一种陶瓷基微热板及其制备方法与流程

本发明涉及电子器件制造技术领域，更具体的说，涉及一种陶瓷基微热板及其制备方法。

背景技术：

基于硅微加工技术的微热板(microhotplate,mhp)是微电子机械系统(mems)中常用的加热平台，已广泛应用于微型气体传感器、微型热式流量计、微型红外探测器以及气压计等微器件。微热板的基本结构包括悬空介质薄膜以及电阻条。当电流通过电阻条时，电阻产生的焦耳热一部分用于加热微热板，另外一部分以传导、对流和辐射的方式耗散于周围环境中悬空结构，使微热板具有非常小的热惯性和非常高的电热耦合效率，毫瓦级热功率就能使其中心温区在几毫秒内迅速升温。因此微热板具有非常快的热响应时间和较低的热功耗。

目前基于mems技术制备的硅基微热板加工工艺主要有背面体硅加工、正面体硅加工和表面加工三种，主要工艺流程是采用化学气相沉积工艺在硅片基底上沉积一定厚度的氮化硅薄膜和氧化硅薄膜，再采用物理气相沉积工艺制备图形化的电阻加热膜，然后采用深硅刻蚀工艺将氮化硅和氧化硅薄膜下面的硅片基底刻蚀掉，使得氮化硅和氧化硅薄膜悬空，得到绝热性能良好的微热板。但目前微热板采用物理气相沉积制备的电阻加热膜通常为厚度为几百纳米的铂、钨、钼或者多晶硅，这些材料由于厚度较小，成膜晶粒较小，当经受高温热处理(600℃以上)时，加热电阻通常会发生不可逆的变化，而且高温处理之后，由于表面的氧化通常不仅进行金丝球焊工艺，或者加热到一定高温(600℃以上)时，电阻也会发生变化，例如基于硅基微热板的催化燃烧气体传感器，当传感器暴露于高浓度可燃气体时，由于可燃气体催化燃烧放热，微热板的温度可能达到七八百摄氏度，如果微热板不能承受此温度，那么微热板的可靠性将是一个问题，这使得微热板的使用环境受到制约，产品稳健性得到考验。其次，所采用的二氧化硅材料仍然具有较高的热导率(7w/m·k)，不利于微热板功耗的进一步降低。再者，氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜和电阻加热膜都是采用化学或者物理气相沉积工艺所制备，所需设备比较昂贵，制备工艺成本也较高，不利于微热板成本的进一步降低。

通过上述描述可知，现有技术中，微热板主要存在下述问题，采用物理气相沉积形成的电阻加热膜耐高温性能较差，导致产品稳定性和可靠性较差；而且，二氧化硅膜具有较高的热导率，由于散热较快，为了保持设定的工作温度，需要较大输入功率，不利于微热板功耗的进一步降低；同时，物理气相沉积设备和化学气相沉积设备昂贵，导致制作成本较高，不利于微热板成本的进一步降低。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种陶瓷基微热板，具有较好的稳定性和可靠性，制作工艺简单，制作成本低，且具有较低的加热功耗。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种陶瓷基微热板，所述陶瓷基微热板包括：

硅基底，所述硅基底具有相对的第一表面以及第二表面；所述第一表面具有中心加热区以及外围支撑区，所述中心加热区具有贯穿所述第一表面以及所述第二表面的空气绝热腔；

设置在所述硅基底的第一表面的陶瓷膜；

设置在所述陶瓷膜背离硅基底的一侧表面的加热层；所述加热层包括电连接的加热电极以及加热电阻；所述加热电阻位于所述中心加热区；

其中，所述陶瓷膜是由形成在所述硅基底表面的设定陶瓷浆料烧结而成；所述加热层由形成在所述陶瓷膜表面的设定导电浆料烧结而成。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，所述硅基底为双面氧化、单面氧化或是未氧化的单晶硅片，所述单晶硅片的晶向为100或是111；

或者，所述硅基底为双面氧化、单面氧化或是未氧化的多晶硅片。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，所述硅基底的厚度为50μm-700μm，包括端点值。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，所述陶瓷浆料为玻璃和陶瓷体系的混合材料；

或，所述陶瓷浆料为微晶玻璃体系；

或，所述陶瓷浆料为单相陶瓷。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，所述陶瓷膜的厚度为1μm-50μm，包括端点值。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，所述陶瓷膜的电阻率大于10¹³ω·cm。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，所述陶瓷膜的热膨胀系数为0.5×10^-6/℃-10×10^-6/℃，包括端点值。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，所述陶瓷膜的介电常数为3-10，包括端点值。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，所述陶瓷膜的热导率为0.5w/(m·k)-10w/(m·k)，包括端点值。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，所述陶瓷膜的应力为100mpa-1000mpa，包括端点值。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，所述陶瓷膜经过抛光处理，使得所述陶瓷膜的粗糙度为0.5nm-1μm，包括端点值。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，所述陶瓷膜完全覆盖所述第一表面，或是覆盖部分所述第一表面。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，所述陶瓷基微热板包括多层所述陶瓷膜，所述陶瓷膜的陶瓷浆料不同以及所述陶瓷膜的厚度不同。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，当所述陶瓷浆料为玻璃和陶瓷体系的混合材料时，所述陶瓷浆料中，陶瓷相材料包括氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化铍陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氮化钛陶瓷、碳化硅陶瓷、碳化钛陶瓷、碳化硼陶瓷中的一种或者多种，玻璃相材料为多种无机矿物为主原料添加辅助原料制成的无规则结构的非晶态固体，陶瓷相材料的晶粒熔进玻璃相材料的无定形网格中形成所述陶瓷膜。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，当所述陶瓷浆料为微晶玻璃体系时，所述陶瓷浆料中，微晶玻璃是由基础玻璃通过加热处理形成的同时含有晶向和玻璃相的固体复合材料；

