CN105174200B - 一种新型谐振式薄膜热电变换器的结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型谐振式薄膜热电变换器的结构及制作方法，加热电阻、微桥谐振器I 及微桥谐振器I I在同一衬底上，在加热电阻通电后产生并辐射的热量引起微桥谐振器I温度升高，其轴向压应力增加或拉应力下降，使得微桥谐振器I的谐振频率下降，而微桥谐振器I I不感受加热电阻辐射的热量，其谐振频率仅受衬底和环境温度的影响，通过测量微桥谐振器I、微桥谐振器I I谐振频率的差值即可反映出加载在加热电阻上的输入电压或电流的大小。本发明加热电阻和微桥谐振器I、微桥谐振器I I制作在同一衬底（1）上，简化了器件制作工艺和封装工艺，本发明的制作方法简单，易操作。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械系统(MEMS)领域，涉及加热电阻和微桥谐振器制作在同一衬底上的谐振式薄膜热电变换器的结构与制作方法，具体为一种新型薄膜热电变换器的结构与制作方法。
背景技术
直流电压单位由约瑟夫森电压自然基准确定，而交流电压的溯源还没有采用自然基准或以实物标准输出交流电压量值的方式，国内外对交流电压的溯源通常是采用交直流电压转换的方法。目前最精确的交直流转换标准是通过热电变换器实现的，经过长期的研究和使用，被证明具有很高的准确度。
作为交直流转换标准的热电转换器有以下三种主要类型：单元热电转换器、立体多元热电转换器和薄膜(或平面)型热电转换器。单元热电转换器的缺点在于输出的热电势信号比较微弱，而立体多元热电转换器使用频率范围窄、易被静电击穿、手工操作、不适合批量生产、价格昂贵。
目前使用的热电转换器多采用薄膜型热电转换器。目前广泛使用的薄膜型热电转换器主要由加热电阻和热电堆组成。加热电阻和热偶的热端位于各向异性腐蚀制作的Si3N4/SiO2/Si3N4绝热薄膜上表面，热偶的热端靠近加热电阻，用于测量加热电阻温度，冷端在硅衬底上。这种以热电堆作为温度敏感元件的热电转换器存的缺点有：
(1) 热电堆温度敏感元件的输出阻抗较大（例如Cu–CuNi44热电堆的输出阻抗为7KΩ），需要具有很大的输入阻抗的测量仪器才能实现阻抗匹配。
(2) 从提高热电堆温度传感器的灵敏度、减小经热偶向衬底传导热量的角度考虑，热电偶材料需要具备高塞贝克系数、低电阻率、低热导率等特点。但根据魏德曼—弗兰茨(Wedman-Franze)定律，材料热导率与电阻率之积为常数，难以同时减小热导率和电阻率。目前广泛使用的CuNi44-Cu、CuNi-NiCr、Bi-Sb热电偶的热导率比较大，绝热效果不理想，很大一部分热量经热电偶传导到衬底。
(3) 响应率较高的热电堆材料(如Bi、Sb、Bi2Te3、Bi0.5Sb1.5Te3、Sb2Te3)的沉积、腐蚀、剥离等工艺与标准的微细加工工艺兼容性差。
(4)为了提高温度测量灵敏度和热电变换器的响应率，常采用 100余对热电偶组成热电堆测量加热电阻的温度，需要制作大面积Si3N4/SiO2/Si3N4隔热薄膜，薄膜易发皱或断裂，不易实现应力平衡。
为了克服热电堆测温技术的缺点，1997年PTB的F.L.Katzmann等采用位于绝热薄膜上的加热电阻两边的两个热敏电阻与衬底上的两个阻值固定的电阻组成惠斯登电桥，以测量热敏电阻阻值的变化。热敏电阻的阻值较小，克服了热电偶输出阻抗高的缺点，减小了传感器的噪音，提高了信噪比。利用热敏电阻测量加热电阻温度的缺点在于热敏电阻与加热电阻之间也会产生寄生电容，产生较大的交直流热电转换误差。另外组成惠斯登电桥的四个热敏电阻所处热环境不同，影响测量精度。
