专利名称：铁电薄/厚膜微机电致冷器的制备方法及其结构以及致冷器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及先进制造与自动化技术的微机电系统(MEMS)领域中的微机电致冷器，特别是涉及一种新型结构的铁电薄/厚膜MEMS致冷器的制备方法及其结构以及微型致冷器系统，这种微型冷却系统广泛应用于MEMS器件与系统、大规模集成电路(LSIC)芯片的局部致冷。
背景技术：
随着信息技术(IT)的发展，微机电系统(MEMS)在进一步向微型化、集成化和多功能化的发展过程中，其小尺寸特征(Miniaturization)及一定的体积热容，与微型驱动电源(或光电、光热、电磁、静电等其它激励手段)的高能量密度之间的矛盾愈显突出，MEMS系统需要微型冷却系统对芯片进行局部冷却，才能性能稳定、可靠地工作。便携式LSIC系统如笔记本电脑和移动PC的中央处理系统(CPU)等，也面临着与MEMS系统同样亟待解决的致冷问题。
由于MEMS的微型化及所含微机械结构需与除电信号之外的各种物理量作用，MEMS的封装问题较为复杂。因此传统的致冷(或散热)方式如CPU风扇、热交换器等皆不适用于MEMS致冷，而降低环境温度对MEMS微局部的冷却效率也不高。故必须探索和研究能够与发热器件接触良好(最好是单片式制备在同一基片上)、具有高致冷效率和热传导效率的微型致冷器。因此，基于硅微机械加工工艺的微型致冷器被提上研究日程，并有望发展成为无压缩机、无机械部件和易操作的新型MEMS致冷器，它具有低成本、小型化、低功耗和高度集成等优点，它的成功研制是当今致冷技术领域、IT和微电子技术领域的一项创新性成就。
在二十世纪九十年代以前，大多数致冷设备和空调器普遍采用的致冷物质是氟利昂(CFC)，它消耗大气层臭氧和增加温室效应。为保护人类环境，国际社会制定了《保护臭氧层维也纳国际公约》，以逐步停止生产、使用并最终废除CFC物质。因此，发展不含CFC的致冷系统，成为摆在科研工作者面前的一个刻不容缓的重大课题。目前有两条研究途径一是研制CFC的代用品，但尚未找到性能完善的代用品；二是根据不同的致冷原理，寻找新的致冷材料，研制新型致冷器。
铁电致冷原理在90年代末被认识并验证。铁电致冷器产生致冷的根本原因在于反向电场诱使极化后材料的熵值S发生改变，由有序低能量状态进入无序混乱的高能量状态，需要从外界吸收能量使熵值增大，从而获得致冷效应。故铁电致冷器既具有冷却功能，又易于改变电源极性应用于特定需要致热的环境。绝热去极化致冷效应又称为逆热释电效应—电生热效应(electro caloric简称EC)，即在绝热条件下对铁电材料施加外电场时，其温度发生变化的现象。若绝热施加电场使铁电体极化，则铁电体温度升高，称为绝热极化加热；反之，若绝热施加反向电场使铁电体去极化，则铁电体温度降低，称为绝热去极化致冷。具有强热释电效应的晶体同时也具有强的EC效应，铁电体系的去极化致冷效应强于铁磁体系的去磁致冷效应，且比后者具有更合适的最大致冷效应发生温度，即更适用于室温致冷。
但是，在本发明以前的铁电致冷器是基于铁电体材料进行研究的，例如上世纪末期，俄罗斯等国报道了采用弛豫性Pb(Sc1/2Nb1/2)O3(简称PST)铁电固溶体在室温附近实现绝热去极化致冷，其单级致冷器的性能为工作温区210-310K，线性EC效应ΔTEC为1-1.8K。该研究为世界范围内的铁电致冷研究奠定了技术基础。在此以前的研究中，罗西盐、BaTiO3、Pb(ZrTi)O3、SrTiO3、LiTaO3、Li2SO4、KH2PO4等致冷材料体系由于EC效应太小，或工作温区远低于室温(≤15K)，或需外加偏压极高(100kV/cm以上)，或吸热效率太低(μJcm-3级)等原因而被淘汰。国内从90年代后期开始研制铁电致冷器，并相继开发出具有实用价值的弛豫性铁电致冷材料体系Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(Sc1/2Ta1/2)O3、Pb(Sc1/2Nb1/2)O3及其与PbTiO3的固溶体，都具有较大的线性EC效应和较宽的工作温区，ΔTEC约为2K，阈值场强Eth低至1.5kV/cm，能量转换效率达到85％以上，而且在居里点发生的铁电/顺电相变EC效应还可增强线性EC效应。