IR热电堆检测器阵列制造技术

我们在此公开了一种红外(IR)检测器，该红外(IR)检测器包括衬底，包括至少一个蚀刻部分和衬底部分；电介质层，被设置在所述衬底上。电介质层包括至少一个电介质膜，其与所述衬底的所述蚀刻部分相邻。该检测器还包括第一感测区域和第二感测区域以及多个热电偶，第一感测区域和第二感测区域中的每一者位于电介质膜中。至少一个热电偶包括第一和第二热接点。第一热接点位于第一感测区域中或第一感测区域上，并且第二热接点位于第二感测区域中或第二感测区域上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】IR热电堆检测器阵列
本公开涉及红外(IR)检测器，特别地但非排他地，涉及微机械IR检测器阵列。
技术介绍
微机械热红外(IR)探测器是一种成熟的技术，并且通常基于热电堆、辐射热测量计、热释电探测器或甚至二极管。这些通常包括与基板热绝缘的结构(例如膜或微桥)，其由于入射IR辐射而加热，并且使用各种方法来检测温度的这种变化。微机械红外(IR)热电堆检测器通常包括串联连接的多个热电偶，其中它们的热接点(感测接点)嵌入在膜或任何其他热隔离结构(例如，桥、悬臂等)内，并且它们的冷接点(参考接点)位于膜或任何其他热隔离结构的外部。每个热电偶通过将两种不同的材料(即热电偶腿)连接在一起而形成。另外，IR热电堆检测器包括将热电堆正端和负端连接到相应的芯片上PAD的两个电连接(即，金属轨道)。因此，IR热电堆检测器的特征在于两个输出，并且将需要具有至少两个引线的封装，或者用于外部连接的任何其它装置。在IR热电堆检测器阵列的情况下，输出的数目将与形成阵列的热电堆检测器的数目成比例。对于包括N个热电堆的阵列的一般情况，输出的数量将是2N。具有大量输出是不期望的，因为它对以下方面有影响：i)芯片上PAD的数量，导致更大的占用面积，并因此导致更高的成本；ii)接合线的数量，以及相关成本和可能出现的可靠性问题；以及iii)封装引线的数量，或任何其它用于外部连接的装置，以及相关的成本和封装尺寸。此外，在一些应用中，对来自形成IR探测器阵列的每个单个IR探测器的绝对输出没有兴趣，但是对差分输出(即，来自不同热电堆的输出之间的差异)感兴趣。已经报道了IR热电堆检测器的许多设计。例如，在A.DeLuca等中，“无过滤器非色散红外气体检测：概念证明”，在微机电系统(MEMS)，在2017年第1220-1223页，2017IEEE第30届国际会议，呈现了包括具有定制的光学属性的两个IR热电堆检测器的IR检测器阵列，并且感兴趣的量是与CO2浓度相关的两个热电堆的输出之间的差。Graf等“用于红外检测的微机械热电堆的回顾”Meas.Sci.技术.18(2007)R59-R75评述了通常在膜上的几个基于热电堆的IR检测器。通常，整个热隔离区域被认为是感测区域，但是在一些情况下，感测区域被定义为包括IR吸收层的热绝缘结构的区域的一部分。在A.DeLuca等中，“使用原位生长的碳纳米管的增强光谱气体传感器”，应用物理快报2015年第194101期第106卷，感应区是碳纳米管生长的区域，在AN等人的US9214604B2中，感应区是等离子体结构所处的区域。如何制造IR检测器阵列也是公知的。例如Hirota等的“用CMOS技术制造的120×90元件热电堆阵列”，SPIE会议论文集2003年第4820卷第239-249页描述了热电堆IR探测器的阵列，其中，每个IR探测器像素是单独的正面蚀刻膜。Sarro等的“集成热红外感测阵列”，传感器和致动器14(1998)第191-201页描述了一种线性8元件热电堆阵列，其中每个IR检测器在悬臂结构上。琼斯等“具有光学读出器的MEMS热像仪”，传感器和致动器A155(2009)第47-57页描述了二维阵列，其中每个检测器在悬臂上。Foote等“高性能微机械热电堆线性阵列”，SPIE的1998年第3379卷第192-197页，描述了在一种线性阵列，其中每个热电堆IR检测器在微桥上。Calaza等的“用于使用标准CMOS技术制造的低成本应用的非冷却红外焦平面阵列”，传感器和致动器A132(2006)第129-138中描述了一种二维IR检测器阵列，其中每个检测器位于悬置膜/微桥结构上。Kanno等的“具有128×128热电堆检测器元件的未冷却红外焦平面阵列”，SPIE第2269卷第450-459页，描述了一种128×128IR检测器阵列，其中每个元件在悬置膜/膜片。US7842922描述了一种基于热电堆的IR检测器阵列，其中每个元件在膜上。
技术实现思路
没有关于包括至少一个在两个不同IR感应区域之间桥接的热电偶腿的IR探测器阵列的报道。基于这种方法的布置导致输出的减少并且直接提供差分输出。本公开涉及微机械加工的红外(IR)检测器，尤其涉及包括桥接在两个不同的IR感测区域之间的至少一个热电偶臂(或腿)的IR热电堆检测器阵列。该方法允许减少IR热电堆检测器阵列输出的数量，并且直接提供差分输出。现有技术水平的IR探测器阵列基于用于寻址形成阵列的每个单个热电堆的电路和用于数据详细处理(例如差分输出提取)的电路块。电子器件可以在芯片上或者在芯片外部(例如在单独的ASIC上、在PCB上)。本公开提出通过使用差分热电堆布置来克服现有技术检测器中的问题，由此差分输出是感兴趣的量。在本公开中，我们提出了不同的热电堆布置以减少输出的数量并且直接获得差分输出而不需要电路块。这可以通过适当地彼此连接两个或多个热电堆、通过具有桥接在两个不同IR感应区域之间(或两个膜区域之间)的至少一个热电偶腿来实现。与现有技术水平的IR设备相比，通过提供差分输出，这里公开的设备将具有以下优点：i)通过减少热电堆输出的数量并因此减少连接焊盘的数量来减少芯片面积；ii)降低与芯片面积以及具有减少数量的输出的芯片的组装和封装相关的成本；iii)降低系统复杂性，因为IR检测器阵列可以直接提供差分输出而无需任何附加电路块；iv)根据设计，可以实现灵敏度/噪声折衷方面的进一步益处。根据本公开的一个方面，提供了一种红外(IR)检测器，包括：衬底，其包括至少一个蚀刻部分和衬底部分；设置在所述衬底上的电介质层，其中，所述电介质层包括至少一个电介质膜，并且其中，所述至少一个电介质膜与所述衬底的所述蚀刻部分相邻，第一感测区域和第二感测区域均位于电介质膜内；以及多个热电偶，其中至少一个热电偶包括第一和第二热接点，并且其中第一热接点位于第一感测区域中或第一感测区域上，并且第二热接点位于第二感测区域中或第二感测区域上。这具有提供差分输出的优点，因为两个热接点都用于感测。两个接点都位于感测区域内的热电偶可以被认为不具有位于感测区域外部的冷接点，而是具有位于一个感测区域中的热接点和位于第二感测区域中的相对较不热的接点。可以通过蚀刻将电介质膜与衬底热隔离。可以通过使用衬底的深反应离子蚀刻(DRIE)的回蚀刻来形成该膜，这导致垂直侧壁。也可以使用各向异性蚀刻，如KOH(氢氧化钾)或TMAH(氢氧化四甲铵)，进行回蚀刻，这导致侧壁倾斜。该膜还可以通过前侧蚀刻形成，以产生由至少两个或更多梁支撑的悬置膜结构。介电膜区域可以是直接位于衬底的蚀刻部分的顶部上的膜的区域。所述至少一个热电偶可以包括第一材料的第一臂(或腿)和第二材料的第二臂(或腿)，其中第一材料和第二材料是不同的材料。热电偶材料可以包括金属，例如铝、铜、钨、钛或它们的组合、掺杂多晶硅(n或p型)或掺杂单晶硅(n或p型)。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种红外(IR)检测器，包括：/n衬底，包括至少一个蚀刻部分和衬底部分；/n电介质层，被设置在所述衬底上，其中，所述电介质层包括至少一个电介质膜，并且其中，所述至少一个电介质膜与所述衬底的所述蚀刻部分相邻；/n第一感测区域和第二感测区域，所述第一感测区域和所述第二感测区域中的每一者位于电介质膜中；以及/n多个热电偶，其中至少一个热电偶包括第一和第二热接点，并且其中所述第一热接点位于所述第一感测区域中或所述第一感测区域上，并且所述第二热接点位于所述第二感测区域中或所述第二感测区域上。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180228 US 15/908,1591.一种红外(IR)检测器，包括：
衬底，包括至少一个蚀刻部分和衬底部分；
电介质层，被设置在所述衬底上，其中，所述电介质层包括至少一个电介质膜，并且其中，所述至少一个电介质膜与所述衬底的所述蚀刻部分相邻；
第一感测区域和第二感测区域，所述第一感测区域和所述第二感测区域中的每一者位于电介质膜中；以及
多个热电偶，其中至少一个热电偶包括第一和第二热接点，并且其中所述第一热接点位于所述第一感测区域中或所述第一感测区域上，并且所述第二热接点位于所述第二感测区域中或所述第二感测区域上。


