專利名稱：一種基于微型橋諧振器的薄膜熱電變換器的結構及制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及熱電變換器的結構及制造方法，特別是一種基于微型橋諧振器的薄膜熱電變換器的結構及 制作方法，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)領域。
背景技術：
交直流轉換標準是基本電學標準之一，通過這個標準可以將10Hz lMHz的交流電壓(或電流)從相應 的直流量導出，并溯源到約瑟夫森直流量子電壓基準(不確定度優(yōu)于10—8)。目前國際上最精確的交直流轉 換標準系統(tǒng)是通過熱電轉換器實現(xiàn)的。熱電轉換器由加熱電阻和溫度傳感器組成。交流電壓(或電流)和直 流電壓(或電流)依次輪流施加在加熱電阻上，溫度傳感器測量加熱電阻的溫度，比較它們產生的焦耳熱， 就可以計量交流電壓(或電流)產生電功率的大小。對于理想的熱電轉換器，等功率的交流禾fl直流電壓施加
ftifWWv^mWr溫度傳感器的輸出電壓也應當相等。作為交直流轉換標準的熱電辛專換器有以下三
種主要類型單元熱電轉換器、立體多元熱電轉換器和薄膜(或平面)型熱電轉換器。
單元熱電轉換器于上世紀50年代研制成功，由真空玻璃泡里的一根細燈絲加熱器和一對熱偶組成。 熱偶通過絕緣的玻璃或陶瓷小球與加熱器中點熱接觸以測量加熱器的溫度。SJTC結構簡單、頻響范圍寬(最 高工作頻率可達到GHz)，長期漂移可忽略不計，廣泛應用于交直流轉換標準和交流功率+示準。通過與分 流器的并聯(lián)，電流測量范圍可擴展到lmA 20A之間；通過與感應分壓器或量程擴展電阻的串連，電壓測' 量范圍可擴展到0.001 1(X)OV之間。用它建立的交直流轉換標準的不確定度為10—6量級。SJTC的缺點在 于輸出熱電勢信號比較微弱(僅在毫伏量級)，為達到10—6量級轉換精度，熱電勢測量精度需要達到納伏量 級。
上世紀70 80年代出現(xiàn)的立體多元熱電轉換器最早是由德國聯(lián)邦標準實驗室研制成功。制作這種立體 多元熱電轉換器需要在顯微鏡下將直徑為10^im的熱偶絲通過點焊或氬弧焊等方式串聯(lián)起來形成螺旋線型 熱電堆，熱電堆上支承一個雙線加熱器，利用熱電堆測量加熱器溫度。立體多元熱電轉換器的缺點在于使 用頻率范圍窄、易被靜電擊穿、手工操作不適合批量生產、價格昂貴、最大輸出電壓一般只有幾十毫伏。
隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，特別是微機械加工技術和薄膜技術的不斷成熟，熱電轉換ff的結構和制作 工藝發(fā)生了顯著的變化。1989年德國聯(lián)邦標準實驗室研制了世界上第一臺基于熱電堆測溫原理的多元薄膜
熱電轉換器。-加熱絲和熱偶的熱端位于背面各向異性腐蝕制作的Si3N4/SiCVSi3N4絕熱薄膜上表面，熱偶的
