随着MEMS技术的不断发展,基于MEMS技术的微型加热器在气体传感器、红外探测器等领域的应用日趋广泛。MEMS微加热器通常采用绝热性好的薄膜作为衬底材料,具有体积小,功耗低,响应时间短,灵敏度高,重复性好,易于集成和阵列化等一系列优点。本文在对国内外相关工作进行回顾的基础上,针对低功耗、大均温面秘的MEMS技术面型微加热器开展了热学和力学上较为系统的设计工作,设计出分别适用于真空和大气两种工作环境下的新型结构,并通过制造和测试对设计进行了验证。获得了在大气下500×300um~2区域内温差仅0.05℃/μm,500℃高温下功耗仅25mW的新结构器件,总体上各项性能均好于现有报道。 在热学设计中,针对该器件在不同应用条件下的特点详细讨论了器件功耗、加热效率、热时间常数等关键问题,并对大面积均温特性作了重点分析。建立了简化的热学模型,通过解析解分析了真空和大气两种状态下微加热器温度分布特征及其影响因素,得到了大面积均温微加热器热学设计的一些指导性原则。根据这些原则提出了真空和大气下的几种新型结构,并结合有限元模拟结果对具体结构进行了优化。 所得到的热学设计原则具体如下:(1)真空和大气两种状态下微加热器的热学特性差别较大,其设计应分别予以考虑;(2)在真空下,环形加热器结构可以获得较好的均温特性,内部添加均热器可以进一步提高均温特性。模拟结果显示:在约1000×1000um~2的封闭膜上,20mW功率可使最高温度达到640K,在约500×600um~2区域内温著仅为0.02℃/μm;(3)在大气下,由于热对流和气体热传导的存在,应将加热丝适当扩展到反应区内部,以提高整体温度均匀性,具体结构可以通过有限元模拟进行优化。经过优化的结构,在大气下模拟结果显示1000×1000um~2的封闭膜