一种红外热电堆传感器及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种红外热电堆传感器及其制造方法，红外热电堆传感器在衬底中设置有环形的第一沟槽，第一沟槽中设置有热导增强层，热导增强层的材料为导电材料，所有热电偶组件间隔设置在绝缘层和支撑层上且所有热电偶组件从热导增强层上方朝向内环内侧延伸，以通过增设热导增强层，提高热电偶组件的冷端的温度稳定性，还具有反射红外线的作用，使得冷结更容易和环境温度保持一致，有利于热端和冷端温度梯度的建立，有利于性能的提高，由于热导增强层的材料选择使得本发明专利技术结构容易实现，且仅增加了热导增强层的成本，从而有利于商业化大规模生产；在热导增强层和热电偶组件之间设置绝缘层，绝缘层减小红外热电堆传感器输出信号的闪烁噪声。闪烁噪声。闪烁噪声。

【技术实现步骤摘要】
一种红外热电堆传感器及其制造方法


[0001]本专利技术涉及温度传感
，涉及一种红外热电堆传感器及其制造方法。

技术介绍

[0002]红外热电堆传感器属于红外热传感器，红外热电堆传感器的原理为：将接收到的红外辐射转化为热量后，利用塞贝克效应在串联的至少一个热电偶对的起始和末端之间形成温差电动势，并通过测量所有热电偶对的起始和末端的电压信号即可推算出红外辐射强度。例如：当只有一个热电偶时，塞贝克效应产生的电压信号可表式为：；其中，S
A
和S
B
是该热电偶的两种热偶臂所使用的材料的塞贝克系数。当认为S
A
和S
B
不随温度变化时，V=（S
A
‑
S
B
）
△
T，其中，
△
T为热电偶两端的温度差。而红外热电堆传感器制作基于MEMS（Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System，微机电系统）工艺，也可以MEMS工艺和CMOS工艺进行结合，并广泛应用于非接触式温度测量、NDIR气体分析、热成像等应用。由上可知，热电堆传感器具有原理简单、使用简单方便（即无需制冷、无需斩波器、无需偏置电压、工作波谱范围广、非接触式测量）、成本低（工艺与CMOS工艺兼容）等优势。因此，在红外传感器市场中占有非常多的份额。
[0003]尽管红外热电堆传感器主要在测温、低成本气体分析和低分辨率热成像等领域备受热捧，但是，在其它细分领域中，红外热电堆传感器都存在非常强劲的对手，比如运动检测和高端气体分析应用中的热释电探测器，其可以做到更快响应和更高灵敏度；热成像应用中的微测辐射热计阵列以及制冷型光子探测器，这些都可以做到更高精度和更高分辨率。因此，如何提升红外热电堆传感器的性能这一命题一直被业界所关注。
[0004]当前，关于红外热电堆传感器的性能提升，国内外已有相当多的研究，但是这些研究的侧重点是高红外吸收率材料、膜系或结构设计，或者是对于红外热电堆传感器的器件尺寸优化及结构优化。这些研究得到的高性能的红外热电堆传感器通常存在成本高、实用性不足以及难以量产等问题，因此并不能被市场所认可。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，提供一种红外热电堆传感器及其制造方法，可以解决当前高性能红外热电堆传感器带来的成本高、实用性不足和难以量产从而难以被市场所认可的问题。
[0006]为了解决以上问题，本专利技术提供一种红外热电堆传感器，其中包括：衬底，所述衬底中设置有环形的第一沟槽，所述第一沟槽中设置有热导增强层，其中，所述热导增强层的材料为导电材料；支撑层，所述支撑层覆盖所述第一沟槽的内环内侧的衬底；绝缘层，所述绝缘层覆盖所述热导增强层；
多个热电偶组件，所有所述热电偶组件间隔设置在所述绝缘层和所述支撑层上，且所有所述热电偶组件从所述热导增强层上方朝向所述内环内侧延伸；吸收组件，所述吸收组件覆盖所述支撑层和所有所述热电偶组件。
[0007]可选的，所述热导增强层的材料为Al。
[0008]可选的，所述热导增强层的厚度大于2μm，所述热导增强层的宽度大于10μm，或者，所述热导增强层的宽度大于所述热电偶组件的冷结宽度。
[0009]可选的，所述绝缘层的材料为碳化硅或氮化铝，此时，所述绝缘层仅覆盖所述热导增强层；或者，所述绝缘层的材料为氧化硅或氮化硅，此时，所述绝缘层覆盖所述热导增强层和支撑层。
[0010]可选的，所述热电偶组件包括：第一热偶臂，位于所述绝缘层和支撑层上，且所述第一热偶臂从所述热导增强层上方朝向所述内环内侧延伸；中间介质层，位于所述第一热偶臂上；第二热偶臂，位于所述中间介质层上；连接柱，贯通所述中间介质层，且靠近所述第一热偶臂的一侧与所述第一热偶臂接触，靠近所述第二热偶臂的一侧与所述第二热偶臂接触。
[0011]进一步的，所述吸收组件包括：多晶硅层，位于所述支撑层上，且位于所有所述第一热偶臂的内侧，所述多晶硅层和第一热偶臂接触设置，所述中间介质层覆盖所述多晶硅层；光干涉热引导层，位于所述支撑层上，且位于所有所述第一热偶臂的内侧，且所述多晶硅层围绕所述光干涉热引导层设置；红外吸收层，覆盖所述光干涉热引导层、第二热偶臂和覆盖所述多晶硅层的中间介质层；强化吸收层，覆盖所述多晶硅层和光干涉热引导层上方的所述红外吸收层。
