嵌入式微加热器结构优化：实现可靠气体传感与片上退火的关键设计

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Design optimization of embedded micro-heater for reliable gas sensing and on-chip annealing

本文系统分析了嵌入式微加热器的九种微桥构型和端子几何设计，揭示了影响功率效率（降低24%）、温度均匀性和可靠性（通过延长正偏端子长度补偿热电效应）的关键结构因素。研究通过COMSOL热仿真和电学测试证明，优化设计在FET型气体传感器（In2O3传感层）中实现了稳定高温操作（～350℃）和有效片上退火，为移动端气体传感器的低功耗长寿命需求提供了协同设计范式。

　　

器件制备

图1(b)展示了带有嵌入式微加热器的FET型气体传感器的截面示意图。制备过程始于(100)取向p型6英寸硅晶圆的标准清洗。首先生长10纳米厚热氧化层，接着通过低压化学气相沉积(LPCVD)沉积150纳米氮化硅薄膜。随后定义器件有源区（图S1(a)）并通过局部硅氧化(LOCOS)进行隔离。

制备的微加热器特性

图2展示了制备的微加热器的电压依赖性电阻特性。每种类型的R_H从同一晶圆上制造的五个微加热器测量，以评估制备一致性。测量在低偏压V_H为0.1V下进行，以抑制自热效应，确保观测到的R_H反映多晶硅的本征电阻而非热效应。R_H的狭窄分布证实了良好的均匀性和可靠的制备工艺。

结论

本研究中，我们系统探索了嵌入式微加热器的设计参数，以优化FET型气体传感器的功率效率、温度均匀性和高温可靠性。通过改变微桥构型和端子长度，我们识别出影响热分布和功耗的关键结构特征。靠近传感区域无微桥的微加热器（L-μB和N-μB）通过减少热损耗显著降低功耗达24%。