CN111397746A - 一种自测试mems热电堆红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的自测试MEMS热电堆红外探测器，包括衬底及层叠设置于其表面的支撑层，支撑层背离衬底的表面设置有热电堆组件及红外吸收单元，红外吸收单元与热电堆组件接触以实现两者热连通，热电堆组件和红外吸收单元之间设置有电绝缘结构；还包括自检部件，当其施压端外接电源及接地端接地时，其产生的热量通过红外吸收单元传导至热电堆组件使之产生电势差，从而可以得到热电堆的电学响应率；通过将两次施压得到的电学响应率差值与响应率差值预设阈值对比，即可判断器件是否正常工作，从而实现了MEMS热电堆探测器自测试功能避免使用专门设备进行测试，有效降低了测试成本，减少了器件测试过程的耗时，使器件的使用更加便利。
Description
技术领域
本发明涉及热电堆传感器技术领域，具体涉及一种自测试MEMS热电堆红外探测器。
背景技术
热电堆探测器的工作原理是以塞贝克效应为基础，通过探测物体发射的红外电磁波将其转换为可测电信号表征物理温度。利用热电堆环境适应性、小尺寸、方便性等优点，红外热电堆传感器广泛应用于红外搜查、非接触测温、安防、智能电器、有害气体监测等行业。随着微电子技术的发展，微电子机械系统(MEMS：Micro－Electro－MechanicalSystem)的概念得到广泛关注。凭借MEMS技术，半导体材料及工艺被应用到热电堆传感器中，形成了MEMS热电堆传感器。MEMS热电堆传感器够实现非接触式测温，而且具备很高的灵敏度，能够监测微小的温度变化。
然而MEMS热电堆传感器的参数值可能会因为环境的改变和制造工艺的波动而变化，其灵敏度也会受到环境影响，因此在实际应用前需要利用专门设备进行测试，增加了器件测试过程的耗时，具有较高的测试成本。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有MEMS热电堆传感器使用前需要利用专门设备进行测试的缺陷，从而提供一种自测试MEMS热电堆红外探测器。
本发明提供一种自测试MEMS热电堆红外探测器，包括衬底及层叠设置于其表面的支撑层，所述支撑层背离所述衬底的表面设置第一设置区和第二设置区，所述第一设置区内设置热电堆组件，所述第二设置区内设置红外吸收单元，所述红外吸收单元与热电堆组件接触以实现两者热连通；所述热电堆组件和红外吸收单元之间设置用于避免两者电接触的电绝缘结构；以及，还包括自检部件，设置于所述第二设置区且与所述红外吸收单元接触，所述自检部件具有接地端和施压端，所述施压端外接电源及接地端接地时，所述自检部件产生的热量通过红外吸收单元传导至热电堆组件。
进一步地，所述自检部件设置于所述红外吸收单元底部，且位于所述电绝缘结构远离所述热电堆组件的一侧；或，
所述自检部件设置于所述红外吸收单元底部，且远离所述电绝缘结构；或，所述自检部件设置于所述红外吸收单元的上方。
进一步地，所述自检部件为石墨烯层。
进一步地，所述红外吸收单元包括层叠设置的氮化硅吸收层和石墨烯吸收层，所述氮化硅吸收层设置于第二设置区，所述氮化硅吸收层和/或石墨烯吸收层与热电堆组件接触以实现两者热连通。
进一步地，所述热电堆组件的数量至少为两个，所述自检部件沿与之相邻的所述热电堆组件的热端延伸，且相邻自检部件串联。
进一步地，所述热电堆组件包括层叠设置的第一热电偶、电绝缘薄膜及第二热电偶，所述第一热电偶的一端与第二热电偶的一端连接以构成所述热电堆组件的热端。
进一步地，所述第一热电偶的材质为P型多晶硅，所述第二热电偶的材质为金属铝或N型多晶硅；所述电绝缘薄膜的材质为二氧化硅。
进一步地，所述红外吸收单元通过所述电绝缘结构的上表面与所述第二热电偶接触；或，所述红外吸收单元通过所述电绝缘结构的上表面与所述第一热电偶和第二热电偶连通。
