一种主动式MEMS固态制冷器件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种主动式MEMS固态制冷器件及其制备方法，该固态制冷器件包括自上至下依次排布的顶部散热层、悬臂梁结构和底部吸热层；其中，悬臂梁结构包括自下而上依次排布的基片层、下电极薄膜层、反铁电薄膜层和上电极薄膜层。本发明专利技术可微型化并与半导体芯片制造技术兼容，能够实现局域位置指定、按需分配的芯片级高效制冷散热方法，有效解决限制半导体芯片工作性能的热管理瓶颈问题，其结合悬臂梁结构和反铁电材料，能够同时利用反铁电薄膜的电卡和电致应变效应，大大简化制冷器件的结构设计并提高性能，同时可实现微型化制造并与半导体芯片集成技术兼容。体芯片集成技术兼容。体芯片集成技术兼容。

【技术实现步骤摘要】
一种主动式MEMS固态制冷器件及其制造方法


[0001]本专利技术涉及芯片制冷
，特别是涉及一种主动式MEMS固态制冷器件及其制造方法。

技术介绍

[0002]遵循摩尔定律飞速发展的半导体芯片集成度越来越高，工作时产生的热量也越来越多，其PN结性质对温度十分敏感，高温不仅限制运行速度、功率与集成密度的提高，也会造成能耗、使用寿命和安全问题。对于微型电子器件，尤其是半导体芯片(例如硅基处理器)，随着工作负载的变化，其产生的热量在时间和空间上都处于高度不均匀分布的状态。目前半导体芯片的制冷方法主要分为被动式和主动式。被动式(例如高热传导材料的散热片)结构简单，但普遍效率较低，无法满足高散热量电子器件的要求；主动式(例如风冷、液冷)通常含有复杂结构的机械部件，且难以微型化与微型电子器件集成应用。
[0003]因此，本领域亟需一种结构简单且易于微型化的主动式制冷的技术方案。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种主动式MEMS固态制冷器件及其制造方法，以解决目前主动式制冷器件结构复杂难以微型化的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种主动式MEMS固态制冷器件，所述固态制冷器件包括自上至下依次排布的顶部散热层、悬臂梁结构和底部吸热层；
[0007]所述悬臂梁结构包括自下而上依次排布的基片层、下电极薄膜层、反铁电薄膜层和上电极薄膜层。
[0008]可选的，所述顶部散热层主体为带有硅槽的硅基片；所述硅基片内表面具有一层氮化硅防磨损层；
[0009]所述底部吸热层为硅基片。
[0010]可选的，
[0011]所述基片层材料为硅；
[0012]所述下电极薄膜层材料为Pt、SrRuO3、LaNiO3中的一种；
[0013]所述反铁电薄膜层材料为PbZrTiO3(PZ)、(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O3(PLZST)、(Pb,Nb)(Zr,Sn,Ti)O3(PNZST)中的一种；
[0014]所述上电极薄膜层材料为Au、Pt、SrRuO3、LaNiO3中的一种。
[0015]可选的，
[0016]所述反铁电薄膜层厚度为0.5μm～10μm。
[0017]可选的，
[0018]所述上电极薄膜层上部还设置有一层氮化硅薄膜层。
[0019]可选的，所述固态制冷器件的工作原理为：
[0020]初始阶段，外加电场E＝0，所述反铁电薄膜层中的反铁电材料在相邻离子连线上的偶极子呈反平行排列，所述悬臂梁结构的底部与底部吸热层上表面接触，所述固态制冷器件的整体温度为T；
[0021]当所述外加电场达到E
max
时，所述反铁电材料产生反铁电到铁电相变反应，所述反铁电材料在相邻离子连线上的偶极子呈同方向平行排列；在准绝热条件下，偶极子有序度增加而熵减小，则温度上升ΔT，即所述固态制冷器件的整体温度为T+ΔT，同时，所述相变反应产生电致伸缩效应，将驱动所述悬臂梁结构向上运动，使所述悬臂梁结构的上表面与所述顶部散热层的下表面接触，将热量传递至所述顶部散热层，使所述悬臂梁结构的温度恢复为T；
[0022]去除所述外加电场，使E＝0时，所述反铁电材料在相邻离子连线上的偶极子从同方向平行排列变为反平行排列，在准绝热条件下，有序度变小而熵增加，则温度降低ΔT，即所述悬臂梁结构的温度为T
‑
ΔT，同时，所述悬臂梁结构恢复至底部与所述底部吸热层上表面接触的初始阶段，所述悬臂梁结构与所述底部吸热层之间存在ΔT的温度差，使热量从所述底部吸热层扩散至所述悬臂梁结构，使所述悬臂梁结构温度恢复为T。
[0023]一种主动式MEMS固态制冷器件的制造方法，所述方法包括：
[0024]在第一硅基片表面覆盖一层下电极薄膜层；
[0025]在所述下电极薄膜层表面覆盖一层反铁电薄膜层；
[0026]在所述反铁电薄膜层上表面制作一层上电极薄膜层；
[0027]除去所述下电极薄膜层引线焊点部分的反铁电薄膜，并将所述下电极薄膜层刻蚀成悬臂梁图形；
