TWI557527B - 具儲熱元件的微機電溫度控制系統 - Google Patents

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Description

具儲熱元件的微機電溫度控制系統
本發明是有關於一種微機電溫度控制系統，且特別是有關於一種具有儲熱元件的微機電溫度控制系統。
隨著物聯網(IoT)與智慧家庭(Smart Home)的蓬勃發展，相關於居家生活中的環境感測技術不斷地進步，其中又以氣體感測技術的需求最為強烈。氣體感測技術不僅可應用於居家環境的監測，亦可用於辦公室、工廠、醫療場所等公共場所的環境監測。藉由氣體感測器偵測人類所處環境是否存在有害氣體，並在偵測出人類所處環境存在有害氣體時作出警告，能避免人類不慎吸入有害氣體。現有的氣體感測器大多需在高溫的恆溫環境下運作。但氣體感測層的熱能容易散失，故需藉著加熱器對氣體感測層持續加熱，以使氣體感測層維持於高溫狀態。如此一來，需不斷地提供電能至加熱器以進行加熱的動作，因而有高電能消耗的缺點。此外，在透過加熱器加熱設置於支撐薄膜上的氣體感測層時，容易造成支撐薄膜的破裂或翹曲，進而降低氣體感測器的準確度及可靠度。
氣體感測器亦能與溫度感測器、濕度感測器或空氣品質感測器等感測感測器整合為多功能的環境感測器，以對人類所處環境的空氣、溫度、濕度或空氣品質進行監控，從而提升人類所處環境的安全性與舒適性。有鑒於此，環境感測技術將會朝著多功能監測的方向作發展。因此，如何開發出具備高感測準確度及高可靠度以及低電能消耗的氣體感測器，或者是多功能的環境感測器，已成為當前相關領域中亟需被解決的問題之一。
圖1是習知的一種氣體感測裝置的示意圖。請參考圖1，氣體感測裝置10主要是透過加熱器11加熱氣體感測膜12，藉以增加氣體感測膜12隨目標氣體濃度變化而產生的電阻值的變化程度。因此，藉由量測電極對13輸入氣體感測膜12的電流量的變化，便能換算出氣體感測膜12的電阻值的變化，從而得知氣體感測裝置10周圍的目標氣體的濃度變化。
圖2是習知的一種微機電半導體氣體感測器的示意圖。請參考圖2，微機電半導體氣體感測器20的第一薄膜21以及與相連接的第二薄膜22被多個通孔所貫穿，其中這些通孔並未被加熱器23與感測電極24所覆蓋。因此，熱能可透過這些通孔逸散至外界，藉以防止第一薄膜21與第二薄膜22受熱應力而翹曲變形。
圖3是習知的一種微機電氧氣感測器的示意圖。請參考圖3，微機電氧氣感測器30的感測薄膜31具有相對的上表面31a與下表面31b，其中溫度感測器32、加熱器33以及感測材料層34設置於上表面31a，且凸塊35設置於下表面31b。加熱器33可依據溫度感測器32所測得的溫度適時地對感測材料層34進行加熱，以確保感測材料層34處於恆溫。另一方面，凸塊35可用以強化感測薄膜31的結構強度，避免感測薄膜31受熱應力而翹曲變形。
圖4是習知的一種微機電氣體感測器的示意圖。請參考圖4，微機電氣體感測器40的單晶矽基底41埋有多孔隙層42，且下絕緣層43覆蓋單晶矽基底41與多孔隙層42。另一方面，加熱層44設置於下絕緣層43上，且位於多孔隙層42的正上方區域內。因此，多孔隙層42能穩定地支撐加熱層44，並且避免微機電氣體感測器40在高溫工作時下絕緣層43受熱應力而翹曲變形。由於加熱層44位於多孔隙層42的正上方區域內，因此能具有良好的隔熱效果。
由上述可知，常見的微機電環境感測器需透過加熱元件持續對環境感測層進行加熱，才能確保環境感測層處於恆溫。
本發明提供一種微機電溫度控制系統，其能提高感測準確度及可靠度，並且降低電能的消耗。
本發明提出一種微機電溫度控制系統，其包括微機電裝置。微機電裝置包括基座、薄膜、加熱器以及儲熱元件。基座包含空洞。薄膜具有第一表面以及相對於第一表面的第二表面。薄膜覆蓋空洞。加熱器設置於薄膜的第一表面。儲熱元件設置於薄膜的第二表面，且位於空洞中。其中，儲熱元件的比熱(Specific Heat Capacity)大於加熱器的比熱。
本發明另提出一種微機電溫度控制系統，其包括微機電裝置。微機電裝置包括基座、薄膜、加熱器、儲熱元件以及散熱器。基座包含空洞。薄膜具有第一表面以及相對於第一表面的第二表面。薄膜覆蓋空洞。加熱器設置於薄膜的第一表面。儲熱元件設置於薄膜的第二表面，且位於空洞中。散熱器(heat spreader)包括至少一散熱層及至少一導熱元件。儲熱元件的比熱大於加熱器的比熱。散熱層設置於薄膜的第一表面。導熱元件貫穿薄膜，且連接儲熱元件及散熱層。
本發明又提出一種微機電溫度控制系統，其包括微機電裝置以及積體電路晶片。微機電裝置包括基座、薄膜、加熱器、儲熱元件以及溫度感測器。基座包含空洞。薄膜具有第一表面以及相對於第一表面的第二表面。薄膜覆蓋空洞。加熱器設置於薄膜的第一表面。儲熱元件設置於薄膜的第二表面，且位於空洞中。溫度感測器設置於薄膜的第一表面。積體電路晶片包括溫度控制元件。溫度控制元件分別與溫度感測器與加熱器電性耦接。儲熱元件的比熱大於加熱器的比熱。溫度控制元件依據溫度感測器所感測到的溫度調整加熱器所產生的熱量大小。
