CN112133818B - 悬臂梁热电堆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种悬臂梁热电堆及其制备方法。其包括热电堆单体，所述热电堆单体包括衬底以及红外敏感体结构；红外敏感体结构包括器件支撑层、热绝缘层、吸收层以及包裹于热绝缘层与吸收层内的热偶，所述热偶包括若干交替排布的N型热电材料体以及P型热电材料体，所述N型热电材料体与P型热电材料体通过热电材料连接体依次串接；在所述衬底内的上部设置衬底腔，所述衬底腔从衬底的正面向所述衬底的背面方向延伸；位于所述衬底腔正上方的热偶形成热电堆热端区，位于所述衬底腔外的热偶形成热电堆冷端区。本发明结构紧凑，采用悬臂梁结构，降低热导，提高了热电堆的性能，制备工艺与现有IC工艺兼容，降低工艺复杂度以及制备成本，安全可靠。

Description

悬臂梁热电堆及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种热电堆及其制备方法，尤其是一种悬臂梁热电堆及其制备方法。

背景技术

市面上主要流通的热电堆产品多采用封闭膜结构，主要是由于封闭膜结构的热电堆产品制备工艺相对简单，但性能比较低。此外，现有的悬臂梁热电堆，具体制备工艺主要采用背腔释放工艺，利用正面保护做背面深硅刻蚀，释放过程中容易出现漏真空、机台宕机、晶圆破膜的问题。正面释放采用XeF气体时，释放角度不易控制，且释放后需去除正面保护胶，工艺步骤繁琐。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种悬臂梁热电堆及其制备方法，其结构紧凑，采用悬臂梁结构，降低热导，能提升热电堆的性能，制备工艺与现有IC工艺兼容，降低工艺复杂度以及制备成本，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述悬臂梁热电堆，包括热电堆单体，所述热电堆单体包括衬底以及设置于所述衬底正面上方的红外敏感体结构；

所述红外敏感体结构包括位于衬底正面的器件支撑层、位于所述器件支撑层上的热绝缘层、位于所述热绝缘层上的吸收层以及包裹于热绝缘层与吸收层内的热偶，所述热偶包括若干交替排布的N型热电材料体以及P型热电材料体，所述N型热电材料体与P型热电材料体通过热电材料连接体依次串接；

在所述衬底内的上部设置衬底腔，所述衬底腔从衬底的正面向所述衬底的背面方向延伸；位于所述衬底腔正上方的热偶形成热电堆热端区，位于所述衬底腔外的热偶形成热电堆冷端区。

所述器件支撑层为氧化硅、氮化硅或氧化硅-氮化硅-氧化硅的复合层；器件支撑层的厚度为

所述热绝缘层包括氧化硅层，所述热绝缘层的厚度为

吸收层包括氮化硅层、黑金、炭黑、石墨烯或PI纳米森林，所述吸收层的厚度为

热电材料连接体的材料包括Al、Ti、Ni、AlCu、AlCr、NiCu、AlTi、AlSi或CrAu。

对所述吸收层以及热绝缘层刻蚀得到的衬底释放口，利用所述衬底释放口对衬底进行湿法腐蚀时，以在衬底内的上部制备得到衬底腔；所述衬底腔的深度为150μm～350μm；所述湿法腐蚀的液体包括TMAH溶液或KOH溶液。

在衬底上同时制备多个红外敏感体结构，以通过所述红外敏感体结构与衬底配合能得到多个热电堆单体，且得到的多个热电堆单体呈阵列分布；

当多个热电堆单体呈阵列分布时，在衬底上还同时制备与热电堆单体数量相一致的MOSFET器件，且在衬底上方还设置偏置电压连接体、MOS器件选通连接组以及输出电压连接组，其中，热电堆单体与MOSFET器件间呈一一对应连接，MOS器件选通连接组内器件选通连接体的数量与阵列中的列数相一致，输出电压连接组内输出电压连接体的数量与阵列中的行数相一致；

所有热电堆单体的负极端与偏置电压连接体连接，热电堆单体的正极端与所对应MOSFET器件的漏极端电连接；同一列MOSFET器件的栅极端与MOS器件选通连接组内相应的器件选通连接体电连接，同一行MOSFET器件的源极端与输出电压连接组内相应的输出电压连接体电连接。

所述偏置电压连接体、MOS器件选通连接组与热电材料连接体为同一工艺步骤形成；输出电压连接组通过溅射工艺设置在衬底正上方，输出电压连接组的材料包括CrAu，输出电压连接组内输出电压连接体的厚度为

所述N型热电材料体包括N型热电冷端部、N型热电过渡部以及N型热电热端部，N型热电热端部位于衬底腔的正上方，所述N型热电热端部通过N型热电过渡部与N型热电冷端部连接，所述N型热电热端部的宽度大于N型热电冷端部的宽度，

所述P型热电材料体包括P型热电热端部以及P型热电冷端部，P型热电热端部位于衬底腔的正上方，P型热电热端部的宽度大于P型热电冷端部的宽度；

N型热电材料体能与相邻的P型热电材料体构成热电偶对，对组成热电偶对的N型热电材料体与P型热电材料体，N型热电材料体内的N型热电热端部与P型热电材料体内的P型热电热端部相互平行，且N型热电材料体内的N型热电冷端部与P型热电材料体内的P型热电冷端部相互平行，且N型热电材料体内的N型热电热端部与P型热电材料体内的P型热电热端部通过一热电材料连接体电连接。

