一种基于MEMS的远紫外紫外探测器校准用热电堆结构

本发明属于远紫外紫外探测领域，具体涉及一种基于mems的远紫外紫外探测器校准用热电堆结构，及其采用该基于mems的远紫外紫外探测器校准用热电堆结构测量远紫外紫外辐射源的热流量密度的方法。

背景技术：

1、紫外探测技术是继激光和红外探测技术之后发展起来的又一新型军民两用探测技术。在军事上，主要应用于导弹预警、紫外红外复合制导、紫外通讯、生化分析等方面。在民用上，主要用来探测太阳紫外辐射强度、火灾探测、臭氧检测、分析检测细胞病变细节等。紫外探测器是紫外光探测系统的关键所在，因此，开展紫外探测器的设计研究具有重要的意义与价值。

2、把紫外辐射能量转化为电能的探测器基于热电效应和光电效应可以分为热电探测器和光电探测器。其中，热电堆作为一种热电转换器件已经广泛应用于不同的领域，例如非接触式红外测温传感器、气体传感器等。热电堆是根据塞贝克效应工作的热电转换器件，由多对热电偶串联而成，热电偶是热电堆的基本组成单元。热电偶通常是由两种不同的金属材料或半导体材料相互串接而成，若两个接点温度不同，回路中就会出现热电动势，并产生电流。对于确定的热电偶，热电动势只与热端和冷端温度有关。当冷端温度固定时，热电动势是热端温度的单值函数。因此，对于由n对热电偶组成的热电堆，其产生的总热电动势等于每对热电偶产生的热电动势之和。

3、近年来，随着mems(micro electro-mechanical system)，即微机电系统的发展，使器件低成本的批量生产和小型化集成化成为可能。mems热电堆探测器为非接触式测温，通过接受被测物体发出的热辐射来感知温度，理想情况下所利用的吸收层可以完全吸收辐射能量，可以在室温环境下工作，具有结构简单且灵敏度高、无需斩波、无需外加偏置电压且微型化、低成本等优势。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种基于mems的远紫外紫外探测器校准用热电堆结构以及采用该基于mems的远紫外紫外探测器校准用热电堆结构实现测量远紫外紫外辐射源的热流量密度的方法。

2、为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

3、一种基于mems的远紫外紫外探测器校准用热电堆结构，包括硅基底，其特征在于，在硅基底上有支撑层、吸收层、热电偶对、铝导线、铝电极和单晶硅材料结构；

4、所述的硅基底为内半径300μm，外半径500μm，厚度300μm的圆环柱状体；

5、所述的支撑层位于硅基底之上，由下至上分别为二氧化硅膜、氮化硅膜和二氧化硅膜三层结构，其中，二氧化硅膜的底面半径500μm，厚度0.6μm，氮化硅膜的底面半径500μm，厚度0.4μm，二氧化硅膜的底面半径500μm，厚度0.3μm；

6、所述的吸收层在支撑层之上，且与支撑层的中心点重合，该吸收层为底面半径150μm，厚度1.5μm的氮化硅膜，用于将辐射能量转换为温度升高；

7、所述的热电偶对呈双层排列结构，其中，下层的热电偶材料层与支撑层相接，而上层的热电偶材料层则位于距离支撑层上方的1μm处，两层热电偶材料层厚度均为0.3μm，两层热电偶材料层中的各个结构的横截面均为扇环形，内半径150μm，外半径450μm，圆心角2°，同时同一层中相邻的热电偶材料结构之间相距的圆心角皆为1°，因此在一层中可以铺设120个热电偶材料结构，上下两层热电偶材料结构位置对应相同，将位于同一位置对应的上下两层材料结构视为一对热电偶，共排列120对热电偶；所述热电偶由n型半导体材料和p型半导体材料制成；

8、所述的热电偶对通过铝导线串联连接，位于热电偶热端处的120个铝导线结构横截面为扇环形，内半径148μm，外半径150μm，厚度1.3μm，圆心角2°，位于热电偶冷端的铝导线结构的横截面为扇环形，内半径450μm，外半径452μm，厚度0.3μm，圆心角5°；

