一种红外热电堆传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及微电子机械系统技术领域，尤其涉及一种红外热电堆传感器及其制造方法。

背景技术

近些年来，MEMS红外热电堆传感器以其灵敏度高、测温范围广以及体积小等优点得到快速普及，产品涉及消费电子、家居医疗、工业生产等众多领域。大量的需求既是机遇，亦对产品性能提出更高的要求，因此响应率高、体积小的热电堆传感器应运而生。

通常，热电堆传感装置主要由核心部件热电堆和吸收层构成，在热电堆结构不变的情况下，吸收层的面积大小直接与器件的响应率成正比。目前常用的红外热电堆传感器包括基底、吸收层和若干根热电偶，热电偶的热端和吸收层相连，冷端和基底相连，利用温差电效应(Seebeck效应)可以实现温度的检测。但是，现有的红外热电堆传感器的吸收层面积较小，传感器的响应率较低，当增大吸收层面积时，红外热电堆传感器的整体体积较大，不满足设计要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种红外热电堆传感器及其制造方法，以增大红外热电堆传感器的吸收层面积，提高红外热电堆传感器的响应率。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种红外热电堆传感器，包括：

基底，基底内具有空腔；

支撑层，设置于基底上方；

热电堆层，设置于支撑层上方，热电堆层包括多个串联设置的热电臂，热电臂具有冷端和热端，热电臂的冷端与基底相连，热电臂的冷端和热端之间存在弯折段；

吸收层，设置于热电堆层上方，吸收层与热电臂的热端相连，吸收层用于接收外部能量并将能量传递至热电臂的热端。

采用上述技术方案的情况下，通过支撑层对热电堆层进行支撑，能够使热电堆层成型更加方便；热电臂的冷端与基底相连，热端与吸收层相连，使得吸收层接收的能量能够传递至热电臂的热端，并经过热电臂传递至热电臂的冷端；热电臂的冷端和热端之间存在弯折段时，可以在保证热电臂自身长度不变的条件下，通过弯折热电臂的方式减小热电臂整体占用的长度空间，提高热电堆的紧凑性，进而能够减小吸收层和基底之间的水平距离，使得在传感器整体尺寸不变或变化较小的条件下，能够增大吸收层的面积，提高传感器的响应率；或者在吸收层的面积不变或变化较小的条件下，能够减小传感器的整体尺寸，使得传感器能够进一步满足微结构的要求。

在一些可能的实现方式中，热电臂具有相互弯折的第一段和第二段，第一段的第一端为热端，第一段的第二端与第二段的第一端相连，第二段的第二端为冷端；

第一段的热端和第二段的冷端均位于靠近基底中部的一侧，或者均位于远离基底中部的一侧。如此设置，优化弯折段的结构，使得热电堆结构紧凑，从而能够增大吸收层的面积和/或减小传感器的整体体积；同时热电堆结构简单，加工方便。

在一些可能的实现方式中，当第一段的热端和第二段的冷端均位于远离基底中部的一侧时，第一段的第二端和第二段的第一端均位于靠近基底中部的一侧，且第一段的第二端和第二段的第一端位于吸收层沿垂直其正表面方向的投影面内。如此设置，热电臂可以位于与吸收层对应的空间内，利用吸收层下方的对应空间设置热电臂，可以使热电臂的部分结构与吸收层空间上重叠，进而使热电堆结构更加紧凑，能够进一步增大吸收层的面积和/或减小传感器的整体体积。

在一些可能的实现方式中，当第一段的热端和第二段的冷端均位于靠近基底中部的一侧时，第一段的第二端和第二段的第一端均位于远离基底中部的一侧，且第一段的第二端和第二段的第一端位于基底沿垂直其正表面方向的投影面内。如此设置，优化弯折段的结构，使得热电堆结构紧凑，从而能够增大吸收层的面积和/或减小传感器的整体体积；同时热电堆结构简单，加工方便。

在一些可能的实现方式中，热电臂具有依次相连的第一段、第二段和第三段，第一段的第一端为热端，第一段的第二端与第二段的第一端相连，第二段的第二端与第三段的第一端相连，第三段的第二端为冷端；

第一段和第三段相互平行，且第一段的热端和第三段的冷端均沿靠近基底中部的一侧延伸，或者均沿远离基底中部的一侧延伸。如此设置，热电臂的热端和冷端的延伸方向相同，热电堆结构简单，加工方便。

在一些可能的实现方式中，热电臂具有依次相连的第一段、第二段、第三段、第四段和第五段，第一段的第一端为热端，第一段的第二端与第二段相连，第五段的第一端与第四段相连，第五段的第二端为冷端；

