专利摘要

本发明公开了一种MEMS热保护器及其制备方法，包括第一衬底；第二衬底；在第一衬底上表面形成的开放腔、悬臂梁、第一绝缘层和第二绝缘层；第一电极的两层分别对称设置在第二衬底和第二绝缘层上，且位于悬臂梁的中部；第二电极的两层分别对称设置在第二衬底和第二绝缘层上，且位于悬臂梁的悬空端；第三电极的两层分别对称设置在第二衬底和第二绝缘层上，且位于悬臂梁的固定端。本发明的MEMS热保护器，通过使用MEMS体加工和键合工艺，以及设置开放腔、悬臂梁、第一电极、第二电极和第三电极，从而设计出一种具有实时在线质量监测、额定电流可调控的MEMS热保护器，以提高电路或系统的可靠性。

权利要求

1.一种MEMS热保护器，其特征在于，包括：

第一衬底（1）；

开放腔（11），在第一衬底（1）上表面形成；

悬臂梁（2），为正对开放腔（11）的悬空部分，并且作为第一衬底（1）的一部分，固定的一端称为固定端，悬空的一端称为悬空端；

第一绝缘层（3），覆盖在第一衬底（1）的上表面；

第二绝缘层（4），覆盖在第一绝缘层（3）的上表面；

第二衬底（10）；

第一电极（5），分为上第一电极（5-1）和下第一电极（5-2），分别对称设置在第二衬底（10）和第二绝缘层（4）上，且位于悬臂梁（2）的中部；

第二电极（6），分为上第二电极（6-1）和下第二电极（6-2），分别对称设置在第二衬底（10）和第二绝缘层（4）上，且位于悬臂梁（2）的悬空端；

第三电极（7），分为上第三电极（7-1）和下第三电极（7-2），分别对称设置在第二衬底（10）和第二绝缘层（4）上，且位于悬臂梁（2）的固定端；

键合层（9），分为上键合层（9-1）和下键合层（9-2），分别对称设置在第二衬底（10）和第二绝缘层（4）上，且位于第二衬底（10）的两端，所述第一衬底（1）和第二衬底（10）通过键合层（9）键合在一起。

2.根据权利要求1所述的MEMS热保护器，其特征在于，所述第一电极（5）、第二电极（6）和第三电极（7）分别通过一条引线（8）连接到一个对应的焊盘（12）上。

3.根据权利要求2所述的MEMS热保护器，其特征在于，所述引线（8）、焊盘（12）、第二电极（6）、第三电极（7）和第一电极（5）的厚度依次增大，其中第一电极（5）的上第一电极（5-1）和下第一电极（5-2）紧密贴合，第一电极（5）的面积为悬臂梁（2）面积的40%-70%，第二电极（6）的面积为第一电极（5）面积的10%-30%，第三电极（7）的面积为第二电极（6）面积的1%-5%。

4.根据权利要求1-3任一所述的MEMS热保护器，其特征在于，所述第一衬底（1）的材料为单晶硅；所述第二衬底（10）的材料为玻璃。

5.根据权利要求1-3任一所述的MEMS热保护器，其特征在于，所述第一绝缘层（3）的材料为二氧化硅，第二绝缘层（4）的材料为氮化硅。

6.根据权利要求1-3任一所述的MEMS热保护器，其特征在于，所述悬臂梁（2）的厚度为1-10mm；所述悬臂梁（2）正下方开放腔（11）的高度为5-20mm。

7.根据权利要求3所述的MEMS热保护器，其特征在于，所述第一电极（5）的材料为TiW，厚度为3-6mm；所述第二电极（6）的材料为TiW，厚度为200-250nm；所述第三电极（7）的材料为TiW，厚度为280-380nm；所述引线（8）和焊盘（12）厚度为120-200nm。

8.一种根据权利要求1-7任一所述的MEMS热保护器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：选用单晶硅作为第一衬底（1），通过感应耦合等离子体刻蚀技术在第一衬底（1）上各向异性刻蚀出若干窄浅槽以及位于悬臂梁（2）的悬空端的宽浅槽；