其中，所述基础玻璃包括多组分氧化物，在设定条件下，一部分所述基础玻璃形成规则性排列，在玻璃相中形成微晶玻璃相。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，所述基础玻璃包括硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、氟硅酸盐玻璃、磷硅酸盐玻璃中的一种或者多种。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，所述陶瓷浆料中，微晶玻璃相包括mgo-al2o3-sio2堇青石体系、li2o-al2o3-sio2锂辉石体系、li2o-zno-al2o3-sio2锂辉石体系、bao-al2o3-sio2钡长石体系、bao-al2o3-sio2-tio2钡长石体系、cao-al2o3-sio2钙长石体系、cao-b2o3-sio2钙硼硅玻璃体系、li2o-zno-mgo-al2o3-sio2β石英体系、f-k2o-na2o-cao-sio2硅碱钙石体系、f-x-mgo-sio2氟闪石体系、f-x-mgo-al2o3-sio2氟云母体系、p2o5-li2o-sio2硅酸锂体系中的任意一种或者多种。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，当所述陶瓷浆料为单相陶瓷时，所述陶瓷浆料中，单相陶瓷为硼酸锡钡陶瓷或者硼酸锆钡陶瓷。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，所述加热电极的厚度为0.5um-50um，包括端点值；

所述加热电极的材料为pt、au、ag、cu、al、ni、w、ag/pd合金以及pt/au合金中的任一种。

优选的，在上述陶瓷基微热板中，所述加热电阻的厚度为0.5um-50um，包括端点值；

所述加热电阻为导电膜层图案化处理形成的预设形状的电阻走线；

所述加热电阻的材料为pt、au、ag、cu、al、ni、w、mo、ni/cr合金、mo/mn合金、cu/zn合金、ag/pd合金、pt/au合金、fe/co合金、ruo2以及sno2:sb2o3中的任一种。

本发明还提供了一种陶瓷基微热板的制备方法，用上述任一项所述的陶瓷基微热板，其特征在于，所述制备方法包括：

提供一硅基底，所述硅基底具有相对的第一表面以及第二表面；所述第一表面具有中心加热区以及外围支撑区；

在所述第一表面形成设定陶瓷浆料的膜层；

依次通过烘干和烧结工艺形成附着于所述第一表面的陶瓷膜；

在所述陶瓷膜表面形成设定导电浆料的导电膜层；

依次通过烘干和烧结工艺形成附着于所述陶瓷膜表面的加热层；

对所述第二表面进行刻蚀，对应所述中心加热区，形成贯穿所述第一表面以及所述第二表面的空气绝热腔。

优选的，在上述制备方法中，烘干时的工艺温度是40℃-200℃，包括端点值；

烧结时的工艺温度是500℃-1400℃，包括端点值。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的陶瓷基微热板及其制备方法中，在硅基底的第一表面依次形成有陶瓷膜以及加热层，所述陶瓷膜通过设定的陶瓷浆料烧结形成，所述加热层通过设定的导电浆料烧结而成，可见，所述陶瓷膜以及所述加热层均有高温烧结工艺形成，具有较好的耐高温性能，故相对于通过低温工艺条件的物理气相沉积形成加热层的现有技术，经过高温烧结工艺形成的加热层具有更好的耐高温特性，可以提高稳定性和可靠性。而且可以通过调节陶瓷浆料的组成，可以调节陶瓷膜的热导率，避免散热较快的问题，从而降低加热功耗。同时，通过对应浆料烧结形成陶瓷膜以及加热层的设备相对于的化学气相沉积以及物理气相沉积设备，设备成本较低，降低了制作成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种陶瓷基微热板的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种陶瓷膜微热板的俯视图；

图3为本发明实施例提供的另一种陶瓷膜微热板的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种加热层的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种制备方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种陶瓷基微热板的俯视图；

图7为本发明实施例提供的另一种制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如现有技术所述，现有的微热板是在硅片基底的一侧表面通过化学气相沉积依次形成氮化硅薄膜以及二氧化硅薄膜，而后在二氧化硅表面通过物理气相沉积形成电阻加热膜。

物理气相沉积工艺温度较低，形成的电阻加热膜的耐高温性能较差，而微热板的在后续金丝球焊工艺或是作为催化燃烧气体传感器时，具有较高的温度，电阻加热膜的耐高温性能差会导致产品的可靠性和稳定性较差，影响产品质量。

而且二氧化硅具有较高的热导率，将会导致散热速度较快，这样，当微热板用于加热工作时，如催化燃烧传感器中需要通过该微热板加热到气体燃烧温度，需要较高的功耗以克服散热速度较快导致的热量流逝，这样会导致产品工作时功耗较大。

同时，由于物理气相沉积设备以及化学气相沉积设备较为昂贵，导致产品的制备成本较高。

发明人研究发现，如果将硅基底的成熟加工技术和陶瓷基底优异的电学、力学、热学特性相结合起来，在硅基底上制备陶瓷膜，将可以满足特定产品的需求。也就是说，通过设定的陶瓷浆料在硅基底上形成陶瓷膜，可以形成具有较好电学、力学、热学特性的陶瓷基底，且制作成本较低。然后，在通过设定导电浆料在陶瓷基表面经过烧结形成耐高温的加热层，在提高产品可靠性和稳定性的同时，可以大大降低制作成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种陶瓷基微热板的结构示意图，该陶瓷基微热板10包括：硅基底11，所述硅基底11具有相对的第一表面111以及第二表面112；所述第一表面具有中心加热区a以及外围支撑区b，所述中心加热区a具有贯穿所述第一表面以及所述第二表面的空气绝热腔15；设置在所述硅基底11的第一表面的陶瓷膜12；设置在所述陶瓷膜12背离硅基底11的一侧表面的加热层；所述加热层包括电连接的加热电极13以及加热电阻14；所述加热电阻14位于所述中心加热区a。

