用于MEMS惯性传感器的热电制冷基板结构及其制造方法

本发明属于mems惯性传感器的恒温控制领域，特别是一种热电制冷基板的结构及其制造方法。

背景技术：

1、随着物联网信息和集成电路的快速发展，mems传感器作为帮助实现感知的核心部件变得越来越重要。基于微机械加工制造的mems惯性传感器具有体积小、成本低、一致性好、与cmos兼容等优点，在消费电子，工业制造，惯性导航等领域有着广泛的应用。环境温度变化导致的输出信号漂移会严重损害惯性传感器的测量精度。通过电路或算法补偿能够在一定程度上改善其测量精度，但温度漂移问题依然存在。在传感器系统中引入恒温加热结构能从源头隔绝外界环境温度变化对传感器的影响，解决温度漂移问题。但该方案不具备主动冷却途径，设置的恒温点要求高于正常工作的环境温度范围，增大了系统功耗。其次，器件密封腔内较高温度导致阻尼增大，品质因数降低。而同时具有加热和制冷功能的温控系统可以将恒温工作点设置于20℃左右，当器件温度低于设置温度点温控系统工作于加热模式，当器件温度高于设置温度点温控系统工作于制冷模式。这种模式极大降低了温控系统的功耗，使其在低功耗高精度需求场景的应用成为可能。加热制冷双模式的温控系统核心是基于珀耳帖效应的热电制冷元件结构，而商用的垂直结构的珀耳帖制冷元件体积较大，功耗高，难以集成到mems惯性传感器中。因此，在mems惯性传感器的圆片级封装中实现加热-制冷双模式的恒温控制成为亟待攻克的难题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是惯性传感器恒温控制中功耗大，品质因数低的问题，为此提出了一种加热-制冷双模式的热电制冷基板结构及其制造方法，既实现了惯性传感器的恒温控制，又降低了温控系统的功耗，避免了由于工作温度点过高导致的品质因数降低。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：

3、一种用于mems惯性传感器的热电制冷基板，包括衬底、内嵌玻璃环、热电制冷元件；

4、所述热电制冷基板与硅谐振结构、封装盖帽键合后形成完整的mems惯性传感器，由下至上分别是热电制冷基板、硅谐振结构和封装盖帽，并且三者的中心轴重合；

5、所述热电制冷基板的正面和背面均设有槽，正面槽面积大于硅谐振结构中可动结构的面积；背面槽用于抑制热量在芯片与封装管壳间的传递；

6、所述基板上设有内嵌玻璃环，内嵌玻璃环关于基板中心对称，用于抑制通向基板边缘的横向热传导；所述热电制冷元件包括多个n型电阻条和多个p型电阻条，n型电阻条和p型电阻条平行等间距交替分布，并且端部通过金属导线首尾相连，形成一个完整的热电制冷元件；且电阻条长度方向的两端位于内嵌玻璃环的内外两侧。

7、一种用于mems惯性传感器的热电制冷基板的制造方法，具体步骤如下：

8、步骤1，刻蚀：对硅衬底进行刻蚀，在硅衬底的表面形成凹槽；

9、步骤2，键合：清洁玻璃衬底和刻蚀后的硅衬底表面，将玻璃衬底和衬底表面凹槽键合在一起；

10、步骤3，玻璃回流：将键合在一起的结构放置于高温炉内，将玻璃衬底变为熔融态，在压差的作用下熔融态的玻璃填充衬底的凹槽微腔，当衬底凹槽微腔被熔融态的玻璃全填充后，逐渐冷却至室温，玻璃重新固化构成硅-玻璃复合衬底；