本专利作者所在的课题组之前发明了一种基于微型桥谐振器的薄膜热电变换器的结构及制作方法。薄膜热电变换器主要由加热电阻、微型桥谐振器和密封环组成。组成该薄膜热电变换器的加热电阻和微型桥谐振器位于不同的衬底上，在制作工艺上存在以下两个难点：（1）需要采用静电键合、共晶键合或低温玻璃浆料键合等方式将位于不同衬底的加热电阻芯片和微型桥谐振器芯片键合在一起；（2）需要采用通孔互连等复杂技术实现微桥谐振器引出的电极。二者在技术实现方式上都比较复杂，存在一定的难度。
发明内容
本发明的目的在于发明一种新型的谐振式薄膜热电变换器，以简化器件制作工艺和封装工艺。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种新型谐振式薄膜热电变换器，包括衬底、加热电阻、微桥谐振器I 及微桥谐振器I I，所述加热电阻、微桥谐振器I 及微桥谐振器I I在同一衬底上，在加热电阻通电后产生并辐射的热量引起微桥谐振器I温度升高，其轴向压应力增加或拉应力下降，使得微桥谐振器I的谐振频率下降，而微桥谐振器I I不感受加热电阻辐射的热量，其谐振频率仅受衬底和环境温度的影响，通过测量微桥谐振器I、微桥谐振器I I谐振频率的差值即可反映出加载在加热电阻上的输入电压或电流的大小，微桥谐振器I 及微桥谐振器I I均设有激励电阻及检测电阻，衬底正面设有成型槽、铝线和焊盘。
衬底为100面、电阻率·cm、双面抛光N型硅片。
衬底设有二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜绝热层。
一种谐振式薄膜热电变换器的制作方法，采用以下工艺步骤制作并封装：
（1） 先后采用热氧化法和低压化学气相淀积法在硅片表面制作二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜，作为绝热层；
（2） 低压化学气相淀积方法制作多晶硅薄膜，并在多晶硅薄膜中扩散淡硼，光刻与刻蚀工艺相结合制作多晶硅电阻条，作为微桥谐振器I、微桥谐振器I I的激励电阻和检测电阻；
（3）硅片正面淀积NiCrSi薄膜，光刻加热电阻图形，硫酸铈溶液腐蚀出加热电阻，去胶；
（4）淀积铝膜，光刻铝线及焊盘图形，磷酸溶液中腐蚀没有被光刻胶保护的铝，去胶，合金化；
（5）在硅片正面光刻成型槽，干法刻蚀暴露在成型槽中氮化硅薄膜和二氧化硅薄膜，或采用缓释氢氟酸溶液湿法腐蚀二氧化硅薄膜；
（6） 划片；
（7） 干法刻蚀硅，在纵向刻蚀成型槽中的硅的同时横向刻蚀微桥谐振器I、微桥谐振器I I下面的硅，释放微桥谐振器I、微桥谐振器I I，去胶；
（8）将封装管壳和盖板前烘，进行热脱附除气，采用共晶键合技术将芯片焊接到管壳基座上，在芯片上焊盘和管壳上的引脚之间焊线，最后在真空系统中封帽。
作为本发明进一步的方案，低压化学气相淀积方法制作多晶硅薄膜，厚度600nm，利用扩散工艺对多晶硅薄膜掺杂硼原子，方块电阻达/ □，950℃、氮气气氛中退火30min。
作为本发明进一步的方案，硅片正面淀积NiCrSi薄膜采用磁控溅射工艺，厚度200nm 。
作为本发明进一步的方案，硝酸铈溶液为硫酸铈15g，70% HNO3溶液15ml，H2O100ml，常温下湿法腐蚀未经光刻胶保护的NiCrSi薄膜。
作为本发明进一步的方案，淀积铝膜采用磁控溅射铝薄膜，厚度700nm。
作为本发明进一步的方案，70℃磷酸溶液中腐蚀未经光刻胶保护的铝薄膜，制作铝线和焊盘，450℃、氮气气氛中合金化30min。
作为本发明进一步的方案，划片深度比硅片厚度小200μm。
本发明的有益效果是：加热电阻和微桥谐振器制作在同一衬底上，简化了器件制作工艺和封装工艺，通过测量微桥谐振器、谐振频率的差值即可反映出加载在加热电阻上的输入电压或电流的大小，可以消除环境温度和衬底温度变化对测量结果的影响，且本发明的制作方法简单，易操作。
