CN106449960B - 一种基于静电激励/电容检测微桥谐振器的薄膜热电变换器的结构与制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于静电激励/电容检测微桥谐振器的薄膜热电变换器的结构与制作方法。薄膜热电变换器由制作在同一硅片(1)上的加热电阻(2)、双端固支梁(3)、激励电极(4)和检测电容(5)组成。加热电阻(2)通电后产生并辐射的热量引起双端固支梁(3)温度升高，进而改变双端固支梁(3)的轴向应力，最终使双端固支梁(3)的谐振频率降低。通过测量双端固支梁(3)的谐振频率的变化就可以测量出加载在加热电阻(2)上的输入电压或电流的大小。本发明所涉及的薄膜热电变换器具有以下优点：加热电阻(2)、双端固支梁(3)、激励电极(4)和检测电容(5)制作在同一硅片(1)上，简化了器件封装工艺。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于静电激励/电容检测微桥谐振器的薄膜热电变换器，特别是加热电阻、双端固支梁、激励电极和检测电容制作在同一硅片上的谐振式薄膜热电变换器的结构与制作方法，属于微电子机械***(MEMS)领域。
背景技术
交流电压(流)标准是基本电学标准之一，通过这个标准可以将10Hz～1MHz的交流电压(或电流)的计量溯源到不确定度优于10-8的约瑟夫森直流量子电压基准。对交流电压的溯源通常是采用交直流电压转换的方法，即通过交流电压的有效值与标准直流电压进行比较，用直流电压的量值确定交流电压的量值。目前最精确的交直流转换标准是通过薄膜热电变换器实现的。
薄膜热电变换器主要由制作在绝热薄膜上的加热电阻和温度检测元件组成。交流电压(或电流)和直流电压(或电流)依次轮流施加在加热电阻上，产生焦耳热使得加热电阻温度升高，温度传感器测量加热电阻的温度，比较它们产生的焦耳热，就可以获得交流电压(或电流)产生热功率的大小。对于理想的热电变换器，等功率的交流和直流电压依次施加在相同的加热电阻两端，温度传感器输出电压也应当相等。
在薄膜热电变换器中，检测加热电阻温度的温度检测元件多采用热电堆，也有采用热敏电阻的报道。热电堆测量加热电阻温度的方式存在输出阻抗大、绝热效果不理想，部分热量会经热电偶传导到衬底的缺点。采用热敏电阻测量加热电阻温度时，热敏电阻本身也产生热量，会影响对加热电阻产生热量的测量。另外，这两种测温元件输出的信号为模拟信号。为了减小加热电阻热量经温度传感器向衬底的热传导、提高温度传感器探测灵敏度、减小热电变换器的交直流转换误差，我们之前提出一种由加热电阻、微型桥谐振器和密封环组成的薄膜热电变换器。加热电阻和微型桥谐振器制作在不同的硅片上，需要通过阳极键合或玻璃焊料密封技术将制作有加热电阻的硅片与制作有微型桥谐振器的硅片封装在一起，有一定的技术难度。
发明内容
本发明的目的在于发明一种基于静电激励/电容检测微桥谐振器的薄膜热电变换器的结构与制作方法。将加热电阻和微桥谐振器制作在同一硅片上，以简化器件封装工艺。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：薄膜热电变换器由制作在同一硅片上的加热电阻、双端固支梁、激励电极和检测电容组成。双端固支梁、激励电极和检测电容组成微桥谐振器。薄膜热电变换器由体微机械工艺和表面微机械工艺组成的混合微机械工艺制作，其中加热电阻下面的硅材料采用体微机械工艺从背面湿法腐蚀以避免热量向衬底的热传导，双端固支梁和加热电阻之间的非晶硅薄膜采用表面微机械工艺从侧面湿法腐蚀以释放双端固支梁。
本发明所涉及的基于静电激励/电容检测微桥谐振器的薄膜热电变换器的工作原理是：微桥谐振器采用静电激励、电容拾振方式工作，通过在激励电极上加载与双端固支梁固有频率相同的交流电信号使其处于谐振状态，通过检测电容检测双端固支梁的振动频率信号。加热电阻通电后产生并辐射的热量引起双端固支梁温度升高，进而改变双端固支梁的轴向应力，最终使双端固支梁的谐振频率降低。通过测量双端固支梁的谐振频率的变化就可以测量出加载在加热电阻上的输入电压或电流的大小。