本發明更提出一種微機電溫度控制系統，其適用於氣體的感測。微機電溫度控制系統包括基板、微機電裝置以及積體電路晶片。微機電裝置包括基座、薄膜、加熱器、儲熱元件、導電元件、基板、散熱器、溫度感測器以及氣體感測層。基座包含空洞。薄膜具有第一表面以及相對於第一表面的第二表面。薄膜覆蓋空洞。基座設置於基板上。基座與基板及薄膜形成隔熱空腔。加熱器設置於薄膜的第一表面。儲熱元件設置於薄膜的第二表面，且位於隔熱空腔中。導電元件貫穿薄膜，並且電性連接加熱器與儲熱元件。散熱器包括至少一散熱層及至少一導熱元件。散熱層設置於薄膜的第一表面。導熱元件貫穿薄膜，且連接儲熱元件及散熱層。溫度感測器設置於薄膜的第一表面。氣體感測層設置於加熱器與溫度感測器上。積體電路晶片包括溫度控制元件。溫度控制元件分別與溫度感測器與加熱器電性耦接。儲熱元件的比熱大於加熱器的比熱。溫度控制元件利用溫度感測器所感測到的溫度調整加熱器所產生的熱量大小。
基於上述，由於儲熱元件能強化薄膜的結構強度，避免薄膜受熱應力而翹曲變形或破損，因此本發明的微機電溫度控制系統能具有良好的感測準確度、靈敏度及可靠度。另一方面，本發明的微機電溫度控制系統可透過加熱器、儲熱元件以及溫度控制單元之間的配合機制，以間歇性或選擇性地提供電能至加熱器，進而縮短加熱時間與加熱頻率。在無需持續供應電能至加熱器，以使氣體感測層的溫度維持於預設值的情況下，本發明的微機電溫度控制系統可有效地降低電能的消耗。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖5是本發明第一實施例的微機電溫度控制系統的俯視示意圖。圖6A是圖5的微機電溫度控制系統中的微機電裝置的沿剖線I-I的局部剖面示意圖。圖6B是圖5的微機電溫度控制系統中的微機電裝置的放大示意圖。請參考圖5、圖6A以及圖6B，在本實施例中，微機電溫度控制系統200包括微機電裝置100，其中微機電裝置100可應用於環境感測器，用以偵測人類所處環境中的氣體、溫度或空氣品質等環境特性。微機電裝置100包括基座110、薄膜120、加熱器130以及儲熱元件140。基座110可為由矽基材、其他半導體基材或玻璃基材製作而成，而薄膜120的材質可選自於氮化矽(silicon nitride; Si 3N 4)、二氧化矽(silicon oxide; SiO2)等適當材質。基座110包含空洞111。在本實施例中，基座110上的薄膜120是全面覆蓋空洞111。在其他未繪示的實施例中，薄膜可為局部覆蓋空洞，而暴露出部分的空洞，以減少經由薄膜散失的熱量。
薄膜120具有第一表面120a以及相對於第一表面120a的第二表面120b。薄膜120是以其中一部分的第二表面120b與基座110相連接，並以另一部分的第二表面120b覆蓋空洞111。在本實施例中，薄膜120可為包括第一材料層121以及兩第二材料層122與123的多層薄膜。在其他實施例中，薄膜也可為單層薄膜，本發明對於薄膜的層數不加以限制。在本實施例中，第二材料層122設置於基座110上；第一材料層121設置於第二材料層122上且第二材料層123設置於第一材料層121上。換言之，本實施例可利用微機電薄膜沉積製程(MEMS Thin Film Deposition Processes)將第二材料層122、第一材料層121以及第二材料層123依序堆疊於基座110上，其中第一材料層121位於第二材料層122與123之間且第二材料層122設置於基座110上。為了使薄膜120與基座110接合後的殘留應力能降低，可使第一材料層121的熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion; CTE )大於基座110之熱膨脹係數，且使第二材料層122與123的熱膨脹係數小於基座110的熱膨脹係數。在本實施例中，基座110的材質可為矽(silicon)或玻璃(glass)等，其中第一材料層121的材質可為氮化矽(silicon nitride; Si 3N 4)，且第二材料層122與123的材質可為二氧化矽(silicon dioxide; SiO 2)。
加熱器130設置於薄膜120的第一表面120a。儲熱元件140設置於薄膜120的第二表面120b，且位於基座110的空洞111內。換言之，加熱器130與儲熱元件140分別位於薄膜120的相對兩側。加熱器130與第二材料層123相連接，而儲熱元件140與另一第二材料層122相連接。加熱器130可為加熱線圈，其材質可為鉑( Platinum; Pt)、鈦(Titanium; Ti)或鎢(Tungsten; W)等材質。藉由通入電流，加熱器130可以產生熱量。另一方面，儲熱元件140可為凸塊，其材質可為矽。
在本實施例中，微機電裝置100更包括至少一導電導熱元件150。導電導熱元件150貫穿薄膜120，用以電性連接加熱器130與儲熱元件140。在本實施例中，導電導熱元件150與加熱器130為電性並聯。導電導熱元件150的材質可為金屬、金屬合金或其他適用的導電材質。另一方面，導電導熱元件150亦具有良好的導熱性，故加熱器130可透過導電導熱元件150與儲熱元件140熱耦接。本發明所稱的熱耦接是指：熱量可由一物件傳導至另一物件。熱耦接的型態包含直接熱耦接型與間接熱耦接型。在本實施例中，加熱器130與儲熱元件140之間並無直接接觸，但熱量可從加熱器130經由導電導熱元件150傳導至儲熱元件140，或者是從儲熱元件140經由導電導熱元件150傳導至加熱器130。因此，加熱器130熱耦接至儲熱元件140的型態可為間接熱耦接型。另一方面，導電導熱元件150熱耦接至加熱器130或熱耦接至儲熱元件140的型態可為直接熱耦接型。換言之，導電導熱元件150係直接接觸加熱器130或儲熱元件140，因此熱量可從導電導熱元件150直接傳導至加熱器130或直接傳導至儲熱元件140。在其他實施例中，加熱器或儲熱元件可透過其他導熱件(例如導熱膠)間接熱耦接至導電元件。
