CN101881668A - 一种电桥结构的红外温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电桥结构的红外温度传感器，包括衬底上的电阻器电桥，该电阻器电桥包括光敏电阻、环境参考电阻和焦耳热参考电阻，其中：在所述的光敏电阻和焦耳热参考电阻下边的衬底设置有凹槽，该凹槽与其上的电阻形成悬浮桥式结构；本发明在光敏电阻和焦耳热参考电阻下边的衬底上设置凹槽，凹槽内的空气形成热绝缘层，减小了传感器敏感区与衬底间的热传导，提高了目标温度测量的精确度，其次，传感器热敏材料选用高电阻温度系数的氧化钒薄膜，也有利于提高器件的测温准确性。

Description

一种电桥结构的红外温度传感器

技术领域

本发明涉及红外传感器领域，尤其是涉及一种电桥结构的红外线温度传感器。

背景技术

红外测温由于具有非接触，测温动态范围宽和测温准确等独特优点，在食品，医疗，电力，工业，建筑等领域具有非常广泛的应用。红外线测温传感器是红外测温仪表的关键器件，其性能决定了测温仪表的精度。目前，红外测温传感器多采用热电堆原理制作，美国专利US-5059543就公开了一种典型的热电堆红外传感器的制造方法，其包括在硅衬底上利用硅各向异性腐蚀剂从硅衬底背面腐蚀，刻蚀中心部位的硅，在硅衬底顶部留下厚度约为1微米的氧化硅-氮化硅封闭膜，利用两种不同热电特性材料沉积并形成热偶对，热电堆热端布置在封闭薄膜之上，冷端与硅衬底直接连接，当红外辐射入射到该红外传感器之上，引气封闭膜温升，利用热电堆探测该温升就可以探测出红外辐射的强弱并计算出目标温度。

热电偶是制作红外测温传感器的最常用方法，不过利用热电偶作为红外测温传感器测温材料也存在不足。常用热偶材料的赛贝克系数通常不高，例如硅-Al热偶对的温度灵敏系数仅为0.1％/K，即使温度灵敏系数很高的BiSb(锑化铋)的热电系数也仅为0.5％左右，是氧化钒薄膜的热敏电阻系数(2％/K)1/4左右，这限制了红外测温传感器的温度分辨率。利用热电偶串联的热电堆虽然可以改进传感器的响应灵敏度，但热电偶串联也造成了两个问题：首先是热电堆的输出电阻变大，器件噪声增加，其次冷端和热端间的热电堆线条会增大器件敏感区与衬底间的热导，反而导致器件温度分辨率下降，因此利用热电堆技术也难以实现高精度温度测量。而在某些领域如医疗体温检测，高精度测温非常重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电桥结构的红外温度传感器，该传感器可改善器件对环境温度的影响，实现高精度的温度测量。

本发明是这样实现的，提供一种电桥结构的红外温度传感器，包括衬底上的电阻器，该电阻器包括光敏电阻、环境参考电阻和焦耳热参考电阻，其中：所述的光敏电阻和焦耳热参考电阻下边的衬底设置有凹槽，该凹槽与其上的电阻形成悬浮桥式结构。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明通过在光敏电阻和焦耳热参考电阻下边的衬底设置凹槽结构，凹槽内的空气形成热绝缘层，减小传感器敏感区与衬底间的热传导，提高了温度测量的精确度。

本发明进一步带来的技术效果是测温材料选用电阻温度系数较高的氧化钒薄膜，器件灵敏度高，测温准确。

附图说明

图1是本发明实施例电桥结构的红外温度传感器电路结构示意图；

图2是本发明实施例电桥结构的红外温度传感器光敏电阻的结构示意图；

图3是本发明实施例电桥结构的红外温度传感器光敏电阻剖面结构示意图；

图4是本发明实施例电桥结构的红外温度传感器加工流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，其为本发明实施例涉及一种电桥结构的红外温度传感器的电路结构示意图，图中1为光敏电阻R1，2为环境参考电阻R2，3为环境参考电阻R3，4为焦耳热参考电阻R4，5和6分别为电源地和供电电源，所述的光敏电阻R1，环境参考电阻R2，环境参考电阻R3，焦耳热参考电阻R4均制作于衬底上，该衬底可选用硅或玻璃，及其他可作为传感器衬底的材料，本发明实施例以硅衬底为例。为减小焦耳热造成的电阻温度升高，传感器采用脉冲供电方式，这四个电阻R1-R4在未加电且室温条件下阻值相同，均为R0。除红外吸收效率外，电阻1(R1)和电阻4(R4)的其他特性如热特性完全相同。在电阻R1之上制作了一层黑金红外吸收层，对红外的吸收效率高达95％以上，而在电阻R4之上制作了一层金属反射层，对红外辐射的吸收率小于1％。

