CN110240114B

CN110240114B - 包括微机电系统和封装该微机电系统的盒子的电子系统

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Publication number: CN110240114B
Application number: CN201910163191.6A
Authority: CN
Inventors: 伯特兰·勒威里耶; 克劳德·萨尔诺; 克劳德·卢乔; 罗曼·欧朵
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2024-03-29
Anticipated expiration: 2039-03-05
Also published as: US10994988B2; US20190276307A1; CN110240114A; EP3536659B1; EP3536659A1; FR3078694A1; FR3078694B1

Abstract

本发明涉及一种电子系统，其包括电子系统(10)，电子系统(10)包括机电微系统(12)和封装所述微系统(12)的密封盒(14)。该盒(14)包括紧固平面。机电微系统(12)包括敏感部分(47)和将敏感部分(47)连接至紧固平面的至少两个横梁(51A、51B)。横梁(51A、51B)热耦合至敏感部分(47)并且彼此电耦合。该系统还包括机电微系统(12)的热调节器(16)，热调节器(16)包括电路(61)和电路控制器(62)，电路(61)包括连接至横梁(51A、51B)的至少两个端部(69A)，电路控制器(62)能够在所述电路(61)中生成电流以修改所述敏感部分(47)的温度。

Description

包括微机电系统和封装该微机电系统的盒子的电子系统

【技术领域】

本发明涉及包括机电微系统和封装所述机电微系统的密封盒的电子系统。

【背景技术】

按照已知的方式，机电微系统是包括使用电作为电源以便执行与具有测微维度的至少一种结构一起执行传感器和/或致动器功能的一个或多个元件的微系统，并且其功能部分地由所述结构的形式来执行。使用首字母缩略词MEMS来简写术语“机电微系统”。

为了观察谐振机电微系统的适当操作，通常将谐振机电微系统安装在真空密封盒中，例如由陶瓷材料制成的密封盒。该盒包括实施在机电微系统与外界系统之间传输数据(以及可选地，电力)所必需的电触点。

在文献FR 2,958,451中具体描述了这种盒子。

此外，为了在保留微系统的性能的同时将机电微系统稳定附接在盒子中，从文献FR 2,966,813得知是使用弹性横梁，也称为解耦臂，来将微系统连接至盒子。鉴于解耦臂的弹性性质，这些解耦臂使得可以吸收在MEMS系统与盒子之间的差式膨胀。

机电微系统例如可以具有致动器或传感器，具体地，惯性传感器或振荡器。

已知的是，这种机电微系统在操作期间对外界温度变化具有很高的敏感度。因此，通常必须提供对机电微系统的热控制，以确保其测量或其动作的精度的均匀性。当机电微系统用在所谓的敏感应用(具体地，在航空或航天领域中可能会找到这种敏感应用)中时尤其如此。

传统上讲，为了实施对机电微系统的热控制，现有技术提出了在所述微系统的敏感部分附近使用Peltier模型。该模块使得可以加热或冷却敏感部分或整个MEMS系统。另一种方案包括添加电阻元件，该电阻元件通过Joule效应使得可以加热敏感部分或整个MEMS系统。

然而，这些方案都不能令人完全满意。

具体地，在一些情况下，鉴于具体由盒子所施加的限制，这些方案被实施在离MEMS系统很远的地方，使得提供该总成的适当操作必须要有很大的能量。在其它情况下，当将这些方案直接应用到MEMS系统时，针对该总成的操作，必须在该系统中添加均质材料。这产生了遗留物和差式膨胀限制，这将降低机电微系统的长期稳定性能。此外，这在这些系统的生产期间增加了另外的步骤。

【发明内容】

本发明的目的是提出一种用于MEMS系统的具有热调节的电子系统，该电子系统尤其紧凑并且不要求添加另外的材料，尤其是不要求在该MEMS系统上添加另外的材料。

本发明因此使得可以在不降低MEMS系统的性能的情况下提供对MEMS系统的有效且精确的热调节。

为此，本发明涉及包括机电微系统和封装所述机电微系统的真空密封盒的电子系统。盒包括紧固平面。

机电微系统包括：敏感部分；以及将该敏感部分连接至紧固平面的至少两个横梁，各个横梁由至少部分导电的材料制成。

横梁热耦合至敏感部分并且彼此电耦合。该系统还包括机电微系统的热调节器，该热调节器包括电路和电路控制器，该电路包括连接至横梁的至少两个端部，该电路控制器能够在电路中生成电流以修改敏感部分的温度。

