一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种带恒温控制的热式驱动MEMS器件，属于微机电

技术介绍
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℃~125℃，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。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一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。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：外界环境温度的波动对热式MEMS器件造成测试误差的问题。本专利技术的技术方案是：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。本专利技术的优点和技术效果：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。附图说明图1是带恒温隔热环的热式MEMS结构示意图。图2是各部件的连接方式。图3是热式MEMS结构的剖面示意图。图4是恒温隔离环的示意图。图5是一种恒温隔热环的布置。图6是实施例1中恒温环的电阻布置。图7是实施例1中恒温控制环的反馈示意图。图8是实施例2中恒温环的电阻布置。图9是实施例2中恒温控制环的反馈示意图。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是恒温环，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。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。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。所述导热基底3-1-1是单晶硅。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或多晶硅材料。所述加热电阻3-1-2采用mW级的电功率驱动。所述热隔离环3-2采用SiO2或Si3N4。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。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。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。所述热式驱动结构可集成加热电阻。所述双层材料分别为SiO2和Al，或Cu和W；所述加热电阻的材料为Pt、Ti、W或多晶。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。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SiO2，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。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1-2的周围，恒温隔热环3包括一个恒温环3-1和两个热隔离环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连接到制动结构1-2上。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n个恒温环3-1和2n个热隔离3-2，或者是n个恒温环3-1和m个热隔离3-2。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。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1KΩ(@0℃)，测温电阻的温度测试精度可以达到0.025℃，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。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)。热隔离环3-2采用热导率低的材料，优选SiO2、Si3N4等非金属材料。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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（3-1-1）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）是单晶硅。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁金玲，陈巧，谢会开，
申请(专利权)人：无锡微奥科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32