CN109084901A - 一种红外辐射传感器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种辐射传感器。该辐射传感器包括衬底；位于衬底上的膜片；具有吸收红外辐射的吸收层；所述吸收层与所述隔膜之间的支撑元件，所述吸收层与所述隔膜之间形成间隔间隙；其中间隙的大小在3.6微米到100微米之间。
Description
技术领域
各种涉及红外辐射传感器的领域。
背景技术
基于红外独特的吸收特性来检测物质(例如流体或气体分子)是广泛使用的方法。其应用涵盖了从家庭(如空调监控或火灾报警)到工业(如空气污染监测或随钻测井(LWD)工具)等领域。
它也适用于某些医疗应用。例如，监测呼吸气体中二氧化碳浓度的二氧化碳图提供了关于患者病情的重要信息。因此，开发具有高性能的红外辐射探测器对于这些应用至关重要。热电堆是将热能转换成电能的电子装置。热电堆通常用于红外辐射传感器，因为它们具有检测温度差的特性，但不是绝对温度，这对温度变化的有显著稳定性。
传统的基于热电堆的红外辐射传感器100具有悬浮的薄膜101，集成在一起的吸收层102和热电材料104，如图1所示。膜101悬挂在空腔105上方。吸收层102将被红外辐射加热并且热量被转换到热电部分104.热电堆中相对于吸收体的近端被称为“热结”106，其被吸收层102连续地加热。而基板则将远端的热量转换成环境温度，该部分是“冷结”108，如图1所示。因此，冷结108和热结106之间存在温差.根据塞贝克效应，冷结点108和热结点106之间将存在电压差。很明显，高效吸收器的设计是高效的红外传感器的第一步。
传统的基于热电堆的红外传感器100通常通过使用能够提供高达90％以上的吸收率的材料来增强吸收器的性能。然而，吸收面积仍然有很大的局限性，如图1所示，吸收面积限于中心部分，这意味着检测器吸收的能量受到限制，从而影响对相同辐射强度的响应。
3D吸收器已被用于微型辐射热测量计。但是，过程和设计都不适用于热电堆。微型辐射热测量仪的尺寸相对较小，吸热体和热电层之间的小间隙会因产生空气对流而限制热电堆的性能。
发明内容
根据本发明，公开了一种辐射传感器。辐射传感器包括衬底；位于衬底上的隔膜；吸收层，其被配置为吸收红外辐射；布置在吸收层和隔膜之间的支撑元件，使得在吸收层和隔膜之间形成间隙；其中间隙的大小处于大约3.6微米至约100微米范围内。
根据本发明，公开了另一种辐射传感器。辐射传感器包括衬底；位于衬底上的隔膜；吸收层，其被配置为吸收红外辐射；布置在吸收层和隔膜之间的支撑元件，使得吸收层相对于隔膜具有间隔关系；在吸收层和衬底之间形成的第一腔体，第一腔体是真空的。
附图说明
在附图中，在不同的图示中，相似的数字标记通常表示相同的部分。附图不一定按比例绘制，重点在说明本发明的原理上。在以下描述中，参照以下附图描述了本发明的各种实施例，其中：
图1示出了传统的基于热电堆的红外辐射传感器。
图2示出了根据本发明的辐射传感器的示意图。
图3示出了根据本发明的辐射传感器的示意图。
图4a示出了根据本发明的辐射传感器的三维视图。
图4b和图4c示出了根据本发明的辐射传感器的横截面图。
图5示出了根据本发明的辐射传感器的示意图。
图6示出根据本发明的仅包括3D吸收器的传感器的设计的示例性模型。
图7a示出根据本发明的辐射传感器的三种设计的灵敏度(Rs)的模拟结果。图7b示出根据本发明的辐射传感器的三种设计的探测灵敏度(D*)的模拟结果的图。
图8a示出了根据本发明的相对于辐射传感器的支撑元件的半径绘制的灵敏度(Rs)和探测灵敏度(D*)的曲线图。
图8b示出了根据本发明的相对于辐射传感器25的支撑元件的半径绘制的热结点和冷结点之间的温差的曲线图。
图9a示出了根据本发明的辐射传感器中针对间隔间隙绘制的灵敏度(Rs)和探测率(D*)的曲线图。
图9b示出了根据本发明的辐射传感器中间隔的热结点和冷结点之间的温差的曲线图。
实施方式
下面将参照附图详细描述辐射传感器的实施。应该理解，下面描述的实施例可以在不改变本发明的本质的情况下在各个方面进行修改。