當加熱器130通入電流而產生熱量時，熱量可透過導電導熱元件150傳導至儲熱元件140。由於儲熱元件140的比熱(specific heat capacity)較加熱器130的比熱為大，因此儲存於儲熱元件140的熱量較不易散失。因此，當加熱器130停止通入電流而停止產生熱量時，儲熱元件140的熱量可透過導電導熱元件150傳導至加熱器130，以使加熱器130維持在預設溫度範圍內的時間增長。此外，儲熱元件140不僅可用以儲存熱量，亦可用以強化薄膜120的結構強度，以降低熱應力的影響。換言之，在加熱器130產生熱量的過程中，與儲熱元件140連接的薄膜120會有較大的結構強度，因而可避免產生翹曲變形或破裂。
如圖6A所示，微機電溫度控制系統200更包括基板160。基座110設置於基板160上，且基座110與基板160可透過接合層161以緊密地接合在一起。舉例來說，接合層161的材質可為玻璃膠(glass frit)。因此，基板160、基座110以及薄膜120可形成隔熱空腔101。在本實施例中，儲熱元件140設置於隔熱空腔101內，故儲熱元件140所儲存的熱量不易散失至外界。為了防止隔熱空腔101內的氣體外洩，而將儲熱元件140所儲存的熱量傳導至隔熱空腔101之外，隔熱空腔101可為氣密空腔(hermetic chamber)。舉例來說，氣密空腔可為真空的，以使隔熱效果更為顯著。
請繼續參考圖5、圖6A以及圖6B，在本實施例中，微機電溫度控制系統200更包括積體電路晶片210，例如：特殊用途積體電路晶片(Application-Specific Integrated Circuit; ASIC)。詳細而言，微機電裝置100可與積體電路晶片210整合成為微機電溫度控制系統。另一方面，微機電裝置100更包括溫度感測器171，而積體電路晶片210另包括溫度控制元件211。溫度感測器171設置於薄膜120的第一表面120a，即溫度感測器171與加熱器130位於薄膜120的同側。溫度感測器171的材質可為鉑。溫度控制元件211分別與溫度感測器171與加熱器130電性耦接。詳細而言，溫度感測器171可用以測得薄膜120周遭的環境溫度，並將測得的溫度數據傳送至溫度控制元件211。溫度控制元件211能依據溫度感測器171所感測到的溫度，調整輸入至加熱器130的電流大小，進而控制加熱器130產生的熱量以使薄膜120周遭的環境溫度維持在一預設的範圍內。
更詳細地說，當溫度感測器171所感測到的溫度高於一預設值時，溫度控制元件211可停止通入電流至加熱器130，以使加熱器130停止產生熱量。此時，儲存於儲熱元件140的熱量可傳導至加熱器130，以使薄膜120周遭的環境溫度繼續維持於預設的範圍內。經過一段時間後，由於儲存於儲熱元件140的熱量不足，薄膜120周遭的環境溫度無法維持於預設的範圍內。當溫度感測器171所感測到的溫度低於另一預設值，溫度控制元件211將通入電流至加熱器130，以使加熱器130產生熱量，重新使薄膜120周遭的環境溫度維持於預設的範圍內。換言之，本實施例的微機電裝置100的加熱器130、儲熱元件140及溫度感測器171可透過與積體電路晶片210中的溫度控制元件211整合成為微機電溫度控制系統200。此微機電溫度控制系統200可以間歇性或選擇性地提供電能至加熱器130，進而縮短加熱時間與減少加熱頻率。由於微機電溫度控制系統200無需持續供應電能至加熱器130即能使薄膜120周遭的環境溫度維持於預設範圍內，因此可有效地降低電能的消耗。
如圖5所示，基板160上配置有第一導電接點162與第二導電接點163，以及第三導電接點164與第四導電接點165。第一導電接點162與第二導電接點163分別透過第一導電線路166與第二導電線路167電性連接於加熱器130。第三導電接點164與第四導電接點165分別透過第三導電線路168與第四導電線路169電性連接於溫度感測器171。另一方面，溫度控制元件211配置有第五導電接點212與第六導電接點213，以及第七導電接點214與第八導電接點215。第五導電接點212透過第五導電線路216電性連接於第一導電接點162，且第六導電接點213透過第六導電線路217電性連接於第二導電接點163。第七導電接點214透過第七導電線路218電性連接於第三導電接點164，且第八導電接點215透過第八導電線路219電性連接於第四導電接點165。也就是說，溫度控制元件211不僅可電性連接於加熱器130，亦可電性連接於溫度感測器171。
如圖6A所示，微機電裝置100還可包括不具導電性的導熱元件151。導熱元件151貫穿薄膜120，且導熱元件151的兩端部分別連接加熱器130與儲熱元件140，以提供額外的熱傳導路徑，使相同的熱量在加熱器130與儲熱元件140之間傳導的時間縮短。換言之，加熱器130可透過導熱元件151與儲熱元件140熱耦接。因此，當加熱器130產生熱量時，熱量可同時透過導電導熱元件150與不具導電性的導熱元件151快速地傳導至儲熱元件140。相對地，當電流停止流入加熱器130時，儲熱元件140所儲存的熱量可透過導電導熱元件150及不具導電性的導熱元件151快速地傳導至加熱器130，故可實現較佳的熱傳導效率。
以下將列舉其他實施例以作為說明。在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。
