可编程1024单元微加热器阵列的时空热调制与图案化

《Advanced Science》：Spatiotemporal Thermal Modulation and Patterning using a Programmable 1024 Element Microheater Array

　　

可编程微加热器阵列可用于气体传感、微流控芯片实验室器件、3D打印机以及依赖DNA扩增的生物传感器等多种应用。阵列中加热单元的密度和数量直接决定时空热剖面可被递送的精度。然而，大尺寸阵列迄今难以实现，挑战之一在于单元数增加时互连复杂度上升。研究人员提出行列寻址（row-column addressing）可为大型微加热器阵列的高效运行提供可行架构。研究人员研制了由可独立寻址的稳健铂（Pt）基焦耳加热元件构成的可编程32×32微加热器阵列，每个元件小于300 μm。研究人员表明，将高压多路复用电子器件与由高频时钟控制的顺序寻址相结合，可实现1024个微加热器单元的独立运行。研究人员展示了热图像生成，以及由液态金属镓（Ga）形成金属结构图案化。该工作展示了片上热器件的新能力，并为实现新型热控微致动系统提供了可能。

研究背景方面，像素化微加热器在触觉显示、气体传感器、致动与机器人、3D打印、电子皮肤、热编码等领域具有应用潜力。传统直接布线寻址虽可产生复杂热图案，但可扩展性有限；先进材料虽被引入加热器设计，但演示仍局限于直连单元件或小阵列。放大到多像素大阵列时，面临材料跨单元电学特性均匀性要求高、布线困难、特征尺寸减小后导体电阻下降导致产热不足、微加热器单元与输入电源线阻抗匹配困难等问题。为突破大阵列可扩展架构与高效寻址瓶颈，研究人员开展1024单元微加热器阵列的制造、控制与运行研究。论文发表于《Advanced Science》。

主要关键技术方法上，研究人员采用紫外光刻与电子束蒸发铂后剥离工艺制作双螺旋方形铂微加热器，Ti/Au电极与导线同法制作，交叉处用HfO₂隔离层，表面以聚对二甲苯（parylene）化学气相沉积钝化。阵列通过32行32列总线连接定制数字控制电路，由微控制器经5位字线、外部时钟（CLK）与解复用器、移位寄存器、高压通道开关（HVS）实现时分多路复用行列寻址。热表征用红外热像仪并以K型热电偶校准发射率，数值仿真在MATLAB有限元模型中进行。

研究结果如下。

1 Design and Characterization of the Device：研究人员设计边长小于300 μm、中心距规整的32×32双螺旋方形铂微加热器阵列，单元件具40个变半径匝、最小特征尺寸约规定值，交叉总线由HfO₂层隔离。电学表征显示单元件呈纯阻性，电阻统计与热阻响应可得温度系数（TCR）。研究人员用方波脉冲以占空比（%DC）调控焦耳加热温度，证明电压恒定时温度可由占空比调节。

2 Multiplexed Operation of Microheater Array：研究人员用5位码加CLK驱动高压多路复用板顺序寻址。单元件在设定直流电压、时钟频率与脉冲重复率下可达特定最高温，瞬时电流与功率可按P=IV计算，时序寻址下时间平均功率随占空比降低。单元件加热时热扩散使半高全宽（FWHM）约覆盖四个加热间距，证明脉冲寻址可实现大阵列独立控制。

3 Forming Spatial Heat Patterns by Spatially Selective Heating：研究人员用4位字线加载与18个CLK脉冲顺序寻址选定单元，形成笑脸等复杂热图案。红外图像显示激活与非激活单元温差至少达规定值，热串扰低，可生成分明热图案，验证了行列寻址用于复杂时空热图像形成的能力。

4 Heat Patterning of Structures with Liquid Metals：研究人员将阵列贴热电制冷板设基底温，利用镓（Ga）固液转变通过减成法图案化。仅加热需移除金属处使Ga熔化并被去除，写出M、P、I、M、R字母。FEM仿真与红外实验均表明单元件强局域升温、周围渐衰，证实微加热器阵列可驱动液态金属结构热打印。

5 Dynamic Thermal Actuation in Microfluidics Using PNIPAM：研究人员将热响应水凝胶聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM，LCST约规定值）集成于微流控平台，选用涵盖LCST的工作温窗。选择性加热25 ℃至45 ℃使PNIPAM结构可逆溶胀—塌缩与空间重排，展示微加热器阵列对微流控热致动的程序化控制。该节还指出未来可通过悬膜结构、低导热支撑层、沟槽隔离、提高多路频率、集成实时反馈与替代加热材料来提升速度、隔离与控制精度。

7 Conclusions：研究人员制成并运行了当时最大1024单元32×32铂双螺旋微加热器阵列，单元可升至无层剥落的规定温度。行列寻址解决布线难题，高压多路板以最大刷新时间寻址全部单元。脉冲驱动电压调占空比控制焦耳加热温度，阵列可生成动态热图案并用Ga熔融得到固态金属形貌。该可扩展架构适用于需大量可寻址微加热器的精细空间温控场景。

讨论与结论翻译：研究人员展示了据其所知当时最大微加热器阵列的制造、运行与控制。阵列含1024单元，排布为32×32紧密栅格，每加热器尺寸小于300 μm。单个元件可加热至无层剥落的规定温度。双螺旋铂加热器提供每元件均匀温度分布。布线挑战通过行列寻址解决。控制由全可编程高压多路板实现，最大刷新时间对应激活全部1024单元并维持规定温度所需时间。单微加热器温度通过驱动电压脉冲化及调节焦耳加热总电流控制。该微加热器可生成动态热图案，并演示镓热驱动熔融以获得固态金属形状。研究人员认为所述可扩展架构适用于需要大量可独立寻址微加热器的应用，这类应用受益于精细空间温度控制。