[发明专利]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

说明书

本发明公开了基于电磁激励单晶硅谐振梁的热电变换器结构及其制造方法。热电变换器由键合在一起的谐振梁芯片(1)和上盖板(2)组成。加热电阻(4)制作在上盖板(2)的绝热薄膜(5)上。谐振梁(3)的主体材料是单晶硅，采用电磁激励和电磁检测模式，其上制作有激励导线(6)和拾振导线(7)，制作在具有良好绝热性能的硼硅玻璃片(9)之上。采用永磁体给谐振梁(3)提供一个平行于芯片表面并与谐振梁(3)垂直的磁场。当加热电阻(4)通入直流电压(或电流)时谐振梁(3)的谐振频率变化量与通入交流电压(或电流)时谐振梁(3)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。本发明所涉及的热电变换器具有以下优点：谐振梁(3)品质因数高、残余应力小。

技术领域

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、Bi_0.5Sb_1.5Te₃、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Marian Kampik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G M Geronymo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。

发明内容