S02：在对步骤S01得到的浅槽侧壁进行保护的同时，对浅槽下方的单晶硅进行各向同性腐蚀，释放悬臂梁（2）；

S03：对步骤S02得到的第一衬底（1）通过外延生长单晶硅，窄浅槽处形成封闭结构而宽浅槽无法封闭，从而形成完整的悬臂梁（2）及开放腔（11）；

S04：对步骤S03得到的第一衬底（1）的上表面依次使用等离子体增强化学气相沉积工艺形成二氧化硅作为第一绝缘层（3）以及氮化硅作为第二绝缘层（4）；

S05：对步骤S04得到的第一衬底（1）的上表面依次通过四次剥离和磁控溅射制备TiW，形成下第一电极（5-2）、下第二电极（6-2）、下第三电极（7-2）和三个电极的引线（8）和焊盘（12）；

S06：对步骤S05得到的第一衬底（1）的上表面通过剥离工艺依次制备Ti/Ni/Au/Sn/Au，形成下键合层（9-2），其中下键合层（9-2）与下第一电极（5-2）的厚度相同；

S07：选用玻璃作为第二衬底（10），在第二衬底（10）上依次通过四次剥离以及磁控溅射制备TiW，形成上第一电极（5-1）、上第二电极（6-1）、上第三电极（7-1）和三个电极的引线（8）和焊盘（12）；

S08：对步骤S07得到的第二衬底（10）的上表面通过剥离工艺依次制备Ti/Ni/Au，形成上键合层（9-1），其中上键合层（9-1）与上第一电极（5-1）的厚度相同；

S09：将步骤S06得到的第一衬底（1）与步骤S08得到的第二衬底（10）通过共晶键合工艺键合在一起。

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种MEMS热保护器及其制备方法。

背景技术

热保护器是常用的电器元件，其性能的好坏直接会影响到电路的安全性。随着电器元件的发展，热保护器是一种对温度和/或电流都敏感的装置，在有温度和电流导致的热过载场合起到控制和保护作用。热保护器广泛应用于现代家电中电机、电池、医疗器具、汽车、电热器具的温度和/或电流的控制和保护，在新近发展的智能家电、新能源汽车等产品中也有广泛使用，是主控零部件较为重要的保护元件。

如何在保证热保护器性能的前提下降低热保护器的尺寸，已成为现阶段亟待解决的技术问题。现有的热保护器设计中，电流大部分是通过双金属片，利用双金属片因温度的改变而产生形变的特性达到高温断开电路的目的，这种热保护器通电电流越大，对应电流的增大需要热保护器的双金属片的厚度越大，因此，热保护器壳体的内部空间也对应增大。由此可见，现有的热保护器主要存在以下缺点：

1、对于现有的热保护器，需要的双金属片厚度较大，成本较高，且由于厚度较大在受热变形时动作相对缓慢，灵敏度相对较低；

2、现有的热保护器因结构和工艺的原因导致体积较大；

3、现有的热保护器的额定电流为固定量，不可调控，导致应用范围受限；

4、难以对应用现场的热保护器进行实时在线测量其开/断过程，进而实现在线质量监测。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种可进行实时在线质量监测、额定电流可调控的微型MEMS热保护器以及制备方法，以提高电路或系统的可靠性。