一种悬臂梁热电堆的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

步骤1、提供衬底，并在所述衬底上制备得到器件支撑层；

步骤2、在上述器件支撑层上制备若干N型热电材料体以及P型热电材料体，其中，N型热电材料体与P型热电材料体在器件支撑层上交替分布；

步骤3、在上述器件支撑层上制备热绝缘层，通过热绝缘层能将所有的N型热电材料体、P型热电材料体压盖在器件支撑层上；

步骤4、对上述的热绝缘层进行刻蚀，以得到热电材料体间连接孔；

步骤5、在上述热绝缘层上方溅射制备得到热电材料连接体，所述热电材料连接体填充在热电材料体间连接孔内，且通过热电材料连接体能使得交替分布N型热电材料体与P型热电材料体间依次串接，以形成所需的热偶；

步骤6、在上述热绝缘层的上方制备吸收层，所述吸收层覆盖在热绝缘层以及热电材料连接体上；

步骤7、对上述吸收层以及热绝缘层进行刻蚀，以得到贯通吸收层、热绝缘层以及器件支撑层的衬底释放口，通过衬底释放口能使得与所述衬底释放口对应的衬底正面露出；

步骤8、利用衬底释放口对衬底进行所需的湿法腐蚀，以在衬底内的上部得到衬底腔，所述衬底腔与衬底释放口相互连通；其中，衬底与器件支撑层、热偶、热绝缘层、吸收层配合能形成热电堆单体。

在衬底上同时制备多个红外敏感体结构，以通过所述红外敏感体结构与衬底配合能得到多个热电堆单体，且得到的多个热电堆单体呈阵列分布；

当多个热电堆单体呈阵列分布时，在衬底上还同时制备与热电堆单体数量相一致的MOSFET器件，且在衬底上方还设置偏置电压连接体、MOS器件选通连接组以及输出电压连接组，其中，热电堆单体与MOSFET器件间呈一一对应连接，MOS器件选通连接组内器件选通连接体的数量与阵列中的列数相一致，输出电压连接组内输出电压连接体的数量与阵列中的行数相一致；

所有热电堆单体的负极端与偏置电压连接体连接，热电堆单体的正极端与所对应MOSFET器件的漏极端电连接；同一列MOSFET器件的栅极端与MOS器件选通连接组内相应的器件选通连接体电连接，同一行MOSFET器件的源极端与输出电压连接组内相应的输出电压连接体电连接。

热电材料连接体的材料包括Al、Ti、Ni、AlCu、AlCr、NiCu、AlTi、AlSi或CrAu；所述偏置电压连接体、MOS器件选通连接组与热电材料连接体为同一工艺步骤形成；输出电压连接组通过溅射工艺设置在衬底正上方，输出电压连接组的材料包括CrAu，输出电压连接组内输出电压连接体的厚度为

本发明的优点：在衬底内的上部设置衬底腔，利用衬底腔与红外敏感体结构配合能得到悬臂梁的结构，提升整个热电堆的性能；N型热电材料体内的N型热电热端部的宽度大于N型热电冷端部的宽度，P型热电材料体内的P型热电热端部的宽度大于P型热电冷端部的宽度，利用N型热电热端部、P型热电热端部能增加吸收面积，通过N型热电冷端部、P型热电冷端部18能降低惹到，从而进一步提升热电堆的性能。

在利用衬底释放口对衬底进行湿法腐蚀时，不需要涂正面保护胶或做其他正面保护就可以完成释放，通过衬底腔形成悬臂梁，减少了释放后的工艺步骤，降低良率损失。湿法腐蚀采用TMAH溶液时，利用TMAH腐蚀特性，对冷端不需要刻蚀的N型热电材料体、P型热电材料体进行保护，能避免过刻蚀造成冷端失效；工序简单，与现有工艺兼容，衬底释放时完全用自身结构做保护，且释放过程中对结构无任何损伤，降低工艺复杂度以及制备成本。

附图说明

图1～图9为本发明的具体实施工艺步骤剖视图，其中

图1为本发明制备得到器件支撑层后的剖视图。

图2为本发明制备得到N型热电材料体、P型热电材料体后的剖视图。

图3为本发明制备得到热绝缘层后的剖视图。

图4为本发明制备得到热电材料体间连接孔后的剖视图。

图5为本发明制备得到热电材料连接体后的剖视图。

图6为本发明制备得到吸收层后的剖视图。

图7为本发明制备得到衬底释放口后的剖视图。

图8为本发明制备得到衬底腔后的剖视图。

图9为本发明制备得到N型热电材料体后的俯视图。

图10为本发明制备得到P型热电材料体后的俯视图。

图11为本发明热电材料连接体与N型热电材料体、P型热电材料体配合的俯视图。

图12为本发明制备得到衬底释放口后与热偶配合的俯视图。

图13为本发明制备得到阵列分布的红外感应热偶的示意图。

图14为本发明利用输出电压连接组进行连接的示意图。

图15为图14中阵列的等效电路图。

附图标记说明：1-衬底、2-器件支撑层、3-N型热电材料体、4-P型热电材料体、5-热绝缘层、6-N型热电材料体孔、7-P型热电材料体孔、8-热电材料连接体、9-吸收层、10-热电堆等效体、11-第一输出测量表、12-衬底释放口、13-衬底腔、14-N型热电冷端部、15-N型热电过渡部、16-N型热电热端部、17-P型热电热端部、18-P型热电冷端部、19-负极端、20-正极端、21-偏置电压连接端、22-偏置电压第一连接体、23-偏置电压第二连接体、24-偏置电压过渡连接体、25-选通电压第一连接体、26-选通电压第二连接体、27-选通电压第一连接端、28-选通电压第二连接端、29-MOSFET器件、30-电压第一输出端、31-电压输出第一连接体、32-电压输出第一连接支体、33-电压第二输出端、34-电压输出第二连接体、35-电压输出第二连接支体、36-MOSFET器件接地第一连接体、37-MOSFET器件接地第二连接体、38-MOS器件接地连接端、39-第二输出测量表、40-第二热电堆等效体、41-第三热电堆等效体以及42-第四热电堆等效体。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图8所示：为了能提升热电堆的性能，制备工艺与现有兼容，降低工艺复杂度以及制备成本，本发明包括热电堆单体，所述热电堆单体包括衬底1以及设置于所述衬底1正面上方的红外敏感体结构；

所述红外敏感体结构包括位于衬底1正面的器件支撑层2、位于所述器件支撑层2上的热绝缘层5、位于所述热绝缘层5上的吸收层9以及包裹于热绝缘层5与吸收层9内的热偶，所述热偶包括若干交替排布的N型热电材料体3以及P型热电材料体4，所述N型热电材料体3与P型热电材料体4通过热电材料连接体8依次串接；

在所述衬底1内的上部设置衬底腔13，所述衬底腔13从衬底1的正面向所述衬底1的背面方向延伸；位于所述衬底腔13正上方的热偶形成热电堆热端区，位于所述衬底腔13外的热偶形成热电堆冷端区。

具体地，衬底1可以采用硅等常用的半导体材料，具体可以根据需要进行选择，红外敏感体结构位于衬底1的正面上，利用红外敏感体结构能对红外吸收，通过冷热结的温度差实现信号检测，即利用红外敏感体结构与衬底1配合能得到热电堆单体。在衬底1内的上部设置衬底腔13，衬底腔13从衬底1的正面向所述衬底1的背面延伸，利用衬底腔13能形成悬浮的结构，即得到悬臂梁的热电堆，其中，位于所述衬底腔13正上方的热偶形成热电堆热端区，位于所述衬底腔13外的热偶形成热电堆冷端区。与封闭膜的热电堆相比，悬臂梁的热电堆能有效提升性能。

热绝缘层5邻近衬底1，热偶位于热绝缘层5内，热绝缘层5的厚度大于热偶的高度，吸收层9位于热绝缘层5上，通过热电材料连接体8能将N型热电材料体3与P型热电材料体4依次串接，一N型热电材料体3与一P型热电材料体4间连接后能形成热电偶对，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

进一步地，在所述衬底1的正面设置器件支撑层2，红外敏感体结构的热绝缘层5支撑于所述器件支撑层2上；所述器件支撑层2为氧化硅层、氮化硅或氧化硅-氮化硅-氧化硅的复合层；器件支撑层2的厚度为

本发明实施例中，器件支撑层2覆盖衬底1的正面，热绝缘层5能将N型热电材料体3、P型热电材料体4压盖在器件支撑层2上，当然，热绝缘层5也会支撑在器件支撑层2上。在制备得到衬底腔13时，需要对器件支撑层2进行刻蚀，以露出衬底1相对应的正面。

进一步地，所述热绝缘层5包括氧化硅层，所述热绝缘层5的厚度为

吸收层9包括氮化硅层、黑金、炭黑、石墨烯或PI纳米森林，所述吸收层9的厚度为

热电材料连接体8的材料包括Ni、AlCu、AlCr、NiCu、AlTi、AlSi或CrAu。

本发明实施例中，热绝缘层5、吸收层9的具体材料可以根据实际需要进行选择。对所述吸收层9以及热绝缘层5刻蚀得到的衬底释放口12，利用所述衬底释放口12对衬底1进行湿法腐蚀时，以在衬底1内的上部制备得到衬底腔13；所述衬底腔13的深度为150μm～350μm；所述湿法腐蚀的液体包括TMAH溶液或KOH溶液。吸收层9可为氮化硅层、黑金、炭黑、石墨烯或PI纳米森林中的一种或多种组合，具体根据需要进行选择，通过氮化硅层、黑金、炭黑、石墨烯或PI纳米森林具体制备得到吸收层9的过程与现有相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

具体地，衬底释放口12位于衬底1正面的正上方，利用衬底释放口12对衬底1进行湿法腐蚀时，即采用正面工艺对衬底1进行工艺处理，以得到衬底腔13。湿法腐蚀的液体可以为TMAH溶液或KOH溶液，其中，TMAH溶液可以采用重量百分比20％-25％的溶液，KOH溶液可以采用重量百分比20％的溶液；在对衬底1的正面进行腐蚀时，根据TMAH溶液或KOH溶液的特性，利用吸收层9、热绝缘层5可以对热电材料连接体8、N型热电材料体3、P型热电材料体4进行保护，从而不需要额外的保护结构与工艺，有效降低工艺的复杂度与制备成本。

如图9、图10、图11和图12所示，所述N型热电材料体3包括N型热电冷端部14、N型热电过渡部15以及N型热电热端部16，N型热电热端部16位于衬底腔13的正上方，所述N型热电热端部16通过N型热电过渡部15与N型热电冷端部14连接，所述N型热电热端部16的宽度大于N型热电冷端部14的宽度，N型热电过渡部15的长度方向与N型热电冷端部14的长度方向相一致，且N型热电热端部16的长度方向与N型热电冷端部14的长度方向相一致；

所述P型热电材料体4包括P型热电热端部17以及P型热电冷端部18，P型热电热端部17位于衬底腔13的正上方，P型热电冷端部18的长度方向与P型热电热端部17的长度方向垂直，且P型热电热端部17的宽度大于P型热电冷端部18的宽度；

一N型热电材料体3能与相邻的P型热电材料体4构成热电偶对，对组成热电偶对的N型热电材料体3与P型热电材料体4，N型热电材料体3内的N型热电热端部16与P型热电材料体4内的P型热电热端部17相互平行，且N型热电材料体3内的N型热电冷端部14与P型热电材料体4内的P型热电冷端部18相互平行，且N型热电材料体3内的N型热电热端部16与P型热电材料体4内的P型热电热端部17通过一热电材料连接体8电连接。

本发明实施例中，N型热电材料体3包括N型热电冷端部14、N型热电过渡部15以及N型热电热端部16，其中，N型热电热端部16位于衬底腔13的正上方，即利用N型热电热端部16能够提供较大的吸收面积，捕获更多的红外辐射。N型热电冷端部14主体部分位于热电堆冷端区，利用N型热电冷端部14可以降低热导，使热量聚集在热电吸收区。N型热电过渡部15连接N型热电冷端部14与N型热电热端部16，利用N型热电过渡部15能够有效降低热偶电阻，达到降低噪声的目的。

与N型热电材料体3类似，P型热电材料体4的P型热电热端部17位于衬底腔13的正上方，从而利用P型热电热端部17能够实现较大的吸收面积，捕获更多的红外辐射；利用P型热电冷端部18能降低热导。

图10～图12中，示出了热偶内设置四个N型热电材料体3的示意图，其中，四个N型热电材料体3围合呈一个方形，所有N型热电材料体3内的N型热电热端部16位于中心，而N型热电冷端部14远离N型热电热端部16的端部位于外圈，即位于衬底腔13外；对于两个相邻的N型热电材料体3，一N型热电材料体3内的N型热电冷端部14与另一N型热电热端部16对应且相互平行，N型热电冷端部14与N型热电热端部16之间具有间隙，N型热电冷端部14远离所连接N型热电过渡部15的端部位于呈间隙配合N型热电热端部16的外侧。

P型热电冷端部18与P型热电热端部17的结合部的宽度可大于所述P型热电冷端部18的宽度，形成类似N型热电过渡部15的作用。当然，在具体实施时，N型热电材料体3、P型热电材料体4可以更换对应的结构形式，只要满足能配合形成热电偶对即可。

一N型热电材料体3能与相邻的P型热电材料体4构成热电偶对，图10～图12中示出了能构成四对热电偶对的情况。对组成热电偶对的N型热电材料体3与P型热电材料体4，N型热电材料体3内的N型热电热端部16与P型热电材料体4内的P型热电热端部17相互平行，且N型热电材料体3内的N型热电冷端部14与P型热电材料体4内的P型热电冷端部18相互平行，且N型热电材料体3内的N型热电热端部16与P型热电材料体4内的P型热电热端部17通过一热电材料连接体8电连接。

当需要将形成热偶时，需要先将一N型热电材料体3与相邻的P型热电材料体4构成热电偶对，然后将当前热电偶对内的P型热电冷端部18与相邻热电偶对内的N型热电冷端部14通过热电材料连接体8连接，同时，将当前热电偶对内的N型热电冷端部14通过热电材料连接体8与所相邻的P型热电冷端部18电连接，从而实现将所有的N型热电材料体3与P型热电材料体4间能依次串接成一体。

在串接成一体后，存在一N型热电材料体3内N型热电冷端部14未与任一的P型热电冷端部18的连接，同时，存在一P型热电材料体4内P型热电冷端部18未与任一N型热电冷端部14连接。将未与任一P型热电冷端部18连接的N型热电冷端部14与一热电材料连接体8连接后能形成感应负极端19，同时，将未与任一N型热电冷端部14连接的P型热电冷端部18与一热电材料连接体8连接后能形成感应正极端20。

具体实施时，当热偶内包括其他数量的N型热电材料体3与P型热电材料体4时，具体可以参考上述说明，只要能实现将N型热电材料体3与P型热电材料体4依次串接成一体均可，具体可以参考上述说明，此处不再赘述。

如图13和图14所示，在衬底1上同时制备多个红外敏感体结构，以通过所述红外敏感体结构与衬底1配合能得到多个热电堆单体，且得到的多个热电堆单体呈阵列分布；

当多个热电堆单体呈阵列分布时，在衬底1上还同时制备与热电堆单体数量相一致的MOSFET器件29，且在衬底1上方还设置偏置电压连接体、MOS器件选通连接组以及输出电压连接组，其中，热电堆单体与MOSFET器件29间呈一一对应连接，MOS器件选通连接组内器件选通连接体的数量与阵列中的列数相一致，输出电压连接组内输出电压连接体的数量与阵列中的行数相一致；

所有热电堆单体的负极端19与偏置电压连接体连接，热电堆单体的正极端20与所对应MOSFET器件29的漏极端电连接；同一列MOSFET器件29的栅极端与MOS器件选通连接组内相应的器件选通连接体电连接，同一行MOSFET器件29的源极端与输出电压连接组内相应的输出电压连接体电连接。

本发明实施例中，在衬底1上可以制备得到单个红外敏感体结构，即可以得到热电堆单体，也可以同时制备多个红外敏感体结构，从而能得到多个热电堆单体。所有的热电堆单体采用相同的工艺步骤制备得到，其中，多个热电堆单体在衬底1上呈阵列分布。图13和图14中，示出了在衬底1上同时制备了2×2阵列的形式，当然，也可以为其他的阵列分布形式，具体可以根据实际需要进行选择，此处不再赘述。

在制备得到阵列分布的多个热电堆单体后，每个热电堆单体均采用相同的结构，即每个红外敏感体结构均采用悬臂梁的结构，通过在衬底1内设置衬底腔13能形成热电堆热端区。为了能选通不同热电堆单体的工作状态，在衬底1上还需要同时制备得到MOSFET器件29，其中，MOSFET器件29的数量与热电堆单体的数量相一致，MOSFET器件29需要采用半导体工艺制备得到。MOSFET器件29可以采用现有常用的结构形式，具体制备工艺为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。一般地，MOSFET器件29选择为NMOS器件。

具体实施时，热电堆单体与MOSFET器件29间呈一一对应连接配合，具体连接时，热电堆单体的正极端20与MOSFET器件29的漏极端电连接。偏置电压连接体与热电材料连接体8采用同一工艺步骤得到。所有热电堆单体的感应负极端19均与偏置电压连接体电连接，对于图13和图14中示出的阵列形式，偏置电压连接体包括偏置电压过渡连接体24以及设置于所述偏置电压过渡连接体24一端部的偏置电压连接端21，偏置电压连接端21的宽度可大于偏置电压过渡连接体24的宽度。偏置电压过渡连接体24上设置两个相互平行的偏置电压第一连接体22与偏置电压第二连接体23，偏置电压第一连接体22、偏置电压第二连接体23相对应的一端与偏置电压过渡连接体24连接，通过偏置电压第一连接体22能与第一列所有热电堆单体的负极端19电连接，通过偏置电压第二连接体23能与第二列所有热电堆单体的负极端19电连接，从而能实现所有热电堆单体的负极端19与偏置电压连接端21间的电连接。

具体地，MOS器件选通连接组内的器件选通连接体包括选通电压第一连接体25以及选通电压第二连接体26，选通电压第一连接体25的一端部形成选通电压第一连接端27，在选通电压第二连接体26的一端部形成选通电压第二连接端28，选通电压第一连接体25、选通电压第二连接体26相互平行，通过选通电压第一连接体25能与同一列所有MOSFET器件29的栅极端电连接，通过选通电压第二连接体26能与另同一列所有MOSFET器件29的栅极端连接。

输出电压连接组内的输出电压连接体包括电压输出第一连接体31以及电压输出第二连接体34，电压输出第一连接体31与电压输出第二连接体34相互平行，在电压输出第一连接体31的一端部形成电压第一输出端30，在电压输出第二连接体34的一端部形成电压第二输出端33。在电压输出第一连接体31上设置两个电压输出第一连接支体32，通过两个电压输出第一连接支体32能分别与第一行两个MOSFET器件29相对应的源极端连接，同理，在电压输出第二连接体34上设置两个相互平行的电压输出第二连接支体35，通过两个电压输出第二连接支体35能分别与第二行两个MOSFET器件29相对应的源极端连接。具体实施时，电压第一输出端30、电压输出第一连接体31、电压输出第一连接支体32、电压第二输出端33、电压输出第二连接体34、电压输出第二连接支体35均通过同一工艺步骤制备得到。

具体实施时，还包括MOSFET器件接地第一连接体36、MOSFET器件接地第二连接体37以及MOS器件接地连接端38，其中，通过MOSFET器件接地连接体36与第一行中所有MOSFET器件29的基底连接，通过MOSFET器件接第二连接体37与第二行中所有MOSFET器件29的基底连接，MOSFET器件接地第一连接体36、MOSFET器件接地第二连接体37相互连接后能形成MOS器件接地连接端38，通过MOS器件接地连接端38能实现将所有MOSFET器件29的基底接地，MOSFET器件29的基底即为衬底1。

上述说明均为热电堆单体呈2×2阵列分布下的连接情况，具体等效电路如图14所示。当热电堆单体呈其他数量的阵列分布时，具体可以参考上述说明，此处不再一一说明。

如图14所示，等效电路图中，包括第一热电堆等效体10、第二热电堆等效体40、第三热电堆等效体41以及第四热电堆等效体42，其中，第一热电堆等效体10所等效的热电堆单体与第二热电堆等效体40所等效的热电堆单体在阵列的同一行，第一热电堆等效体10所等效的热电堆单体与第三热电堆等效体41所等效的热电堆单体在阵列的同一列，第二热电堆等效体40所等效的热电堆单体与第四热电堆等效体42所等效的热电堆单体在阵列的同一列，第三热电堆等效体41所等效的热电堆单体与第四热电堆等效体42所等效的热电堆单体在阵列的同一行。

四个MOSFET器件29分别为NMOS管MN1、NMOS管MN2、NMOS管MN3以及NMOS管MN4，其中，NMOS管MN1与第一热电堆等效体10对应连接，NMOS管MN2与第二热电堆等效体40对应连接，NMOS管MN3与第三热电堆等效体41对应连接，NMOS管MN4与第四热电堆等效体42对应连接。

NMOS管MN1的源极端、NMOS管MN2的源极端与第一输出测量表11的正极端连接，第一输出测量表11的负极端接地。NMOS管MN3的源极端、NMOS管MN4的源极端与第二输出测量表39的正极端连接，第二输出测量表39的负极端接地。第一输出测量表11、第二输出测量表39可以采用现有常用的电压表，具体类型可以根据需要进行选择，此处不再赘述。

NMOS管MN1的漏极端与第一热电堆等效体10的感应正极端20连接，第一热电堆等效体10的感应负极端与偏置电压Vref连接。NMOS管MN2的漏极端与第二热电堆等效体40的感应正极端20连接，第二热电堆等效体40的感应负极端与偏置电压Vref连接。NMOS管MN3的漏极端与第三热电堆等效体41的感应正极端20连接，第三热电堆等效体41的感应负极端与偏置电压Vref连接。NMOS管MN4的漏极端与第四热电堆等效体42的感应正极端20连接，第四热电堆等效体42的感应负极端与偏置电压Vref连接。

NMOS管MN1的栅极端、NMOS管MN3的栅极端均接选通电压Vsel1，NMOS管MN2的栅极端以及NMOS管MN4的栅极端均接选通电压Vsel2。

进一步地，所述偏置电压连接体、MOS器件选通连接组与热电材料连接体8为同一工艺步骤形成；输出电压连接组通过溅射工艺设置在衬底1正上方，输出电压连接组的材料包括CrAu，输出电压连接组内输出电压连接体的厚度为

本发明实施例中，输出电压连接组、MOSFET器件接地第一连接体36、MOSFET器件接地第二连接体37以及MOS器件接地连接端38可采用同一工艺步骤制备得到，输出电压连接组、MOSFET器件接地第一连接体36、MOSFET器件接地第二连接体37以及MOS器件接地连接端38与偏置电压连接体、MOS器件选通连接组内的器件选通连接体与热电材料连接体8间通过吸收层9进行绝缘隔离。

如图1～图8所示，为悬臂梁热电堆的制备方法，具体地，所述制备方法包括如下步骤：

步骤1、提供衬底1，并在所述衬底1上制备得到器件支撑层2；

具体地，衬底1可以采用硅等常用的材料，在衬底1上利用PETEOS或者LPTEOS工艺沉积得到器件支撑层2，如图1所示。器件支撑层2的厚度可在

器件支撑层2可以为氧化层或者制成SIO-SIN-SIO结构，也可以用热氧替代，具体可以根据需要进行选择，此处不再赘述。

步骤2、在上述器件支撑层2上制备若干N型热电材料体3以及P型热电材料体4，其中，N型热电材料体3与P型热电材料体4在器件支撑层2上交替分布；

具体地，在器件支撑层2上利用PECVD或者LPCVD工艺沉积多晶硅，多晶硅厚度可在

具体根据所需要的方阻选择合适的厚度。通过光刻+干法刻蚀形成多晶硅条，刻蚀停止层为器件支撑层2，多晶硅条宽可为3μm。通过两步光刻利用光刻胶作为阻挡层，分别注P和B，注入条件均为剂量1E16，功率85Kev，形成N型多晶硅和P型多晶硅，从而能得到N型热电材料体3与P型热电材料体4，如图2所示，在图2的剖视图中，N型热电材料体3与P型热电材料体4交替分布。N型热电材料体3、P型热电材料体4还可以是多晶硅/金属、掺杂硅/金属、N型/P型多晶硅等于CMOS工艺兼容材料，具体制备得到N型热电材料体3、P型热电材料体4的工艺过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

如图9和图10所示，为N型热电材料体3、P型热电材料体4在器件支撑层2上的分布示意图，N型热电材料体3、P型热电材料体4具体的结构形式，以及N型热电材料体3与P型热电材料体4之间的具体位置与配合关系均可以参考上述说明，此处不再赘述。

步骤3、在上述器件支撑层2上制备热绝缘层5，通过热绝缘层5能将所有的N型热电材料体3、P型热电材料体4压盖在器件支撑层2上，热绝缘层5的厚度大于N型热电材料体3、P型热电材料体4相对应的高度；

具体地，在上述器件支撑层2上利用PETEOS或者LPTEOS工艺沉积氧化硅，以制备得到热绝缘层5。热绝缘层5的厚度可在

具体根据N型热电材料体3、P型热电材料体4的具体厚度决定，如图3所示。

步骤4、对上述的热绝缘层5进行刻蚀，以得到热电材料体间连接孔；

具体地，对热绝缘层5进行刻蚀后，能得到N型热电材料体孔6以及P型热电材料体孔7，通过N型热电材料体孔6能使得N型热电材料体3相应的部位露出，通过P型热电材料体孔7能使得P型热电材料体4相应的部位露出，N型热电材料体孔6以及P型热电材料体孔7的大小可以为2μm*2μm，如图4所示。

步骤5、在上述热绝缘层5上方溅射制备得到热电材料连接体8，所述热电材料连接体8填充在热电材料体间连接孔内，且通过热电材料连接体8能使得交替分布N型热电材料体3与P型热电材料体4间依次串接，以形成所需的热偶；

具体地，热电材料连接体8的材料包括Al、Ti、Ni、AlCu、AlCr、NiCu、AlTi、AlSi或CrAu，具体实施时，热电材料连接体8可选择铝。热电材料连接体8采用溅射工艺制备，热电材料连接体8的厚度为

利用干法刻蚀工艺，热电材料连接体8的宽度可为6μm，通过热电材料连接体8能实现N型热电材料体3与P型热电材料体4之间的连接，其中，热电材料连接体8能分别填充相应的N型热电材料体孔6以及P型热电材料体孔7内，部分热电材料连接体8支撑在热绝缘层5上，在如图5和图11所示，通过热电材料连接体8具体实现N型热电材料体3与P型热电材料体4的具体连接形式可以参考上述说明，此处不再赘述。

步骤6、在上述热绝缘层5的上方制备吸收层9，所述吸收层9覆盖在热绝缘层5以及热电材料连接体8上；

具体地，吸收层9采用沉淀工艺制备得到，吸收层9可以为氮化硅层，可以用黑金、炭黑、石墨烯、PI纳米森林等材料，具体可以根据实际需要进行选择，此处不再赘述。吸收层9的厚度为

吸收层9覆盖在热绝缘层5以及热电材料连接体8上，如图6所示。

步骤7、对上述吸收层9以及热绝缘层5进行刻蚀，以得到贯通吸收层9、热绝缘层5以及器件支撑层2的衬底释放口12，通过衬底释放口12能使得与所述衬底释放口12对应的衬底1正面露出；

具体地，利用本技术领域常用的刻蚀工艺对吸收层9以及热绝缘层5进行刻蚀，刻蚀后得到衬底释放口12，衬底释放口12贯通吸收层9、热绝缘层5以及器件支撑层2，从而通过衬底释放口12能使得与所述衬底释放口12对应的衬底1正面露出，如图7所示。衬底释放口12的开口大小为3μm-5μm。

步骤8、利用衬底释放口12对衬底1进行所需的湿法腐蚀，以在衬底1内的上部得到衬底腔13，所述衬底腔13与衬底释放口12相互连通；其中，衬底1与支撑层、红外敏感体、热绝缘层5、吸收层9配合能形成热电堆单体。

具体地，湿法腐蚀的液体为TMAH溶液或KOH溶液，对衬底1进行刻蚀后，能在衬底1内的上部得到衬底腔13，利用衬底腔13能形成悬臂梁结构，如图8所示。在对衬底1进行湿法腐蚀过程中，利用吸收层9、热绝缘层5的材料，能实现对N型热电材料体3、P型热电材料体4以及热电材料连接体8进行保护。

经过上述工艺后，能制备得到单个的悬臂梁热电堆，由上述说明可知，利用热电材料体连接体8与一所设定的N型热电材料体3内的N型热电冷端部14的连接能形成负极端19，利用热电材料体8与一设定的P型热电材料体4内的P型热电冷端部18的连接能形成正极端20，在利用红外吸收区对红外辐射吸收后，利用感应负极端19与感应正极端20能得到所需的信号。

在具体实施时，还可以利用上述工艺步骤，在同一衬底1上制备得到多个热电堆单体，所有的热电堆单体采用相同的工艺制备得到；多个热电堆单体间相互独立。为了能利用阵列的热电堆单体进行所需的选通，在衬底1上还需要制备得到MOSFET器件29，MOSFET器件29的数量与热电堆单体的数量相一致，且MOSFET器件29与热电堆单体间采用一一对应的连接配合。MOSFET器件29采用常用的半导体工艺制备得到，具体工艺过程以及结构均为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

在制备得到MOSFET器件29以及热电堆单体后，在衬底1上还设置偏置电压连接体、MOS器件选通连接组以及输出电压连接组，其中，热电堆单体与MOSFET器件29间呈一一对应连接，MOS器件选通连接组内器件选通连接体的数量与阵列中的列数相一致，输出电压连接组内输出电压连接体的数量与阵列中的行数相一致；

所有热电堆单体的负极端19与偏置电压连接体连接，热电堆单体的感应正极端20与所对应MOSFET器件29的漏极端电连接；同一列MOSFET器件29的栅极端与MOS器件选通连接组内相应的器件选通连接体电连接，同一行MOSFET器件29的源极端与输出电压连接组内相应的输出电压连接体电连接。