进一步地，所述自测试MEMS热电堆红外探测器还包括，与所述热电堆组件串联设置的热电堆电极以输出热电堆电压。
进一步地，所述热电堆组件与红外吸收单元的上方还设置有保护层。
进一步地，所述保护层的材质为二氧化硅。
进一步地，所述支撑层的材质为二氧化硅或氮化硅；或，
所述支撑层包括层叠设置的第一氧化硅层、氮化硅层及第二氧化硅层。
进一步地，所述电绝缘结构的材质为二氧化硅。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的自测试MEMS热电堆红外探测器，通过将接地端接地并对施压端施加一定电压值时，自检部件产生的焦耳热通过红外吸收单元传导至热电堆组件热端使热电堆组件产生电势差，从而可以得到热电堆的电学响应率；通过将两次施压得到的电学响应率差值与响应率差值预设阈值对比，即可判断器件是否正常工作。通过在MEMS热电堆探测器上集成自检部件，实现了MEMS热电堆探测器自测试功能，避免使用专门设备进行测试，有效降低了测试成本，减少了器件测试过程的耗时，使器件的使用更加便利。
2.本发明提供的自测试MEMS热电堆红外探测器，自检部件为石墨烯层。MEMS热电堆探测器进行自测试时，石墨烯可发挥其导电性以达到自测试效果；同时，MEMS热电堆探测器正常工作时，石墨烯还可以发挥其优异的热传导性能、红外吸收性能，用以吸收并传导红外辐射，相比于Al等金属材料作为自检测结构，石墨烯材料的红外吸收性更强，从而提高了热电堆器件的响应率和探测率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中提供的自测试MEMS热电堆红外探测器的主视图；
图2为图1所示虚线A－A’处的第一种剖面图；
图3为图1所示虚线A－A’处的第二种剖面图；
图4为图1所示虚线A－A’处的第三种剖面图；
图5为图1所示虚线A－A’处的第四种剖面图；
图6为图1所示虚线A－A’处的第五种剖面图；
附图说明：
1－衬底；2－支撑层；21－第一氧化硅层；22－氮化硅层；23－第二氧化硅层；3－热电堆组件；31－第一热电偶；32－第二热电偶；33－电绝缘薄膜；4－红外吸收单元；41－氮化硅吸收层；42－石墨烯吸收层；5－电绝缘结构；6－自检部件；7－接地电极；8－施压电极；9－热电堆电极；10－保护层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实施例提供一种自测试MEMS热电堆红外探测器，包括衬底1及层叠设置于其表面的支撑层2，支撑层2背离衬底1的表面设置第一设置区和第二设置区，第一设置区内设置热电堆组件3，第二设置区内设置红外吸收单元4，红外吸收单元4与热电堆组件3接触以实现两者热连通；热电堆组件3和红外吸收单元4之间设置用于避免两者电接触的电绝缘结构5；以及，还包括自检部件6，设置于第二设置区且与红外吸收单元4接触，自检部件6具有接地端和施压端，施压端外接电源及接地端接地时，自检部件6产生的热量通过红外吸收单元4传导至热电堆组件3。
上述自测试MEMS热电堆红外探测器，通过将接地端接地并对施压端施加一定电压值时，自检部件6产生的焦耳热通过红外吸收单元4传导至热电堆组件3热端使热电堆组件3产生电势差，从而可以得到热电堆的电学响应率；通过将两次施压得到的电学响应率差值与响应率差值预设阈值对比，即可判断器件是否正常工作。通过在MEMS热电堆探测器上集成自检部件，实现了MEMS热电堆探测器自测试功能，避免使用专门设备进行测试，有效降低了测试成本，减少了器件测试过程的耗时，使器件的使用更加便利。
具体地，红外吸收单元4为氮化硅吸收层，其厚度为0.05μm-20μm；自检部件6为石墨烯层，其层数为1－100层。石墨烯具有导电性，将其用于自检部件6可以达到自测试效果，当MEMS热电堆探测器正常工作时，石墨烯还可以发挥其优异的热传导性能、红外吸收性能，用以吸收并传导红外辐射，相比于Al等金属材料作为自检测结构，石墨烯材料的红外吸收性更强，从而提高了热电堆器件的响应率和探测率。
