包含具有电阻加热器的微热板的气体传感器及相关方法
阅读说明：本技术 包含具有电阻加热器的微热板的气体传感器及相关方法 (Gas sensor including micro-hotplate with resistive heater and related methods ) 是由 B·罗杰斯 C·J·杜德利 D·A·霍普金斯 E·J·盖格 于 2018-04-23 设计创作，主要内容包括：一种微热板,所述微热板包括悬置在衬底上方的膜,所述膜通过连接在所述衬底与所述膜之间的多个系链悬置在所述衬底上方。所述膜包括电阻加热器,所述电阻加热器包括导电材料,所述导电材料从所述膜的外围部分到所述膜的中心具有变化的宽度。所述导电材料包括在第一方向上成螺旋形的第一部分,以及在第二方向上成螺旋形且在所述膜的所述中心与所述第一部分电接触的第二部分。所述微热板进一步包括在第一系链上方延伸且与所述衬底上的接合焊盘和所述第一部分电接触的第一导电迹线,和在另一系链上方延伸且与所述衬底上的另一接合焊盘和所述第二部分电接触的第二导电迹线。还公开检测至少一种分析物的相关化学传感器和相关方法。(A microhotplate comprising a membrane suspended over a substrate, the membrane suspended over the substrate by a plurality of tethers connected between the substrate and the membrane. The film includes a resistive heater including a conductive material having a varying width from a peripheral portion of the film to a center of the film. The conductive material includes a first portion that spirals in a first direction and a second portion that spirals in a second direction and is in electrical contact with the first portion at the center of the film. The microhotplate further includes a first conductive trace extending over a first tether and in electrical contact with a bond pad on the substrate and the first portion, and a second conductive trace extending over another tether and in electrical contact with another bond pad on the substrate and the second portion. Related chemical sensors and related methods of detecting at least one analyte are also disclosed.)
优先权要求
本申请要求2018年4月23日提交的“包含具有电阻加热器的微热板的气体传感器及相关方法(GAS SENSORS INCLUDING MICROHOTPLATES WITH RESISTIVE HEATERS,ANDRELATED METHODS)”的第15/959,807号美国专利申请的申请日的权益，所述美国专利申请要求2017年4月26日提交的“具有电阻加热器的微热板、包含所述微热板的气体传感器及相关方法(MICROHOTPLATES WITH RESISTIVE HEATERS,GAS SENSORS INCLUDING THEMICROHOTPLATES,AND RELATED METHODS)”的第62/490,227号美国临时专利申请的权益。
技术领域
本公开的实施例总体上涉及微机电系统(MEMS)，例如微热板装置、包含微热板装置的气体传感器，本公开的实施例还涉及形成和操作微热板装置和气体传感器的相关方法。更具体地，本公开的实施例涉及具有电阻加热器的微热板，所述电阻加热器经配置以均匀地加热微热板的膜同时降低微热板结构中的功耗和局部过热，本公开的实施例还涉及操作微热板的相关方法以及制造微热板的相关方法。
背景技术
微热板可能在用于化学检测应用的传感器中有用。微热板可以包含化学敏感涂层，用于检测一或多种气体或分析物的一或多种性质。与测量为数百微米的现有微热板装置相比，微热板的大小可以设定成具有约几十到几百微米的尺寸，以消耗更少的功率，并且更容易集成到更小的封装中。可以使用基于MEMS的或基于CMOS的硅工艺形成微热板。
与微热板相关联的常规加热元件可以提供用于加热微热板的悬置膜或设置在加热元件上方的材料(例如，化学敏感涂层)的热源。然而，由于微热板远离膜的部分的热损失差异，加热元件和与加热元件相关联的任何化学敏感涂层材料经常呈现不同的温度，从而导致整个微热板的温度分布不均匀。作为非限制性实例，支撑加热元件的膜的***部分可能比其中心部分损失相对更多的热量，从而导致整个加热元件和膜的温度分布不均匀。例如，在一些情况下，***部分通常呈现比膜的中心部分更大的对流，从而导致来自***部分的热损失比来自膜的中心部分的热损失更大。另外，从悬置微热板到其支撑衬底通过支撑系链传导而导致的热损失可能进一步加剧微热板的温度分布不均匀。此外，化学敏感涂层材料上的化学反应以及在参考微热板的无涂层板表面上进行的物理测量(例如，针对热导率测量)可能对温度变化敏感，并且相关联传感器的性能可能会受到微热板不均匀操作温度的不利影响。
为了补偿整个微热板的不均匀热损失，一些微热板并入了散热板，以有助于通过膜的在某种程度上均匀的热传递。其它装置包含具有独特形状的加热元件，所述形状包含尖角和方向突变。然而，这样的尖角和方向突变可能不利地影响电阻加热器的操作和寿命。
发明内容
本文公开的实施例包含微热板、包含至少一个微热板的化学传感器以及检测至少一种分析物的方法。例如，根据一个实施例，一种微热板包括悬置在衬底上方的膜，所述膜通过连接在所述衬底与所述膜之间的多个系链悬置在所述衬底上方。所述膜包括电阻加热器，所述电阻加热器包括导电材料，所述导电材料从所述膜的***部分到所述膜的中心具有变化的宽度。所述导电材料包括在第一方向上成螺旋形的第一部分，以及在第二方向上成螺旋形且在所述膜的所述中心与所述第一部分电接触的第二部分。所述微热板进一步包括在第一系链上方延伸且与所述衬底上的接合焊盘和所述第一部分电接触的第一导电迹线，和在另一系链上方延伸且与所述衬底上的另一接合焊盘和所述第二部分电接触的第二导电迹线。
在另外的实施例中，一种化学传感器包括至少一个微热板。所述至少一个微热板包括在形成于衬底中的空隙上方延伸的多个系链，所述多个系链将膜支撑在所述衬底上方且包括多个介电层。所述膜包括在所述多个介电层的两个介电层之间的电阻加热器，所述电阻加热器包括导电材料，所述导电材料具有在第一方向上成螺旋形的第一部分和在第二相反方向上成螺旋形的第二部分，所述导电材料从所述电阻加热器的外部部分到其中心部分具有变化的宽度。所述微热板进一步包括导电加热器迹线，所述导电加热器迹线经配置以向所述电阻加热器提供功率，所述导电加热器迹线覆盖在所述系链中的至少一者上。
在另外的实施例中，一种测量热导率、放热事件和吸热事件中的至少一者的方法，其包括向至少一个微热板的电阻加热器提供电流，所述电阻加热器从其***部分到其中心包括变化的宽度，所述电阻加热器包括从所述电阻加热器的所述***部分朝向所述中心延伸且在顺时针方向上成螺旋形的第一部分，以及在所述电阻加热器的所述中心与所述第一部分接触且从所述电阻加热器的所述中心朝向所述电阻加热器的所述***部分延伸且在逆时针方向上成螺旋形的第二部分。所述方法进一步包括测量所述电阻加热器两端的电压和电流，以及计算所述电阻加热器的电阻以确定所述电阻加热器的平均温度。
在其它实施例中，一种用于提供样本正交分析的传感器包括微热板阵列。每个微热板包括电阻加热器，所述电阻加热器包括导电材料，所述导电材料从所述膜的***部分到所述膜的中心具有变化的宽度。所述导电材料包括在第一方向上成螺旋形的第一部分，以及在第二方向上成螺旋形且在所述膜的所述中心附近与所述第一部分电接触的第二部分。所述传感器进一步包括控制器，所述控制器经配置以确定所述微热板阵列中的至少一个微热板的所述电阻加热器的至少一种性质以及所述微热板阵列中的至少一个微热板的叉指式电极之间的电阻中的一或多者。
在又其它实施例中，一种测量来自包括微热板阵列的传感器的响应的方法包括向微热板阵列中的每个微热板的电阻加热器提供电流，每个微热板的所述电阻加热器从膜的***部分到所述膜的中心具有变化的宽度。所述导电材料包括在第一方向上成螺旋形的第一部分，以及在第二方向上成螺旋形且在所述膜的所述中心附近与所述第一部分电接触的第二部分。所述方法进一步包括测量来自所述微热板阵列中的每个微热板的响应，其中测量来自所述微热板阵列的每个微热板的响应包括：分析来自在覆盖在其电阻加热器上方的介电材料上不含涂层材料或包括惰性材料的至少一个参考微热板的响应，分析来自在覆盖在其电阻加热器上方的介电材料上包括催化材料的至少一个微热板的响应，以及分析来自在覆盖在其电阻加热器上方的介电材料上包括选自由p型半导体、n型半导体和离子导体组成的群组的化学感测材料的至少一个微热板的响应。
附图说明
图1A是根据本公开的实施例沿着图1C所示的剖面线A-A截取的微热板的顶视横截面图；
图1B是根据本公开的实施例沿着图1D所示的剖面线B-B截取的微热板的顶视横截面图；
图1C是沿着图1A中的剖面线C-C截取的图1A的微热板的侧视横截面图；
图1D是沿着图1A中的剖面线D-D截取的图1A的微热板的侧视横截面图；
图1E是沿着图1A中的剖面线E-E截取的图1A的微热板的侧视横截面图；
图1F是沿着图1A中的剖面线F-F截取的微热板的侧视横截面图；
图1G是根据本公开的其它实施例的微热板的顶视横截面图；
图2是根据本公开的实施例的另一微热板的顶视横截面图；
图3A是根据本公开的实施例的另一微热板的顶视横截面图；
图3B是根据本公开的实施例的另一微热板的顶视横截面图；
图4A和图4B是根据本公开的实施例的另一微热板的侧视横截面图；
图5是示出根据本公开的实施例的操作包含至少一个微热板的气体传感器的方法的流程图；
图6是示出经配置用于执行本文描述的一或多个实施例的计算系统的简化框图；以及
图7是根据本公开的实施例的包含至少一个微热板的装置的平面图。
具体实施方式
本文呈现的图示并不意味着是任何特定材料、组件或系统的实际视图，而仅仅是用于描述本公开的实施例的理想化表示。
以下描述提供具体细节，如材料类型、材料厚度和处理条件，以便提供对本文描述的实施例的充分描述。然而，所属领域的技术人员将理解，可在不采用这些具体细节的情况下实践本文公开的实施例。实际上，可以结合工业中采用的常规制造技术来实践实施例。
如本文所用，术语“系链”是指并包含在衬底上方支撑装置的膜的一部分的结构。系链可以从装置的***部分延伸到微热板的膜，并且可以将膜悬置在装置的衬底上方。系链可以悬置在形成于衬底中的空隙上方。
如本文所用，术语“膜”是指并包含微热板的中央部分，其可以通过一或多个系链悬置在衬底上方。一或多个系链可以从传感器的***部分延伸到膜，其中膜通过系链悬置在衬底中的空腔上方。