冷端在硅襯底上。采用100多對CuNi44-Cu或塞貝爾系數(shù)更大的Bi-Sb熱電偶測量加熱電阻溫'度，兩根熱偶絲 通常在同一平面，也可以通過絕緣夾層上下重疊在一起。早期的加熱絲材料為CuNU4，后來改用低湯姆遜 系數(shù)的NiCr或Ni45Cr5oSi5等材料，采用合適的退火工藝可使電阻溫度系數(shù)達到幾個ppmTC以下。所制得的 薄膜熱電轉換器的交直流轉換誤差在中頻范圍(100Hz 100kHz)內為0.1xlO'6， 100kHz時為8xl(T6， lMHz時 為40xl0—6，年穩(wěn)定性優(yōu)于0.1%。采用134對Bi-Sb熱電偶組成的熱電轉換器在空氣中的響應率(輸出電壓與交 流信號功率比值)為16V/W，真空中的響應率為120V/W。在低頻下為了增加熱電轉換器的時間常數(shù)，需要 在加熱電阻下方制作一熱質量塊，提高熱時間常數(shù)，結合片上補償電路可使得交直流轉換誤差在10Hz時小 于3xl(T6。為了減小熱電轉換器在高頻范圍的交直流轉換誤差，將傳統(tǒng)的硅襯底改為石英晶體襯底，由于 石英晶體的相對介電常數(shù)遠小于硅襯底，因此減小了加熱電阻焊盤的電容量，提高了薄膜熱電轉換器在高
3頻下的性能，在100^500kHz范圍內交直流轉換誤差降低到3xl(T6，在700KHz lMHz.范圍內為5xl(T6。
除德國聯(lián)邦標準實驗室外，美國標準技術研究院、韓國Inje大學、日本國立先進工業(yè)禾斗學與技術研究 所均采用這種測溫方法實現(xiàn)薄膜熱電轉換器，性能與PTB研制的器件相近。與立體多元熱電轉換器相比， 這種基于熱電堆測溫技術實現(xiàn)的多元薄膜熱電轉換器具有以下優(yōu)點(1)利用背面各向異性腐蝕制作的 Si3N4/SiCVSi3N4絕熱膜隔熱效果好，最大輸出電壓一般大于100mV。 (2)采用薄膜工藝和禍j[機械加工技術
中的雙面光刻、蒸發(fā)(或濺射)等工藝代替手工操作制作熱電堆具有理想的周期性結構，使力n熱電阻各段的
熱阻和溫度基本相同，減小了湯姆遜效應引入的交直流轉換誤差。(3)在硅襯底表面的二氧化硅絕緣層上 制作加熱器與外引線之間的焊盤可以使因帕爾帖效應產生的熱量被硅襯底有效地傳導，對熱電轉換所產生 的誤差基本可以忽略。(4)利用微機械加工技術可以實現(xiàn)批量制作，成本大幅度下降。因此薄膜多元熱電 轉換器是目前熱電轉換器研究的熱點。
然而，這種以熱電堆作為溫度敏感元件的熱電轉換器存在以下缺點；(l)從提高熱電堆f顯度傳感器的靈 敏度角度考慮，熱電偶材料需要具備高塞貝克系數(shù)、低電阻率、低熱導率等特點，但根據(jù)Wedman-Franze 定律，材料的熱導率與電阻率之積為常數(shù)，難以同時減小熱導率和電阻率，目前廣泛使用的CuNi44-Cu、 CuNi-NiCr、 Bi-Sb熱電偶的熱導率比較大，絕熱性還不理想，經熱偶絲傳導到襯底的熱量是產生交直流轉 換誤差的主要來源之一。(2)熱電偶溫度敏感元件的靈敏度比較低。為了提高溫度測量靈敏度(或熱電轉換 器的響應率)，通常采用100余對熱電偶組成熱電堆敏感元件，器件尺寸很大，需要制作大面積 Si3N4/SKVSi3N4隔熱薄膜，薄膜易發(fā)皺或斷裂，不易實現(xiàn)應力平衡。(3)響應率較高的熱電堆材料(如Bi、 Sb、 Bi2Te3、 B^SbuTe^ Sl^Te3)的沉積、腐蝕、剝離等工藝與標準的集成電路工藝兼容性差、成品率低。(4) 大量熱電偶組成的熱電堆尺寸較大，限制了加熱電阻設計的自由度，通常只能采用雙線加^^電阻，在測量 交流小信號時加熱電阻溫度較低、從而使熱電轉換器的響應率很小、轉換誤差較大。 .
