CN103258686A - 基于微机械悬臂梁结构的温度保护器件 - Google Patents

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董雪鹏
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Abstract

本发明公开了一种基于微机械悬臂梁结构的温度保护器件，包括硅衬底、设置在硅衬底上的悬臂梁和压焊快，悬臂梁的一端设置在硅衬底上，另一端对应悬空在压焊快的上方，悬臂梁由从上至下依次连接设置的悬臂梁上层结构、悬臂梁中层结构和悬臂梁下层结构构成，悬臂梁上层结构的热膨胀系数大于悬臂梁下层结构的热膨胀系数，悬臂梁受热膨胀向下弯曲后，悬空的一端与下方的压焊块接触。本发明采用MEMS加工技术，利用不同材料热膨胀系数的不同，使MEMS悬臂梁的翘曲形态发生变化，从而实现信号通断，达到温度保护目的的微结构，灵敏度高，可控性好，电路结构简单，体积小、功耗低，并解决了在材料、工艺、可重复性和生产成本等诸多方面的问题。

Description

基于微机械悬臂梁结构的温度保护器件
 
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，涉及一种MEMS悬臂梁结构的温度保护器件。
 
背景技术
温度保护器件是利用感温元件的温度效应，在温度升高至临界温度值时，元件产生动作，切断或者接通电路，从而对电路起到热保护作用。当温度降到临界温度时，元件产生动作将电路重新接通或切断，使整个系统恢复到正常工作状态。温度保护器件具有体积小、外壳绝缘、动作灵敏、寿命长等特点，广泛适用于各种电机、电磁炉、吸尘机、线圈、变压器、电暖器、镇流器、电热器具、荧光灯镇流器、汽车马达、集成电路及一般电气设备的过热过流双重保护作用。
通常使用的温度保护器件是一种用双金属片作为感温元件的温度开关，电器正常工作时，双金属片处于自由状态，触点处于闭合或断开状态，当温度升高至动作温度值时，双金属元件受热产生内应力而迅速动作，打开或闭合触点，切断或接通电路，从而起到热保护作用。当温度降到设定温度时触点自动闭合或断开，使电路恢复到正常工作状态。
本发明中的温度保护器件是基于MEMS技术，利用悬臂梁的结构特点，通过不同材料热膨胀系数的差异来控制梁的翘曲形态变化，从而接通或切断信号，起到温度保护作用。与普通的金属片感温元件相比，悬臂梁结构的机械特性更好，使用寿命更长；用MEMS悬臂梁结构作为电路开关控制通断，体积更小，性能更好，制作无需特殊材料并且与标准Si工艺完全兼容。
基于以上MEMS悬臂梁结构的温度保护器件的特点，很明显的可以看出本发明与传统的温度开关相比提高了性能，工艺更加简单成熟，并兼顾有体积小、与Si工艺兼容、高可靠性、高重复性等优点，很好地满足了集成电路对器件的基本要求。因此，基于MEMS悬臂梁结构的温度保护器件具有很好的应用价值和广阔的市场潜力。
 
