CN106919203B - 具有储热元件的微机电温度控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有储热元件的微机电温度控制系统，其包括微机电装置。微机电装置包括加热器及储热元件。储热元件的比热大于加热器的比热，因而能减少加热器加热时间与加热频率，以降低电能消耗。微机电温度控制系统可应用于需要控制工作温度的微机电感测器，例如气体感测器。

Description

具有储热元件的微机电温度控制系统
技术领域
本发明涉及一种微机电温度控制系统，且特别是涉及一种具有储热元件的微机电温度控制系统。
背景技术
随着物联网(IoT)与智能家庭(Smart Home)的蓬勃发展，相关于居家生活中的环境感测技术不断地进步，其中又以气体感测技术的需求最为强烈。气体感测技术不仅可应用于居家环境的监测，也可用于办公室、工厂、医疗场所等公共场所的环境监测。通过气体感测器侦测人类所处环境是否存在有害气体，并在侦测出人类所处环境存在有害气体时作出警告，能避免人类不慎吸入有害气体。现有的气体感测器大多需在高温的恒温环境下运作。但气体感测层的热能容易散失，故需借着加热器对气体感测层持续加热，以使气体感测层维持于高温状态。如此一来，需不断地提供电能至加热器以进行加热的动作，因而有高电能消耗的缺点。此外，在通过加热器加热设置于支撑薄膜上的气体感测层时，容易造成支撑薄膜的破裂或翘曲，进而降低气体感测器的准确度及可靠度。
气体感测器也能与温度感测器、湿度感测器或空气品质感测器等感测器整合为多功能的环境感测器，以对人类所处环境的空气、温度、湿度或空气品质进行监控，从而提升人类所处环境的安全性与舒适性。有鉴于此，环境感测技术将会朝着多功能监测的方向作发展。因此，如何开发出具备高感测准确度及高可靠度以及低电能消耗的气体感测器，或者是多功能的环境感测器，已成为当前相关领域中亟需被解决的问题之一。
图1是现有的一种气体感测装置的示意图。请参考图1，气体感测装置10主要是通过加热器11加热气体感测膜12，用于增加气体感测膜12随目标气体浓度变化而产生的电阻值的变化程度。因此，通过测量电极对13输入气体感测膜12的电流量的变化，便能换算出气体感测膜12的电阻值的变化，从而得知气体感测装置10周围的目标气体的浓度变化。
图2是现有的一种微机电半导体气体感测器的示意图。请参考图2，微机电半导体气体感测器20的第一薄膜21以及与相连接的第二薄膜22被多个通孔所贯穿，其中这些通孔并未被加热器23与感测电极24所覆盖。因此，热能可通过这些通孔逸散至外界，用于防止第一薄膜21与第二薄膜22受热应力而翘曲变形。
图3是现有的一种微机电氧气感测器的示意图。请参考图3，微机电氧气感测器30的感测薄膜31具有相对的上表面31a与下表面31b，其中温度感测器32、加热器33以及感测材料层34设置于上表面31a，且凸块35设置于下表面31b。加热器33可依据温度感测器32所测得的温度适时地对感测材料层34进行加热，以确保感测材料层34处于恒温。另一方面，凸块35可用以强化感测薄膜31的结构强度，避免感测薄膜31受热应力而翘曲变形。
图4是现有的一种微机电气体感测器的示意图。请参考图4，微机电气体感测器40的单晶硅基底41埋有多孔隙层42，且下绝缘层43覆盖单晶硅基底41与多孔隙层42。另一方面，加热层44设置于下绝缘层43上，且位于多孔隙层42的正上方区域内。因此，多孔隙层42能稳定地支撑加热层44，并且避免微机电气体感测器40在高温工作时下绝缘层43受热应力而翘曲变形。由于加热层44位于多孔隙层42的正上方区域内，因此能具有良好的隔热效果。
由上述可知，常见的微机电环境感测器需通过加热元件持续对环境感测层进行加热，才能确保环境感测层处于恒温。
发明内容
本发明提供一种微机电温度控制系统，其能提高感测准确度及可靠度，并且降低电能的消耗。
本发明提出一种微机电温度控制系统，其包括微机电装置。微机电装置包括基座、薄膜、加热器以及储热元件。基座包含空洞。薄膜具有第一表面以及相对于第一表面的第二表面。薄膜覆盖空洞。加热器设置于薄膜的第一表面。储热元件设置于薄膜的第二表面，且位于空洞中。其中，储热元件的比热(Specific Heat Capacity)大于加热器的比热。
本发明另提出一种微机电温度控制系统，其包括微机电装置。微机电装置包括基座、薄膜、加热器、储热元件以及散热器。基座包含空洞。薄膜具有第一表面以及相对于第一表面的第二表面。薄膜覆盖空洞。加热器设置于薄膜的第一表面。储热元件设置于薄膜的第二表面，且位于空洞中。散热器(heat spreader)包括至少一散热层及至少一导热元件。储热元件的比热大于加热器的比热。散热层设置于薄膜的第一表面。导热元件贯穿薄膜，且连接储热元件及散热层。
本发明又提出一种微机电温度控制系统，其包括微机电装置以及集成电路芯片。微机电装置包括基座、薄膜、加热器、储热元件以及温度感测器。基座包含空洞。薄膜具有第一表面以及相对于第一表面的第二表面。薄膜覆盖空洞。加热器设置于薄膜的第一表面。储热元件设置于薄膜的第二表面，且位于空洞中。温度感测器设置于薄膜的第一表面。集成电路芯片包括温度控制元件。温度控制元件分别与温度感测器与加热器电性耦接。储热元件的比热大于加热器的比热。温度控制元件依据温度感测器所感测到的温度调整加热器所产生的热量大小。
