CN113460951A - 一种主动式mems固态制冷器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主动式MEMS固态制冷器件及其制备方法，该固态制冷器件包括自上至下依次排布的顶部散热层、悬臂梁结构和底部吸热层；其中，悬臂梁结构包括自下而上依次排布的基片层、下电极薄膜层、反铁电薄膜层和上电极薄膜层。本发明可微型化并与半导体芯片制造技术兼容，能够实现局域位置指定、按需分配的芯片级高效制冷散热方法，有效解决限制半导体芯片工作性能的热管理瓶颈问题，其结合悬臂梁结构和反铁电材料，能够同时利用反铁电薄膜的电卡和电致应变效应，大大简化制冷器件的结构设计并提高性能，同时可实现微型化制造并与半导体芯片集成技术兼容。

Description

一种主动式MEMS固态制冷器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及芯片制冷技术领域，特别是涉及一种主动式MEMS固态制冷器件及其制造方法。

背景技术

遵循摩尔定律飞速发展的半导体芯片集成度越来越高，工作时产生的热量也越来越多，其PN结性质对温度十分敏感，高温不仅限制运行速度、功率与集成密度的提高，也会造成能耗、使用寿命和安全问题。对于微型电子器件，尤其是半导体芯片(例如硅基处理器)，随着工作负载的变化，其产生的热量在时间和空间上都处于高度不均匀分布的状态。目前半导体芯片的制冷方法主要分为被动式和主动式。被动式(例如高热传导材料的散热片)结构简单，但普遍效率较低，无法满足高散热量电子器件的要求；主动式(例如风冷、液冷)通常含有复杂结构的机械部件，且难以微型化与微型电子器件集成应用。

因此，本领域亟需一种结构简单且易于微型化的主动式制冷的技术方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种主动式MEMS固态制冷器件及其制造方法，以解决目前主动式制冷器件结构复杂难以微型化的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种主动式MEMS固态制冷器件，所述固态制冷器件包括自上至下依次排布的顶部散热层、悬臂梁结构和底部吸热层；

所述悬臂梁结构包括自下而上依次排布的基片层、下电极薄膜层、反铁电薄膜层和上电极薄膜层。

可选的，所述顶部散热层主体为带有硅槽的硅基片；所述硅基片内表面具有一层氮化硅防磨损层；

所述底部吸热层为硅基片。

可选的，

所述基片层材料为硅；

所述下电极薄膜层材料为Pt、SrRuO₃、LaNiO₃中的一种；

所述反铁电薄膜层材料为PbZrTiO₃(PZ)、(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O₃(PLZST)、(Pb,Nb)(Zr,Sn,Ti)O₃(PNZST)中的一种；

所述上电极薄膜层材料为Au、Pt、SrRuO₃、LaNiO₃中的一种。

可选的，

所述反铁电薄膜层厚度为0.5μm～10μm。

可选的，

所述上电极薄膜层上部还设置有一层氮化硅薄膜层。

可选的，所述固态制冷器件的工作原理为：

初始阶段，外加电场E＝0，所述反铁电薄膜层中的反铁电材料在相邻离子连线上的偶极子呈反平行排列，所述悬臂梁结构的底部与底部吸热层上表面接触，所述固态制冷器件的整体温度为T；

当所述外加电场达到E_max时，所述反铁电材料产生反铁电到铁电相变反应，所述反铁电材料在相邻离子连线上的偶极子呈同方向平行排列；在准绝热条件下，偶极子有序度增加而熵减小，则温度上升ΔT，即所述固态制冷器件的整体温度为T+ΔT，同时，所述相变反应产生电致伸缩效应，将驱动所述悬臂梁结构向上运动，使所述悬臂梁结构的上表面与所述顶部散热层的下表面接触，将热量传递至所述顶部散热层，使所述悬臂梁结构的温度恢复为T；

去除所述外加电场，使E＝0时，所述反铁电材料在相邻离子连线上的偶极子从同方向平行排列变为反平行排列，在准绝热条件下，有序度变小而熵增加，则温度降低ΔT，即所述悬臂梁结构的温度为T-ΔT，同时，所述悬臂梁结构恢复至底部与所述底部吸热层上表面接触的初始阶段，所述悬臂梁结构与所述底部吸热层之间存在ΔT的温度差，使热量从所述底部吸热层扩散至所述悬臂梁结构，使所述悬臂梁结构温度恢复为T。