根据本文描述的实施例，微热板包含膜，所述膜通过从膜延伸到衬底的一部分的多个系链悬置在衬底上方。膜可以通过形成于衬底的一部分中的空隙(例如，空腔)与衬底分离。膜可以通过从衬底中的空隙的***延伸到膜的多个系链支撑在衬底中的空隙上方。空腔的深度可以被精确地控制以改变传感器的敏感性和功耗。较浅的深度可以增加到衬底的传导热损失，这可以提高传感器对周围气体热导率的敏感性。增加的深度可以减少到衬底的损失，这对于提高效率和降低对周围环境的敏感性会是需要的。也就是说，可以减小衬底相对于系链的深度以增加到衬底的传导热损失，这可以改进对微热板附近的气体的至少一种性质(例如，热导率)的确定。
膜可以包括电阻加热器，所述电阻加热器经定形和配置以在整个微热板上提供基本均匀的温度分布(例如，等温温度分布)。在一些实施例中，系链和膜可以由相同的材料形成并且包含相同的材料。电阻加热器可以包括具有螺旋形状的导电材料，所述导电材料从位于衬底上的一对接合焊盘延伸并且经配置以提供通过电阻加热器的电流。由于导电材料从膜的外部部分(例如，***)朝向膜的内部部分(例如，中心)成螺旋形，因此导电材料沿着其长度可以包括变化的(例如，增加的、连续增加的)宽度。如本文所用，术语“变化的”当用于描述结构的宽度时是指所述宽度沿着结构的长度改变。宽度可以以阶梯式增量改变，可以基本连续地改变，可以逐渐变小，可以在一些部分上基本连续地改变而在其它部分可以在阶梯式部分中改变等。导电材料的变化的宽度可以改变导电材料的局部电阻(以及因此局部热输出)，从而在设置在微热板上的整个膜和相关联材料(例如，膜的化学感测材料、催化剂涂层、惰性涂层等)上提供基本均匀的温度分布。导电材料可以包括从第一系链与膜之间的相交处延伸并且从膜的外部部分朝向膜的中心成螺旋形的第一部分，所述第一部分在第一方向(例如，顺时针方向)上成螺旋形。导电材料可以进一步包括从第二系链与膜之间的相交处延伸并且从膜的外部部分朝向膜的中心成螺旋形的第二部分。所述第二部分可以在与第一方向相反的第二方向上成螺旋形(例如，第二部分可以在逆时针方向上成螺旋形)。第一部分和第二部分可以在膜的中心部分电连通。导电材料可以在第一部分接触第二部分的位置处在膜的中心处使旋转方向反向。
电阻加热器的具有相对较小宽度的部分可以比电阻加热器的具有相对较大宽度的部分呈现相对更大的电阻。电阻加热器的呈现更大电阻的部分可以比具有相对较小电阻的部分产生更多热量。电阻加热器的具有相对较小宽度的部分可以位于电阻加热器的经受相对较大热损失的位置处，例如在膜的***部分处，而电阻加热器的具有相对较大宽度的部分可以位于电阻加热器的不经受很大热损失的位置处(例如，在膜的中心部分处)。电阻加热器的大小和形状可以设计成使得膜呈现基本均匀的温度分布，即使膜的***部分可能比其中心部分经受更大的热损失。
电阻加热器可能没有尖角和方向突变，尖角和方向突变可能导致电流拥挤和高电流密度，进而可能引起不希望的被称为“电迁移”的其中电阻加热器的原子重新分布的现象，从而导致当原子迁移到电阻加热器的其它区域时电阻加热器在某些区域实际变薄，并最终导致温度分布不均匀和电阻加热器故障。形成具有变化的(例如，连续变化的)宽度的电阻加热器可以基本减少由于高电流密度、高温或这两者的区域而加剧的负面影响，例如电迁移。另外，本文描述的电阻加热器可以减小将相关联微热板加热到期望温度所需的功率。在一些实施例中，例如在经配置以测量热导率的微热板装置中使用电阻加热器的情况下，相对于常规微热板，从微热板到微热板附近的环境的热传递可以增加。另外，与常规微热板相比，从系链到延伸的衬底的热损失可以减少。包含具有变化的宽度的电阻加热器的微热板可以在约200℃与约1,200℃之间的温度下操作，例如在约300℃与约800℃之间或在约800℃与约1,200℃之间的温度下操作。在一些实施例中，微热板在高达约1,200℃的温度下操作而不会损坏微热板(例如，引起电阻加热器或膜的故障)。作为比较，现有技术的微热板可能至少部分地由于因电迁移使原子贫化的区域而在大于约500℃的温度下发生故障。
传感器可以包含多个微热板。如本文所描述，微热板中的至少一些可经配置以测量样本的热导率(例如，气态分析物、样本中分析物的浓度等)，微热板中的至少一些可经配置以确定样本呈现一或多种反应的温度，并且微热板中的至少一些可经配置以包含一或多个涂层，所述涂层经配置以与样本中可能包含的特定组分相互作用(例如，可以包含一或多个金属氧化物半导体涂层，所述涂层经调配和配置以与样本中可能包含的特定物种相互作用)。在传感器中使用多个微热板可以增加可以使用传感器检测到的分析物的范围，并且可以提高传感器的敏感性和选择性。作为非限制性实例，可以使用多个微热板来执行样本的正交分析并确定样本组成中的一或多者、样本中一或多种气体的浓度或样本的另一性质。
图1A是根据本公开的一个实施例的包括微热板的装置100的顶视图。装置100包括形成于衬底102上方的膜101(图1C)。衬底102可以是常规的硅衬底或包含半导体材料的其它块状衬底。如本文所用，术语“衬底”是指并包含不仅硅晶片，而且还指并包含例如蓝宝石上硅(“SOS”)衬底或玻璃上硅(“SOG”)衬底之类的绝缘体上硅(“SOI”)衬底、基底半导体基础上的硅外延层或其它半导体材料。在一些实施例中，衬底102包括硅。在其它实施例中，衬底102或其至少一部分可以被氧化并且包括例如氧化硅(例如，SiO2)。
膜101可以具有圆形、正方形、矩形、多边形(例如，五边形、六边形、八边形等)或另一形状。膜101可以通过多个系链105、105a、105b支撑在衬底102上方。在一些实施例中，装置100可以包括六个系链105，但是本公开不限于此。在其它实施例中，装置100包含任何数量的系链105，例如三个系链105、四个系链105、五个系链105、六个系链105、七个系链105、八个系链105或任何其它数量的系链105。在一些实施例中，装置100包括奇数个系链105。在膜101包括多边形的情况下，多边形的角(例如，点)可以在相应的系链105上方居中。例如且参考图2，装置200可以包括六边形的膜201。膜201的点可以设置在相应的系链105的一部分上方。在一些实施例中，多边形的点设置在相应的系链105的中心部分上方。
系链105可以在形成于衬底102中的空隙104上方从装置100的***部分(例如，从衬底102)延伸到膜101。也就是说，系链105可以从衬底102延伸到膜101。系链105可以将膜101支撑在衬底102上方。膜101可以通过空隙104与衬底分离，例如，如图1C所示。系链105可以通过空隙104与衬底102的一部分(例如，衬底的中心部分)离。
系链105的宽度可以选择为减少(例如，最大限度地减少)沿着其长度的净热通量并减少到衬底102的热损失。作为非限制性实例，系链105的宽度可以被最小化以减少通过传导从膜101的***的热损失。然而，系链105的宽度可以足够大以例如在膜101加热期间向膜101提供足够的机械支撑。因此，与常规的微热板装置相比，系链105、105a、105b可以减少通过系链105、105a、105b从膜101到下面的衬底102的热损失。在一些实施例中，系链105可以在系链105与膜101的相交处附近包含加宽部分，所述加宽部分具有比系链105的其它部分相对更大的宽度。在一些实施例中，系链105还可以在系链105与衬底102的相交处附近包含加宽的(例如，填角的)部分。这种填角法可以减小系链105的角应力集中。在一些实施例中，系链105的宽度可以在约3μm与约20μm之间，例如在约3μm与约15μm之间，或在约5μm与约10μm之间。如本文所用，术语“填角”是指并包含内部或外部角的倒圆，例如系链105与膜101相交的地方。作为非限制性实例，如本文所用，填角后的形状可以具有类似于填角焊缝或双切线弧形的形状。
继续参考图1A，装置100可以包含电阻加热器110，所述电阻加热器包括电耦合到一对接合焊盘112a、112b的导电迹线115。可以通过在接合焊盘112a、112b之间施加电流来为电阻加热器110供电。电阻加热器110可以具有基本圆形的形状。在其它实施例中，电阻加热器110可以呈现卵形、圆形或椭圆形。具有圆形的电阻加热器110可以在整个电阻加热器110上提供基本均匀的温度分布。
导电迹线115可以从第一系链105a的表面上方的第一接合焊盘112a延伸到膜101处的电阻加热器110。另一导电迹线115可以从第二系链105b的表面上方的第二接合焊盘112b延伸到膜101处的电阻加热器110。在一些实施例中，第一系链105a和第二系链105b可以彼此基本相对定位，并且第一接合焊盘112a和第二接合焊盘112b可以彼此基本相对定位。导电迹线115在本文中也可以被称为“导电加热器迹线”。
导电迹线115在系链105上方的部分可以是基本线性的。在第一系链105a与膜101的相交处，导电材料115可以从线性形状过渡到弯曲的(例如，螺旋、缠绕、旋转等)形状。类似地，在第二系链105b与膜101的相交处，导电材料115可以从线性形状过渡到弯曲的(例如，螺旋、缠绕、旋转等)形状。
电阻加热器110可以包括：从膜101的在第一系链105a附近的外部部分(例如，***)延伸到膜101的中心附近的位置的第一部分114，以及从膜101的在第二系链105b附近的***延伸到膜101的中心附近的位置的第二部分116。第一部分114和第二部分116可以在膜101的中心部分处彼此电接触。
在一些实施例中，电阻加热器110的各部分的第一表面(例如，径向变化的外表面)117和与第一表面117相对的第二表面(例如，径向变化的朝内表面)119可以基本不平行。换句话说，第一表面117和第二表面119的相对部分可以不平行。在一些实施例中，第一部分114和第二部分116各自包括螺旋形状，并且第一表面117和第二表面119包括弯曲的(例如，弓形)表面。因此，电阻加热器110的外表面可以包括弓形表面。
第一部分114可以包括螺旋形状，并且可以在第一方向(例如，顺时针方向或逆时针方向中的一者)上成螺旋形(例如，缠绕、旋转、盘绕、卷曲、扭曲等)。第二部分116可以包括螺旋形状，并且可以在与第一方向相反的第二方向(例如，顺时针方向或逆时针方向中的另一者)上成螺旋形(例如，缠绕、旋转、盘绕、卷曲、扭曲等)。在一些实施例中，螺旋的方向可以在第一部分114和第二部分116彼此接触的膜101的中心附近改变。换句话说，在膜101的中心处，电阻加热器110的旋转方向可以从第一方向改变为相反的第二方向。
第一部分114的径向相邻区域可以彼此隔离开相同的距离。类似地，第二部分116的径向相邻区域可以彼此隔离开相同的距离。在一些实施例中，第二部分116的区域可以设置在第一部分114的径向相邻区域之间，并且第一部分114的区域可以成螺旋形并且设置在第二部分116的径向相邻部分之间。也就是说，第一部分114的圈(例如，螺旋)可以由第二部分116的圈(例如，螺旋)径向包围，并且第二部分116的圈可以由第一部分114的圈径向包围。也就是说，第一部分114的圈和第二部分116的圈可以彼此缠结并且可以彼此分离一定距离。
在一些实施例中，在第一部分114和第二部分116的相邻部分之间的间隙120可以是基本恒定的。间隙120可以呈现螺旋形状，类似于第一部分114和第二部分116的螺旋形状。间隙120可以具有基本恒定的宽度。在一些实施例中，间隙120的宽度可以小于电阻加热器110的宽度W(例如，小于最窄的宽度W)。在一些实施例中，例如通过使用电阻加热器110作为散热器，可以最小化间隙120的宽度以有助于整个微热板或膜101的均匀温度分布。作为非限制性实例，可以最小化间隙120的宽度使得电阻加热器110的相邻部分之间的距离减小。由于电阻加热器110比例如设置在电阻加热器110上方和间隙120中的介电材料具有更高的热导率，所以当间隙120包括基本减小的宽度时，电阻加热器110可以近似于散热器。在一些实施例中，间隙120可以具有约0.5μm与约5.0μm之间的宽度，例如约1.0μm与约4.0μm之间、约1.5μm与约3.5μm之间或约2.0μm与约3.0μm之间的宽度。在一些实施例中，间隙120宽度可以为约3.0μm。在其它实施例中，间隙120的宽度可以从膜101的***附近的部分到膜101的中心附近的部分变化。在一些实施例中，间隙120的宽度在电阻加热器110的径向向内部分处可以比在径向向外部分处更大。
