一种带恒温控制的热式驱动mems器件的制作方法
【专利摘要】一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件，包括芯片内部可动结构1和衬底2，还包括恒温隔热环3，芯片内部可动结构1通过恒温隔热环3连接到衬底2上，所述恒温隔热环3包括至少一个恒温环3-1和至少两个热隔离环3-2，A热隔离环3-2a和B热隔离环3-2b位于恒温环3-1的两侧，A热隔离环3-2a连接到衬底2上，B热隔离环3-2b连接到芯片内部可动结构1上。优点：在芯片上集成恒温控制功能模块，此恒温控制模块所占面积小，功耗低，响应时间小，恒温控制精度高。集成了恒温控制环的热式MEMS芯片具有显著的尺寸小、功耗低、成本低、可批量生产的特点。
【专利说明】
一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件，属于微机电技术领域。
【背景技术】
[0002] 热式MEMS器件在民用产品、工业产品、物联网等领域有着广泛的应用，但是其工作 温度为-55°C~125°C，这个温度对热式MEMS器件工作稳定性的影响是巨大的，因为热式MEMS 器件的敏感因子是温度。
[0003] 为解决环境温度的波动引入的热式MEMS器件的测试误差，需要对温度进行补偿， 可采用加TEC温度控制，或者是算法补偿。TEC增加了系统的尺寸，对芯片整体恒温需要的功 耗较大，并增加了成本。如专利申请号201210268441.0,半导体激光器，一级恒温控制电路 和所述温度传感器TS均设置在所述恒温控制腔内，热电制冷片TEC-侧设置在导热块外侧， 二级恒温控制电路分别连接温度传感器TS和热电制冷片TEC。而算法补偿则补偿范围有限。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的技术问题是:外界环境温度的波动对热式MEMS器件造成测试误差的 问题。
[0005] 本发明的技术方案是：一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件，包括芯片内部可动 结构1和衬底2,还包括恒温隔热环3,芯片内部可动结构1通过恒温隔热环3连接到衬底2上， 所述恒温隔热环3包括至少一个恒温环3-1和至少两个热隔离环3-2，A热隔离环3-2a和B热 隔离环3-2b位于恒温环3-1的两侧，A热隔离环3-2a连接到衬底1上，B热隔离环3-2b连接到 芯片内部可动结构1上。
[0006] 本发明的优点和技术效果:在芯片上集成恒温控制功能模块，此恒温控制模块所 占面积小，功耗低，响应时间小，恒温控制精度高。集成了恒温控制环的热式MEMS芯片具有 显著的尺寸小、功耗低、成本低、可批量生产的特点。
【附图说明】
[0007] 图1是带恒温隔热环的热式MEMS结构示意图。
[0008] 图2是各部件的连接方式。
[0009] 图3是热式MEMS结构的剖面示意图。
[0010] 图4是恒温隔离环的示意图。
[0011 ]图5是一种恒温隔热环的布置。
[0012]图6是实施例1中恒温环的电阻布置。
[0013]图7是实施例1中恒温控制环的反馈示意图。
[0014]图8是实施例2中恒温环的电阻布置。
[0015]图9是实施例2中恒温控制环的反馈示意图。
[0016]图中，1是芯片内部可动结构，1-1是驱动结构，1-2是制动结构，2是衬底，3是恒温 隔热环，3_1是丨旦温环，3_1_1是导热基底，3_1_2是加热电阻，3_1_3是测温电阻，3_1_4是温 控电阻，3-2是热隔离环。
【具体实施方式】
[0017] -种带恒温控制的热式驱动MEMS器件，包括芯片内部可动结构1和衬底2，还包括 恒温隔热环3，芯片内部可动结构1通过恒温隔热环3连接到衬底2上，所述恒温隔热环3包括 至少一个恒温环3-1和至少两个热隔离环3-2，A热隔离环3-2a和B热隔离环3-2b位于恒温环 3-1的两侧，A热隔离环3-2a连接到衬底1上，B热隔离环3-2b连接到芯片内部可动结构1上。
