本发明公开了一种额定电流可调且可监测的过流保护器及制备方法，过流保护器包括第一衬底；第二衬底；在第一衬底上形成开放腔、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，且位于悬臂梁的固定端；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，且位于悬臂梁的中部位置；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，且位于悬臂梁的悬空端。本发明利用MEMS体加工和键合工艺，设置开放腔、悬臂梁、第一电极、第二电极和第三电极，使过流保护器的额定电流可调且可监测，以提高电路或系统的可靠性。
1.一种额定电流可调且可监测的过流保护器，其特征在于，包括：
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）和第二绝缘层（4）上，且从悬臂梁（2）的固定端向悬臂梁（2）的悬空端方向设置；
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）的悬空端；
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，且位于第一电极（5）和第三电极（7）之间，且分别与第一电极（5）和第三电极（7）存在间隔；
其中，上第一电极（5-1）与下第一电极（5-2）紧密贴合；上第一电极（5-1）、上第二电极（6-1）、上第三电极（7-1）、下第二电极（6-2）、下第三电极（7-2）、引线（8）和焊盘（12）的厚度相同且小于下第一电极（5-2）的厚度；
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；
对第二电极（6）施加电压，利用静电力的吸引作用改变第一电极（5）的贴合紧密度。
2.根据权利要求1所述的额定电流可调且可监测的过流保护器，其特征在于，所述第一电极（5）的面积为悬臂梁（2）面积的40%-60%，第二电极（6）的面积为第一电极（5）面积的
10%-40%，第三电极（7）的面积为第二电极（6）面积的20%-50%。
3.根据权利要求1所述的额定电流可调且可监测的过流保护器，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。
4.根据权利要求1所述的额定电流可调且可监测的过流保护器，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所述的额定电流可调且可监测的过流保护器，其特征在于，所述第一绝缘层（3）和第二绝缘层（4）的材料分别为二氧化硅和氮化硅，厚度均为50-100nm。
6.根据权利要求1所述的额定电流可调且可监测的过流保护器，其特征在于，所述悬臂梁（2）的厚度为3-10mm，悬臂梁（2）正下方开放腔（11）的高度为10-20mm。
7.根据权利要求1所述的额定电流可调且可监测的过流保护器，其特征在于，上第一电极（5-1）、上第二电极（6-1）、上第三电极（7-1）、下第二电极（6-2）、下第三电极（7-2）、引线（8）和焊盘（12）的厚度为200-500nm；下第一电极（5-2）的厚度为5.5-11.8mm。
8.一种根据权利要求1-7任一所述额定电流可调且可监测的过流保护器的制备方法，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）上表面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得到的窄浅槽的侧壁进行保护的同时，对窄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，从而形成了完整的悬臂梁（2）及开放腔（11）；
S04：在步骤S03得到的第一衬底（1）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：在步骤S04得到的第一衬底（1）上表面依次通过两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：在步骤S05得到的第一衬底（1）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）；
S07：选用玻璃作为第二衬底（10），在第二衬底（10）上仅通过一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：在步骤S07得到的第二衬底（10）上表面通过剥离工艺依次制备Ti/Ni/Au，形成上键合层（9-1）；
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）利用共晶键合工艺通键合层（9）键合在一起，同时保证上第一电极（5-1）与下第一电极（5-2）紧密贴合。
额定电流可调且可监测的过流保护器及制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种过流保护器及其制备方法。
背景技术
[0002] 为防止电路或系统不会因过电流影响而导致损毁，需要引入过流保护器。当流过电路或系统的电流超过额定值时会触发过流保护器工作，其内部开关断开，防止意外发生。由于过电流常常伴随着异常的升温，因此过流保护器是一种对温度和/或电流都敏感的装置，可以对电路或系统中由于温度和电流导致的热过载起到控制和保护作用。过流保护器广泛应用于家用电器、仪器仪表、电源转换器和电机等的温度和/或电流的控制和保护。
[0003] 市面上常见的过流保护器一般用热膨胀系数不同的双金属应变片作为敏感元件，利用双金属应变片因温度升高而产生形变，导致开关断开进而实现对电路或系统的保护，根据其工作原理可以看出，常见过流保护器在制备完成之后其额定电流即为定制，无法调控，在使用过程中无法对双金属应变片的质量进行实时监测，同时现有的金属应变片制备和封装工艺往往导致其体积较大，难以应用于微型化、智能化场景中。
