CN109524534B - 一种双层mems热电堆结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层MEMS热电堆结构，结构包括一由高阻硅构成的衬底，所述衬底上方设有下热偶材料层、测量正电极和测量负电极，且下热偶布料层上覆盖设置有一由Si3N4构成的阻隔层，阻隔层正上方设置有一与下热偶布料层对称的上热偶布料层；上热偶布料层与下热偶布料层均由指定数目的金属和半导体间隔排列构成，上热偶布料层的每一金属连接下热偶布料层的每一半导体或上热偶布料层的每一半导体连接下热偶布料层上的每一金属形成一个热电偶，且每一热电偶串联连接，相连两个热电偶之间形成热电堆；测量正电极连接热电偶的首部，测量负电极连接热电偶的尾部；本发明增加了热电堆的热偶数目，提高热电堆探测器的灵敏度和温度分辨率，且面积小，便于集成。
Description
技术领域
本发明属于电子机械系统技术领域，具体涉及一种双层MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems，微电子机械系统)热电堆结构。
背景技术
在MEMS研究过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一，由于热电偶具有构造简单、测量方便、准确度高、温度测量范围宽等优点，在温度测量中应用极为广泛。热电偶通过将热势差转换为电势差进行温度测量，其工作原理基于热电效应，也被称为Seebeck效应：由A、B两种不同材料的导体一端紧密地连在一起，当两结点温度不等时，在另一端两点处就会产生电势，从而形成电流。由Seebeck效应产生的电压可表示为：
SA与SB分别为两种导体的塞贝克系数。热电堆是由多个热电偶串联而成，若SA与SB不随温度的变化而变化，则N个热电偶串联而成的热电堆的输出电压为：
V＝N(SB-SA)(T2-T1)
目前，可以通过优化热电堆的结构改善其性能，如一种MEMS热电堆结构及其制造方法(中国专利号：CN 103715348 A)，提出两层结构的热电堆，该结构通过将两种接触的热偶材料的热结置于吸热的顶部，冷结埋在导热材料的底部，使冷结不容易受环境温度的影响，且热结热量也不易散失。然而，该热电堆结构中只是将金属—半导体在上下两层错开放置，并未利用双层结构来实现热电偶数目的增加，无法实现热电堆探测器的灵敏度和温度分辨率提升。
发明内容
本发明目的是针对上述中现有的MEMS热电堆结构的灵敏度和温度分辨率较低的问题，提供一种双层MEMS热电堆结构，该双层MEMS热电堆结构保持整体占用面积不变的情况下，能够提升由热电堆构成的探测器的灵敏度和温度分辨率，具体技术方案如下：
一种双层MEMS热电堆结构，所述热电堆结构包括一由高阻硅构成的衬底，所述衬底上方设有下热偶材料层、测量正电极和测量负电极，且所述下热偶布料层上覆盖设置有一由Si3N4构成的阻隔层，所述阻隔层正上方设置有一与所述下热偶布料层对称的上热偶布料层；其中，所述上热偶布料层与所述下热偶布料层均由指定数目的金属和半导体间隔排列构成，且所述上热偶布料层的金属部分与所述下热偶布料层的半导体部分对称设置，所述上热偶布料层的半导体部分与所述下热偶布料层的金属部分对称设置，并且所述上热偶布料层的每一所述金属连接所述下热偶布料层的每一半导体或所述上热偶布料层的每一半导体连接所述下热偶布料层上的每一金属形成一个热电偶，且每一所述热电偶串联连接，相连两个所述热电偶之间形成热电堆；所述测量正电极连接所述热电偶的首部，所述测量负电极连接所述热电偶的尾部。
进一步的，所述金属与所述半导体连接处作为所述热电堆结构的热端，另一端的所述金属与所述半导体连接处作为所述热电堆结构的冷端。
进一步的，所述热电堆结构中包括偶数数目的所述热电偶。
本发明的双层MEMS热电堆结构，通过在在衬底上从下到上依次叠层设计下热偶布料层、阻隔层和上热偶布料层，并且将上热偶布料层上的金属与下热偶布料层上的半导体对称设置，上热偶布料层的半导体与下热偶布料层的金属对称设置，并且将上热偶布料层上的金属和半导体与下热偶布料层上的金属和半导体首尾连接在一起形成热电偶，在整个双层MEMS热电堆结构中形成偶数个热电偶，每两个相邻热电偶之间构成一个热点堆，并将上热偶布料层和下热偶布料层金属和半导体连接的一端作为热电堆的热端，相对的另一端作为冷端；与现有技术相比，本发明的有益效果为：在双层MEMS热电堆的热偶数量增加一倍的情况下，热电堆输出电压增加一倍，能够提高热电堆探测器的温度灵敏度和分辨率；在双层MEMS热电堆在热偶数量增加一倍的情况下热端区域面积不变，热端热量不会过多消散，可提高热电堆的热电转换效率以及热电堆探测器的稳定性；双层MEMS热电堆相较于单层MEMS热电堆的占用面积更小，更有利于器件的微型化。
附图说明
图1为本发明实施例中所述双层MEMS热电堆结构的三维结构图示意；
图2为本发明实施例中所述双层MEMS热电堆结构的俯视图示意；
图3为本发明实施例中所述双层MEMS热电堆结构的后视图示意；
图4为本发明实施例中所述双层MEMS热电堆结构的热电偶串联三维图示意。