一种主动式MEMS固态制冷器件的制造方法，所述方法包括：

在第一硅基片表面覆盖一层下电极薄膜层；

在所述下电极薄膜层表面覆盖一层反铁电薄膜层；

在所述反铁电薄膜层上表面制作一层上电极薄膜层；

除去所述下电极薄膜层引线焊点部分的反铁电薄膜，并将所述下电极薄膜层刻蚀成悬臂梁图形；

除去所述悬臂梁图形对应的所述第一硅基片的部分，形成硅槽；

刻蚀所述第一硅基片的下表面对应的硅槽部分，释放悬臂梁，得到悬臂梁结构；

将第二硅基片刻出凹槽结构，凹槽的一边带有豁口，得到顶部散热层；

准备第三硅基片作为底部吸热层；

将所述顶部散热层、所述悬臂梁结构和所述底部吸热层由上至下键合在一起。

可选的，所述在所述反铁电薄膜层上表面制作一层上电极薄膜层，具体包括：

利用光刻和溅射方法在所述反铁电薄膜层上表面制作条形上电极薄膜层。

可选的，在所述反铁电薄膜层上表面制作一层上电极薄膜层之后，还包括：

分别在所述第一硅基片下表面和所述上电极薄膜层的上表面覆盖一层氮化硅薄膜层；

利用光刻技术刻除所述上电极薄膜层的上电极焊点部分的氮化硅薄膜；

刻除所述下电极薄膜层的下电极引线焊点部分的氮化硅薄膜。

可选的，在所述除去所述悬臂梁图形对应的所述第一硅基片的部分，形成硅槽之后，还包括：

将所述第一硅基片下表面的氮化硅薄膜层刻蚀成矩形；所述矩形的位置与所述悬臂梁图形的尖端对应。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明实施例提供了一种集电卡和电致应变效应于一体的新型MEMS固态制冷器件，它可微型化并与半导体芯片制造技术兼容，能够实现局域位置指定、按需分配的芯片级高效制冷散热方法，有效解决限制半导体芯片工作性能的热管理瓶颈问题，其结合悬臂梁结构和反铁电材料，能够同时利用反铁电薄膜的电卡和电致应变效应，大大简化制冷器件的结构设计并提高性能，同时可实现微型化制造并与半导体芯片集成技术兼容。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的固态相变制冷原理图。

图2为本发明提供的反铁电膜的电致应变曲线图。

图3为本发明提供的主动式MEMS固态制冷器件的制冷循环过程示意图。

图4为本发明实施例一提供的主动式MEMS固态制冷器件剖面零部件示意图。

图5为本发明实施例一提供的主动式MEMS固态制冷器件的剖面线图。

图6为本发明实施例一提供的主动式MEMS固态制冷器件整体示意图。

图7为本发明实施例一提供的主动式MEMS固态制冷器件的整体线图。

图8为本发明实施例一提供的主动式MEMS固态制冷器件剖面零部件爆炸图。

图9为本发明实施例一提供的主动式MEMS固态制冷器件的整体爆炸图。

图10为本发明实施例一提供的主动式MEMS固态制冷器件的工作原理示意图。

图11为本发明实施例二提供的主动式MEMS固态制冷器件的制造方法流程图。

图12-图23为本发明实施例二提供的主动式MEMS固态制冷器件的制造方法的工艺流程图。

符号说明：

1-顶部散热层，2-基片层，3-底部吸热层，4-氮化硅防磨损层，5-氮化硅，6-氮化硅薄膜层，7-上电极薄膜层，8-反铁电薄膜层，9-下电极薄膜层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