电阻加热器110的导电材料可以包括金属化层，例如钨、钼、钽、铂、钯、铝、钛、钛钨(TiW)、铜、金、掺杂硅、掺杂多晶硅、其它导电金属或合金，其组合或包括一或多种上述材料的层状结构。层状结构可以包含例如包括钨、钼、钽、铂、钯、铝、钛、钛钨(TiW)、铜、金、掺杂硅、掺杂多晶硅、其它导电金属或合金中的一或多种的第一层，以及在第一层上方的包括钨、钼、钽、铂、钯、铝、钛、钛钨(TiW)、铜、金、掺杂硅、掺杂多晶硅、其它导电金属或合金中的另一种的至少一第二层。在一些实施例中，电阻加热器110可以包含一或多个粘合层(例如，钛、钨，其组合等)，其经配置以改进对在电阻加热器110下面或上面的一或多种绝缘材料的粘合性、以改变电阻加热器110的复合电阻性质，或两者。在一些实施例中，至少另一金属化层和/或至少一个钝化层可以覆盖在一或多个粘合层上。在一些实施例中，导电材料包括钨。在一些此类实施例中，电阻加热器110可以在高达1,200℃的温度下操作而不会损坏装置100。
第一部分114可以从膜101的***附近的位置到膜101的中心附近的位置呈现变化的(例如，增加的、连续增加的、逐渐变小的)宽度W。第一部分114可以从膜101的外部部分朝向膜101的中心呈现增加的宽度W。在一些实施例中，宽度W从膜101的***附近(例如，第一部分114的加宽部分150附近)的最小宽度增加到膜101的中心附近的最大宽度。宽度W可以从膜101的外部部分到其内部部分基本连续地增加。类似地，第二部分116可以从膜101的外部部分(例如，在第二系链105b与膜101之间的相交处附近)朝向膜101的中心呈现变化的(例如，增加的、连续增加的、逐渐变小的)宽度。
在一些实施例中，电阻加热器110的每个位置的宽度可以与电阻加热器110的每个位置距膜101的中心的距离有关。作为非限制性实例，其中膜101包括圆形，电阻加热器110可以具有随着距膜101的中心的径向距离增加而减小的宽度。由于电阻加热器110包括螺旋形状，所述螺旋形状具有距膜101的中心变化的(例如，连续变化的)距离，因此电阻加热器110的宽度可以沿着其长度变化(例如，连续变化)。
在一些实施例中，电阻加热器110的最大宽度(例如，其中心处的宽度)可以是电阻加热器110的最小宽度(例如，加宽部分150附近的宽度)的至少约2.5倍。在一些实施例中，电阻加热器110的最大宽度大于最小宽度的约3.0倍，大于最小宽度的约3.5倍，大于最小宽度的约4.0倍，或甚至大于最小宽度的约5.0倍。
在一些实施例中，针对距膜101的中心的预定第一距离，电阻加热器110的宽度在距中心的基本所有小于第一距离(例如，径向距离)的距离处可以更大，并且在距中心的基本所有大于第一径向距离的距离处更小。作为非限制性实例，取决于距膜中心的距离的电阻加热器110的宽度可以通过例如以下等式(1)来粗略估计：
Wr＝r×A (1)
其中，Wr是对于距膜101的中心预定距离的电阻加热器110的宽度，r是距膜101的中心的距离，并且A是常数。
在其它实施例中，根据连续可微公式，电阻加热器110的宽度可以随着电阻加热器110接近膜101的中心而增加。在一些此类实施例中，电阻加热器110可以呈现使得在沿着电阻加热器110的每个点处存在其衍生物的形状，从而减小并且在一些实施例中消除了电阻加热器110中的任何尖角。在一些此类实施例中，电阻加热器110可以不包含任何尖角(例如，诸如90°角、顶点、多边形的角点等)或方向突变。换句话说，电阻加热器110可以不包含方向突化或尖角，例如方形角。也就是说，电阻加热器110可以不包括在单个点(例如，在顶点)处会聚的角。实际上，电阻加热器110可以包括弓形(例如，弯曲的)表面，例如第一表面117和第二表面119。因此，电阻加热器110可以基本没有角。换句话说，侧表面(例如，第一表面117和第二表面119)可以基本没有角并且可以包括弓形表面。
在一些实施例中，电阻加热器110呈现阿基米德螺旋形状，所述形状可以被偏移以在第一部分114与第二部分116之间产生间隙120。
电阻加热器110的宽度W可以从膜101的***附近的位置处的约3μm增加到膜101的中心附近的位置处的约20μm。
在一些实施例中，电阻加热器110可以在膜101的***部分处导电迹线115过渡到电阻加热器110中的位置处(所述区域在本文中可被称为“过渡区域”)包含加宽部分150。在一些实施例中，加宽部分150可有助于从系链105上的导电迹线115的基本线性形状过渡到电阻加热器110的螺旋形状。在一些此类实施例中，电阻加热器110可以在加宽部分150处具有局部宽区域，从加宽部分150径向向内具有相对较小的宽度，以及随着电阻加热器110朝向膜101的中心成螺旋形而具有增加的(例如，连续增加的)宽度。
加宽部分150可以基本减小过渡区域处的电流密度并减少电迁移，从而延长电阻加热器110的寿命和整体操作。也就是说，加宽部分150可有助于改进的电流密度并减少电阻加热器110的导电材料从系链105a、105b上方的线性部分(例如，导电迹线115)过渡到电阻加热器110的区域附近的电迁移。
电阻加热器110可以通过光刻工艺形成。作为非限制性实例，可以使用具有电阻加热器110的图案的掩模版来形成(例如，沉积和图案化)电阻加热器110的材料。
在一些实施例中，电阻加热器110的电阻可以与其宽度W有关。电阻加热器110的电阻的幅度在电阻加热器110的宽度W较小的部分处可以比在电阻加热器110的宽度W相对较大的部分处(例如，在膜101的中心附近的部分(即，径向向内的部分)处)相对更大。
从膜101的外部部分到膜101的中心部分增加电阻加热器110的宽度可有助于整个电阻加热器110和相关联膜101上的基本均匀的温度分布。在***部分，膜101和电阻加热器110可以呈现比其中心部分处更大的热损失。因此，电阻加热器110的电阻在宽度相对较小的位置处(例如，在膜101的***附近的位置处)可以比宽度相对较大的位置处(例如，在膜101的中心附近的位置处)更大。因此，电阻加热器110(和膜101)可以呈现基本均匀的温度分布，这是因为经受较大热损失的膜101的外部部分比其中心部分受电阻加热器110的加热更多。也就是说，电阻加热器110的渐缩宽度可以在整个电阻加热器110和膜101上产生基本等温的温度分布。另外，由于电阻加热器110提供了膜101的基本均匀的温度分布，因此与常规的微热板相比，装置100可以使用较少的功率来加热膜101。此外，系链105、105a、105b的宽度减小可以减少从膜101到衬底102的传导热损失。
继续参考图1A，装置100可以进一步包含感测线124，其经配置以测量电阻加热器110两端的电压降。感测线124所处的位置可以使得可以通过利用感测线124测量电阻加热器110两端的电压降来确定电阻加热器110的活性区域的平均温度。感测线124可以包括高阻抗电压测量系统，使得基本不存在通过感测线124的电压降。感测线124在本文中也可以被称为“导电感测线迹线”。
感测线124可以耦合到相应的感测线接合焊盘126。感测线接合焊盘126可以在装置100的***处位于衬底102上。感测线124可以从感测线接合焊盘126延伸到电阻加热器110。感测线124可以在相对的系链105上方延伸，所述系链可以是与导电迹线115在其上方延伸的系链105a、105b不同的系链105。
装置100可以进一步包含另一对接合焊盘130。参考图1B，每个焊盘130可以可操作地耦合到电极迹线132，所述电极迹线可以在系链105上方延伸到膜101的中心。第一电极134可以耦合到电极迹线132，并且第二电极136可以耦合到另一电极迹线132。第一电极134和第二电极136可以包括叉指式电极135。电极迹线132在本文中也可被称为“化学感测电极迹线”。
第一电极134和第二电极136可以形成一或多个图案，并且在本文中可以被称为“叉指式电极”。如图1B所示，第一电极134可以与一对接合焊盘130中的一个接合焊盘130电接触，并且第二电极136可以与一对接合焊盘130中的另一个接合焊盘130电接触。第一电极134可以包含从其基部延伸的突起138，并且可以由从第二电极136的基部延伸的相邻突起140之间的间隙(例如，空间)接收。第二电极136可以包含从其基部延伸的突起140，并且可以由从第二电极136延伸的相邻突起138之间的间隙接收。在其它实施例中，第一电极134和第二电极136可以分别不包含突起138、140。
因此，参考图1A和图1B，装置100的每个系链105可以在其上包含导电迹线。例如，系链105中的两个(例如，第一系链105a和第二系链105b)可以在其上包含导电迹线115，系链105中的两个可以在其上包含感测线124，并且系链105中的两个可以在其上包含电极迹线132。在其它实施例中，预期系链105中的至少一些可以在其上不包含导电迹线。作为非限制性实例，在一些实施例中，装置100可以不包含感测线124，但是可以包含导电迹线115和电极迹线132。
图1C是沿着剖面线C-C(图1A)截取的装置100的侧视横截面图。图1C中的装置100的横截面图没有横穿任何系链105。如图所示，空隙104可以在膜101的下方延伸并将膜101与衬底102分离。
在一些实施例中，电阻加热器110的厚度(例如，图1C所示的竖直方向上的厚度)可以在约与约
膜101和系链105可以包括多种介电材料。第一介电材料(例如，电绝缘材料)160可以在装置100的***部分处设置在衬底102上方并与之接触，并且在空隙104上方延伸到膜101。第一介电材料160可以包含硅、氧化硅(例如二氧化硅(SiO2))、氮化物材料(例如氮化硅(例如Si3N4)、氮化铪(例如Hf3N4)、氧化锆(例如Zr3O4)或其它绝缘氮化物材料)、碳化硅材料、氮氧化物(例如，氮氧化硅(例如Si2N2O))或其组合。在一些实施例中，第一介电材料160包括二氧化硅。介电材料160的厚度可以在约
第二介电材料(例如，另一种电绝缘材料)162可以覆盖在第一介电材料160上。第二介电材料162可以直接覆盖在第一介电材料160上并与之接触。第二介电材料162可以包含硅、氧化硅、氮化物材料、碳化硅材料、氮氧化物或其组合。在一些实施例中，第二介电材料162包括氮化物材料，例如氮化硅材料。第二介电材料162的厚度可以在约
继续参考图1C，电阻加热器110可以覆盖在第二介电材料162的部分上。第三介电材料164可以覆盖并围绕膜101处的电阻加热器110的侧表面。第三介电材料164可以包含一或多层硅、氧化硅(例如，二氧化硅)、氮化硅(例如，SixNy)材料、碳化硅材料、氮氧化物或其组合。在一些实施例中，第三介电材料164包括在PECVD氮化硅层上方的氧化硅(例如，二氧化硅)。在一些实施例中，第三介电材料164可以设置在电阻加热器110的相邻部分(例如，螺旋的相邻部分)之间的间隙120(图1A)中。在装置100的***部分，第三介电材料164可以直接覆盖在第二介电材料162上并与之接触。第三介电材料164的厚度可以在约与约
第一介电材料160、第二介电材料162和第三介电材料164中的每一者可以选择为呈现不同的拉伸应力或压缩应力中的至少一者，所述拉伸应力或压缩应力可以选择为在室温下(例如，约25℃)具有在约200MPa与约2GPa之间的幅度。在一些实施例中，可以包含第一介电材料160、第二介电材料162和第三介电材料164中的一或多者的系链105、105a、105b可以呈现复合应力，从而将膜101保持在拉伸状态并保持基本平面悬置在空隙104上方。可以选择不同的应力值，以例如在装置100的操作温度(例如，在600℃与约1,200℃之间的温度，例如约600℃与约800℃之间、约800℃与约1,000℃之间或约1,000℃与约1,200℃之间)下，平衡膜101或装置100围绕材料堆叠(例如包括膜101(第一介电材料160、第二介电材料162和第三介电材料164)的材料堆叠)的中间轴的应力。因此，可以选择系链105、105a、105b的不同材料和厚度以实现期望应力(例如，复合应力、压缩应力、拉伸应力等)，并在膜101上呈现期望的张力。
