一种热电堆红外探测器

技术领域

本发明涉及红外探测器领域，尤其涉及一种用于热电堆红外探测器。

背景技术

随着物联网技术的发展，人们生活质量的提升，红外探测器的应用前景越来越广泛，在热红外探测器中红外热电堆红外探测器由于高灵敏度，低制造成本，占了一定的市场地位。其工作原理是温差电效应，当组成热电偶的两种不同材料构成闭合回路时，两节点之间如果存在温差，就会在环路中产生电压。现有的MEMS热电堆红外探测器尺寸由于需要保持热电偶的足够的长度，以取得两个节点间或者串联起来之后有足够高的电压，所以灵敏度受限，难以进一步缩小，因此生产成本难以降低。

发明内容

在为了克服现有技术的不足，本发明采用了在热电偶的热端的红外辐射接收区增加高吸收率的红外吸收层和在冷端上增加高反射散热层的方式，提高热电偶冷端与热端的温差，以提高感应电压输出，从而提高了器件灵敏度。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种用于MEMS热电堆的红外探测器，包括单晶硅、复合膜层、热电偶层、绝缘介质层、金属图形层、红外吸收层和高反射散热层等。

所述复合膜层生长在单晶硅层的上表面，所述热电偶层生长在复合膜层的上面，所述热电偶层由串联的热电偶组成，热电偶材料由重掺杂N型多晶硅与重掺杂P型多晶硅经过结对连接而形成，N型多晶硅与重掺杂P型中间通过铝连接，所述绝缘介质层生长在热电偶层上面，所述金属图形层，形成于所述绝缘介质层上，包括电极及引线等，以将所述p型多晶硅及N型多晶硅电阻块连接形成热电堆，并在中间通过光刻等工艺穿过绝缘层与多晶硅等连接，热电堆层冷端与热端在金属图形层用铝电极与外界连接，所述红外吸收层生长在热电堆的热端的上表面，所述高反射散热层生长在热电堆层的冷端的上表面，所述红外探测器的底部设有凹槽，形成隔热腔体，所述隔热腔体贯穿单晶硅，将复合膜层暴露出，热电堆层局部位于隔热腔中。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明采用金属纳米材料增强红外吸收，可以以较小面积达到较高的灵敏度，降低器件面积，降低成本并减小器件的响应时间，同时增大热电堆热端和冷端的温差，从而利于实现更精确测量。

附图说明

图1为本公开的红外探测器的结构示意图；

图中1为单晶硅、2为复合膜层、3为热电偶层、4为绝缘介质层、5为金属图形层、6为红外吸收层，7为高反射散热层，8为凹槽隔热腔，其中3-1为热电偶的重掺杂P型多晶硅，3-2为热电偶的重掺杂N型多晶硅。

图2为本发明一个实例的热电偶层的结构示意图，其中3-1为热电偶的重掺杂P型多晶硅，3-2为热电偶的重掺杂N型多晶硅，5为金属图形层引线及电极。

图3为本发明一个实例的热电偶层的结构示意图，采用两对热电偶，并具有与图2不同的形状以改变其效果，其中3-1为热电偶的重掺杂P型多晶硅，3-2为热电偶的重掺杂N型多晶硅，5为金属图形层引线及电极。

图4为本发明的红外探测器的一个实施例红外吸收层和高反射散热层的示意图，其中热电偶层采用的是图2实例的结构，其中6为红外吸收层区域，7为高反射散热层区域。

图5为本发明的红外探测器的另一个实施例红外吸收层和高反射散热层的示意图，其中热电偶层采用的是图3实例的结构，其中6为红外吸收层区域，7为高反射散热层区域。

图6为本发明的红外探测器的一个实施例的底部示意图，其中1为单晶硅底部区域，2位复合膜层区域，复合膜层架空在隔热腔体8上，并用薄膜或者悬臂与单晶硅顶部连接，复合膜层上有热电偶层、红外吸收层等。

图7为本发明的红外探测器的另一个实施例的底部示意图，其中1为单晶硅底部区域，2位复合膜层区域，复合膜层架空在隔热腔体8上，并与单晶硅顶部连接，复合膜层上有热电偶层、红外吸收层等，本实例与图6所示实例热电偶结构不同，所以与单晶硅体连接方式不同。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说 明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外 不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应 用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况 下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本 构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状 及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局 型态也可能更为复杂。

请参阅图1-7，本发明的红外探测器包括单晶硅、复合膜层、热电偶层、绝缘介质层、金属图形层、红外吸收层和高反射散热层等。

所述热电堆红外探测器的工作原理为：复合介质膜2的悬空敏感面和其上的红外吸收层6吸收热量，与器件其他部分形成温度梯度，将悬空敏感面的部分视为热电堆的热端，硅衬底1看成是热电堆的冷端，这样，入射热量的强弱可通过热电堆输出电压的大小直接测量，为了提高敏感面的吸热率，确保输出信号的灵敏度，可以在敏感面上表面增加红外吸收层6，在硅衬底上附加了高反射散热层7，提高了冷热端差异，达到了充分吸收热量和提高强度的作用，增加了信号的灵敏度。

所述复合膜层生长在单晶硅层的上表面，复合介质膜由单层或多层的氧化硅和氮化硅复合而成，所述复合介质膜2可采用热氧化、低压力化学气相淀积(LPCVD)、等离子体增强化学的气相沉积法（PECVD）等方法形成，复合膜的形状可以通过光刻工艺成形。