根据本发明，描述了具有吸收材料的大盖层的基于3D热电堆的辐射感测结构以及热电堆结构的辐射热传感器，包括盖层上的金属螺柱和辐射吸收层。
图2示出了根据本发明的辐射传感器200的示意图。辐射传感器200包括衬底202和位于衬底202上的隔膜204.辐射传感器200包括被配置为吸收红外辐射的吸收层206。辐射传感器200还包括布置在吸收层206和隔膜204之间的支撑元件208，使得在吸收层206和隔膜204之间形成间隔间隙210.在本例中，间隙210的尺寸是在约3.6微米至约100微米的范围内。
在一些实施例中，隔膜204包括热电堆结构。热电堆结构具有热结和冷结。支撑元件208可以与热电堆结构的热结点接触。间隔间隙210的尺寸可以在约5微米至约100微米的范围内。
在一个具体实施例中，间隔间隙210的尺寸可以为以下：3.6-50微米，50-100微米，3.6-25微米，25-50微米，50-75微米，75-100微米，3.6-10微米，10-30微米，20-30微米，30-40微米，40-50微米，50-60微米，60-70微米，70-80微米，80-90微米，90-100微米。
在本实施例中，隔膜204具有通过支撑元件208与吸收层206的热连接。支撑元件208可以由导电材料制成。支撑元件208可以是实心的或不是实心的。
辐射传感器200可以包括第一腔体。第一腔体可以形成在吸收层206和基板202之间。第一腔体可以包封热电堆结构和支撑元件208.第一腔体可以是真空的。
辐射传感器200进一步包括形成在衬底202中的第二腔。隔膜204可以横跨第二腔延伸。第二腔体可以是真空的。
在本实施例中，吸收层206以伞型配置覆盖隔膜204。术语“伞型配置”可以表示吸收层206具有延伸越过隔膜204并覆盖隔膜204的伞形状。也意味着吸收层206将隔膜204完全包封在限定的空间/空腔中。
图3示出了根据本发明的辐射传感器300的示意图。辐射传感器300包括衬底302和位于衬底302上的隔膜304.辐射传感器300包括被配置为吸收红外辐射的吸收层306。辐射传感器300还包括布置在吸收层306和隔膜304之间的支撑元件308，使得吸收层306相对于隔膜304具有间隔开的关系。辐射传感器300包括吸收层306和衬底302之间的第一腔310。第一腔310可以是真空的。空腔310可以由设置在吸热层306和衬底302之间的密封材料312形成。
辐射传感器300可以进一步包括形成在衬底302中的第二腔体。隔膜304可以横跨第二腔体悬置。第二腔体可以是真空的。
隔膜304可以包括热电堆结构。热电堆结构有一个热结点和一个冷结点。支撑元件308可以与热电堆结构的热结点接触。
隔膜304具有通过支撑元件308到吸收层306的热连接。支撑元件308可以由导电材料制成。支撑元件308可以是实心的或不是实心的。
吸收层306以伞型配置覆盖隔膜304。术语“伞型配置”可以表示吸收层306具有延伸越过隔膜304并覆盖隔膜304的伞形状。还可以意味着吸收层306将隔膜304完全包封在限定的空间/腔。
图4a示出了辐射传感器的三维视图400。
图4b和图4c示出了辐射传感器400的截面图。辐射传感器400具有衬底402和布置在衬底402上方的隔膜404.辐射传感器400具有吸收层406和支撑元件408。支撑元件408布置在隔膜404与吸收层406之间，使得吸收层406相对于隔膜404具有间隔开的关系。隔膜404与吸收层之间存在间隔间隙410
在本实施例中，间隔间隙410处于约3.6-100微米的范围内。
在另一些实施例中，间隔间隙410可处于约5-100微米的范围内。间隔间隙410可以与辐射传感器400将要检测的光的波长无关。间隔间隙410取决于导热性和制造工艺。较大的间隔间隙410会使隔膜404与吸收层406之间的可能的空气对流效应最小化。
在本实施例中，隔膜404包括热电堆结构412.热电堆结构412可具有热电属性，例如形成热电堆的电路。热电堆结构412可以具有热结414和冷结415.支撑元件408可以与热电堆结构412的热结414接触。此外，隔膜404可以包括通过支撑元件408到吸收层406的热连接.