加热电极13和加热电阻14可以采用同一导电浆料形成的同一加热层制备。其他方式中，二者可以采用不同的电阻浆料以及电极浆料分别制备，此时，加热电极13为具有一定面积的导电焊盘，外界电路可以通过压焊、球焊、点焊等焊接方式与加热电极13进行电性连接。加热电极13主要为微热板提供外界施加的电信号，加热电阻14为微热板的主要发热元件，当外界的电流通过加热电极传输到加热电阻时，加热电阻产生焦耳热，进而为微热板提供热源。为了使微热板具有更小的热容，更快的热响应，将与加热电阻相接触的陶瓷膜设置成悬膜，通过刻蚀技术，将基底11与陶瓷膜相接触的硅全部刻蚀掉，形成空气绝热腔15，由于空气具有较低的热导率，具有很好的绝热性。加热电阻14的形状根据加热层的不同形状做适当调整，但无论为何种形状，加热电极13与加热电阻14均电性连接，加热电阻14根据需要设置成特定的形状，加热后为微热板的工作提供特定的温度。

其中，所述陶瓷膜12是由形成在所述硅基底11表面的设定陶瓷浆料烧结而成；所述加热层由形成在所述陶瓷膜12表面的设定导电浆料烧结而成。加热电极13用于获取外部电路输入的电信号，以为加热电阻提供工作电压。

将设定的陶瓷浆料采用厚膜印刷工艺在硅基底11的表面形成陶瓷膜12，经过高温烧结后，可以形成致密的陶瓷膜12，可以使得陶瓷膜12可以与硅基底11稳定可靠的结合，结合力良好，且致密坚硬。

与现有技术相比，本发明实施例提供陶瓷基微热板10的陶瓷膜12和加热层分别采用设定浆料成膜并高温烧结制备而成。而且经过高温热处理或者加热到一定高温下，加热层和陶瓷膜12均具有较好的耐高温特性，加热层的加热电阻14的阻值稳定，产品稳健性更好。陶瓷膜12具有更低的热导率，具有更优的绝热性能，有利于陶瓷基微热板10功耗的进一步降低。再者，陶瓷膜12和加热层可以全部采用厚膜印刷的技术成膜，没有采用昂贵的物理气相沉积或者化学气相沉积设备，采用低成本的成膜工艺，更加有利于产品成本的降低。

所述硅基底11为双面氧化、单面氧化或是未氧化的单晶硅片，所述单晶硅片的晶向为100或是111，可以使得陶瓷膜12和硅基底11具有稳定的接触效果。或者，所述硅基底为双面氧化、单面氧化或是未氧化的多晶硅片。采用单晶硅片或是多晶硅片，能够使得陶瓷膜12和硅基底11具有稳定的接触效果。

所述硅基底11的厚度为50μm-700μm，包括端点值。具体的，所述硅基底11的厚度可以为100μm、200μm、300μm、50μm或是600μm。采用上述厚度取值的硅基底11，在保证陶瓷膜微热板10具有较薄厚度的同时，使得陶瓷膜微热板10具有较好的机械强度。

本申请实施例中，所述陶瓷浆料可以为玻璃和陶瓷体系的混合材料；或，所述陶瓷浆料可以为微晶玻璃体系；或，所述陶瓷浆料可以为单相陶瓷。

当所述陶瓷浆料为玻璃和陶瓷体系的混合材料时，所述陶瓷浆料中包括两种晶相，分别是玻璃相和陶瓷相。其中，陶瓷相材料包括氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化铍陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氮化钛陶瓷、碳化硅陶瓷、碳化钛陶瓷、碳化硼陶瓷中的一种或者多种；玻璃相材料为多种无机矿物(包括石英砂、硼砂、硼酸、重晶石、碳酸钡、石灰石、钾长石、钠长石、纯碱、氧化锌、氧化铋、氧化铅、氧化铜以及氧化铬等中的一种或是多种)为主原料添加辅助原料制成的无规则结构的非晶态固体，具有无定形网格结构。主要原料中添加少量的辅助原料，可以根据需求设定主要原料和辅助原料的比例。高温条件下，陶瓷相材料的晶粒熔进玻璃相材料的无定形网格中形成所述陶瓷膜。

当所述陶瓷浆料为微晶玻璃体系时，所述陶瓷浆料中，微晶玻璃是由基础玻璃通过加热处理形成的同时含有晶向和玻璃相的固体复合材料。其中，所述基础玻璃包括多组分氧化物，在设定条件下，一部分所述基础玻璃形成规则性排列，在玻璃相中形成微晶玻璃相。具体的，所述基础玻璃包括硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、氟硅酸盐玻璃、磷硅酸盐玻璃中的一种或者多种。

当所述陶瓷浆料为微晶玻璃体系时，所述陶瓷浆料的晶向具有微晶玻璃相，可选的，微晶玻璃相包括mgo-al2o3-sio2堇青石体系、li2o-al2o3-sio2锂辉石体系、li2o-zno-al2o3-sio2锂辉石体系、bao-al2o3-sio2钡长石体系、bao-al2o3-sio2-tio2钡长石体系、cao-al2o3-sio2钙长石体系、cao-b2o3-sio2钙硼硅玻璃体系、li2o-zno-mgo-al2o3-sio2β石英体系、f-k2o-na2o-cao-sio2硅碱钙石体系、f-x-mgo-sio2氟闪石体系(x为li、na、k、ca等氧化物)、f-x-mgo-al2o3-sio2氟云母体系(x为碱金属及碱土金属氧化物)、p2o5-li2o-sio2硅酸锂体系中的任意一种或者多种。

当所述陶瓷浆料为单相陶瓷时，所述陶瓷浆料中，单相陶瓷为硼酸锡钡陶瓷或者硼酸锆钡陶瓷。

所述陶瓷膜12的厚度可以为1μm-50μm，包括端点值。具体的，所述陶瓷膜12的厚度可以为10μm、20μm、30μm或是40μm。在所述硅基底11的表面形成上述厚度取值的陶瓷膜12，在保证陶瓷膜12厚度较薄的同时，可以使得陶瓷膜12具有较好的电学、力学以及热学性能。