9、所述的铝电极用于测量输出电势，两个铝电极分别与两个相邻的上层热电偶材料结构相接；

10、所述的单晶硅材料结构在支撑层之上，横截面为圆环，其内半径450μm，外半径500μm，厚度1.5μm；

11、上述基于mems的远紫外紫外探测器校准用热电堆结构用于测量远紫外紫外辐射源的热流量密度的方法，其特征在于，按照如下步骤执行：

12、步骤1：调整紫外辐射源位置使热电堆结构的吸收层吸收到紫外辐射能量，使热电堆结构的吸收层温度升高；

13、步骤2：热电堆结构中的吸收层温度升高，依据能量守恒定律和傅里叶定律推导得导热微分方程，通过热电堆结构可确定定解条件进而求解出热电偶热端处温度值与辐射到吸收层的热流量密度的关系，则采用式ⅰ计算热电偶热端处温度：

14、

15、式中，△t为热电偶热端和冷端的温度差，k为比例常系数，q为辐射到吸收层的热流量密度，r1为吸收层半径，d为吸收层厚度，λ2为热电偶材料导热系数，r2为热电偶的外半径；

16、步骤3：依据塞贝克效应，确定热电偶冷热两端之间的温度差以及热电堆结构，即可采用式ⅱ计算电极处输出的温差电动势值：

17、v＝nvout＝nαab·δt                          式ⅱ

18、式中，v为热电堆结构电极处输出的温差电动势，n为热电堆中热电偶对数，vout为一对热电偶产生的温差电动势，αab为热电偶使用的p型半导体材料和n型半导体材料的塞贝克系数差值；

19、步骤4：通过外接电压表方式测得热电堆结构的输出温差电动势值，即利用式ⅰ、式ⅱ计算得到紫外辐射源的热流量密度。

20、本发明的基于mems的远紫外紫外探测器校准用热电堆结构，与现有技术相比，带来的技术创新在于：

21、(1)采用双层热电偶堆叠结构以提高器件占空比，使在保持一层结构尺寸不变的情况下可以铺设更多的热电偶对，从而提高了探测器的响应率。

22、(2)采用圆形热电堆结构，符合温度以吸收层中心点为圆心呈径向扩散向周围递减的分布趋势，以达到使热电偶对的热端能更接近温度较高区域且热电偶对热端温度更均匀一致的目的，使热电堆结构的输出电压得以提高，从而提高了探测器的响应率。

23、(3)依据传热特性的数学公式以及塞贝克效应建立了mems热电堆结构对应的数学模型，从而可以依据测得的输出温差电动势计算得到远紫外紫外辐射源的热流量密度。

技术特征：

1.一种基于mems的远紫外紫外探测器校准用热电堆结构，包括硅基底(1)，其特征在于，在硅基底(1)上有支撑层(2)、吸收层(3)、热电偶对(4)、铝导线(5)、铝电极(6)和单晶硅材料结构(7)，其中：

2.权利要求1所述的基于mems的远紫外紫外探测器校准用热电堆结构用于测量远紫外紫外辐射源的热流量密度的方法，其特征在于，按照如下步骤执行：

技术总结
本发明公开了一种基于MEMS的远紫外紫外探测器校准用热电堆结构，包括硅基底，在硅基底上有支撑层、吸收层、热电偶对、铝导线、铝电极和单晶硅材料结构。采用双层热电偶堆叠结构提高器件占空比，在保持一层结构尺寸不变的情况下可铺设更多的热电偶对，提高了探测器的响应率。采用圆形结构符合温度以吸收层中心点为圆心呈径向扩散向周围递减的分布趋势，达到热电偶对的热端能更接近温度较高区域且热电偶对热端温度更均匀一致，提高了探测器的响应率。实现了将远紫外紫外辐射源的辐射能量转化为输出温差电动势，通过建立傅里叶定律以及塞贝克效应的数学模型进行计算，从而测得远紫外紫外辐射源的热流量密度。

技术研发人员：陈玉,王子怡,李昌熹,侯潇涵,钟辉,王双,成永红
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13