如图1所示，自测试MEMS热电堆红外探测器还包括与热电堆组件3串联设置的热电堆电极9、与自检部件的接地端相连接的接地电极7及与自检部件的施压端相连接的施压电极8，热电堆电极9包括第一电极和第二电极；热电堆组件3的数量至少为两个，自检部件沿与之相邻的热电堆组件3的热端延伸设置，且相邻自检部件串联设置。
如图2所示，热电堆组件包括层叠设置的第一热电偶31、电绝缘薄膜33及第二热电偶32，第一热电偶的一端与第二热电偶的一端连接以构成热电堆组件的热端；其中，第一热电偶31的热偶条长度0.01－1000μm、宽0.01－50μm、厚0.01－20μm，第二热电偶32的热偶条长度0.01－1000μm、宽0.01－50μm、厚0.01－20μm，电绝缘薄膜33的厚度0.001－20μm；第一热电偶31的材质为P型多晶硅，第二热电偶32的材质为金属铝或N型多晶硅，电绝缘薄膜33的材质为二氧化硅。自检部件6设置于红外吸收单元4底部，且位于电绝缘结构5远离热电堆组件3的一侧，如图1所示，红外吸收层覆盖在自检部件6及热电堆组件3热端的上方；需要理解的是，如图3所示，自检部件6还可设置于红外吸收单元4底部且远离电绝缘结构5，如图1所示，红外吸收层覆盖在自检部件6及热电堆组件3热端的上方；或，如图4所示，自检部件6设置于红外吸收单元4的上方；其他使自检部件6与红外吸收单元4接触且不与热电堆组件3相接触的位置均属于本申请的保护范围。
具体的，热电堆电极9与若干热电堆组件3的连接方式为：第一电极与靠近其的热电堆组件3中的第一热电偶31的冷端连接，第一热电偶31的热端与第二热电偶32的热端连接，且第二热电偶32的冷端与相邻的另一热电堆组件3的第一热电偶31的冷端连接，该第一热电偶31的热端与该热电堆组件3中的第二热电偶32的热端连接，该第二热电偶32的冷端又与其相邻的下一热电堆组件3的第一热电偶31的冷端连接，按照这种方式，直至最后一个热电堆组件3中第一热电偶31的冷端与第二电极连接，热电堆电极9用以在自测试和正常使用器件输出热电堆电压值。
需要理解的是，本申请中涉及的第一热电偶31的冷端和第二热电偶32的冷端构成热电堆组件3的冷端，第一热电偶31的热端和第二热电偶32的热端构成热电堆组件3的热端。
作为一种可选的实施方式，如图2所示，红外吸收单元4通过电绝缘结构5的上表面与第二热电偶32接触；或，如图6所示，红外吸收单元4通过电绝缘结构5的上表面与第一热电偶31和第二热电偶32连通。红外吸收单元4与热电堆组件3的上述两种连接方式均可使红外吸收单元与热电堆组件具有良好的热接触，此外其他可使红外吸收单元与热电堆组件具有良好的热接触的连接方式均属于本申请的保护范围。
进一步地，热电堆组件3与红外吸收单元4的上方还设置有保护层10，保护层的材质为二氧化硅，其厚度为0.001－20μm；电绝缘结构5的材质为二氧化硅；衬底1的材质为单晶硅，其厚度为10－1000μm；支撑层2的材质为厚度为0.001－20μm的二氧化硅；或厚度为0.001－20μm的氮化硅；或由层叠设置的第一氧化硅层21、氮化硅层22及第二氧化硅层23构成以改善支撑层2的应力，其中第一氧化硅层21的厚度为0.001－20μm，氮化硅层22的厚度为0.001－20μm，第二氧化硅层23的厚度为0.001－20μm。
作为一种改进的实施方式，如图5所示，红外吸收单元4包括层叠设置的氮化硅吸收层41和石墨烯吸收层42，氮化硅吸收层41设置于第二设置区，氮化硅吸收层41和/或石墨烯吸收层42与热电堆组件3接触以实现两者热连通，其中氮化硅吸收层41的厚度为0.001－20μm，石墨烯吸收层42的层数为1－100层。在氮化硅吸收层41上增设石墨烯吸收层42，可以利用石墨烯和氮化硅的双层吸收能力，增强吸收区对红外辐射的吸收能力，提高热电堆器件的响应率和探测率。