铁电致冷器是通过闭合电路控制工作的非压缩式致冷器，与传统压缩式致冷器相比，主要优势在于摒弃了机械操作过程与摩擦损耗，能实现高的能量转换效率。当前国内外有关铁电致冷的工作主要集中于研究铁电体材料(非薄膜)致冷器、材料EC效应掺杂改善、多级循环的热力学机制、装置优化设计等方面，还没有应用到MEMS和IC系统致冷中。铁电体材料致冷器不具备MEMS集成工艺兼容性，难以实现和MEMS器件共用同一衬底，无法实现MEMS器件和致冷器的集成化和微型化，且需外加电场很高(kV级)，须采取混合贴片装配方式与MEMS相联，热传导效率低。
有鉴于上述现有的铁电体材料致冷器存在的缺陷，本发明人基于丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题在于，克服现有的铁电体材料致冷器存在的缺陷，而提供一种新型结构的铁电薄/厚膜微机电(MEMS)致冷器系统及其制备方法和结构，使其能够达到高致冷效率和热传导效率，同时具有低成本、微型化、低功耗和高集成度等优点。
本发明解决其主要技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种铁电薄/厚膜微机电(MEMS)致冷器的制备方法，其特征在于包括用作致冷片的PMN-PT和PST-PT弛豫性外延铁电薄/厚膜的制备过程以及铁电薄/厚膜微型微机电(MEMS)致冷器阵列的制备过程两个部分，其中该弛豫性外延铁电薄/厚膜的制备过程又分为两个程序，一个是采用射频磁控溅射技术制备厚度为0.4～1μm的外延铁电薄膜，另一个是采用粉末Sol-Gel技术制备厚度为2～50μm的0-3型外延铁电厚膜；前述的一种铁电薄/厚膜微机电(MEMS)致冷器的制备方法，其中所述的制备厚度为0.4～1μm的外延铁电薄膜的程序，其步骤如下先将分析纯原料PbO、MgO、Nb2O5、Sc2O5、Ta2O5、TiO2按照分子式mol比球磨24小时，混合均匀后压片，然后在1300℃下采用热等径压工艺(HIP)烧结3小时，分别制备出PMN-PT和PST-PT铁电陶瓷靶，并安装在射频磁控溅射台上在10-5Pa的真空条件和10mA电流下进行溅射此时Pt/Ti/SiO2/Si基片温度保持在550℃以上；当无定型薄膜沉积到预定厚度时，停止溅射并置入快速热处理炉中，在750℃富氧气氛下对薄膜进行退火处理，最终形成结晶外延薄膜。
前述的一种铁电薄/厚膜微机电(MEMS)致冷器的制备方法，其中所述的制备厚度为2～50μm的0-3型外延铁电厚膜的程序，其步骤如下首先配制Sol的方法是以分析纯Pb(C2H3O2)2、Mg(C2H3O2)2、Nb2(C2H3O2)5、Sc2(C2H3O2)5·1/2H2O、Ta2(C2H3O2)5和Ti(OC4H9)4为原材料，水和冰醋酸(HAC)作为稳定剂、催化剂和酸度调节剂，C2H5O(CH2)2OH)为主要溶剂，加入N·N-甲酰胺(C3H7NO)作为干燥控制化学添加剂(DCCA)，加入乙二醇((CH2OH)2)作为螯和剂，上述原料按照分子式mol配料，经电磁搅拌器充分搅拌，在分子级水平接触并相互作用，形成酸度pH值为3.5～4.5、粘度η值为(9～12)×10-6m2/s范围内的PMN-PT和PST-PT前驱体溶液；0-3型外延厚膜采用粉末Sol-Gel方法制备，具体步骤是将前驱体溶胶分成A、B两份，A份继续陈化作为待掺粉的胶体，B份用于制粉，这样能保持厚膜组份的一致性；将B溶胶作进一步处理，先加入5mol％的聚乙烯醇作为分散剂，再加入一定量的水加速胶体的水解聚合过程，然后将胶体置入120℃(略低于沸点)烘箱中使其缓变为多孔状干凝胶；在烧结炉中对干凝胶采取每100℃阶跃式升温—保温的方法，使其最后在600℃时变为灰色未结晶粉末；该粉末微含碳且碎性强，将其研磨1h后铺开作850℃×2h热处理使其充分结晶；最后采取沉降和虹吸方法收集所需粒级的纳米粉体，并将粉体按照一定比例与A溶胶超声混合，得到粉末-Sol悬浊液，再经旋涂工艺在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备得到PMN-PT和PST-PT厚膜。
