一种新型谐振式薄膜热电变换器的结构及制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新型薄膜热电变换器的结构与制作方法，特别是加热电阻和微桥谐振器制作在同一衬底上的谐振式薄膜热电变换器的结构与制作方法，属于微电子机械系统(MHMS)领域。
【背景技术】
[0002]直流电压单位由约瑟夫森电压自然基准确定，而交流电压的溯源还没有采用自然基准或以实物标准输出交流电压量值的方式，国内外对交流电压的溯源通常是采用交直流电压转换的方法。目前最精确的交直流转换标准是通过热电变换器实现的，经过长期的研究和使用，被证明具有很高的准确度。
[0003]作为交直流转换标准的热电转换器有以下三种主要类型:单元热电转换器、立体多元热电转换器和薄膜(或平面)型热电转换器。单元热电转换器的缺点在于输出的热电势信号比较微弱，而立体多元热电转换器使用频率范围窄、易被静电击穿、手工操作、不适合批量生产、价格昂贵。
[0004]目前使用的热电转换器多采用薄膜型热电转换器。目前广泛使用的薄膜型热电转换器主要由加热电阻和热电堆组成。加热电阻和热偶的热端位于各向异性腐蚀制作的Si3N4/Si02/Si3N4绝热薄膜上表面，热偶的热端靠近加热电阻，用于测量加热电阻温度，冷端在硅衬底上。这种以热电堆作为温度敏感元件的热电转换器存的缺点有:
[0005](1)热电堆温度敏感元件的输出阻抗较大(例如Cu_CuNi44$电堆的输出阻抗为7K Ω )，需要具有很大的输入阻抗的测量仪器才能实现阻抗匹配。
[0006](2)从提高热电堆温度传感器的灵敏度、减小经热偶向衬底传导热量的角度考虑，热电偶材料需要具备高塞贝克系数、低电阻率、低热导率等特点。但根据魏德曼一弗兰茨(ffedman-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。目前广泛使用的CuNi44-Cu、CuN1-NiCr、B1-Sb热电偶的热导率比较大，绝热效果不理想，很大一部分热量经热电偶传导到衬底。
[0007](3)响应率较高的热电堆材料GmSKBiJe^BiuSbuTe^SVeJ的沉积、腐蚀、剥离等工艺与标准的微细加工工艺兼容性差。
[0008](4)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Si3N4/Si02/Si3N4隔热薄膜，薄膜易发皱或断裂，不易实现应力平衡。
[0009]为了克服热电堆测温技术的缺点，1997年PTB的F.L.Katzmann等采用位于绝热薄膜上的加热电阻两边的两个热敏电阻与衬底上的两个阻值固定的电阻组成惠斯登电桥，以测量热敏电阻阻值的变化。热敏电阻的阻值较小，克服了热电偶输出阻抗高的缺点，减小了传感器的噪音，提高了信噪比。利用热敏电阻测量加热电阻温度的缺点在于热敏电阻与加热电阻之间也会产生寄生电容，产生较大的交直流热电转换误差。另外组成惠斯登电桥的四个热敏电阻所处热环境不同，影响测量精度。
[0010]本专利作者所在的课题组之前发明了一种基于微型桥谐振器的薄膜热电变换器的结构及制作方法。薄膜热电变换器主要由加热电阻、微型桥谐振器和密封环组成。组成该薄膜热电变换器的加热电阻和微型桥谐振器位于不同的衬底上，在制作工艺上存在以下两个难点:(1)需要采用静电键合、共晶键合或低温玻璃浆料键合等方式将位于不同衬底的加热电阻芯片和微型桥谐振器芯片键合在一起；(2)需要采用通孔互连等复杂技术实现微桥谐振器引出的电极。二者在技术实现方式上都比较复杂，存在一定的难度。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于发明一种新型的谐振式薄膜热电变换器，以简化器件制作工艺和封装工艺。
[0012]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衬底(1)上的加热电阻(2)、微桥谐振器A(3)、微桥谐振器B(4)组成。加热电阻(2)通电后产生并辐射的热量引起微桥谐振器A(3)温度升高，其轴向压应力增加或拉应力下降，使得微桥谐振器A(3)的谐振频率下降。而微桥谐振器B(4)不感受加热电阻(2)辐射的热量，其谐振频率仅受衬底和环境温度的影响，通过测量微桥谐振器A (3)、微桥谐振器B (4)谐振频率的差值即可反映出加载在加热电阻(2)上的输入电压或电流的大小。
[0013]本发明所涉及的加热电阻(2)和微桥谐振器A(3)、微桥谐振器B(4)制作在同一衬底(1)上的谐振式薄膜热电变换器可采用以下方法制作并封装:
[0014]【a】先后采用热氧化法和低压化学气相淀积法在硅片表面制作二氧化硅(10)和氮化硅薄膜(11)，作为微桥谐振器的结构材料；
[0015]【b】低压化学气相淀积方法制作多晶硅薄膜(12)，并在多晶硅薄膜中扩散硼原子，光刻与刻蚀工艺相结合制作多晶硅电阻条，作为微桥谐振器A (3)、微桥谐振器B (4)的激励电阻(5)和检测电阻(6);
[0016]【c】硅片正面淀积NiCrSi薄膜(13)，光刻加热电阻(2)图形，硫酸铈和硝酸的混合溶液腐蚀出加热电阻(2)的图形，去胶；
[0017]【d】淀积铝膜(14)，光刻引线(7)及焊盘(8)图形，磷酸溶液中腐蚀没有被光刻胶保护的铝，去胶，合金化；
[0018]【e】在硅片正面光刻成型槽(9)，干法刻蚀暴露在成型槽(9)中的氮化硅薄膜(11)和二氧化硅薄膜(10)，也可以采用缓释氢氟酸溶液湿法腐蚀二氧化硅薄膜(10);
[0019]【f】划片；
[0020]【g】干法刻蚀硅，在纵向刻蚀成型槽(9)中的硅的同时横向刻蚀微桥谐振器A(3)、微桥谐振器B(4)下面的硅，释放微桥谐振器A(3)、微桥谐振器B(4)，去胶；
[0021]【h】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，最后在真空系统中封帽。
[0022]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)和微桥谐振器A(3)制作在同一衬底(1)上，简化了器件制作工艺和封装工艺。通过测量微桥谐振器A (3)、微桥谐振器B(4)谐振频率的差值即可反映出加载在加热电阻(2)上的输入电压或电流的大小，可以消除环境温度和衬底温度变化对测量结果的影响。
【附图说明】
[0023]图1是新型谐振式薄膜热电变换器的结构示意图。
[0024]图2是新型谐振式薄膜热电变换器工作原理图。加热电阻(2)通以交流电压(或电流)后产生并辐射的热量引起微桥谐振器A (3)温度升高，其轴向压应力增加或拉应力下降，使得微桥谐振器A(3)的谐振频率下降。而微桥谐振器B(4)不感受加热电阻(2)辐射的热量，其谐振频率仅受衬底和环境温度的影响，通过测量微桥谐振