[发明专利]集成微机械热电堆红外探测系统及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种集成微机械热电堆红外探测系统及其制作方法，更确切地说本发明涉及一种基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)传感器和CMOS信号处理电路的微机械热电堆红外探测系统及其制作方法，属于红外探测器领域。

背景技术

随着红外探测技术在军事和民用领域的地位日益提高，非致冷红外传感器发展迅速。热电堆红外探测器是最早发展的一种热红外探测器，其工作原理是Seebeck效应[T.H.Geballe and G.W.Hull，“Seebeck Effect inSilicon，”Phys.Rev.，vol.98，No.4，pp.940-947，May 1955.]。该效应指出两种不同材料组成的热偶，如果闭合回路的两个节点之间存在温度差，就会在回路中产生电动势。早期的热电堆红外探测器是利用真空镀膜的方法，将热电偶材料沉积到塑料或氧化铝衬底上获得的，器件尺寸较大，也不易批量生产。随着微电子机械系统MEMS技术的发展，1982年美国密歇根大学的K.D.Wise等[G.R.Lahiji and K.D.Wise，“A Batch-Fabricated SiliconThermopile Infrared Detector，”IEEE Trans.Electron Devices，vol.ED-29，no.1，pp.14-23，January 1982.]率先采用微机械手段制作了两种封闭膜结构的硅基热电堆红外探测器，热偶材料分别为Bi-Sb与Si-Au。按照构成热偶的材料分类，主要包括金属热偶，硅-金属热偶，以及硅-硅热偶[1.M.C.Foote，E.W.Jones and T.Caillat，“Uncooled Thermopile InfraredDetector Linear Arrays with Detectivity Greater than 10⁹ cmHz^1/2/W，”IEEETrans.Electron Devices，vol.45，no.9，pp.1896-1902，September1998.][2.W.G.Baer，K.Najafi，K.D.Wise and R.S.Toth，“A32-elementmicromachined thermal imager with on-chip multiplexing，”Sens.Actuators A：Phys.vol.48，issue1，pp.47-54，May 1995.][3.R.Lenggenhager，H.Baltes and T.Elbel，“Thermoelectric infrared sensorsin CMOS technology，”Sens.Actuators A：Phys.vol.37-38，pp.216-220，June-August 1998.][4.T.Akin，Z.Olgun，O.Akar，H.Kulah，“Anintegrated thermopile structure with high responsivity using anystandard CMOS process，”Sens.Actuators A：Phys.，vol.66，issue1-3，pp.218-224，April 1998.]。这些研究不仅拓宽了构成热偶的材料，还探索了不同的结构释放工艺。例如增加了氧化硅-氮化硅复合介质膜，使用了TMAH等湿法腐蚀液，尝试了从硅片正面释放结构等工艺方法。