附图说明
图1是本发明新型谐振式薄膜热电变换器的结构图。
图2是本发明新型谐振式薄膜热电变换器的电气连接图。
图3是本发明新型谐振式薄膜热电变换器的制作工艺流程图。
附图中：1—衬底 ，2—加热电阻，3—微桥谐振器，4—微桥谐振器 ，5—激励电阻，6—检测电阻，7—铝线 ，8—焊盘 ，9—成型槽，—二氧化硅薄膜，11—氮化硅薄膜 ，12—多晶硅薄膜，13—镍铬硅薄膜 ，14—铝薄膜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。
如图1-2所示，一种新型谐振式薄膜热电变换器，包括衬底1、加热电阻2、微桥谐振器I 3及微桥谐振器I I4，所述加热电阻2、微桥谐振器I 3及微桥谐振器I I4在同一衬底1上，在加热电阻2通电后产生并辐射的热量引起微桥谐振器I3温度升高，其轴向压应力增加或拉应力下降，使得微桥谐振器I3的谐振频率下降，而微桥谐振器I I4不感受加热电阻2辐射的热量，其谐振频率仅受衬底1和环境温度的影响，通过测量微桥谐振器I3、微桥谐振器II4谐振频率的差值即可反映出加载在加热电阻2上的输入电压或电流的大小，微桥谐振器I3及微桥谐振器I I4均设有激励电阻5及检测电阻6，衬底1正面设有成型槽9、铝线7和焊盘8；衬底1为100面、电阻率 ·cm、双面抛光N型硅片，且衬底1设有二氧化硅薄膜10和氮化硅薄膜11绝热层。
如图3所示，一种谐振式薄膜热电变换器的制作方法，采用以下工艺步骤制作并封装：
（1）衬底1为100面、电阻率 ·cm、双面抛光N型硅片【如图3（1）】，先后采用热氧化法和低压化学气相淀积法在硅片表面制作二氧化硅薄膜10和氮化硅薄膜11，作为绝热层，其中热氧化，生长600nm厚二氧化硅薄膜10【如图3（2）】；
（2） 低压化学气相淀积方法制作多晶硅薄膜12，并在多晶硅薄膜中扩散淡硼，光刻与刻蚀工艺相结合制作多晶硅电阻条，作为微桥谐振器I 3、微桥谐振器I I4的激励电阻5和检测电阻6【如图3（5）】；低压化学气相淀积法(LPCVD)淀积氮化硅薄膜11，厚度300nm【如图3（3）】；低压化学气相淀积方法制作多晶硅薄膜12，厚度600nm，利用扩散工艺对多晶硅薄膜掺杂硼原子，方块电阻达/ □，950℃、氮气气氛中退火30min【如图3（4）】。
（3）硅片正面淀积NiCrSi薄膜13，光刻加热电阻2图形，硫酸铈溶液腐蚀出加热电阻2【如图3（7）】，去胶；硅片正面淀积NiCrSi薄膜13采用磁控溅射工艺，厚度200nm 【如图3（6）】，硝酸铈溶液为硫酸铈15g，70% HNO3溶液15ml，H2O 100ml，常温下湿法腐蚀未经光刻胶保护的NiCrSi薄膜13。
（4）采用磁控溅射铝薄膜14，厚度700nm【如图3（8）】，光刻铝线7及焊盘8图形，70℃磷酸溶液中腐蚀未经光刻胶保护的铝薄膜14，制作铝线7和焊盘8，去胶，450℃、氮气气氛中合金化30min【如图3（9）】；
5）在硅片正面光刻成型槽9，干法刻蚀暴露在成型槽9中氮化硅薄膜11和二氧化硅薄膜10，或采用缓释氢氟酸溶液湿法腐蚀二氧化硅薄膜10【如图3（10）】；
（6） 划片，划片深度比硅片厚度小200μm；
（7） 干法刻蚀硅，在纵向刻蚀成型槽9中的硅的同时横向刻蚀微桥谐振器I3、微桥谐振器I I4下面的硅，释放微桥谐振器I3、微桥谐振器I I4，去胶【如图3（11）】；
（8）将封装管壳和盖板前烘，进行热脱附除气，使用Au-Ge焊料，采用共晶键合技术将芯片焊接到管壳基座上，在芯片上焊盘和管壳上的引脚之间焊线，最后在真空系统中封帽。