所述热电偶层生长在复合膜层的上面，所述热电偶层由串联的热电偶组成，热电偶材料由重掺杂N型多晶硅与重掺杂P型多晶硅经过结对连接而形成，多晶硅的厚度为1-10μm，线宽为1-20μm之间，相邻的N型多晶硅与P型多晶硅之间的距离为大于1μm，多个N型多晶硅与重掺杂P型中间通过铝连接。

所述热电偶层可以采用CMOS标准的硅沉积工艺例如低压力化学气相沉积法LPCVD法等进行，然后采用离子注入的方法对多晶硅薄膜进行掺杂;采用感应光刻、耦合等离子体刻蚀(ICP)、反应离子腐蚀技术（RIE）、湿法刻蚀等工艺对所述多晶硅薄膜进行图形化。

所述绝缘介质层生长在热电偶层上面，绝缘介质层的材料包括氧化硅、氮化硅的一种或两种，所述绝缘介质层可采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)等工艺形成。

所述金属图形层，形成于所述绝缘介质层上，包括电极及引线，以将所述p型多晶硅及N型多晶硅电阻块连接形成热电堆，中间通过光刻等工艺穿过绝缘层与多晶硅等连接，热电堆层冷端与热端在金属图形层用铝电极与外界连接，所述金属层选用具备良好导电性金属，包括但不限于铝、银、金、钛、钨、铂中的一种或多种，所述金属图形层可以采用磁控溅射、电子束蒸发、剥离工艺或电镀工艺形成并采用光刻等工艺图形化形成。

所述红外吸收层生长在热电堆的热端的上表面，采用金属纳米材料沉积而成。与仅使用复合膜层作为吸收层的情况相比，纳米粒子例如金纳米棒通过表面等离子谐振效应可以对红外光具有高吸收率，并且可以在几十皮秒内将它们的晶格热耗散到导电层。因此具有更好的吸收率和更快的热响应时间，该层由受控密度的对准或随机取向纳米粒子层组成，可以通过喷涂、印刷、旋涂等方式沉积纳米粒子层，可以通过微流控等方式控制纳米粒子的对准。

所述高反射散热层生长在热电堆层的冷端的上表面，高反射散热层可以由单层金属或单层金属和保护膜构成，也可以由在金属膜上生长多层介质膜形成金属电介质膜系高反射层。具有合适红外线反射性的金属可以被用作红外线反射器，优选地，这些金属材料包括但是不限于铝、金或金铬合金等，金材料性质稳定，不与碱溶液反应，简化了后续工艺，而铝材料具有与CMOS更好的工艺兼容性，高反射散热层中的金属层一方面能对红外辐射进行反射，另一方面还具有良好的导热、散热作用，所述高反射散热层各层均可以采用半导体集成电路蒸发成膜、沉积成膜、光刻成型等工艺制造。

所述红外探测器的底部设有凹槽，形成隔热腔体，所述隔热腔体8贯穿所述硅衬底1,暴露出部分所述复合介质膜2,形成悬空膜敏感结构，复合膜层、热电堆层局部位于隔热腔中，所述隔热腔体可以通过在硅衬底1背面形成释放窗口，通过所述释放窗口对所述硅衬底1从背面进行刻蚀、释放得到，可以采用深反应离子刻蚀(DRIE)等干法刻蚀或者各向异性湿法腐蚀、各向同性湿法腐蚀等工艺释放。

优选地，所述单晶硅为双抛单晶硅片，在一个实施例中，厚度为400μm，晶向<100>。

优选地，所述复合介质膜2由单层或多层低应力氧化硅和氮化硅复合而成， 厚度可以为l-10μm。在一个实施例中，所述复合介质膜2由低应力氧化硅/氮化硅双层膜复合而成，厚度为3μm。

优选地，所述红外吸收层采用金属纳米材料沉积而成，在一个实施例中，层的厚度为50nm-1μm之间。

优选地，在一个实施例中，高反射散热层的厚度取70-100nm，金属反射层的厚度在该范围内就可以阻挡入射的红外辐射

优选地，所述绝缘介质层4的材料包括氧化硅、氮化硅的一种或两种，在一个实施例中，所述绝缘介质层4采用厚度为0.1μm的氧化硅。

优选地，在一个实施例中，所述金属图层5采用铝。

优选地，所述隔热腔体8可以具有矩形或梯形截面。

需要说明的是，所述P型多晶硅电阻块3-1及N型多晶硅电阻块3-2通过金属引线连接成热电偶，多个热电偶串联形成热电堆结构，所述多晶硅热电偶的个数至少为1，在一个实施例中，所述多热电偶的个数为2或16，热电偶形状可以根据需要进行调整，图2和图3分别示出了本实施例提供的热电偶数量和形状不同的两种热电堆传感器。

纳米粒子的通过表面等离子体共振效应会引起其对可见与近红外波段特定波长光的散射和吸收。因此可以以其较低的光热能量损失和在近红外波段极强的场增强效应，敏感地探测到红外辐射，由于纳米材料的高红外吸收率，可以减少热电偶层的面积和厚度，以达到提高热响应速度、降低成本等目的。

综上所述，本公开的热电堆型红外探测器采用CMOS标准工艺及MEMS技术制造，可以具有体积小、响应速度快等优点，同时增大热电堆热端和冷端的温差，从而利于实现热信号的精确测量，同时由于纳米材料的高红外吸收率，可以减少热电偶层的面积和厚度，以达到提高热响应速度、降低成本等目的，所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。