专利名称：平面热电堆红外线微传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种红外线传感器。
背景技术：
在工艺控制及制造中，红外线温度传感器已使用多年，且最近汽车应用上的使用 更是逐渐增多。硅热电堆，当制造成本低至足以用于车辆使用时，仅产生非常低的输出信 号。因此，由于噪声的问题，对于现成的通用低成本元件来说，信号增强及校正变得困难。小尺寸的红外线传感器通常由三个功能部件形成。首先，使用辐射吸收涂布来选 择频宽。接着，热电堆检测器以席贝克效应转换温度差成为电压。热电堆基本上为一或多 个热电偶的排列。最后，装设热电偶检测器的基材至散热片上，稳定传感器的温度。当使用硅技术时，需考虑到硅基材的高导热率。其中一种解决方法为使用微机械 式悬挂结构，例如薄膜或悬臂。热接点聚集在位于具有低导热率的薄膜或悬臂上的吸收区 附近，因而减少热传导的损失。冷接点位于散热片上，通常为硅基材。此种结构使热电偶的 热接点和冷接点之间具有高热阻，及因此能具有高灵敏度。将多种的上述热电偶传感器集成在一硅晶片上，并使用多晶硅作为热电堆是已经 可行的。然而，这两种类型的热接点之间显著的热差异，使传感器对于气体传导和对流现象 高度敏感。这些装置因此必须形成为封装结构。因此，所需的封装引出了可靠度及成本的问题。有多种方法来形成无需封装的传感器，例如M. Boutchich团队于knsors and Actuators A 121 (2005) 52-58 所发表的文章"Package-free infrared micro sensor using polysilicon thermopile，，中所描述的。
发明内容
本发明在此提供一种红外线传感器，包含一散热基材，具有导热率相对较高的部分及导热率相对较低的部分；一平面热电偶层，具有一热接点及一冷接点，其中热接点位于散热基材的导热率 相对较低的部分上；一低导热介电层，位于热电偶层上，且具有一通孔通向热接点；一红外线反射层，覆盖此低导热介电层及此通孔的侧壁，且有一开口位于此红外 线反射层中的热接点的位置；及一红外线吸收器，位于此通孔中。此种结构形成平面红外线微传感器，其使用一结构化基材及一介电层，以避免需 要任何特定封装。热接点及冷接点被分布，其中热接点位于基材的低导热率的部分。红外 线反射层实施为一辐射热管，其被图案化至传感器上，取代传统公知的平面辐射涂布。热管 通过提供聚焦至热电偶，而提供较高的灵敏度，且对气体传导及对流有较佳的抗扰性。优选地，传感器还包含提供集成透镜元件于通孔上方，其提供额外聚焦至热电偶的功能，因而增加灵敏度。红外线吸收器可填满通孔，或红外线接收器可仅位于热接点上的通孔的底部。在 后者所述的例子中，通孔剩余的空间为真空密封。集成透镜可包含微透镜，例如熔融石英、硅或派热克斯玻璃(pyrex)。冷接点优选位于散热基材的导热率相对较低的部分上。散热基材可包含基底层及 结构化散热层。平面热电偶层优选包含多个串联的热电偶，每个热电偶具有热接点及冷接点，每 个热接点皆位于散热基材的导热率相对较低的部分上。
本发明实施例将配合以下
，其中图1显示依照本发明第一实施例的传感器结构；图2显示依照本发明第二实施例的传感器结构；及图3显示依照本发明第三实施例的传感器结构。
具体实施例方式公知的红外线传感器一般使用单元件芯片或四元件芯片，装设于密封的T0-46或 T0-18封装体上，其中T0-46或T0-18封装体也包含滤波器及填充气体。通常使用惰性气 体，例如氪，以增进装置效能。公知技术已知，使用平面分布热电偶检测器的结构，及将红外 线滤波器集成至基材上。这使得可以形成薄传感器。本发明改进了公知设计，但仍使用具有集成红外线滤波器的分布热电偶的设计。 本发明使用导管结构，其可为热管形式，其可使红外线辐射聚焦在一热电偶接点上。再者， 传感器的方向性，也即视野，可大幅改善，而能更精确地对准。图1显示依照本发明的第一实施例的传感器结构。传感器包含散热基材10，其具有导热率相对较高的部分12及导热率相对较低的 部分14。基材可为硅基材，其界定高导热率部分12，且氧化硅部界定低导热率部分。