显然，上述说明并非是本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种新型谐振式薄膜热电变换器，包括衬底（1）、加热电阻（2）、微桥谐振器I （3）及微桥谐振器I I（4），其特征在于，所述加热电阻（2）、微桥谐振器I （3）及微桥谐振器I I（4）在同一衬底（1）上，在加热电阻（2）通电后产生并辐射的热量引起微桥谐振器I（3）温度升高，其轴向压应力增加或拉应力下降，使得微桥谐振器I（3）的谐振频率下降，而微桥谐振器I I（4）不感受加热电阻（2）辐射的热量，其谐振频率仅受衬底（1）和环境温度的影响，通过测量微桥谐振器I（3）、微桥谐振器I I（4）谐振频率的差值即可反映出加载在加热电阻（2）上的输入电压或电流的大小，微桥谐振器I （3）及微桥谐振器I I（4）均设有激励电阻（5）及检测电阻（6），衬底（1）正面设有成型槽（9）、铝线（7）和焊盘（8）。
2.根据权利要求1所述的一种新型谐振式薄膜热电变换器，其特征在于，衬底（1）为100面、电阻率·cm、双面抛光N型硅片。
3.根据权利要求1所述的一种新型谐振式薄膜热电变换器，其特征在于，衬底（1）设有二氧化硅薄膜（10）和氮化硅薄膜（11）绝热层。
4.一种根据权利要求1-3任一所述的谐振式薄膜热电变换器的制作方法，其特征在于，采用以下工艺步骤制作并封装：
（1） 先后采用热氧化法和低压化学气相淀积法在硅片表面制作二氧化硅薄膜（10）和氮化硅薄膜（11），作为绝热层；
（2） 低压化学气相淀积方法制作多晶硅薄膜（12），并在多晶硅薄膜中扩散淡硼，光刻与刻蚀工艺相结合制作多晶硅电阻条，作为微桥谐振器I（3）、微桥谐振器I I（4）的激励电阻（5）和检测电阻（6）；
（3）硅片正面淀积NiCrSi薄膜（13），光刻加热电阻（2）图形，硫酸铈溶液腐蚀出加热电阻（2），去胶；
（4）淀积铝膜（14），光刻铝线（7）及焊盘（8）图形，磷酸溶液中腐蚀没有被光刻胶保护的铝，去胶，合金化；
（5）在硅片正面光刻成型槽（9），干法刻蚀暴露在成型槽（9）中氮化硅薄膜（11）和二氧化硅薄膜（10），或采用缓释氢氟酸溶液湿法腐蚀二氧化硅薄膜（10）；
（6） 划片；
（7） 干法刻蚀硅，在纵向刻蚀成型槽（9）中的硅的同时横向刻蚀微桥谐振器I（3）、微桥谐振器I I（4）下面的硅，释放微桥谐振器I（3）、微桥谐振器I I（4），去胶；
（8）将封装管壳和盖板前烘，进行热脱附除气，采用共晶键合技术将芯片焊接到管壳基座上，在芯片上焊盘和管壳上的引脚之间焊线，最后在真空系统中封帽。
5.根据权利要求4所述的一种谐振式薄膜热电变换器的制作方法，其特征在于，低压化学气相淀积方法制作多晶硅薄膜（12），厚度600nm，利用扩散工艺对多晶硅薄膜掺杂硼原子，方块电阻达/ □，950℃、氮气气氛中退火30min。
6.根据权利要求4所述的一种谐振式薄膜热电变换器的制作方法，其特征在于，硅片正面淀积NiCrSi薄膜（13）采用磁控溅射工艺，厚度200nm 。
7.根据权利要求4所述的一种谐振式薄膜热电变换器的制作方法，其特征在于，硝酸铈溶液为硫酸铈15g，70% HNO3溶液15ml，H2O 100ml，常温下湿法腐蚀未经光刻胶保护的NiCrSi薄膜（13）。
8.根据权利要求4所述的一种谐振式薄膜热电变换器的制作方法，其特征在于，淀积铝膜采用磁控溅射铝薄膜（14），厚度700nm。
9.根据权利要求4所述的一种谐振式薄膜热电变换器的制作方法，其特征在于，70℃磷酸溶液中腐蚀未经光刻胶保护的铝薄膜（14），制作铝线（7）和焊盘（8），450℃、氮气气氛中合金化30min。
10.根据权利要求4所述的一种谐振式薄膜热电变换器的制作方法，其特征在于，划片深度比硅片厚度小200μm。
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