圖7是本發明第二實施例的局部剖面示意圖。請參考圖7，第二實施例的微機電裝置100A與第一實施例的微機電裝置100大致相似，兩者間的主要差異在於：微機電裝置100A更包括隔熱材料102，其中隔熱材料102覆蓋基座110之內側壁111a。詳細而言，隔熱材料102的材料可為二氧化矽。由於基板160、基座110以及薄膜120可形成隔熱空腔101，且基座110的內側壁111a配置有隔熱材料102，因此有助於提升隔熱空腔101的隔熱效果，使得儲熱元件140所儲存的熱量不易散失至外界。
圖8是本發明第三實施例的局部剖面示意圖。請參考圖8，第二實施例的微機電裝置100B與第一實施例的微機電裝置100大致相似，兩者間的主要差異在於：微機電裝置100B更包括散熱器180，其中散熱器180可包括散熱層181以及至少一導熱元件182(示意地繪示出兩個)。散熱層181設置於薄膜120的第一表面120a。散熱層181不與溫度感測器171接觸，也不與加熱器130接觸。導熱元件182貫穿薄膜120，且導熱元件182的兩端部分別連接散熱層181與儲熱元件140。換言之，散熱層181可透過導熱元件182與儲熱元件140熱耦接。
導熱元件182的材質可為氮化矽，或者是其他導熱但電性絕緣的材質。由於導熱元件182可為導熱且電性絕緣的材質所構成，因此散熱層181並無法透過導熱元件182與儲熱元件140電性連接，以避免產生電性短路，或者是避免產生溫度感測器171量測不準確等電性問題。藉著透過導熱元件182將熱量傳導至散熱層181，可使薄膜120周遭的環境溫度能有較佳的均勻性。
圖9是本發明第四實施例的局部剖面示意圖。請參考圖9，第四實施例的微機電裝置100C與第三實施例的微機電裝置100B大致相似，兩者間的主要差異在於：微機電裝置100C更包括隔熱材料102，其中隔熱材料102覆蓋基座110之內側壁111a。藉由隔熱材料102的設置，有助於提升隔熱空腔101的隔熱效果，使得儲熱元件140所儲存的熱量不易散失至外界。
圖10是本發明第五實施例的局部剖面示意圖。請參考圖10，第五實施例的微機電裝置100D與第一實施例的微機電裝置100大致相似，兩者間的主要差異在於：微機電裝置100D更包括氣體感測層190，其中氣體感測層190設置於加熱器130與溫度感測器171上，並與加熱器130及溫度感測器171相接觸。
在本實施例中，微機電裝置100D可為微機電氣體感測裝置，其中氣體感測層190因所含的奈米觸媒的種類不同而可感測不同氣體。一般而言，氣體感測層190的電阻值會隨著所吸附的目標氣體的含量變化而產生變化。因此，透過觀察輸入氣體感測層190的電流量的變化，就可以換算出氣體感測層190的電阻值的變化而得知微機電裝置100D周圍的目標氣體的濃度變化。加熱器130可對氣體感測層190進行加熱，並使氣體感測層190的溫度維持於一定的預設範圍內，以達到恆溫的效果。如此一來，當目標氣體濃度變化時，氣體感測層190產生的電阻值變化的程度也隨之增大。然而，加熱器130產生的高溫容易使薄膜120承受過大的熱應力而產生翹曲變形或破裂，進而降低氣體感測的準確度。因此，藉由將儲熱元件140設置於薄膜120的第二表面120b，可強化薄膜120的結構強度。換言之，當加熱器130產生熱量時，薄膜120不易受熱應力的作用而產生翹曲變形或破裂的現象。因此，本實施例的微機電裝置100D能具有良好的感測準確度及可靠度。
另一方面，溫度感測器171可用以偵測氣體感測層190的溫度，當溫度感測器171所感測到的溫度大於一預設值時，積體電路晶片210(繪示於圖5)中的溫度控制元件211(繪示於圖5)可停止通入電流至加熱器130，以使加熱器130停止產生熱量。在加熱器130停止產生熱量後，儲存於儲熱元件140的熱量可藉著導電導熱元件150及導熱元件151傳導至加熱器130，使得氣體感測層190的溫度能繼續維持於預設範圍內，以達到氣體感測層的工作溫度。當儲存於儲熱元件140的熱量不足，而無法使氣體感測層190的溫度維持於預設範圍內時，溫度感測器171所感測到的溫度會低於另一預設值。此時，溫度控制元件211(繪示於圖5)將通入電流至加熱器130以產生熱量，進而使氣體感測層190的溫度能繼續維持於預設範圍內，以達到氣體感測層的工作溫度。換言之，本實施例的微機電裝置100D的加熱器130、儲熱元件140可透過與積體電路晶片210(繪示於圖5)中的溫度控制元件211(繪示於圖5)整合成為微機電溫度控制系統。此微機電溫度控制系統可以間歇性或選擇性地提供電能至加熱器130，進而縮短加熱時間與減少加熱頻率。由於微機電溫度控制系統無需持續供應電能至加熱器130即能使氣體感測層190的溫度維持於預設範圍內，因此可有效地降低電能的消耗。
圖11是本發明第六實施例的局部剖面示意圖。請參考圖11，第六實施例的微機電裝置100E與第五實施例的微機電裝置100D大致相似，兩者間的主要差異在於：微機電裝置100E更包括隔熱材料102，其中隔熱材料102覆蓋基座110的內側壁111a。藉由隔熱材料102的設置，有助於提升隔熱空腔101的隔熱效果，使得儲熱元件140所儲存的熱量不易散失至外界。
圖12是本發明第七實施例的局部剖面示意圖。請參考圖12，第七實施例的微機電裝置100F與第五實施例的微機電裝置100D大致相似，兩者間的主要差異在於：微機電裝置100F更包括散熱器180，其中散熱器180可包括散熱層181以及至少一第一導熱元件182(示意地繪示出兩個)。散熱層181設置於薄膜120的第一表面120a，且散熱層181不與溫度感測器171連接也不與加熱器130連接。第一導熱元件182貫穿薄膜120，且第一導熱元件182的兩端部分別連接散熱層181與儲熱元件140。換言之，散熱層181可透過第一導熱元件182與儲熱元件140熱耦接。儲熱元件140所儲存的熱量，可透過第一導熱元件182將熱量傳導至散熱層181，以使氣體感測層190有均勻的溫度分佈。