所述陶瓷膜12的电阻率大于10¹³ω·cm。本发明实施例所述硅基陶瓷膜10具有较大的电阻率，具有良好的绝缘性能。

所述陶瓷膜12的热膨胀系数为0.5×10^-6/℃-10×10^-6/℃，包括端点值。具体的，所述陶瓷膜12的热膨胀系数可以为1×10^-6/℃、4×10^-6/℃、6×10^-6/℃或是8×10^-6/℃。在硅基底11的表面形成上述热膨胀系数取值的陶瓷膜12，使得陶瓷膜12的热膨胀系数和硅基底11的热膨胀系数适配，可以避免由于温度变化导致陶瓷膜12和硅基底11的热膨胀程度幅度不同导致的陶瓷膜翘起或是断裂等问题，保证陶瓷膜微热板10的可靠性和稳定性。

所述陶瓷膜12的介电常数为3-10，包括端点值。具体的，该陶瓷膜12的介电常数可以为4、5、6、7或是9。在硅基底11的表面形成上述介电常数取值的陶瓷膜12，使得陶瓷膜12具有优异的电学特性。

所述陶瓷膜12的热导率为0.5w/(m·k)-10w/(m·k)，包括端点值。具体的，该陶瓷膜12的热导率为2w/(m·k)、4w/(m·k)、6w/(m·k)或是8w/(m·k)。在硅基底11的表面形成上述热导率取值的陶瓷膜12，使得陶瓷膜12具有优异的热学特性，导热速度适中。这样，当该陶瓷膜微热板10用于催化燃烧传感器的微热板时，由于催化燃烧传感器需要在催化剂最佳工作温度下进行气体探测，本申请技术方案可以避免由于散热过快导致的催化剂活性较差，需要通过增大电流进行热量补偿的问题，同时可以避免散热较慢导致温度超过催化剂最佳工作温度的问题，可见，本申请技术方案可以使得硅基陶瓷膜具有适中的导热速度，具有优异的热学特性，用于微热板时，使得温度维持在催化剂的最佳工作温度，避免温度过高以及过低问题的发生。

所述陶瓷膜12的应力为100mpa-1000mpa，包括端点值。具体的，所述陶瓷膜12的应力为200mpa、500mpa、800mpa或是900mpa。在硅基底11的表面形成上述应力取值的陶瓷膜12，使得陶瓷膜12具有优异的力学特性，可以承受较大的应力，避免陶瓷膜由于应力变化出现翘曲或是脱落的问题。

所述陶瓷膜12经过抛光处理，使得所述陶瓷膜12的粗糙度为0.5nm-1μm，包括端点值。具体的，所述陶瓷膜12的粗糙度可以为10nm、100nm、500nm或是800nm。在硅基底11的表面形成上述粗糙度取值的陶瓷膜12，使得陶瓷膜12具有较好的平坦性，便于在其表面制作其他结构。

本发明实施例提供的陶瓷膜微热板中，所述陶瓷膜12完全覆盖所述第一表面，或是覆盖部分所述第一表面。当陶瓷膜12覆盖部分第一表面时，具有多个区域，相邻区域之间具有间隙。通过调节第一表面区域的陶瓷膜12划分的区域大小以及数量以及间隙距离，调节硅基底11应力和陶瓷膜12应力相匹配，保证陶瓷膜微热板的稳定性和可靠性。

参考图2，图2为本发明实施例提供的一种陶瓷膜微热板的俯视图，图2的左图所示方式中，陶瓷膜121完全覆盖硅基衬底11的第一表面，图2的右图所示方式中，陶瓷膜123部分覆盖硅基衬底11，图2的中图所示方式中，陶瓷膜122部分覆盖硅基衬底11。

可以设置所述陶瓷膜微热板10包括多层所述陶瓷膜12，所述陶瓷膜12的陶瓷浆料不同以及所述陶瓷膜12的厚度不同，以使得硅基底11应力和陶瓷膜12应力匹配效果更佳，避免陶瓷基微热板发生翘曲问题。

参考图3，图3为本发明实施例提供的另一种陶瓷膜微热板的结构示意图，图3所示陶瓷膜微热板20中，硅基底21同样具有相对的第一表面和第二表面，与上述实施例硅基底相同。图3所示方式与图2所示方式不同在于，图3所示方式中，硅基底21的表面具有两层陶瓷膜，分别为陶瓷膜221和陶瓷膜222。陶瓷膜221位于硅基底21的表面，陶瓷膜222位于陶瓷膜221的表面。需要说明的是，可以根据应力匹配需求设定陶瓷膜的层数，包括但不局限于图3所示的两层结构。在最外侧陶瓷膜222的表面设置有加热层，该加热层与上述实现方式相同，包括加热电极23和加热电阻24。

可选的，所述加热电极13的厚度为0.5um-50um，包括端点值，如可以为10μm、20μm或是30μm等。所述加热电极13的材料为pt、au、ag、cu、al、ni、w、ag/pd合金以及pt/au合金中的任一种，包括但不局限于上述材料。

所述加热电阻14的厚度为0.5um-50um，包括端点值，如可以为10μm、20μm或是30μm等。所述加热电阻14为导电膜层图案化处理形成的预设形状的电阻走线。导电膜层图画结构可以如图4所示。

参考图4，图4为本发明实施例提供的一种加热层的结构示意图，图4中，图4a所示加热层具有加热电阻141和加热电极131，加热电阻141为异型曲线；图4b所示加热层具有加热电阻142和加热电极132，加热电阻142为蚊香型曲线；图4c所示加热层具有加热电阻143和加热电极133，加热电阻143为蛇形曲线，加热电阻143的线宽均匀；图4d所示加热层具有加热电阻144和加热电极134，加热电阻144为蛇形曲线，加热电阻144的线宽不均匀；图4e具有加热电阻144和加热电极134，加热电阻144为矩形。加热层的图案结构不局限于图4中四种方式，不局限于一种图形结构，还可以为多种图形结构的结合，如同一加热层中可以包括上述四种方式中的至少两种的组合。