发明内容
技术问题：本发明提供一种可以有效的对电路进行温度保护，并解决了在材料、工艺、可靠性和可重复性等诸多方面问题的基于微机械悬臂梁结构的温度保护器件。       
技术方案：本发明的基于微机械悬臂梁结构的温度保护器件，包括硅衬底、设置在硅衬底上的悬臂梁和压焊快，悬臂梁的一端设置在硅衬底上，另一端对应悬空在压焊快的上方，悬臂梁由从上至下依次连接设置的悬臂梁上层结构、悬臂梁中层结构和悬臂梁下层结构构成，悬臂梁上层结构的热膨胀系数大于悬臂梁下层结构的热膨胀系数，悬臂梁受热膨胀向下弯曲后，悬空的一端与下方的压焊块接触。
本发明中，由于悬臂梁的悬臂梁上层结构与悬臂梁下层结构的热膨胀系数不同，在温度变化时，上、悬臂梁下层结构的膨胀程度会产生差别，从而引起悬臂梁向上或向下弯曲的动作，使电路接通或切断。整个技术方案中需要注意一些问题，例如梁的应力控制，这对于整个器件结构的实现具有十分重要的意义；悬臂梁高度与器件的工作温度都有关系，悬臂梁的长度与器件的灵敏度有关系，因此需要选取合适的悬臂梁高度和长度以便实现良好的性能。
应用本发明中的温度保护器件可以促进MEMS工艺技术在集成电路中的产业化应用，进而推动整个集成电路产业的发展。
本发明器件基于MEMS加工技术，利用不同材料热膨胀系数的差别引起的悬臂梁翘曲形态的变化，从而实现信号通断控制的微结构，为真正实现基于MEMS技术的电子器件在集成电路中的产业化应用提供了支持和保证。    
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：     
1、结构简单，可靠性高；2、不需要消耗任何的功率；3、性能稳定性好；4、制作工艺与Si工艺兼容。
长期以来由于基于MEMS技术的温度保护器件结构的特殊性，对该类器件的研究开发仅局限于科研领域。基于MEMS技术的温度保护器件应用于集成电路的大规模生产存在着与主流工艺不兼容、可重复性差、生产成本高等一系列障碍。本发明中的温度保护器件结构，突破了传统材料与结构限制，寻找到了基于Si工艺的实现方法，兼容性和可重复性都有较大的提高。同时，基于MEMS悬臂梁结构的温度保护器件具有结构简单、灵敏度高、可控性好、成本低廉等优点。
 
附图说明
图1是基于MEMS悬臂梁结构的温度保护器件结构剖面图。
图中有：硅衬底1，压焊块2，悬臂梁上层结构3，悬臂梁中层结构4，悬臂梁下层结构5。
 
具体实施方式
本发明的温度保护器件在硅衬底1上设有三层结构的悬臂梁，在悬臂梁自由端下方设有压焊块2，悬臂梁由悬臂梁上层结构3、悬臂梁中层结构4及悬臂梁下层结构5构成，悬臂梁上层结构3的热膨胀系数大于悬臂梁下层结构5的热膨胀系数。
基于MEMS悬臂梁结构的温度保护器件的制作工艺与标准Si工艺完全兼容。
基于MEMS悬臂梁结构的温度保护器件与传统的温度开关不同，该结构通过不同材料热膨胀系数的不同，当温度变化时，会导致悬臂梁上层结构和悬臂梁下层结构之间的膨胀程度产生差别，进而在悬臂梁内部产生应力，使得MEMS悬臂梁的翘曲形态发生变化，从而实现信号通断。基于MEMS悬臂梁结构的温度保护器件具有以下主要特征：一、悬臂梁的机械特性更好，使用寿命长，对温度的变化敏感，易于实际控制与操作，提高了开关动作的准确性；二、MEMS悬臂梁结构更易于压焊块的引出；三、基于MEMS悬臂梁结构的温度保护器件的制作工艺与Si工艺完全兼容。除此以外，基于MEMS悬臂梁结构的温度保护器件为开关控制器件尺寸的缩小和集成化提供了基础和保证，同时进一步促进了MEMS工艺技术在集成电路中的产业化应用。
区分是否为该结构的标准如下：
（a）采用悬臂梁结构，悬臂梁由三层材料构成，
（b）悬臂梁悬臂梁上层结构的热膨胀系数大于悬臂梁下层结构的热膨胀系数，
（c）悬臂梁自由端下方放置用于开关导通的压焊块。
满足以上三个条件的器件即应视为基于MEMS悬臂梁结构的温度保护器件。

Claims (1)

1.一种基于微机械悬臂梁结构的温度保护器件，其特征在于，该传感器包括硅衬底（1）、设置在所述硅衬底（1）上的悬臂梁和压焊快（2），所述悬臂梁的一端设置在硅衬底（1）上，另一端对应悬空在压焊快（2）的上方，悬臂梁由从上至下依次连接设置的悬臂梁上层结构（3）、悬臂梁中层结构（4）和悬臂梁下层结构（5）构成，所述悬臂梁上层结构（3）的热膨胀系数大于悬臂梁下层结构（5）的热膨胀系数，悬臂梁受热膨胀向下弯曲后，悬空的一端与下方的压焊块（2）接触。
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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