因 此，可使用STI (浅沟槽隔离)基材。平面热电偶层16具有连续的热接点18及冷接点20。膜层16及其下方的基材定 义为热电堆结构。至少热接点18位于散热基材的导热率较低的部分14上。低导热介电层22位于热电偶层16上，且具有一通孔M通向每个热接点18。电介 质可实施为胶上自旋涂布。介电层上涂布有红外线反射层26，其覆盖低导热介电层22及每 个通孔M的侧壁。开口观位于红外线反射层沈中的热接点的位置。红外线吸收器30设 置于通孔中。红外线反射层可为金层，其为溅镀并开口于热电偶热接点的顶部。在所示的实施例中，冷接点也提供在较低导热率的区域，以使热梯度可达最大。此设计提供一红外线热管，其集成至芯片结构中。传感器的操作原理与现有技术 相应，皆是基于热电效应。通过增大热电偶底下的热阻来维持温度梯度。此外，由于热管聚焦在热电偶上，温度梯度还可倍增。热管额外地通过调节视野提 供改良的朝向目标的方向性。
由于热电偶层16已经完全集成至结构中，此结构不需特定的封装，在热电偶层的 不同区段之间没有气体流动的通道。相较于现有的产品，可将制造成本降至最低，且效能的 非线性特性也降至最低。热接点及冷接点分布在基材的导热率为高对比的部分上，从而最小化寄生对流的 影响，不需真空或氙气封装。在所关注的红外线频宽中具有良好吸收性的材料通常可作为红外线吸收器，而具 有合适红外线反射性的金属则被用作红外线反射器。所得到的红外线滤波器直接装设在芯片上，且不是分离封装的部分。图1显示一进一步可选择的特征，每个通孔M上的微透镜32。这些元件也集成 至芯片上。微透镜可由硅或使用聚合物回流形成，例如使用与红外线吸收器30相同的聚合 物。在此方法中，每个热接点接收聚焦的辐射，增加对光照的灵敏度，并使在公知封装装置 中最常观测到的非线性特性降至最低。此外，装置最终的体积也大幅下降，例如厚度为数百 微米。可图案化块材或表面微机械化的结构，例如低应力膜，以提供结构支撑热接点及 冷接点。例如，硅基材可被凹蚀，且填充，以提供所需的足以维持高温度梯度的热阻。这些 装置可被排列为阵列，以产生结合的感测电压。在像素结构中，(一个或多个热电偶器的) 每个单元可用以(addressed)提供低成本的红外线影像解决方案。如图1所示的对称结构，使装置对对流有某种程度的抗扰性。平均而言，温度在传 感器表面上的分布将会均勻。既然温度差异集中在镶嵌的接点上，由对流所导致的损失大 幅下降。所形成的芯片可装设在具有标准信号处理电子元件的芯片载材上，且使用标准连 线技术。如在标准的热电偶中，装置仅测量温度差。因此，可使用绝对温度参考传感器以导 出绝对温度。为了最高的精确度及可靠性，可直接装设绝对温度传感器(热敏电阻/Ptioo) 至芯片管芯(Chip die)上，并邻近热电堆基材的冷接点，例如在热电堆的周围。如图1所示的实施例，其使用具有两种不同材料的基材。反之，可使用图案化的硅 基材定义多层膜的筛孔，多层膜间具有空隙(空气)。例如，这些多层膜可连接至低导热的 低机械应力膜，例如氮化硅或氧化硅。图2显示依照本发明第二实施例的装置，其与图1的差异仅在于红外线吸收器。基 于此理由，其他元件将不重复赘述。在图2中，红外线吸收器30’仅在通孔的底部，位于热接点之上。通孔剩余的体积 可被真空密封，以微透镜作为密封剂。使用此种结构，可获得较快的响应时间，因为有较短 的热耦合路径至热接点。图3显示热接点的不对称结构，其中冷接点20热连接至硅基材。因此，低导热的 部分14仅位于热接点18的位置，使热接点具有高集成密度。热接点又被镶嵌在红外线管 的结构中从而维持对对流具有的抗扰性。红外线传感器使得对温度的测量更直接、快速、精确，例如使用在车辆应用时(为 了使乘客更舒适)、远程检测应用(安全性)、家庭应用(非接触温度测量)。热检测也可使 用于低成本影像应用，使用阵列的热传感器。芯片可装设在单芯片载材上，无需任何特定封装，因而最小化所需的体积。此结构因而从封装的观点来看成本更低，且由于改善灵敏度及产生较强的信号，也可使用低成本 电子元件来用于所需的信号处理。在以上实施例中，使用红外线吸收层及反射层来提供所需的频率过滤。或者，使用 表面等离子体效应来提供过滤。