根据本发明的其它有利方面，该系统包括一个或多个以下特征(单独地或根据所有技术上可能的组合来考虑)：

-热调节器还包括能够测量敏感部分的至少一个参数的基本传感器，该参数根据敏感部分的温度变化；电路控制器能够根据基本传感器提供的测量在电路中生成电流；

-各个横梁经由紧固元件连接至紧固平面，该紧固元件在接触点处集成到所述平面中；电路的各个端部电连接至接触点中的一个接触点；

-紧固平面形成盒的一个面的内表面；

-紧固平面附接至盒的各个面并且与该面热绝缘；

-紧固平面是透空式的(open-worked)；

-热调节器还包括热耦合至敏感部分的Peltier模块；

-各个横梁和/或敏感部分由基于硅的材料制成；

-绝缘层设置在敏感部分与横梁之间；

-在其中蚀刻敏感部分的中间层和形成横梁的下层；

-中间层和下层经由绝缘层电绝缘并且热耦合；

-下层还包括与绝缘层接触并且电耦合横梁的中央基板；

-各个横梁是可弯曲变形的解耦臂；以及

该系统形成传感器，优选地惯性传感器。

【附图说明】

在阅读以下说明后，本发明的这些特征和优点将会变得明显。以下说明是仅作为非限制性示例被提供的并且是参照附图进行的。在图中：

图1是根据本发明的第一实施例的电子系统的剖面图，该电子系统具体包括盒；

图2是图1的盒的俯视图；

图3是根据本发明的一个有利方面的图1所示电子系统的剖面图；

图4是根据本发明的第二实施例的电子系统的剖面图，该电子系统具体包括盒；以及

图5是图4的盒的俯视图。

【具体实施方式】

图1的电子系统10例如是传感器，优选地惯性传感器。例如，电子系统10可机载式地用在飞行器上，以测量飞行器的角速度和/或飞行器的加速度。

根据另一示例实施例，电子系统10是具有硅谐振器的时钟。

根据其它示例实施例，根据本发明的电子系统对应于要求热控制的任何其它电子系统，诸如振荡器或高精度致动器。

参照图1，电子系统10包括机电微系统12、封装所述机电微系统12的真空密封盒14、具体是机电微系统12的热调节器16。

盒14例如被制成多层陶瓷，并且例如，呈现由四个侧壁21A至21D(图2也示出了)、盒底22和盒盖23构成的平行六面体形状。

按照本身已知的方式，侧壁21A至21D包括具体地将机电微系统12连接至外界系统并且允许在这些不同系统之间传输信号(具体地，模拟信号)的输出电触点25。

盒盖23本身也是已知的，并且具体地，使得可以在将机电微系统12安装到盒14中时在真空下将盒14密封关闭。

盒底22包括陶瓷基座30，该陶瓷基座30形成被设置成与盒14的外侧中部接触的外表面和内表面。

根据本发明的第一实施例，盒底22还包括部分地盖住陶瓷基座30的内表面的金属化层31。

具体地，金属化层31限定出多个紧固点，这些紧固点在图2中用通用参考符号39A至39D表示。

例如，紧固点39A至39D相对于与盒底22垂直的轴线对称设置。这些紧固点39A至39D的数量与后文会详细阐释的紧固点的数量对应。

此外，在金属化层31中，紧固点39A至39D彼此电绝缘。例如，这是通过打断金属化层31的连续性以使包括这些紧固点39A至39D的区域绝缘来实现的。

金属化层31与紧固点39A至39D一起形成紧固平面40。

通常，盒14例如是根据文献FR 2,958,451中描述的示例中的一个示例。

机电微系统12(也称为“MEMS”或“MEMS系统”)使得可以执行电子系统10的操作。

具体地，参照图1，机电微系统12由三个导电层(即上层42、中间层43和下层44)和设置在这些导电层42至44之间的两个电绝缘层45、46构成。

各个导电层42至44由至少部分导电的材料制成，例如，用硅重掺杂的材料。

各个绝缘层45、45使得可以使导电层42至44彼此电绝缘并且，例如，由氧化硅制成。

中间层43具体地限定出例如在所述层43的中心处被蚀刻的敏感部分47。敏感部分47具体地用作陀螺仪和/或加速度计并且使得可以分别测量电子系统10沿着一个轴线或多个轴线的角速度或加速度。根据另一示例实施例，敏感部分47用作谐振器。

中间层43通过连接构件连接至盒14的电触点，该连接构件能够从外界系统和/或向所述系统接收和/或发送信号(具体地，模拟信号)。

中间层43提供的测量的精度例如取决于与所述层接触的介质的温度。

上层42是可选地并且，具体地，具有盖子，使得可以在将机电微系统12安装在盒14中期间保护敏感部分47免于接触到灰尘。

下层44包括：中央基板50，其与绝缘层46接触并且支撑所述层46以及层42、43、45；以及多个横梁，这些横梁例如设置在中央基板50周围。

各个横梁有利地具有解耦臂。

解耦臂使得可以经由针对各个所述臂限定的紧固元件将机电微系统12紧固到紧固平面40。各个解耦臂可弯曲变形并且因此使得可以将机电微系统12的移动与盒14解耦。

在图1和图2的示例实施例中，下层44包括四个解耦臂并且因此具有与所述解耦臂相关联的四个紧固元件。图1中仅看得到用通用参考符号51A、51B表示的两个解耦臂以及用通用参考符号52A、52B表示的两个紧固元件。

解耦臂例如相对于与紧固平面40垂直的轴线对称设置并且，例如，在由盒14的侧壁21A至21D限定的方向上延伸，在它们之间不存在截断点。

紧固元件也由至少部分导电的材料制成并且，例如，通过钎焊或导电胶在紧固点39A至39D上紧固至紧固平面40。

通常，可以根据文献FR 2,966,813中提到的示例中的任何一个示例来实施解耦臂。

根据一个示例实施例，中央基板50实现了所有紧固臂的电耦合。

根据另一示例实施例，中央基板50通过形成多个连接对来实现将各对解耦臂电耦合在一起。因此，属于不同连接对的解耦臂彼此电绝缘。

此外，中央基板50在保持热耦合至所述中间层43的同时经由绝缘层46与中间层43电绝缘。

在图1的示例实施例中，热调节器16包括电路61、电路控制器62，并且有利地，包括基本传感器63。

基本传感器63能够测量敏感部分47的至少一个参数，该参数根据敏感部分47的温度而变化。例如，该参数可以直接是温度或者任何其它物理参数，诸如所述部分或中间层43(通常)沿着一个轴线或多个轴线的膨胀或压缩。

电路控制器62连接至基本传感器63并且能够根据所述参数在电路61中生成电流以便修改，具体地提高，敏感部分47的温度。

例如，电路控制器62采取连接至电源(例如，电池)并且限定出正端子和负端子的可编程电子控制器的形式。该控制器62例如被编程以便在其端子之间提供具有根据基本传感器63提供的参数确定的值的电压差或具有预定值的电压差。

例如，电路控制器62设置在盒14外面。

电路61连接至控制器62的端子并且进一步为各个紧固点39A至39D限定一个端部69A至69D。换言之，电路61允许将各个紧固点39A至39D电连接至电路控制器62的正端子或负端子。