本发明还提出一种微机电温度控制系统，其适用于气体的感测。微机电温度控制系统包括基板、微机电装置以及集成电路芯片。微机电装置包括基座、薄膜、加热器、储热元件、导电元件、基板、散热器、温度感测器以及气体感测层。基座包含空洞。薄膜具有第一表面以及相对于第一表面的第二表面。薄膜覆盖空洞。基座设置于基板上。基座与基板及薄膜形成隔热空腔。加热器设置于薄膜的第一表面。储热元件设置于薄膜的第二表面，且位于隔热空腔中。导电元件贯穿薄膜，并且电连接加热器与储热元件。散热器包括至少一散热层及至少一导热元件。散热层设置于薄膜的第一表面。导热元件贯穿薄膜，且连接储热元件及散热层。温度感测器设置于薄膜的第一表面。气体感测层设置于加热器与温度感测器上。集成电路芯片包括温度控制元件。温度控制元件分别与温度感测器与加热器电性耦接。储热元件的比热大于加热器的比热。温度控制元件利用温度感测器所感测到的温度调整加热器所产生的热量大小。
基于上述，由于储热元件能强化薄膜的结构强度，避免薄膜受热应力而翘曲变形或破损，因此本发明的微机电温度控制系统能具有良好的感测准确度、灵敏度及可靠度。另一方面，本发明的微机电温度控制系统可通过加热器、储热元件以及温度控制单元之间的配合机制，以间歇性或选择性地提供电能至加热器，进而缩短加热时间与加热频率。在无需持续供应电能至加热器，以使气体感测层的温度维持于预设值的情况下，本发明的微机电温度控制系统可有效地降低电能的消耗。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。
附图说明
图1为现有的一种气体感测装置的示意图；
图2为现有的一种微机电半导体气体感测器的示意图；
图3为现有的一种微机电氧气感测器的示意图；
图4为现有的一种微机电气体感测器的示意图；
图5为本发明第一实施例的微机电温度控制系统的俯视示意图；
图6A为图5的微机电温度控制系统中的微机电装置的沿剖线I-I的局部剖面示意图；
图6B为图5的微机电温度控制系统中的微机电装置的放大示意图；
图7为本发明第二实施例的局部剖面示意图；
图8为本发明第三实施例的局部剖面示意图；
图9为本发明第四实施例的局部剖面示意图；
图10为本发明第五实施例的局部剖面示意图；
图11为本发明第六实施例的局部剖面示意图；
图12为本发明第七实施例的局部剖面示意图；
图13为本发明第八实施例的局部剖面示意图；
图14为本发明第九实施例的局部剖面示意图。
符号说明
10：气体感测装置
11、23、33：加热器
12：气体感测膜
13：电极对
20：微机电半导体气体感测器
21：第一薄膜
22：第二薄膜
24：感测电极
30：微机电氧气感测器
31：感测薄膜
31a：上表面
31b：下表面
32：温度感测器
34：感测材料层
35：凸块
40：微机电气体感测器
41：单晶硅基底
42：多孔隙层
43：下绝缘层
44：加热层
100、100A～100G：微机电装置
101：隔热空腔
102：隔热材料
110：基座
111：空洞
111a：内侧壁
120：薄膜
120a：第一表面
120b：第二表面
121：第一材料层
122、123：第二材料层
130：加热器
140：储热元件
150：导电导热元件
151、182：导热元件
160：基板
161：接合层
162：第一导电接点
163：第二导电接点
164：第三导电接点
165：第四导电接点
166：第一导电线路
167：第二导电线路
168：第三导电线路
169：第四导电线路
171：温度感测器
172：温度控制元件
180：散热器
181：散热层
190：气体感测层
200：微机电温度控制系统
210：集成电路芯片
211：温度控制元件
212：第五导电接点
213：第六导电接点
214：第七导电接点
215：第八导电接点
216：第五导电线路
217：第六导电线路
218：第七导电线路
219：第八导电线路
300：微机电环境感测装置
301：气密空腔
302：第一微机电装置
304：第二微机电装置
310：第二基座
311：第二空洞
312：贯穿孔
314：导电柱
320：可动电极
330：固定电极
340：第二薄膜
350：导电垫
360：导电线路
380：第二导热导电元件
D1：第一距离
D2：第二距离
P1：环境气压
P2：内部气压
S3：第三表面
S4：第四表面
t1：第一厚度
t2：第二厚度
t3：第三厚度
t4：第四厚度
具体实施方式
图5是本发明第一实施例的微机电温度控制系统的俯视示意图。图6A是图5的微机电温度控制系统中的微机电装置的沿剖线I-I的局部剖面示意图。图6B是图5的微机电温度控制系统中的微机电装置的放大示意图。请参考图5、图6A以及图6B，在本实施例中，微机电温度控制系统200包括微机电装置100，其中微机电装置100可应用于环境感测器，用以侦测人类所处环境中的气体、温度或空气品质等环境特性。微机电装置100包括基座110、薄膜120、加热器130以及储热元件140。基座110可为由硅基材、其他半导体基材或玻璃基材制作而成，而薄膜120的材质可选自于氮化硅(silicon nitride；Si3N4)、二氧化硅(siliconoxide；SiO2)等适当材质。基座110包含空洞111。在本实施例中，基座110上的薄膜120是全面覆盖空洞111。在其他未绘示的实施例中，薄膜可为局部覆盖空洞，而暴露出部分的空洞，以减少经由薄膜散失的热量。