在本實施例中，微機電裝置100F還可包括不導電的第二導熱元件151。第二導熱元件151貫穿薄膜120，且第二導熱元件151的兩端部分別連接加熱器130與儲熱元件140。換言之，加熱器130可透過第二導熱元件151與儲熱元件140熱耦接。因此，當加熱器130產生熱量時，熱量可同時透過導電導熱元件150與不導電的第二導熱元件151傳導至儲熱元件140。相對地，當暫停通入電流至加熱器130時，儲存於儲熱元件140的熱量可同時透過導電導熱元件150與第二導熱元件151傳導至加熱器130。
圖13是本發明第八實施例的局部剖面示意圖。請參考圖13，第八實施例的微機電裝置100G與第七實施例的微機電裝置100F大致相似，兩者間的主要差異在於：微機電裝置100G更包括隔熱材料102，其中隔熱材料102覆蓋基座110的內側壁111a。藉由隔熱材料102的設置，有助於提升隔熱空腔101的隔熱效果，使得儲熱元件140所儲存的熱量不易散失至外界。
圖14是本發明第九實施例的局部剖面示意圖。請參考圖14，第九實施例的微機電環境感測裝置300包括: 第一微機電裝置302及第二微機電裝置304。第一微機電裝置302依據氣體感測層190的材質，可用於感測特定氣體的濃度。第二微機電裝置304可感測微機電環境感測裝置300所處環境中氣體的壓力P1。第一微機電裝置302與圖10之第五實施例的微機電裝置100D大致相似，兩者間的主要差異在於：第一微機電裝置302與第二微機電裝置304是採用相同的微機電製程而將第一微機電裝置302與第二微機電裝置304整合在相同的基板160上，而成為一多用途的微機電環境感測裝置300。換言之，製作第一微機電裝置302的製程無需增加額外的製造步驟即能同時在基板160上製作出第二微機電裝置304。如此，便能大幅降低微機電環境感測裝置300的製造成本。
請參考圖14，可用於感測環境氣壓的第二微機電裝置304包含:第二基座310、可動電極320、固定電極330、第二薄膜340及導電墊350。第二基座310設置於基板160上且具有一第二空洞311。可動電極320設置於第二空洞311中且被第二基座310所圍繞。可動電極320的全部邊界連接至第二基座310，以使可動電極320懸浮於固定電極330之上。換言之，可動電極320與基板160之間具有一距離d1。第二基座310可透過接合材料，例如是玻璃膠(glass frit)370，接合至基板160以形成一氣密空腔301。更精確地說，氣密空腔301可由可動電極320、第二基座310及基板160所定義。
氣密空腔301可為真空狀態或具有一內部氣壓P2。當氣密空腔301為真空狀態時，利用可動電極320與固定電極330間的電容變化，可以求得環境氣壓的絕對壓力。當氣密空腔301具有內部氣壓P2時，利用可動電極320與固定電極330間的電容變化，可以求得環境氣壓的相對壓力。
此外，第二基座310還包括一貫穿孔312及一導電柱314。導電柱314設置於貫穿孔312中，以使導電柱314與第二基座310產生電性絕緣的效果。導電柱314連接設置於基板160上的導電線路360，以使導電柱314能電性連接固定電極330。第二微機電裝置304另包含第二導熱導電元件380。第二薄膜340設置於第二基座310上且覆蓋貫穿孔312及導電柱314。第二導電導熱元件380設置於第二薄膜340中。第二導電導熱元件380連接導電柱314及導電墊350以使導電墊350電性連接固定電極330。
在先前技術中，需採用二套製程分別製造出微機電氣體感測器及微機電氣壓感測器。然後再將微機電氣體感測器及微機電氣壓感測器分別組裝至一基板上，以成為一微機電環境感測器。如圖14所示，本揭露使第一微機電裝置302之儲熱元件140的第一厚度t1與第二微機電裝置304之可動電極320的第二厚度t2相同，如此便能採用相同的蝕刻製程步驟，同時形成儲熱元件140與可動電極320以減少製程步驟並降低製程成本。在本實施例中，例如先對絕緣層覆矽(Silicon On Insulator, SOI)晶圓中的元件層(device layer)進行蝕刻，以形成第一凹槽與第二凹槽。接著對第一凹槽與第二凹槽進行蝕刻，以分別形成如本實施例所示的儲熱元件140與可動電極320。因為採用相同的蝕刻製程形成第一凹槽與第二凹槽，儲熱元件140的第一厚度t1會與可動電極320的第二厚度t2相同，且儲熱元件140的第三表面S3至基板的第一距離D1等於可動電極320的第四表面S4至基板的第二距離D2。然而，實際上，由於蝕刻製程變異的影響，儲熱元件140的第一厚度t1與可動電極320的第二厚度t2可能不會完全相同，而會存在少許的差異。當第一厚度t1與第二厚度t2之差的絕對值除以第一厚度t1的數值小於10%時，可視為第一厚度t1實質上等於第二厚度t2。同樣地，當第一距離D1與第二距離D2之差的絕對值除以第一距離D1的數值小於10%時，可視為第一距離D1實質上等於第二距離D2。