发明内容
[0004] 发明目的：针对上述现有技术，提出一种额定电流可调且可监测的过流保护器及制备方法，以提高电路或系统的可靠性。
[0005] 技术方案：一种额定电流可调且可监测的过流保护器，包括：
[0006] 第一衬底；
[0007] 开放腔，在第一衬底上表面形成；
[0008] 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；
[0009] 第一绝缘层，覆盖在第一衬底的上表面；
[0010] 第二绝缘层，覆盖在第一绝缘层的上表面；
[0011] 第二衬底；
[0012] 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，且从悬臂梁的固定端向悬臂梁的悬空端方向设置；
[0013] 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，且位于悬臂梁的悬空端；
[0014] 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，且位于第一电极和第三电极之间，且分别与第一电极和第三电极存在间隔；
[0015] 其中，上第一电极与下第一电极紧密贴合；上第一电极、上第二电极、上第三电极、下第二电极、下第三电极、引线和焊盘的厚度相同且小于下第一电极的厚度；
[0016] 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。
[0017] 进一步的，所述第一电极的面积为悬臂梁面积的40%-60%，第二电极的面积为第一电极面积的10%-40%，第三电极的面积为第二电极面积的20%-50%。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 进一步的，所述第一绝缘层和第二绝缘层的材料分别为二氧化硅和氮化硅，厚度均为50-100nm。
[0021] 进一步的，所述悬臂梁的厚度为3-10mm，悬臂梁正下方开放腔的高度为10-20mm。
[0022] 进一步的，上第一电极、上第二电极、上第三电极、下第二电极、下第三电极、引线和焊盘的厚度为200-500nm；下第一电极的厚度为5.5-11.8mm。
[0023] 一种所述额定电流可调且可监测的过流保护器的制备方法，包括如下步骤：
[0024] 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表面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；
[0025] S02：在对步骤S01得到的窄浅槽的侧壁进行保护的同时，对窄浅槽下方的单晶硅进行各向同性腐蚀，释放悬臂梁；
[0026] 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，从而形成了完整的悬臂梁及开放腔；
[0027] S04：在步骤S03得到的第一衬底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；
[0028] S05：在步骤S04得到的第一衬底上表面依次通过两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；
[0029] S06：在步骤S05得到的第一衬底上表面通过剥离工艺依次制备Ti/Ni/Au/Sn/Au，形成下键合层；
[0030] S07：选用玻璃作为第二衬底，在第二衬底上仅通过一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；
[0031] S08：在步骤S07得到的第二衬底上表面通过剥离工艺依次制备Ti/Ni/Au，形成上键合层；
[0032] S09：将步骤S06得到的第一衬底与步骤S08得到的第二衬底利用共晶键合工艺通键合层键合在一起，同时保证上第一电极与下第一电极紧密贴合。
[0033] 有益效果：本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0034] 1、本发明的额定电流可调且可监测的过流保护器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，拓宽了本发明的过流保护器的应用范围。
[0035] 2、本发明的额定电流可调且可监测的过流保护器通过测量第三电极的电容值，在无需查看器件内部情况的前提下实现对过流保护器的质量监测，由于第三电极的电容结构在悬臂梁任意状态下均可实施监测，并且监测灵敏度高，受温度影响小，因此可以长期对过流保护器进行全程实时质量监测。
[0036] 3、本发明的额定电流可调且可监测的过流保护器的原理及结构简单，可靠性高，响应速度快，使用过程中损耗小、寿命长。
[0037] 4、本发明的额定电流可调且可监测的过流保护器得益于MEMS加工工艺的特点可以实现批量化生产，降低了单个器件的生产成本，同时涉及的工艺步骤简单且易于实现，仅需一到两步光刻即可在衬底上制备出三个电极，进一步降低了制备成本。
附图说明
[0038] 图1所示为本发明过流保护器第一衬底层的平面结构俯视图；
[0039] 图2所示为本发明过流保护器沿A-A方向的剖面图；
[0040] 图3所示为本发明过流保护器的制备流程步骤S01得到的结构示意图；
[0041] 图4所示为本发明过流保护器的制备流程步骤S02得到的结构示意图；
[0042] 图5所示为本发明过流保护器的制备流程步骤S03得到的结构示意图；
[0043] 图6所示为本发明过流保护器的制备流程步骤S04得到的结构示意图；
[0044] 图7所示为本发明过流保护器的制备流程步骤S05得到的结构示意图；
[0045] 图8所示为本发明过流保护器的制备流程步骤S06得到的结构示意图；
[0046] 图9所示为本发明过流保护器的制备流程步骤S07得到的结构示意图；
[0047] 图10所示为本发明过流保护器的制备流程步骤S08得到的结构示意图。
具体实施方式