前述的一种铁电薄/厚膜微机电(MEMS)致冷器的制备方法，其特征在于所述的铁电薄/厚膜微型微机电(MEMS)致冷器阵列的制备过程，其步骤如下先对作为基片的硅单晶片进行清洗[A]，再依次制备浓硼扩散层[B]、制备牺牲层[C]、制备电源控制电路或淀积柔性衬底[D]、PCVD沉积SiO2层[E]、刻蚀背面腐蚀窗口[F]、制备悬空或支撑结构[G]、蒸发并刻蚀Pt/Ti[H]、沉积铁电薄/厚膜[I]、刻蚀薄/厚膜微细图形[J]、溅射并刻蚀金(Au)上电极[K]、进行极化[L]和中间测试[M]，然后制备隔离层[N]，最后进行密封[O]和测试[P]；铁电薄/厚膜微型微机电(MEMS)致冷器阵列的制备过程的主要工艺条件或参数分别如下[A].先用碱性双氧水洗液，再用酸性双氧水洗液超声清洗，最后用去离子水漂洗10分钟；[B].在石英管气氛炉中采用纳硼硅玻璃为硼掺杂源，1100℃下扩散5小时；[C].预沉积2.5μm厚度易腐蚀材料如MgO作为牺牲层；[E].PCVD沉积SiO2层的厚度为5000埃；[F].以[B]流程得到的浓硼扩散层为自动终止层，以HF酸化学腐蚀得到腐蚀窗口；[G].采用盐酸化学腐蚀方法刻蚀预沉积的牺牲材料得到悬空结构；[H].以王水溶液刻蚀Pt/Ti；[J].以浓硫酸与磷酸混合溶液在70℃下刻蚀10s，得到薄/厚膜微细图形；[K].先对溅射台抽真空达到10-5Pa，再冲入Ar气氛保持真空为10-4Pa，在10mA电流下溅射300s使Au厚度达到2000埃；[L].在硅油介质中以15kV/cm场强进行极化，时间为30分钟。
本发明解决其技术问题还包括以下技术措施。依据本发明所提出的一种铁电薄/厚膜微机电(MEMS)致冷器的热绝缘结构，其特征在于该结构为悬空支撑结构，以沉积的金属薄膜作为电源电极，以单片双极性晶体管作为驱动电源开关电路，铁电薄/厚膜与基片的悬空间距为2.5μm，铁电薄/厚膜的厚度为0.4～50μm。
本发明解决其技术问题还包括以下技术措施。依据本发明所提出的一种铁电薄/厚膜微机电(MEMS)致冷器系统，其特征在于包括光调制器、非接触式热释电红外传感器、信号处理电路、驱动电源控制电路及铁电薄/厚膜致冷片，当待致冷器件温度升高时，红外辐射增强，经光调制器斩波后由精度达±0.01℃的热释电红外传感器探测到物体温度变化信号，并转化为微弱电信号，再经信号处理电路放大和数字处理后，通过驱动电源控制电路来控制铁电薄/厚膜致冷片的致冷量，信号再反馈回到待致冷器件使其工作于最佳温度范围。
前述的铁电薄/厚膜微机电(MEMS)致冷器系统，其中所述的信号处理电路由阻抗匹配电路、前置放大电路、滤波放大电路、积分电路、绝对值及峰值保持电路、复位电路、缓冲器、环境温度补偿电路及A/D转换电路组成，该电路模块主要完成对温度的非接触式探测及数/模转换功能。
前述的铁电薄/厚膜微机电(MEMS)致冷器系统，其中所述的驱动电源控制电路由同相电压放大电路、反相放大电路、缓冲器、设定电压比较器、触发器、执行显示及报警器、初始化延时控制器及电子开关组成，该电路模块主要完成对信号处理电路输出数字信号的比较、触发及开关功能。
前述的铁电薄/厚膜微机电(MEMS)致冷器系统，其中所述的信号处理电路、驱动电源控制电路及铁电薄/厚膜致冷片制备在同一硅基片上。
本发明主要解决了如下的技术问题(1)用作致冷片的PMN-PT和PST-PT弛豫性外延铁电薄/厚膜的制备。
1)采用射频磁控溅射技术制备厚度为0.4～1μm的外延铁电薄膜；2)采用粉末Sol-Gel技术制备厚度为2～50μm的0-3型外延铁电厚膜。
(2)铁电薄/厚膜微型微机电(MEMS)致冷器的制备。