支撑元件408由导体制成。导体材料可以是导热的，导电的或导热和导电的。导体材料可以包括但不限于金属。支撑元件408可以是实心的,例如，如图4b和图4c所示，支撑元件408是填充短柱(例如金属柱)。或者，支撑元件408可能不是实心的,例如，如图5所示，支撑元件408具有支撑管状结构。支撑元件408可以将吸收的热量从吸收层406转移到隔膜404的热电堆结构412(例如热电堆结构的热结414)。支撑元件408可以形成在吸收层406下方，使得吸收层406的整个表面可以用于吸收辐射。
吸收层406可以包括反射层416，设置在反射层416上方的电介质层418以及设置在电介质层418上方的吸收层420.吸收层406被配置为吸收红外辐射。如图4C所示，吸收层406可以以伞形结构覆盖隔膜404。因此，可以形成更大的辐射吸收区域。
在吸收层406与衬底402之间形成第一空腔422.第一空腔422上封装了隔膜404和支撑元件408.第一空腔422可以是真空的。辐射传感器400可以进一步包括形成在衬底402中的第二腔424.隔膜404可以横跨第二腔424悬置。第二腔424可以是真空的。
第一腔体422和第二腔体424可以通过减少热损失来增强辐射传感器400的性能(灵敏度和检测性)。第一腔422和第二腔424可以去除隔膜404和吸收层406之间的空气对流效应。
在一个实施例中，辐射传感器400可以包括在悬浮膜上的热电图案(例如膜/膜片悬浮在形成于基底中的空腔上)。密封腔可以在辐射传感器400的制造过程中形成在膜下方.辐射吸收层可以在盖层上制备。盖层可以位于热电图案的顶部。在盖层和热电图案之间可能存在间隔间隙。可以在辐射吸收层和10个热电图案之间布置金属柱以有效地将吸收的热量从辐射吸收层传送到热电图案。
列出了基于热电堆的红外传感器/检测器(例如辐射传感器200，300，400)的响应性(Rs)和检测性(D*)的模拟。模拟了热结点和冷结点之间的温差。还对传感器的响应度(Rs)和探测率(D*)进行了模拟。
为了证明此种传感器设计的优势，模拟主要集中在三个方面：气隙的影响(如间隙)，真空(如腔体)和3D吸收器(如吸收层)的影响以及金属螺柱的影响(例如支撑元件的大小)。“3D吸收体”可以指设置在支撑元件和热电堆上或上方的吸收层。在1)没有涉及3-D吸收器，2)仅涉及3-D吸收器，以及3)3-D吸收器和真空的条件下模拟了热结和冷结之间的温度差包括密封。图6示出了仅包括3-D吸收器的传感器600的设计的示例性模型。
在实施例中，热电堆的长度可以在约200μm至600μm之间变化。热电堆的宽度可以固定在约16μm。传感器600可以包括衬底602，具有二氧化硅部分604和多晶硅部分606的热电堆603，接触区域(支撑元件)608和吸收层610.热电堆中的热电偶的数量为96。602可以包括硅。接触区域608可以包括铜。吸收层610可以包括铝。
可使用以下公式计算响应度(Rs)和探测率(D*)。
Vout＝N(α1-α2)ΔT＝(α1-α2)ΔTtotal
其中Vout是由热电堆红外探测器产生的电压，N是红外探测器热电堆中热电偶的数量，α1是热电材料A的塞贝克系数(A是多晶硅)，α2是热电材料B(B是铝)的塞贝克系数，ΔT是每个热电偶的温度差，ΔTtotal是每个热电偶的温度差的总和热电堆是一个串联的热电偶阵列。由热电堆红外探测器产生的电压与热电偶N的数量成正比。热电堆红外探测器的两个重要性能指标是灵敏度和特定探测率。灵敏度(Rs)是输出电压与入射辐射功率比值。
其中Φrad是红外辐射功率密度，As是探测器的灵敏区域。
探测能力用于比较不同探测器的性能，可以写成
其中Vnoise是噪声热电堆红外探测器的电压
热电堆红外探测器的噪声电压可以用下式表示：
其中K是玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)，T是温度，Relec是热电堆探测器的电阻，Δf是带宽的测量值
热电堆探测器的Relec可以计算如下：
这里Rpoly是多晶硅热电偶腿的电阻，RAl是铝热电偶腿的电阻，Wpoly是多晶硅的宽度，WAl是铝的宽度，l2是热电偶的长度，N是热电堆红外检测器热电堆的热电偶数，Rcontact是热电偶腿的接触电阻