相同地，本揭露使第一微機電裝置302之第一薄膜120的第三厚度t3與第二微機電裝置304之第二薄膜340的第四厚度t4相同，如此便能採用相同的沉積製程步驟，同時形成第一薄膜120與第二薄膜340，以減少製程步驟並降低製程成本。由於沉積製程變異的影響，第一薄膜120的第三厚度t3與第二薄膜340的第四厚度t4不會完全相同，而會存在少許的差異。當第三厚度t3與第四厚度t4之差的絕對值除以第三厚度t3的數值小於10%時，可視為第三厚度t3實質上等於第四厚度t4。在另一未繪示實施例中，可再增加一蝕刻製程，使儲熱元件140的第一厚度t1實質上不等於可動電極320的第二厚度t2，以使微機電環境感測裝置300在氣體感測及氣壓量測上皆有較佳的性能，例如較佳的靈敏度或較佳的可靠度。
綜上所述，由於儲熱元件能強化薄膜的結構強度，避免薄膜受熱應力而翹曲變形或破損，因此本發明的微機電溫度控制系統能具有良好的可靠度。另一方面，當溫度感測器所感測到的溫度高於一預設值時，溫度控制元件可停止通入電流至加熱器，使加熱器停止產生熱量。一旦加熱器停止產生熱量，儲存於儲熱元件的熱量可傳導至加熱器，以使比熱較小的加熱器維持在預設溫度範圍內的時間增長。當溫度感測器所感測到的溫度低於另一預設值時，溫度控制元件將通入電流至加熱器，以使加熱器產生熱量，進而使得薄膜周遭的環境溫度能繼續維持於預設範圍內。並且，加熱器所產生的熱量可傳導至儲熱元件。由於儲熱元件的比熱較加熱器的比熱為大，因此儲存於儲熱元件的熱量較不易散失。
換言之，本發明的微機電裝置的加熱器、儲熱元件可透過與積體電路晶片中的溫度控制元件整合成為微機電溫度控制系統。此微機電溫度控制系統可以間歇性或選擇性地提供電能至加熱器，進而縮短加熱時間與減少加熱頻率。由於微機電溫度控制系統無需持續供應電能至加熱器即能使薄膜周遭的環境溫度維持於預設範圍內，因此可有效地降低電能的消耗。
另一方面，基板、基座以及薄膜可形成隔熱空腔。為了防止隔熱空腔內的氣體外洩，而將儲熱元件所儲存的熱量傳導至隔熱空腔之外，隔熱空腔可為氣密空腔。舉例來說，氣密空腔可為真空的，以使隔熱效果更為顯著。因此，設置於隔熱空腔內的儲熱元件所儲存的熱量便不易散失至外界。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧氣體感測裝置
11、23、33‧‧‧加熱器
12‧‧‧氣體感測膜
13‧‧‧電極對
20‧‧‧微機電半導體氣體感測器
21‧‧‧第一薄膜
22‧‧‧第二薄膜
24‧‧‧感測電極
30‧‧‧微機電氧氣感測器
31‧‧‧感測薄膜
31a‧‧‧上表面
31b‧‧‧下表面
32‧‧‧溫度感測器
34‧‧‧感測材料層
35‧‧‧凸塊
40‧‧‧微機電氣體感測器
41‧‧‧單晶矽基底
42‧‧‧多孔隙層
43‧‧‧下絕緣層
44‧‧‧加熱層
100、100A~100G‧‧‧微機電裝置
101‧‧‧隔熱空腔
102‧‧‧隔熱材料
110‧‧‧基座
111‧‧‧空洞
111a‧‧‧內側壁
120‧‧‧薄膜
120a‧‧‧第一表面
120b‧‧‧第二表面
121‧‧‧第一材料層
122、123‧‧‧第二材料層
130‧‧‧加熱器
140‧‧‧儲熱元件
150‧‧‧導電導熱元件
151、182‧‧‧導熱元件
160‧‧‧基板
161‧‧‧接合層
162‧‧‧第一導電接點
163‧‧‧第二導電接點
164‧‧‧第三導電接點
165‧‧‧第四導電接點
166‧‧‧第一導電線路
167‧‧‧第二導電線路
168‧‧‧第三導電線路
169‧‧‧第四導電線路
171‧‧‧溫度感測器
172‧‧‧溫度控制元件
180‧‧‧散熱器
181‧‧‧散熱層
190‧‧‧氣體感測層
200‧‧‧微機電溫度控制系統
210‧‧‧積體電路晶片
211‧‧‧溫度控制元件
212‧‧‧第五導電接點
213‧‧‧第六導電接點
214‧‧‧第七導電接點
215‧‧‧第八導電接點
216‧‧‧第五導電線路
217‧‧‧第六導電線路
218‧‧‧第七導電線路
219‧‧‧第八導電線路
300‧‧‧微機電環境感測裝置
301‧‧‧氣密空腔
302‧‧‧第一微機電裝置
304‧‧‧第二微機電裝置
310‧‧‧第二基座
311‧‧‧第二空洞
312‧‧‧貫穿孔
314‧‧‧導電柱
320‧‧‧可動電極
330‧‧‧固定電極
340‧‧‧第二薄膜
350‧‧‧導電墊
360‧‧‧導電線路
370‧‧‧玻璃膠
380‧‧‧第二導熱導電元件
D1‧‧‧第一距離
D2‧‧‧第二距離
P1‧‧‧環境氣壓
P2‧‧‧內部氣壓
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
圖1是習知的一種氣體感測裝置的示意圖。 圖2是習知的一種微機電半導體氣體感測器的示意圖。 圖3是習知的一種微機電氧氣感測器的示意圖。 圖4是習知的一種微機電氣體感測器的示意圖。 圖5是本發明第一實施例的微機電溫度控制系統的俯視示意圖。 圖6A是圖5的微機電溫度控制系統中的微機電裝置的沿剖線I-I的局部剖面示意圖。 圖6B是圖5的微機電溫度控制系統中的微機電裝置的放大示意圖。 圖7是本發明第二實施例的局部剖面示意圖。 圖8是本發明第三實施例的局部剖面示意圖。 圖9是本發明第四實施例的局部剖面示意圖。 圖10是本發明第五實施例的局部剖面示意圖。 圖11是本發明第六實施例的局部剖面示意圖。 圖12是本發明第七實施例的局部剖面示意圖。 圖13是本發明第八實施例的局部剖面示意圖。 圖14是本發明第九實施例的局部剖面示意圖。
100D‧‧‧微機電裝置
101‧‧‧隔熱空腔
110‧‧‧基座
111‧‧‧空洞
120‧‧‧薄膜
120a‧‧‧第一表面
120b‧‧‧第二表面
121‧‧‧第一材料層
122、123‧‧‧第二材料層
130‧‧‧加熱器
140‧‧‧儲熱元件
150‧‧‧導電導熱元件
151‧‧‧導熱元件
160‧‧‧基板
161‧‧‧接合層
171‧‧‧溫度感測器
190‧‧‧氣體感測層

Claims (37)

  1. 一種微機電溫度控制系統，包括： 一微機電裝置，包括： 一基座，包含一空洞； 一薄膜，具有一第一表面以及相對於該第一表面的一第二表面，該薄膜覆蓋該空洞； 一加熱器，設置於該薄膜的該第一表面；以及 一儲熱元件，設置於該薄膜的該第二表面，且位於該空洞中，其中該儲熱元件的比熱大於該加熱器的比熱。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的微機電溫度控制系統，其中該微機電裝置更包括： 至少一導電導熱元件，貫穿該薄膜，且電性連接該加熱器與該儲熱元件。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的微機電溫度控制系統，其中該儲熱元件包括一凸塊，其中該凸塊的材質為矽。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的微機電溫度控制系統，其中該薄膜包括一第一材料層及兩第二材料層，且該第一材料層設置於該兩第二材料層之間，其中該第一材料層的熱膨脹係數大於該基座的熱膨脹係數，且該第二材料層之熱膨脹係數小於該基座的熱膨脹係數。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的微機電溫度控制系統，更包括： 一基板，其中該基座設置於該基板上，且該基板、該基座及該薄膜形成一隔熱空腔，該儲熱元件設置於該隔熱空腔中。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的微機電溫度控制系統，其中該隔熱空腔為氣密空腔。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的微機電溫度控制系統，其中該微機電裝置更包括： 一隔熱材料，覆蓋該基座的內側壁。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的微機電溫度控制系統，其中該微機電裝置更包括： 一散熱器，包括至少一散熱層及至少一導熱元件，該散熱層設置於該薄膜的該第一表面，該導熱元件貫穿該薄膜，且該導熱元件連接該儲熱元件及該散熱層。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的微機電溫度控制系統，更包括： 一積體電路晶片，其中該積體電路晶片包括一溫度控制元件，該微機電裝置更包括一溫度感測器，該溫度感測器設置於該薄膜的該第一表面，該溫度控制元件分別與該溫度感測器及該加熱器電性耦接，該溫度控制元件依據該溫度感測器所感測到的溫度調整該加熱器所產生的熱量大小。
  10. 一種微機電溫度控制系統，包括： 一微機電裝置，包括： 一基座，包含一空洞； 一薄膜，具有一第一表面以及相對於該第一表面的一第二表面，該薄膜覆蓋該空洞； 一加熱器，設置於該薄膜的該第一表面； 一儲熱元件，設置於該薄膜的該第二表面，且位於該空洞中；以及 一散熱器，包括至少一散熱層及至少一導熱元件； 其中該儲熱元件的比熱大於該加熱器的比熱，該散熱層設置於該薄膜的該第一表面，該導熱元件貫穿該薄膜，且該導熱元件連接該儲熱元件及該散熱層。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的微機電溫度控制系統，其中該微機電裝置更包括： 至少一導電導熱元件，貫穿該薄膜，且電性連接該加熱器與該儲熱元件。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的微機電溫度控制系統，其中該儲熱元件包括一凸塊，其中該凸塊的材質為矽。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的微機電溫度控制系統，其中該薄膜包括一第一材料層及兩第二材料層，該第一材料層設置於該兩第二材料層之間，其中該第一材料層的熱膨脹係數大於該基座的熱膨脹係數，該第二材料層的熱膨脹係數小於該基座的熱膨脹係數。
  14. 如申請專利範圍第10項所述的微機電溫度控制系統，更包括： 一積體電路晶片，其中該積體電路晶片包括一溫度控制元件，該微機電裝置更包括一溫度感測器，該溫度感測器設置於該薄膜的該第一表面，該溫度控制元件分別與該溫度感測器及該加熱器電性耦接，該溫度控制元件依據該溫度感測器所感測到的溫度調整該加熱器所產生的熱量大小。
  15. 一種微機電溫度控制系統，包括： 一微機電裝置，包括： 一基座，包含一空洞； 一薄膜，具有一第一表面以及相對於該第一表面的一第二表面，該薄膜覆蓋該空洞； 一加熱器，設置於該薄膜的該第一表面； 一儲熱元件，設置於該薄膜的該第二表面，且位於該空洞中；以及 一溫度感測器，設置於該薄膜的該第一表面；以及 一積體電路晶片，包括: 一溫度控制元件，分別與該溫度感測器及該加熱器電性耦接； 其中該儲熱元件的比熱大於該加熱器的比熱，該溫度控制元件依據該溫度感測器所感測到的溫度調整該加熱器所產生的熱量大小。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的微機電溫度控制系統，其中該微機電裝置更包括： 至少一導電導熱元件，貫穿該薄膜，且電性連接該加熱器與該儲熱元件。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的微機電溫度控制系統，其中該儲熱元件包括一凸塊，其中該凸塊的材質為矽。
  18. 如申請專利範圍第15項所述的微機電溫度控制系統，其中該薄膜包括一第一材料層及兩第二材料層，該第一材料層設置於該兩第二材料層之間，其中該第一材料層的熱膨脹係數大於該基座的熱膨脹係數，該第二材料層的熱膨脹係數小於該基座的熱膨脹係數。
  19. 如申請專利範圍第15項所述的微機電溫度控制系統，更包括： 一基板，其中該基座設置於該基板上，該基板、該基座及該薄膜形成一隔熱空腔，該儲熱元件設置於該隔熱空腔中。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的微機電溫度控制系統，其中該隔熱空腔為氣密空腔。
  21. 如申請專利範圍第19項所述的微機電溫度控制系統，其中該微機電裝置更包括： 一隔熱材料，覆蓋該基座的內側壁。
  22. 一種微機電溫度控制系統，適用於氣體的感測，該微機電溫度控制系統包括： 一基板； 一微機電裝置，包括: 一基座，包含一空洞； 一薄膜，具有一第一表面以及相對於該第一表面的一第二表面，其中該薄膜覆蓋該空洞，該基座設置於該基板上，該基座與該基板及該薄膜形成一隔熱空腔； 一加熱器，設置於該薄膜的該第一表面； 一儲熱元件，設置於該薄膜的該第二表面，且位於該隔熱空腔中； 一導電元件，貫穿該薄膜，且電性連接該加熱器與該儲熱元件； 一散熱器，包括至少一散熱層及至少一導熱元件，其中該散熱層設置於該薄膜的該第一表面，該導熱元件貫穿該薄膜，該導熱元件連接該儲熱元件及該散熱層； 一溫度感測器，設置於該薄膜的該第一表面；以及 一氣體感測層，設置於該加熱器與該溫度感測器上；以及 一積體電路晶片，包括: 一溫度控制元件，分別與該溫度感測器與該加熱器電性耦接，其中該儲熱元件的比熱大於該加熱器的比熱，該溫度控制元件利用該溫度感測器所感測到的溫度調整該加熱器所產生的熱量大小。
  23. 如申請專利範圍第22項所述的微機電溫度控制系統，其中該儲熱元件包括一凸塊，其中該凸塊的材質為矽。
  24. 如申請專利範圍第22項所述的微機電溫度控制系統，其中該薄膜包括一第一材料層及兩第二材料層，該第一材料層設置於該兩第二材料層之間，其中該第一材料層的熱膨脹係數大於該基座的熱膨脹係數，該第二材料層的熱膨脹係數小於該基座的熱膨脹係數。
  25. 如申請專利範圍第24項所述的微機電溫度控制系統，其中該隔熱空腔為氣密空腔。
  26. 如申請專利範圍第24項所述的微機電溫度控制系統，其中該微機電裝置更包括： 一隔熱材料，覆蓋該基座的內側壁。
  27. 一種微機電溫度控制系統，適用於氣體感測及氣壓感測，該微機電溫度控制系統包括： 一基板； 一第一微機電裝置，包括: 一第一基座，包含一第一空洞； 一第一薄膜，具有一第一表面以及相對於該第一表面的一第二表面，其中，該第一薄膜覆蓋該第一空洞，該第一基座設置於該基板上，該第一基座、該基板及該第一薄膜定義一隔熱空腔； 一加熱器，設置於該第一薄膜的該第一表面； 一儲熱元件，設置於該第一薄膜的該第二表面且位於該隔熱空腔中，其中該儲熱元件的比熱大於該加熱器的比熱；以及 一氣體感測層，設置於該加熱器上； 一第二微機電裝置，包括: 一第二基座，包含一第二空洞；  一第二薄膜，置於該第二基座上； 一可動電極，置於該第二空洞中； 其中，該第二基座置於該基板上，該可動電極的全部邊界被該第二基座所圍繞且連接至該第二基座，該可動電極與該基板之間具有一距離，以使該可動電極、該第二基座及該基板定義 一氣密空腔；以及               一固定電極，設置於該基板上且設置於該氣密空腔內。
  28. 如申請專利範圍第27項所述的微機電溫度控制系統， 其中該儲熱元件具有一第一厚度，該可動電極具有一第二厚度，該第一厚度實質上等於該第二厚度。
  29. 如申請專利範圍第27項所述的微機電溫度控制系統，其中該儲熱元件的第三表面至該基板的第一距離實質上等於該可動電極的第四表面至該基板的第二距離。
  30. 如申請專利範圍第27項所述的微機電溫度控制系統，其中該第一薄膜具有一第三厚度，該第二薄膜具有一第四厚度，該第三厚度實質上等於該第四厚度。
  31. 如申請專利範圍第27項所述的微機電溫度控制系統，其中該第二基座更包括一貫穿孔及一導電柱，該導電柱設置於該貫穿孔中。
  32. 如申請專利範圍第31項所述的微機電溫度控制系統，其中該第二薄膜覆蓋該貫穿孔。
  33. 如申請專利範圍第32項所述的微機電溫度控制系統，更包括一導電墊及一第二導電導熱元件，其中該導電墊設置於該第二薄膜上，該第二導電導熱元件貫穿該第二薄膜且電性連接該導電柱與該導電墊。
  34. 如申請專利範圍第27項所述的微機電溫度控制系統，其中該氣密空腔具有一內部氣壓。
  35. 如申請專利範圍第27項所述的微機電溫度控制系統，其中該氣密空腔為真空。
  36. 如申請專利範圍第27項所述的微機電溫度控制系統，更包括一溫度感測器及一第一導電導熱元件，其中該溫度感測器設置於該第一薄膜的該第一表面，該第一導電導熱元件貫穿該第一薄膜，且連接該加熱器與該儲熱元件。
  37. 如申請專利範圍第36項所述的微機電溫度控制系統，更包括一積體電路晶片，該積體電路晶片包括一溫度控制元件，其中該溫度控制元件分別與該溫度感測器及該加熱器電性耦接，該溫度控制元件利用該溫度感測器所感測到的溫度調整該加熱器所產生的熱量大小。
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