1)设计铁电薄/厚膜微型致冷器阵列的热绝缘结构；2)解决铁电薄/厚膜微型致冷器阵列的微细图形刻蚀技术；3)解决铁电薄/厚膜与MEMS器件及半导体工艺兼容性技术；4)解决微机电(MEMS)致冷器的驱动电源自动控制电路的设计及其系统集成技术。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明采用弛豫性铁电薄/厚膜致冷并将其应用于MEMS系统，目前还未见国内外文献和专利报道。本发明的主要优点和创新之处在于(1)铁电薄/厚膜继承了体材料的高EC效应，同时铁电薄/厚膜致冷器阵列本身也是采用MEMS的硅微机械平面加工技术的产物，故能在同一衬底上先后制备信号读出IC、铁电薄/厚膜致冷器阵列和需致冷的MEMS器件，符合单片系统集成(SOAC)特征，具有良好的IC工艺兼容性和应用普适性(2)MEMS器件本身是微型化的，发热功率较低，铁电薄/厚膜的热传导效率很高，其去极化致冷效率应足以解决MEMS器件或IC系统的发热问题。(3)铁电薄/厚膜致冷器阵列不必考虑单元之间的串音和寄生电容问题，电极可以公用，故易于集成化、微型化和大规模阵列化，实现灵活、高效致冷。(4)由于铁电薄/厚膜材料的EC效应阈值电场强度一般远低于矫顽场EC，需施加电场低于3V，便于实现全数字化控制。(5)灵敏度高、响应快，其响应时间为ns级。(6)铁电薄/厚膜致冷器可实现无机械压缩工作，能量转换效率高，成本低，而且还可采用多层铁电电容器结构制备多级循环致冷器，以提高系统的致冷效率。
综上所述，本发明铁电薄/厚膜MEMS致冷器的制备方法及其结构以及致冷器系统，具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类技术中未见有类似的技术方案公开发表或使用，且其不论在方法、结构或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，而确实具有增进的功效，从而更加适于实用，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
图1是本发明的0-3型外延铁电厚膜制备工艺流程图；图2是本发明的铁电薄/厚膜微型微机电致冷器的三维结构示意图；图3是本发明的铁电薄/厚膜微型微机电致冷器的截面结构示意图；图4是本发明的微型微机电(MEMS)致冷器的制备工艺流程图；图5是本发明的微型微机电(MEMS)致冷器系统示意图。
图中 2-1.铁电薄膜与SiO22-2.单片双极性晶体管2-3.悬空或柔性支撑结构3-1.金上电极(Au) 3-2.铁电薄膜3-3.铂/钛下电极(PT/Ti)3-4.SiO23-5.p型硅(P-Si) 3-6.基片1.光调制器 2.非接触式热释电红外传感器 3信号处理电路 4.驱动电源控制电路 5.铁电薄/厚膜致冷片 6.阻抗匹配电路 7.前置放大电路 8.滤波放大电路 9.积分电路 10.绝对值及峰值保持电路 11.复位电路 12.缓冲器 13.环境温度补偿电路 14.A/D转换电路 15.同相电压放大电路 16.反相放大电路17.缓冲器 18.设定电压比较器 19.触发器 20.执行显示及报警器21.初始化延时控制器 22.电子开关具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的铁电薄/厚膜微机电(MEMS)致冷器的制备方法及其结构以及致冷器系统，其具体实施方式
、特征及其功效，详细说明如后。
本发明主要包括以下两部份内容一、材料设计和制备工艺(1)具有高电生热(EC)效应、高择优取向度的弛豫性Pb(Mg1/3Nb2/3)O3与PbTiO3固溶体(PMN-PT)、Pb(Sc1/2Ta1/2)O3与PbTiO3固溶体(PST-PT)的外延薄膜材料设计与制备技术。
具体来说，由于上述复合薄膜材料的分子式化学计量比、择优取向度以及基片上电极材料的选择将直接影响到薄膜的外延生长和晶格结构，从而影响其电生热(EC)效应的强弱和致冷器的致冷效率。因此本发明采用便于分子有序排列的射频磁控溅射技术制备0.4～1μm外延薄膜，并以与薄膜匹配良好(晶格失配率低于15％)的Pt/Ti/SiO2/Si作为基片，来诱导薄膜的择优取向生长。