可以选择并调节第一介电材料160、第二介电材料162和第三介电材料164中的每一者的厚度以呈现最佳的残余拉伸应力，这可以使得减小膜101在其操作温度下的机械变形。在一些实施例中，可以选择第一介电材料160、第二介电材料162和第三介电材料164中的一或多者的形成温度(例如，沉积温度)、形成压力(例如，沉积压力)或这两者，以调节第一介电材料160、第二介电材料162和第三介电材料164中的一或多者的残余应力(例如，残余拉伸应力)。作为非限制性实例，第一介电材料160、第二介电材料162和第三介电材料164中的一或多者可以在约300℃与约700℃之间的温度下形成(例如，沉积)。在一些实施例中，可以通过控制沉积第一介电材料160、第二介电材料162和第三介电材料164中的一或多者时的沉积功率来调节膜101的残余应力。膜101的各层之间的残余应力可以响应于材料的加热和膨胀而改变(例如，在电阻加热器110的操作期间)。响应于加热，膜101的材料可以呈现总应力张量的变化(例如，总应力张量的减小)。在一些实施例中，可以形成、调配和配置膜101的材料，使得应力在操作期间(例如，在电阻加热器110的操作温度下)不会变得压缩。在一些此类实施例中，可以减少甚至消除膜101的屈曲或基本不在平面内的运动(即，在图1C的视图中的上下运动)。因此，调节残余拉伸应力可以减小膜101与系链105分离的可能性。
在一些实施例中，在形成第一介电材料160、第二介电材料162和第三介电材料164之后，可以对材料的堆叠进行退火。在一些实施例中，可以在约400℃与约800℃之间的温度下进行退火，例如在约500℃与约700℃之间的温度下进行退火。在一些实施例中，在约600℃的温度下进行退火。对材料进行退火可以形成具有期望应力的材料。退火之后，例如，通过使用例如湿蚀刻剂的湿式蚀刻，可以将材料图案化以在衬底102中形成空隙104。在一些实施例中，湿蚀刻剂可以包括氢氧化钾(KOH)、氢氧化四甲基铵(TMAH)、氢氧化钙(Ca(OH)2)或其它合适的苛性材料。在一些实施例中，蚀刻包括各向同性蚀刻。可以从衬底102的背侧(例如，从图1C所示的衬底102的下侧)、衬底102的前侧或从衬底102的两侧进行蚀刻。蚀刻可以形成通过系链105悬置在衬底102上方的膜101。在一些实施例中，从背侧蚀刻可有助于形成在装置100的***部分处从衬底102在空隙104上方延伸到膜101的系链105。
如图1C所示，通过横截面截取，电阻加热器110的最外部分可以具有比电阻加热器110的在膜101的中心附近的部分相对更小的宽度(例如，图1C所示的横截面中从左到右的距离)。
继续参考图1C，叉指式电极135(例如，第一电极134和第二电极136中的每一者)可以直接覆盖在膜101处的第三介电材料164上并与之接触。在一些实施例中，化学感测材料166可以直接覆盖在叉指式电极135上并与之接触。化学感测材料166可以覆盖并设置在叉指式电极135的间隙之间。化学感测材料166可以与叉指式电极135电接触，使得可以通过接合焊盘130(图1B、图1D)确定化学感测材料166的电特性(例如，由于化学感测材料166而导致的叉指式电极之间的电阻率)。如本文所用，术语“电阻率”和“电阻”可互换使用。例如当在其上存在分析物时，化学感测材料166可以包括经调配和配置以响应于与相关一或多种化学物质(例如分析物)的相互作用(例如，与一或多种化学物质反应、吸附一或多种化学物质、吸收一或多种化学物质、被一或多种化学物质氧化、被一或多种化学物质还原等)而呈现电阻变化的材料。在一些实施例中，化学感测材料166可经调配和配置以吸附、吸收至少一种相关分析物或与至少一种相关分析物发生化学反应。化学感测材料166在本文中也可以被称为金属氧化物半导体(MOS)涂层(“MOS涂层”)，并且装置100在本文中也可以被称为“MOS微热板”。
化学感测材料166可以包括金属氧化物(例如，氧化锡、氧化锌、氧化钨(例如，WO3)、氧化锰(例如，MnO、MnO2、Mn2O3)、LaCoO3、LaNiO3、氧化钒(例如，V2O5)、五氧化磷(例如，P2O5)、氧化钼(MoO2)、氧化铯(例如，Cs2O)等)、掺杂金属氧化物(例如，掺杂铂的氧化锡)、聚合物材料(例如，导电聚合物材料)、离子导体(例如，电化学涂层(也被称为电化学涂层))材料、n型半导体材料、p型半导体材料、热电材料、另一种材料，或其组合。在其它实施例中，化学感测材料166包括经调配和配置以响应于与分析物反应而呈现一或多种电性质变化的热敏电阻材料。热敏电阻材料可以包括例如氧化锡(例如，SnO2)、氧化钛(例如，TiO2)、氧化钨(例如，WO3)、氧化钇稳定氧化锆(YSZ)，或其组合。
继续参考图1C，膜101可以包含悬置在空隙104上方的第一介电材料160、在第一介电材料160上方的第二介电材料162，以及在第二介电材料162上方的电阻加热器110。第三介电材料164可以覆盖在第二介电材料162和电阻加热器110上，并且可以设置在电阻加热器110的间隙120中(图1A)。叉指式电极135可以覆盖在第三介电材料164上，并且化学感测材料166可以覆盖在叉指式电极135上。在装置100的***，第一介电材料160可以覆盖在衬底102上，第二介电材料162可以覆盖在第一介电材料160上，并且第三介电材料164可以覆盖在第二介电材料162上。因此，在一些实施例中，系链105、105a、105b可以由与膜101相同的材料形成并且包括与膜101相同的材料。
图1D是沿着电极迹线132(图1B)和支撑电极迹线132的系链105(图1A)截取的装置100的侧视横截面图。叉指式电极135和电极迹线132可以设置在第三介电材料164上方并且在电阻加热器110上方。电极迹线132可以与化学感测材料166电接触，并且可经配置以检测化学感测材料166的电性质(例如，电阻)。
图1E是沿着导电迹线115(图1A)截取的装置100的侧视横截面图，而图1F是沿着感测线124(图1A)截取的装置100的侧视横截面图。如图所示，导电迹线115和感测线124可以是共面的，并且可以与电阻加热器110电接触。
在一些实施例中，将导电迹线115、感测线124和电极迹线132中的一或多者形成为包括相对于其它导电材料呈现低热导率的材料(例如，钨)可以减少通过系链105、105a、105b从导电迹线115、感测线124和电极迹线132中的一或多者到衬底102的传导热传递和热损失。另外，由呈现相对低的热导率的一或多种材料(例如第一介电材料160、第二介电材料162和第三介电材料164，其中的每一者可以包括例如氮化物、氧化物、低热导率陶瓷材料中的一或多种)形成系链105、105a、105b可以减少通过系链105、105a、105b从导电迹线115、感测线124和电极迹线132中的一或多者到衬底102的传导热损失。将系链105、105a、105b形成为具有相对小的宽度可以进一步减少从导电迹线115、感测线124和电极迹线132到衬底102的传导热损失。
虽然已将装置100描述和示出为包含电阻加热器110，但是本公开不限于此。图1G是根据本公开的实施例的包括微热板的装置100'的俯视图。装置100'可以基本类似于上文参考图1A到图1F描述的装置100，不同之处在于装置100'可以包含不同于图1A的电阻加热器110的电阻加热器110'。可以通过在第一部分114与第二部分116之间施加通过导电迹线115施加的电流来加热电阻加热器110'，如上文参考图1A所述。电阻加热器110'的第一部分114可以包含在感测线124与系链105a和第一部分114的交叉处之间延伸的延伸部分170。类似地，电阻加热器110'的第二部分116可以包含在感测线124与系链105b和第二部分116的相交处之间延伸的延伸部分170。第一部分114和第二部分116可以包含延伸超过感测线124与相应的第一部分114和第二部分116的相交处的突起172。
在一些实施例中，在电阻加热器110'的不在接合焊盘112a、112b之间的电流路径中的位置处将感测线124电连接到电阻加热器110'可有助于提高感测线124的敏感性。据信，因为基本上没有电流在延伸部分170中流动(因为延伸部分170并不位于接合焊盘112a、112b之间的电阻加热器110'的电流路径中)，所以在延伸部分170中基本没有电压降。因此，通过将感测线124电耦合到电阻加热器110'的延伸部分170，可以获得改进的电压测量。
在一些实施例中，突起172可以减少来自膜101的辐射和对流热损失，并且可以改进膜101的温度均匀性。突起172的宽度可以随着距加宽部分150的距离而减小。
虽然已将装置100描述和示出为包括圆形膜101，但是本公开不限于此。在其它实施例中，膜101可以具有多边形，例如五边形、六边形、七边形、八边形或具有多个侧边的其它多边形。在一些实施例中，如图2所示，装置200可以包括六边形膜201，如虚线所示。
虽然已将装置100描述为包括具有特定形状的叉指式电极135(图1B)，但是本公开不限于此。图3A是包含包括第一电极134'和第二电极136'的叉指式电极135'的另一装置300的横截面图，所述叉指式电极具有与图1B的叉指式电极135不同的图案。第一电极134'和第二电极136'可以经成形和配置以优化电极之间的距离。在一些实施例中，可以根据设置在叉指式电极135'上方的材料(例如，化学感测材料166)的电特性来选择第一电极134'与第二电极136'之间的距离。
第一电极134'可以与一对接合焊盘130中的一个接合焊盘130电接触，并且第二电极136'可以与一对接合焊盘130中的另一个接合焊盘130电接触。第一电极134'和第二电极136'可以包括交替的同心区域。作为非限制性实例，第一电极134'的最外部分可以比第二电极136'的外部部分更远离膜101的中心定位。第二电极136'的外部部分可以与第一电极134'的外部部分和第一电极134'的另一部分相邻。
图3B是包含包括第一电极134"和第二电极136"的叉指式电极135"的另一装置300'的横截面图，所述叉指式电极具有与图1B和图3A所示的叉指式电极不同的图案。第一电极134"和第二电极136"可以各自具有螺旋形状。第一电极134"可以与一对接合焊盘130中的一个接合焊盘130电接触，并且第二电极136"可以与一对接合焊盘130中的另一个接合焊盘130电接触。第一电极134"可以在第一方向(例如，顺时针方向和逆时针方向中的一者)上成螺旋形，并且第二电极136"可以在第二方向(例如，顺时针方向和逆时针方向中的另一者)上成螺旋形。在一些实施例中，螺旋形状与电阻加热器110(图1A)的螺旋形状基本相同，但是第一电极134"和第二电极136"可以沿着其长度具有基本恒定的宽度。因此，在一些实施例中，装置300'可以包含叉指式电极135"和呈现螺旋形状的电阻加热器。
在一些实施例中，装置100、200、300、300'可以包含散热器。散热器可以设置在一或多个电阻加热器110的上方或下方，并且可以通过一或多种介电材料(例如，第一介电材料160、第二介电材料162或第三介电材料164中的一或多者)与电阻加热器110隔离。在一些实施例中，散热器可以设置在电阻加热器110上方和叉指式电极135下方(即，在电阻加热器110与叉指式电极135之间)。散热器可以改进电阻加热器110和膜101的热分布(即，热传递)和温度均匀性。
在使用和操作中，包含装置100、200、300、300'中的一或多者的传感器可以用于确定分析物的一或多个性质(例如，至少一种物种的组成、存在等)。可以通过经由导电迹线115向电阻加热器110施加电流来将电阻加热器110加热到预定温度。可以通过测量电阻加热器110两端的电压降并根据以下等式(2)确定电阻来确定电阻加热器110的温度：
R＝V/I (2)，