遵循摩尔定律飞速发展的半导体芯片集成度越来越高，工作时产生的热量也越来越多，其PN结性质对温度十分敏感，高温不仅限制运行速度、功率与集成密度的提高，也会造成能耗、使用寿命和安全问题。对于微型电子器件，尤其是半导体芯片(例如硅基处理器)，随着工作负载的变化，其产生的热量在时间和空间上都处于高度不均匀分布的状态。目前半导体芯片的制冷方法主要分为被动式和主动式。被动式(例如高热传导材料的散热片)结构简单，但普遍效率较低，无法满足高散热量电子器件的要求；主动式(例如风冷、液冷)通常含有复杂结构的机械部件，高能耗导致制冷效率低，且难以微型化与微型电子器件集成应用。总体而言，上述传统制冷散热方法是一种过度设计、低效率的宏观制冷技术，不能提供位置指定或按需分配的定制化热管理，也很难实现微型化并与半导体芯片技术集成兼容。另外，传统制冷散热技术的性能也达到了瓶颈极限，无法满足未来高发热量(>300W/cm²)半导体芯片的应用要求。与之相比，基于新型功能材料的固态制冷技术具有制冷效率高、响应快、噪声低、绿色环保、易于微型化和集成化等优点，被认为是最有应用前景的热管理技术之一。因此，如果能够对半导体芯片高发热区域进行有针对性的制冷散热设计和集成制造，将极大的提高电子器件的工作性能和效率并减小能源消耗。近年来，虽然基于多种原理和材料的新型固态制冷器件已被提出，但普遍采用宏观技术设计与制造，还未有基于微机电系统(MEMS)技术的可微型化、集成化的固态制冷器件理论与技术研究。

本发明提出一种基于反铁电膜电-力-热多物理场耦合的主动式硅基MEMS固态制冷方法，通过研究掌握反铁电材料多物理场耦合的电卡和电致应变效应，探索非线性驱动和准绝热热传导调控、一体化功能结构器件设计与制造等新技术，突破高性能反铁电式固态制冷器件微型化、集成化的基础理论和关键技术问题，发展我国半导体芯片制冷散热领域的研究能力，促进高性能固态制冷器件的进步和应用，为提高我国相关军用、民用核心电子器件的性能提供支撑。

国内外研究现状及发展动态：

固态制冷是利用材料自身热效应实现的温度变化，例如半导体的热电效应(TE)和固态相变热效应的压卡(BC)、扭卡(TC)、弹卡(eC)、磁卡(MC)和电卡(EC)效应等。其中，热电效应(或帕尔贴效应)是目前最主流的固态制冷原理，但其制冷系数(COP＝输出制冷功率/输入功率)很低(远小于压缩机式制冷系数)，并且器件原材料也大多比较昂贵，这些缺点限制了它的大规模应用。压卡和扭卡效应的热效应主要源于压力和扭力诱导的晶体结构相变，而后三种效应则常常涉及相应外场对铁性体系中晶体结构畴、磁矩或铁电极化的有序度调控，它们的性能均可以由等温熵变所描述。其中，基于电卡效应的反铁电膜材料以其抗击穿电压高(温度变化和熵变值均高)、制冷效率高(COP理论值接近卡诺极限效率)和易于微型化的优点，在固态相变制冷原理中最有应用前景，固态相变制冷原理如图1所示，同时电学控制制冷方式也非常适合半导体芯片的制冷散热应用。然而，在反铁电式固态制冷研究还存在如下问题：

(1)在理论方面，传统电卡效应热力学模型主要的研究对象是固定边界条件的反铁电陶瓷或薄膜，因此只单独考虑了恒应变下的电-热物理场耦合效应；同理，其非线性双稳态电致应变效应热力学模型也只考虑了恒温下的电-力物理场耦合，反铁电膜的电致应变曲线如图2所示。然而，在非固定边界条件下(例如可形变、可变温结构中)，电、力、热物理场均不可忽略且相互耦合，因此电卡和电致应变效应热力学模型需重新建立和修正，这是具有可形变和变温结构的固态制冷器件的重要理论基础。

(2)在制冷器件方面，根据电卡效应制冷原理(图1)，通常需要有可移动的机械装置使具有电卡效应的反铁电材料与热源端和散热端的接触与脱离，以实现热量的定向传导。目前已报道的固态制冷器件主要采用传统的加工技术设计和制造，属于宏观制冷系统，制冷系数很小，并且不易微型化，无法与半导体芯片制造技术集成兼容。

由上可知，利用电卡效应的固态制冷器件既需要电-热物理场的耦合转换，也需要力学物理场转换或参与以实现机械运动。然而，反铁电膜在电致相变过程中，不仅产生优异的电卡效应，还能够发生很大的电致应变效应(最大应变0.3％-0.5％，大于铁电型压电陶瓷0.1％)。因此，如果能够同时利用反铁电膜的电卡和电致应变效应，将大大简化制冷器件的结构设计并提高性能，同时可实现微型化制造并与半导体芯片集成技术兼容。

