طراحي و ساخت ميكروهيتر بهبود يافته با الكترودهايي از جنس طلا و مقايسه عملكرد آن با ميكروهيتر پلاتيني

Design and Fabrication of Optimized Gold Micro-Heater and Comparison of its Performance with Platinum MicroHeater

با پيشرفت ريزفناوري ميكروماشين كاري و ميكروالكترونيك، ميكروهيترها كاربردهاي زيادي در ميكروحسگرها پيدا كرده اند. جنس الكترود گرم كننده، يكي از عوامل تاثيرگذار در ميزان اتلاف توان، پاسخ زماني و حساسيت ميكروهيتر است. در اين مقاله، دو ميكروهيتر با هندسه يكسان، اما با دو فلز مختلف روي بستر سيليكون و بر پايه فناوري ميكروماشين كاري حجمي (MEMS) طراحي، ساخته و مشخصه يابي شده-اند. در ميكروهيتر اول از طلا و در ميكروهيتر دوم، از پلاتين به عنوان الكترود گرم كننده استفاده شده، تاثير جنس الكترود گرم كننده روي ميزان عملكرد ميكروهيتر بررسي شده است. در ضمن براي بهبود كارايي ميكروهيترها، طراحي آن ها مورد بررسي قرار گرفته و ميكروهيتر با طراحي بهينه انتخاب شده است. نتايج تحليل تيوري نشان مي دهد كه ميكروهيتر طلايي، داراي پاسخ زماني كمتر و توان مصرفي بيشتري نسبت به ميكروهيتر پلاتيني است. نتايج آزمايشگاهي به دست آمده، نتايج حاصل از تحليل تيوري را تصديق مي كند و نشان مي دهد كه ميكروهيترهاي ساخته شده با طراحي بهينه، داراي عملكرد بالايي هستند؛ به طوريكه براي رسيدن به دماي بالاي oC450، توان مصرفي و پاسخ زماني در ميكروهيتر طلايي به ترتيب، mW36 و ms75/1 و در ميكروهيتر پلاتيني به ترتيب، mW30 و ms1/2 مي باشند. اين نتايج نشان مي دهند كه با ساختن ميكروهيترهايي از جنس طلا پاسخ زماني 6/16% در مقايسه با ميكروهيتر پلاتيني بهبود مي يابد.

With the development of microelectronics and micromachining technology, micro-heater has found plenty of applications in micro-sensor. Heating electrode material is one of the key factors that affect the power loss, response time, and sensitivity of a micro-heater. In this work, using two various metals, two micro-heaters with the same geometry are designed, fabricated, and characterized on silicon substrates based on the micro-electro-mechanical-system (MEMS) fabrication process. In the first micro-heater, gold, and in the second one, platinum are used as the heating electrode, and the effect of heating electrode material on the performance of the micro-heater is evaluated. Moreover, to improve the micro-heater efficiencies, their design is investigated, and the micro-heater with an optimum design is chosen. The analytical results obtained exhibit that the gold micro-hater has a lower response time and a higher power loss than the platinum micro-heater. The experimental results are in good agreement with the results obtained from the analytical analysis, and show that the fabricated micro-heaters with an optimum design have a high performance; as the power consumption and response time are 36 mW and 1.75 ms, respectively, in the gold micro-heater, and 30 mW and 2.1 ms, respectively, in the platinum micro-heater for a temperature variation from 30 to 450 oC. These results demonstrate that with fabrication of the gold micro-heater, the response time improves by 16.6% in comparison with the platinum micro-heater.