图7a示出了热电堆红外检测器/传感器的三种设计的灵敏度(Rs)的模拟结果：1)没有3-D吸收器，2)仅有3-D吸收器，和3)包括3-D吸收器和真空密封。曲线702为没有3D吸收器的检测器的灵敏度曲线图。曲线704为仅具有3-D吸收器的检测器的灵敏度曲线图。曲线706为具有3D吸收器和真空密封的检测器的灵敏度(Rs)曲线图。可以观察到，具有3D吸收器和真空密封的检测器与没有3D吸收器并且检测器仅具有3D吸收器的检测器相比具有更好的灵敏度(Rs)。
图7b示出了热电堆检测器的三种设计的检测性(D*)的模拟结果：1)没有3-D吸收器，2)仅3-D吸收器，以及3)3-D包括吸收器和真空密封。曲线图752为没有3D吸收器的探测器的(D*)曲线。曲线图754为仅具有3-D吸收体的探测器的(D*)曲线。曲线图756为具有3D吸收器和真空密封的探测器的(D*)曲线。可以观察到，具有3D吸收器和真空密封的检测器与没有3D吸收器和仅具有3D吸收器的检测器相比具有更好的检测性(D*)，3-D吸收器和真空密封可以增强检测器的性能。三维结构可以提高吸收面积和性能，真空密封可以提高热利用。
在此提供一个检测器的参数的优化设计。在后面的模拟步骤中，参数可以固定如下：热电堆的长度约为600um，热电堆的宽度约为16um，热电偶的数量为96个。支撑元件的边长以及探测器的间距在后面的模拟步骤中会发生变化。支撑元件的尺寸可以确定将有多少热量转换成热电部件(例如热电堆)。图8a和8b显示了支撑元件的尺寸的影响。
图8a示出了支撑元件的半径与检测器/传感器的灵敏度(Rs)和检测率(D*)的关系曲线。曲线图802为支撑元件的半径与灵敏度(Rs)的关系曲线。曲线图804为支撑元件的半径与检测率(D*)的关系曲线。在支撑元件的尺寸非常小的情况下，支撑元件的边缘将远离热结点，这导致转换成热电部件的热量不明显。当支撑元件的尺寸增加到500um乘500um(其等于热电堆的中心部分)时，支撑元件的半径(这意味着边缘的一半长度)增加到250um，这是一个关键点，此时大量的热量被转换到探测器热电堆的热结点。因此，曲线图800示出了当支撑元件的半径大约为250um时，探测器的灵敏度(Rs)和探测器(D*)的跳跃。然而，当支撑元件尺寸从250um进一步增加，加热点变得更接近冷结点，这导致冷端温度升高。因此，如图8的曲线图850所示，随着支撑元件的尺寸从250pm进一步增加，热结点和冷结点之间的温度差减小。这表现在支撑元件的尺寸增加时灵敏度(Rs)和检测率(D*)的下降。
图9a和9b显示气隙影响的模拟结果。
图9a示出了间隔间隙(即，支撑元件的高度)与灵敏度(RS)和检测率(D*)的曲线图。曲线图902为间隔间隙与灵敏度(Rs)的关系曲线。曲线图904为间隔间隙与探测率(D*)的关系曲线。
检测器的灵敏度(Rs)和检测器(D*)随间隔间隙增加而增加(即，支撑元件的高度增加)。
图9b示出了间隔间隙(即，支撑元件的高度)与热结点和冷结点之间的温度差的曲线图950。随着间隙增大(即支撑元件的高度增加)，热结点和冷结点之间的温差增大。空气对流将给热电堆带来大量热量以加热冷结点。因此，随着间隔增加，热结与冷结之间的温差增加速率降低。随着间隔增加，检测器的灵敏度(Rs)和检测器(D*)增加。探测器的性能增加，而支撑元件的高度变大。然而，气隙越大，金属螺柱越大，这意味着同时增加表面积。更大的表面积导致更多热量损失在空气中。当支撑元件的间隔间隙/高度从30um向上时，图900中的902、904以及曲线图950中的曲线会变得静止，比如零梯度。
没有3D吸收器的常规热电堆吸收面积受限于热电堆的中心部分，这导致性能的限制。传统的具有3D吸收器的微型辐射热测量计也有其局限性。传统的微型辐射热测量仪非常小，输出受到限制，所以限制了应用。热电部件和吸收器之间的间隙太小，以致空气对流严重影响性能。
