طراحی و ساخت میکروهیتر بهبود یافته با الکترودهایی از جنس طلا و مقایسه عملکرد آن با میکروهیتر پلاتینی

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری برق- الکترونیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

2 دانشیار دانشکده برق-الکترونیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

3 استادیار دانشکده برق، دانشگاه هوایی شهید ستاری

چکیده

با توسعه ریزفناوری میکروماشین‌کاری و میکروالکترونیک، میکروهیترها کاربردهای زیادی در میکروحسگرها پیدا کرده‌اند. جنس الکترود گرم-کننده یکی از عوامل تاثیرگذار در میزان اتلاف توان، پاسخ زمانی و حساسیت میکروهیتر می‌باشد. در این مقاله دو میکروهیتر با هندسه یکسان، اما با دو فلز مختلف بر روی بستر سیلیکون و بر پایه فناوری میکروماشین‌کاری حجمی (MEMS) طراحی، ساخته و مشخصه‌یابی شده‌اند. در میکروهیتر اول از طلا و در میکروهیتر دوم از پلاتین به عنوان الکترود گرم‌کننده استفاده شده و تاثیر جنس الکترود گرم‌کننده بر روی میزان عملکرد میکروهیتر بررسی شده است. در ضمن برای بهبود کارایی میکروهیترها، طراحی آن‌ها مورد بررسی قرار گرفته و میکروهیتر با طراحی بهینه انتخاب شده است. نتایج تحلیل تئوری نشان می‌دهد که میکروهیتر طلایی دارای پاسخ زمانی کمتر و توان مصرفی بیشتری نسبت به میکروهیتر پلاتینی می‌باشد. نتایج آزمایشگاهی به‌دست آمده، نتایج حاصل از تحلیل تئوری را تصدیق می‌کند و نشان می-دهد که میکروهیترهای ساخته شده با طراحی بهینه، دارای عملکرد بالایی هستند؛ به‌طوریکه برای رسیدن به دمای بالای oC450، توان مصرفی و پاسخ زمانی در میکروهیتر طلایی به‌ترتیب mW36 و ms75/1 و در میکروهیتر پلاتینی به‌ترتیب mW30 و ms1/2 می‌باشند. این نتایج نشان می‌دهند که با ساختن میکروهیترهایی از جنس طلا پاسخ زمانی 6/16% در مقایسه با میکروهیتر پلاتینی بهبود می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Courbat J, Canonica M, Teyssieux D, Briand D, Rooij ND (2010) Design and fabrication of micro-hotplates made on a polyimide foil: electrothermal simulation and characterization to achieve power consumption in the low mW range. J Micromech Microeng 21: 015014.

[2] Dai CL (2007) A capacitive humidity sensor integrated with micro heater and ring oscillator circuit fabricated by CMOS–MEMS technique. Sensor Actuat B-Chem 122: 375-380.

[3] Elmi I, Zampolli S, Cozzani E, Mancarella F, Cardinali G (2008) Development of ultra-low-power consumption MOX sensors with ppb-level VOC detection capabilities for emerging applications. Sensor Actuat B-Chem 135: 342-351.

[4] Hwang WJ, Shin KS, Roh JH, Lee DS, Choa SH (2011) Development of micro-heaters with optimized temperature compensation design for gas sensors. Sensors 11: 2580-2591.

[5] عبداللهی ح، سمائی­فر ف، حق نگهدار ا (1394) بررسی اثر به‌کارگیری SiO2/Al در بالا بردن حساسیت آشکارسازهای مادون‌قرمز بر پایه میکروکانتیلیور و مقایسه آن با Si3N4/Au. مجله علمی پژوهشی مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها 5(3): 151-163.

[6] Courbat J, Briand D, Rooij NFD (2008) Reliability improvement of suspended platinum-based micro-heating elements. Sensor Actuat A-Phys 142: 284-291.

[7] Chung GS, Jeong JM (2010) Fabrication of micro heaters on polycrystalline 3C-SiC suspended membranes for gas sensors and their characteristics. Microelectron Eng 87: 2348-2352.