本发明所涉及的基于静电激励/电容检测微桥谐振器的薄膜热电变换器可采用以下方法制作并封装：
【1】采用热氧化法在硅片双面生长二氧化硅薄膜。
【2】采用低压化学气相淀积(LPCVD)工艺在二氧化硅薄膜双面淀积LPCVD氮化硅薄膜。
【3】硅片正面溅射NiCrSi薄膜，光刻加热电阻图形，腐蚀出加热电阻(。
【4】光刻激励电极下电极、检测电容下电极、激励电极下电极焊盘、检测电容下电极焊盘和加热电阻焊盘的图形，先后溅射钛薄膜和金薄膜，钛薄膜是金薄膜和LPCVD氮化硅薄膜的粘附层，剥离工艺得到激励电极下电极、检测电容下电极、激励电极下电极焊盘、检测电容下电极焊盘和加热电阻焊盘。
【5】等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术先后淀积第一层PECVD氮化硅薄膜、非晶硅薄膜和第二层PECVD氮化硅薄膜，分别作为后续工艺中的腐蚀掩蔽层、牺牲层和双端固支梁的结构材料。
【6】光刻激励电极上电极、检测电容上电极、激励电极上电极焊盘和检测电容上电极焊盘的图形，溅射钛薄膜和金薄膜，剥离工艺得到激励电极上电极、检测电容上电极、激励电极上电极焊盘和检测电容上电极焊盘。
【7】再一次等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术制作第三层PECVD氮化硅薄膜，该薄膜与第【5】步工艺中制作的第二层PECVD氮化硅薄膜是双端固支梁的结构材料。
【8】在硅片正面光刻成型槽，使用缓释氢氟酸溶液湿法腐蚀和干法刻蚀中的至少一种方法去除暴露在成型槽中的第三层PECVD氮化硅薄膜、第二层PECVD氮化硅薄膜。
【9】在硅片正面光刻激励电极下电极焊盘、检测电容下电极焊盘、加热电阻焊盘的图形。干法刻蚀激励电极下电极焊盘、检测电容下电极焊盘和加热电阻焊盘上面的第三层PECVD氮化硅薄膜、第二层PECVD氮化硅薄膜、非晶硅薄膜、第一层PECVD氮化硅薄膜。
【10】在硅片正面光刻激励电极上电极焊盘和检测电容上电极焊盘的图形。干法刻蚀激励电极上电极焊盘和检测电容上电极焊盘上面的第三层PECVD氮化硅薄膜。
【11】背面光刻，形成背腐蚀窗口，依次使用干法刻蚀和缓释氢氟酸溶液湿法腐蚀去除背腐蚀窗口中的LPCVD氮化硅薄膜和二氧化硅薄膜，正面保护，各向异性腐蚀液中腐蚀位于背腐蚀窗口内、加热电阻下面的一部分硅衬底。
【12】划片。
【13】湿法腐蚀正面的非晶硅薄膜和位于背腐蚀窗口内、加热电阻下面剩余的硅衬底。
【14】分片，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，最后在真空室中封帽。
其中，第【4】步工艺制作的激励电极下电极和第【6】步工艺制作的激励电极上电极组成激励电极、第【4】步工艺制作的检测电容下电极和第【6】步工艺制作的检测电容上电极组成检测电容。
本发明所涉及的基于静电激励/电容检测微桥谐振器的薄膜热电变换器具有以下优点：加热电阻、双端固支梁、激励电极和检测电容制作在同一硅片上，简化了器件封装工艺。
附图说明
图1是基于静电激励/电容检测微桥谐振器的薄膜热电变换器的结构示意图和截面图。
图2是作为本发明实施例的基于静电激励/电容检测微桥谐振器的薄膜热电变换器的制作工艺流程图。
附图中：
1—硅片 2—加热电阻
3—双端固支梁 4—激励电极
5—检测电容 6—微桥谐振器
7—二氧化硅薄膜 8—LPCVD氮化硅薄膜
9—NiCrSi薄膜 10—激励电极下电极
11—检测电容下电极 12—激励电极下电极焊盘
13—检测电容下电极焊盘 14—加热电阻焊盘
15—第一层PECVD氮化硅薄膜 16—非晶硅薄膜
17—第二层PECVD氮化硅薄膜 18—激励电极上电极
19—检测电容上电极 20—激励电极上电极焊盘
21—检测电容上电极焊盘 22—第三层PECVD氮化硅薄膜
23—成型槽 24—背腐蚀窗口
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。
实施例：
本发明所涉及的基于静电激励/电容检测微桥谐振器的薄膜热电变换器，其制作工艺流程如下：
【1】硅片1为(100)面、电阻率1～10Ω·cm、双面抛光N型硅片，厚度400微米(见附图2[1])。采用热氧化法在硅片1表面生长二氧化硅薄膜7，温度1100℃，时间36min，厚度600nm(见附图2[2])。
【2】采用低压化学气相淀积(LPCVD)在二氧化硅薄膜7表面淀积LPCVD氮化硅薄膜8，厚度300nm。(见附图2[3])
【3】硅片正面溅射NiCrSi薄膜9，厚度70nm(见附图2[4])。光刻加热电阻2图形，硝酸铈溶液中湿法腐蚀未经光刻胶保护的NiCrSi薄膜9，制作出加热电阻2，丙酮去胶(见附图2[5])。
【4】剥离工艺光刻激励电极下电极10、检测电容下电极11、激励电极下电极焊盘12、检测电容下电极焊盘13和加热电阻焊盘14的图形，先后溅射40nm钛薄膜和200nm金薄膜，钛薄膜作为金薄膜和LPCVD氮化硅薄膜8的粘附层，丙酮中去胶，剥离得到激励电极下电极10、检测电容下电极11、激励电极下电极焊盘12、检测电容下电极焊盘13和加热电阻焊盘14。(见附图2[6])
【5】等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术先后淀积后续工艺中作为腐蚀掩蔽层的第一层PECVD氮化硅薄膜15、作为牺牲层的非晶硅薄膜16和作为双端固支梁3结构材料的第二层PECVD氮化硅薄膜17。(见附图2[7])
【6】剥离工艺光刻激励电极上电极18、检测电容上电极19、激励电极上电极焊盘20和检测电容上电极焊盘21的图形，先后溅射40nm钛薄膜和200nm金薄膜，丙酮中去胶，剥离得到激励电极上电极18、检测电容上电极19、激励电极上电极焊盘20和检测电容上电极焊盘21。(见附图2[8])
【7】再一次等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术制作第三层PECVD氮化硅薄膜22，该薄膜与第【5】步工艺中制作的第二层PECVD氮化硅薄膜17是双端固支梁3的结构材料。(见附图2[9])
【8】在硅片正面光刻成型槽23，使用缓释氢氟酸溶液湿法腐蚀和干法刻蚀中的至少一种方法去除暴露在成型槽23中的第三层PECVD氮化硅薄膜22、第二层PECVD氮化硅薄膜17，丙酮去胶。(见附图2[10])
【9】在硅片正面光刻激励电极下电极焊盘12、检测电容下电极焊盘13、加热电阻焊盘14的图形。干法刻蚀激励电极下电极焊盘12、检测电容下电极焊盘13和加热电阻焊盘14上面的第三层PECVD氮化硅薄膜22、第二层PECVD氮化硅薄膜17、非晶硅薄膜16、第一层PECVD氮化硅薄膜15(见附图2[11])
【10】在硅片正面光刻激励电极上电极焊盘20和检测电容上电极焊盘21的图形。干法刻蚀激励电极上电极焊盘20和检测电容上电极焊盘21上面的第三层PECVD氮化硅薄膜22，丙酮去胶。(见附图2[12])
【11】背面光刻，形成背腐蚀窗口24，依次使用干法刻蚀和缓释氢氟酸溶液湿法腐蚀去除背腐蚀窗口24中的LPCVD氮化硅薄膜8和二氧化硅薄膜7。正面涂布耐KOH腐蚀的AR-PC504胶，各向异性KOH腐蚀液中湿法腐蚀位于背腐蚀窗口内、加热电阻2下面部分硅衬底，三氯乙烯中去胶。(见附图2[13])
【12】划片，划片深度250μm。
【13】用KOH溶液湿法腐蚀正面成型槽23及双端固支梁3下面的非晶硅薄膜16、位于背腐蚀窗口24内、加热电阻2下面剩余的硅衬底。(见附图2[14])
【14】分片，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***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 (2)
1.一种基于静电激励/电容检侧微桥谐振器的薄膜热电变换器，其特征在于：薄膜热电变换器由制作在同一硅片(1)上的加热电阻(2)、双端固支梁(3)、激励电极(4)和检测电容(5)组成，采用以下工艺步骤制作并封装：
【1】采用热氧化法在硅片(1)双面生长二氧化硅薄膜(7)；
【2】采用低压化学气相淀积(LPCVD)工艺在二氧化硅薄膜(7)表面淀积LPCVD氮化硅薄膜(8)；
【3】硅片正面溅射NiCrSi薄膜(9)，光刻加热电阻(2)图形，腐蚀出加热电阻(2)；
【4】光刻激励电极下电极(10)、检测电容下电极(11)、激励电极下电极焊盘(12)、检测电容下电极焊盘(13)和加热电阻焊盘(14)的图形，先后溅射钛薄膜和金薄膜，钛薄膜是金薄膜和LPCVD氮化硅薄膜(8)的粘附层，剥离工艺得到激励电极下电极(10)、检测电容下电极(11)、激励电极下电极焊盘(12)、检测电容下电极焊盘(13)和加热电阻焊盘(14)；
【5】等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术先后淀积第一层PECVD氮化硅薄膜(15)、非晶硅薄膜(16)和第二层PECVD氮化硅薄膜(17)，分别作为后续工艺中的腐蚀掩蔽层、牺牲层和双端固支梁(3)的结构材料；
【6】光刻激励电极上电极(18)、检测电容上电极(19)、激励电极上电极焊盘(20)和检测电容上电极焊盘(21)的图形，溅射钛薄膜和金薄膜，剥离工艺得到激励电极上电极(18)、检测电容上电极(19)、激励电极上电极焊盘(20)和检测电容上电极焊盘(21)；
【7】再一次等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术制作第三层PECVD氮化硅薄膜(22)，该薄膜与第【5】步工艺中制作的第二层PECVD氮化硅薄膜(17)是双端固支梁(3)的结构材料；
【8】在硅片正面光刻成型槽(23)，使用缓释氢氟酸溶液湿法腐蚀、干法刻蚀中的至少一种方法去除暴露在成型槽(23)中的第三层PECVD氮化硅薄膜(22)、第二层PECVD氮化硅薄膜(17)；
【9】在硅片正面光刻激励电极下电极焊盘(12)、检测电容下电极焊盘(13)、加热电阻焊盘(14)的图形，干法刻蚀激励电极下电极焊盘(12)、检测电容下电极焊盘(13)和加热电阻焊盘(14)上面的第三层PECVD氮化硅薄膜(22)、第二层PECVD氮化硅薄膜(17)、非晶硅薄膜(16)、第一层PECVD氮化硅薄膜(15)；
【10】在硅片正面光刻激励电极上电极焊盘(20)和检测电容上电极焊盘(21)的图形，干法刻蚀激励电极上电极焊盘(20)和检测电容上电极焊盘(21)上面的第三层PECVD氮化硅薄膜(22)；
【11】背面光刻，形成背腐蚀窗口(24)，依次使用干法刻蚀和缓释氢氟酸溶液湿法腐蚀去除背腐蚀窗口(24)中的LPCVD氮化硅薄膜(8)和二氧化硅薄膜(7)，正面保护，各向异性腐蚀液中腐蚀位于背腐蚀窗口(24)内、加热电阻(2)下面的部分硅衬底；
【12】划片；
【13】湿法腐蚀双端固支梁(3)和加热电阻(2)之间的非晶硅薄膜(16)和位于背腐蚀窗口(24)内、加热电阻(2)下面剩余的硅衬底；
【14】分片，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的焊线，最后在真空室中封帽。
2.根据权利要求1所述的基于静电激励/电容检测微桥谐振器的薄膜热电变换器，其特征在于：双端固支梁(3)、激励电极(4)和检测电容(5)组成的微桥谐振器(6)采用静电激励、电容拾振方式工作，通过在激励电极(4)上加载与双端固支梁(3)固有频率相同的交流电信号使其处于谐振状态，检测电容(5)检测双端固支梁(3)的振动信号。
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