(2)0-3型外延铁电厚膜的粉末溶胶—凝胶(Sol-Gel)制备技术。所谓0-3型铁电厚膜是由于部分成分是以μm或亚μm级的大颗粒形式(0维方向连续)，分散固溶在nm级的母体成分(3维方向连续)中，故称为0-3型铁电厚膜。因此，该制备技术涉及nm级铁电粉体的Sol-Gel制备技术、nm粉体与溶胶的分散混溶技术及0-3型铁电厚膜的涂覆技术等。
二、微型致冷器结构和自动控温系统设计(1)铁电致冷器阵列与硅基片之间的悬空支撑结构的微细加工制备技术。悬空支撑结构既能作为集成在硅基片上的控制电源电路与铁电薄/厚膜之间的电通道，又作为两者之间的绝热支撑结构以减少制冷量的传导损失，提高致冷效率。该结构的设计思想是先在基片上沉积牺牲层材料(如MgO)，形成支撑框架，待电极衬底及薄膜制备完毕后，采用湿化学刻蚀方法将牺牲层去除，形成悬空结构。
(2)铁电薄/厚膜微机电(MEMS)致冷器的整体结构设计，即可实现探测+控制+致冷的全自动控温系统的设计。这包括待致冷器件温度的非接触式红外探测与传感、微电流信号的前置放大处理、驱动电源控制电路的开关触发、以及与待致冷器件的温度信号反馈等电路设计等。
发明内容的具体问题解决方式如下1.材料设计制备和工艺(1)0.41μm的PMN-PT和PST-PT外延铁电薄膜的制备。其技术路线是先将分析纯原料PbO、MgO、Nb2O5、Sc2O5、Ta2O5、TiO2按照分子式mol比球磨24小时，混合均匀后压片，然后在1300℃下采用热等径压工艺(HIP)烧结3小时，分别制备出PMN-PT和PST-PT铁电陶瓷靶，并安装在射频磁控溅射台上，在10-5Pa的真空条件和10mA电流下进行溅射，此时Pt/Ti/SiO2/Si基片温度保持在550℃以上(这对薄膜外延生长至关重要)。当无定型薄膜沉积到预定厚度时，停止溅射并置入快速热处理炉中，在750℃富氧气氛下对薄膜进行退火处理，最终形成结晶外延薄膜。
(2)2～50μm的0-3型PMN-PT和PST-PT外延铁电厚膜的制备。配制Sol的技术路线是以分析纯Pb(C2H3O2)2、Mg(C2H3O2)2、Nb2(C2H3O2)5、Sc2(C2H3O2)5·1/2H2O、Ta2(C2H3O2)5和Ti(OC4H9)4为原材料，水和冰醋酸(HAC)作为稳定剂、催化剂和酸度调节剂，C2H5O(CH2)2OH)为主要溶剂，加入N·N-甲酰胺(C3H7NO)作为干燥控制化学添加剂(DCCA)，加入乙二醇((CH2OH)2)作为螯和剂，上述原料按照分子式mol配料，经电磁搅拌器充分搅拌，在分子级水平接触并相互作用，形成酸度pH值为3.5～4.5、粘度η值为(9～12)×10-6m2/s范围内的PMN-PT和PST-PT前驱体溶液。
0-3型外延厚膜采用粉末Sol-Gel方法制备，具体工艺流程如图1所示。将前驱体溶胶分成A、B两份，A份继续陈化作为待掺粉的胶体，B份用于制粉，这样能保持厚膜组份的一致性。将B溶胶作进一步处理，先加入5mol％的聚乙烯醇作为分散剂，再加入一定量的水加速胶体的水解聚合过程，然后将胶体置入120℃(略低于沸点)烘箱中使其缓变为多孔状干凝胶。在烧结炉中对干凝胶采取每100℃阶跃式升温—保温的方法，使其最后在600℃时变为灰色未结晶粉末。该粉末微含碳且碎性强，将其研磨1h后铺开作850℃×2h热处理使其充分结晶。最后采取沉降和虹吸方法收集所需粒级的纳米粉体，并将粉体按照一定比例与A溶胶超声混合，得到粉末-Sol悬浊液，再经旋涂工艺在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备得到PMN-PT和PST-PT厚膜。
2.微型MEMS致冷器设计和制备工艺铁电薄/厚膜微型致冷器的热绝缘结构设计为悬空支撑结构，单元结构如图2、3所示。铁电薄/厚膜微型微机电(MEMS)致冷器以沉积的X、Y金属薄膜作为电源电极，以单片双极性晶体管(B、E分别为基极和发射极)作为驱动电源开关电路，铁电薄/厚膜与基片的悬空间距为2.5μm，铁电薄/厚膜的厚度为0.4～50μm，制备32×32元阵列致冷器时，其单元尺寸为300μm×300μm。在基片面积一定的情况下，其他规模阵列致冷器的单元尺寸可依此类推。