其中，R是电阻加热器110的电阻，V是在电阻加热器两端测量的电压降，I是通过导电迹线115提供给电阻加热器110的电流。可以基于电阻加热器110的电阻来确定电阻加热器110的温度，因为电阻加热器110的温度可以与其电阻成正比。在一些实施例中，可以利用感测线124测量电阻加热器110两端的电压降。在其它实施例中，可以在向电阻加热器110提供电流的印刷电路板处测量电压降。在一些实施例中，利用感测线124测量电压降可以提高这种测量的准确性，因为在获得电阻加热器110两端的差分电压测量值之前，用感测线124进行测量减少了由于布线和其它电路引起的电阻损失。如果不使用感测线124，可以通过针对连接到加热器的互连布线和系链(即，导电迹线115)的电阻(即，例如从印刷电路板到接合焊盘112a、112b的电阻)补偿测得的电阻来改进测得的电阻(其与温度成比例)的准确性。在一个实施例中，可以通过测量来自电流源且在整个电阻加热器110上的总电阻(所述总电阻可以考虑接合焊盘112a、112b的电阻、导电迹线115的电阻、电阻加热器110的电阻，以及电流源与接合焊盘112a、112b之间的任何接合线和/或互连结构的电阻)来实现补偿。在其它实施例中，可以通过应用数学公式来实现补偿。以下等式(3)中给出此类补偿公式的实例：
Rcomp＝Rtarget(1+B(Tamb-To)) (3)，
其中，Rcomp是补偿的电阻值，Rtarget是从施加到电阻加热器110的总功率中测得的电阻，B是补偿因子(℃/℃)，其对于特定尺寸和材料的给定装置100和膜101而言可以是唯一的(即，B的值对于微热板的特定尺寸和材料而言可以是恒定且唯一的)，Tamb是从环境传感器测得的当前环境温度(或微热板的环境电阻的测量值)，并且To是校准温度。
在其它实施例中，可以使用参考微热板来补偿跨电阻加热器110测量的电阻。在一些此类实施例中，参考微热板可以包含感测线(例如，感测线124)。参考微热板的感测线可以用于将装置100的温度设置为期望温度，例如通过调整通过电阻加热器的电流直到电阻加热器的电阻处于与期望温度相对应的值来进行设置。可以将不具有感测线124的微热板装置100的电流和电压设置为与施加到参考微热板的电阻加热器的电流和电压相同的值，从而获得与具有感测线的参考微热板的温度相同的装置100的电阻加热器110的温度。
可以在接合焊盘130处测量化学感测材料166的电阻(即，电导率)。化学感测材料166的电阻可以取决于分析物与化学感测材料166的相互作用。换句话说，当化学感测材料166与分析物中的一或多种物种相互作用时，其电阻可以改变。在一些实施例中，化学感测材料166可经调配和配置以与特定物种(例如，气体)相互作用。
在一些实施例中，可以在多个温度下测量化学感测材料166的电导率以确定在分析物中特定物种(例如，气体)的存在。化学感测材料166的响应(例如，电导率)可以随温度变化，并且温度分布可以用于确定分析物的组成或分析物中一或多种气体的存在。在一些实施例中，传感器可以包括多个装置100、200、300、300'，每个装置包含化学感测材料166，所述化学感测材料包括不同组成并且经调配和配置以与不同的物种相互作用。传感器可以用于确定装置100、200、300、300'暴露于其中的分析物中一或多种物种的存在。
在一些实施例中，装置100可以不包含叉指式电极135。图4A和图4B是根据本公开的其它实施例的装置400的横截面图。装置400可以与上文描述的装置100、200、300、300'基本相同，但是可以不包含化学感测材料166(图1D)。因此，装置400可以包含悬置在衬底102上的膜101，所述衬底可以包括硅。膜101可以通过多个系链105悬置在衬底102上方，如上文参考图1A所描述。导电迹线115可以将电阻加热器110电连接到接合焊盘112a、112b，并且可以在系链105上方延伸，如上文参考图1A和图1E所描述。因此，可以通过在接合焊盘112a、112b之间施加电流来为电阻加热器110供电。
虽然未在图4A和图4B中示出，但装置400可以包含与电阻加热器110连通的感测线124，例如，如上文参考图1A和图1G所描述。电阻加热器110两端的电压降可以用与电阻加热器110以及与感测线接合焊盘126电连通的感测线124来测量，如上文参考图1A和图1F所描述。感测线124和感测线接合焊盘126的使用可以提高可以测量电阻加热器110两端的电压降的敏感性和准确性。在其它实施例中，可以在没有感测线的情况下或者利用位于装置400中其它地方的感测线和接合焊盘来测量电阻加热器110两端的电压降。
取决于涂层材料402的组成，装置400可以包含涂层材料402，并且可以包括催化微热板或参考微热板。如本文所用，术语“催化微热板”是指并包含这样的装置：其包含电阻加热器、与电阻加热器电连通的感测线(例如，感测线124)，以及涂层材料402，所述涂层材料包括在覆盖在电阻加热器110的介电材料上方的催化活性材料。如本文所用，术语“参考微热板”是指并包含这样的装置：其包含电阻加热器、与电阻加热器110电连通的感测线(例如，感测线124)，以及在覆盖在电阻加热器的介电材料上方没有涂层材料或具有化学惰性涂层材料。因此，参考微热板可以在电阻加热器110上不含涂层材料，或者可以在覆盖在电阻加热器的介电材料上方包含包括惰性材料的涂层材料402。
涂层材料402可以通过一或多种介电材料与电阻加热器110电隔离。作为非限制性实例，涂层材料402可以直接覆盖在第三介电材料164上并与之接触。在其它实施例中，涂层材料402可以直接覆盖在另一介电材料(例如，第一介电材料160或第二介电材料介电材料162)上并与之接触。涂层材料402可以包括惰性材料(例如，参考材料)或催化剂材料，其经调配和配置以催化例如氧化反应并在存在预定分析物的情况下产生热量。惰性涂层材料可经配置和调配以呈现包括催化剂材料的涂层材料的基本相同的质量(例如，热质量)、辐射率、对流热损失、热导率和表面积中的至少一者。
在一些实施例中，惰性涂层材料包括氧化铝(例如，Al2O3)。在一些实施例中，例如当涂层材料包括催化涂层材料时，催化剂材料包括钯、铂、钌、银、铱，另一种催化剂金属或其组合。在一些实施例中，催化剂材料可以呈现相对高的孔隙率并且可以呈现高的表面粗糙度，这可以增加催化剂材料的总表面积。
在一些实施例中，传感器系统可以包括：作为催化微热板的具有包括催化剂材料的涂层材料402的装置400，以及作为参考微热板的包括惰性涂层材料的另一装置400。在一些实施例中，装置400可以形成在同一衬底中。换句话说，传感器系统可以包含在同一衬底上制造并且可以具有相同的特征的至少一个催化微热板和至少一个参考微热板，不同之处在于催化微热板的涂层材料402可以包括催化剂材料，而参考微热板可以包括惰性涂层材料或可以不包含涂层材料。如本文将要描述的，系统可用于测量燃烧或氧化的催化热(例如用催化微热板)，或直接测量材料的热导率(例如用参考微热板)，或这两者。在一些实施例中，包括惰性涂层材料或不包含涂层材料的装置400可以包括参考微热板。在一些实施例中，传感器系统可以进一步包括微热板，所述微热板包括化学感测材料166(例如，装置100(图1A)，并且可以包括MOS微热板)。
在装置400包括催化微热板的实施例中(例如，其中涂层材料402包括催化涂层)，装置400可以用于确定放热事件、吸热事件、此类事件的起始，或分析物的着火温度。在一些实施例中，可以通过测量达到给定温度所需的功率来检测放热事件或吸热事件。作为非限制性实例，可以通过改变(例如，斜升)通过导电迹线115提供给电阻加热器110的电流，根据预定的温度步长来斜升催化微热板的电阻加热器110的温度。可以在温度改变时(例如，在温度斜升期间)在每个温度下测量电阻加热器110两端的电压降，例如通过使用与电阻加热器110电连通的感测线。根据以下等式(4)，可以根据每个温度下测得的电压降和每个温度下提供的电流确定达到每个温度的功率：
P＝I*V (4)，
其中，P是功率，I是提供给电阻加热器110的电流，且V是感测线两端测得的电压降。在约150℃与约250℃之间的温度下，在使电阻加热器110的温度斜升到更大温度(在所述温度下可能发生由于不希望的化学反应而使催化涂层402毒化)之前，可以从催化涂层402的表面解吸任何物理吸附的物种(例如，已经物理吸附到催化涂层的物种)。因此，可以通过将装置400的温度斜升到第一较低温度，然后将所述温度斜升到至少第二较高温度来保存催化涂层402。
基线数据(例如，维持每个温度所需的电流、电阻和功率)可以存储在与催化微热板相关联的存储器中。基线数据可以包含来自先前催化传感器温度斜升的历史功率对比温度的数据。根据以下等式(5)，可以从当前数据中减去基线数据，以获得表示催化微热板热响应变化的信号：
Delta Cat＝Cat(n)-Cat(基线) (5)，
其中Delta Cat是催化微热板热响应的相对变化，Cat(n)是当前温度斜升的热响应(例如，维持预定温度所需的功率)，并且Cat(基线)是基线数据。Cat(基线)可以包括维持电阻加热器110的每个温度所需的功率的历史平均值，并且可以在每次温度斜升期间连续地更新。可以在温度斜升期间的每个温度下确定Delta Cat值。因此，与先前的温度斜升相比，Delta Cat可以对应于维持催化微热板的给定温度所需的功率差。在一些实施例中，偏离零的Delta Cat值可以指示催化微热板上的反应，与催化微热板接触的分析物的着火温度，或这两者。
继续参考图4A和图4B，参考微热板可以包括其中涂层材料402包括惰性涂层材料的装置。在其它实施例中，参考微热板可以不包含涂层材料，如上文所述。参考微热板可以在与催化微热板传感器相同的晶片(例如，相同的硅晶片)上制造。可以根据与催化微热板相同的温度变化(例如，斜升)来改变(例如，斜升)参考微热板的温度。在一些实施例中，参考微热板和催化微热板同时暴露于温度斜升。在一些此类实施例中，来自催化微热板的测量和来自参考微热板的测量可以在时间上相关联，可以暴露于基本相同的分析物，并且可以呈现改进的传感器精确性。
基线数据(例如，维持每个温度所需的电流、电阻和功率)可以存储在与参考微热板相关联的存储器中。基线数据可以包含来自先前参考微热板温度变化(例如，斜升)的历史功率对比温度的数据。根据以下等式(6)，可以从当前数据中减去基线数据，以获得表示参考微热板热响应变化的信号：
Delta Ref＝Ref(n)-Ref(基线) (6)，
其中，Delta Ref是参考微热板热响应的相对变化，Ref(n)是当前温度(例如，当前温度斜升)的热响应，而Ref(基线)是基线数据(例如，来自先前温度变化(斜升)的Ref(n)数据的平均值)。可以在每个温度(例如在温度斜升期间)确定Delta Ref值。Delta Ref值可以指示与参考微热板接触或在参考微热板附近的分析物的热导率。例如，大于零的DeltaRef值可以指示分析物的热导率大于在校准过程中或在之前的斜升中参考微热板所暴露的气体(例如空气)的热导率。类似地，小于零的Delta Ref值可以指示分析物的热导率小于在之前的斜升中参考微热板所暴露的气体的热导率。在一些此类实施例中，可以根据差示热分析(DTA)或差示扫描量热法(DCS)技术确定分析物的热导率。物种或分析物的热导率可以取决于温度。因此，在一些实施例中，可以在一个以上的温度下确定分析物的热导率。
在其它实施例中，可以维持提供给电阻加热器的电流，并且可以利用感测线测量电阻加热器的电阻以确定电阻加热器的温度。可以基于所确定的提供给电阻加热器的功率的温度来确定分析物的热导率。在一些此类实施例中，可以根据差示扫描量热法(DSC)确定热导率。
在一些实施例中，可以在两个或更多个温度下测量热导率。作为非限制性实例，可以在相对低的温度(例如，约50℃与约250℃之间)和相对高的温度(例如，约400℃与约1,000℃之间)下测量热导率。热导率通常随温度升高而增加。因此，在较高温度下进行的Delta Ref测量可以呈现来自参考微热板的较大传感器响应，因此可以提高参考微热板的敏感性。
根据以下等式(7)，可以从Delta Cat信号中减去Delta Ref信号以产生与催化传感器上产生的热量或从催化传感器去除的热量成比例的信号响应：
