除氮化硅(Si3N4)和SiO2层；f)采用70 ℃,33 %的氢氧化钾(KOH)湿法腐蚀微孔阵列直至完全穿通，并经热氧化，使所有裸露的单晶硅覆盖一层200 nm的SiO2作为绝缘层。切片完成的芯片照片如图3(b)所示，图3(c)为孔阵列的扫描电镜图片。

图3 芯片制作工艺、照片及SEM

4 加热雾化芯片测试实验

建立测试平台，对加热雾化芯片进行了初步测试。将微型温度传感器紧贴在芯片表面，选用的微型温度传感器体积为2.3 mm×2.0 mm×1.1 mm，测试时不会对芯片温度造成较大影响。采用可调直流电源给芯片施加电压。

首先测试芯片的电阻值。室温下测得芯片电阻约为0.6 Ω，包括引线电阻、接触电阻和芯片自身的电阻。将温度传感器紧贴在芯片中心区域，给芯片施加不同的电压，测量不同温度下的芯片电阻值。测试结果如图4所示。随着温度上升，芯片的电阻增大，二者呈正相关。采用3.7 V供电(锂电池的电压)，4 s内芯片温度可上升至300 ℃。

图4 电压、温度与电阻的关系曲线

其次对芯片表面温度分布均匀性进行测试。给芯片施加1.5 V的直流电压，待温度稳定后，在芯片上选择5个区域进行测试，如图5所示。芯片中心的温度最高，角落温度最低，最低温比最高温低12.7 %。ANSYS仿真中，将两个电极位置的参考温度设为25 ℃，因此和实际测试有一定差异。

图5 温度均匀性测试

对芯片的加热雾化性能进行测试。选用甘油作为测试液体，其粘度为1 500 cp，沸点290.0 ℃。将甘油滴在滤纸上，与芯片紧密接触，采用锂电池对芯片施加3.7 V的电压。雾化测试结果如图6所示，当芯片温度升至250 ℃以上，甘油开始迅速雾化。

图6 甘油雾化测试

5 结 论

测试结果表明：芯片电阻约0.6 Ω，且阻值与温度呈正相关；芯片升温迅速，3.7 V供电时大约4 s温度可上升至300 ℃；芯片温度分布比较均匀，稳定时最低温比最高温低12.7 %；采用3.7 V锂电池供电，可实现对高粘度甘油的迅速雾化。该芯片结构和制作工艺流程简单、温度均匀性好，有利于实现大批量制造。