可以根据微热板的热场均匀性改变加热电阻的形状，控制加热电阻的线宽，进而调控加热电阻的阻值，如图4中，加热电阻143线条宽度一样，每根线条的电阻阻值也相同。而加热电阻144线条宽度不一致，中间粗，两边细，中间的线条电阻要小于两边的线条电阻，相同电流通过时，两边线条产生的焦耳热要大于中间线条电阻产生的焦耳热，而由于两边线条更靠近绝热腔边缘，热传导更高，导致两边线条温度低，通过变线宽设计，可以使得热场更加均匀一致。同理，蚊香型曲线的加热电阻142也做了变线宽设计。

所述加热电阻14的材料为pt、au、ag、cu、al、ni、w、mo、ni/cr合金、mo/mn合金、cu/zn合金、ag/pd合金、pt/au合金、fe/co合金、ruo2以及sno2:sb2o3中的任一种，包括但不局限于上述材料。

本发明实施例中，陶瓷膜12与传统的要实现铁电、压电或是磁电耦合效应的传统陶瓷膜层不同，传统陶瓷膜层的陶瓷膜层是功能陶瓷，需要具有力电磁之间的优良转换性能，本发明实施例的陶瓷膜12是一种结构陶瓷，可以实现应力应变、弹性模量等力学参数，以使得其与相邻膜层之间具有可靠稳定的附着性。

故本申请实施例所述陶瓷膜12是结构陶瓷，传统陶瓷膜层是功能陶瓷，具有本质的不同，硅基底的功能陶瓷与本申请的硅基陶瓷膜是不同的。功能陶瓷主要利用其非力学性能的陶瓷材料，这类陶瓷材料通常具有一种或多种功能，如电、磁、光、热、化学生物等，或者具有耦合功能，如压电、压磁、热电、电光、声光、磁光等。并且随着半导体技术的发展，功能陶瓷都是以薄膜的形式沉积在硅基底上，并蒸镀金属电极，主要研究和利用的是陶瓷材料的功能性。而本发明实施例的陶瓷膜材料可以使得陶瓷膜和硅基底具有相匹配的良好的力学性能，可以不要求具有传统陶瓷膜上述的非力学特性。

结构陶瓷的种类较多，但是一般的结构陶瓷均是以独立单一的形态使用，在维度上也都是大尺寸的结构性，而本发明实施例中陶瓷膜可以将微观尺寸的陶瓷膜和易于微加工的硅基底相结合，可以适用于mems微加热器领域。

如上述，基于与传统功能陶瓷的不同，本发明实施例中陶瓷膜可以实现特定的力学特性，需要具有特定的应力和热膨胀系数，而一些电学性能参数，如介电常数范围仅是3-10，传统功能性陶瓷，如压电陶瓷、铁电陶瓷，通常需要介电常数越高越好，较高的介电常数会使其功能性越好，压电陶瓷和铁电陶瓷的介电常数通常为几千到几万，故本发明技术方案在陶瓷膜材料选择上注重的是优良的力学特性，而多数功能性陶瓷材料的力学特性不满足本发明技术方案需求，本发明技术方案不包括力学特性差的功能层陶瓷材料，如本发明实施例中陶瓷膜加热时具有一定的弹性和形变，如果采用压电材料，智能形变会在两端产生电荷，势必会影响陶瓷膜后续应用扩展。

本发明实施例所述技术方案中，采用设定陶瓷浆料通过厚膜印刷技术在硅基底表面成膜后，通过设定温度的高温烧结可以形成目标特性的陶瓷膜，该目标特性的陶瓷膜具有优异的电阻率、热膨胀系数、介电常数、热导率以及应力特性，其电阻率、热膨胀系数、介电常数、热导率以及应力满足设定的数值范围，具有优异的电学、热学以及力学特性，使得陶瓷膜微热板具有较好的稳定性以及可靠性。

与现有技术相比，本发明实施例提供的陶瓷膜微热板中，将硅基底成熟的微加工技术与陶瓷优异的电学、力学和热学特性结合，可以在陶瓷膜上形成功能电路，在硅基底上实现微结构加工，该陶瓷膜微热板能够用于制备出性能优异的微机械系统、微光机电系统、微热板以及微流体等微结构系统。而且可以采用低成本的厚膜印刷工艺形成陶瓷膜，无需采用昂贵的物理气相沉积或者化学气象沉积设备，更加利于产品成本的降低。

采用设定导电浆料通过厚膜印刷技术在陶瓷膜表面成膜后，通过设定温度的高温烧结可以形成加热层，相对于传统的物理气相沉积，本发明实施例陶瓷基微热板中，加热层耐高温特性较好，保证了产品的稳定性和可靠性。加热层中，加热电阻和加热电极可以采用相同的导电浆料同时制备。其他方式中，也可以分别采用不同的电阻浆料和电极浆料分别制备，如加热电阻可以通过丝网印刷电阻浆料并通过高温烧结制备而成，加热电极通过丝网印刷电极浆料并通过高温烧结制备而成。

基于上述实施例所述陶瓷基微热板，本发明另一实施例还提供了一种制备方法，用于制备上述陶瓷基微热板，该制备方法如图5所示，图5为本发明实施例提供的一种制备方法的流程示意图，该制备方法包括：