技术方案：一种MEMS热保护器，包括：

第一衬底；

开放腔，在第一衬底上表面形成；

悬臂梁，为正对开放腔的悬空部分，并且作为第一衬底的一部分，固定的一端称为固定端，悬空的一端称为悬空端；

第一绝缘层，覆盖在第一衬底的上表面；

第二绝缘层，覆盖在第一绝缘层的上表面；

第二衬底；

第一电极，分为上第一电极和下第一电极，分别对称设置在第二衬底和第二绝缘层上，且位于悬臂梁的中部；

第二电极，分为上第二电极和下第二电极，分别对称设置在第二衬底和第二绝缘层上，且位于悬臂梁的悬空端；

第三电极，分为上第三电极和下第三电极，分别对称设置在第二衬底和第二绝缘层上，且位于悬臂梁的固定端；

键合层，分为上键合层和下键合层，分别对称设置在第二衬底和第二绝缘层上，且位于第二衬底的两端，所述第一衬底和第二衬底通过键合层键合在一起。

进一步的，所述第一电极、第二电极和第三电极分别通过一条引线连接到一个对应的焊盘上。

进一步的，所述引线、焊盘、第二电极、第三电极和第一电极的厚度依次增大，其中第一电极的上第一电极和下第一电极紧密贴合，第一电极的面积为悬臂梁面积的40%-70%，第二电极的面积为第一电极面积的10%-30%，第三电极的面积为第二电极面积的1%-5%。

进一步的，所述第一衬底的材料为单晶硅；所述第二衬底的材料为玻璃。

进一步的，所述第一绝缘层的材料为二氧化硅，第二绝缘层的材料为氮化硅。

进一步的，所述悬臂梁的厚度为1-10mm；所述悬臂梁正下方开放腔的高度为5-20mm。

进一步的，所述第一电极的材料为TiW，厚度为3-6mm；所述第二电极的材料为TiW，厚度为200-250nm；所述第三电极的材料为TiW，厚度为280-380nm；所述引线和焊盘厚度为120-200nm。

一种根据所述MEMS热保护器的制备方法，包括如下步骤：

S01：选用单晶硅作为第一衬底，通过感应耦合等离子体刻蚀技术在第一衬底上各向异性刻蚀出若干窄浅槽以及位于悬臂梁的悬空端的宽浅槽；

S02：在对步骤S01得到的浅槽侧壁进行保护的同时，对浅槽下方的单晶硅进行各向同性腐蚀，释放悬臂梁；

S03：对步骤S02得到的第一衬底通过外延生长单晶硅，窄浅槽处形成封闭结构而宽浅槽无法封闭，从而形成完整的悬臂梁及开放腔；

S04：对步骤S03得到的第一衬底的上表面依次使用等离子体增强化学气相沉积工艺形成二氧化硅作为第一绝缘层以及氮化硅作为第二绝缘层；

S05：对步骤S04得到的第一衬底的上表面依次通过四次剥离和磁控溅射制备TiW，形成下第一电极、下第二电极、下第三电极和三个电极的引线和焊盘；

S06：对步骤S05得到的第一衬底的上表面通过剥离工艺依次制备Ti/Ni/Au/Sn/Au，形成下键合层，其中下键合层与下第一电极的厚度相同；

S07：选用玻璃作为第二衬底，在第二衬底上依次通过四次剥离以及磁控溅射制备TiW，形成上第一电极、上第二电极、上第三电极和三个电极的引线和焊盘；

S08：对步骤S07得到的第二衬底的上表面通过剥离工艺依次制备Ti/Ni/Au，形成上键合层，其中上键合层与上第一电极的厚度相同；

S09：将步骤S06得到的第一衬底与步骤S08得到的第二衬底通过共晶键合工艺键合在一起。

有益效果：相比现有技术具有以下优点：

1、本发明的MEMS热保护器结合MEMS加工工艺和键合工艺，与传统的热保护器相比实现了微型化，并且可以批量化生产，降低了单个器件的制备成本。

2、本发明的MEMS热保护器能够通过对第二电极施加电压，利用静电力的吸引作用改变第一电极的贴合紧密度，从而起到调控额定电流的作用，拓宽了本发明的MEMS热保护器的应用范围。