Exo(new)＝Delta Cat-Delta Ref (7)，
其中Exo(new)是与催化微热板上产生的热量或从催化微热板去除的热量成比例的信号响应，并且Delta Cat和Delta Ref如前所述。从Delta Cat信号中减去Delta Ref信号可以补偿Delta Cat信号的热导率、热扩散率、密度、粘度、温度、压力、相对湿度、流量变化以及系统和被检测分析物中其它噪声的影响。
如果Exo(new)的值偏离其标称值，则可以检测到放热反应、吸热反应或引发此类反应(在本文中也可以称为“起燃”事件)中的一或多种。仅作为实例，小于零的Exo(new)值可以指示维持催化微热板的温度所需的功率较少，这可以指示放热反应。类似地，大于零的Exo(new)值可以指示维持催化微热板的温度所需的功率较多，这可以指示吸热反应。
起燃事件的温度可以指示所检测的样本中存在气体。由于不同的气体在不同的温度下催化氧化，因此分析物的起燃温度可以指示分析物中存在一或多种气体。在不同温度下的多次起燃事件可以指示样本中存在多种可燃气体。数据库可以存储分析中使用的传感器响应、训练数据和校准数据。
虽然装置100、200、300、300'，400在每个系链105上包含导电迹线(例如，导电迹线115、感测线124和电极迹线132)，但是在一些实施例中，系链105中的至少一些可以不包含在其上延伸的导电迹线。
在使用和操作中，装置100、200、300、300'，400可以用于感测一或多种气体、一或多种气体的一或多种性质，或其组合。图5是示出根据本公开的实施例的操作包含至少一个微热板的装置的方法500的流程图。所述装置可以包含上文描述的至少一个装置100、200、300、300'，400中的一者。作为非限制性实例，所述装置可以包含至少一个MOS微热板(例如，如上文参考图1A到图1G、图2、图3A和图3B所述的至少一个装置100、200、300、300')、至少一个参考微热板装置(例如，如上文参考图4A和图4B所述的包含惰性涂层材料402或不包含涂层材料的至少一个装置400)，以及至少一个催化微热板(例如，如上文参考图4A和图4B所述的包含催化涂层材料402的至少另一装置400)。
方法500可以包含：动作502，包含通过导电迹线向至少一个微热板的电阻加热器提供已知电流；动作504，包含利用电压感测线测量电阻加热器两端的电压降；动作506，包含确定电阻加热器的电阻并且可选地确定叉指式电极之间的电阻率；动作508，包含确定电阻加热器的温度；动作510，包含调整电流以维持电阻加热器的期望温度或改变电阻加热器的温度。
动作502包含通过与电阻加热器电接触的导电迹线向至少一个微热板的电阻加热器提供已知电流。电流可以将电阻加热器的温度升高到期望温度。在一些实施例中，以步进方式供应电流从而以步进方式升高电阻加热器的温度。在一些实施例中，向电阻加热器提供电流以维持电阻加热器的预定温度。在一些实施例中，动作502包含向至少一个MOS微热板的电阻加热器、至少一个参考微热板的电阻加热器以及至少一个催化微热板的电阻加热器提供电流。
动作504包含测量电阻加热器两端的电压(例如，电压降)。在一些实施例中，可以通过与电阻加热器电接触的电压感测线(例如，感测线124(图1A))来测量电阻加热器两端的电压降。在其它实施例中，可以在没有感测线的情况下测量电压降。也就是说，动作504可以包括以下至少一项：测量至少一个参考微热板的电阻加热器两端的电压降；测量至少一个催化微热板的电阻加热器两端的电压降；以及测量至少一个MOS微热板的电阻加热器两端的电压降。作为非限制性实例，在微热板装置包括催化微热板或参考微热板的情况下，动作504可以包含测量与电阻加热器电接触的感测线两端的电压降。在微热板装置包括MOS微热板的情况下，动作504可以包含在向电阻加热器供应电流的位置附近的位置处(例如，诸如在印刷电路板处)测量电阻加热器两端的电压降。在一些实施例中，动作504包含测量至少一个参考微热板的电阻加热器两端的电压降，测量至少一个催化微热板的电阻加热器两端的电压降，以及测量至少一个MOS微热板的电阻加热器两端的电压降。
动作506包含确定电阻加热器的电阻并且可选地确定叉指式电极之间的电阻率。叉指式电极之间的电阻率可以对应于MOS微热板的MOS涂层的电阻率。在一些实施例中，动作506包含确定至少一个催化微热板、至少一个参考微热板中的一或多者的电阻加热器以及至少一个MOS微热板的电阻加热器的电阻。可以至少部分地基于提供给电阻加热器的电流以及由感测线或装置中其它地方测量的电压来确定电阻加热器的电阻。电阻可以与测得的电压除以所提供的电流成比例(即，欧姆定律R＝V/I，其中R是电阻，V是测得的电压，I是所提供的电流)。在实施例中，在动作506包含确定叉指式电极之间的电阻率的情况下，可以基于叉指式电极两端(例如，电极迹线132(图1B)两端)测得的电压降来确定电阻率。可以基于如上文参考电阻加热器的电阻所述的欧姆定律确定叉指式电极的电阻。在一些实施例中，可以通过向叉指式电极提供电流并测量叉指式电极两端的电压降来确定叉指式电极之间的电阻率。在其它实施例中，可以通过向叉指式电极提供电压并测量通过叉指式电极的电流来确定叉指式电极的电阻率。
动作508包含至少部分地基于所确定的电阻加热器的电阻来确定电阻加热器的温度。例如，根据例如电阻加热器的电阻温度系数(例如，dR/R＝αdT/dR，其中R是电阻加热器的电阻，dR是基线电阻与电阻加热器暴露于样本的电阻之间的电阻变化，dT是基线温度与电阻加热器暴露于样本的温度之间的温度差，并且α是电阻加热器的热阻系数)，电阻加热器的温度可以与其电阻成比例。因此，电阻可以用于确定电阻加热器的温度。
动作510包含调整电流以维持电阻加热器的期望温度或改变(例如，斜升)电阻加热器的温度。在一些实施例中，可以步进的方式调整电流从而以相应步进的方式改变电阻加热器的温度。针对每个特定温度，可以基于在动作506中测得的电阻加热器两端的电压降和在动作502中提供给电阻加热器的电流来确定在每个步骤维持温度所需的功率。在其它实施例中，提供给电阻加热器的电流可以维持在基本恒定的值，以有利于将电阻加热器的温度维持在基本恒定的温度。可以基于在动作506中测得的电阻加热器两端的电压降和在动作502中提供给电阻加热器的电流来确定维持基本恒定温度所需的功率。
虽然图5已描述为包含通过向电阻加热器施加电流并测量电阻加热器两端的电压降来确定电阻加热器的电阻，但是本公开不限于此。在其它实施例中，可以将电压施加到电阻加热器，并且可以测量通过电阻加热器的电流。提供的电压和测得的电流可以用于确定电阻。
在一些实施例中，可以确定维持电阻加热器的温度所需的功率。功率可以与所提供的电流和测得的电压有关(例如，P＝IV，如上文参考等式(4)所述)。在其它实施例中，功率可以与所提供的电流和电阻有关(例如，P＝I2R)。在一些实施例中，维持预定温度所需的功率可以取决于被分析的蒸气的组成。在一些实施例中，并且如上所述，维持催化微热板的期望温度所需的较低功率可以指示在催化微热板处发生放热反应。类似地，维持催化微热板的期望温度所需的较大功率可以指示在催化微热板处发生吸热反应。在一些实施例中，感测线124(图1A)的使用可有助于提高参考微热板和催化微热板的系统分辨率和准确性。作为非限制性实例，感测线124可有助于确定低至约10微瓦、或甚至低至1.0微瓦的功率，例如在约1.0微瓦与约10微瓦之间的功率。在微热板包括参考微热板的情况下，达到给定温度所需的更大功率可以与在参考微热板附近具有较高热导率的气体相关。类似地，达到给定温度所需的较低功率可以与在参考微热板附近具有较低热导率的气体相关。可以基于维持一或多个温度所需的功率来确定分析物的热导率。
图6是经配置用于执行本公开的一或多个实施例的系统600的简化框图。系统600经配置用于执行包含计算指令的程序，并且可以包含一或多个处理器602、一或多个存储装置604、用于驱动一或多个装置的一或多个电阻加热器的一或多个驱动器电路606、用于感测一或多个微热板的一或多个输出(例如，来自电阻加热器的例如可以用感测线测量的输出，来自叉指式电极的例如可以用电极迹线测量的输出，等)的一或多个传感器608，以及可以包括电阻加热器的元件610，所述电阻加热器用于加热与电阻加热器、叉指式电极或这两者相关联的微热板。
一或多个处理器602可经配置用于执行包含用于执行本公开的实施例的计算指令的各种各样的操作系统和应用程序。一或多个处理器602可以与一或多个存储装置604、一或多个驱动器电路606和一或多个传感器608中的每一者通信。一或多个处理器602可经配置以向一或多个驱动器电路606传输操作指令。作为非限制性实例，一或多个处理器602可经配置以向一或多个驱动器电路606提供操作指令，例如提供电流的指令，所述驱动器电路可以驱动与相关联于传感器608的每个装置相关联的电阻加热器。仅作为一个实例，一或多个处理器602可经配置以向一或多个驱动器电路606提供操作指令，以维持电阻加热器的期望温度或使与一或多个驱动器电路606相关联的一或多个电阻加热器的温度斜升。
一或多个驱动器电路606可以可操作地耦合到元件610，并且经配置以响应于从一或多个处理器602接收到操作指令而向元件610提供电流。在一些实施例中，一或多个驱动器电路606包括闭环控制器，所述闭环控制器经配置用于调制元件610的温度。闭环控制器可经配置以例如通过驱动元件610来控制微热板的电阻加热器的温度。在其它实施例中，闭环控制器可经配置以例如通过驱动元件610来控制微热板的叉指式电极的温度。在一些实施例中，一或多个驱动器电路606可以包括数模转换器。
元件610可经配置以从一或多个驱动器电路606接收电流。其中，元件610包括电阻加热器，所述电阻加热器可以与上文关于装置100、200、300、300'、400描述的电阻加热器基本类似。一或多个传感器608可经配置以感测元件610的至少一种性质。作为非限制性实例，一或多个传感器608可经配置以感测元件610两端的电压降。在其它实施例中，一或多个传感器608可以包括叉指式电极，例如上文关于装置100、200、300、300'、400描述的叉指式电极，并且可经配置以确定叉指式电极之间的电阻率。一或多个传感器608可以包括模数转换器。
一或多个处理器602可经配置以从一或多个传感器608接收数据并确定被分析的材料(例如，气体、蒸气、液体或固体)的一或多种性质。一或多个处理器602可以包括电路、控制器或两者，并且可经配置以从一或多个传感器608接收感测的电压，并且可经配置以确定一或多个微热板的功率、电阻和温度中的一或多者，从而至少部分地基于从一或多个驱动器电路606提供的电流并且如上文参考等式(1)到(7)描述的来确定分析物的组成。在一些实施例中，一或多个处理器602可经配置以至少部分地基于在感测线两端测得的电压来确定与微热板的涂层材料接触的分析物(例如，其存在、其浓度等)如上文参考图4A和图4B所述。在一些实施例中，一或多个处理器602可经配置以通过测量叉指式电极的电阻来确定与化学感测材料接触的分析物，如上文参考例如图1B、图3A和图3B所述。
存储器装置604可以用于保存计算指令、数据和其它信息以用于执行各种各样的任务，包含执行本公开的实施例。在一些实施例中，来自先前温度斜升的基线数据(例如，功率对比温度数据)，如上文参考等式(4)到(7)所述，可以存储在存储器中。处理器602可经配置以从先前的数据中减去当前数据，从而产生表示相对于温度的微热板催化热响应(DeltaCat)变化的信号。作为实例而非限制，存储装置604可以包含同步随机存取存储器(SRAM)、动态RAM(DRAM)、只读存储器(ROM)、闪存、相变存储器以及其它合适的信息存储装置。存储装置604可以包含与装置有关的数据，包含操作参数(例如，微热板的温度、微热板的组成等)。存储装置604可以包含与微热板、微热板的组成、微热板的温度、微热板的电阻以及与微热板相关联的电阻加热器的电压有关的数据。