有利地，当解耦臂形成多个电绝缘的连接对时，电路61允许将与其中一对的解耦臂对应的紧固点电连接至正端子并且将与该对中的另一解耦臂对应的紧固点电连接至负端子。

在所描述的示例中，紧固点39A、39D连接至电路控制器62的正端子并且紧固点39D、39C连接至电路控制器62的负端子。

在盒14外面，电路61例如采用彼此绝缘的多个电缆的形式。

在盒14内部并且可选地在其壁内部，电路61例如采用形成在金属化层31中的多个电缆或多个轨道的形式，与紧固点39A至39D相似。

在图2的示例中，端部69A至69D是形成在金属化层31中的轨道的形式，通往对应的紧固点39A至39D。

现在将阐释根据本实施例的电气系统10的操作。

起初，中间层43的温度(以及具体地，敏感部分47的温度)例如低于标称操作温度。

该温度由基本传感器63测得，基本传感器63接下来将对应的数据发送给电路控制器62。

电路控制器分析接收到的数据并且在其端子之间产生具有根据接收到的数据的预定值的电压差或具有预定值的电压差。

这会在电路61中生成电流。

所生成的电流通过解耦臂并且，鉴于解耦臂的电阻，对解耦臂加热。这会加热中央基板50，鉴于在这些不同组件之间的热耦合，中央基板50将热量传递至中间层43(以及具体地，敏感部分47)。

通过分析基本传感器63提供的数据，当电路控制器62认为已经达到标称操作温度时，其切断电路61的电源。

根据图3所示的本发明的有利方面，热调节器16还包括本身已知的Peltier模块70。

例如，该Peltier模块70设置为与盒14的陶瓷基座30的外表面接触。根据另一示例实施例，该模块70设置在盒14内部。

例如，Peltier模块70的操作由控制器62控制。

因此，基于基本传感器63提供的数据，控制器62例如可以启动模块70的操作以便冷却盒底22并且因此冷却机电微系统12。

可以看出，本发明具有若干优点。

首先，本发明避免盒内另外组件的任何添加，具体地，在机电微系统上添加另外的材料。因此，根据本发明，不会对机电微系统增加另外的限制，这延长了机电微系统的使用寿命并且使得可以保持盒相对紧凑。此外，在将机电微系统安装在盒中期间，不需要另外的生产步骤。

此外，本发明使得可以将加热直接应用到机电微系统上，并且甚至是直接应用到机电微系统的敏感部分上。考虑到机电微系统真空包装，这降低了热损失并且因此限制了必要的能源。

最后，可以容易地将所提出的方案与Peltier模块的使用相结合，具体地，以便能够冷却机电微系统。

图4和图5中示意性地图示了根据第二实施例的电子系统110。

该电子系统110与前面描述的电子系统10相似并且具体地包括机电微系统112和热调节器116，机电微系统112和热调节器116分别与前面描述的机电微系统12和热调节器16基本相同。因此，将不参照第二实施例描述这些组件。

电子系统110还包括盒114，盒114与前面描述的盒14的不同之处在于其盒底122，并且因为盒114还包括附接至盒底122的平台190，从而形成真空层191。

事实上，根据第二实施例，盒底122例如是均匀的并且基本上全部由相同的材料或多层相同的材料(例如，陶瓷)制成。

相反，平台190包括基座130(例如由陶瓷制成)和部分地盖住基座130的金属化层131。金属化层131与前面描述的层31相似。具体地，金属化层131限定出与紧固点39A至39D相似的紧固点139A至139D。