标识说明：1-衬底、2-测量正电极、3-测量负电极、4-金属、5-半导体、6-阻隔层、7-热端、8-冷端。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参阅图1～图4，在本发明实施例中，提供了一种双层MEMS热电堆结构，所述结构包括一由高阻硅构成的衬底1，且在衬底1设有下热偶材料层、测量正电极2和测量负电极3，其中，下热偶布料层上覆盖设置有一由Si3N4构成的阻隔层6，阻隔层6正上方设置有一与下热偶布料层对称的上热偶布料层；具体的，上热偶布料层与下热偶布料层均由指定数目的金属4和半导体5间隔排列构成，结合附图可知，在上热偶布料层中最左边设置的是金属4，靠右相邻一侧设置的是半导体5，然后依次按照金属、半导体的顺序进行设置；而下热偶布料层则将最左边设置为半导体5，靠右相邻一侧设置金属4，然后依次按照半导体、金属的顺序进行设置；这样，即可将上热偶布料层的金属4部分与下热偶布料层的半导体5部分对称设置，上热偶布料层的半导体5部分与下热偶布料层的金属4部分对称设置，当然，此为本发明的一个优选实施例，亦可将上热偶布料层上的金属和半导体的连接设计与下热偶布料层上的金属和半导体的连接设计互换，对此，并发明并不进行限制和固定。
在具体实施例中，上热偶布料层的每一金属4连接下热偶布料层的每一半导体5或上热偶布料层的每一半导体5连接下热偶布料层上的每一金属4形成一个热电偶，且每一热电偶串联连接，相连两个热电偶之间形成热电堆；且将测量正电极2连接热电偶的首部，测量负电极3连接热电偶的尾部；同时结合附图2或附图3，如果与测量正电极2连接的首部为半导体5，则与测量负电极3连接的尾部为金属4；反之，在其他实施例中，若与测量正电极2连接的首部为尽速4，则与测量负电极3连接的尾部为半导体5。
结合图2，从中可知，本发明的一种实施例是金属4与半导体5连接处且远离测量正电极2、测量负电极3的一端作为热电堆结构的热端7，对应的，另一端的金属4与半导体5连接处作为热电堆结构的冷端8；结合图3，从中可知，将上热偶布料层的金属4或半导体5垂直折弯后与下热偶布料层上的半导体或金属4连接的一端作为本发明热电堆结构的热端7，而仅仅只是上热偶布料层的金属4与半导体5连接，或者仅仅是下热偶布料层的金属4与半导体5连接的一段作为本发明的冷端8。
为了保证所有的金属4和半导体5连接可以构成一个完整的热电偶，本发明中热电堆结构中包括偶数数目的所述热电偶。
在实际操作过程中，通过本发明的双层MEMS热电堆的热端7感知到外界温度时，此时，热端7与冷端8之间产生温度场，再根据Seebeck效应，在测量正电极2与测量负电极3之间就会产生直流电压差，根据所述直流电压差根据
即可计算得到外界温度的大小。
本发明的双层MEMS热电堆结构，通过在在衬底上从下到上依次叠层设计下热偶布料层、阻隔层和上热偶布料层，并且将上热偶布料层上的金属与下热偶布料层上的半导体对称设置，上热偶布料层的半导体与下热偶布料层的金属对称设置，并且将上热偶布料层上的金属和半导体与下热偶布料层上的金属和半导体首尾连接在一起形成热电偶，并且在整个双层MEMS热电堆结构中形成偶数个热电偶，每两个相邻热电偶之间构成一个热点堆，并将上热偶布料层和下热偶布料层金属和半导体连接的一端作为热电堆的热端，相对的另一端作为冷端；与现有技术相比，本发明的有益效果为：在双层MEMS热电堆的热偶数量增加一倍的情况下，热电堆输出电压增加一倍，能够提高热电堆探测器的温度灵敏度和分辨率；在双层MEMS热电堆在热偶数量增加一倍的情况下热端区域面积不变，热端热量不会过多消散，可提高热电堆的热电转换效率以及热电堆探测器的稳定性；双层MEMS热电堆相较于单层MEMS热电堆的占用面积更小，更有利于器件的微型化。
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。
Claims (3)
1.一种双层MEMS热电堆结构，其特征在于，所述热电堆结构包括一由高阻硅构成的衬底，所述衬底上方设有下热偶布料层、测量正电极和测量负电极，且所述下热偶布料层上覆盖设置有一由Si3N4构成的阻隔层，所述阻隔层正上方设置有一与所述下热偶布料层对称的上热偶布料层；其中，所述上热偶布料层与所述下热偶布料层均由指定数目的金属和半导体间隔排列构成，且所述上热偶布料层的金属部分与所述下热偶布料层的半导体部分对称设置，所述上热偶布料层的半导体部分与所述下热偶布料层的金属部分对称设置，并且所述上热偶布料层的每一所述金属连接所述下热偶布料层的每一半导体或所述上热偶布料层的每一半导体连接所述下热偶布料层上的每一金属形成一个热电偶，且每一所述热电偶串联连接，相连两个所述热电偶之间形成热电堆；所述测量正电极连接所述热电偶的首部，所述测量负电极连接所述热电偶的尾部。
2.如权利要求1所述的双层MEMS热电堆结构，其特征在于，所述金属与所述半导体连接处作为所述热电堆结构的热端，另一端的所述金属与所述半导体连接处作为所述热电堆结构的冷端。
3.如权利要求2所述的双层MEMS热电堆结构，其特征在于，所述热电堆结构中包括偶数数目的所述热电偶。
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