一种电磁感应加热热发射器件的制作方法

1.本实用新型涉及mens器件技术领域，尤其涉及一种电磁感应加热热发射器件。


背景技术：

2.热发射器件是一种使结构中的辐射面加热到高温，从而在可见至红外波段可产生明显辐射的器件。该器件的核心是基于mems工艺制作的微桥。微桥表面尺寸一般小于100μm
×
100μm，厚度不超过2μm。微桥由位于中央的辐射面和支撑辐射面的两条或多条细长桥腿组成。微桥通常为三明治结构，即在两层介质中间夹一层作为电阻的金属材料。金属材料从微桥外通过其中一条桥腿延申至微桥桥面后从另一端伸出。当金属材料两端通电后，金属材料发热并将热量传导至微桥桥面，从而产生热发射。当桥面温度足够高时，其光谱可覆盖红外-可见波段。等效黑体温度是表征器件性能的重要指标，微桥桥面的温度越高，等效黑体温度也越高，因此提高微桥桥面温度是提高性能最有效手段。
3.为了能够获得更高的微桥桥面温度，通常采用的方法包括：
4.①
采用牺牲层工艺，去除桥腿及桥面下的基底材料，使桥面在桥腿的支撑下处于悬浮状态，消除基底对微桥的热导，提高微桥桥面温度；
5.②
延长微桥桥腿长度、减小微桥桥腿宽度，降低桥面的热导，提高微桥桥面温度；
6.③
减小微桥厚度，特别是桥腿中加热金属材料的厚度，降低微桥桥腿热导，提高微桥桥面温度；
7.④
将微桥置于真空环境中，降低空气热导，提高微桥桥面温度；
8.⑤
提高通过金属材料的电流，增加微桥的热功率，提高微桥桥面温度。
9.方法
①
、
②
、
③
、
④
采取降低或减小热导的方式使微桥桥面温度提高，但实施时受加工工艺极限、材料结构强度及环境限制，其效果有限。方法
⑤
从根本上提高了微桥的功率，因此是提高微桥等效黑体温度最有效的方法。
10.但方法
⑤
的实施与方法
②
、
③
是相互矛盾的。延长微桥桥腿长度、减小微桥桥腿宽度及厚度会提高桥腿中加热金属材料的电阻占比，降低加热效率；其次，微桥桥腿中加热金属材料减薄后，受电迁移效应影响，微桥寿命会急剧降低，导致器件无法长期可靠使用，迫使加热金属材料实际可通过的电流远小于材料可耐受的最大电流，限制了微桥桥面的最高温度；第三，加热金属材料本身会提高桥腿热导，甚至成为主要热导，进一步降低了微桥的桥面温度；第四，为了与外部驱动电路匹配，需要选择电阻率较高的加热金属材料，从而限制了加热金属材料的选择范围。