薄膜120具有第一表面120a以及相对于第一表面120a的第二表面120b。薄膜120是以其中一部分的第二表面120b与基座110相连接，并以另一部分的第二表面120b覆盖空洞111。在本实施例中，薄膜120可为包括第一材料层121以及两第二材料层122与123的多层薄膜。在其他实施例中，薄膜也可为单层薄膜，本发明对于薄膜的层数不加以限制。在本实施例中，第二材料层122设置于基座110上；第一材料层121设置于第二材料层122上且第二材料层123设置于第一材料层121上。换言之，本实施例可利用微机电薄膜沉积制作工艺(MEMSThin Film Deposition Processes)将第二材料层122、第一材料层121以及第二材料层123依序堆叠于基座110上，其中第一材料层121位于第二材料层122与123之间且第二材料层122设置于基座110上。为了使薄膜120与基座110接合后的残留应力能降低，可使第一材料层121的热膨胀系数(coefficient of thermal expansion；CTE)大于基座110的热膨胀系数，且使第二材料层122与123的热膨胀系数小于基座110的热膨胀系数。在本实施例中，基座110的材质可为硅(silicon)或玻璃(glass)等，其中第一材料层121的材质可为氮化硅(silicon nitride；Si3N4)，且第二材料层122与123的材质可为二氧化硅(silicondioxide；SiO2)。
加热器130设置于薄膜120的第一表面120a。储热元件140设置于薄膜120的第二表面120b，且位于基座110的空洞111内。换言之，加热器130与储热元件140分别位于薄膜120的相对两侧。加热器130与第二材料层123相连接，而储热元件140与另一第二材料层122相连接。加热器130可为加热线圈，其材质可为铂(Platinum；Pt)、钛(Titanium；Ti)或钨(Tungsten；W)等材质。通过通入电流，加热器130可以产生热量。另一方面，储热元件140可为凸块，其材质可为硅。
在本实施例中，微机电装置100还包括至少一导电导热元件150。导电导热元件150贯穿薄膜120，用以电连接加热器130与储热元件140。在本实施例中，导电导热元件150与加热器130为电性并联。导电导热元件150的材质可为金属、金属合金或其他适用的导电材质。另一方面，导电导热元件150也具有良好的导热性，故加热器130可通过导电导热元件150与储热元件140热耦接。本发明所称的热耦接是指：热量可由一物件传导至另一物件。热耦接的型态包含直接热耦接型与间接热耦接型。在本实施例中，加热器130与储热元件140之间并无直接接触，但热量可从加热器130经由导电导热元件150传导至储热元件140，或者是从储热元件140经由导电导热元件150传导至加热器130。因此，加热器130热耦接至储热元件140的型态可为间接热耦接型。另一方面，导电导热元件150热耦接至加热器130或热耦接至储热元件140的型态可为直接热耦接型。换言之，导电导热元件150直接接触加热器130或储热元件140，因此热量可从导电导热元件150直接传导至加热器130或直接传导至储热元件140。在其他实施例中，加热器或储热元件可通过其他导热件(例如导热胶)间接热耦接至导电元件。
当加热器130通入电流而产生热量时，热量可通过导电导热元件150传导至储热元件140。由于储热元件140的比热(specific heat capacity)较加热器130的比热为大，因此储存于储热元件140的热量较不易散失。因此，当加热器130停止通入电流而停止产生热量时，储热元件140的热量可通过导电导热元件150传导至加热器130，以使加热器130维持在预设温度范围内的时间增长。此外，储热元件140不仅可用以储存热量，也可用以强化薄膜120的结构强度，以降低热应力的影响。换言之，在加热器130产生热量的过程中，与储热元件140连接的薄膜120会有较大的结构强度，因而可避免产生翘曲变形或破裂。
如图6A所示，微机电温度控制系统200还包括基板160。基座110设置于基板160上，且基座110与基板160可通过接合层161以紧密地接合在一起。举例来说，接合层161的材质可为玻璃胶(glass frit)。因此，基板160、基座110以及薄膜120可形成隔热空腔101。在本实施例中，储热元件140设置于隔热空腔101内，故储热元件140所储存的热量不易散失至外界。为了防止隔热空腔101内的气体外泄，而将储热元件140所储存的热量传导至隔热空腔101之外，隔热空腔101可为气密空腔(hermetic chamber)。举例来说，气密空腔可为真空的，以使隔热效果更为显著。
请继续参考图5、图6A以及图6B，在本实施例中，微机电温度控制系统200还包括集成电路芯片210，例如：特殊用途集成电路芯片(Application-Specific IntegratedCircuit；ASIC)。详细而言，微机电装置100可与集成电路芯片210整合成为微机电温度控制系统。另一方面，微机电装置100还包括温度感测器171，而集成电路芯片210另包括温度控制元件211。温度感测器171设置于薄膜120的第一表面120a，即温度感测器171与加热器130位于薄膜120的同侧。温度感测器171的材质可为铂。温度控制元件211分别与温度感测器171与加热器130电性耦接。详细而言，温度感测器171可用以测得薄膜120周遭的环境温度，并将测得的温度数据传送至温度控制元件211。温度控制元件211能依据温度感测器171所感测到的温度，调整输入至加热器130的电流大小，进而控制加热器130产生的热量以使薄膜120周遭的环境温度维持在一预设的范围内。
更详细地说，当温度感测器171所感测到的温度高于一预设值时，温度控制元件211可停止通入电流至加热器130，以使加热器130停止产生热量。此时，储存于储热元件140的热量可传导至加热器130，以使薄膜120周遭的环境温度继续维持于预设的范围内。经过一段时间后，由于储存于储热元件140的热量不足，薄膜120周遭的环境温度无法维持于预设的范围内。当温度感测器171所感测到的温度低于另一预设值，温度控制元件211将通入电流至加热器130，以使加热器130产生热量，重新使薄膜120周遭的环境温度维持于预设的范围内。换言之，本实施例的微机电装置100的加热器130、储热元件140及温度感测器171可通过与集成电路芯片210中的温度控制元件211整合成为微机电温度控制系统200。此微机电温度控制系统200可以间歇性或选择性地提供电能至加热器130，进而缩短加热时间与减少加热频率。由于微机电温度控制系统200无需持续供应电能至加热器130即能使薄膜120周遭的环境温度维持于预设范围内，因此可有效地降低电能的消耗。
如图5所示，基板160上配置有第一导电接点162与第二导电接点163，以及第三导电接点164与第四导电接点165。第一导电接点162与第二导电接点163分别通过第一导电线路166与第二导电线路167电连接于加热器130。第三导电接点164与第四导电接点165分别通过第三导电线路168与第四导电线路169电连接于温度感测器171。另一方面，温度控制元件211配置有第五导电接点212与第六导电接点213，以及第七导电接点214与第八导电接点215。第五导电接点212通过第五导电线路216电连接于第一导电接点162，且第六导电接点213通过第六导电线路217电连接于第二导电接点163。第七导电接点214通过第七导电线路218电连接于第三导电接点164，且第八导电接点215通过第八导电线路219电连接于第四导电接点165。也就是说，温度控制元件211不仅可电连接于加热器130，也可电连接于温度感测器171。
如图6A所示，微机电装置100还可包括不具导电性的导热元件151。导热元件151贯穿薄膜120，且导热元件151的两端部分别连接加热器130与储热元件140，以提供额外的热传导路径，使相同的热量在加热器130与储热元件140之间传导的时间缩短。换言之，加热器130可通过导热元件151与储热元件140热耦接。因此，当加热器130产生热量时，热量可同时通过导电导热元件150与不具导电性的导热元件151快速地传导至储热元件140，当电流停止流入加热器130时，储热元件140所储存的热量可通过导电导热元件150及不具导电性的导热元件151快速地传导至加热器130，故可实现较佳的热传导效率。
以下将列举其他实施例以作为说明。在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，下述实施例不再重复赘述。
图7是本发明第二实施例的局部剖面示意图。请参考图7，第二实施例的微机电装置100A与第一实施例的微机电装置100大致相似，两者间的主要差异在于：微机电装置100A还包括隔热材料102，其中隔热材料102覆盖基座110的内侧壁111a。详细而言，隔热材料102的材料可为二氧化硅。由于基板160、基座110以及薄膜120可形成隔热空腔101，且基座110的内侧壁111a配置有隔热材料102，因此有助于提升隔热空腔101的隔热效果，使得储热元件140所储存的热量不易散失至外界。
图8是本发明第三实施例的局部剖面示意图。请参考图8，第三实施例的微机电装置100B与第一实施例的微机电装置100大致相似，两者间的主要差异在于：微机电装置100B还包括散热器180，其中散热器180可包括散热层181以及至少一导热元件182(示意地绘示出两个)。散热层181设置于薄膜120的第一表面120a。散热层181不与温度感测器171接触，也不与加热器130接触。导热元件182贯穿薄膜120，且导热元件182的两端部分别连接散热层181与储热元件140。换言之，散热层181可通过导热元件182与储热元件140热耦接。
导热元件182的材质可为氮化硅，或者是其他导热但电性绝缘的材质。由于导热元件182可为导热且电性绝缘的材质所构成，因此散热层181并无法通过导热元件182与储热元件140电连接，以避免产生电性短路，或者避免产生温度感测器171测量不准确等电性问题。借着通过导热元件182将热量传导至散热层181，可使薄膜120周遭的环境温度能有较佳的均匀性。
图9是本发明第四实施例的局部剖面示意图。请参考图9，第四实施例的微机电装置100C与第三实施例的微机电装置100B大致相似，两者间的主要差异在于：微机电装置100C还包括隔热材料102，其中隔热材料102覆盖基座110的内侧壁111a。通过隔热材料102的设置，有助于提升隔热空腔101的隔热效果，使得储热元件140所储存的热量不易散失至外界。
图10是本发明第五实施例的局部剖面示意图。请参考图10，第五实施例的微机电装置100D与第一实施例的微机电装置100大致相似，两者间的主要差异在于：微机电装置100D还包括气体感测层190，其中气体感测层190设置于加热器130与温度感测器171上，并与加热器130及温度感测器171相接触。