本发明提出一种新型硅基反铁电膜的主动式MEMS固态制冷器件的设计、制造和性能调控技术方法，分析将具有如下特点：

(1)制冷效率高。反铁电膜在发生电卡和电致应变效应时，工作功耗很小(漏电流非常小)，其COP很容易实现大于卡诺极限效率的60％，远大于传统半导体芯片的热电式固态制冷方式(工作电流大，COP远小于卡诺极限效率的60％)。

(2)易于微型化并与半导体集成工艺兼容。目前，利用电卡效应的固态制冷器件大多采用传统的机械加工技术制造，体积大且不能与半导体工艺兼容。而反铁电膜(例如锆酸铅(PZ)基反铁电膜)较易制备在硅基衬底上，可用半导体工艺加工成微米甚至纳米尺度的微结构。

(3)制冷和驱动一体化功能结构。基于反铁电膜的MEMS驱动器在电场下发生相变时，其电致应变效应响应速度快(ns量级)、非线性应变大和驱动能量密度高，且与电卡效应同时发生，利用这两种效应可简化制冷器件结构、制造工艺和调控方法，提高工作效率。

综上所述，本发明通过对反铁电材料的电-力-热多物理场耦合研究，指导设计出集电卡和电致应变效应于一体的新型MEMS固态制冷器件，它可微型化并与半导体芯片制造技术兼容，能够实现局域位置指定、按需分配的芯片级高效制冷散热方法，有效解决限制半导体芯片工作性能的热管理瓶颈问题。根据图1和图2的反铁电材料制冷和驱动原理，可将制冷循环分为电场E＝0和E＝E_max两种状态，即E＝0时，反铁电材料不能接触散热端；E＝E_max时，反铁电材料不能接触热源端。从而设计了一种具有非等截面反铁电膜/硅膜复合结构的悬臂梁式MEMS固态制冷器件，在反铁电膜电场致相变(纳秒级)时，电卡和电致应变效应同时发生，就可以产生图3所示的制冷循环过程。

本发明的目的是提供一种主动式MEMS固态制冷器件及其制造方法，以解决目前主动式制冷器件结构复杂难以微型化的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图4所示，本发明实施例提供了一种主动式MEMS固态制冷器件，包括自上至下依次排布的顶部散热层1、悬臂梁结构和底部吸热层3；其剖面线图如图5所示，整体示意图如图6所示，整体线图如图7所示；

所述悬臂梁结构包括自下而上依次排布的基片层2、下电极薄膜层9、反铁电薄膜层8和上电极薄膜层7。所述基片层2的材料为硅；下电极薄膜层9的材料为Pt、SrRuO₃、LaNiO₃中的一种；所述反铁电薄膜层8的材料为PbZrTiO₃(PZ)、(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O₃(PLZST)、(Pb,Nb)(Zr,Sn,Ti)O₃(PNZST)中的一种；上电极薄膜层7的材料为Au、Pt、SrRuO₃、LaNiO₃中的一种。反铁电薄膜层8厚度约为0.5μm～10μm，其中基片层2为支撑层。

所述顶部散热层1主体为带有硅槽的硅基片；所述硅基片的硅杯内表面具有一层氮化硅防磨损层4；所述底部吸热层3为硅基片。将三部分运用键合工艺组成一体，得到主动式MEMS固态制冷器件。

作为一种可选的实施方式，所述上电极薄膜层7上部还设置有一层氮化硅薄膜层6，基片层2的下表面对应悬臂梁结构的尖端位置的部分还设置有一层氮化硅5，为了更好的体现本实施例所提供的主动式MEMS固态制冷器件，本实施例还给出了零部件爆炸图，请参阅图8，以及整体爆炸图，请参阅图9。

如图10所示，本实施例提供的主动式MEMS固态制冷器件的工作原理为：

初始阶段，见图10中(a)部分，外加电场E＝0，此时底部吸热层3的温度为T，所述反铁电薄膜层8中的反铁电材料在相邻离子连线上的偶极子呈反平行排列，所述悬臂梁结构的底部与底部吸热层3上表面接触，所述固态制冷器件的整体温度为T；图10中的热源端即为底部吸热层3，散热段即为顶部散热层1。