图7是系统700(例如，传感器)的平面图，示出了各自包含微热板的多个装置的布局。系统700可以包括微热板装置的阵列，并且可以包含不包含叉指式电极的至少一些装置701和包含在电阻加热器710上方的叉指式电极735的至少一些装置702。所述阵列在本文中可以被称为多传感器阵列，因为它包含多个传感器。在一些实施例中，不包含叉指式电极的装置701可以包括参考微热板或催化微热板，并且包含叉指式电极735的装置可以包括MOS微热板。在一些实施例中，系统700包含至少一个参考微热板装置、至少一个催化微热板装置和至少一个MOS微热板装置。
装置701、702可各自包含形成于衬底750中的空隙704。装置701、702可以进一步包含多个系链705，所述系链在衬底750处从装置701、702的***延伸到其中心部分，如图1A到图4B所描述。
不包含叉指式电极735的装置701可以具有约100μm的直径，所述直径可以是包含叉指式电极735的装置702的直径的约两倍。在一些实施例中，装置702具有直径约50μm。在一些实施例中，装置701可以包含催化剂材料(例如，上文参考图4A和图4B描述的涂层材料402)，并且可以比装置702相对更大。在一些实施例中，装置701的较大大小可以有助于更敏感的传感器装置，因为可以以更高的敏感性来测量维持预定温度的功率变化。在一些实施例中，装置701中的至少一者包括催化剂材料，并且装置701中的至少另一者包括惰性材料，所述惰性材料具有与另一至少一个装置701的催化剂材料相似的质量、热质量或其它性质中的至少一者。在一些实施例中，装置701中的至少一者包括催化剂材料，并且装置701中的至少另一者不包括涂层材料。
装置701可以包含电耦合到电阻加热器710和感测线接合焊盘726中的每一者的感测线724。感测线724可经配置以测量电阻加热器710两端的电压降，如上文参考图1A到图1F所述。在一些实施例中，感测线724可以包括开尔文感测线(即，四端子感测，其中两个端子包括接合焊盘712、公共电源740，另两个为感测线接合焊盘726)。
每个装置701、702可以包含耦合到导电迹线715的接合焊盘712，所述导电迹线又可以耦合到电阻加热器710。在一些实施例中，装置702基本类似于上文参考图1A到图3B描述的装置100、200、300、300'。装置702可以进一步包含在其中心处并覆盖在其相应电阻加热器710上的叉指式电极735，如上文参考例如图1B所述。化学感测材料可以覆盖在叉指式电极735上并与之直接接触，如上文参考例如图1C、图1D和图1E所述。叉指式电极735可以与电极迹线732电接触，所述电极迹线又可以与接合焊盘726电接触。
每个装置701、702的电阻加热器710可以与公共电源740电接触。作为非限制性实例，接合焊盘745可以与导线746电接触，所述导线又可以与每个装置701、702的一个导电迹线715电接触。在一些此类实施例中，每个装置701、702可以电耦合到公共电源。公共电源740可以包含经配置以电耦合接合焊盘745中的每一者的金属化层(例如，接合焊盘)。
在一些实施例中，公共电源740、接合焊盘745、接合焊盘712、感测线接合焊盘726、接合焊盘730和导线746中的每一者可以包括相同的材料，例如金。在一些实施例中，公共电源740、接合焊盘745、接合焊盘712、感测线接合焊盘726、接合焊盘730和导线746中的每一者可以包括与导电迹线715、感测线724、电阻加热器710或叉指式电极735不同的材料(例如，呈现相对较低电阻的材料)，例如，其可以包括如上文所述的钨、钯或其它材料。
因此，阵列可以包括具有不同大小和涂层的催化微热板、参考微热板和金属氧化物半导体(MOS)微热板的任何组合。一或多个参考微热板可以用于确定分析物的热导率，一或多个催化微热板可以用于确定分析物中一或多种物种的一或多个着火温度、分析物的放热事件和吸热事件，并且一或多个MOS微热板可以用于确定化学感测材料在不同温度下的电响应，以确定样本中一或多种物种(例如，分析物)的存在。在一些实施例中，每个微热板装置的使用可以提供对分析物中的一或多种物种的正交检测，并且可以用于分析、区分和量化多种化学物种。在一些实施例中，可以在微热板装置701、702中的一些或全部上方包含阻火器或过滤器。
在一些实施例中，至少一些装置702的叉指式电极735可以与其它装置702的叉指式电极735不同(具有不同的大小、形状、不同的组成等)。在一些实施例中，间隙叉指式电极735之间的间隙(例如，包括叉指式电极735的第一电极与第二电极之间的间隙)可以不同。
在一些实施例中，系统700可以包含多个装置701和装置702，以有助于样本和/或分析物的附加分析。例如，系统700可以包含多个装置701，包含例如包括惰性涂层材料的装置701和包括催化涂层材料的装置701，如上文参考图4A和图4B所述。装置701可以用于确定例如样本和/或分析物的热导率、放热反应、吸热反应、放热反应的温度、吸热反应的温度、另一性质或其组合。系统700可以进一步包含装置702，所述装置包含叉指式电极735，并且经配置以测量装置702的至少一种分析物与金属氧化物半导体涂层材料之间的相互作用的温度。
上文描述的装置100、200、300、300'可经配置以减少通过系链105、105a、105b从膜101到下面的衬底102的热损失。另外，电阻加热器110可以经定形和配置以减少从那里到周围环境的辐射热损失。在一些实施例中，可以增加从膜101传递到膜101附近的环境的热量，这可以有助于确定膜101附近的分析物的一或多种性质。
下文阐述本公开的另外的非限制性实例实施例：
实施例1：一种微热板，其包括：悬置在衬底上方的膜，所述膜通过连接在所述衬底与所述膜之间的多个系链悬置在所述衬底上方，所述膜包括电阻加热器，所述电阻加热器包括导电材料，所述导电材料从所述膜的***部分到所述膜的中心具有变化的宽度，所述导电材料包括在第一方向上成螺旋形的第一部分，和在第二方向上成螺旋形且在所述膜的所述中心附近与所述第一部分电接触的第二部分；以及在第一系链上方延伸且与所述衬底上的接合焊盘和所述第一部分电接触的第一导电迹线，和在另一系链上方延伸且与所述衬底上的另一接合焊盘和所述第二部分电接触的第二导电迹线。
实施例2：根据实施例1所述的微热板，其中所述膜包括两种或更多种介电材料，所述电阻加热器设置在所述两种或更多种介电材料之间；并且所述多个系链中的每个系链包括所述两种或更多种介电材料，所述多个系链中的至少一个系链包括导电迹线。
实施例3：根据实施例1或实施例2所述的微热板，其中所述膜进一步包括化学感测材料、催化涂层材料和惰性涂层材料中的至少一者。
实施例4：根据实施例1到3中任一项所述的微热板，其中所述膜包括选自由硅、氧化硅、氮化硅材料、碳化硅或氮氧化硅组成的群组中的至少一种材料。
实施例5：根据实施例1到4中任一项所述的微热板，其中所述电阻加热器设置在两种或更多种介电材料之间，所述两种或更多种介电材料中的每种介电材料包括氮化硅、氧化硅、碳化硅、氮氧化物或其组合。
实施例6：根据实施例5所述的微热板，其中所述两种或更多种介电材料呈现不同的残余应力。
实施例7：根据实施例5或实施例6所述的微热板，其中所述两种或更多种介电材料中的至少一种介电材料在约20℃下呈现约200MPa与约2.0GPa之间的残余拉伸应力。
实施例8：根据实施例5到7中任一项所述的微热板，其中选择所述两种或更多种介电材料以在所述微热板的操作温度下呈现减小的残余拉伸应力。
实施例9：根据实施例5到8中任一项所述的微热板，其中所述两种或更多种介电材料在600℃与约1,200℃之间的温度之间处于拉伸状态。
实施例10：根据实施例1到9中任一项所述的微热板，其中所述第二部分至少设置在所述第一部分的相邻螺旋之间。
实施例11：根据实施例1到10中任一项所述的微热板，其中所述第一部分与所述第二部分之间的间隙基本恒定并且小于所述导电材料的最小宽度。
实施例12：根据实施例1到11中任一项所述的微热板，其中所述膜具有多边形形状。
实施例13：根据实施例1到12中任一项所述的微热板，其进一步包括与所述第一部分电接触的导电感测线迹线和与所述第二部分电接触的导电感测线迹线，所述导电感测线迹线经配置以测量所述电阻加热器两端的电压。
实施例14：根据实施例1到13中任一项所述的微热板，其中所述电阻加热器在至少一个系链与所述膜的相交处包括加宽的弯曲部分。
实施例15：根据实施例1到14中任一项所述的微热板，其中所述电阻加热器包括从加宽部分到所述膜的所述中心增加的宽度。
实施例16：根据实施例1到15中任一项所述的微热板，其中所述多个系链中的每个系链在所述膜和所述衬底附近具有比在远离所述膜和所述衬底的部分处更大的宽度。
实施例17：根据实施例1到16中任一项所述的微热板，其中所述多个系链中的每个系链在所述膜和所述衬底附近包括填角形状或双切线弧形。
实施例18：根据实施例1到17中任一项所述的微热板，其中所述导电材料的外边缘基本不含角并且包括弓形表面。
实施例19：根据实施例1到18中任一项所述的微热板，其进一步在覆盖在所述电阻加热器的介电材料上方包括化学敏感材料。
实施例20：根据实施例19所述的微热板，其进一步包括多个电极，所述多个电极与所述化学敏感涂层材料电接触并且经配置以测量所述化学敏感涂层材料的电阻率。
实施例21：根据实施例20所述的微热板，其中所述多个电极包括多个叉指式电极、多个叉指式螺旋电极或多个叉指式同心电极。
实施例22：根据实施例1到21中任一项所述的微热板，其进一步包括在电阻加热器上方的催化涂层材料之一和惰性涂层材料之一或在电阻加热器上方没有涂层材料。
实施例23：一种化学传感器，其包括至少一个微热板，所述至少一个微热板包括：在形成于衬底中的空隙上方延伸的多个系链，所述多个系链将膜支撑在所述衬底上方且包括多个介电层，所述膜包括在所述多个介电层中的两个介电层之间的电阻加热器，所述电阻加热器包括导电材料，所述导电材料具有在第一方向上成螺旋形的第一部分和在第二相反方向上成螺旋形的第二部分，所述导电材料从所述电阻加热器的外部部分到其中心部分具有变化的宽度；以及导电加热器迹线，所述导电加热器迹线经配置以向所述电阻加热器提供功率，所述导电加热器迹线覆盖在所述系链中的至少一者上。
实施例24：根据实施例23所述的化学传感器，其中所述多个系链包括六个系链，所述导电加热器迹线覆盖在所述系链中的两者上，导电感测线迹线覆盖在所述系链中的两者上且与所述电阻加热器电连通，且化学感测电极迹线覆盖在所述系链中的两者上且与覆盖在所述电阻加热器上的叉指式电极电连通。
实施例25：根据实施例23或实施例24所述的化学传感器，其进一步包括导电感测线迹线，所述导电感测线迹线与所述电阻加热器电接触并且经配置以测量所述电阻加热器两端的电压。
实施例26：根据实施例25所述的化学传感器，其进一步包括控制器，所述控制器经配置以至少通过将由所述导电感测线迹线测得的电压除以提供给所述电阻加热器的电流来确定所述电阻加热器的温度。
实施例27：根据实施例23到26中任一项所述的化学传感器，其进一步包括控制器，所述控制器经配置以控制所述电阻加热器的温度。
实施例28：根据实施例23到27中任一项所述的化学传感器，其中所述电阻加热器包括钨、铂、钼、钽、钛钨、其合金及其多层结构。
实施例29：根据实施例23到28中任一项所述的化学传感器，其进一步包括控制器，所述控制器经配置以至少部分地基于供应给所述电阻加热器的电流来确定所述电阻加热器的温度。
实施例30：根据实施例23到29中任一项所述的化学传感器，其中至少五个系链中的每个系链在所述膜附近和所述衬底附近比在所述系链的其它部分处更宽。
实施例31：根据实施例23到30中任一项所述的化学传感器，其中所述衬底包括硅、二氧化硅和氮化硅中的至少一者。
实施例32：一种测量热导率、放热事件和吸热事件中的至少一者的方法，所述方法包括：向至少一个微热板的电阻加热器提供电流，所述电阻加热器从其***部分到其中心包括变化的宽度，所述电阻加热器包括从所述电阻加热器的所述***部分朝向所述中心延伸且在顺时针方向上成螺旋形的第一部分，以及在所述电阻加热器的所述中心与所述第一部分接触且从所述电阻加热器的所述中心朝向所述电阻加热器的所述***部分延伸且在逆时针方向上成螺旋形的第二部分；以及测量所述电阻加热器两端的电压；以及计算所述电阻加热器的电阻以确定所述电阻加热器的平均温度。