技术实现要素：

11.有鉴于此，为了克服现有微桥加热电阻材料存在的可施加电流受限、自身桥腿热导降低微桥温度、加热金属材料选择受限等问题，本实用新型提供了一种电磁感应加热热发射器件及其制备方法。
12.为实现上述目的，本实用新型提供了一种电磁感应加热热发射器件，包括衬底、微
桥结构、环形线圈、电极压脚；所述衬底内设有微孔，所述微桥结构悬空在微孔中，所述环形线圈置于微孔侧壁，所述电极压脚连接环形线圈。
13.进一步地，所述微桥结构包括桥面、桥腿，所述桥面从上至下依次包括上层微桥介质薄膜、感应金属薄膜、下层微桥介质薄膜，所述桥腿从上至下依次包括上层微桥介质薄膜、下层微桥介质薄膜；所述桥腿连接着桥面及衬底，使桥面悬浮在微孔中。
14.进一步地，所述环形线圈依次包括上层电绝缘介质薄膜、金属线圈、下层电绝缘介质薄膜。
15.进一步地，所述感应金属薄膜的材质为金、白金、钨中的任意一种金属；所述上层微桥介质薄膜的材质为氮化硅或氮化硅和氧化硅的混合物，所述下层微桥介质薄膜的材质为氮化硅。
16.进一步地，所述金属线圈的材质为铝；所述上层电绝缘介质薄膜及所述下层电绝缘介质薄膜的材质为氮化硅。
17.进一步地，所述微孔开口为方形或圆形。
18.进一步地，所述微孔的开口口径大于所述桥面的长度。
19.进一步地，所述微孔侧壁呈下小上大的t字形。
20.本实用新型相对于现有技术有益效果在于：
21.（1）微桥中的感应金属薄膜材料不需要通电，因此桥腿中也不需要制备金属层，从而降低了桥腿热导，提高了桥面温度；
22.（2）微桥中金属材料不通电，因此无电迁移效应发生，提高了微桥寿命；
23.（3）可以选金、白金、钨等耐高温、耐氧化的感应金属薄膜材料，提高了微桥的最高耐受温度；
24.（4）微桥温升与环形线圈中通过的电流大小相关，可通过增加环形线圈宽度与厚度的方式提高通过的电流，这种结构为获得更高的等效黑体温度提供了设计冗余；
25.（5）本实用新型提供的热发射器件可获得更高等效黑体温度，更长使用寿命的微辐射器件。
26.以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。
附图说明
27.图1是本实用新型的一个较佳实施例的电磁 感应加热热发射器件的结构示意图；
28.图2是图1沿a-a截面的截面图。
具体实施方式
29.以下参考说明书附图介绍本实用新型的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本实用新型可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本实用新型的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
30.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本实用新型并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
31.图1为本实用新型的一个较佳实施例的电磁感应加热热发射器件的结构示意图，图2为图1沿a-a截面的截面图，该热发射器件包括：衬底1、微桥结构2、环形线圈3、电极压脚4，衬底1内部设有微孔5，微桥结构2悬空在微孔5中，环形线圈3设置在微孔5侧壁上，电极压脚4与环形线圈3连接；其中，微桥结构2包括桥面21、桥腿22，桥面21从上至下依次包括上层微桥介质薄膜21a、感应金属薄膜21b、下层微桥介质薄膜21c，桥腿22从上至下依次包括上层微桥介质薄膜22a、下层微桥介质薄膜22b；桥腿22连接桥面21及衬底1，支撑桥面21悬于微孔5中。当对电极压脚4施加电压使环形线圈3通电后，桥面21中的感应金属薄膜21b被感应加热，从而微桥桥面21被加热，产生热发射。
32.在此，感应金属薄膜21b的材质可选用金，上层微桥介质薄膜21a的材质可选用氮化硅或氮化硅和氧化硅的混合物，下层微桥介质薄膜21c的材质可选用氮化硅。
33.优选地，环形线圈3依次包括上层电绝缘介质薄膜31、金属线圈32、下层电绝缘介质薄膜33。具体地，金属线圈32的材质可选为铝，上层电绝缘介质薄膜21及所述下层电绝缘介质薄膜33的材质可选用氮化硅。
34.优选地，微孔5的开口为方形或圆形，更为优选地，微孔5的开口口径大于桥面21的长度，进一步优选地，桥面21置于微孔5开口中心位置。
35.在此，微孔5侧壁呈下小上大的t字形。
36.上述电磁感应加热热发射器件可通过以下方法制备，包括步骤：