当所述外加电场达到Emax且使反铁电材料产生反铁电到铁电相变时时，见图10中(b)部分，所述反铁电材料产生反铁电到铁电相变反应，所述反铁电材料在相邻离子连线上的偶极子呈同方向平行排列；由公式U＝S*dT(其中，U为自由能，S为熵，dT为温度变化量，即熵是热量对温度的导数)可知，在准绝热条件下，电偶极子有序度增加而熵减小，则温度上升ΔT，即所述固态制冷器件的整体温度为T+ΔT，该效应称为电卡效应，同时，所述相变反应产生电致伸缩效应，将驱动所述悬臂梁结构向上运动，使所述悬臂梁结构的上表面与所述顶部散热层1的下表面接触，由于顶部散热层1的初始温度也为T，则悬臂梁结构与之存在温度差ΔT，热量将向顶部散热层1的硅基片扩散，使悬臂梁结构的温度又恢复到T，见图10中(c)部分。

去除所述外加电场，见图10中(d)部分，使E＝0时，所述反铁电材料在相邻离子连线上的偶极子从同方向平行排列变为反平行排列，在准绝热条件下，有序度变小而熵增加，则温度降低ΔT，即所述悬臂梁结构的温度为T-ΔT，同时，所述悬臂梁结构恢复至底部与所述底部吸热层3上表面接触的初始阶段，所述悬臂梁结构与所述底部吸热层3之间存在ΔT的温度差，使热量从所述底部吸热层3扩散至所述悬臂梁结构，使所述悬臂梁结构温度恢复为T。

重复上述三个步骤过程，底部吸热层3的温度会不断降低，热量由顶部散热层1不断排出。

本发明实施例提供了一种集电卡和电致应变效应于一体的新型MEMS固态制冷器件，它可微型化并与半导体芯片制造技术兼容，能够实现局域位置指定、按需分配的芯片级高效制冷散热方法，有效解决限制半导体芯片工作性能的热管理瓶颈问题，其结合悬臂梁结构和反铁电材料，能够同时利用反铁电薄膜的电卡和电致应变效应，大大简化制冷器件的结构设计并提高性能，同时可实现微型化制造并与半导体芯片集成技术兼容。

实施例二：

如图11所示，本发明实施例提供了一种主动式MEMS固态制冷器件的制造方法，该方法包括：

S1、在第一硅基片表面覆盖一层下电极薄膜层9；

首先，在第一硅基片上表面完全覆盖一层下电极薄膜层9(Pt、SrRuO₃、LaNiO₃等材料)。

S2、在所述下电极薄膜层9表面覆盖一层反铁电薄膜层8；

再在下电极薄膜层9上全覆盖一层反铁电薄膜8(PZ、PLZST、PNZST等，厚度约为0.5μm～10μm)。

S3、在所述反铁电薄膜层8上表面制作一层上电极薄膜层7；

利用光刻和溅射方法在所述反铁电薄膜层8上表面制作条形上电极薄膜层7(Au、Pt、SrRuO₃、LaNiO₃等材料)，如图12所示。

之后，分别在所述第一硅基片下表面和所述上电极薄膜层7的上表面覆盖一层氮化硅薄膜层6；利用光刻技术刻除所述上电极薄膜层6的上电极焊点部分的氮化硅薄膜；刻除所述下电极薄膜层9的下电极引线焊点部分的氮化硅薄膜。

作为一种具体的实施方式，本实施例中利用化学气相沉积等工艺在步骤S3得到的材料的上下表面分别全覆盖一层氮化硅薄膜(厚度0.1μm～1μm)，如图13所示。

结合上电极的形状，在氮化硅薄膜找到上电极焊点的位置，利用光刻和刻蚀技术刻除上电极焊点部分的氮化硅，如图14所示。

S4、除去所述下电极薄膜层9引线焊点部分的反铁电薄膜，并将所述下电极薄膜层9刻蚀成悬臂梁图形；

利用光刻和刻蚀技术，刻除下电极薄膜层9的引线焊点和悬臂梁周围的氮化硅和反铁电薄膜，露出下电极焊点并刻蚀出矩形悬臂梁图形，如图15所示。利用光刻和刻蚀技术，刻除悬臂梁周围的氮化硅和反铁电薄膜，使得悬臂梁突起，即定义了悬臂梁的形状。

