CN102244190A - 一种热电堆红外探测器 - Google Patents
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Abstract
一种热电堆红外探测器，包括全镂空结构的衬底以及其上的热电堆、第一红外吸收层和钝化层，以及形成于钝化层之上的反射层，以及通过牺牲层释放技术形成的第二红外吸收层。所述探测器提高了红外吸收率，并使热电偶对冷端与热端的温度差增大，从而使探测器的响应率变大，灵敏度提高。
Description
技术领域
本发明通常涉及红外探测器领域，具体来说，涉及一种基于微电子机械系统的热电堆红外探测器。
背景技术
目前，利用红外技术进行红外测温、红外报警、红外检测、红外追踪等，广泛应用到军事、工业、医学、农林业以及环境保护、消防、搜索与救援等各个领域。其中，热电堆红外探测器具有较多的优势，应用极为广泛，热电堆红外探测器是一种基于塞贝克(Seebeck)效应的非制冷红外探测器，而且随着微电子机械系统(MEMS，Micro Electro Mechanical systems)的发展，基于微机械的热电堆红外探测器也广泛应用起来，目前对于微机械热电堆型，其热电偶的主要类型有：P型多晶硅和金热电偶、Si外延层P型扩散区和铝热电偶、N型多晶硅和P型多晶硅热电偶，并用氧化硅-氮化硅复合介质层充当红外吸收层，相比其他的探测器，这种微机械热电堆红外探测器具有高的灵敏度，宽松的工作环境与非常宽的频谱响应，且与标准IC工艺兼容，成本低廉且适合批量生产，但是却存在随着像元尺寸减小，红外吸收面积也减小，从而造成吸收效率降低、响应率也降低的问题。
因此，需要提出一种具有更高响应率、吸收率的基于微机械的热电堆红外探测器。
发明内容
本发明提供了一种热电堆红外探测器，包括全镂空结构的衬底以及其上的热电堆、第一红外吸收层和钝化层，以及形成于钝化层之上的反射层，以及与第一红外吸收层接触且能遮挡所述反射层的第二红外吸收层。
优选地，形成所述反射层的材料包括：铝、金或金铬合金。
所述第二红外吸收层可以通过牺牲层释放技术得到，优选地，所述遮阳部分的下表面与反射层上表面之间的距离为入射红外辐射波长的四分之一。
对于本发明提供的热电堆红外探测器，由于增加了反射层和第二红外吸收层，大大提高了探测器热端与冷端的温度差，使得响应率提高，同时，由于增加了红外吸收层的面积，红外吸收效率也得到了提高。并且，在优选的实施例中，将反射层与第二红外吸收层之间的间距设定为入射红外辐射的四分之一波长，这样会有大于75.6％的能量被吸收并转化为热能，极大的提高了红外吸收效率，同时经谐振腔的选频作用，使得探测器的灵敏度提高。
附图说明
图1示出了本发明实施例的热电堆红外探测器的结构剖面示意图；
图2示出了本发明实施例的热电堆红外探测器的热电堆结构示意图；
图3示出了本发明实施例的热电堆中热电偶对的结构示意图；
图4示出了本发明实施例的热电堆红外探测器工作原理示意图。
具体实施方式
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
参考图1，图1示出了根据本发明实施例的热电堆红外探测器的结构示意图，所述热电堆红外探测器包括：全镂空结构的衬底100以及其上的热电堆、第一红外吸收层104和钝化层108，所述热电堆包括热电偶对106，所述热电堆红外探测器还包括形成于钝化层108之上的反射层110，以及与第一红外吸收层104接触且能遮挡所述反射层110的第二红外吸收层112，此外，还可以包括位于衬底之下的掩蔽层102。
所述衬底100可以为硅衬底(例如晶片)或其他合适的材料，根据现有技术公知的设计要求(例如p型衬底或者n型衬底)，衬底100还可以包括掺杂配置。所述衬底100为全镂空结构，如图1所示，镂空部分暴露出热电堆，以减小热电堆结构与衬底热传导而造成的灵敏度降低。
所述热电堆可以为任一热电堆结构，本发明对此并不做限定。图2为热电堆结构的一个实施例的示意图，所述热电堆包括多个串联的热电偶对106，所述热电偶对106与第一红外吸收层104接触的部分为热端，不与第一红外吸收层104接触的部分为冷端，热端与冷端的温度差越大，则产生的塞贝克电压越大。所述热电偶对106由多晶硅106-1和与其对应的铝106-2连接形成，如图3所示，所述热电偶对106还可以是其他的结构。第一红外吸收层104由SiNx或其他合适的材料形成。
所述钝化层108形成于所述热电堆之上，可由SiO2或其他合适的材料形成。
所述反射层110形成于所述钝化层108之上，可由金属或其他合适材料形成，优选金属材料铝、金或金铬合金等，由这些材料形成的反射层110表面光滑，其反射系数大，几乎可以达到镜面反射，而且，金材料性质稳定，不与碱溶液反应，简化了后续工艺，而铝材料具有与CMOS更好的工艺兼容性。由于热电偶对106被所述反射层110覆盖，红外辐射被反射，从而使得热电偶对106冷端的温度降低。