如图1所示，所述红外线测温传感器的电路结构示意图中四个薄膜电阻均采用氧化钒薄膜制作，由于热敏材料选用电阻温度系数较高的氧化钒薄膜，器件灵敏度高，测温准确，在不考虑薄膜电阻温度系数均匀性的基础上，四个电阻1、2、3和4的电阻温度系数完全一致。此外，这四个电阻在设计时的版图也完全一致，因此制作完毕后，如果不考虑工艺引入的加工误差，这四个薄膜电阻在室温时的阻值也完全相同。在图1所示的四个薄膜电阻中，仅有电阻1对入射的红外辐射敏感，其他三个均为参考电阻。

本发明涉及的红外温度传感器的工作原理如下：当目标被遮蔽时，传感器的四个电阻阻值相同，电桥左右支路的分压比也相同，电桥输出为零；当目标不被遮蔽时，光敏元(电阻1)吸收目标照射的红外辐射后温度升高，薄膜电阻改变，造成电桥左右支路不再平衡，电桥输出信号不为零。当薄膜材料电阻与薄膜温度呈线性曲线条件下，如薄膜温度在-40～100℃内，电桥输出信号的大小与探测器吸收的红外辐射呈正比关系。通过测量电桥的输出信号就可以计算出待测温目标入射的红外辐射量，进而计算出目标温度。

本发明实施例采用桥式结构有助于提高传感器对环境的适应能力，当环境温度改变时，由于这4个电阻的薄膜电阻温度系数相同，电阻变化趋势一致，因此电桥输出平衡并不被破坏，电桥输出信号仍为零。为提高探测器的温度灵敏度，本发明实施例在光敏电阻1和参考电阻4下部的硅衬底挖空，形成悬浮桥式减小传感器敏感区与衬底间的热传导，凹槽深度可以为100微米-500微米，凹槽内的空气则作为器件光敏元与衬底间的热绝缘层。电阻1和电阻4的关键区别在于电阻4对红外辐射不敏感，而其他特性完全一致。在本发明实施例中，传感器采用脉冲驱动方式，即电源以脉冲方式加载在电桥之上，采用脉冲电源方式有助于减小器件功耗和施加较高的电源电压，由于电源施加时间很短，焦耳热造成的传感器敏感电阻R1温升不会太高，一般控制在几度范围之内。电阻4的热学特性与电阻1完全相同，因此在施加读出驱动电压时，这两个电阻的阻值变化相同，电桥平衡不被破坏，电桥输出仍为零。采用桥式结构设计，有利于减小环境温度和焦耳热对传感器输出信号的影响，提高传感器的工作适应性。

图2和图3为传感器红外敏感器件电阻R1的结构示意图，图中101为传感器光敏电阻光敏区，102为体硅牺牲层工艺形成的凹槽，103为硅衬底，104为焊接焊盘，111为支撑层，112为氧化钒薄膜，113为钝化层，114为金属电极(反射层)，115为黑金吸收层。与光敏电阻R1相比，在焦耳热参考电阻R4之上没有制备115黑金吸收层，而是制作了一层金属反射膜层用以反射入射的红外辐射。电阻R2和电阻R3与电阻R1结构基本相同，但电阻直接制作在硅衬底之上，没有制作凹槽结构且没有在电阻之上制作黑金吸收层。凹槽102可以采用等离子体干法刻蚀也可以采用体硅湿法刻蚀技术。

本发明涉及的电桥结构氧化钒薄膜红外温度传感器的制作工艺流程如图4所示，为简化图形，图中仅包括电阻R1和电阻R4，左侧为R1，右侧为R4。图中102为硅刻蚀形成的凹槽，凹槽深度约为100-500微米，103为硅衬底，111为支撑层，通常采用氮化硅或者氧化硅薄膜，也可以采用氮化硅氧化硅复合薄膜，112为热敏层氧化钒薄膜，113为钝化层兼隔离层，用于隔离电阻R1中的黑金吸收层115与氧化钒薄膜112及电阻R4中的红外反射层114和氧化钒薄膜112，114为金属电极，在R4中该层也被用作红外光反射层，115为黑金吸收层，用于增强电阻R1对目标辐射的红外线的吸收效率，116为腐蚀孔，透过该腐蚀孔，腐蚀液或者化学活性离子可以与下部的硅衬底反应，刻蚀出凹槽结构。