在本实施例中，微机电装置100D可为微机电气体感测装置，其中气体感测层190因所含的纳米触媒的种类不同而可感测不同气体。一般而言，气体感测层190的电阻值会随着所吸附的目标气体的含量变化而产生变化。因此，通过观察输入气体感测层190的电流量的变化，就可以换算出气体感测层190的电阻值的变化而得知微机电装置100D周围的目标气体的浓度变化。加热器130可对气体感测层190进行加热，并使气体感测层190的温度维持于一定的预设范围内，以达到恒温的效果。如此一来，当目标气体浓度变化时，气体感测层190产生的电阻值变化的程度也随之增大。然而，加热器130产生的高温容易使薄膜120承受过大的热应力而产生翘曲变形或破裂，进而降低气体感测的准确度。因此，通过将储热元件140设置于薄膜120的第二表面120b，可强化薄膜120的结构强度。换言之，当加热器130产生热量时，薄膜120不易受热应力的作用而产生翘曲变形或破裂的现象。因此，本实施例的微机电装置100D能具有良好的感测准确度及可靠度。
另一方面，温度感测器171可用以侦测气体感测层190的温度，当温度感测器171所感测到的温度大于一预设值时，集成电路芯片210(绘示于图5)中的温度控制元件211(绘示于图5)可停止通入电流至加热器130，以使加热器130停止产生热量。在加热器130停止产生热量后，储存于储热元件140的热量可借着导电导热元件150及导热元件151传导至加热器130，使得气体感测层190的温度能继续维持于预设范围内，以达到气体感测层的工作温度。当储存于储热元件140的热量不足，而无法使气体感测层190的温度维持于预设范围内时，温度感测器171所感测到的温度会低于另一预设值。此时，温度控制元件211(绘示于图5)将通入电流至加热器130以产生热量，进而使气体感测层190的温度能继续维持于预设范围内，以达到气体感测层的工作温度。换言之，本实施例的微机电装置100D的加热器130、储热元件140可通过与集成电路芯片210(绘示于图5)中的温度控制元件211(绘示于图5)整合成为微机电温度控制系统。此微机电温度控制系统可以间歇性或选择性地提供电能至加热器130，进而缩短加热时间与减少加热频率。由于微机电温度控制系统无需持续供应电能至加热器130即能使气体感测层190的温度维持于预设范围内，因此可有效地降低电能的消耗。
图11是本发明第六实施例的局部剖面示意图。请参考图11，第六实施例的微机电装置100E与第五实施例的微机电装置100D大致相似，两者间的主要差异在于：微机电装置100E还包括隔热材料102，其中隔热材料102覆盖基座110的内侧壁111a。通过隔热材料102的设置，有助于提升隔热空腔101的隔热效果，使得储热元件140所储存的热量不易散失至外界。
图12是本发明第七实施例的局部剖面示意图。请参考图12，第七实施例的微机电装置100F与第五实施例的微机电装置100D大致相似，两者间的主要差异在于：微机电装置100F还包括散热器180，其中散热器180可包括散热层181以及至少一第一导热元件182(示意地绘示出两个)。散热层181设置于薄膜120的第一表面120a，且散热层181不与温度感测器171连接也不与加热器130连接。第一导热元件182贯穿薄膜120，且第一导热元件182的两端部分别连接散热层181与储热元件140。换言之，散热层181可通过第一导热元件182与储热元件140热耦接。储热元件140所储存的热量，可通过第一导热元件182将热量传导至散热层181，以使气体感测层190有均匀的温度分布。
在本实施例中，微机电装置100F还可包括不导电的第二导热元件151。第二导热元件151贯穿薄膜120，且第二导热元件151的两端部分别连接加热器130与储热元件140。换言之，加热器130可通过第二导热元件151与储热元件140热耦接。因此，当加热器130产生热量时，热量可同时通过导电导热元件150与不导电的第二导热元件151传导至储热元件140。相对地，当暂停通入电流至加热器130时，储存于储热元件140的热量可同时通过导电导热元件150与第二导热元件151传导至加热器130。
图13是本发明第八实施例的局部剖面示意图。请参考图13，第八实施例的微机电装置100G与第七实施例的微机电装置100F大致相似，两者间的主要差异在于：微机电装置100G还包括隔热材料102，其中隔热材料102覆盖基座110的内侧壁111a。通过隔热材料102的设置，有助于提升隔热空腔101的隔热效果，使得储热元件140所储存的热量不易散失至外界。
图14是本发明第九实施例的局部剖面示意图。请参考图14，第九实施例的微机电环境感测装置300包括:第一微机电装置302及第二微机电装置304。第一微机电装置302依据气体感测层190的材质，可用于感测特定气体的浓度。第二微机电装置304可感测微机电环境感测装置300所处环境中气体的压力P1。第一微机电装置302与图10的第五实施例的微机电装置100D大致相似，两者间的主要差异在于：第一微机电装置302与第二微机电装置304是采用相同的微机电制作工艺而将第一微机电装置302与第二微机电装置304整合在相同的基板160上，而成为多用途的微机电环境感测装置300。换言之，制作第一微机电装置302的工艺无需增加额外的步骤即能同时在基板160上制作出第二微机电装置304。如此，便能大幅降低微机电环境感测装置300的制造成本。