步骤s11：提供一硅基底，所述硅基底具有相对的第一表面以及第二表面；所述第一表面具有中心加热区以及外围支撑区。

硅基底的材料以及厚度可以参考上述描述，在此不再赘述。

步骤s12：在所述第一表面形成设定陶瓷浆料的膜层。

根据需要的陶瓷膜的目标特性制备陶瓷浆料。陶瓷浆料可以为陶瓷粉体和有机载体组成。具体的，陶瓷粉体的实现方式有三种，一种为玻璃和陶瓷体系的混合材料，一种为微晶玻璃体系组成，一种为单相陶瓷。所述设定陶瓷浆料的实现方式可以参考上述描述，在此不再赘述。

可以通过丝网印刷、平板印刷、凹版印刷、凸版印刷、流延、刮涂以及喷涂中的任一种方式，利用上述陶瓷浆料在硅基底上成膜。

步骤s13：依次通过烘干和烧结工艺形成附着于所述第一表面的陶瓷膜。

陶瓷膜的目标特性可以参考上述描述，在此不再赘述。通过设定温度的高温烧结，可以在硅基底表面形成一定厚度的陶瓷膜，该陶瓷膜致密坚硬并和硅基底具有良好的附着力。

可选的，烘干时的温度为40℃-200℃，如可以为50℃、80℃、100℃或是150℃。采用该温度取值进行烘干，可以保证具有较好的烘干效果，避免温度过高或是过低导致的膜层烘干质量不好，影响后续烧结质量，保证陶瓷膜的可靠性和稳定性。

可选的，烧结时的温度为500℃-1400℃，包括端点值，如可以为550℃、800℃、1000℃或是1200℃。采用该温度取值进行烧结，可以保证具有较好的烧结效果，陶瓷膜致密、硬度特性好、且与硅基板的附着力较强，避免温度过高或是过低导致的膜层烧结不好，保证陶瓷膜的可靠性和稳定性。将设定浆料通过厚膜印刷工艺在硅基底表面成膜后，烧结后，可以形成厚度较大，且致密附着力好的陶瓷膜，陶瓷膜和硅基底的接触面之间相互稳定接触，相对于昂贵的物理气相沉积或者化学气象沉积设备，二者之间的接触结构不同，接触结构更加可靠稳定，且制作成本低。

在烧结后，所述制备方法还包括通过研磨抛光工艺，使得所述陶瓷膜的粗糙度为0.5nm-1μm，包括端点值。

步骤s14：在所述陶瓷膜表面形成设定导电浆料的导电膜层。

步骤s15：依次通过烘干和烧结工艺形成附着于所述陶瓷膜表面的加热层。

可以通过丝网印刷工艺在陶瓷膜表面形成导电浆料的导电膜层，并通过烘干、烧结工艺得到与陶瓷膜附着力良好的加热层。烘干和烧结的温度范围与上述相同。陶瓷膜和加热层的烘干温度可以相同或是不同，烧结温度可以相同或是不同。该步骤中，烧结完成以后，同样可以通过研磨抛光工艺，使得所述加热层的粗糙度为0.5nm-1μm，包括端点值。通过设定丝网印刷的网版图形使得加热层具有设定的图案结构，以形成特定结构的加热电阻和加热电极。

步骤s16：对所述第二表面进行刻蚀，对应所述中心加热区，形成贯穿所述第一表面以及所述第二表面的空气绝热腔。

可以采用深硅刻蚀工艺形成所述空气绝热腔。具体的，在第二表面形成一层光刻胶层，可以通过旋涂工艺形成该光刻胶层，对该光刻胶层进行图形化曝光以及图形化显影，形成具有预设图案结构的光刻胶层，保留正对外围支撑区的光刻胶，去除正对中心加热区的光刻胶，然后，以图形化的光刻胶层为掩膜版对硅基底进行刻蚀，形成所述空气绝热腔，使得中心加热区的陶瓷膜悬空，最后去除边缘支撑区的光刻胶，形成绝热性能良好的陶瓷基微热板。光刻胶可以为正胶或是负胶。光刻胶层的厚度为1μm-30μm，包括端点值。

参考图6，图6为本发明实施例提供的一种陶瓷基微热板的俯视图，在本发明实施例所述制备方法中，可以通过大尺寸晶圆同时制备多个陶瓷基微热板，然后通过切割工艺，分割为多个单粒的陶瓷基微热板，切割后每个陶瓷微热板均是具有硅基底11、陶瓷膜12以及加热层。如图6所示，在晶圆上形成有陶瓷膜12。陶瓷膜12上的加热层图案包括多个子区域，每个子区域均包括加热电极13以及加热电阻14。对应在每个子区域的中心加热区形成空气绝热腔后，通过切割工艺将大尺寸晶圆分割为多个小尺寸硅基底11，每个小尺寸硅基底11均对应一个子区域，形成一个单粒的陶瓷基微热板。

参考图7，图7为本发明实施例提供的另一种制备方法的流程示意图，该制备方法包括：

步骤s21：提供一硅基底，并对硅基底进行清洗。

该硅基底可以为双面氧化的，具有100晶向的单晶硅基底11，可以采用用丙酮超声清洗10min，再用异丙醇超声清洗5min，再用去离子水清洗5min，并用氮气吹干。

步骤s22：配置陶瓷浆料，采用该浆料在硅基底的表面成膜后，进行烘干处理。

选用合适规格的陶瓷粉体，添加有机载体，配置成陶瓷浆料。可以采用丝网印刷的方式印刷在基底11上，并在一定温度下烘干。

步骤s23：将烘干好的硅基底放入马弗炉中烧结，形成陶瓷膜。

得到10um厚的致密坚硬的陶瓷膜12，并采用研磨抛光的方式对陶瓷膜12表面进行处理，使得陶瓷膜12表面粗糙度控制在0.2um。

步骤s24：采用导电浆料，通过丝网印刷工艺在陶瓷膜表面形成加热电极和加热电阻的图形结构。

加热电极和加热电阻可以采用相同的导电浆料，通过一次丝网印刷形成对应的图形结构。其他方式中，将加热电极浆料和加热电阻浆料分别采用丝网印刷的方式印刷在陶瓷膜上，形成对应的加热电极图形结构和加热电阻图形结构。