2.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述至少一个热电偶包括第一材料的第一臂和第二材料的第二臂，其中所述第一材料和所述第二材料是不同的材料。


3.如权利要求2所述的红外探测器，其特征在于，至少一个臂在所述第一感测区域和所述第二感测区域之间延伸。


4.如权利要求2所述的红外探测器，其特征在于，至少一个臂在所述第一感测区域和所述第二感测区域之间形成一个桥。


5.如前述任一权利要求所述的红外探测器，其特征在于，位于所述第一和第二感测区域中的所述至少一个热电偶提供一与在所述第一感测区域中感测的IR辐射和在所述第二感测区域中感测的IR辐射之间的差成比例的输出。


6.如权利要求2所述的红外探测器，其特征在于，所述至少一个臂包括连接所述至少一个臂的两个侧部的金属部分。


7.如前述任一权利要求所述的红外探测器，其特征在于，所述第一感测区域和所述第二感测区域中的每一者都位于单独的电介质膜中。


8.如权利要求7所述的红外探测器，其特征在于，还包括：
另一热电偶，具有位于所述电介质膜外部的热接点。


9.如前述任一权利要求所述的红外探测器，其特征在于，所述第一感测区域和所述第二感测区域中每一者都位于单个电介质膜中。


10.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·乌德雷亚，A·德卢卡，
申请(专利权)人：AMS传感器英国有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB