CN111412996A - 热电堆红外探测器及其热导通结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热电堆红外探测器及其热导通结构，安装于基底上，其包括设于基底上的热电堆，热电堆具有探测冷端和探测热端，热电堆的探测冷端与基底贴合，热电堆的探测热端开设有导热槽，导热槽内填充有红外吸收材料。本发明提供的热电堆红外探测器及其热导通结构，通过在探测热端的热电堆上开通导热槽，并在导热槽内填充红外吸收材料，可以将位于热电堆红外探测器的中心的吸收区的绝大部分热量传送至热电堆的探测热端，探测冷端直接连接基底，使得探测热端和探测冷端能够具有较大的温差，从而实现该红外堆红外探测器对环境温度的精准测量，并且热导通结构简单，施工工艺简单，且能够达到较好的热导通效果。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器的技术领域，具体涉及一种热电堆红外探测器及其热导通结构。
背景技术
红外探测器属于非接触式测温，利用红外探测器探测热源的红外辐射，进而转换成电信号输出。由于红外探测器的非接触性，在测量物体表面温度时不需要接触被测物体，因此不会导致物体周围温度场的改变，并且在测量前受空气或环境温度变化的影响较小。
结合目前成熟的MEMS技术，研发了MEMS热电堆红外探测器。MEMS热电堆红外探测器是基于塞贝克效应的微集成器件。由塞贝克效应可知，当两种具有不同塞贝克系数的材料一端相连构成热偶时，若相连端与非相连端出现温差时，就能在冷端和热端之间产生电势差。MEMS热电堆红外探测器具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、性能优异、多功能集成以及可以批量生产等优点被广泛应用于军事，医疗，工业，航天等领域。
由于硅具有导热性良好的优点，传统的集成红外传感器芯片都是直接将热电堆集成于基底，吸收的红外辐射能量会通过硅基体散失大量热量，导致热电堆的热短路，从而造成测量结果偏差较大。同时保证各器件的释放工艺一致性和均匀性难度较大，因此制备的器件的冷端和热端没有明显的温度差，使得整个器件的性能降低甚至无法使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热电堆红外探测器及其热导通结构，以解决现有技术中冷端和热端没有明显的温度差，使得整个器件的性能降低甚至无法使用的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种热导通结构，安装于基底上，其包括设于所述基底上的热电堆，所述热电堆具有探测冷端和探测热端，所述热电堆的探测冷端与所述基底贴合，所述热电堆的探测热端开设有导热槽，所述导热槽内填充有红外吸收材料。
进一步地，所述热电堆包括依次叠设于所述基底上的第一热偶条和设于所述第一热偶条上的第二热偶条，所述导热槽开设于所述第二热偶条上。
进一步地，所述导热槽贯穿所述第二热偶条并延伸至所述第一热偶条中。
进一步地，所述第二热偶条的两端朝向所述第一热偶条的一侧凸设有延伸部，所述导热槽开设于位于所述延伸部上，且所述第二热偶条的中间部分和所述第一热偶条之间填充有绝热层。
进一步地，所述红外吸收材料采用氮化硅。
进一步地，所述基底和所述热电堆之间还设有支撑膜组件。
进一步地，所述支撑膜组件包括依次叠设的第一氧化硅层、氮化硅层和第二氧化硅层。
本发明的其他实施例中还公开了一种热电堆红外探测器，包括基底和如上所述的热导通结构，所述基底上间隔设有若干所述热电堆。
进一步地，所述基底的中部形成有吸收区，所述红外吸收材料可连接至所述吸收区。
进一步地，所述基底上通过十字型分割通道划分为四个区域，且每个区域内横向或竖向布设多个相互平行的热电堆，且所述十字型分割通道的中心区为所述吸收区。
本发明提供的热电堆红外探测器及其热导通结构的有益效果在于：与现有技术相比，本发明的热导通结构，其通过在探测热端的热电堆上开通导热槽，并在导热槽内填充红外吸收材料，可以将位于热电堆红外探测器的中心的吸收区的绝大部分热量传送至热电堆的探测热端，探测冷端直接连接基底，使得探测热端和探测冷端能够具有较大的温差，从而实现该红外堆红外探测器对环境温度的精准测量，并且热导通结构简单，施工工艺简单，且能够达到较好的热导通效果。
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为本发明实施例提供的热导通结构的纵截面的结构示意图一；
图2为本发明实施例提供的热导通结构的纵截面的结构示意图二；
图3为本发明实施例提供的热导通结构的热端的横截面的结构示意图一；
图4为本发明实施例提供的热导通结构的热端的横截面的结构示意图二；
图5为本发明实施例提供的热电堆红外探测器的结构示意图。
附图标记说明：
1、基底；2、热电堆；3、支撑膜组件；4、红外填充材料；5、吸收区；6、电极；21、探测热端；22、探测冷端；23、第一热偶条；24、第二热偶条；25、导热槽；26、绝热层；241、延伸部；31、第一氧化硅层；32、氮化硅层；33、第二氧化硅层。
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“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”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。
实施例1
请一并参阅图1至图4，现对本发明提供的热导通结构进行说明。所述热导通结构，安装于基底1上，其包括设于所述基底1上的热电堆2，所述热电堆2具有探测冷端22和探测热端21，所述热电堆2的探测冷端22与所述基底1贴合，所述热电堆2的探测热端21开设有导热槽25，所述导热槽25内填充有红外吸收材料4。
本发明提供的热导通结构，与现有技术相比，其通过在探测热端21的热电堆2上开通导热槽25，并在导热槽25内填充红外吸收材料4，可以将位于热电堆红外探测器的中心的吸收区5的绝大部分热量传送至热电堆2的探测热端21，探测冷端22直接连接基底1，使得探测热端21和探测冷端22能够具有较大的温差，从而实现该红外堆红外探测器对环境温度的精准测量，并且热导通结构简单，施工工艺简单，且能够达到较好的热导通效果。
具体的，基底1一般为硅材质的基底1或者P型掺杂的硅基底1。热电堆2的探测冷端22和探测热端21分别位于热电堆2的相对两端部，红外吸收材料4可以采用光吸收性较强的材料，如金黑、银黑、镍黑等涂层材料，或者氮化硅氧化硅等填充材料，也可以采用谐振腔结构、超材料吸收层等结构。红外吸收材料4吸收的热能可以传递至热电堆2的探测热端21，探测冷端22即为室温，通过对探测热端21进行加热，从而达到加大探测冷端22和探测热端21温差的效果。
进一步地，请一并参阅图1至图4，作为本发明提供的热导通结构的一种具体实施方式，所述热电堆2包括依次叠设于所述基底1上的第一热偶条23和设于所述第一热偶条23上的第二热偶条24，所述导热槽25开设于所述第二热偶条24上。具体的，同一热电堆2为直接堆叠于基底1上，且第一热偶条23和第二热偶条24为堆叠设置的，能够大大的节省空间，使得整个基底1上能够排布更多的热电堆2。导热槽25开设在位于上方的第二热偶条24上，能够通过红外吸收材料4对第二热偶条24进行加热，继而可以间接的对第一热偶条23进行加热，从而达到对探测热端21进行加热的效果。其中，第一热偶条23一般采用铝、钛或金等材料，第二热偶条24可以采用多晶硅材料，且第一热偶条23和第二热偶条24的材料组合可以是多晶硅和铝、多晶硅和钛、多晶硅和金或者P型掺杂的多晶硅和N型掺杂的多晶硅等。
进一步地，请参阅图1至图4，作为本发明提供的热导通结构的一种具体实施方式，所述导热槽25贯穿所述第二热偶条24并延伸至所述第一热偶条23中。第二热偶条24位于上方，第一热偶条23位于第二热偶条24的下方，导热槽25贯穿了第二热偶条24后再延伸至第一热偶条23，红外吸收材料4同时与第一热偶条23和第二热偶条24相连通，使得第一热偶条23和第二热偶条24都可以加热，保证了第一热偶条23的加热效率，改变了原有的第一热偶条23只能够单一的通过第二热偶条24传导热量的方式，可以直接通过红外吸收材料4同时对第一热偶条23和第二热偶条24进行加热。
进一步地，参阅图1至图4，作为本发明提供的热导通结构的一种具体实施方式，所述第二热偶条24的两端朝向所述第一热偶条23的一侧凸设有延伸部241，所述导热槽25开设于位于所述延伸部241上，且所述第二热偶条24的中间部分和所述第一热偶条23之间填充有绝热层26。具体的，第二热偶条24位于远离基底1的一侧，第二热偶条24的两端凸设延伸部241，使得延伸部241可以直接与第一热偶条23相抵接，从而实现第一热偶条23和第二热偶条24之间的连接，导热槽25即设置在第一热偶条23和第二热偶条24之间的连接处，此时既可以保持第一热偶条23和第二热偶条24之间的连接，还可以起到较好的热传导效果。在第一热偶条23和第二热偶条24之间再设置绝热层26，可以避免第一热偶条23和第二热偶条24的中间区域相导通，从而影响整个热电堆红外探测器的正常工作。优选地，该绝热层26的材质可以采用氧化硅或氧化硅和氮化硅的混合材料等。
进一步地，作为本发明提供的热导通结构的一种具体实施方式，所述红外吸收材料4采用氮化硅。具体的，红外吸收材料4可以对红外线进行吸收，并将红外线吸收所产生的热量传递给第一热偶条23和第二热偶条24，氮化硅的性质稳定，且能够达到较好的吸收和传递热量的效果。
进一步地，请参阅图1至图4，作为本发明提供的热导通结构的一种具体实施方式，所述基底1和所述热电堆2之间还设有支撑膜组件3。具体的，支撑膜组件3设置在基底1上，在朝向导热槽25内填充红外吸收材料4时，在热电堆2的外侧也会填充有红外吸收材料4，从而实现红外吸收材料4和吸收区5之间的连接，通过支撑膜组件3可以将红外吸收材料4与基底1隔绝，避免基底1被红外吸收材料4腐蚀，从而对基底1进行保护。
