[发明专利]热电堆感测元件及其制造方法

说明书

本发明涉及一种热电堆感测元件及其制造方法。

利用物体发出的红外线来测量物体温度的温度检测器的应用十分广泛，除了温度测量之外，还可应用于人体感测，如工业自动化及保全监视方面的动作感测器、红外线照像机、摄影机、以及医疗方面的人体温度分布的影像计量等各方面。其原理多为利用红外线照射在元件上造成的温度上升来改变材料物理特性，并转变成电气特性输出。常见的感测元件有焦电型感测元件、热阻型感测元件、及热电堆感测元件等。

由于焦电型感测元件使用的是陶瓷或高分子等非半导体制造的材料，所以不适合利用高度自动化的半导体工业的大量生产方式，故相对生产成本较高。而在热敏电阻型感测元件中，必须供给偏压以测量电阻变化，从而使元件产生交流噪声。因此，对于不需外加偏压、仅具有低电平的直流噪声的热电堆感测元件，因其不大受室温影响，补偿较为容易，并且可利用半导体制造技术来大量生产，因而愈来愈具有市场潜力与成本竞争力。

而从制造方法而言，如果感测器的制造过程能与现有的半导体制造过程相容，其开发及制造的成本也就越低，且若能将元件与放大电路等CMOS电路一并制作，则不但可增加元件功能，并能降低信号接口的噪声，故开发与CMOS制造相容的元件制造工序，有其相当大的优点。

从后制造工序方面来看，已知的热电堆感测元件的后制作工序常为从背面蚀刻硅基板的封闭浮板结构；此种方法其浮板结构强度较大，但具有以下的缺点：

图1A为一种圆环状热电堆感测元件的剖面图。在硅基板1上方，依序形成有封闭浮板2、多条第一导线3、绝缘层4、多条第二导线5、以及黑体吸收层6；其中前述黑体吸收层6隔着绝缘层4′而与第一导线3及第二导线5接触，由于此热电堆感测元件为圆环状，因此封闭浮板2、第一导线3、绝缘层4以及第二导线5呈对称性。

图1B为显示图1A的热电堆感测元件内导线连接方式的示意图。由图中可看出，第一导线3与第二导线5以串联的方式呈现上下的头尾连接，其接触部分在靠近黑体吸收层6的部分造成多个热端H，而在远离黑体吸收层6的部分则为多个冷端C。热电堆感测元件的电输出，是通过第一条第一导线3的冷端C电连接至第一金属垫7，以及通过最后一条第二导线5的冷端C电连接至第二金属垫8。

热电堆感测元件的热端H位于封闭浮板2之上，主要是用来吸收黑体吸收层6所吸收的热，以造成热端H的温度上升，其中冷端C直接连接于硅基板1，可以使热能迅速散逸，而使冷端C维持在环境温度，通常热端H以一悬臂梁或四桥状支脚支撑，而结构底下的硅基板1则用蚀刻的方式加以掏空将结构释放使其悬浮。如果采用背面硅体型蚀刻技术来蚀刻时，为了要蚀刻出封闭浮板2，必须在圆片厚度方向蚀刻出相当于圆片厚度的距离，而由于异方性蚀刻所造成的蚀刻晶面角度，使得所需的底面积比正面体型蚀刻的面积大。导致整个晶粒的面积增大，造成单位硅圆片上所能生产的热电堆感测元件的数量减少，且由于蚀刻时间的加长，易造成晶片制作合格率的降低。

同时就导线方面而言，通常热电堆感测器的特性可以用下列几个量来表示：感测度(Rv)、詹森(Johnson)噪声(VJ)、等效噪声功率(NEP)以及特定检测率(D^*)，其对应公式表示如下：

式中N为串联的热电偶数目，为热电偶的赛贝克系数(V/oC)。而Gs、Gg、Gr分别为元件悬浮结构的固体、气体及辐射热传导。k为波兹曼常数，T为感测器的绝对温度(oK)，R为串联热电偶的电阻值，(f为频宽，而A为感测器面积。

而如前所述，热电堆感测元件用以计量被测物体的温度，因此其元件特性的好坏可通过其输出信号的大小，或由其对所测物体温度变化的灵敏度来评量，而Rv表示的是元件在吸收单位能量时所输出的电压，D^*表示的则是归一化过后的灵敏度，这两个值的大小都与元件热传导的大小有直接的关系，当热传导愈小时，其Rv与D^*均会愈高，因此一般为了要提高输出及灵敏度，都会使用热传导较低的导线材料，或是由增加导线长度下手，但由图1B中可看出，第一导线3与第二导线5的布线方式系呈直线状，使得导线长度受到浮板脚长的限制，而无法有效地降低热传导。而本发明的曲折导线，正好可在不改变浮板脚长的情况下，降低金属导线的热传导，而有效地提高元件的效率。