请参考图14，可用于感测环境气压的第二微机电装置304包含:第二基座310、可动电极320、固定电极330、第二薄膜340及导电垫350。第二基座310设置于基板160上且具有第二空洞311。可动电极320设置于第二空洞311中且被第二基座310所围绕。可动电极320的全部边界连接至第二基座310，以使可动电极320悬浮于固定电极330之上。换言之，可动电极320与基板160之间具有一距离d1。第二基座310可通过接合材料，例如是玻璃胶(glassfrit)，接合至基板160以形成一气密空腔301。更精确地说，气密空腔301可由可动电极320、第二基座310及基板160所定义。
气密空腔301可为真空状态或具有一内部气压P2。当气密空腔301为真空状态时，利用可动电极320与固定电极330间的电容变化，可以求得环境气压的绝对压力。当气密空腔301具有内部气压P2时，利用可动电极320与固定电极330间的电容变化，可以求得环境气压的相对压力。
此外，第二基座310还包括贯穿孔312及导电柱314。导电柱314设置于贯穿孔312中，以使导电柱314与第二基座310产生电性绝缘的效果。导电柱314连接设置于基板160上的导电线路360，以使导电柱314能电连接固定电极330。第二微机电装置304另包含第二导热导电元件380。第二薄膜340设置于第二基座310上且覆盖贯穿孔312及导电柱314。第二导电导热元件380设置于第二薄膜340中。第二导电导热元件380连接导电柱314及导电垫350以使导电垫350电连接固定电极330。
在现有技术中，需采用二套制作工艺分别制造出微机电气体传感器及微机电气压传感器。然后再将微机电气体传感器及微机电气压传感器分别组装至一基板上，以成为微机电环境传感器。如图14所示，本发明使第一微机电装置302之储热元件140的第一厚度t1与第二微机电装置304的可动电极320的第二厚度t2相同，如此便能采用相同的蚀刻制作工艺步骤，同时形成储热元件140与可动电极320以减少制作步骤并降低制作成本。在本实施例中，例如先对绝缘层覆硅(Silicon On Insulator,SOI)晶片中的元件层(device layer)进行蚀刻，以形成第一凹槽与第二凹槽。接着对第一凹槽与第二凹槽进行蚀刻，以分别形成如本实施例所示的储热元件140与可动电极320。因为采用相同的蚀刻制作工艺形成第一凹槽与第二凹槽，储热元件140的第一厚度t1会与可动电极320的第二厚度t2相同，且储热元件140的第三表面S3至基板的第一距离D1等于可动电极320的第四表面S4至基板的第二距离D2。然而，实际上，由于蚀刻制作工艺变异的影响，储热元件140的第一厚度t1与可动电极320的第二厚度t2可能不会完全相同，而会存在少许的差异。当第一厚度t1与第二厚度t2之差的绝对值除以第一厚度t1的数值小于10％时，可视为第一厚度t1实质上等于第二厚度t2。同样地，当第一距离D1与第二距离D2之差的绝对值除以第一距离D1的数值小于10％时，可视为第一距离D1实质上等于第二距离D2。
相同地，本揭露使第一微机电装置302的第一薄膜120的第三厚度t3与第二微机电装置304的第二薄膜340的第四厚度t4相同，如此便能采用相同的沉积制作步骤，同时形成第一薄膜120与第二薄膜340，以减少制作步骤并降低制作成本。由于沉积制作工艺变异的影响，第一薄膜120的第三厚度t3与第二薄膜340的第四厚度t4不会完全相同，而会存在少许的差异。当第三厚度t3与第四厚度t4之差的绝对值除以第三厚度t3的数值小于10％时，可视为第三厚度t3实质上等于第四厚度t4。在另一未绘示实施例中，可再增加蚀刻制作工艺，使储热元件140的第一厚度t1实质上不等于可动电极320的第二厚度t2，以使微机电环境感测装置300在气体感测及气压量测上都有较佳的性能，例如较佳的灵敏度或较佳的可靠度。
综上所述，由于储热元件能强化薄膜的结构强度，避免薄膜受热应力而翘曲变形或破损，因此本发明的微机电温度控制系统能具有良好的可靠度。另一方面，当温度感测器所感测到的温度高于一预设值时，温度控制元件可停止通入电流至加热器，使加热器停止产生热量。一旦加热器停止产生热量，储存于储热元件的热量可传导至加热器，以使比热较小的加热器维持在预设温度范围内的时间增长。当温度感测器所感测到的温度低于另一预设值时，温度控制元件将通入电流至加热器，以使加热器产生热量，进而使得薄膜周遭的环境温度能继续维持于预设范围内。并且，加热器所产生的热量可传导至储热元件。由于储热元件的比热较加热器的比热为大，因此储存于储热元件的热量较不易散失。
换言之，本发明的微机电装置的加热器、储热元件可通过与集成电路芯片中的温度控制元件整合成为微机电温度控制系统。此微机电温度控制系统可以间歇性或选择性地提供电能至加热器，进而缩短加热时间与减少加热频率。由于微机电温度控制系统无需持续供应电能至加热器即能使薄膜周遭的环境温度维持于预设范围内，因此可有效地降低电能的消耗。
另一方面，基板、基座以及薄膜可形成隔热空腔。为了防止隔热空腔内的气体外泄，而将储热元件所储存的热量传导至隔热空腔之外，隔热空腔可为气密空腔。举例来说，气密空腔可为真空的，以使隔热效果更为显著。因此，设置于隔热空腔内的储热元件所储存的热量便不易散失至外界。
虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (37)

1.一种微机电温度控制系统，其特征在于，包括：
微机电装置，包括：
基座，包含空洞；
薄膜，具有第一表面以及相对于该第一表面的第二表面，该薄膜覆盖该空洞；
加热器，设置于该薄膜的该第一表面；以及
储热元件，设置于该薄膜的该第二表面，且位于该空洞中，其中该储热元件的比热大于该加热器的比热。
2.如权利要求1所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该微机电装置还包括：
至少一导电导热元件，贯穿该薄膜，且电连接该加热器与该储热元件。
3.如权利要求1所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该储热元件包括凸块，其中该凸块的材质为硅。
4.如权利要求1所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该薄膜包括第一材料层及两第二材料层，且该第一材料层设置于该两第二材料层之间，其中该第一材料层的热膨胀系数大于该基座的热膨胀系数，且该第二材料层的热膨胀系数小于该基座的热膨胀系数。
5.如权利要求1所述的微机电温度控制系统，其特征在于，还包括：
基板，其中该基座设置于该基板上，且该基板、该基座及该薄膜形成隔热空腔，该储热元件设置于该隔热空腔中。
6.如权利要求5所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该隔热空腔为气密空腔。
7.如权利要求5所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该微机电装置还包括：
隔热材料，覆盖该基座的内侧壁。
8.如权利要求5所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该微机电装置还包括：
散热器，包括至少一散热层及至少一导热元件，该散热层设置于该薄膜的该第一表面，该导热元件贯穿该薄膜，且该导热元件连接该储热元件及该散热层。
9.如权利要求8所述的微机电温度控制系统，其特征在于，还包括：
集成电路芯片，其中该集成电路芯片包括温度控制元件，该微机电装置还包括温度感测器，该温度感测器设置于该薄膜的该第一表面，该温度控制元件分别与该温度感测器及该加热器电性耦接，该温度控制元件依据该温度感测器所感测到的温度调整该加热器所产生的热量大小。
10.一种微机电温度控制系统，其特征在于，包括：
微机电装置，包括：
基座，包含空洞；
薄膜，具有第一表面以及相对于该第一表面的第二表面，该薄膜覆盖该空洞；
加热器，设置于该薄膜的该第一表面；
储热元件，设置于该薄膜的该第二表面，且位于该空洞中；以及
散热器，包括至少一散热层及至少一导热元件；
其中该储热元件的比热大于该加热器的比热，该散热层设置于该薄膜的该第一表面，该导热元件贯穿该薄膜，且该导热元件连接该储热元件及该散热层。
11.如权利要求10所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该微机电装置还包括：
至少一导电导热元件，贯穿该薄膜，且电连接该加热器与该储热元件。
12.如权利要求10所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该储热元件包括凸块，其中该凸块的材质为硅。
13.如权利要求10所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该薄膜包括第一材料层及两第二材料层，该第一材料层设置于该两第二材料层之间，其中该第一材料层的热膨胀系数大于该基座的热膨胀系数，该第二材料层的热膨胀系数小于该基座的热膨胀系数。
14.如权利要求10所述的微机电温度控制系统，其特征在于，还包括：
集成电路芯片，其中该集成电路芯片包括温度控制元件，该微机电装置还包括温度感测器，该温度感测器设置于该薄膜的该第一表面，该温度控制元件分别与该温度感测器及该加热器电性耦接，该温度控制元件依据该温度感测器所感测到的温度调整该加热器所产生的热量大小。
15.一种微机电温度控制系统，其特征在于，包括：微机电装置以及集成电路芯片，
该微机电装置，包括：
基座，包含空洞；
薄膜，具有第一表面以及相对于该第一表面的第二表面，该薄膜覆盖该空洞；
加热器，设置于该薄膜的该第一表面；
储热元件，设置于该薄膜的该第二表面，且位于该空洞中；以及
温度感测器，设置于该薄膜的该第一表面；
该集成电路芯片，包括:
温度控制元件，分别与该温度感测器及该加热器电性耦接；
其中该储热元件的比热大于该加热器的比热，该温度控制元件依据该温度感测器所感测到的温度调整该加热器所产生的热量大小。
16.如权利要求15所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该微机电装置还包括：
至少一导电导热元件，贯穿该薄膜，且电连接该加热器与该储热元件。
17.如权利要求15所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该储热元件包括一凸块，其中该凸块的材质为硅。