丝网印刷完成后，进行烘干和烧结，得到加热电极和加热电阻，然后对加热电极和加热电阻进行抛光处理，使得加热电极和加热电阻的表面粗糙度为100nm。

步骤s25：对硅基底的另一侧进行刻蚀，在加热电阻正对的中心加热区形成空气绝热腔。

在基底背面旋涂光刻胶，在热台上烘干，并进行图形化曝光和图形化显影，通过反应离子刻蚀技术，将背面的二氧化硅去掉，然后通过深硅刻蚀技术，将陶瓷膜下部光刻胶未保护的硅刻蚀掉，形成绝热空气腔15，得到陶瓷基微热板，通过切割技术，得到陶瓷基微热板芯片。

现有技术中，制备陶瓷膜层的材料具有较高的烧结温度，如对于氧化锆陶瓷材料要求烧结温度不低于1350℃，较高的烧结温度导致无法采用硅片作为基底，这是因为硅片能不能承受如此高的烧结温度，该烧结温度已接近硅片的熔点(1400℃)。而且传统陶瓷材料制备的陶瓷膜层的应力不能和硅片相匹配(整体应力少于500mpa)。同时传统陶瓷材料制备的陶瓷膜层无法形成致密的陶瓷膜，导致后续采用深硅刻蚀工艺时，陶瓷基底可能会破裂。

本发明实施例中，采用特定的陶瓷浆料形成硅基陶瓷膜，具有优良的力学特性，可以与硅基底具有良好的附着效果，而且，制备陶瓷膜的材料的烧结温度小于硅片的熔点温度，如对于玻璃和陶瓷体系的混合材料，烧结温度低于1200℃，适合在硅片上印刷烧结，而且通过调节陶瓷浆料的成分和屏蔽，可以使得制备的陶瓷膜的热膨胀系数与硅片匹配，形成可靠力学接触，避免了受热形变导致的翘曲和脱落问题。

为了更好的阐述本发明，以下提供一些陶瓷基微热板制备方法的具体实施例。

实施例1

提供一双面抛光双面氧化的，具有100晶向的4英寸单晶硅晶圆，然后用丙酮超声清洗15min，再用异丙醇超声清洗5min，再用去离子水清洗5min，并用氮气吹干；选用合适规格的陶瓷粉体，添加有机载体，配置成陶瓷浆料，采用丝网印刷的方式印刷在晶圆上，并在120℃下烘干10min；将烘干好的晶圆放入马弗炉中，在1000℃烧结30min，得到10um厚的致密坚硬的陶瓷膜，并采用研磨抛光的方式对陶瓷膜表面进行处理，使得陶瓷膜表面粗糙度控制在0.2um。

采用丝网印刷的方式印刷长宽为300um×300um的蛇形加热电阻阵列和加热电极阵列在陶瓷膜上，在120℃烘干5min，并在850℃烧结15min，得到加热电极和加热电阻，然后对加热电极和加热电阻进行抛光处理，使得加热电极和加热电阻的表面粗糙度为100nm；在基底背面旋涂正光刻胶，在100℃烘干5min，进行图形化曝光和图形化显影，得到厚度10um，长宽为500um×500um的光刻胶未保护的区域，通过反应离子刻蚀技术，将未保护区域的二氧化硅去掉，然后通过深硅刻蚀技术，将光刻胶未保护的硅刻蚀掉，形成绝热空气腔，得到陶瓷基微热板，通过切割技术，得到长宽为1.0mm×1.0mm陶瓷基微热板芯片。

实施例2

提供一双面抛光双面未氧化的，具有100晶向的6英寸单晶硅晶圆，然后用丙酮超声清洗10min，再用异丙醇超声清洗10min，再用去离子水清洗5min，并用氮气吹干；选用合适规格的陶瓷粉体，添加有机载体，配置成陶瓷浆料，采用流延的方式使陶瓷浆料在晶圆上成膜，并在150℃下烘干10min；将烘干好的晶圆放入马弗炉中，在1000℃烧结30min，得到20um厚的致密坚硬的陶瓷膜，并采用研磨抛光的方式对陶瓷膜表面进行处理，使得陶瓷膜表面粗糙度控制在0.2um。

采用丝网印刷的方式印刷长宽为400um×400um的变线宽蛇形加热电阻阵列和加热电极阵列在陶瓷膜上，在130℃烘干5min，并在900℃烧结30min，得到加热电极和加热电阻，然后对加热电极和加热电阻进行抛光处理，使得加热电极和加热电阻的表面粗糙度为50nm；在基底背面旋涂正光刻胶，在100℃烘干5min，进行图形化曝光和图形化显影，得到厚度15um，长宽为500um×500um的光刻胶未保护的区域，通过反应离子刻蚀技术，将未保护区域的二氧化硅去掉，然后通过深硅刻蚀技术，将光刻胶未保护的硅刻蚀掉，形成绝热空气腔，得到陶瓷基微热板，通过切割技术，得到长宽为1.0mm×1.0mm陶瓷基微热板芯片。

实施例3

提供一双面抛光单面氧化的，具有100晶向的2英寸单晶硅晶圆，然后用丙酮超声清洗10min，再用异丙醇超声清洗10min，再用去离子水清洗5min，并用氮气吹干；选用合适规格的陶瓷粉体，添加有机载体，配置成陶瓷浆料，采用刮涂的方式使陶瓷浆料在晶圆未氧化的一面上成膜，并在100℃下烘干10min；将烘干好的晶圆放入马弗炉中，在1200℃烧结30min，得到6um厚的致密坚硬的陶瓷膜，并采用研磨抛光的方式对陶瓷膜表面进行处理，使得陶瓷膜表面粗糙度控制在0.1um。