3、本发明的MEMS热保护器能够通过测量第三电极的电流值，在无需查看器件内部情况的前提下实现对热保护器的质量监测作用。

4、本发明的MEMS热保护器原理及结构简单，可靠性高，响应速度快，使用过程中损耗小、寿命长。

附图说明

图1所示为本发明的MEMS热保护器的第一衬底层的平面结构俯视图；

图2所示为本发明的MEMS热保护器沿A-A方向的剖面图；

图3所示为本发明的MEMS热保护器的工艺制备流程步骤S01得到的结构示意图；

图4所示为本发明的MEMS热保护器的工艺制备流程步骤S02得到的结构示意图；

图5所示为本发明的MEMS热保护器的工艺制备流程步骤S03得到的结构示意图；

图6所示为本发明的MEMS热保护器的工艺制备流程步骤S04得到的结构示意图；

图7所示为本发明的MEMS热保护器的工艺制备流程步骤S05得到的结构示意图；

图8所示为本发明的MEMS热保护器的工艺制备流程步骤S06得到的结构示意图；

图9所示为本发明的MEMS热保护器的工艺制备流程步骤S07得到的结构示意图；

图10所示为本发明的MEMS热保护器的工艺制备流程步骤S08得到的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本实施例提供了一种MEMS热保护器，如图1~图3所示，包括：第一衬底1、悬臂梁2、第一绝缘层3、第二绝缘层4、第一电极5、第二电极6、第三电极7、引线8、键合层9、第二衬底10、开放腔11和焊盘12。开放腔11在第一衬底1上表面形成；悬臂梁2为正对开放腔11的悬空部分，并且作为第一衬底1的一部分，其一端固定，其称为固定端，而另一端悬空，其称为悬空端；第一绝缘层3覆盖在第一衬底1的上表面；第二绝缘层4覆盖在第一绝缘层3的上表面；第一电极5分为上第一电极5-1和下第一电极5-2，分别对称设置在第二衬底10和第一绝缘层3上，并且位于悬臂梁2的中部；第二电极6分为上第二电极6-1和下第二电极6-2，分别对称设置在第二衬底10和第一绝缘层3上，并且位于悬臂梁的悬空端；第三电极7分为上第三电极7-1和下第三电极7-2，分别对称设置在第二衬底10和第一绝缘层3上，并且位于悬臂梁2的固定端；键合层9分为上键合层9-1和下键合层9-2，分别对称设置在第二衬底10和第二绝缘层4上，并且位于第二衬底10的两端。

上第一电极5-1、下第一电极5-2、上第二电极6-1、下第二电极6-2、上第三电极7-1、下第三电极7-2分别通过一条引线8连接到一个对应的焊盘12上；第一衬底1和第二衬底10通过键合层9键合在一起。引线8、焊盘12、第二电极6、第三电极7和第一电极5的厚度依次增大，其中第一电极5的上第一电极5-1和下第一电极5-2紧密贴合，第一电极5的面积为悬臂梁2面积的40%-70%，第二电极6的面积为第一电极5面积的10%-30%，第三电极7的面积为第二电极6面积的1%-5%。

第一衬底1的材料为单晶硅；第二衬底10的材料为玻璃；悬臂梁2的厚度为1-10m；悬臂梁2正下方开放腔11的高度为5-20m；第一绝缘层3和第二绝缘层4的材料分别的二氧化硅和氮化硅，厚度均为50-100nm，主要起绝缘保护作用；第一电极5的材料为TiW，厚度为3-6m；第二电极6的材料为TiW，厚度为200-250nm；第三电极7的材料为TiW，厚度为280-380nm；引线8和焊盘12厚度为120-200nm。

本发明的一种MEMS热保护器的工作过程如下：

第一电极5在没有电流通过的情况下紧密贴合，通过高电流时会导致第一电极5发热较高，上第一电极5-1保持静止，由于第一电极5与悬臂梁2的热膨胀系数差别较大，下第一电极5-2以及悬臂梁2因此向下弯曲，从而使上第一电极5-1和下第一电极5-2之间产生间隙。达到额定电流时悬臂梁2弯曲程度达到最大值，上第一电极5-1和下第一电极5-2能够完全分离，热保护器处于断开状态，实现对电路或系统的保护功能。

本发明中，通过在第二电极6上施加一定的电压，上第二电极6-1和下第二电极6-2由于静电力产生相互吸引作用，利用静电力的吸引作用改变第一电极5的贴合紧密度，即该作用力能够阻碍悬臂梁2通电时向下弯曲的趋势，进而可以调控热保护器额定电流的大小，从而拓宽了热保护器对于不同额定电流的应用范围。

