CN102608153B - 多晶硅-金属热电偶塞贝克系数的在线测试结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多晶硅-金属热电偶塞贝克系数的在线测试结构，该技术利用两个测温电阻分别测量热稳态时热电偶冷、热端的实际温差，测量热电偶堆的开路电压，并通过简单计算得到多晶硅-金属热电偶的塞贝克系数。本发明的测试结构的结构简单，制作方便，采用普通的MEMS表面加工工艺即可得到，避免了复杂的悬空结构和体加工工艺，测量温度为热稳定时热电偶堆的热端与冷端的实际温度值，不需要考虑辐射、对流等因素的影响，测试要求低，测试方法及测试参数值稳定，计算简单可靠。

Description

多晶硅-金属热电偶塞贝克系数的在线测试结构

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统中材料参数的在线测试技术，尤其涉及的是一种多晶硅-金属热电偶塞贝克系数的在线测试结构。

背景技术

热电偶作为一种常见的热传感器，得到广泛地应用，该传感器有效地将热转变为电压。多晶硅、金属是微机电系统器件制造的基本材料，利用多晶硅-金属所形成的热电偶进行热传感是微机电系统(MEMS)中常用的传感技术。

塞贝克(seebeck)系数是衡量热电偶传感灵敏度的重要参数，由形成热电偶的材料特性决定其大小。因为MEMS材料会受加工过程的影响而产生材料参数的变化，使得设计者需要了解具体工艺后材料参数的真实情况。对于热电偶而言，需要测量塞贝克系数的具体数值。由于参数与工艺相关的紧密性，所以，不离开加工环境并采用通用设备进行的在线测试成为参数测量的必要手段，也是对工艺重复性监控的必要措施。在线测试技术通常采用电学激励和电学测量的方法，通过电学量数值以及针对性的计算方法得到材料的物理参数。

现有的多晶硅-金属热电偶塞贝克系数在线测试结构通常采用悬空结构，以避免辐射、对流以及传导对于有效温度的影响。这些测试结构较为复杂，工艺难度较大，而且热辐射等影响并不能完全消除，结构设计重点在于降低其对测试、计算的影响。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种多晶硅-金属热电偶塞贝克系数的在线测试结构，利用两个测温电阻分别测量热稳态时热电偶冷、热端的实际温差，测量热电偶堆的开路电压，并通过简单计算得到多晶硅-金属热电偶的塞贝克系数。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的测试结构包括绝缘衬底、发热电阻、第一多晶硅电阻、第二多晶硅电阻、均热板和热电偶堆；发热电阻和第二多晶硅电阻分别设置在绝缘衬底上，均热板包裹在发热电阻上，第一多晶硅电阻位于均热板之上，热电偶堆的热端位于均热板上，冷端位于绝缘衬底上，发热电阻、第一多晶硅电阻、第二多晶硅电阻和热电偶堆的两端分别设有金属电极。

所述热电偶堆由多个多晶硅-金属热电偶串联而成，每个多晶硅-金属热电偶包括多晶硅条和金属条，多晶硅条和金属条相连。

所述均热板由二氧化硅制成，是具有较大热阻的绝缘材料，通过均热板将密集于发热电阻上的热场均匀到整个热电偶堆的热端区域。

一种多晶硅-金属多晶硅-金属热电偶塞贝克系数的在线测试方法，包括以下步骤：

(1)测量室温下第一多晶硅电阻的阻值R_103∞，测量室温下第二多晶硅电阻的阻值R_105∞；

(2)对发热电阻施加直流电源使其发热，同时检测第一多晶硅电阻的阻值变化，当第一多晶硅的阻值稳定时，记录此时第一多晶硅的阻值R_103T，测量此时第二多晶硅电阻的阻值R_105T，测量此时热电偶堆的开路电压V_OUTn；

(3)计算热电偶堆的塞贝克系数α_s：

${\mathrm{\α}}_s=\frac{V_{\mathrm{OUTn}}}{n\·({\mathrm{\ΔT}}_{105}-{\mathrm{\ΔT}}_{103})}$

其中：n为热电偶堆中热电偶的个数；

ΔT₁₀₃是第一多晶硅电阻上平均温度变化量，

式中，

a₁、a₂为多晶硅电阻的温度系数，为常数；

ΔT₁₀₅是第二多晶硅电阻上平均温度变化量，

式中，

当温度系数为负值时，根号前取“-”号；当温度系数为正值时，根号前取“+”号。

所述步骤(1)和步骤(2)中采用电阻表测量阻值，测量简便。

所述步骤(2)中采用高阻电压表测量开路电压，测量简便。

有益效果：本发明相比现有技术具有以下优点：本发明测试结构的结构简单，制作方便，采用普通的MEMS表面加工工艺即可得到，避免了复杂的悬空结构和体加工工艺，测量温度为热稳定时热电偶堆的热端与冷端的实际温度值，不需要考虑辐射、对流等因素的影响，测试要求低，测试方法及测试参数值稳定，计算简单可靠。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是加热电阻及其金属电极的结构示意图；