采用丝网印刷的方式印刷长宽为500um×500um的蚊香形加热电阻阵列和加热电极阵列在陶瓷膜上，在150℃烘干5min，并在1000℃烧结10min，得到加热电极和加热电阻，然后对加热电极和加热电阻进行抛光处理，使得加热电极和加热电阻的表面粗糙度为10nm；在基底背面旋涂负光刻胶，在150℃烘干5min，进行图形化曝光和图形化显影，得到厚度25um，长宽为700um×700um的光刻胶未保护的区域，通过反应离子刻蚀技术，将未保护区域的二氧化硅去掉，然后通过深硅刻蚀技术，将光刻胶未保护的硅刻蚀掉，形成绝热空气腔，得到陶瓷基微热板，通过切割技术，得到长宽为1.0mm×1.0mm陶瓷基微热板芯片。

实施例4

提供一双面抛光双面氧化的，具有100晶向的8英寸单晶硅晶圆，然后用丙酮超声清洗10min，再用异丙醇超声清洗5min，再用去离子水清洗5min，并用氮气吹干；选用合适规格的陶瓷粉体，添加有机载体，配置成陶瓷浆料，采用丝网印刷的方式使陶瓷浆料在晶圆上成膜，并在150℃下烘干10min；将烘干好的晶圆放入马弗炉中，在1200℃烧结60min，得到8um厚的致密坚硬的陶瓷膜，并采用研磨抛光的方式对陶瓷膜表面进行处理，使得陶瓷膜表面粗糙度控制在0.5um。

采用丝网印刷的方式印刷长宽为500um×500um的异形加热电阻阵列和加热电极阵列在陶瓷膜上，在150℃烘干5min，并在1100℃烧结10min，得到加热电极和加热电阻，然后对加热电极和加热电阻进行抛光处理，使得加热电极和加热电阻的表面粗糙度为100nm；在基底背面旋涂正光刻胶，在150℃烘干5min，进行图形化曝光和图形化显影，得到厚度10um，长宽为800um×800um的光刻胶未保护的区域，通过反应离子刻蚀技术，将未保护区域的二氧化硅去掉，然后通过深硅刻蚀技术，将光刻胶未保护的硅刻蚀掉，形成绝热空气腔，得到陶瓷基微热板，通过切割技术，得到长宽为1.5mm×1.5mm陶瓷基微热板芯片。

实施例5

提供一双面抛光双面未氧化的，具有100晶向的12英寸单晶硅晶圆，然后用丙酮超声清洗10min，再用异丙醇超声清洗5min，再用去离子水清洗5min，并用氮气吹干；选用合适规格的陶瓷粉体，添加有机载体，配置成陶瓷浆料，以晶圆圆心为中心，分成四个相互间隔的象限区域，采用凹版印刷的方式使陶瓷浆料在晶圆上成膜，并在150℃下烘干10min；将烘干好的晶圆放入马弗炉中，在1300℃烧结20min，得到25um厚的致密坚硬的陶瓷膜，并采用研磨抛光的方式对陶瓷膜表面进行处理，使得陶瓷膜表面粗糙度控制在0.5um。

采用丝网印刷的方式印刷长宽为300um×300um的正方形加热电阻阵列和加热电极阵列在陶瓷膜上，在130℃烘干5min，并在800℃烧结60min，得到加热电极和加热电阻，然后对加热电极和加热电阻进行抛光处理，使得加热电极和加热电阻的表面粗糙度为100nm；在基底背面旋涂正光刻胶，在150℃烘干5min，进行图形化曝光和图形化显影，得到厚度12um，长宽为600um×600um的光刻胶未保护的区域，通过反应离子刻蚀技术，将未保护区域的二氧化硅去掉，然后通过深硅刻蚀技术，将光刻胶未保护的硅刻蚀掉，形成绝热空气腔，得到陶瓷基微热板，通过切割技术，得到长宽为1.5mm×1.5mm陶瓷基微热板芯片。

实施例6

提供一双面抛光双面氧化的，具有111晶向的10英寸单晶硅晶圆，然后用丙酮超声清洗10min，再用异丙醇超声清洗5min，再用去离子水清洗5min，并用氮气吹干；选用合适规格的陶瓷粉体，添加有机载体，配置成陶瓷浆料，以晶圆圆心为中心，分成16个相互间隔的区域，采用丝网印刷的方式使陶瓷浆料在晶圆上成膜，并在150℃下烘干10min；将烘干好的晶圆放入马弗炉中，在1100℃烧结20min，得到15um厚的致密坚硬的陶瓷膜，并采用研磨抛光的方式对陶瓷膜表面进行处理，使得陶瓷膜表面粗糙度控制在0.8um。

采用丝网印刷的方式印刷长宽为500um×400um的长方形加热电阻阵列和加热电极阵列在陶瓷膜上，在150℃烘干5min，并在850℃烧结60min，得到加热电极和加热电阻，然后对加热电极和加热电阻进行抛光处理，使得加热电极和加热电阻的表面粗糙度为100nm；在基底背面旋涂正光刻胶，在150℃烘干5min，进行图形化曝光和图形化显影，得到厚度8um，长宽为600um×600um的光刻胶未保护的区域，通过反应离子刻蚀技术，将未保护区域的二氧化硅去掉，然后通过深硅刻蚀技术，将光刻胶未保护的硅刻蚀掉，形成绝热空气腔，得到陶瓷基微热板，通过切割技术，得到长宽为1.2mm×1.2mm陶瓷基微热板芯片。

通过上述描述可知，本发明实施例搜书制备方法用于制备上述实施例所述的陶瓷基微热板，无需昂贵的物理气相沉积设备以及化学气相沉积设备，通过低成本的厚膜印刷工艺、烘干与烧结工艺即可形成陶瓷膜以及加热层，制作成本低，且可以形成耐高温的加热层，提高了产品的稳定性和可靠性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的制备方法而言，由于其与实施例公开的陶瓷基微热板相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见陶瓷基微热板对应部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。