第一段、第三段和第五段相互平行，且第一段的热端与第五段的冷端延伸方向相反。如此设置，热电臂的热端和冷端的延伸方向相反，热电堆中多个热电臂排布更加紧凑，从而进一步减小传感器的整体体积。

在一些可能的实现方式中，热电堆层包括四组沿支撑层周向方向均匀分布的热电臂组，每组热电臂组均包括四个热电臂，且四个热电臂呈辐状分布。如此设置，优化热电堆中多个热电臂的排布方式，使得传感器检测更加精确。

在一些可能的实现方式中，吸收层和热电堆层之间设置有绝缘介质层，热电堆层内嵌于绝缘介质层内，绝缘介质层包括贯穿槽，热电臂的热端位于贯穿槽内，吸收层部分穿过贯穿槽与热电臂的热端相连；

绝缘介质层的材料为二氧化硅。如此设置，通过绝缘介质层将吸收层与热电堆层隔开，防止吸收层的热量对热电臂产生影响。

在一些可能的实现方式中，热电堆层还包括金属连接件，相邻两个热电臂之间通过金属连接件相连以实现串联；

金属连接件的材料为铜或铝。如此设置，使得多个热电臂之间可以实现串联。

第二方面，本发明还提供一种红外热电堆传感器的制造方法，包括：

提供基底；

在基底上方生长支撑层；

在支撑层上方生长多个具有弯折段的热电臂，将多个热电臂串联并排列形成热电堆层，热电臂具有热端和冷端，将热电臂的冷端与基底相连；

在热电堆层上沉积绝缘介质层，将绝缘介质层进行图形化处理，形成贯穿槽，并使热电臂的热端位于贯穿槽内；

在绝缘介质层上生长吸收层，并使吸收层部分穿过贯穿槽与热电臂的热端相连；

利用刻蚀工艺在基底上形成空腔。

采用上述技术方案的情况下，由于红外热电堆传感器的制造方法包括本申请中的红外热电堆传感器，因此能够增大红外热电堆传感器的吸收层面积，提高红外热电堆传感器的响应率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明红外热电堆传感器的示意图一；

图2为本发明红外热电堆传感器的剖视图一；

图3为本发明红外热电堆传感器的示意图二；

图4为本发明红外热电堆传感器的剖视图二；

图5为本发明红外热电堆传感器的示意图三；

图6为本发明红外热电堆传感器的示意图四；

图7为本发明红外热电堆传感器的剖视图三。

附图标记：

1-基底，2-支撑层，3-热电堆层，31-热电臂，311-热端，312-冷端，32-金属连接件，4-绝缘介质层，5-吸收层，6-空腔。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1至图7，本发明提供一种红外热电堆传感器，包括基底1、支撑层2、热电堆层3和吸收层5，基底1内具有空腔6，支撑层2设置于基底1上方，热电堆层3设置于支撑层2上方，热电堆层3包括多个串联设置的热电臂31，热电臂31具有冷端312和热端311，热电臂31的冷端312与基底1相连，热电臂31的冷端312和热端311之间存在弯折段，吸收层5设置于热电堆层3上方，吸收层5与热电臂31的热端311相连，吸收层5用于接收外部能量并将能量传递至热电臂31的热端311。示例性的，基底1可以为体硅结构，热电臂31为热电偶结构，热电臂31的材料为多晶硅，支撑层2的材料可以为氮化硅；示例性的，基底1为环形基底1，空腔6为位于基底1中部的中空结构。示例性的，红外热电堆传感器可以为MEMS(Micro ElectroMechanical System)红外热电堆传感器，即微电机系统红外热电堆传感器，其具有体积小、灵敏度高等优点。

采用上述技术方案的情况下，通过支撑层2对热电堆层3进行支撑，能够使热电堆层3成型更加方便；热电臂31的冷端312与基底1相连，热端311与吸收层5相连，使得吸收层5接收的能量能够传递至热电臂31的热端311，并经过热电臂31传递至热电臂31的冷端312；热电臂31的冷端312和热端311之间存在弯折段时，可以在保证热电臂31自身长度不变的条件下，通过弯折热电臂31的方式减小热电臂31整体占用的长度空间，提高热电堆的紧凑性，进而能够减小吸收层5和基底1之间的水平距离，使得在传感器整体尺寸不变或变化较小的条件下，能够增大吸收层5的面积，提高传感器的响应率；或者在吸收层5的面积不变或变化较小的条件下，能够减小传感器的整体尺寸，使得传感器能够进一步满足微结构的要求。