11、步骤4，减薄抛光：分别对硅-玻璃复合衬底的玻璃面和硅面进行减薄，直至玻璃面露出衬底、衬底面露出环状玻璃，之后进行抛光；

12、步骤5，加工热电制冷元件：将n型热电材料和p型热电材料淀积在硅-玻璃复合衬底的同一面，形成n型电阻条和p型电阻条；

13、步骤6，加工金属导线：在硅-玻璃复合衬底加工有热电制冷元件的一面淀积金属，形成金属导线；

14、步骤7，正面刻蚀浅槽：在硅-玻璃复合衬底加工有热电制冷元件的一面进行光刻，刻蚀形成基板的正面槽；

15、步骤8，背面刻蚀深槽：在硅-玻璃复合衬底没有加工热电制冷元件的一面进行光刻，刻蚀形成基板的背面槽。

16、本发明与现有技术相比，其显著优点是：

17、1)恒温控制避免了由于环境温度变化导致的结构应力变化，提升了mems惯性传感器的测量精度；2)mems面内热电制冷元件存在加热-制冷两种工作模式，恒温系统的工作温度点能够设置为常温，相比单加热模式的恒温系统，大幅降低了控制系统的功耗；3)mems面内热电制冷元件存在加热-制冷两种工作模式，相比单加热模式的恒温系统，较低的工作温度点降低了封装内的阻尼，提升了器件的品质因数。

技术特征：

1.一种用于mems惯性传感器的热电制冷基板，其特征在于，包括衬底、内嵌玻璃环、热电制冷元件；

2.根据权利要求1所述的用于mems惯性传感器的热电制冷基板，其特征在于，所述内嵌玻璃环110的面内宽度可调，且小于热电制冷元件的n型电阻条和热电制冷元件的p型电阻条的长度。

3.根据权利要求1所述的用于mems惯性传感器的热电制冷基板，其特征在于，所述热电制冷元件的n型电阻条和热电制冷元件的p型电阻条长度方向与对应位置的内嵌玻璃环的边长方向相互垂直。

4.根据权利要求1所述的用于mems惯性传感器的热电制冷基板，其特征在于，所述背面槽的面积为内嵌玻璃环内侧包围面积。

5.根据权利要求1所述的用于mems惯性传感器的热电制冷基板，其特征在于，当硅谐振结构的温度高于恒温控制系统设置的工作温度点时，位于内嵌玻璃环内侧的电流方向是由热电制冷元件的p型电阻条指向热电制冷元件的n型电阻条；位于内嵌玻璃环外侧的电流方向是由热电制冷元件的n型电阻条指向热电制冷元件的p型电阻条；当硅谐振结构的温度低于恒温控制系统设置的工作温度点时，位于内嵌玻璃环内侧的电流方向是由热电制冷元件的n型电阻条指向热电制冷元件的p型电阻条；位于内嵌玻璃环外侧的电流方向是由热电制冷元件的p型电阻条指向热电制冷元件的n型电阻条。

6.用于mems惯性传感器的热电制冷基板的制造方法，其特征在于，具体步骤如下：

7.根据权利要求6所述一种用于mems惯性传感器的热电制冷基板的制造方法，其特征在于，步骤5中所述n型电阻和p型电阻是具有热电制冷性能的并且与mems工艺兼容的材料。

8.根据权利要求7所述一种用于mems惯性传感器的热电制冷基板的制造方法，其特征在于，所述材料为bi2te3。

技术总结本发明公开了一种用于MEMS惯性传感器的热电制冷基板结构及其制造方法，首先将刻有深槽的硅晶圆与玻璃晶圆键合，通过玻璃回流工艺填充深槽，并进行双面减薄抛光形成硅衬底内嵌玻璃环的结构，然后在基板外围加工面内热电制冷元件，最后在基板正面刻浅槽、背面刻深槽。面内热电制冷元件根据电流方向不同分为加热和制冷两种模式，实现恒温控制系统的室温工作点设置。相比单加热模式，温控系统的功耗降低，MEMS惯性传感器的品质因数提升。内嵌玻璃环位于热电制冷元件热端与冷端之间，有效提升了热电制冷元件的加热制和冷效率，而基板背面的深槽则抑制了玻璃环内结构与环境之间通过封装管壳进行的热量传递，进一步提升了加热和制冷效率。技术研发人员：王振军,苏岩,姜波,张晶,周同受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/1/14