具体的，上述自测试MEMS热电堆红外探测器的工作过程如下：
1.器件自测试阶段：
(1)自检结构接地电极接地，施压电极施加不为零的电压V1，自检部件产生的焦耳热通过红外吸收单元传导至热电堆组件热端，由此热电堆组件产生电势差ΔV1，通过计算可以得到此时热电堆的电学响应率Rv1；
(2)在施压电极再次施加不为零的电压V2(V2≠V1)，自检部件产生的焦耳热通过红外吸收单元传导至热电堆组件热端，由此热电堆组件产生电势差ΔV2，通过计算可以得到此时热电堆的电学响应率Rv2；
(3)将步骤(1)－步骤(2)得到的电学响应率Rv1和Rv2求差并取其绝对值a，将其与响应率差值预设阈值δ进行比较，若a≤δ，则判定MEMS热电堆探测器芯片自测试通过，器件可以正常工作；若a＞δ，则判定MEMS热电堆探测器芯片自测试未通过，器件不可以正常工作。
2.器件正常工作阶段：
自检部件的两端不施加电压，被测物体辐射出的红外电磁波照射在红外吸收单元及自检部件上，热通过红外吸收单元传导至热电堆组件热端，由此可以得到此时热电堆的电学响应率Rv3，继而经过数据分析完成非接触红外测温。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种自测试MEMS热电堆红外探测器，包括衬底及层叠设置于其表面的支撑层，所述支撑层背离所述衬底的表面设置第一设置区和第二设置区，其特征在于，
所述第一设置区内设置热电堆组件，所述第二设置区内设置红外吸收单元，所述红外吸收单元与热电堆组件接触以实现两者热连通；
所述热电堆组件和红外吸收单元之间设置用于避免两者电接触的电绝缘结构；以及，还包括，
自检部件，设置于所述第二设置区且与所述红外吸收单元接触，所述自检部件具有接地端和施压端，所述施压端外接电源及接地端接地时，所述自检部件产生的热量通过红外吸收单元传导至热电堆组件。
2.根据权利要求1所述的自测试MEMS热电堆红外探测器，其特征在于，
所述自检部件设置于所述红外吸收单元底部，且位于所述电绝缘结构远离所述热电堆组件的一侧；或，
所述自检部件设置于所述红外吸收单元底部，且远离所述电绝缘结构；或，
所述自检部件设置于所述红外吸收单元的上方。
3.根据权利要求1或2所述的自测试MEMS热电堆红外探测器，其特征在于，所述自检部件为石墨烯层。
4.根据权利要求1－3任一项所述的自测试MEMS热电堆红外探测器，其特征在于，所述红外吸收单元包括层叠设置的氮化硅吸收层和石墨烯吸收层，所述氮化硅吸收层设置于第二设置区，所述氮化硅吸收层和/或石墨烯吸收层与热电堆组件接触以实现两者热连通。
5.根据权利要求1－4任一项所述的自测试MEMS热电堆红外探测器，其特征在于，所述热电堆组件的数量至少为两个，所述自检部件沿与之相邻的所述热电堆组件的热端延伸，且相邻自检部件串联。
6.根据权利要求1－5任一项所述的自测试MEMS热电堆红外探测器，其特征在于，所述热电堆组件包括层叠设置的第一热电偶、电绝缘薄膜及第二热电偶，所述第一热电偶的一端与第二热电偶的一端连接以构成所述热电堆组件的热端。
7.根据权利要求6所述的自测试MEMS热电堆红外探测器，其特征在于，
所述红外吸收单元通过所述电绝缘结构的上表面与所述第二热电偶接触；或，
所述红外吸收单元通过所述电绝缘结构的上表面与所述第一热电偶和第二热电偶连通。
8.根据权利要求1－7任一项所述的自测试MEMS热电堆红外探测器，其特征在于，还包括与所述热电堆组件串联设置的热电堆电极，以输出热电堆电压。
9.根据权利要求1－8任一项所述的自测试MEMS热电堆红外探测器，其特征在于，所述热电堆组件与红外吸收单元的上方还设置有保护层。
10.根据权利要求1－9任一项所述的自测试MEMS热电堆红外探测器，其特征在于，所述支撑层包括层叠设置的第一氧化硅层、氮化硅层及第二氧化硅层。
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