[发明专利]一种具有高占空比的微机械热电堆红外探测器及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有高占空比的微机械热电堆微红外探测器及制作方法，属于微电子机械系统及微细加工技术领域。

背景技术

随着微电子机械系统(Micro Electro Mechanical systems，MEMS)技术的发展，微机械热电堆红外探测器也得到广泛应用。和传统的红外探测器相比，微机械热电堆红外探测器具有无需致冷，功耗低，集成度高，适合批量制造等优点，微机械热电堆红外探测器现已广泛应用于国防和民用领域。

图1给出了传统微机械热电堆红外传感器的结构原理图和截面示意图。整个探测器包括(硅)基体，热电堆，悬浮支撑薄膜，红外吸收区，腐蚀开口等五部分。由于红外吸收区和热电堆的热结区都位于悬浮支撑薄膜上，和硅基体实现了良好的热隔离，当红外辐射信号被红外吸收区吸收，红外吸收区和热电堆热结区的温度就会上升；而热电堆冷结区由于位于硅基体上，其温度保持为环境温度；由于热电堆的塞贝克效应，热结区和冷结区的温度差被转换成电压信号输出，通过检测输出电压就可以检测红外辐射。从图1可看出，由于需要采用较长的热电偶来获得较大的热阻以提高探测器性能，而且热电堆中的热电偶一般采用长条形结构，传统微机械热电堆红外探测器的占空比一般比较低，这就使得微机械热电堆红外探测器的面积一般都比较大。从而限制了微机械热电堆红外探测器的集成度，提高了微机械热电堆红外探测器的成本，降低了微机械热电堆红外探测器的性价比。

为提高微机械热电堆红外探测器的占空比，Chen et al等人提出将热电偶两侧空白区域用作红外吸收区(S J Chen and C H Shen，A new high-filling-factor CMOS-compatible thermopile.IEEE Transactions on instrumentation and measurement，2007.56(4)：pp.1231-1238.)。然而，由于红外吸收区并未处于热电堆探测器的正中间位置，其吸收的红外热量不能很好的传导到热结区，也就不能有效的提高探测器的性能。此外，为提高微机械热电堆红外探测器的占空比，Xu et al等人提出一种圆形结构热电堆。由于圆形结构热电堆是发散形分布，热电偶的分布可以覆盖整个芯片面积。然而，圆形结构热电堆红外探测器中间吸收区的面积较小，使得探测器热电偶的对数无法得到有效提高。此外，圆形结构中扇形热电偶结构也进一步增加了探测器的热导，从而减小了探测器的红外响应电压。

本申请的发明人拟从另一角度出发，提供一种具有高占空比的微机械热电堆红外探测器。

发明内容

针对已有的微机械热电堆红外探测器存在的问题，本发明提出了一种具有高占空比的微机械热电堆红外探测器及制作方法，目的在于降低微机械热电堆红外探测器的单元面积，提高器件的集成度，从而进一步提高探测器的性价比。

本发明提出的微机械热电堆红外探测器如图2所示。和传统微机械热电堆红外探测器相比，本发明中的热电偶采用了“L”形折叠结构设计。由于“L”形折叠结构使得热电偶可以覆盖整个芯片面积，微机械热电堆结构的占空比得到大幅提高。此外，“L”形折叠结构使得热电偶的长度保持不变，从而在实现相同性能的情况下，传感器的芯片面积可以得到大幅减小。本领域的技术人员将不难理解，热电堆结构面积的减小将提高制造成品率并降低制作成本。