上面描述的模拟结果表明，具有3D吸收器和辐射吸收层与热电组件之间的大间隙的传感器具有更高的灵敏度(Rs)和探测率(D*)。根据模拟结果，传感器200,300,400的传感器结构具有优于常规红外感测装置的几个优点。基于3-D热电的辐射传感结构(例如传感器200,300,400)具有更小的占地面积和最大化的吸热面积，红外传感器检测区域不限于热电堆的中心部分。大的金属螺柱被有效地用作辐射吸收层与热电梁的热结点之间的理想热路径。大金属螺柱可以有效地将吸收的辐射热量传送到热电梁/带的热交界处。在吸收层下方形成大金属柱，使得吸收层的整个表面可以有效地吸收辐射。较大的吸收面积(填充因子)可以帮助增加红外能量吸收。传感器200,300,400具有增大的顶部气隙(即，大于)，当在空气中操作时，可以有效地减少由于空气对流而导致的热损失。气隙与波长无关。大气隙可以使顶部辐射吸收层与底部热电梁之间(例如吸收层与隔膜之间)的空气对流效应最小化。使用封装的真空腔可以实现传感器200,300,400的性能的进一步增强。封装的真空腔可以去除任何可能的空气对流。可以使用后CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺来形成下面的真空腔体和顶部封装的真空腔体，其可以进一步改善传感器性能。可以使用CMOS兼容的红外热电堆制造工艺来形成传感器200,300,400。可以使用例如二氧化硅对顶部封装的真空腔体(例如第一腔体)进行真空密封。可以使用低成本的晶片级真空封装来减少热损失并且提高传感器200,300,400的灵敏度。支撑元件(如金属螺柱)可以用厚二氧化硅层形成。可以使用正面蚀刻来产生传感器200,300,400的结构。传感器200,300,400可以用于各种应用，包括气体传感器，流体组分传感器，污染传感器和碳氢化合物检测。虽然已经参考实施例具体描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，可以在其中进行形式和细节上的各种改变，而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (20)
1.一种辐射传感器，包括：衬底；位于衬底上的隔膜；吸收层，其被配置为吸收红外辐射；布置在吸收层和隔膜之间的支撑元件，使得吸收层和隔膜之间形成间隔；其中间隔间隙的大小在约3.6微米至约100微米的范围内。
2.根据权利要求1所述的辐射传感器，其中所述隔膜包括热电堆结构。
3.根据权利要求2所述的辐射传感器，其中，所述热电堆结构具有热接点和冷接点，所述支撑元件与所述热电堆结构的热接点接触。
4.根据权利要求1所述的辐射传感器，其中所述间隔间隙的大小在约5微米至约100微米的范围内。
5.根据权利要求1所述的辐射传感器，其中所述隔膜具有通过所述支撑元件到所述吸收层的热连接。
6.根据权利要求1所述的辐射传感器，其中所述支撑元件由导电材料制成。
7.根据权利要求6所述的辐射传感器，其中所述支撑元件是实心的或空心的。
8.根据权利要求2所述的辐射传感器，其中在所述吸收层与所述衬底之间形成第一腔体，所述第一腔体包封所述热电堆结构和所述支撑元件。
9.根据权利要求8所述的辐射传感器，其中所述第一腔体是真空的。
10.根据权利要求1所述的辐射传感器，还包括形成在所述衬底中的第二腔体，其中所述隔膜横跨所述第二腔体悬挂。
11.根据权利要求10所述的辐射传感器，其中所述第二腔体是真空的。
12.根据权利要求1所述的辐射传感器，其中，所述吸收层以伞型结构覆盖所述隔膜。
13.一种辐射传感器，包括：衬底；位于衬底上的隔膜；吸收层，其被配置为吸收红外辐射；支撑元件，其布置在所述吸收层与所述隔膜之间，使得所述吸收层相对于所述隔膜具有间隔开的关系；在吸收层和衬底之间形成的第一腔体，第一腔体是真空的。
14.根据权利要求13所述的辐射传感器，还包括形成在所述衬底中的第二腔，其中所述隔膜横跨所述第二腔悬挂。
15.根据权利要求14所述的辐射传感器，其中所述第二腔体是真空的。
16.根据权利要求13所述的辐射传感器，其中所述隔膜包括热电堆结构。
17.根据权利要求16所述的辐射传感器，其中所述热电堆结构具有热连接点和冷连接点，所述支撑元件与所述热电堆结构的热连接点接触。
18.根据权利要求13所述的辐射传感器，其中所述隔膜具有通过所述支撑元件到所述吸收层的热连接。
19.根据权利要求13所述的辐射传感器，其中所述支撑元件由导电材料制成。
20.根据权利要求19所述的辐射传感器，其中所述支撑元件是固体或非固体。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2018-07-10 CN CN201810751673.9A patent/CN109084901A/zh active Pending
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