制备铁电薄/厚膜微型致冷器阵列的技术路线如图4所示，其工艺流程是先对作为基片的硅单晶片进行清洗[A]，再依次制备浓硼扩散层[B]、制备牺牲层[C]、制备电源控制电路或淀积柔性衬底[D]、PCVD沉积SiO2层[E]、刻蚀背面腐蚀窗口[F]、制备悬空或支撑结构[G]、蒸发并刻蚀Pt/Ti[H]、沉积铁电薄/厚膜[I]、刻蚀薄/厚膜微细图形[J]、溅射并刻蚀Au上电极[K]、进行极化[L]和中间测试[M]，然后制备隔离层[N]，最后进行密封[O]和测试[P]。
如图4所示技术路线的主要工艺条件或参数分别如下。[A]先用碱性双氧水洗液，再用酸性双氧水洗液超声清洗，最后用去离子水漂洗10分钟；[B]在石英管气氛炉中采用纳硼硅玻璃为硼掺杂源，1100℃下扩散5小时；[C]预沉积2.5μm厚度易腐蚀材料如MgO作为牺牲层；[E]PCVD沉积SiO2层的厚度为5000埃；[F]以[B]流程得到的浓硼扩散层为自动终止层，以HF酸化学腐蚀得到腐蚀窗口；[G]采用盐酸化学腐蚀方法刻蚀预沉积的牺牲材料得到悬空结构；[H]以王水溶液刻蚀Pt/Ti；[J]以浓硫酸与磷酸混合溶液在70℃下刻蚀10s，得到薄/厚膜微细图形；[K]先对溅射台抽真空达到10-5Pa，再冲入Ar气氛保持真空为10-4Pa，在10mA电流下溅射300s使Au厚度达到2000埃；[L]在硅油介质中以15kV/cm场强进行极化，时间为30分钟。
3.微型致冷器系统设计和集成如图5所示的铁电薄/厚膜微机电(MEMS)致冷器系统由光调制器[1]、非接触式热释电红外传感器[2]、信号处理电路[3]、驱动电源控制电路[4]及铁电薄/厚膜致冷片[5]组成。信号处理电路[3]、驱动电源控制电路[4]及铁电薄/厚膜致冷片[5]制备在同一硅基片上，具有较高的集成度，可实现探测+控制+致冷的全自动微致冷系统，其原理是当待致冷器件温度升高时，红外辐射增强，经光调制器[1]斩波后由精度达±0.01℃的热释电红外传感器[2]探测到物体温度变化信号，并转化为微弱电信号，再经信号处理电路[3]放大和数字处理后，通过驱动电源控制电路[4]来控制铁电薄/厚膜致冷片[5]的致冷量，信号再反馈回到待致冷器件使其工作于最佳温度范围。
如图5所示的信号处理电路[3]由阻抗匹配电路[6]、前置放大电路[7]、滤波放大电路[8]、积分电路[9]、绝对值及峰值保持电路[10]、复位电路[11]、缓冲器[12]、环境温度补偿电路[13]及A/D转换电路[14]组成。该电路模块主要完成对温度的非接触式探测及数/模转换功能。
如图5所示的驱动电源控制电路[4]由同相电压放大电路[15]、反相放大电路[16]、缓冲器[17]、设定电压比较器[18]、触发器[19]、执行显示及报警器[20]、初始化延时控制器[21]及电子开关[22]组成。该电路模块主要完成对信号处理电路[3]输出数字信号的比较、触发及开关功能。
发明的效果经实测和试用，铁电薄/厚膜及其致冷器阵列系统达到的主要参数及性能指标如下(1)PMN-PT和PST-PT弛豫性铁电外延薄/厚膜热释电系数γ≥1.0×10-7Ccm-2K-1(PMN-PT，PST-PT)；剩余极化强度Pr＞4.5μCcm-2(PMN-PT)、Pr＞3.5μCcm-2(PST-PT)；矫顽场EC＝30～60kV/cm； 相对介电系数εr＝200～600；电阻率ρ≥1011Ωcm；居里点 TC≈25℃；损耗 tgδ≤0.01； 晶体择优取向度 ＞80％；线性电生热(electro caloric，简称EC)效应阈值电场强度Eth＝1.8kV/cm。
