一种抗热冲击的MEMS热电堆芯片的制作方法

本发明属于红外传感器，具体涉及一种抗热冲击的mems热电堆芯片。

背景技术：

1、受工艺的影响，传统的热电堆红外探测器一直存在响应时间长、探测率低、灵敏度差、结构笨重、生产成本高昂的缺点。但是，随着半导体技术的高速发展，借助于常规的cmos与mems工艺及技术，热电堆芯片的性能被极大地优化，并被更加广泛地生产和应用。

2、与热释电探测器、测辐射热计等其他热探测器以及光子探测器相比，新型的mems热电堆红外探测器具有无需额外偏置电路、无需目标物体移动、宽光谱响应、可室温工作、功耗低以及良好的性价比等一系列独特优点。因而在健康医疗、安防监控、气体检测、智能家电、智能汽车、智能家居、物联网和工业流程自动化等方面展现出广阔的应用前景。

3、在传统的mems热电堆芯片中，技术人员为了实现更高的信号强度，通常会对热电堆层中的热结区域对应的部分衬底进行局部掏空，进而抑制热结区域的热传导，增大热结区域和冷结区域的温差。但是，这种传感器在实际应用过程中，当外界环境温度发生剧烈波动，例如温差变化速率超过10℃/s时，探测器的热堆芯片冷热端就会因为热量传递效率不一致而出现热失衡，并导致传感器输出的电压信号出现过冲现象。这极大影响传感器的性能稳定性和检测结果的准确性，严重时甚至会直接对mems热电堆芯片造成不可逆的损伤。

4、现有技术人员在克服mems芯片的信号过冲故障时，通常选择从产品封装角度和信号处理等方面进行处理；例如，采用恒温外壳作为热沉，或在算法中延长采样周期。这虽然能够在一定程度上减缓热失衡和过冲幅度。但是，这传统的处理方式只能从信号层面对故障进行抑制或优化，无法从根本上消除mems芯片固有结构产生的这一性能缺陷；属于治标不治本的解决方案。

技术实现思路

1、为了解决传统mems热电堆芯片在温度剧烈变化条件下容易发生热失衡和产生信号过冲现象的问题，本发明提供一种抗热冲击的mems热电堆芯片。

2、本发明采用以下技术方案实现：

3、一种抗热冲击的mems热电堆芯片，其包括由下至上叠层设置的衬底、支撑层、热电堆层和光学吸收层。衬底中央部分镂空，支撑层位于衬底上表面并覆盖衬底的镂空部分。热电堆层位于支撑层上方；热电堆层包括由多个彼此串联的热电偶依次排列进而构成一个双层的热电偶阵列，以及包裹在热电偶阵列外的隔离层。

4、在本发明的热电偶阵列中，每条热电偶的热结端均位于衬底的中央，形成热结区域；每条热电偶的冷结端均位于靠近衬底周向边缘的区域，形成冷结区域。其中，热电堆中的冷结区域和热结区域均位于对应衬底中镂空部分的区域。光学吸收层位于热电堆层上表面对应热结区域的位置，并采用多孔的表面微结构。

5、作为本发明进一步的改进，热电偶阵列中的每个热电偶的冷结端距镂空部分边沿的实心部分的最短距离相同，且为100-200μm。

6、作为本发明进一步的改进，热电堆层上表面设有第一反射层，第一反射层覆盖在热电偶阵列中的冷结区域上表面，第一反射层用于反射照射到冷结区域的外界红外辐射。

7、作为本发明进一步的改进，支撑层的上表面设置有第二反射层，所述第二反射层位于对应所述热电偶阵列中的热结区域的局部位置；所述第二反射层用于反射热结区域朝向衬底一侧的红外辐射。

8、在本发明中，第一反射层和第二反射层采用由ag、au、cu、al中的任意一种材料制备而成的单一金属镀层薄膜，或由ag、au、cu、al中的任意多种材料按照任意顺序和层数叠加形成的复合膜层。

9、本发明中，热电堆层中的热电偶阵列采用内圆外方的中心放射状排列。此时，热电堆层中的热结区域位于由各个热电偶靠内一侧的端部构成的圆环区域内；冷结区域位于由各个热电偶靠外一侧的端部构成的方环区域内。

10、在本发明的另一种方案中，热电堆层中的热电偶阵列由四个呈直角等腰梯形状分布的热电偶组按照中心对称的方式旋转排列得到；其中，每个热电偶组由多个长度呈伯努利分布状排列的平行的热电偶构成。此时，热电堆层中的热结区域位于由各个热电偶靠内一侧的端部构成的十字交叉区域内；冷结区域位于由各个热电偶靠外一侧的端部构成的方环区域内。

11、作为本发明进一步的改进，衬底采用硅衬底；支撑层为采用氧化硅或氮化硅制备的单一结构层，或采用氧化硅和氮化硅制备的多层复合膜结构层。

12、作为本发明进一步的改进，热电堆层中的热电偶阵列的材料选择半导体掺杂多晶硅、铝或金；热电偶阵列中的不同热电偶之间采用由氧化硅制备的隔离层进行电气隔离；并由电极材料分别连接各个热电偶的冷结端或热结端形成导电通路。

13、作为本发明进一步的改进，光学吸收层采用具有宽吸收谱和高吸收率的黑硅、黑金或黑铂材料。

14、本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

15、出于追求传感器信号强度的目标，在技术人员的固有认知中，mems热电堆芯片应当仅对热结区域的衬底进行局部镂空，这种衬底结构不仅可以增强器件的信号强度，还可以保证整个芯片的结构强度和产品良率。但是，本发明打破本领域技术人员的技术偏见，将衬底中的镂空区域的范围进行进一步扩大，使得整个热电堆层的热结区域和冷结区域均处于由镂空部分构成的悬浮区域内。这种改进虽然与增强信号强度的目标背道而驰，却可以使得热电堆层的冷结区域和热结区域的散热条件趋于一致，进而从结构层面消除了器件在温差剧烈变化条件下的热失衡和信号过冲现象；最终提升mems热电堆芯片的抗热冲击性能。