為了克服熱電堆技術測量加熱電阻溫度的缺點，德國聯(lián)邦標準實驗室的F.L.Katzmami等人將商用的 光學測輻射熱計(或電阻測輻射熱計、熱電堆紅外探測器)與加熱電阻組合在一起，加熱電P且輻射的熱量被 紅外探測器的聚焦透鏡接收后直接傳送或經過光纖傳送到光子探測器(或熱敏電阻、熱電i隹)轉換為電壓信 號，該方法可以減小熱量從加熱元件向溫度傳感器傳導的時間和熱時間常數(shù)，—傳感元件不會從加熱器吸收 熱量，也可以避免因熱電效應，寄生電容和介質損耗引起的交直流轉換誤差。缺點在于沒有實現(xiàn)系統(tǒng)集成、 結構優(yōu)化設計和采取必要的電磁屏蔽措施；受商用紅外探測器封裝結構限制，紅外探測器與加熱電阻距離 無法接近；性能與基于熱電堆測溫方式的薄膜熱電變換器還有較大差距；采用光子探測器需要制冷設備， 成本較高，-而熱電堆紅外探測器的響應率和探測率比較低。
綜上所述，目前測量薄膜熱電轉換器的加熱電阻溫度的方法主要有兩種 一是由熱電i隹或熱敏電阻接 觸式測量，二是由熱電堆紅外探測器或光子探測器非接觸式測量，但均存在一些問題。因此迫切需要新型 溫度敏感原理的薄膜熱電變換器。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于發(fā)明一種基于微型橋諧振器的薄膜熱電變換器，以高靈敏度計量加熱電阻的溫度、 減小加熱電阻熱量經溫度傳感器向襯底的傳導、滿足高頻和微弱交流電壓(流)計量的需求、減小熱電轉換 器的交直流轉換誤差。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是薄膜熱電變換器主要由加熱電阻l、橋(雙端固支梁)諧振器2和密封環(huán)3組成。由低湯姆遜系數(shù)材料制作的加熱電阻1位于應力平衡的絕熱t(yī)萆膜4上表面或者 夾層中。微型橋諧振器2由微機械橋5、激振器6和拾振器7組成，作為溫敏元件，檢測力B熱電阻1的溫 度。
本發(fā)明所涉及的基于微型橋諧振器的薄膜熱電變換器的微型橋諧振器2可采用以下'激掘方式靜電激 勵、光熱激勵、電熱激勵、壓電激勵、電磁激勵等。其諧振頻率可采用以下方式檢測電容拾振、光干涉 或光杠桿法拾振、壓敏電阻拾振、壓電拾振、隧道電流拾振等。采用不同激勵方案時上述激振器6采用不 同的形式。對靜電激勵，激振器6是制作在絕熱薄膜4表面和微機械橋5表面的靜電電極8。 乂寸光熱激勵，無 須在制作器件上制作激振器6，但要求橋的入射面對入射光具有高的反射率，其激振器6是外部光源9。對 電熱激勵，激振器6是制作在微機械橋5上的激勵電阻10。對壓電激勵，激振器6是制作在微機械橋5上的壓 電執(zhí)行器ll。對電磁激勵，激振器6是制作在微機械橋5上的線圈。同樣，采用不同檢測(拾振)方案中上述 拾振器7采用不同的形式。對電容拾振，拾振器7應為制作在絕熱薄膜4上表面和微機械橋5下表面的檢測電 極13。對光信號拾振，拾振器7為外部的光電探測元件14。對壓敏電阻拾振，拾振器7為通過擴散或離子注 入工藝制作的壓敏電阻15。對壓電拾振，拾振器7為壓電拾振器16。
本發(fā)明所涉及的基于微型橋諧振器的薄膜熱電變換器的工作原理加熱電阻l溫度升高后其熱量經對 流、輻射或熱傳導等途徑引起微型橋諧振器2溫度升高。由于組成微型橋諧振器2的材料的熱膨脹系數(shù)不同， 軸向壓應力增加(或拉應力下降)，諧振頻率下降，通過測量諧振頻率的變化可反映出加熱電阻l的溫度信 息。微型橋諧振器2可以接觸式測量加熱電阻1的溫度場，也可以作為紅外探測器非接觸S:測量加熱電阻l 的溫度場。作為紅外探測器使用時加熱電阻l輻射的熱量由聚焦透鏡接收后經過光纖傳送到微型橋諧振器 2。
本發(fā)明所涉及的基于微型橋諧振器的薄膜熱電變換器可采用以下方法制作 (〗)制作加熱電阻l。主要制作工藝步驟如下。
a) 采用低壓化學氣相淀積、等離子化學氣相淀積、熱氧化等方法在硅片表面制作絕熱薄膜4。
b) 蒸發(fā)(或濺射)金屬薄膜，光刻或剝離(life-off)技術制作加熱電阻l圖形。