本发明中，在上第三电极7-1和下第三电极7-2之间施加电压，当上第三电极7-1和下第三电极7-2之间距离较近时，由于尖端放电效应会在第三电极7上检测到漏电流。当悬臂梁2向下弯曲时，悬臂梁固定端也会产生细微的弯曲幅度，即第三电极7-1和下第三电极7-2之间距离会发生细微的变化，该细微间距变化能够较大的改变漏电流的大小。因此可通过测量第三电极7上的电流大小可以判断上第一电极5-1和下第一电极5-2之间的间隙大小，监测悬臂梁2的弯曲情况，从而在无需查看器件内部情况的条件下实现对热保护器的质量无损监测作用。

本发明还提供了一种以上MEMS热保护器的制备方法，包括如下步骤：

S01：选用单晶硅作为第一衬底1，通过感应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术在其上各向异性刻蚀出若干深度为1-10m的窄浅槽以及位于悬臂梁2悬空端的宽浅槽，得到如图3所示结构。

S02：在对步骤S01得到的浅槽侧壁进行保护的同时，对浅槽下方的单晶硅进行各向同性腐蚀，释放悬臂梁2，得到如图4所示结构。

S03：对步骤S02得到的第一衬底1通过外延生长单晶硅，窄浅槽处形成封闭结构而宽浅槽无法封闭，从而形成了完整的悬臂梁2及开放腔11，其中开放腔11的高度为5-20m，悬臂梁2的厚度为1-10m，得到如图5所示结构。

S04：对步骤S03得到的第一衬底1在其上表面依次使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺形成50-100nm厚的二氧化硅作为第一绝缘层3以及50-100nm厚的氮化硅作为第二绝缘层4，得到如图6所示结构。

S05：对步骤S04得到的第一衬底1在其上表面依次通过四次剥离和磁控溅射制备TiW下第一电极5-2，TiW下第二电极6-2，TiW下第三电极7-2，以及三个电极的金属引线8和焊盘12，其中下第一电极5-2厚度为3-6m，下第二电极6-2厚度为200-250nm，下第三电极7-2厚度为280-380nm，金属引线8和焊盘12厚度为120-200nm，得到如图7所示结构。

S06：对步骤S05得到的第一衬底1在其上表面通过剥离工艺依次制备Ti/Ni/Au/Sn/Au，形成下键合层9-2，为后面的共晶键合做准备；其中Ti作为黏附层厚度30nm，Ni作为扩散阻挡层厚度为30nm，上下两层厚度为20nm的Au与中间厚度为2.9-5.9m的Sn做成三明治结构，用于保护Sn不被氧化，Ti/Ni/Au/Sn/Au整体厚度为3-6m，与下第一电极5-2的厚度相同，得到如图8所示结构。

S07：选用玻璃作为第二衬底10，在第二衬底10上依次通过四次剥离以及磁控溅射制备TiW上第一电极5-1，TiW上第二电极6-1，TiW上第三电极7-1，以及三个电极的金属引线8和焊盘12，其中上第一电极5-1厚度为3-6m，上第二电极6-1厚度为200-250nm，上第三电极7-1厚度为280-380nm，金属引线8和焊盘12厚度为120-200nm，得到如图9所示结构。

S08：对步骤S07得到的第二衬底10在其上表面通过剥离工艺依次制备Ti/Ni/Au，形成上键合层9-1，为后面的共晶键合做准备；其中Ti作为黏附层厚度50nm，Ni作为扩散阻挡层厚度为50nm，Au厚度为2.9-5.9m，Ti/Ni/Au整体厚度为3-6m，与上第一电极5-1的厚度相同，得到如图10所示结构。

S09：将步骤S06得到的第一衬底1与步骤S08得到的第二衬底10利用共晶键合工艺键合在一起，得到如图2所示的热保护器。

本发明的MEMS热保护器的制备方法与传统静电式MEMS开关或继电器相似，与Si基MEMS工艺兼容，制备方法简单。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

一种MEMS热保护器及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。