图3是均热板、加热电阻及其金属电极的结构示意图；

图4是第一多晶硅电阻、第二多晶硅电阻和热电偶堆的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～4所示，本实施例的测试结构包括绝缘衬底、发热电阻101、第一多晶硅电阻103、第二多晶硅电阻105、均热板102和热电偶堆；发热电阻101和第二多晶硅电阻105分别设置在绝缘衬底上，均热板102包裹在发热电阻101上，第一多晶硅电阻103位于均热板102之上，热电偶堆的热端位于均热板102上，冷端位于绝缘衬底上，发热电阻101、第一多晶硅电阻103、第二多晶硅电阻105和热电偶堆的两端分别设有金属电极107。

本实施例中热电偶堆由四个多晶硅-金属热电偶串联而成，每个多晶硅-金属热电偶包括多晶硅条104和金属条106，多晶硅条104和金属条106相连。

均热板102由二氧化硅制成，是具有较大热阻的绝缘材料，通过均热板102将密集于发热电阻101上的热场均匀到整个热电偶堆的热端区域。

本实施例的制作方法具体如下：

(1)在N型半导体硅片上热生长100纳米厚度的二氧化硅层，通过低压化学气相沉积工艺沉积一层500纳米厚度的氮化硅层，制成绝缘衬底；

(2)采用低压化学气相沉积工艺沉积一层300纳米的多晶硅层并进行N型重掺杂使该层多晶硅成为导体，通过光刻工艺刻蚀加热电阻图形；

(3)使用低压化学气相沉积工艺沉积2000纳米厚度的磷硅玻璃(PSG)，通过光刻工艺形成均热板102图形；

(4)利用低压化学气相沉积工艺淀积一层2000纳米厚度的多晶硅层，对该多晶硅层进行N型重掺杂，光刻刻蚀工艺形成第一多晶硅电阻103和第二多晶硅电阻105的图形以及热电偶堆的多晶硅条104；

(5)采用剥离工艺形成金属电极107和热电偶堆的金属条106图形。

对多晶硅-金属多晶硅-金属热电偶塞贝克系数的在线测试方法，包括以下步骤：

(1)测量室温下采用电阻表通过第一多晶硅电阻103两端的金属电极107测量其阻值R_103∞，测量室温下采用电阻表通过第二多晶硅电阻105两端的金属电极107测量其阻值R_105∞；

(2)对发热电阻101施加直流电源使其发热，电流的大小不能超过发热电阻101的电流容量，以避免熔断电阻，同时采用电阻表检测第一多晶硅电阻103的阻值变化，当第一多晶硅的阻值稳定时，表明发热电阻101所产生的热量通过均热板102传导并被均匀化，形成稳定均匀的热场，均热板102上温度已进入稳态，记录此时第一多晶硅的阻值R_103T，采用电阻表通过第二多晶硅电阻105两端的金属电极107测量此时第二多晶硅电阻105的阻值R_105T，采用高阻电压表通过热电偶堆两端的金属电极107测量此时热电偶堆的开路电压V_OUTn；

(3)计算热电偶堆的塞贝克系数α_s：

${\mathrm{\α}}_s=\frac{V_{\mathrm{OUTn}}}{n\·({\mathrm{\ΔT}}_{105}-{\mathrm{\ΔT}}_{103})}$

具体推导过程如下：

塞贝克系数α_S的计算公式为：

${\mathrm{\α}}_s=\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{\mathrm{\ΔT}}$

式中，V_OUT为热电偶的开路电压，ΔT为热电偶的热端与冷端的温度差。

为降低测试的难度，本实施例的热电偶堆由四个热电偶串联而成，因此，测量得到的开路电压需要除以串联热电偶的个数才为单个热电偶的开路电压，本实施例中n＝4。

第一多晶硅电阻103的阻值与其上平均温度变化量ΔT₁₀₃的关系为：

$R_{103T}=R_{103\∞}(1+a_1{\mathrm{\ΔT}}_{103}+a_2{\mathrm{\ΔT}}_{103}^2)$

式中a₁、a₂为多晶硅电阻的温度系数，已有研究表明可以通过测量得到多晶硅电阻的温度系数a₁、a₂，因此，将a₁、a₂作为已知量处理，作为常数代入求解公式，因为第一多晶硅电阻103和第二多晶硅电阻105的材料相同，所以第一多晶硅电阻103和第二多晶硅电阻105的温度系数相同。