如图4所示，本发明实施例所述的红外温度传感器的电阻主要包括：

1)支撑111层淀积，在硅衬底103之上利用低压化学气相沉积(LPCVD)或者等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)工艺制作支撑层111，支撑层111薄膜通常选用氮化硅和氧化硅，也可以选用氮化硅和氧化硅的复合薄膜以降低膜层应力，支撑层111厚度约0.5-2微米。

2)氧化钒薄膜112制备和图形化，利用反应离子束溅射或者反应磁控溅射技术在支撑层111之上制备氧化钒薄膜，薄膜厚度约0.05-0.2微米，方块电阻20-100千欧，电阻温度系数大于2.0％/K，之后利用光刻和离子束刻蚀或者湿法刻蚀工艺图形化氧化钒薄膜112，仅在定义的电阻区域内保留氧化钒薄膜。

3)钝化层113制作，利用PECVD工艺在氧化钒薄膜之上制作一层钝化层113氮化硅薄膜，薄膜厚度0.1-0.5微米。

4)互联电极孔刻蚀和金属电极114沉积，首先利用光刻和反应离子刻蚀(RIE)工艺在钝化层113上刻蚀氮化硅薄膜，露出氮化硅薄膜下的氧化钒薄膜112；然后利用剥离工艺制作金属互联金属电极114，金属互联电极114材料选用钛-白金薄膜(Ti/Pt)，金属电极厚度约为0.05-0.1微米。在电阻R2之上，互联电极层114几乎全部覆盖光敏区，用以反射入射的红外辐射。

5)黑金吸收层115制作，利用剥离和热蒸发工艺在电阻R1之上制作红外吸收黑金层115，黑金层厚度约为0.01-0.1微米，对红外辐射吸收效率高于90％。

6)刻蚀孔制作，利用光刻和RIE及湿法结合工艺制作刻蚀孔。

7)凹槽102刻蚀，利用干法等离子体刻蚀或者湿法体硅工艺刻蚀电阻R1和电阻R2之下的硅衬底103，形成凹槽104。

图4中制作工艺流程仅包括电阻R1和R4，电阻R2和R3与R1相比，无红外吸收金属黑金吸收层115，在电阻下部也没有制作热隔离凹槽102，其他制作方法与R1和R4相同。

Claims (10)

1.一种电桥结构的红外温度传感器，包括衬底上的电阻器电桥，该电阻器电桥包括光敏电阻、环境参考电阻和焦耳热参考电阻，其特征在于：所述的光敏电阻和焦耳热参考电阻下边的衬底设置有凹槽，该凹槽与其上的电阻形成悬浮桥式结构。

2.根据权利要求1所述的电桥结构的红外温度传感器，其特征在于：所述的电阻由测温材料制成，该测温材料是氧化钒。

3.根据权利要求1或2所述的电桥结构的红外温度传感器，其特征在于：所述的凹槽的深度为100微米-500微米。

4.根据权利要求2所述的电桥结构的红外温度传感器，其特征在于：所述的电阻为四个，其中光敏电阻和焦耳热参考电阻各一个，环境参考电阻两个。

5.根据权利要求4所述的电桥结构的红外温度传感器，其特征在于：所述的电阻还包括有腐蚀孔，所述的凹槽通过该腐蚀孔渗透腐蚀液或活性离子刻蚀衬底而形成。

6.根据权利要求2所述的电桥结构的红外温度传感器，其特征在于：所述的光敏电阻上设置有红外吸收层，该红外吸收层采用黑金材料制成。

7.根据权利要求2所述的电桥结构的红外温度传感器，其特征在于：所述焦耳热参考电阻之上设置有一金属反射层，该金属反射层采用钛材料制成。

8.根据权利要求2所述的电桥结构的红外温度传感器，其特征在于：所述的测温材料氧化钒为薄膜结构，该薄膜的厚度为0.05微米-0.2微米。

9.根据权利要求6所述的电桥结构的红外温度传感器，其特征在于：所述的黑金材料为薄膜结构，该薄膜结构的厚度为0.01微米-0.1微米。

10.根据权利要求7所述的电桥结构的红外温度传感器，其特征在于：所述的属反射层钛-白金为薄膜结构，该薄膜的厚度为0.05微米-0.1微米。

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