如图1至图4所示，进一步地，热电臂31具有相互弯折的第一段和第二段，第一段的第一端为热端311，第一段的第二端与第二段的第一端相连，第二段的第二端为冷端312；第一段的热端311和第二段的冷端312均位于靠近基底1中部的一侧，或者均位于远离基底1中部的一侧。示例性的，热电臂31为细长条状结构，热电臂31的第一段和第二段之间存在夹角，夹角小于180度，例如，夹角可以为90度；采用这种结构，热电臂31为弯折的两段组成折角结构，热电臂31结构简单，加工方便，使得热电堆整体结构简单，加工方便；同时使热电堆结构紧凑，使得能够减小吸收层5和基底1之间的距离，在传感器整体尺寸不变或变化较小的条件下，能够增大吸收层5的面积，提高传感器的响应率；或者在吸收层5的面积不变或变化较小的条件下，能够减小传感器的整体尺寸，使得传感器能够进一步满足微结构的要求。

如图1和图2所示，进一步地，当第一段的热端311和第二段的冷端312均位于远离基底1中部的一侧时，第一段的第二端和第二段的第一端均位于靠近基底1中部的一侧，且第一段的第二端和第二段的第一端位于吸收层5沿垂直其正表面方向的投影面内。其中，吸收层5的正表面即为吸收层5平放在水平面上时，吸收层5的上表面。示例性的，第一段的热端311靠近基底1的内侧边缘设置，使得与热端311相连的吸收层5面积可以延伸至基底1的边缘位置，使得吸收层5的面积较大；第二段的冷端312与基底1的外侧边缘相连，使得基底1的温度与冷端312温度一致或相近。示例性的，第一段的第二端与第二段的第一端朝向基底1的中心位置，第一段的第二端和第一端之间可以均位于吸收层5下方的投影位置内，第二段的第一端和第二端之间可以部分位于吸收层5下方的投影位置内。采用这种结构，热电臂31可以位于与吸收层5对应的空间内，利用吸收层5下方的对应空间设置热电臂31，可以使热电臂31的部分结构与吸收层5空间上重叠，进一步利用装配空间，使得热电堆结构更加紧凑，从而进一步增大吸收层5的面积和/或减小传感器的整体体积。

如图3和图4所示，进一步地，当第一段的热端311和第二段的冷端312均位于靠近基底1中部的一侧时，第一段的第二端和第二段的第一端均位于远离基底1中部的一侧，且第一段的第二端和第二段的第一端位于基底1沿垂直其正表面方向的投影面内。其中，基底1的正表面即为基底1平放于水平面上时，基底1的环形上表面。示例性的，基底1相对于现有技术和上述方案宽度较大，环形内侧面和外侧面之间的距离较大，第一段的热端311与吸收层5相连，第二段的冷端312与基底1内侧面相连，第一段的第二端与第一端之间部分位于基底1上方的投影位置内，第二段的第一端和第二端之间均位于基底1上方的投影位置内，能够使整体结构更加稳定。采用这种结构，热电臂31为弯折的两段组成折角结构，热电臂31结构简单，加工方便，使得热电堆整体结构简单，加工方便；同时使热电堆结构紧凑，相对于现有技术中的直线分布的热电臂31，本实施例上述结构能够减小吸收层5和基底1之间的距离，在传感器整体尺寸不变或变化较小的条件下，能够增大吸收层5的面积，提高传感器的响应率；或者在吸收层5的面积不变或变化较小的条件下，能够减小传感器的整体尺寸，使得传感器能够进一步满足微结构的要求。

如图5所示，进一步地，热电臂31具有依次相连的第一段、第二段和第三段，第一段的第一端为热端311，第一段的第二端与第二段的第一端相连，第二段的第二端与第三段的第一端相连，第三段的第二端为冷端312；第一段和第三段相互平行，且第一段的热端311和第三段的冷端312均沿靠近基底1中部的一侧延伸，或者均沿远离基底1中部的一侧延伸。示例性的，第一段与第二段之间的夹角为直角，第二段和第三段之间的夹角为直角。采用这种结构，热电臂31的热端311和冷端312的延伸方向相同，热电堆结构简单，加工方便；同时，热电臂31可以位于与吸收层5对应的空间内，利用吸收层5下方的对应空间设置热电臂31，可以使热电臂31的部分结构与吸收层5空间上重叠，进一步利用装配空间，使得热电堆结构更加紧凑，从而进一步增大吸收层5的面积和/或减小传感器的整体体积。