18.如权利要求15所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该薄膜包括第一材料层及两第二材料层，该第一材料层设置于该两第二材料层之间，其中该第一材料层的热膨胀系数大于该基座的热膨胀系数，该第二材料层的热膨胀系数小于该基座的热膨胀系数。
19.如权利要求15所述的微机电温度控制系统，其特征在于，还包括：
基板，其中该基座设置于该基板上，该基板、该基座及该薄膜形成一隔热空腔，该储热元件设置于该隔热空腔中。
20.如权利要求19所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该隔热空腔为气密空腔。
21.如权利要求19所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该微机电装置还包括：
隔热材料，覆盖该基座的内侧壁。
22.一种微机电温度控制系统，适用于气体的感测，其特征在于，该微机电温度控制系统包括：基板、微机电装置以及集成电路芯片，
该微机电装置，包括:
基座，包含空洞；
薄膜，具有第一表面以及相对于该第一表面的第二表面，其中该薄膜覆盖该空洞，该基座设置于该基板上，该基座与该基板及该薄膜形成一隔热空腔；
加热器，设置于该薄膜的该第一表面；
储热元件，设置于该薄膜的该第二表面，且位于该隔热空腔中；
导电元件，贯穿该薄膜，且电连接该加热器与该储热元件；
散热器，包括至少一散热层及至少一导热元件，其中该散热层设置于该薄膜的该第一表面，该导热元件贯穿该薄膜，该导热元件连接该储热元件及该散热层；
温度感测器，设置于该薄膜的该第一表面；以及
气体感测层，设置于该加热器与该温度感测器上；
该集成电路芯片，包括:
温度控制元件，分别与该温度感测器与该加热器电性耦接，其中该储热元件的比热大于该加热器的比热，该温度控制元件利用该温度感测器所感测到的温度调整该加热器所产生的热量大小。
23.如权利要求22所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该储热元件包括凸块，其中该凸块的材质为硅。
24.如权利要求22所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该薄膜包括第一材料层及两第二材料层，该第一材料层设置于该两第二材料层之间，其中该第一材料层的热膨胀系数大于该基座的热膨胀系数，该第二材料层的热膨胀系数小于该基座的热膨胀系数。
25.如权利要求24所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该隔热空腔为气密空腔。
26.如权利要求24所述的微机电温度控制系统，其特征在于，该微机电装置还包括：
隔热材料，覆盖该基座的内侧壁。
27.一种微机电温度控制系统，适用于气体感测及气压感测，该微机电温度控制系统包括：基板、第一微机电装置以及第二微机电装置，
该第一微机电装置，包括:
第一基座，包含一第一空洞；
第一薄膜，具有第一表面以及相对于该第一表面的第二表面，其中，
该第一薄膜覆盖该第一空洞，该第一基座设置于该基板上，该第一基座、该基板及该第一薄膜定义隔热空腔；
加热器，设置于该第一薄膜的该第一表面；
储热元件，设置于该第一薄膜的该第二表面且位于该隔热空腔中，
其中该储热元件的比热大于该加热器的比热；以及
气体感测层，设置于该加热器上；
该第二微机电装置，包括:
第二基座，包含一第二空洞；
第二薄膜，置于该第二基座上；
可动电极，置于该第二空洞中；
其中，该第二基座置于该基板上，该可动电极的全部边界被该第二基座所围绕且连接至该第二基座，该可动电极与该基板之间具有一距离，以使该可动电极、该第二基座及该基板定义一气密空腔；以及
固定电极，设置于该基板上且设置于该气密空腔内。
28.如权利要求27所述的微机电温度控制系统，其中该储热元件具有第一厚度，该可动电极具有第二厚度，该第一厚度实质上等于该第二厚度。
29.如权利要求27所述的微机电温度控制系统，其中该储热元件的第三表面至该基板的第一距离实质上等于该可动电极的第四表面至该基板的第二距离。
30.如权利要求27所述的微机电温度控制系统，其中该第一薄膜具有第三厚度，该第二薄膜具有第四厚度，该第三厚度实质上等于该第四厚度。
31.如权利要求27所述的微机电温度控制系统，其中该第二基座还包括贯穿孔及导电柱，该导电柱设置于该贯穿孔中。
32.如权利要求31所述的微机电温度控制系统，其中该第二薄膜覆盖该贯穿孔。
33.如权利要求32所述的微机电温度控制系统，还包括导电垫及第二导电导热元件，其中该导电垫设置于该第二薄膜上，该第二导电导热元件贯穿该第二薄膜且电连接该导电柱与该导电垫。
34.如权利要求27所述的微机电温度控制系统，其中该气密空腔具有内部气压。
35.如权利要求27所述的微机电温度控制系统，其中该气密空腔为真空。
36.如权利要求27所述的微机电温度控制系统，还包括温度传感器及第一导电导热元件，其中该温度传感器设置于该第一薄膜的该第一表面，该第一导电导热元件贯穿该第一薄膜，且连接该加热器与该储热元件。
37.如权利要求36所述的微机电温度控制系统，还包括集成电路芯片，该集成电路芯片包括温度控制元件，其中该温度控制元件分别与该温度传感器与该加热器电性耦接，该温度控制元件利用该温度传感器所感测到的温度调整该加热器所产生的热量大小。
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