37.s1、在衬底材料上采用湿法腐蚀法或干法刻蚀法制作微孔；
38.具体地，湿法腐蚀法包括步骤：在衬底上生长氮化硅介质掩蔽层；光刻获得所需微孔图形；刻蚀未被光刻胶覆盖的掩蔽层，直至衬底；去除光刻胶；在衬底腐蚀液中，对衬底进行湿法腐蚀，控制腐蚀时间直至微孔达到所需深度；衬底腐蚀液为浓度5%四甲基氢氧化铵，湿法腐蚀温度为70℃-90℃；刻蚀去除表面残余的掩蔽层，直至衬底。优选地，在（100）硅衬底上生长氮化硅介质掩蔽层，掩蔽层厚度为1000
å
；光刻获得大小为120μm
×
120μm微孔（3）图形；腐蚀深度为100μm。
39.干法刻蚀法包括步骤：在衬底上生长氮化硅介质掩蔽层；光刻获得所需微孔图形；用ar等离子体刻蚀未被光刻胶覆盖的掩蔽层，直至衬底；去除光刻胶。优选地，衬底材料选自硅、锗、石英、碳化硅中任意一种；掩蔽层厚度为1000
å
；微孔开口半径为120μm。
40.s2、在衬底表面及微孔孔壁上沉积下层电绝缘介质薄膜，在微孔侧壁位置铺金属线圈，沉积上层电绝缘介质薄膜进行覆盖保护，形成环形线圈；
41.具体地，在衬底表面及微孔孔壁上沉积下层电绝缘介质薄膜；在微孔侧壁位置沉积金属线圈；光刻获得由光刻胶掩蔽形成的环形线圈图形及电极压脚图形；刻蚀未被光刻胶掩蔽的金属线圈至下层电绝缘介质薄膜表面；去除光刻胶；在衬底表面及微孔孔壁上沉积上层电绝缘介质薄膜材料。
42.s3、向微孔中填充牺牲层材料，在衬底及牺牲层表面沉积下层微桥介质薄膜，在适当位置处设置感应金属薄膜，沉积上层微桥介质薄膜，形成微桥结构；
43.具体地，在衬底表面旋涂牺牲层材料，优选地，牺牲层材料选用光敏性聚酰亚胺；在氮气保护环境中对牺牲层材料进行亚胺化；在氧离子体环境中刻蚀牺牲层材料，直至腐蚀坑中的聚酰亚胺达到要求深度，优选地，第一次刻蚀时间为5分钟，随后每隔2分钟刻蚀一次，每次刻蚀后测量剩余牺牲层材料厚度，直至腐蚀坑中的牺牲层材料表面距离微孔边缘
垂直距离为50μm；在衬底表面及腐蚀坑表面沉积下层微桥介质薄膜；在微孔开口中心位置沉积感应金属薄膜；光刻获得由光刻胶掩蔽形成的所需感应金属薄膜图形；刻蚀去除未被光刻胶掩蔽的感应金属薄膜，直至下层介质薄膜表面；去除光刻胶；在衬底、感应金属薄膜及上层介质薄膜表面沉积下层介质薄膜，形成微桥结构。
44.s4、采用刻蚀工艺去除牺牲层，使微桥处于悬空状态，最终获得电磁感应加热的热发射器件。
45.以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种电磁感应加热热发射器件，其特征在于，包括衬底、微桥结构、环形线圈、电极压脚；所述衬底内设有微孔，所述微桥结构悬空在微孔中，所述环形线圈置于微孔侧壁，所述电极压脚连接环形线圈。2.如权利要求1所述的一种电磁感应加热热发射器件，其特征在于，所述微桥结构包括桥面、桥腿，所述桥面从上至下依次包括上层微桥介质薄膜、感应金属薄膜、下层微桥介质薄膜，所述桥腿从上至下依次包括上层微桥介质薄膜、下层微桥介质薄膜；所述桥腿连接着桥面及衬底，使桥面悬浮在微孔中。3.如权利要求1所述的一种电磁感应加热热发射器件，其特征在于，所述环形线圈依次包括上层电绝缘介质薄膜、金属线圈、下层电绝缘介质薄膜。4.如权利要求3所述的一种电磁感应加热热发射器件，其特征在于，所述金属线圈的材质为铝；所述上层电绝缘介质薄膜及所述下层电绝缘介质薄膜的材质为氮化硅。5.如权利要求2所述的一种电磁感应加热热发射器件，其特征在于，所述微孔开口为方形或圆形。6.如权利要求5所述的一种电磁感应加热热发射器件，其特征在于，所述微孔的开口口径大于所述桥面的长度。7.如权利要求5所述的一种电磁感应加热热发射器件，其特征在于，所述微孔侧壁呈下小上大的t字形。

技术总结
本实用新型公开了一种电磁感应加热热发射器件，包括衬底、微桥结构、环形线圈、电极压脚；所述衬底内设有微孔，所述微桥结构悬空在微孔中，所述环形线圈置于微孔侧壁，所述电极压脚连接环形线圈。本实用新型提供的热发射器件，通过对环形线圈通电从而使感应金属薄膜被感应加热产生热发射，桥腿中无需制备金属层，从而降低了桥腿热导，提高了桥面温度；同时因无电迁移效应发生，提高了微桥寿命；此外，微桥温升与环形线圈中通过的电流大小相关，可通过增加环形线圈宽度与厚度的方式提高通过的电流，这种结构为获得更高的等效黑体温度提供了设计冗余。本实用新型提供的热发射器件可获得更高等效黑体温度，更长使用寿命的微辐射器件。件。件。


技术研发人员：翟厚明 陈永平 马斌 徐鹤靓
受保护的技术使用者：南通智能感知研究院
技术研发日：2021.11.25
技术公布日：2022/5/25