c) 背面光刻，形成背腐蝕窗口，各向異性腐蝕硅襯底，直到背面暴露出絕熱薄膜4。
(2) 制作微型橋諧振器2。主要制作工藝步驟如下。
a)原始材料為硅片(普通硅片或SOI硅片)。正面利用各種薄膜工藝制作雙層(或多層)薄膜，在硅片 正面光刻微機械橋的形狀，腐蝕上述雙層或多層薄膜的復合膜系。 -b)-在微機械橋上制作激振器5和拾振器&^形成橋型諧振器2。 c)正面或背面光刻腐蝕窗口，各向異性干法或濕法腐蝕釋放橋型諧振器2。
(3) 將加熱電阻1與微型橋諧振器2組合在一起。
a) 如果微型橋諧振器2接觸式測i加熱電阻l的溫度，則將制作有加熱電阻l的硅片與制作有微型橋諧 振器2的硅片通過陽極鍵合、玻璃焊料密封技術等技術封裝在一起。劃片、焊接外引線。
b) 如果微型橋諧振器2作為紅外探測器非接觸式測量加熱電阻1的溫度場，則將加熱電阻l輻射的紅外 線經紅外聚焦透鏡耦合入紅外傳輸光纖，再傳導到獨立封裝的微型橋諧振器2溫度敏感元件。
本發(fā)明所涉及的基于微型橋諧振器的薄膜熱電變換器具有以下優(yōu)點利用微型橋諧振器2測量加熱電 阻l的靈敏度髙、經溫度傳感器傳導到襯底的熱量極小、加熱電阻l可以靈活設計、交直流轉換誤差小。


5圖l是本發(fā)明所涉及的基于微型橋諧振器的薄膜熱電變換器的結構示意圖。其中圖2(a)是靜電激勵/ 電容法檢測微型橋諧振器2頻率的薄膜熱電變換器。圖2(b)是光熱激勵/光杠桿法或光干涉法檢測微型橋諧 振器2頻率的薄膜熱電變換器。圖2(c)是電熱激勵/壓阻檢測微型橋諧振器2頻率的薄膜熱電變換器。圖2(d) 是壓電激勵/壓電檢測微型橋諧振器2頻率的薄膜熱電變換器。但激勵和檢測方式并不局限上述組合，可以 根據(jù)需要自由組合。例如也可以采用靜電激勵/壓阻檢測方法實現(xiàn)微型橋諧振器2。
圖2是作為本發(fā)明實施例的壓敏電阻方法檢測微型橋諧振器形變的薄膜熱電變換器的制作工藝流程
附圖中-
l一加熱電阻 2—微型橋諧振器 3—密封環(huán)
4一絕熱薄膜 5一微機械橋 6—激振器
7—拾振器 8—靜電電極 9一光源
IO—激勵電阻 ll一壓電執(zhí)行器 12—激振線圈
13—檢測電極 14~光電探測元件 15—壓敏電阻 16—壓電拾振器
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明，但并不局限于該實施例。
實施例 —
利用本發(fā)明的技術方案制作一種基于靜電激勵/電容拾振的微型橋諧振器的薄膜熱電'變換器。其制作工 藝流程如下
1) 原始硅片采用N型、(100)面硅片，電阻率l-10Q.cm。(見附圖2[1])
2) 低壓化學氣相淀積(LPCVD)氮化硅薄膜，厚度200nm;低壓化學氣相淀積多晶硅薄膜，厚度200nm， 熱氧化使其全部轉變?yōu)槎趸璞∧?；低壓化學氣相淀積氮化硅薄膜，厚度200nm。蒸發(fā)工藝制作鋁薄膜， 光刻工藝與腐蝕工藝相結合形成靜電電極8和檢測電極13的鋁下電極及鋁引線圖形(見附圖2[2])
3) 光刻工藝獲得加熱電阻l圖形，濺射鎳鉻合金薄膜，剝離工藝制作加熱電阻l圖形。等離子體化學氣 相淀積工藝(PECVD)淀積氮化硅薄膜，厚度400nm，作為背面腐蝕時正面的掩蔽層。(見附圖2[3])
4) 背面光刻，腐蝕絕熱薄膜4，形成背腐蝕窗口，各向異性腐蝕硅襯底，直到背面暴露出絕熱薄膜4。 干法刻蝕工藝亥IJ蝕正面的PECVD法淀積的氮化硅薄膜?！?見附圖2[—4])
5) 取另外一片N型、(100)面硅片，電阻率l 10n.cm。熱氧化法生長二氧化硅薄膜。(見附圖2[5])
6) 正面濺射金薄膜，等離子體等離子增強化學氣相淀積(PECVD)氮化硅薄膜。正面光刻微機械橋5 的圖形，干法刻蝕氮化硅薄膜，腐蝕金薄膜，形成微機械橋5。(見附圖2[6])
7) 正面濺射鋁薄膜，光刻靜電電極8和檢測電極13的上電極和引線圖形。等離子體等離子增強化學氣 相淀積(PECVD)氮化硅薄膜。(見附圖2[7])