[0012]进一步的，所述第一沟槽为圆环、椭圆环或多边形环；所述光干涉热引导层由以所述第一沟槽的中心位置为中心的多个花瓣结构组成，且从所述中心位置处向远离所述中心位置的方向上，每个花瓣结构的宽度逐渐增加。
[0013]进一步的，所述光干涉热引导层与附近的所述热电偶组件之间的间距小于10μm，所述光干涉热引导层的厚度为100nm~1μm。
[0014]进一步的，所述光干涉热引导层的材料采用金属材料或多晶硅材料。
[0015]可选的，所述衬底包括相对设置的正面和背面，所述第一沟槽的内环内侧的衬底中具有空腔，所述空腔为通孔，所述空腔贯通所述衬底，并暴露出所述正面的支撑层，且所述空腔在所述背面的开口尺寸与所述热导增强层的内环宽度相同，所述空腔在所述正面的开口尺寸小于所述第一沟槽的内环宽度；或者，所述空腔为盲孔，所述空腔与第一沟槽均位于所述正面，且所述支撑层封闭所述空腔的开口，且所述第一沟槽的深度小于所述空腔的深度，所述空腔的开口尺寸小于所述第一沟槽的内环宽度。
[0016]进一步的，所述热导增强层与空腔之间的间距大于5μm。
[0017]进一步的，当所述空腔为盲孔时，所述空腔上方的吸收组件中具有多个均匀分布的通孔，所述通孔贯通所述支撑层、绝缘层和吸收组件。
[0018]另一方面，本专利技术提供一种红外热电堆传感器的制造方法，制备所述的红外热电堆传感器，包括以下步骤：提供衬底，所述衬底中形成有环形的第一沟槽，所述第一沟槽的内环内侧的衬底上形成有支撑层；形成热导增强层和绝缘层，所述热导增强层填充所述第一沟槽，所述绝缘层位于所述热导增强层上，其中，所述热导增强层的材料为导电材料；形成多个热电偶组件和一吸收组件，所有所述热电偶组件间隔设置在所述绝缘层和支撑层上，且所有所述热电偶组件从所述热导增强层上方朝向所述内环内侧延伸，所述吸收组件覆盖所述支撑层和所有所述热电偶组件。
[0019]可选的，形成多个热电偶组件和一吸收组件之后还包括：在所述衬底中形成空腔，所述空腔暴露出所述支撑层。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、通过增设热导增强层，提高了热电偶组件的冷端的温度稳定性，同时亦有反射红外线的作用，这使得冷结更容易和环境温度保持一致，有利于热端和冷端温度梯度的建立，有利于响应率的提高，从而提高红外热电堆传感器的性能，由于导电材料中的常规材料很多（例如铝），这就使得本专利技术的红外热电堆传感器的结构很容易实现，且仅增加了热导增强层的成本（可以忽略不计），因此在性能明显提升的同时几乎没有增加成本，从而有利于商业化大规本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种红外热电堆传感器，其特征在于，包括：衬底，所述衬底中设置有环形的第一沟槽，所述第一沟槽中设置有热导增强层，其中，所述热导增强层的材料为导电材料；支撑层，所述支撑层覆盖所述第一沟槽的内环内侧的衬底；绝缘层，所述绝缘层覆盖所述热导增强层；多个热电偶组件，所有所述热电偶组件间隔设置在所述绝缘层和所述支撑层上，且所有所述热电偶组件从所述热导增强层上方朝向所述内环内侧延伸；吸收组件，所述吸收组件覆盖所述支撑层和所有所述热电偶组件。2.如权利要求1所述的红外热电堆传感器，其特征在于，所述热导增强层的材料为Al。3.如权利要求1所述的红外热电堆传感器，其特征在于，所述热导增强层的厚度大于2μm，所述热导增强层的宽度大于10μm，或者，所述热导增强层的宽度大于所述热电偶组件的冷结宽度。4.如权利要求1所述的红外热电堆传感器，其特征在于，所述绝缘层的材料为碳化硅或氮化铝，此时，所述绝缘层仅覆盖所述热导增强层；或者，所述绝缘层的材料为氧化硅或氮化硅，此时，所述绝缘层覆盖所述热导增强层和支撑层。5.如权利要求1所述的红外热电堆传感器，其特征在于，所述热电偶组件包括：第一热偶臂，位于所述绝缘层和支撑层上，且所述第一热偶臂从所述热导增强层上方朝向所述内环内侧延伸；中间介质层，位于所述第一热偶臂上；第二热偶臂，位于所述中间介质层上；连接柱，贯通所述中间介质层，且靠近所述第一热偶臂的一侧与所述第一热偶臂接触，靠近所述第二热偶臂的一侧与所述第二热偶臂接触。6.如权利要求5所述的红外热电堆传感器，其特征在于，所述吸收组件包括：多晶硅层，位于所述支撑层上，且位于所有所述第一热偶臂的内侧，所述多晶硅层和第一热偶臂接触设置，所述中间介质层覆盖所述多晶硅层；光干涉热引导层，位于所述支撑层上，且位于所有所述第一热偶臂的内侧，且所述多晶硅层围绕所述光干涉热引导层设置；红外吸收层，覆盖所述光干涉热引导层、第二热偶臂和覆盖所述多晶硅层的中间介质层；强化吸收层，覆盖所述多晶硅层和光干涉热引导层上方的所述红外吸收层。7.如权利要求6所述的红外热电堆传感器，其特征在于，所述第一沟槽为圆环、椭圆环或多边形环；所述光干涉热引导层由以所述第一沟槽的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓晨，李瑞平，
申请(专利权)人：上海芯龙半导体技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：