[0048] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0049] 一种额定电流可调且可监测的过流保护器，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，并且从悬臂梁2的固定端向悬空端方向设置。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的悬空端。第二电极6分为上第二电极6-1和下第二电极6-1，分别对称设置在第二衬底10和第一绝缘层3上，并且位于第一电极5和第三电极7之间，且分别与第一电极5和第三电极7存在间隔。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。
[0050] 其中，第一电极5的面积为悬臂梁2面积的40%-60%，第二电极6的面积为第一电极5面积的10%-40%，第三电极7的面积为第二电极6面积的20%-50%。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6-1、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。上第一电极5-1、上第二电极6-1、上第三电极7-1、下第二电极6-2、下第三电极7-2、引线8和焊盘12的厚度相同且小于下第一电极5-2的厚度。第一衬底
1和第二衬底10通过键合层9键合在一起，上第一电极5-1与下第一电极5-2紧密贴合。
[0051] 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3-10mm，悬臂梁2正下方开放腔11的高度为10-20mm。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、第二电极6、第三电极7的材料均为TiW。上第一电极5-1、上第二电极6-1、下第二电极6-2、第三电极7-1、下第三电极7-2、引线12以及焊盘8厚度设计范围均为200-500nm；下第一电极5-2厚度为5.5-11.8mm。
[0052] 上述过流保护器中，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，过流保护器处于断开状态，实现对电路或系统的保护功能。
[0053] 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6-1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，进而可以调控额定电流的大小，从而拓宽了过流保护器对于不同额定电流的应用范围。
[0054] 本发明中，在上第三电极7-1和下第三电极7-2之间施加固定电荷，上第三电极7-1和下第三电极7-2之间形成平行板电容器，通过测量第三电极7上的电容大小可以判断上第三电极7-1和下第三电极7-2之间的间隙大小，以此来监测悬臂梁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过流保护器的质量无损监测作用。
[0055] 本发明还提供了一种以上过流保护器的制备方法，如图3所示，包括如下步骤：
[0056] S01：选用单晶硅作为第一衬底1，通过感应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术在其上表面各向异性刻蚀出若干深度为3-10mm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。
[0057] S02：在对步骤S01得到的窄浅槽的侧壁进行保护的同时，对窄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。
[0058] 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10-20mm，悬臂梁2的厚度为3-10mm，得到如图5所示结构。
[0059] 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。
[0060] S05：对步骤S04得到的第一衬底1在其上表面依次通过两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5.5-11.8mm，下第二电极6-2、下第三电极7-2、金属引线8和焊盘12厚度一致，厚度取值范围为200-500nm，得到如图7所示结构。
[0061] 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2.9-5.9mm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3-6mm，得到如图8所示结构。
[0062] S07：选用玻璃作为第二衬底10，在第二衬底10上通过一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、上第二电极6-1、上第三电极7-1、金属引线8和焊盘12厚度一致，厚度取值范围为200-500nm，得到如图9所示结构。
[0063] S08：对步骤S707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2.9-5.9mm，Ti/Ni/Au整体厚度为3-6mm，得到如图10所示结构。
[0064] 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利用共晶键合工艺通键合层9键合在一起，同时保证上第一电极5-1与下第一电极5-2紧密贴合，得到如图2所示结构。
[0065] 本发明的额定电流可调且可监测的过流保护器及其制备的制备方法与传统静电式开关或继电器相似，与硅基MEMS工艺兼容，制备方法简单。
[0066] 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。