平台190因此形成附接至盒底22的紧固平面140。该平面140的紧固作用仍然与平面40的紧固作用相似。

此外，例如，通过使用合适的紧固臂将平台190紧固在盒114的侧壁上。

根据在图5中可详细看到的第二实施例的有利方面，平台190是透空式的并且例如形成四个开口195A至195D。

这些开口195A至195D例如是三角形的，使得平台190的基座130采用矩形框架的形式，该矩形框架被两个通孔组件沿着矩形的各个对角线穿过。

在这种情况下，热调节器116的电路161的在盒114内部被发现的部分采用适合到达紧固点139A至139D的形状。

具体地，在图5的示例中，这些部分采用形成在金属化层131中的轨道的形式，这些轨道首先依循框架并且然后依循形成平台190的对角线通孔组件中的一个通孔组件的一半。

根据本实施例，也可以将Peltier模块集成到系统中，例如，集成到盒14内部。

根据本实施例的系统110的操作与前面描述的系统10的操作相似。

本发明的第二实施例的具体优点包括在敏感部分与盒底之间存在真空层。这提高了敏感元件的热绝缘性并且降低了针对加热敏感元件所需的性能。

此外，陶瓷基座的具体形状使得可以降低解耦臂的导热性并且因此可以进一步改进敏感部分的热绝缘性。

当然，其它实施例也是可能的。

此外，明显的是，在作为整体的实施例中，主要由于横梁、Peltier模块或可选的任何其它加热元件，实现了对机电微系统的热调节。

Claims

1.一种电子系统（10；110），包括机电微系统（12；112）和封装所述机电微系统（12；112）的真空密封盒（14；114）；

所述真空密封盒（14；114）包括紧固平面（40；140）；

所述机电微系统（12；112）包括：

敏感部分（47）；以及

将所述敏感部分（47）连接至所述紧固平面（40；140）的至少两个横梁（51A、51B），各个横梁（51A、51B）由至少部分导电的材料制成；

所述系统（10；110）的特征在于：

所述横梁（51A、51B）热耦合至所述敏感部分（47）并且彼此电耦合；以及

所述系统（10；110）还包括所述机电微系统（12；112）的热调节器（16；116），所述热调节器（16；116）包括电路（61；161）和电路控制器（62），所述电路（61；161）包括连接至所述横梁（51A、51B）的至少两个端部（69A、...、69D），所述电路控制器（62）能够在所述电路（61；161）中生成电流以修改所述敏感部分（47）的温度。

2.根据权利要求1所述的电子系统（10；110），其中，所述热调节器（16；116）还包括能够测量所述敏感部分（47）的至少一个参数的基本传感器（63），所述参数根据所述敏感部分（47）的温度变化；

所述电路控制器（62）能够根据所述基本传感器（63）提供的测量在所述电路（61；161）中生成电流。

3.根据权利要求1所述的电子系统（10；110），其中，各个横梁（51A、51B）经由紧固元件（52A、52B）连接至所述紧固平面（40；140），所述紧固元件（52A、52B）在接触点（39A、...、39D；139A、...、139D）处集成到所述平面（40；140）中；

所述电路（61；161）的各个端部（69A、...、69D）电连接至所述接触点（39A、...、39D；139A、...、139D）中的一个接触点。

4.根据权利要求1所述的电子系统（10），其中，所述紧固平面（40）形成所述真空密封盒（14）的一个面的内表面。

5.根据权利要求1所述的电子系统（110），其中，所述紧固平面（140）附接至所述真空密封盒（14）的各个面并且与所述真空密封盒（14）的各个面热绝缘。

6.根据权利要求5所述的电子系统（110），其中，所述紧固平面（140）是透空式的。

7.根据权利要求1所述的电子系统（10；110），其中，所述热调节器（16；161）还包括热耦合至所述敏感部分（47）的Peltier模块（70）。

8.根据权利要求1所述的电子系统（10；110），其中，各个横梁（51A、51B）和/或所述敏感部分（47）由基于硅的材料制成。

9.根据权利要求1所述的电子系统（10；110），还包括设置在所述敏感部分（47）与所述横梁（51A、51B）之间的绝缘层（46）。

10.根据权利要求9所述的电子系统（10；110），包括在其中蚀刻所述敏感部分（47）的中间层（43）和形成所述横梁（51A、51B）的下层（44）；

所述中间层（43）和所述下层（44）经由所述绝缘层（46）电绝缘并且热耦合。

11.根据权利要求10所述的电子系统（10；110），其中，所述下层（44）还包括与所述绝缘层（46）接触并且电耦合所述横梁（51A、51B）的中央基板（50）。

12.根据权利要求1所述的电子系统（10；110），其中，各个横梁（51A、51B）是可弯曲变形的解耦臂。

13.根据权利要求1所述的电子系统（10；110），形成传感器。

14.根据权利要求13所述的系统（10；110），其中，所述传感器是惯性传感器。

15.根据前述权利要求中任一项所述的电子系统（10；110），其中，当在电路（61；161）中生成电流时，各个横梁（51A、51B）能够发热。