[0018] 所述恒温环3-1包括导热基底3-1-1、加热电阻3-1-2和测温电阻3-1-3,加热电阻 3-1-2和测温电阻3-1-3并排布置在导热基底3-1-1上。
[0019] 所述恒温环3-1包括导热基底3-1-1和温控电阻3-1-4,该温控电阻3-1-4安装在导 热基底3-1-1上。
[0020]所述导热基底3-1-1是单晶娃。
[0021] 所述加热电阻3-1-2是金属或者多晶硅材料，所述测温电阻3-1-3是Pt或Ti或多晶 娃材料。
[0022] 所述加热电阻3-1-2采用mW级的电功率驱动。
[0023] 所述热隔离环3-2采用Si02或Si3N4。
[0024] 所述芯片内部可动结构1包括驱动结构1-1和制动结构1-2,驱动结构1-1位于制动 结构1-2的周围。
[0025] 所述驱动结构1-1是热式驱动结构，所述制动结构1-2是质量块、微平台、微透镜、 微光栅、微线圈、微镜或热堆中的一种。
[0026] 所述热式驱动结构由双层材料或多层材料构成，并且各层材料之间的热膨胀系数 的不同。
[0027] 所述热式驱动结构可集成加热电阻。
[0028] 所述双层材料分别为Si02和A1，或Cu和W;所述加热电阻的材料为Pt、Ti、W或多晶。
[0029] 恒温隔热环工作原理，加热电阻采用mW级的电功率驱动，使驱动结构的初始温度 升到环境变化温度的最高点，作为一种优选方案1，测温电阻，布置在加热电阻周围，监测恒 温隔热环的温度，测温电阻和加热电阻形成反馈，改变加热电阻上的驱动功率，使驱动结构 的初始温度维持在所需温度点。作为一种优选方案2,用电阻温度系数大的材料做加热电 阻，同时有测温电阻的功能，Pt是一种优选的电阻材料方案。
[0030] 加热电阻加电时，产生的热功率很快会分别传导到衬底和驱动结构上，这样恒温 环上的温度由中间向两边呈温度梯度，中间高，两端低，导致恒温环的温度不均匀，且温度 很难升到想要的高温。因此，需要加入热隔离，当加热电阻加电时，由于设置在恒温环两端 的热隔离1和热隔离2的热导远小于驱动臂2的热导，使得恒温环上热效应的变化变得均匀， 即恒温环上各个位置的热效应变得均匀。作为一种优选方案，热隔离1和热隔离2的材料为 Si02,为悬臂结构，底下为沟槽。热隔离1和热隔离2的热阻为恒温环热阻的3~10倍，此设计 值可以有效的提高恒温环的热响应率，且能够控制恒温环的升降温过程的时间处于可使用 的范围内。
[0031 ] 实施例1 如图1~图3所示，该带恒温控制的热式驱动MEMS器件，包括芯片内部可动结构1、衬底2 和恒温隔热环3,芯片内部可动结构1包括驱动结构1-1和制动结构1-2,驱动结构1-1位于制 动结构卜2的周围，丨旦温隔热环3包括一个丨旦温环3_1和两个热隔尚环3-2, A热隔尚环3_2a和 B热隔离环3-2b位于恒温环3-1的两侧，A热隔离环3-2a连接到衬底2上，B热隔离环3-2b连接 到制动结构1-2上。
[0032] 对于本实施例的恒温隔热环3结构，恒温环3-1和热隔离环3-2是布置在MEMS内部 可动结构1的周围，可以布置1个恒温环3-1和2个热隔离3-2,或者是η个恒温环3-1和2n个热 隔离3-2，或者是η个恒温环3-1和m个热隔离3-2。
[0033] 驱动结构1 -1为热式的驱动结构，制动结构1 - 2可为质量块、微镜、热堆等，若芯片 内部可动结构1为MEMS微镜，则制动结构1-2是微镜;若芯片内部可动结构1为传感器的加速 度计，则制动结构1-2是质量块;若芯片内部可动结构1为红外热式传感器，则制动结构1-2 是热堆。
[0034] 如图4~图6所示，恒温环3-1包括导热基底3-1-1、加热电阻3-1-2和测温电阻3-1-3,加热电阻3-1-2和测温电阻3-1-3并排布置在导热基底3-1-1上。加热电阻3-1-2优选金属 或者多晶硅材料，所述测温电阻3-1-3优选Pt或Ti或多晶硅材料等电阻温度系数高的导电 材料。Pt具有较高的稳定性和较高的电阻温度系数，所以Pt合适作为测温电阻3-1-3材料， Pt的电阻温度系数为3.9E-3,当测温电阻测试精度为0.1Ω，测温电阻设计为1ΚΩ(@〇°〇， 测温电阻的温度测试精度可以达到〇.〇25°C，这样能够有效保证本装置在使用过程中的稳 定性以及精确度。