16、本发明针对衬底腐蚀工艺产生的矩形镂空结构，还针对性地设计了两种不同的热电堆层的布局方案，保证热电偶阵列中各个冷结端点与附近的实心衬底区域的距离保持一致，从而保证各个热电偶的温度梯度和散热条件保持均匀，从而提升了器件的信号质量。同时，本发明还通过控制冷结端和衬底的实心部分的间距处于100-200μm的区间内，使得mems热电堆芯片在保证抗热冲击性能的基础上，器件的冷热端温差不至于过小，从而保证器件的信号强度能够达到要求。

17、此外，本发明还通过在器件的冷结区域和热结区域的不同方向设置红外发射层，使得光学吸收层能够更充分地吸收红外辐射并转化热量传递至热结端，同时抑制冷结端吸收红外辐射并产热。进而使得前述改进中扩大衬底镂空产生的负面效应被抵消，进一步提升该类抗热冲击的mems热电堆芯片检测过程中的信号强度和信号质量，使得mems芯片的性能更加均衡。

技术特征：

1.一种抗热冲击的mems热电堆芯片，其包括由下至上叠层设置的衬底、支撑层、热电堆层和光学吸收层；所述衬底中央部分镂空，所述支撑层位于衬底上表面并覆盖所述衬底的镂空部分；所述热电堆层位于支撑层上方；所述热电堆层包括由多个彼此串联的热电偶依次排列进而构成一个双层的热电偶阵列，以及包裹在所述热电偶阵列外的隔离层；其特征在于：

2.如权利要求1所述的抗热冲击的mems热电堆芯片，其特征在于：所述热电偶阵列中的每个热电偶的冷结端距镂空部分边沿的实心部分的最短距离相同，且为100-200μm。

3.如权利要求1所述的抗热冲击的mems热电堆芯片，其特征在于：所述热电堆层上表面设有第一反射层，所述第一反射层覆盖在所述热电偶阵列中的冷结区域上表面；所述第一反射层用于反射照射到冷结区域的外界红外辐射。

4.如权利要求3所述的抗热冲击的mems热电堆芯片，其特征在于：所述支撑层的上表面设置有第二反射层，所述第二反射层位于对应所述热电偶阵列中的热结区域的局部位置；所述第二反射层用于反射热结区域朝向衬底一侧的红外辐射。

5.如权利要求4所述的抗热冲击的mems热电堆芯片，其特征在于：所述第一反射层和第二反射层采用由ag、au、cu、al中的任意一种材料制备而成的单一金属镀层薄膜，或由ag、au、cu、al中的任意多种材料按照任意顺序和层数叠加形成的复合膜层。

6.如权利要求1所述的抗热冲击的mems热电堆芯片，其特征在于：所述热电堆层中的热电偶阵列采用内圆外方的中心放射状排列；此时，所述热电堆层中的热结区域位于由各个热电偶靠内一侧的端部构成的圆环区域内；冷结区域位于由各个热电偶靠外一侧的端部构成的方环区域内。

7.如权利要求1所述的抗热冲击的mems热电堆芯片，其特征在于：所述热电堆层中的热电偶阵列由四个呈直角等腰梯形状分布的热电偶组按照中心对称的方式旋转排列得到；其中，每个热电偶组由多个长度呈伯努利分布状排列的平行的热电偶构成；此时，所述热电堆层中的热结区域位于由各个热电偶靠内一侧的端部构成的十字交叉区域内；冷结区域位于由各个热电偶靠外一侧的端部构成的方环区域内。

8.如权利要求1所述的抗热冲击的mems热电堆芯片，其特征在于：所述衬底采用硅衬底；所述支撑层为采用氧化硅或氮化硅制备的单一结构层，或采用氧化硅和氮化硅制备的多层复合膜结构层。

9.如权利要求1所述的抗热冲击的mems热电堆芯片，其特征在于：所述热电堆层中的热电偶阵列的材料选择半导体掺杂多晶硅、铝或金；所述热电偶阵列中的不同热电偶之间采用由氧化硅制备的隔离层进行电气隔离；并由电极材料分别连接各个热电偶的冷结端或热结端形成导电通路。

10.如权利要求1所述的抗热冲击的mems热电堆芯片，其特征在于：所述光学吸收层采用具有宽吸收谱和高吸收率的黑硅、黑金或黑铂的薄膜。

技术总结
本发明属于红外传感器技术领域，具体涉及一种抗热冲击的MEMS热电堆芯片。芯片包括由下至上叠层设置的衬底、支撑层、热电堆层和光学吸收层。热电堆层包括由多个彼此串联的热电偶依次排列进而构成一个双层的热电偶阵列，以及包裹在热电偶阵列外的隔离层。其中，每条热电偶的热结端均位于衬底的中央，形成热结区域；每条热电偶的冷结端均位于靠近衬底周向边缘的区域，形成冷结区域。热电堆中的冷结区域和热结区域均位于对应衬底中镂空部分的区域。各热电偶的冷结端距衬底实心区域距离相同。光学吸收层位于热电堆层上表面对应热结区域的位置。本发明解决了传统MEMS热电堆芯片在温度剧烈变化条件下容易发生热失衡和产生信号过冲现象的问题。

技术研发人员：侯海港,刘军林,乔冠军,刘桂武,郝俊操,夏松敏,陈杰
受保护的技术使用者：微集电科技（苏州）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11