将测量得到的R_103∞和R_103T代入电阻公式，由二次方程的求根公式得到：

${\mathrm{\ΔT}}_{103}=\frac{-a_1\±\sqrt{{a_1}^2+{4a}_2{k}_{103}}}{{2a}_2},$ 式中， $k_{103}=\frac{R_{103T}-R_{103\∞}}{R_{103\∞}}.$

当多晶硅电阻温度系数为负值时，根号前取“-”号；当温度系数为正值时，根号前取“+”号；

同理，第二多晶硅电阻105上平均温度变化量ΔT₁₀₅为：

${\mathrm{\ΔT}}_{105}=\frac{-a_1\±\sqrt{{a_1}^2+{4a}_2{k}_{105}}}{{2a}_2},$ 式中， $k_{105}=\frac{R_{105T}-R_{105\∞}}{R_{105\∞}}.$

当多晶硅电阻为负温度系数时，根号前取“-”号；当多晶硅电阻为正温度系数时，根号前取“+”号；

多晶硅-金属热电偶堆的热端和冷端温差为：

ΔT＝ΔT₁₀₅-ΔT₁₀₃

因此，多晶硅-金属热电偶的塞贝克系数为：

${\mathrm{\α}}_s=\frac{V_{\mathrm{OUTn}}}{n\·({\mathrm{\ΔT}}_{105}-{\mathrm{\ΔT}}_{103})}.$

Claims (5)

1.一种多晶硅-金属热电偶塞贝克系数的在线测试结构，其特征在于，包括绝缘衬底、发热电阻（101）、第一多晶硅电阻（103）、第二多晶硅电阻（105）、均热板（102）和热电偶堆；发热电阻（101）和第二多晶硅电阻（105）分别设置在绝缘衬底上，均热板（102）包裹在发热电阻（101）上，第一多晶硅电阻（103）位于均热板（102）之上，热电偶堆的热端位于均热板（102）上，冷端位于绝缘衬底上，发热电阻（101）、第一多晶硅电阻（103）、第二多晶硅电阻（105）和热电偶堆的两端分别设有金属电极（107）；所述热电偶堆由多个多晶硅-金属热电偶串联而成，每个多晶硅-金属热电偶包括多晶硅条（104）和金属条（106），多晶硅条（104）和金属条（106）相连。

2.根据权利要求1所述的多晶硅-金属热电偶塞贝克系数的在线测试结构，所述均热板（102）由二氧化硅制成。

3.根据权利要求1所述的多晶硅-金属热电偶塞贝克系数的在线测试结构的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）测量室温下第一多晶硅电阻（103）的阻值R_103∞，测量室温下第二多晶硅电阻（105）的阻值R_105∞；

（2）对发热电阻（101）施加直流电源使其发热，同时检测第一多晶硅电阻（103）的阻值变化，当第一多晶硅的阻值稳定时，记录此时第一多晶硅的阻值R_103T，测量此时第二多晶硅电阻（105）的阻值R_105T，测量此时热电偶堆的开路电压V_OUTn；

（3）计算热电偶堆的塞贝克系数α_s：

${\mathrm{\α}}_s=\frac{V_{\mathrm{OUTn}}}{n\·(\mathrm{\Δ}{T}_{105}-\mathrm{\Δ}{T}_{103})}$

其中：n为热电偶堆中热电偶的个数；

ΔT₁₀₃是第一多晶硅电阻（103）上平均温度变化量， $\mathrm{\Δ}{T}_{103}=\frac{{-a}_1\±\sqrt{{a_1}^2+{4a}_2{k}_{103}}}{{2a}_2},$ 式中， $k_{103}=\frac{R_{103T}-R_{103\∞}}{R_{103\∞}},$ a₁、a₂为多晶硅电阻的温度系数，为常数；

ΔT₁₀₅是第二多晶硅电阻（105）上平均温度变化量， $\mathrm{\Δ}{T}_{105}=\frac{{-a}_1\±\sqrt{{a_1}^2+{4a}_2{k}_{105}}}{{2a}_2},$ 式中， $k_{105}=\frac{R_{105T}-R_{105\∞}}{R_{105\∞}},$ 当温度系数为负值时，根号前取“-”号；当温度系数为正值时，根号前取“+”号。

4.根据权利要求3所述的多晶硅-金属热电偶塞贝克系数的在线测试结构的测试方法，其特征在于，所述步骤（1）和步骤（2）中采用电阻表测量阻值。

5.根据权利要求3所述的多晶硅-金属热电偶塞贝克系数的在线测试结构的测试方法，其特征在于，所述步骤（2）中采用高阻电压表测量开路电压。

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