(2)铁电薄/厚膜致冷器阵列和系统致冷效果器件阵列32×32元； 单元尺寸300μm× 300μm吸热效率mJcm-3级； 致冷容量θ0≥100mW(现有技术分别为μJcm-3、μW级)线性电生热(EC)效应ΔTEC≥1.8K(单级单循环，1.8kV/cm偏压)，ΔTEC≥2.5K(单级单循环，15kV/cm偏压)一级相变电生热(EC)效应ΔTEC≥1.5K(单级单循环，1.8kV/cm偏压)工作温区260-320K； 能量转换效率＞85％；室温多循环工作致冷效果ΔT≥30K如此构成的本专利发明的技术创新，对于当今同行业的专家来说具有许多可取之处。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种铁电薄/厚膜微机电致冷器的制备方法，其特征在于包括用作致冷片的PMN-PT和PST-PT弛豫性外延铁电薄/厚膜的制备过程，以及铁电薄/厚膜微型微机电(MEMS)致冷器阵列的制备过程两个部分，其中该弛豫性外延铁电薄/厚膜的制备过程又分为两个程序，一个是采用射频磁控溅射技术制备厚度为0.4～1μm的外延铁电薄膜，另一个是采用粉末Sol-Gel技术制备厚度为2～50μm的0-3型外延铁电厚膜；
2.根据权利要求1所述的一种铁电薄/厚膜微机电致冷器的制备方法，其特征在于所述的制备厚度为0.4～1μm的外延铁电薄膜的程序，其步骤如下先将分析纯原料PbO、MgO、Nb2O5、Sc2O5、Ta2O5、TiO2按照分子式mol比球磨24小时，混合均匀后压片，然后在1300℃下采用热等径压工艺(HIP)烧结3小时，分别制备出PMN-PT和PST-PT铁电陶瓷靶，并安装在射频磁控溅射台上，在10-5Pa的真空条件和10mA电流下进行溅射，此时Pt/Ti/SiO2/Si基片温度保持在550℃以上；当无定型薄膜沉积到预定厚度时，停止溅射并置入快速热处理炉中，在750℃富氧气氛下对薄膜进行退火处理，最终形成结晶外延薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的一种铁电薄/厚膜微机电致冷器的制备方法，其特征在于所述的制备厚度为2～50μm的0-3型外延铁电厚膜的程序，其步骤如下首先配制Sol的方法是以分析纯Pb(C2H3O2)2、Mg(C2H3O2)2、Nb2(C2H3O2)5、Sc2(C2H3O2)5·1/2H2O、Ta2(C2H3O2)5和Ti(OC4H9)4为原材料，水和冰醋酸(HAC)作为稳定剂、催化剂和酸度调节剂，C2H5O(CH2)2OH)为主要溶剂，加入N·N-甲酰胺(C3H7NO)作为干燥控制化学添加剂(DCCA)，加入乙二醇((CH2OH)2)作为螯和剂，上述原料按照分子式mol配料，经电磁搅拌器充分搅拌，在分子级水平接触并相互作用，形成酸度pH值为3.5～4.5、粘度η值为(9～12)×10-6m2/s范围内的PMN-PT和PST-PT前驱体溶液；0-3型外延厚膜采用粉末Sol-Gel方法制备，具体步骤是将前驱体溶胶分成A、B两份，A份继续陈化作为待掺粉的胶体，B份用于制粉，这样能保持厚膜组份的一致性；将B溶胶作进一步处理，先加入5mol％的聚乙烯醇作为分散剂，再加入一定量的水加速胶体的水解聚合过程，然后将胶体置入120℃(略低于沸点)烘箱中使其缓变为多孔状干凝胶；在烧结炉中对干凝胶采取每100℃阶跃式升温一保温的方法，使其最后在600℃时变为灰色未结晶粉末；该粉末微含碳且碎性强，将其研磨1h后铺开作850℃×2h热处理使其充分结晶；最后采取沉降和虹吸方法收集所需粒级的纳米粉体，并将粉体按照一定比例与A溶胶超声混合，得到粉末-Sol悬浊液，再经旋涂工艺在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备得到PMN-PT和PST-PT厚膜。
4.根据权利要求1所述的一种铁电薄/厚膜微机电致冷器的制备方法，其特征在于所述的铁电薄/厚膜微型微机电(MEMS)致冷器阵列的制备过程，其步骤如下先对作为基片的硅单晶片进行清洗[A]，再依次制备浓硼扩散层[B]、制备牺牲层[C]、制备电源控制电路或淀积柔性衬底[D]、PCVD沉积SiO2层[E]、刻蚀背面腐蚀窗口[F]、制备悬空或支撑结构[G]、蒸发并刻蚀Pt/Ti[H]、沉积铁电薄/厚膜[I]、刻蚀薄/厚膜微细图形[J]、溅射并刻蚀金(Au)上电极[K]、进行极化[L]和中间测试[M]，然后制备隔离层[N]，最后进行密封[O]和测试[P]；铁电薄/厚膜微型微机电(MEMS)致冷器阵列的制备过程的主要工艺条件或参数分别如下[A].先用碱性双氧水洗液，再用酸性双氧水洗液超声清洗，最后用去离子水漂洗10分钟；[B].在石英管气氛炉中采用纳硼硅玻璃为硼掺杂源，1100℃下扩散5小时；[C].预沉积2.5μm厚度易腐蚀材料如MgO作为牺牲层；[E].PCVD沉积SiO2层的厚度为5000埃；[F].以[B]流程得到的浓硼扩散层为自动终止层，以HF酸化学腐蚀得到腐蚀窗口；[G].采用盐酸化学腐蚀方法刻蚀预沉积的牺牲材料得到悬空结构；[H].以王水溶液刻蚀Pt/Ti；[J].以浓硫酸与磷酸混合溶液在70℃下刻蚀10s，得到薄/厚膜微细图形；[K].先对溅射台抽真空达到10-5Pa，再冲入Ar气氛保持真空为10-4Pa，在10mA电流下溅射300s使Au厚度达到2000埃；[L].在硅油介质中以15kV/cm场强进行极化，时间为30分钟。
5.一种铁电薄/厚膜微机电致冷器的热绝缘结构，其特征在于该结构为悬空支撑结构，以沉积的金属薄膜作为电源电极，以单片双极性晶体管作为驱动电源开关电路，铁电薄/厚膜与基片的悬空间距为2.5μm，铁电薄/厚膜的厚度为0.4～50μm。
6.一种铁电薄/厚膜微机电致冷器系统，其特征在于包括光调制器[1]、非接触式热释电红外传感器[2]、信号处理电路[3]、驱动电源控制电路[4]及铁电薄/厚膜致冷片[5]，当待致冷器件温度升高时，红外辐射增强，经光调制器[1]斩波后由精度达±0.01℃的热释电红外传感器[2]探测到物体温度变化信号，并转化为微弱电信号，再经信号处理电路[3]放大和数字处理后，通过驱动电源控制电路[4]来控制铁电薄/厚膜致冷片[5]的致冷量，信号再反馈回到待致冷器件使其工作于最佳温度范围。
7.根据权利要求6所述的铁电薄/厚膜微机电致冷器系统，其特征在于其中所述的信号处理电路[3]由阻抗匹配电路[6]、前置放大电路[7]、滤波放大电路[8]、积分电路[9]、绝对值及峰值保持电路[10]、复位电路[11]、缓冲器[12]、环境温度补偿电路[13]及A/D转换电路[14]组成，该电路模块主要完成对温度的非接触式探测及数/模转换功能。
8.根据权利要求6所述的铁电薄/厚膜微机电致冷器系统，其特征在于其中所述的驱动电源控制电路[4]由同相电压放大电路[15]、反相放大电路[16]、缓冲器[17]、设定电压比较器[18]、触发器[19]、执行显示及报警器[20]、初始化延时控制器[21]及电子开关[22]组成，该电路模块主要完成对信号处理电路[3]输出数字信号的比较、触发及开关功能。
9.根据权利要求6、7或8所述的铁电薄/厚膜微机电致冷器系统，其特征在于其中所述的信号处理电路[3]、驱动电源控制电路[4]及铁电薄/厚膜致冷片[5]制备在同一硅基片上。
全文摘要
一种新型结构与致冷途径的铁电薄/厚膜微机电(MEMS)致冷器的制备方法以及微型致冷器系统，其中制备方法包括用作致冷片的PMN－PT和PST－PT弛豫性外延铁电薄/厚膜的制备过程，以及铁电薄/厚膜微型MEMS致冷器阵列的制备过程两个部分；还有致冷器的热绝缘结构以及铁电薄/厚膜微机电(MEMS)致冷器系统，在该系统中，当待致冷器件温度升高时，红外辐射增强，经光调制器斩波后由精度达±0.01℃的热释电红外传感器探测到物体温度变化信号，并转化为微弱电信号，再经信号处理电路放大和数字处理后，通过驱动电源控制电路来控制铁电薄/厚膜致冷片的致冷量，信号再反馈回到待致冷器件使其工作于最佳温度范围。这种微型冷却系统广泛应用于MEMS器件与系统大规模集成电路芯片的局部致冷，能够达到高致冷效率和热传导效率，同时具有低成本、微型化、低功耗和高集成度等优点。
文档编号F25B21/00GK1566863SQ03137669
公开日2005年1月19日 申请日期2003年6月19日 优先权日2003年6月19日
发明者李艳秋, 刘少波 申请人:中国科学院电工研究所