[0035]加热电阻3-1-2采用mW级的电功率驱动，使驱动结构的初始温度升到环境变化温 度的最高点。测温电阻3-1-3,布置在加热电阻3-1-2周围，用于监测恒温隔热环的温度.测 温电阻3-1-3测得的温度值反馈给加热电阻3-1-2,根据温度值改变加热电阻上的驱动功 率，使驱动结构的初始温度维持在所需温度点(环境温度变化的最高点）。
[0036]热隔离环3-2采用热导率低的材料，优选Si02、Si3N4等非金属材料。
[0037] 如图5所示，恒温隔热环3还可包括四个恒温环3-1和八个热隔离环3_2，A热隔离环 3-2a和B热隔离环3-2b位于恒温环3-1的两侧，A热隔离环3-2a连接到衬底1上，B热隔离环3-2b连接到驱动结构1-1上。
[0038] 如图7所示，本实施例中恒温环3-1工作原理，测温电阻3-1-3电阻材料的电阻温度 系数α，其电阻值和环境温度 对应，其对应公式为&S： ，式中，Δ τ为产 生的温升，A R为由于温升引起的电阻变化值。加热电阻为电功率驱动，加入电驱动，产生的 电功率为P = I、 V，电功率会对周围环境产生一定的温升ΔΤ。因此我们可以通过测试 测温电阻的电阻值就能测试温度，再通过这个温度和所需温度值A T0比较，反馈给加热电 阻，调节加热电阻的电功率，最终使测温电阻的温度达到A T0。如图7所示，R0为设定温度对 应的电阻值，对测温电阻R(3-l_3)和R0比较，输出一个电压，将其加载到加热电阻3-1-2上， 改变其电功率，从而改变温度值，最终得到R(3-1 -3) =R0，也就能得到所需的温升Δ T0。当环 境温度改变时，所测得的R(3-1-3)改变，再通过相同的反馈，将其矫正到所需的温度值Δ Τ0〇
[0039] 实施例2 恒温隔热环3可以有多种设计结构，可以制作集合加热测温功能于一体的电阻，其间隙 可为工艺上的最小刻蚀槽宽，测温电阻可以精确测试加热电阻产生的温升。
[0040] 如图8所示，本实施例中，将加热电阻3-1-2和测温电阻3-1-3合并为一个温控电阻 3-1-4，实现加热测温功能。
[0041] 恒温环3-1包括导热基底3-1-1和温控电阻3-1-4,该温控电阻3-1-4安装在导热基 底3-1-1上。导热基底3-1-1优选单晶硅，该温控电阻3-1-4优选具有高的电阻温度系数的材 料，可实现加热测温功能。导热基底3-1-1优选单晶硅，单晶硅的热导率远大于非金属材料， 因此恒温环3-1的横向、纵向导热速率大于热隔离环的导热速率，能够实现恒温环的温度分 布均匀。
[0042] 温控电阻3-1-4同时有加热电阻和测温电阻的功能。其恒温控制环工作原理，温控 电阻3-1-4电阻材料的电阻温度系数α，其电阻值和环境温度一一对应，其对应公式为 么g =:越':.1、1扠，式中，八!'为产生的温升，八1?为由于温升引起的电阻变化值。温控电 阻3-1-4为电功率驱动，加入电驱动，产生的电功率为P = I * \「，电功率会对周围环境产 生一定的温升AT。因此我们可以通过测试温控电阻3-1-4的电阻值就能测试温度，再通过 这个温度和所需温度值A T0比较，反馈给温控电阻3-1-4,调节加热电阻的电功率，最终使 温控电阻3-1-4的温度达到△ T0。如图9所示，R0为设定温度对应的电阻值，对温控电阻3-1-4比较，输出一个电压，将其反馈到输入端Vin上，改变其电功率，从而改变温度值，最终得到 R(3-1-4) =R0，也就能得到所需的温升Δ T0。当环境温度改变时，所测得的R(3-1-4)改变，再 通过相同的反馈，将其矫正到所需的温度值Δ T0。
【主权项】