8) 背面光刻，腐蝕硅襯底，直到背面暴露出二氧化硅薄膜。背面干法刻蝕二氧化硅薄膜，正面干法刻 蝕氮化硅薄膜。(見附圖2[8])
9) 將2卜4)步工藝完成的含有加熱電阻1的硅片與5)~8)步完成的含有微型橋諧振器2的硅片通過玻璃焊 料密封技術封裝在一起。劃片、焊接外引線。(見附圖2[9])
權利要求
1、一種基于微型橋諧振器的薄膜熱電變換器，其特征在于薄膜熱電變換器主要由加熱電阻1、微型橋諧振器2和密封環(huán)3組成。
2、 根據(jù)權利要求1所述的基于微型橋諧振器的薄膜熱電變換器的特征在于加熱電阻1的溫度通過 微型橋諧振器2測量。加熱電阻1溫度升高后其熱量經對流、輻射或熱傳導等途徑引起微型橋諧振器2溫 度升高。由于組成微型橋諧振器2的材料的熱膨脹系數(shù)不同，軸向壓應力增加(或拉應力下降)，諧振頻 率下降，通過測量諧振頻率的變化可反映出加熱電阻l的溫度信息。
3、 根據(jù)權利要求1所述的基于微型橋諧振器2的薄膜熱電變換器的特征在于橋諧振器2可以接觸式測 量加熱電阻l的溫度場，也可以作為紅外探測器非接觸式測量加熱電阻l的溫度場。作為紅夕卜探測器使用時 加熱電阻1輻射的熱量由聚焦透鏡接收后經過光纖傳送到微型橋諧振器2。
4、 根據(jù)權利要求1所述的基于微型橋諧振器2的薄膜熱電變換器，其特征在于微型f喬諧振器2可釆用 以下激振方式靜電激勵、光熱激勵、電熱激勵、壓電激勵、電磁激勵等。其諧振頻率可采用以下方式檢 測電容拾振、光干涉或光杠桿法拾振、壓敏電阻拾振、壓電拾振、隧道電流拾振等。
5、 根據(jù)權利要求l所述的基于微型橋諧振器的薄膜熱電變換器，其特征在于采用以下工藝步驟制作(1) 制作加熱電阻l。主要制作工藝步驟如下。a) 采用低壓化學氣相淀積、等離子化學氣相淀積、熱氧化等方法在硅片表面制作絕熱薄膜4。b) 蒸發(fā)(或濺射)金屬薄膜，光刻或剝離(life-off)技術制作加熱電阻l,形。c) 背面光刻，形成背面腐蝕窗口，各向異性腐蝕硅襯底，直到背面暴露出絕熱薄膜4。(2) 制作微型橋諧振器2。主要制作工藝步驟如下。a) 原始材料為硅片(普通硅片或SOI硅片)。正面利用各種薄膜工藝制作雙層(或多層)薄膜，在硅片 正面光刻微機械橋的形狀，腐蝕上述雙層或多層薄膜的復合膜系；b) 在微機械橋上制作激振器5和拾振器6，形成橋型諧振器2，制作金屬內引線；c) 正面或背面光刻腐蝕窗口，各向異性干法或濕法腐蝕釋放微型橋諧振器2;(3) 將加熱電阻1與微型橋諧振器2組合在一起。a) 如果微型橋諧振器2接觸式測量加熱電阻1的溫度，則將制作有加熱電阻l的硅片與先ij作有微型橋諧 振器2的硅片通過陽極鍵合、玻璃焊料密封技術等技術封裝在一起。劃片、焊接外引線。b) 如果微型橋諧振器2作為紅外探測器非接觸式測量加熱電阻1的溫度場，則將加熱電阻l輻射的紅外 線經紅外聚焦透鏡耦合入紅外傳輸光纖，再傳導到獨立套燥的微型橋諧振器2溫度敏感元件-。-
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微型橋諧振器2的薄膜熱電變換器的結構及制作方法。薄膜熱電變換器主要由加熱電阻1、微型橋諧振器2和密封環(huán)3組成。加熱電阻1溫度升高后其熱量經對流、輻射或熱傳導等途徑引起微型橋諧振器2溫度升高。由于組成微型橋諧振器2的材料的熱膨脹系數(shù)不同，受熱后軸向壓應力增加(或拉應力下降)，諧振頻率下降，通過測量諧振頻率的變化可反映出加熱電阻1的溫度信息。本發(fā)明所涉及的基于微型橋諧振器的薄膜熱電變換器具有以下優(yōu)點利用微型橋諧振器測量加熱電阻的靈敏度高、經微型橋諧振器傳導到襯底的熱量極小、加熱電阻可以靈活設計、交直流轉換誤差小。
文檔編號B81C1/00GK101566506SQ20081006061
公開日2009年10月28日 申請日期2008年4月22日 優(yōu)先權日2008年4月22日
發(fā)明者盧少勇, 青 李, 韓建強 申請人:中國計量學院