[8] Tao C, Yin C, He M, Tu S (2008) Thermal analysis and design of a micro-hotplate for Si-substrated micro-structural gas sensor. in Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, 3rd IEEE International Conference on NEMS, 284-287.

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

[10] Fung SK, Tang Z, Chan PC, Sin JK, Cheung PW (1996) Thermal analysis and design of a micro-hotplate for integrated gas-sensor applications. Sensor Actuat A-Phys 54: 482-487.

[11] Lee J, Spadaccini CM, Mukerjee EV, King WP, (2008) Differential scanning calorimeter based on suspended membrane single crystal silicon microhotplate. J Microelectromech S 17: 1513-1525.

[12] Guo B, Bermak A, Chan PC, Yan GZ (2007) A monolithic integrated 4× 4 tin oxide gas sensor array with on-chip multiplexing and differential readout circuits. Solid State Electron 51: 69-76.

[13] Hotovy I, Rehacek V, Mika F, Lalinsky T, Hascik S, Vanko G (2008) Gallium arsenide suspended microheater for MEMS sensor arrays. Microsyst Technol 14: 629-635.

[14] Zhang F, Tang ZA, Yu J, Jin R (2006) A micro-Pirani vacuum gauge based on micro-hotplate technology. Sensor Actuat A-Phys 126: 300-305.

[15] Ehmann M, Ruther P, Arx M, Paul O (2001) Operation and short-term drift of polysilicon-heated CMOS microstructures at temperatures up to 1200 K. J Micromech Microeng 11: 397.

[16] Afridi M, Suehle J, Zaghloul M, Berning D, Hefner A, Cavicchi R, Seman-cik S, Montgomery C, Taylor C (2002) A monolithic CMOS microhotplate-based gas sensor system. IEEE Sens J 2: 644-655.

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

[18] Kunt TA, McAvoy TJ, Cavicchi RE, Semancik S (1998) Optimization of temperature programmed sensing for gas identification using micro-hotplate sensors. Sensor Actuat B-Chem 53: 24-43.

[19] Phatthanakun R, Deekla P, Pummara W, Sriphung C, Pantong C, Chomnawang N (2011) Fabrication and control of thin-film aluminum microheater and nickel temperature sensor. in 8th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON), 14-17.

[20] Bauer D, Heeger M, Gebhard M, Benecke W (1996) Design and fabrication of a thermal infrared emitter. Sensor Actuat A-Phys 55: 57-63.

[21] Kishi N, Hara H (2007) Lifetime evaluation of self-modulated MEMS infrared light source made of single crystalline silicon. in SICE, Annual Conference, 2451-2454.

[22] Harris J (1976) Autoignition temperatures of military high explosives by differential thermal-analysis. Thermochim ACTA 14: 183-199. 

[23] سمائی­فر ف، حاج قاسم ح، محتشمی فر م، علی ­احمدی م (1391) طراحی و شبیه­سازی میکروهیتر ساخته شده با تکنولوژی MEMS. مجله صنایع الکترونیک 3(4):95-111.

[24] سمائی­فر ف، حاج قاسم ح، عبداللهی ح، محتشمی­فر م، علی ­احمدی م (1392) طراحی و ساخت میکروهیتر پلاتینی کم­مصرف با عملکرد بالا مبتنی بر ساختار غشای معلق. مجله صنایع الکترونیک 4(1): 25-32.

[25] Dennis JO, Ahmed AY, Mohamad NM (2010) Design, simulation and modeling of a micromachined high temperature microhotplate for application in trace gas detection. Int J Eng Technol 10: 89-96.

[26] Yi D, Greve A, Hales JH, Senesac LR, Davis ZJ, Nicholson DM, Boisen A, Thundat T (2008) Detection of adsorbed explosive molecules using thermal response of suspended microfabricated bridges. Appl Phys Lett 93: 154102.

[27] Mayadas AF, Shatzkes M (1970) Electrical-resisitivity model for poly-crystalline films: the case of arbitrary reflection at external surfaces. Phys Rev B 1 4: 1382.

[28] Walker P, Tarn W (1991) Handbook of Metal etchants. CRC pres. USA.