S5、除去所述悬臂梁图形对应的所述第一硅基片的部分，形成硅槽；

利用光刻和刻蚀技术，刻除悬臂梁周围的下电极和硅，形成硅槽，如图16所示。

然后，将所述第一硅基片下表面的氮化硅薄膜层刻蚀成矩形；所述矩形的位置与所述悬臂梁图形的尖端对应。即利用光刻和刻蚀技术，在硅片背面与悬臂梁尖端相对应的位置刻蚀出矩形氮化硅防磨损层，如图17所示。

S6、刻蚀所述第一硅基片的下表面对应的硅槽部分，释放悬臂梁，得到悬臂梁结构；利用光刻和深硅刻蚀技术，刻蚀第一硅基片的背面硅槽释放悬臂梁，如图18所示。

悬臂梁特指一端固定、一端自由的梁状结构。本实施例中同时利用反铁电薄膜的电致应变效应和电卡效应，实现集制冷和驱动于一体的制冷器件功能，利用悬臂梁作为一种结构形式。本实施例中的悬臂梁是通过深硅刻蚀技术形成的尖端带有质量块的，上下表面附着薄膜的硅片。该悬臂梁尖端的质量块结构作为吸热端触点，根部与硅片主体固定。悬臂梁自下而上分别为硅支撑层、下电极薄膜层9、反铁电薄膜层8、上电极薄膜层7和氮化硅薄膜层6。所述硅支撑层即为基片层2，所述悬臂梁尖端质量块底部也制备有一层氮化硅薄膜防磨损层。

S7、将第二硅基片刻出凹槽结构，凹槽的一边带有豁口，得到顶部散热层1；

制备一个符合悬臂梁结构层底部尺寸的矩形硅片作为第二硅基片，利用光刻和刻蚀技术，将第二硅基片刻出凹槽结构并利用化学气相沉积工艺在凹槽内部制作一层氮化硅薄膜(厚度0.1μm～1μm)，凹槽一边带有豁口，得到顶部散热层1，如图19、20所示。

S8、准备第三硅基片作为底部吸热层3；

S9、将所述顶部散热层1、所述悬臂梁结构和所述底部吸热层3由上至下键合在一起。

将顶部散热层1与悬臂梁结构层(见图21)以及作为底部吸热层3的第三硅基片(见图22)由上至下键合在一起，最终形成三层结构反铁电式MEMS固态制冷器件，如图23所示。

本发明实施例提出一种主动式MEMS固态制冷器件的制造方法，具有如下优势：

(1)制冷效率高。反铁电膜在发生电卡和电致应变效应时，工作功耗很小(漏电流非常小)，其COP很容易实现大于卡诺极限效率的60％，远大于传统半导体芯片的热电式固态制冷方式(工作电流大，COP远小于卡诺极限效率的60％)。

(2)易于微型化并与半导体集成工艺兼容。目前，利用电卡效应的固态制冷器件大多采用传统的机械加工技术制造，体积大且不能与半导体工艺兼容。而反铁电膜(例如锆酸铅(PZ)基反铁电膜)较易制备在硅基衬底上，可用半导体工艺加工成微米甚至纳米尺度的微结构。

(3)制冷和驱动一体化功能结构。基于反铁电膜的MEMS驱动器在电场下发生相变时，其电致应变效应响应速度快(ns量级)、非线性应变大和驱动能量密度高，且与电卡效应同时发生，利用这两种效应可简化制冷器件结构、制造工艺和调控方法，提高工作效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种主动式MEMS固态制冷器件，其特征在于，所述固态制冷器件包括自上至下依次排布的顶部散热层、悬臂梁结构和底部吸热层；