进一步地，参阅图1至图4，作为本发明提供的热导通结构的一种具体实施方式，所述支撑膜组件3包括依次叠设的第一氧化硅层31、氮化硅层32和第二氧化硅层33。具体的，支撑膜组件3采用至少三层结构，由两侧的第一氧化硅层31和第二氧化硅层33将氮化硅层32夹合于中间，其结构稳定性较好，且可以对基底1进行稳定的保护。当然，根据实际情况和具体需求，在本发明的其他实施例中，支撑膜组件3还可以仅采用氧化硅层或仅采用氮化硅层32等，此处不作唯一限定。
实施例2
请参阅图1至图5，本发明还提供一种热电堆红外探测器，所述热电堆红外探测器包括基底1和如上述任一实施例中的热导通结构，所述基底1上间隔设有若干所述热电堆2。
本发明提供的热电堆红外探测器，通过在探测热端21的热电堆2上开通导热槽25，并在导热槽25内填充红外吸收材料4，可以将位于热电堆红外探测器的中心的吸收区5的绝大部分热量传送至热电堆2的探测热端21，探测冷端22直接连接基底1，使得探测热端21和探测冷端22能够具有较大的温差，从而实现该红外堆红外探测器对环境温度的精准测量，并且热导通结构简单，施工工艺简单，且能够达到较好的热导通效果。
其中，所述基底1上通过十字型分割通道划分为四个区域，且每个区域内横向或竖向布设多个相互平行的热电堆2，且所述十字型分割通道的中心区为所述吸收区5。即为横向或竖向布设的多个相互平行的热电堆2可以拼接形成“十”字形的形状，且所有的热电堆2的排布为中心对称，热电堆2的冷端连接有线路，且线路均连接至电极6。热电堆2的中心区域即为吸收区5，吸收区5能够吸取热量，并将热量传递给探测热端21。当然，根据实际情况和具体需求，在本发明的其他实施例中，热电堆2还可以倾斜平行布置或以其他方式进行布置，此处不作唯一限定。
进一步地，参阅图5，作为本发明提供的热电堆红外探测器的一种具体实施方式，所述基底1的中部形成有吸收区5，所述红外吸收材料4可连接至所述吸收区5。具体的，吸收区5位于整个基底1的中间区域，吸收区5能够吸收热量，将红外吸收材料4和吸收区5相连接，可以将吸收区5吸收到的热量转移至探测热端21，使得探测热端21和探测冷端22之间的温差更大。
优选地，为了提高器件面积的利用率，提高器件性能，将第一热偶条23和第二热偶条24延伸至吸收区5，减少因为保证吸收红外辐射而造成的面积浪费。当横向或竖向布设的多个相互平行的热电堆2可以拼接形成“十”字形的形状时，吸收区5的形状为“X”形，且吸收区5位于“十”字形的交点区。
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.热导通结构，安装于基底(1)上，其特征在于：包括：
设于所述基底(1)上的热电堆(2)，所述热电堆(2)具有探测冷端(22)和探测热端(21)，所述热电堆(2)的探测冷端(22)与所述基底(1)贴合，所述热电堆(2)的探测热端(21)开设有导热槽(25)，所述导热槽(25)内填充有红外吸收材料(4)。
2.如权利要求1所述的热导通结构，其特征在于：所述热电堆(2)包括依次叠设于所述基底(1)上的第一热偶条(23)和设于所述第一热偶条(23)上的第二热偶条(24)，所述导热槽(25)开设于所述第二热偶条(24)上。
3.如权利要求2所述的热导通结构，其特征在于：所述导热槽(25)贯穿所述第二热偶条(24)并延伸至所述第一热偶条(23)中。
4.如权利要求2所述的热导通结构，其特征在于：所述第二热偶条(24)的两端朝向所述第一热偶条(23)的一侧凸设有延伸部(241)，所述导热槽(25)开设于位于所述延伸部(241)上，且所述第二热偶条(24)的中间部分和所述第一热偶条(23)之间填充有绝热层(26)。
5.如权利要求1至4任一项所述的热导通结构，其特征在于：所述红外吸收材料(4)采用氮化硅。
6.如权利要求1至4任一项所述的热导通结构，其特征在于：所述基底(1)和所述热电堆(2)之间还设有支撑膜组件(3)。
7.如权利要求6所述的热导通结构，其特征在于：所述支撑膜组件(3)包括依次叠设的第一氧化硅层(31)、氮化硅层(32)和第二氧化硅层(33)。
8.热电堆红外探测器，其特征在于：包括基底(1)和如权利要求1至7任一项所述的热导通结构，所述基底(1)上间隔设有若干所述热电堆(2)。
9.如权利要求8所述的热电堆红外探测器，其特征在于：所述基底(1)的中部形成有吸收区(5)，所述红外吸收材料(4)可连接至所述吸收区(5)。
10.如权利要求9所述的热电堆红外探测器，其特征在于：所述基底(1)上通过十字型分割通道划分为四个区域，且每个区域内横向或竖向布设多个相互平行的热电堆(2)，且所述十字型分割通道的中心区为所述吸收区(5)。
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- 2020-04-15 CN CN202010295901.3A patent/CN111412996B/zh active Active
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