基于电磁激励单晶硅谐振梁的热电变换器结构及制造方法与流程

本发明涉及一种热电变换器结构及制造方法，特别是基于电磁激励单晶硅谐振梁的热电变换器结构及制造方法，属于微电子机械系统(micro-electro-mechanicalsystems，mems)领域。

背景技术：

交流电压(或电流)基准是国家交流电压(或电流)量值传递中的基准计量器具，担负着我国交流电压(或电流)基准与国际上交流电压(或电流)基准的比对工作，也是交流功率和电能测量的基础。

目前国际上最精确的交流电压(或电流)基准是通过热电变换器实现的。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，温度检测元件测量加热电阻的温度，比较它们的输出信号，就可以获得交流电压(或电流)的有效值。

在热电变换器中，加热电阻的温度常采用热电堆测量。基于热电堆测温技术的热电变换器存在以下缺点：(1)热电堆温度敏感元件的输出阻抗较大，测量仪器必须具有很大的输入阻抗才能实现阻抗匹配。(2)加热电阻和热电堆热端之间的电容耦合增大了交直流热电转换误差。(3)从提高热电堆敏感温度的灵敏度、减小经热电堆向衬底传导热量的角度考虑，热电堆材料需要具备高塞贝克系数、低电阻率、低热导率等特点。但根据魏德曼-弗兰茨(wedman-franze)定律，材料热导率与电阻率之积为常数，难以同时减小热导率和电阻率。(4)响应率较高的热电堆材料(如bi、sb、bi2te3、bi0.5sb1.5te3、sb2te3)的淀积、腐蚀、剥离等工艺与标准的微细加工工艺兼容性差。(5)为了提高温度测量灵敏度和热电变换器的响应率，常采用100余对热电偶组成热电堆测量加热电阻的温度，需要制作大面积绝热薄膜，薄膜易发皱或断裂，不易实现应力平衡，而且限制了加热器设计的自由度。

相较于热电堆式热电变换器，谐振式热电变换器采用非接触温度传感方式，其温度传感元件为谐振器，利用谐振器的谐振频率对轴向热应力的高度敏感特性测量加热电阻的温度。这种测温方式减小了加热电阻热量经温度传感器向衬底的热传导、避免因热电效应，寄生电容和介质损耗引起的交直流转换误差。谐振器工作于机械谐振状态，输出的频率信号不受电路漂移和噪声的影响，测量精度、信噪比和分辨率高，抗干扰能力强，不需要价格昂贵的纳伏表，只要普通的fpga就可以采集输出信号。

波兰西里西亚工业大学mariankampik等人提出了一种石英晶体热电变换器，利用具有频率输出特性的石英晶体振荡器作为温度传感元件，虽然石英晶体具有很高的品质因数，但存在以下两个缺点：(1)测温灵敏度低。(2)石英材料难以加工，当薄膜的厚度小于几十微米时，变得十分脆弱易碎。巴西国家计量研究所gmgeronymo提出了一种频率输出热电变换器，由作为加热元件的表面贴装电阻和作为温度传感元件的热敏电阻组成。这种分立元件组成的谐振式热电变换器的振荡电路品质因数很低。本课题组之前提出了多种谐振式热电变换器(专利号：200810060614.3，201610541376.2)，谐振梁由二氧化硅、氮化硅等薄膜组成，具有很好的绝热性能，但谐振梁残余应力大，谐振频率漂移大，长时间振动后会产生应力松弛现象，破坏闭环自激系统的稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于发明一种基于单晶硅谐振梁的热电变换器，谐振梁的主体材料为单晶硅，具有很高的品质因数和较小的残余应力，可显著减小热电转换误差和交直流转换误差。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：热电变换器由键合在一起的谐振梁芯片和上盖板组成。加热电阻制作在上盖板的绝热薄膜上。谐振梁的主体材料是单晶硅，制作在具有良好绝热性能的硼硅玻璃之上。谐振梁采用电磁激励和电磁检测模式，其上制作激励导线和拾振导线，采用永磁体给谐振梁提供一个平行于芯片表面并与谐振梁垂直的磁场。

本发明所涉及的基于电磁激励单晶硅谐振梁的热电变换器的工作原理是：在谐振梁上的激励导线中通过交流电信号时，谐振梁在芯片法向振动，带动拾振导线切割磁力线，拾振导线两端将会产生感应电动势。当交流电信号频率与谐振梁的固有频率相同时，谐振梁达到谐振状态，拾振导线两端的感生电动势的幅值也达到最大，通过对感生电动势谐振频率的测量就可检测到谐振梁的谐振频率。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，产生的焦耳热使得加热电阻温度升高，辐射的热量将引起谐振梁温度升高，进而改变谐振梁的轴向应力，最终使谐振梁的谐振频率变化。当通入直流电压(或电流)产生的谐振频率变化量与通入交流电压(或电流)时产生的谐振频率变化量相等时，直流电压(或电流)就是交流电压(或电流)的有效值。

本发明所涉及的基于电磁激励单晶硅谐振梁的热电变换器可采用以下方法制作并封装：

【1】谐振梁芯片的制作工艺流程：

1)衬底为单晶硅片与硼硅玻璃片的键合片，减薄单晶硅到设计厚度。

2)光刻谐振梁，刻蚀成型槽中的硅。

3)在键合片表面制作绝缘膜。

4)制作激励导线、拾振导线和焊盘。

5)在衬底上淀积键合材料a并图形化。

6)腐蚀谐振梁下面的硼硅玻璃，释放谐振梁。

【2】上盖板的制作工艺流程：

1)衬底为(100)面、双面抛光硅片，制作腐蚀掩蔽层。

2)光刻，腐蚀下表面(面向谐振梁一面)的硅到一定深度。

3)光刻，刻蚀通孔。

4)在硅片表面制作绝热薄膜。

5)在通孔内溅射黏附层、阻挡层、种子层，电镀实现孔内金属化，制作通孔互连。

6)在下表面溅射合金薄膜，光刻并腐蚀制作加热电阻。

7)在下表面制作吸气剂，图形化。

8)在上盖板表面制作引线。

9)在下表面淀积键合材料b并图形化。

【3】谐振梁芯片和上盖板键合流程：

谐振梁芯片和上盖板对准后放入键合机，将二者键合在一起。

本发明所涉及的基于电磁激励单晶硅谐振梁的热电变换器具有以下优点：谐振梁品质因数高、残余应力小。

附图说明

图1是本发明所涉及的基于电磁激励单晶硅谐振梁的热电变换器的结构示意图。

图2是作为本发明实施例的基于电磁激励单晶硅谐振梁的热电变换器谐振梁芯片沿图1中aa′视角的基本工艺流程图。

图3是作为本发明实施例的基于电磁激励单晶硅谐振梁的热电变换器上盖板沿图1中bb′视角的基本工艺流程图。

图4是作为本发明实施例的基于电磁激励单晶硅谐振梁的热电变换器谐振梁芯片和上盖板键合后的截面示意图。

附图中：

1-谐振梁芯片2-上盖板3-谐振梁

4-加热电阻5-绝热薄膜6-激励导线

7-拾振导线8-硅片9-硼硅玻璃片

10-成型槽11-绝缘膜12-焊盘

13-键合材料a14-腐蚀掩蔽层15-通孔

16-通孔互连17-吸气剂18-引线

19-键合材料b20-锚点

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：利用本发明所提供的制作工艺步骤制作一种基于电磁激励单晶硅谐振梁的热电变换器，其制作工艺步骤如下：

【1】谐振梁芯片(1)的制作工艺流程：

1)基底为超平单晶硅片(8)与硼硅玻璃片(9)的键合片，四甲基氢氧化铵溶液腐蚀单晶硅，使硅片减薄到3微米。(见附图2[1])

2)光刻谐振梁(3)图形，感应耦合等离子刻蚀成型槽(10)中的硅直至硼硅玻璃。(见附图2[2])

3)等离子体增强化学气相沉积法在上表面淀积0.5μm富硅氮化硅膜作为绝缘膜(11)。(见附图2[3])

4)在绝缘膜(11)上溅射cr/au薄膜，制作激励导线(6)、拾振导线(7)和焊盘(12)。(见附图2[4])

5)等离子体增强化学气相沉积法淀积非晶硅薄膜作为键合材料a(13)，光刻密封环图形，刻蚀密封环外的非晶硅。(见附图2[5])

6)加入有甘油的bhf溶液(40％氟化铵∶丙三醇∶40％hf＝4∶2∶1)腐蚀谐振梁(3)下面的硼硅玻璃，释放谐振梁(3)。(见附图2[6])

【2】上盖板(2)的制作工艺流程：

1)基底为(100)面、双面抛光硅片，标准清洗，采用热氧化法在硅片表面生长二氧化硅作为腐蚀掩蔽层(14)，厚度600nm。(见附图3[1])

2)光刻面向谐振梁(3)一面的腐蚀窗口，缓释氢氟酸溶液去除腐蚀窗口中的腐蚀掩蔽层(14)。氢氧化钾溶液腐蚀窗口中的硅，腐蚀深度为50μm。(见附图3[2])

3)光刻通孔(15)图形，深等离子体刻蚀工艺制作出孔径小于5μm、纵深比高的垂直硅通孔(15)。(见附图3[3])

4)去除腐蚀掩蔽层(14)，标准清洗。再次热氧化，二氧化硅薄膜厚度0.9μm，低压化学气相沉积法在硅片上淀积氮化硅薄膜，厚度0.3μm，二氧化硅薄膜与氮化硅薄膜组成绝热薄膜(5)。(见附图3[4])

5)在通孔(15)内溅射黏附层ti、阻挡层tin、种子层cu，并电镀cu实现孔内金属化，制作通孔互连(16)。(见附图3[5])

6)溅射nicrsi薄膜，厚度89nm。光刻加热电阻(4)图形，硝酸铈铵溶液中湿法腐蚀未经光刻胶保护的nicrsi薄膜，制作出加热电阻(4)。(见附图3[6])

7)剥离技术光刻吸气剂(17)图形，溅射钛薄膜，丙酮去胶，剥离得到吸气剂。(见附图3[7])

8)剥离技术在上盖板(2)表面制作金引线(18)。(见附图3[8])

9)上盖板(2)溅射金薄膜作为键合材料b(19)并图形化。(见附图3[9])

【3】谐振梁芯片(1)和上盖板(2)键合流程：

将谐振梁芯片(1)上的键合材料a(13)面对上盖板(2)上的键合材料b(19)，对准后放入共晶键合机，使用共晶键合技术将谐振梁芯片(1)和上盖板(2)真空封装在一起。划片，焊接外引线。(见附图4)

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。