[发明专利]一种三维MEMS热电堆红外探测器结构

说明书

技术领域

本发明涉及微电子机械系统技术领域，特别涉及一种具有三维结构的MEMS热电堆的红外探测器。

背景技术

热偶是一种广泛应用的温度传感器，也被用来将热势差转换为电势差。其工作原理是基于Thomas Seebeck于1821年发现的热电效应或者Seebeck效应：由两种不同金属材料A和B构成的回路中，如果该两种金属在结点处的温度不同，则该回路中就会产生一个温差电动势。

由Seebeck效应产生的电压可表示为：

V=∫T1T2(SB(T)-SA(T))dT]]>

其中，S_A和S_B分别为上述两种金属材料A和B的Seebeck系数，其取决于温度和材料的分子结构，通常近似为与温度无关的材料特性。

当将多个热偶串联起来时就形成了热电堆。在相同的温差时，热电堆的开路输出电压是所有串联热偶(个数以n表示)的温差电动势之和。在相同的电信号检测条件下，热电堆能检测到的最小温差是单个热偶的1/n，从而增强了其对温度的分辨能力。

随着微电子技术和大规模集成电路的蓬勃发展，提出了微电子机械系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)的概念。在此前提下，半导体材料作为热电堆红外探测器基体的方案日趋成熟，并由此发展出了MEMS热电堆红外探测器。MEMS热电堆红外探测器具有传统探测器所无法比拟的优点：体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、性能优异，因而可以实现探测器的微缩，能够应用到便携设备中，并且由于可以集成大量的热偶，因此可以进一步提高对温度探测的分辨率。

MEMS热电堆红外探测器是一种基于Seebeck效应的红外探测器，通常不需要致冷，可以在常温下工作，并对较大范围内的红外光响应均匀。由于其制作成本较低、可以实现大批量生产，因此，在安全监视、医学治疗、生命探测等方面有着广泛的应用。响应率、探测率和响应时间是红外探测器的几个重要性能指标。

现有的MEMS热电堆红外探测器在技术上基本都是利用CMOS工艺，将热偶对制作成平面结构，热电堆的冷端与热端同样直接置于器件的表层。这种结构较易受到器件所处环境温度的影响，导致热电堆红外探测器温度分辨率和稳定性的下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种三维MEMS热电堆红外探测器结构，通过将热电堆结构中串联的热偶对的由两种热偶材料形成的两个热偶单元制作在上下不同的层次，使热偶的热结位于靠近吸热层的较上方位置，而将冷结埋设在位于较下方的导热材料中，各热偶相互串联形成环绕隔热空腔的竖直中心呈辐射状分布的三维热电堆结构，使冷结不易受环境温度的影响，而热结的热量也不易散失，从而提高了热电堆探测器的温度分辨率和稳定性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：