Bethe预测当光通过微小(次波长尺寸)的孔洞时，会基于波长与洞尺寸的比例 的4次方而消散。然而近来的实验显示孔洞形成于金属层时，传输强度增加。此效应可能 为“天线效应”所导致。如在孔洞附近的材料为金属，在某些情况下，入射光(电磁波)将造成振动，且表 面波将传播穿越此洞。在洞的另一侧，此振动将“重新建立”光束。在此观点下，也将有衍 射效应，但此过滤来自表面波的传播。此现象称为表面等离子体振动或表面等离子体共振 (SPR)。除了此效应外，传输(或实际是反射)对于不同波长具有差异。此过滤可使用在本发明的装置中，以提供所需的频率过滤。此滤波器可通过图案 化在金属膜中的孔洞阵列形成，例如银膜。孔洞可由离子束研磨形成。当结构接受入射的电磁辐射，传输的频率是由阵列的周期决定。当白光传递穿越 次波长孔洞的阵列时，对应最大强度的波长可使用式1表示
权利要求
1.一种红外线传感器，包括一散热基材(10)，具有导热率相对较高的部分(12)及导热率相对较低的部分(14)；一平面热电偶层(16)，具有一热接点(18)及一冷接点(20)，其中该热接点(18)位于 该散热基材的相对较低导热率的部分(14)上；一低导热介电层(22)，位于该热电偶层(16)上，且具有一通孔(24)通向该热接点 (18)；一红外线反射层(26)，覆盖该低导热介电层02)及该通孔(24)的侧壁，于该红外线反 射层(26)中的热接点的位置提供有一开口 ；以及一红外线吸收器(30 ；30’)，位于该通孔中。
2.如权利要求1所述的传感器，还包括一集成透镜元件(32)于该通孔上。
3.如权利要求1或2所述的传感器，其中该红外线吸收器(30)填满该通孔04)。
4.如权利要求1或2所述的传感器，其中该红外线吸收器(30’)位于该热接点上的该 通孔(24)的底部。
5.如权利要求4所述的传感器，其中该通孔剩余的体积为真空密封。
6.如前述任一权利要求所述的传感器，其中该集成透镜(32)包含一微透镜。
7.如权利要求6所述的传感器，其中该微透镜(32)为熔融石英、硅或派热克斯玻璃。
8.如前述任一权利要求所述的传感器，其中该冷接点(2O)位于该散热基材的导热率 相对较低的部分(14)上。
9.如前述任一权利要求所述的传感器，其中该散热基材(10)包含一基底层及一结构 化散热层(12，14)。
10.如前述任一权利要求所述的传感器，其中该散热基材(10)包含一硅基材。
11.如权利要求10所述的传感器，其中该相对较低导热率的部分(14)包含浅沟槽隔离 基材的氧化硅部分。
12.如前述任一权利要求所述的传感器，其中该红外线吸收器(30；30’)包含一具有一 孔洞阵列的膜层，该孔洞阵列基于表面等离子体效应提供过滤。
13.如权利要求12所述的传感器，其中该红外线反射层(26)和该红外线吸收器(30； 30’ )是一单一膜层的不同部分，孔洞仅被提供在该膜层的用作红外线吸收器的部分中。
14.如前述任一权利要求所述的传感器，其中该平面热电偶层(16)包含多个串联的热 电偶，每个热电偶具有一热接点(18)及一冷接点(20)，每个热接点位于该散热基材的导热 率相对较低的部分(14)。
全文摘要
一种红外线传感器，包含一具有导热率相对较高部分(12)及导热率相对较低部分(14)的散热基材(10)及一具有热接点(18)及冷接点(20)的平面热电偶层(16)，其中热接点(18)位于散热基材的导热率相对较低的部分(14)上。低导热介电层(22)位于热电偶层(16)上方，且具有一通孔(24)通向热接点(18)。一红外线反射层(26)覆盖低导热介电层(22)及通孔(24)的侧壁。一红外线吸收器(30；30’)位于通孔中。此结构形成一平面红外线微传感器，其使用一结构化基材及一介电层，以避免需要任何特定封装。此设计通过聚焦于热电偶而具有较高的灵敏度，且对气体传导及对流有较佳的抗扰性。
文档编号G01J5/12GK102150021SQ200980135346
公开日2011年8月10日 申请日期2009年9月7日 优先权日2008年9月9日
发明者班诺瓦·巴塔尤, 穆罕默德·包特许 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司