所述遮阳第二红外吸收层112包括与第一红外吸收区层104接触的红外区接触部分以及在反射层110上方且不与所述反射层110接触的遮阳部分，在本发明实施例中所述第二红外吸收层112为一个遮阳伞结构，如图1所示，所述第二遮阳红外吸收层112由SiNx或其他合适的材料形成，其可以通过牺牲层释放技术形成，就是说通过形成牺牲层(图中未示出)，而后刻蚀牺牲层并在其上形成第二红外吸收层112，并将牺牲层干法释放，来形成如图1所示的第二红外吸收层112，所述红外吸收层的厚度范围大约为0.3μm-0.6μm，由于本发明所述探测器具有反射层110，在本发明优选的实施例中，所述第二遮阳红外吸收层112的厚度为0.5μm。所述遮阳第二红外吸收层112的遮阳部分一方面遮挡了进入热电偶对106的红外辐射，降低了热电偶冷端的温度，另一方面，所述第二红外吸收层112增大了红外吸收的面积，提高了热端的温度，并且所述第二红外吸收层112的遮阳部分与反射层110之间的空间形成光学谐振腔，红外辐射可经反射层110反复反射至第二红外吸收层112，提高了红外吸收效率，也减少了热电偶对106冷端对红外辐射的吸收，从而使热电偶对10冷端与热端的温差增大，提高了探测器的响应率。此外，在优选的实施例中优选地，所述第二红外吸收层112的遮阳部分的下表面与反射层上表面之间的距离为入射红外辐射波长的四分之一，大约为2.5μm，这样会有大于75.6％的红外辐射被吸收并转化为热能，更大程度地提高红外吸收的效率，并提高探测器的灵敏度。
参考图4，图4示出了本发明实施例的热电堆红外探测器工作原理示意图，当红外辐射照射时，一部分的红外辐射被第二红外吸收层吸收，一部分红外辐射进入第二红外吸收层与反射层之间的光学谐振腔，这部分红外辐射经反射层反复反射至第二红外吸收层吸收，第二红外吸收层将吸收的热量传送至第一红外吸收层，使热电偶对的热端温度升高，而热电偶对由于被反射层覆盖，红外辐射被反射而无法吸收能量，从而使热电偶对冷端与热端的温度差增大，其塞贝克电压也越大，提高了探测器红外吸收率，使其响应率变大、灵敏度提高。
以上对热电堆红外探测器的结构进行了描述，通过本发明，在传统的热电堆探测器上增加了反射层和第二红外吸收层，所述反射层由铝、金等反射系数大的金属形成，所述反射层一方面覆盖了热电偶对，减小其冷端的对红外辐射的吸收，另一方面，所述反射层与第二红外吸收层的遮阳部分之间的空间形成光学谐振腔，红外辐射可经反射层反复反射至第二红外吸收层，提高了红外吸收效率，进一步降低热电偶对冷端的温度；所述第二红外吸收层增大红外吸收的面积，并进一步吸收反射层反射的红外辐射，提高了吸收效率，从而提高了探测器红外吸收率，并使热电偶对冷端与热端的温度差增大，从而使探测器的响应率变大、灵敏度提高。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域的技术人员应当理解的是可以对这些实施例进行多种修改和替换，在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，所有这些修改、变型、替换以及添加落入均落入由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内。
Claims (8)
1.一种热电堆红外探测器，包括全镂空结构的衬底以及其上的热电堆、第一红外吸收层和钝化层，其特征在于，还包括形成于钝化层之上的反射层，以及与第一红外吸收层接触且能遮挡所述反射层的第二红外吸收层。
2.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其中形成所述反射层的材料包括：铝、金或金铬合金。
3.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其中所述第二红外吸收层的厚度为0.3至0.6米。
4.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其中所述第二红外吸收层包括与第一红外吸收层接触的红外区接触部分以及在反射层上方且不与所述反射层接触的遮阳部分。
5.根据权利要求4所述的热电堆红外探测器，其中所述遮阳部分的下表面与反射层上表面之间的距离为入射红外辐射波长的四分之一。
6.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其中形成所述第二红外吸收层的材料包括SiNx。
7.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其中所述衬底为全镂空结构，镂空部分暴露热电堆，以减少热电堆与衬底热传导而造成的灵敏度降低。
8.根据权利要求1所述的热电堆红外探测器，其中所述第二红外吸收层通过牺牲层释放技术形成。
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