所述悬臂梁结构包括自下而上依次排布的基片层、下电极薄膜层、反铁电薄膜层和上电极薄膜层。

2.根据权利要求1所述的主动式MEMS固态制冷器件，其特征在于，

所述顶部散热层主体为带有硅槽的硅基片；所述硅基片内表面具有一层氮化硅防磨损层；

所述底部吸热层为硅基片。

3.根据权利要求1所述的主动式MEMS固态制冷器件，其特征在于，

所述基片层材料为硅；

所述下电极薄膜层材料为Pt、SrRuO₃、LaNiO₃中的一种；

所述反铁电薄膜层材料为PZ、PLZST、PNZST中的一种；

所述上电极薄膜层材料为Au、Pt、SrRuO₃、LaNiO₃中的一种。

4.根据权利要求1所述的主动式MEMS固态制冷器件，其特征在于，

所述反铁电薄膜层厚度为0.5μm～10μm。

5.根据权利要求1所述的主动式MEMS固态制冷器件，其特征在于，

所述上电极薄膜层上部还设置有一层氮化硅薄膜层。

6.根据权利要求1所述的主动式MEMS固态制冷器件，其特征在于，所述固态制冷器件的工作原理为：

初始阶段，外加电场E＝0，所述反铁电薄膜层中的反铁电材料在相邻离子连线上的偶极子呈反平行排列，所述悬臂梁结构的底部与底部吸热层上表面接触，所述固态制冷器件的整体温度为T；

当所述外加电场达到E_max时，所述反铁电材料产生反铁电到铁电相变反应，所述反铁电材料在相邻离子连线上的偶极子呈同方向平行排列；在准绝热条件下，偶极子有序度增加而熵减小，则温度上升ΔT，即所述固态制冷器件的整体温度为T+ΔT，同时，所述相变反应产生电致伸缩效应，将驱动所述悬臂梁结构向上运动，使所述悬臂梁结构的上表面与所述顶部散热层的下表面接触，将热量传递至所述顶部散热层，使所述悬臂梁结构的温度恢复为T；

去除所述外加电场，使E＝0时，所述反铁电材料在相邻离子连线上的偶极子从同方向平行排列变为反平行排列，在准绝热条件下，有序度变小而熵增加，则温度降低ΔT，即所述悬臂梁结构的温度为T-ΔT，同时，所述悬臂梁结构恢复至底部与所述底部吸热层上表面接触的初始阶段，所述悬臂梁结构与所述底部吸热层之间存在ΔT的温度差，使热量从所述底部吸热层扩散至所述悬臂梁结构，使所述悬臂梁结构温度恢复为T。

7.一种主动式MEMS固态制冷器件的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

在第一硅基片表面覆盖一层下电极薄膜层；

在所述下电极薄膜层表面覆盖一层反铁电薄膜层；

在所述反铁电薄膜层上表面制作一层上电极薄膜层；

除去所述下电极薄膜层引线焊点部分的反铁电薄膜，并将所述下电极薄膜层刻蚀成悬臂梁图形；

除去所述悬臂梁图形对应的所述第一硅基片的部分，形成硅槽；

刻蚀所述第一硅基片的下表面对应的硅槽部分，释放悬臂梁，得到悬臂梁结构；

将第二硅基片刻出凹槽结构，凹槽的一边带有豁口，得到顶部散热层；

准备第三硅基片作为底部吸热层；

将所述顶部散热层、所述悬臂梁结构和所述底部吸热层由上至下键合在一起。

8.根据权利要求7所述的主动式MEMS固态制冷器件的制造方法，其特征在于，所述在所述反铁电薄膜层上表面制作一层上电极薄膜层，具体包括：

利用光刻和溅射方法在所述反铁电薄膜层上表面制作条形上电极薄膜层。

9.根据权利要求7所述的主动式MEMS固态制冷器件的制造方法，其特征在于，在所述反铁电薄膜层上表面制作一层上电极薄膜层之后，还包括：

分别在所述第一硅基片下表面和所述上电极薄膜层的上表面覆盖一层氮化硅薄膜层；

利用光刻技术刻除所述上电极薄膜层的上电极焊点部分的氮化硅薄膜；

刻除所述下电极薄膜层的下电极引线焊点部分的氮化硅薄膜。

10.根据权利要求9所述的主动式MEMS固态制冷器件的制造方法，其特征在于，在所述除去所述悬臂梁图形对应的所述第一硅基片的部分，形成硅槽之后，还包括：

将所述第一硅基片下表面的氮化硅薄膜层刻蚀成矩形；所述矩形的位置与所述悬臂梁图形的尖端对应。

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