实施例33：根据实施例32所述的方法，其进一步包括确定设置在所述电阻加热器上方的化学感测材料的电阻率。
实施例34：根据实施例33所述的方法，其中确定化学感测材料的电阻率包括测量与所述化学感测材料接触的叉指式电极之间的电阻率。
实施例35：根据实施例32到34中任一项所述的方法，其中测量所述电阻加热器两端的电压包括利用耦合到所述电阻加热器的感测线来测量所述电阻加热器两端的所述电压。
实施例36：根据实施例32到35中任一项所述的方法，其中计算所述电阻加热器的电阻包括：至少部分地基于在所述电阻加热器两端测得的所述电压来计算所述电阻加热器的所述电阻。
实施例37：根据实施例32到36中任一项所述的方法，其中确定所述电阻加热器的平均温度包括：至少部分地基于所述电阻加热器的所述电阻和所述电阻加热器的电阻温度系数来确定所述电阻加热器的所述平均温度。
实施例38：根据实施例32到37中任一项所述的方法，其进一步包括至少部分地基于在所述电阻加热器两端测得的所述电压和所提供的电流来确定供应给所述电阻加热器的功率。
实施例39：根据实施例32到38中任一项所述的方法，其进一步包括确定维持所述电阻加热器上方的催化材料的温度所需的功率。
实施例40：一种用于提供样本的正交分析的传感器，所述传感器包括：微热板阵列，所述微热板阵列中的至少一个微热板包括电阻加热器，所述电阻加热器包括导电材料，所述导电材料从所述膜的***部分到所述膜的中心具有变化的宽度，所述导电材料包括在第一方向上成螺旋形的第一部分，以及在第二方向上成螺旋形且在所述膜的所述中心附近与所述第一部分电接触的第二部分；以及控制器，所述控制器经配置以确定所述微热板阵列中的至少一个微热板的所述电阻加热器的至少一种性质以及所述微热板阵列中的至少一个微热板的叉指式电极之间的电阻中的一或多者。
实施例41：根据实施例40所述的传感器，其中所述微热板阵列中的至少一个微热板在覆盖在所述电阻加热器的介电材料上方包括催化涂层。
实施例42：根据实施例40或实施例41所述的传感器，其中所述微热板阵列中的至少一个微热板在覆盖在所述电阻加热器的介电材料上方包括惰性涂层材料或不包括涂层材料。
实施例43：根据实施例40到42中任一项所述的传感器，其中所述微热板阵列中的至少一个微热板包括n型半导体材料。
实施例44：根据实施例40到43中任一项所述的传感器，其中所述微热板阵列中的至少一个微热板包括p型半导体材料。
实施例45：根据实施例40到44中任一项所述的传感器，其中所述微热板阵列中的至少一个微热板包括离子导体。
实施例46：根据实施例40到45中任一项所述的传感器，其中所述微热板阵列包括：在覆盖在其电阻加热器上方的介电材料上包括惰性材料或不含涂层材料的至少一个参考微热板；在其电阻加热器的介电材料上方包括催化材料的至少一个微热板；以及在覆盖在其电阻加热器上方的介电材料上包括选自由p型半导体、n型半导体和离子导体组成的群组的化学感测材料的至少一个微热板。
实施例47：根据实施例40到46中任一项所述的传感器，其进一步包括至少一个过滤器，所述至少一个过滤器经配置以从所述样本中过滤一或多种材料。
实施例48：根据实施例40到47中任一项所述的传感器，其中所述电阻加热器经配置以在约200℃与约1,200℃之间的温度下操作。
实施例49：一种测量来自包括微热板阵列的传感器的响应的方法，所述方法包括：向微热板阵列中的每个微热板的电阻加热器提供电流，每个微热板的所述电阻加热器从膜的***部分到所述膜的中心具有变化的宽度，所述导电材料包括在第一方向上成螺旋形的第一部分，以及在第二方向上成螺旋形且在所述膜的所述中心附近与所述第一部分电接触的第二部分；以及测量来自所述微热板阵列中的每个微热板的响应，其中测量来自所述微热板阵列的每个微热板的响应包括：分析来自在覆盖在其电阻加热器上方的介电材料上不含涂层材料或包括惰性材料的至少一个参考微热板的响应，分析来自在覆盖在其电阻加热器上方的介电材料上包括催化材料的至少一个微热板的响应，以及分析来自在覆盖在其电阻加热器上方的介电材料上包括选自由p型半导体、n型半导体和离子导体组成的群组的化学感测材料的至少一个微热板的响应。
实施例50：根据实施例49所述的方法，其中分析来自在覆盖在其电阻加热器上方的介电材料上包括催化材料的至少一个微热板的响应包括：确定来自包括所述催化材料的所述至少一个微热板的所述响应与来自所述至少一个参考微热板的所述响应之间的差异。
实施例51：根据实施例49或实施例50所述的方法，其中分析来自至少一个参考微热板的响应包括：维持所述至少一个参考微热板的温度，并确定维持所述至少一个参考微热板的所述温度所需的功率。
实施例52：根据实施例49到51中任一项所述的方法，其中分析来自至少一个参考微热板的响应包括：维持提供给所述至少一个参考微热板的所述电阻加热器的电流，并测量所述至少一个参考微热板的所述电阻加热器的温度变化。
实施例53：一种用于分析样本的传感器，所述传感器包括微热板，所述微热板包括：悬置在衬底上方的膜，所述膜通过连接在所述衬底与所述膜之间的多个系链悬置在所述衬底上方，所述膜包括电阻加热器，所述电阻加热器包括导电材料，所述导电材料从所述膜的***部分到所述膜的中心具有变化的宽度，所述导电材料包括在第一方向上成螺旋形的第一部分，和在第二方向上成螺旋形且在所述膜的所述中心附近与所述第一部分电接触的第二部分；以及在第一系链上方延伸且与所述衬底上的接合焊盘和所述第一部分电接触的第一导电迹线，和在另一系链上方延伸且与所述衬底上的另一接合焊盘和所述第二部分电接触的第二导电迹线。
实施例54：根据实施例53所述的传感器，其中所述膜包括两种或更多种介电材料，所述电阻加热器设置在所述两种或更多种介电材料之间；并且所述多个系链中的每个系链包括所述两种或更多种介电材料，所述多个系链中的至少一个系链包括导电迹线。
实施例55：根据实施例53或实施例54所述的传感器，其中所述膜进一步包括化学感测材料、催化涂层材料和惰性涂层材料中的至少一者。
实施例56：根据实施例53到55中任一项所述的传感器，其中所述第二部分至少设置在所述第一部分的相邻螺旋之间。
实施例57：根据实施例53到56中任一项所述的传感器，其中所述第一部分与所述第二部分之间的间隙基本恒定并且小于所述导电材料的最小宽度。
实施例58：根据实施例53到57中任一项所述的传感器，其中所述膜具有多边形形状。
实施例59：根据实施例53到58中任一项所述的传感器，其进一步包括与所述第一部分电接触的第一导电感测线迹线和与所述第二部分电接触的第二导电感测线迹线，所述第一导电感测线迹线和所述第二导电感测线迹线经配置以测量所述电阻加热器两端的电压。
实施例60：根据实施例59所述的传感器，其中所述第一导电感测线迹线在不位于所述第一部分与所述第二部分之间的位置处与所述第一部分电接触。
实施例61：根据实施例53到60中任一项所述的传感器，其中所述电阻加热器在至少一个系链与所述膜的相交处包括加宽的弯曲部分。
实施例62：根据实施例53到61中任一项所述的传感器，其中所述电阻加热器包括从加宽部分到所述膜的所述中心连续增加的宽度。
实施例63：根据实施例53到62中任一项所述的传感器，其中所述多个系链中的每个系链在所述膜和所述衬底附近具有比在远离所述膜和所述衬底的部分处更大的宽度。
实施例64：根据实施例53到63中任一项所述的传感器，其进一步包括与覆盖在所述电阻加热器上的化学敏感涂层材料电接触的多个电极，所述多个电极包括叉指式电极并且经配置以测量所述化学敏感涂层材料的电阻率。
实施例65：根据实施例53到64中任一项所述的传感器，其中连接在所述衬底与所述膜之间的所述多个系链包括至少两个系链。
实施例66：根据实施例53到65中任一项所述的传感器，其中所述多个系链包括六个系链，所述第一导电迹线和所述第二导电迹线覆盖在所述系链中的两者上，导电感测线迹线覆盖在所述系链中的两者上且与所述电阻加热器电连通，且化学感测电极迹线覆盖在所述系链中的两者上且与覆盖在所述电阻加热器上的叉指式电极电连通。
实施例67：根据实施例53到66中任一项所述的传感器，其进一步包括控制器，所述控制器经配置以至少通过将由所述第一导电感测线迹线和所述第二导电感测线迹线测得的电压除以提供给所述电阻加热器的电流来确定所述电阻加热器的与温度成比例的电阻。
实施例68：根据实施例53到67中任一项所述的传感器，其进一步包括：微热板阵列；以及控制器，所述控制器经配置以确定所述微热板阵列中的至少一个微热板的所述电阻加热器的至少一种性质以及所述微热板阵列中的至少一个微热板的叉指式电极之间的电阻中的一或多者。
实施例69：根据实施例68所述的传感器，其中所述微热板阵列包括：在覆盖在其电阻加热器上方的介电材料上包括惰性材料或不含涂层材料的至少一个参考微热板；在其电阻加热器的介电材料上方包括催化材料的至少一个微热板；以及在覆盖在其电阻加热器上方的介电材料上包括选自由p型半导体、n型半导体和离子导体组成的群组的化学感测材料的至少一个微热板。
实施例70：一种测量热导率、放热事件、吸热事件以及样本中一或多种化学物质的存在中的至少一者的方法，所述方法包括：向多传感器阵列的至少一个微热板的电阻加热器提供电流，所述电阻加热器从其***部分朝向其中心包括变化的宽度，所述电阻加热器包括从所述电阻加热器的所述***部分朝向所述中心延伸且在顺时针方向上成螺旋形的第一部分，以及在所述电阻加热器的所述中心与所述第一部分接触且从所述电阻加热器的所述中心朝向所述电阻加热器的所述***部分延伸且在逆时针方向上成螺旋形的第二部分；测量所述电阻加热器两端的电压；至少基于在所述电阻加热器两端测得的电压和提供给所述电阻加热器的所述电流计算所述电阻加热器的电阻；基于所述电阻加热器的所述电阻确定所述电阻加热器的温度；以及确定维持给定温度以确定热导率、放热事件、吸热事件以及所述样本中一或多种化学物质的存在所需的功率。
实施例71：根据实施例70所述的方法，其中测量所述电阻加热器两端的电压包括：利用耦合到所述电阻加热器的感测线来测量所述电阻加热器两端的所述电压。
实施例72：根据实施例70或实施例71所述的方法，其进一步包括至少部分地基于在所述电阻加热器两端测得的所述电压和所提供的电流来确定供应给所述电阻加热器的功率。
实施例73：根据实施例70到72中任一项所述的方法，其进一步包括：向至少一个金属氧化物半导体微热板的电阻加热器提供电流，在覆盖在所述至少一个金属氧化物半导体微热板的所述电阻加热器上方的介电材料上，所述至少一个金属氧化物半导体微热板包括覆盖在感测电极上的选自由p型半导体、n型半导体和离子导体组成的群组的化学感测材料；以及测量所述至少一个金属氧化物半导体微热板的响应。
实施例74：根据实施例73所述的方法，其进一步包括确定设置在叉指式电极上方的化学感测材料的电阻率，所述叉指式电极设置在所述至少一个金属氧化物半导体微热板的所述电阻加热器上方。
实施例75：根据实施例70到74中任一项所述的方法，其中测量所述至少一个微热板的响应包括：测量在覆盖在其电阻加热器上方的介电材料上包括催化材料的至少一个微热板的响应；测量参考微热板的响应；以及确定包括所述催化材料的所述至少一个微热板的所述响应与所述参考微热板的所述响应之间的差异。
实施例76：根据实施例70到75中任一项所述的方法，其中计算所述电阻加热器的电阻包括：通过减去导电迹线和与所述电阻加热器电连通的加热器互连结构两端的电压降来补偿所述测得的电压。
虽然本公开易于进行各种修改和替代形式，但是在附图中通过实例的方式示出了具体的实施例，并且在本文中对其进行了详细描述。然而，本公开不旨在限于所公开的特定形式。而是，本公开涵盖落入由所附权利要求及其合法等同物所定义的本公开的范围内的所有修改、等效物和替代方案。
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