如图6和图7所示，进一步地，热电臂31具有依次相连的第一段、第二段、第三段、第四段和第五段，第一段的第一端为热端311，第一段的第二端与第二段相连，第五段的第一端与第四段相连，第五段的第二端为冷端312；第一段、第三段和第五段相互平行，且第一段的热端311与第五段的冷端312延伸方向相反。示例性的，第一段的热端311和第五段的冷端312其中一个沿靠近基底1中部的一侧延伸，另一个沿远离基底1中部的一侧延伸；示例性的，第一段、第二段、第三段、第四段和第五段中，相邻两个之间的夹角为均直角。采用这种结构，热电臂31的热端311和冷端312的延伸方向相反，优化热电臂31的排布结构，使得热电堆中多个热电臂31排布更加紧凑，从而进一步减小传感器的整体体积；同时，热电臂31可以位于与吸收层5对应的空间内，利用吸收层5下方的对应空间设置热电臂31，可以使热电臂31的部分结构与吸收层5空间上重叠，进一步利用装配空间，使得热电堆结构更加紧凑，从而进一步增大吸收层5的面积和/或减小传感器的整体体积。

如图1至图7所示，进一步地，热电堆层3包括四组沿支撑层2周向方向均匀分布的热电臂，每组热电臂均包括四个热电臂31，且四个热电臂31呈辐状分布。示例性的，四组热电臂分别位于四个方位，且为轴对称图形；四个热电臂31呈辐状分布时，四个热电臂31沿由基底1中心向外侧延伸的方向上依次平行分布；采用这种结构，优化热电堆中多个热电臂31的排布方式，使得热电堆排布更加整齐紧凑，使得热电堆加工更加方便；同时，通过多个均匀分布的热电臂同时检测温度，能够使传感器检测更加精确。

如图2、图4和图7所示，进一步地，吸收层5和热电堆层3之间设置有绝缘介质层4，热电堆层3内嵌于绝缘介质层4内，绝缘介质层4包括贯穿槽，热电臂31的热端311位于贯穿槽内，吸收层5部分穿过贯穿槽与热电臂31的热端311相连；绝缘介质层4的材料为二氧化硅。示例性的，绝缘介质层4内嵌设有热电堆层3。采用这种结构，通过绝缘介质层4将吸收层5与热电堆层3隔开，能够防止吸收层5的热量对热电臂31产生影响；绝缘介质层4穿过贯穿槽与热端311相连，能够防止热电臂31其他部分受到吸收层5的温度影响。

如图2、图4和图7所示，进一步地，热电堆层3还包括金属连接件32，相邻两个热电臂31之间通过金属连接件32相连以实现串联；金属连接件32的材料为铜或铝。示例性的，热电臂31的热端311和冷端312上均设置有金属连接件32，两个热电臂31的热端311之间采用金属连接件32相连，两个热电臂31的冷端312之间采用金属连接件32相连，通过金属连接件32将多个热电臂31串联。采用这种结构，多个热电臂31之间可以实现串联。

第二方面，本发明还提供一种红外热电堆传感器的制造方法，包括：

提供基底1；

在基底1上方生长支撑层2；

在支撑层2上方生长多个具有弯折段的热电臂31，将多个热电臂31串联并排列形成热电堆层3，热电臂31具有热端311和冷端312，将热电臂31的冷端312与基底1相连；

在热电堆层3上沉积绝缘介质层4，将绝缘介质层4进行图形化处理，形成贯穿槽，并使热电臂31的热端311位于贯穿槽内；

在绝缘介质层4上生长吸收层5，并使吸收层5部分穿过贯穿槽与热电臂31的热端311相连；

利用刻蚀工艺在基底1上形成空腔6。

采用上述技术方案的情况下，通过支撑层2对热电堆层3进行支撑，能够使热电堆层3成型更加方便；热电臂31的冷端312与基底1相连，热端311与吸收层5相连，使得吸收层5接收的能量能够传递至热电臂31的热端311，并经过热电臂31传递至热电臂31的冷端312；热电臂31的冷端312和热端311之间存在弯折段时，可以在保证热电臂31自身长度不变的条件下，通过弯折热电臂31的方式减小热电臂31整体占用的长度空间，提高热电堆的紧凑性，进而能够减小吸收层5和基底1之间的距离，使得在传感器整体尺寸不变或变化较小的条件下，能够增大吸收层5的面积，提高传感器的响应率；或者在吸收层5的面积不变或变化较小的条件下，能够减小传感器的整体尺寸，使得传感器能够进一步满足微结构的要求。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。