1. 一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件，包括芯片内部可动结构（1)和衬底（2)，其特 征在于还包括恒温隔热环（3)，芯片内部可动结构（1)通过恒温隔热环（3)连接到衬底（2) 上，所述恒温隔热环(3)包括至少一个恒温环（3-1)和至少两个热隔离环(3-2)，A热隔离环 (3-2a)和B热隔离环(3-2b)位于恒温环(3-1)的两侧，A热隔离环(3-2a)连接到衬底(2)上，B 热隔离环(3-2b)连接到芯片内部可动结构（1)上。2. 根据权利要求1所述的一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件，其特征在于所述恒温 环(3-1)包括导热基底(3-1-1)、加热电阻(3-1-2)和测温电阻（3-1-3)，加热电阻(3-1-2)和 测温电阻(3 -1-3)都布置在导热基底(3-1-1)上。3. 根据权利要求1所述的一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件，其特征在于所述恒温 环（3-1)包括导热基底（3-1-1)和温控电阻（3-1-4)，该温控电阻（3-1-4)安装在导热基底 (3?)上。4. 根据权利要求2或3所述的一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件，其特征在于所述导 热基底(3_1_1)是单晶娃。5. 根据权利要求2所述的一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件，其特征在于所述加热 电阻（3-1-2)是金属或者多晶硅材料，所述测温电阻（3-1-3)是金属如Pt或Ti，或多晶硅材 料。6. 根据权利要求1所述的一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件，其特征在于所述热隔 离环(3-2)采用Si02或Si3N4。7. 根据权利要求1所述的一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件，其特征在于所述芯片 内部可动结构（1)包括驱动结构（1-1)和制动结构（1-2)，驱动结构（1-1)位于制动结构（1-2)的周围。8. 根据权利要求8所述的一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件，其特征在于所述驱动 结构（1-1)是热式驱动结构，所述制动结构（1-2)是质量块、微平台、微透镜、微光栅、微线 圈、微镜或热堆中的一种。9. 根据权利要求9所述的一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件，其特征在于所述热式 驱动结构由双层材料或多层材料构成，并且各层材料之间的热膨胀系数的不同。10. 根据权利要求10所述的一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件，其特征在于所述热 式驱动结构可集成加热电阻。11. 根据权利要求11所述的一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件，其特征在于所述双 层材料分别为Si02和A1，或Cu和W;所述加热电阻的材料为Pt、Ti、W或多晶。
【文档编号】B81B7/00GK106064805SQ201510881090
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2015年12月3日 公开号201510881090.4, CN 106064805 A, CN 106064805A, CN 201510881090, CN-A-106064805, CN106064805 A, CN106064805A, CN201510881090, CN201510881090.4
【发明人】丁金玲, 陈巧, 谢会开
【申请人】无锡微奥科技有限公司