[0028]除去所述悬臂梁图形对应的所述第一硅基片的部分，形成硅槽；
[0029]刻蚀所述第一硅基片的下表面对应的硅槽部分，释放悬臂梁，得到悬臂梁结构；
[0030]将第二硅基片刻出凹槽结构，凹槽的一边带有豁口，得到顶部散热层；
[0031]准备第三硅基片作为底部吸热层；
[0032]将所述顶部散热层、所述悬臂梁结构和所述底部吸热层由上至下键合在一起。
[0033]可选的，所述在所述反铁电薄膜层上表面制作一层上电极薄膜层，具体包括：
[0034]利用光刻和溅射方法在所述反铁电薄膜层上表面制作条形上电极薄膜层。
[0035]可选的，在所述反铁电薄膜层上表面制作一层上电极薄膜层之后，还包括：
[0036]分别在所述第一硅基片下表面和所述上电极薄膜层的上表面覆盖一层氮化硅薄膜层；
[0037]利用光刻技术刻除所述上电极薄膜层的上电极焊点部分的氮化硅薄膜；
[0038]刻除所述下电极薄膜层的下电极引线焊点部分的氮化硅薄膜。
[0039]可选的，在所述除去所述悬臂梁图形对应的所述第一硅基片的部分，形成硅槽之后，还包括：
[0040]将所述第一硅基片下表面的氮化硅薄膜层刻蚀成矩形；所述矩形的位置与所述悬臂梁图形的尖端对应。
[0041]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0042]本专利技术实施例提供了一种集电卡和电致应变效应于一体的新型MEMS固态制冷器件，它可微型化并与半导体芯片制造技术兼容，能够实现局域位置指定、按需分配的芯片级
高效制冷散热方法，有效解决限制半导体芯片工作性能的热管理瓶颈问题，其结合悬臂梁结构和反铁电材料，能够同时利用反铁电薄膜的电卡和电致应变效应，大大简化制冷器件的结构设计并提高性能，同时可实现微型化制造并与半导体芯片集成技术兼容。
附图说明
[0043]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]图1为本专利技术提供的固态相变制冷原理图。
[0045]图2为本专利技术提供的反铁电膜的电致应变曲线图。
[0046]图3为本专利技术提供的主动式MEMS固态制冷器件的制冷循环过程示意图。
[0047]图4为本专利技术实施例一提供的主动式MEMS固态制冷器件剖面零部件示意图。
[0048]图5为本专利技术实施例一提供的主动式MEMS固态制冷器件的剖面线图。
[0049]图6为本专利技术实施例一提供的主动式MEMS固态制冷器件整体示意图。
[0050]图7为本专利技术实施例一提供的主动式MEMS本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种主动式MEMS固态制冷器件，其特征在于，所述固态制冷器件包括自上至下依次排布的顶部散热层、悬臂梁结构和底部吸热层；所述悬臂梁结构包括自下而上依次排布的基片层、下电极薄膜层、反铁电薄膜层和上电极薄膜层。2.根据权利要求1所述的主动式MEMS固态制冷器件，其特征在于，所述顶部散热层主体为带有硅槽的硅基片；所述硅基片内表面具有一层氮化硅防磨损层；所述底部吸热层为硅基片。3.根据权利要求1所述的主动式MEMS固态制冷器件，其特征在于，所述基片层材料为硅；所述下电极薄膜层材料为Pt、SrRuO3、LaNiO3中的一种；所述反铁电薄膜层材料为PZ、PLZST、PNZST中的一种；所述上电极薄膜层材料为Au、Pt、SrRuO3、LaNiO3中的一种。4.根据权利要求1所述的主动式MEMS固态制冷器件，其特征在于，所述反铁电薄膜层厚度为0.5μm～10μm。5.根据权利要求1所述的主动式MEMS固态制冷器件，其特征在于，所述上电极薄膜层上部还设置有一层氮化硅薄膜层。6.根据权利要求1所述的主动式MEMS固态制冷器件，其特征在于，所述固态制冷器件的工作原理为：初始阶段，外加电场E＝0，所述反铁电薄膜层中的反铁电材料在相邻离子连线上的偶极子呈反平行排列，所述悬臂梁结构的底部与底部吸热层上表面接触，所述固态制冷器件的整体温度为T；当所述外加电场达到E
max
时，所述反铁电材料产生反铁电到铁电相变反应，所述反铁电材料在相邻离子连线上的偶极子呈同方向平行排列；在准绝热条件下，偶极子有序度增加而熵减小，则温度上升ΔT，即所述固态制冷器件的整体温度为T+ΔT，同时，所述相变反应产生电致伸缩效应，将驱动所述悬臂梁结构向上运动，使所述悬臂梁结构的上表面与所述顶部散热层的下表面接触，将热量传递至所述顶部散热层，使所述悬臂梁结构的温度恢复为T；去除所述外加电场，使E＝0时，所述反铁电材料在相邻离子连线上的偶极子从同方向平行排列变为反平行排列，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵全亮，刘志凯，张宏宽，何广平，狄杰建，赵磊，张萌颖，苏婷婷，梁旭，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：