本发明实施例中，所述偏置电压连接体、MOS器件选通连接组内的器件选通连接体与热电材料连接体8为同一工艺步骤形成；输出电压连接组、MOSFET器件接地第一连接体36、MOSFET器件接地第二连接体37以及MOS器件接地连接端38可采用同一工艺步骤制备得到，输出电压连接组、MOSFET器件接地第一连接体36、MOSFET器件接地第二连接体37以及MOS器件接地连接端38与偏置电压连接体、MOS器件选通连接组内的器件选通连接体与热电材料连接体8间通过吸收层9进行绝缘隔离。偏置电压连接体、MOS器件选通连接组以及热电材料连接体8与MOSFET器件以及热电堆单体之间的具体连接配合均可以参考上述说明，此处不再赘述。

具体实施时，输出电压连接组内的输出电压连接体、MOSFET器件接地第一连接体36、MOSFET器件接地第二连接体37以及MOS器件接地连接端38均采用CrAu溅射工艺制备得到，在制备得到输出电压连接组、MOSFET器件接地第一连接体36、MOSFET器件接地第二连接体37以及MOS器件接地连接端38后，再对吸收层9以及热绝缘层5进行刻蚀，得到衬底释放口12，然后利用衬底释放口12对衬底1进行湿法腐蚀，以同时得到多个衬底腔13，一衬底腔13与正对应热偶对应形成热电堆热端区。

综上，在衬底1内的上部设置衬底腔13，利用衬底腔13与红外敏感体结构配合能得到悬臂梁的结构，提升整个热电堆的性能；N型热电材料体3内的N型热电热端部16的宽度大于N型热电冷端部14的宽度，P型热电材料体4内的P型热电热端部17的宽度大于P型热电冷端部18的宽度，利用N型热电热端部16、P型热电热端部17能增加吸收面积，通过N型热电冷端部14、P型热电冷端部18能降低惹到，从而进一步提升热电堆的性能。

在利用衬底释放口12对衬底1进行湿法腐蚀时，不需要涂正面保护胶或做其他正面保护就可以完成释放，通过衬底腔13形成悬臂梁，减少了释放后的工艺步骤，降低良率损失。湿法腐蚀采用TMAH溶液时，利用TMAH腐蚀特性，对冷端不需要刻蚀的N型热电材料体3、P型热电材料体4进行保护，即根据TMAH溶液的特性可知，在湿法腐蚀时，不会损伤热绝缘层5、吸收层9，所以也不会损伤由被热绝缘层5以及吸收层9所包裹的热偶，能避免过刻蚀造成冷端失效；工序简单，与现有工艺兼容，衬底释放时完全用自身结构做保护，且释放过程中对结构无任何损伤。

Claims (9)

1.一种悬臂梁热电堆，包括热电堆单体，所述热电堆单体包括衬底(1)以及设置于所述衬底(1)正面上方的红外敏感体结构；其特征是：

所述红外敏感体结构包括位于衬底(1)正面的器件支撑层(2)、位于所述器件支撑层(2)上的热绝缘层(5)、位于所述热绝缘层(5)上的吸收层(9)以及包裹于热绝缘层(5)与吸收层(9)内的热偶，所述热偶包括若干交替排布的N型热电材料体(3)以及P型热电材料体(4)，所述N型热电材料体(3)与P型热电材料体(4)通过热电材料连接体(8)依次串接；

在所述衬底(1)内的上部设置衬底腔(13)，所述衬底腔(13)从衬底(1)的正面向所述衬底(1)的背面方向延伸；位于所述衬底腔(13)正上方的热偶形成热电堆热端区，位于所述衬底腔(13)外的热偶形成热电堆冷端区；

所述N型热电材料体(3)包括N型热电冷端部(14)、N型热电过渡部(15)以及N型热电热端部(16)，N型热电热端部(16)位于衬底腔(13)的正上方，所述N型热电热端部(16)通过N型热电过渡部(15)与N型热电冷端部(14)连接，所述N型热电热端部(16)的宽度大于N型热电冷端部(14)的宽度，

所述P型热电材料体(4)包括P型热电热端部(17)以及P型热电冷端部(18)，P型热电热端部(17)位于衬底腔(13)的正上方，P型热电热端部(17)的宽度大于P型热电冷端部(18)的宽度；

N型热电材料体(3)与相邻的P型热电材料体(4)构成热电偶对，对组成热电偶对的N型热电材料体(3)与P型热电材料体(4)，N型热电材料体(3)内的N型热电热端部(16)与P型热电材料体(4)内的P型热电热端部(17)相互平行，且N型热电材料体(3)内的N型热电冷端部(14)与P型热电材料体(4)内的P型热电冷端部(18)相互平行，且N型热电材料体(3)内的N型热电热端部(16)与P型热电材料体(4)内的P型热电热端部(17)通过一热电材料连接体(8)电连接。

2.根据权利要求1所述的悬臂梁热电堆，其特征是：所述器件支撑层(2)为氧化硅、氮化硅或氧化硅-氮化硅-氧化硅的复合层；器件支撑层(2)的厚度为

3.根据权利要求1或2所述的悬臂梁热电堆，其特征是：所述热绝缘层(5)包括氧化硅层，所述热绝缘层(5)的厚度为

吸收层(9)包括氮化硅层、黑金、炭黑、石墨烯或PI纳米森林，所述吸收层(9)的厚度为

热电材料连接体(8)的材料包括Al、Ti、Ni、AlCu、AlCr、NiCu、AlTi、AlSi或CrAu。

4.根据权利要求3所述的悬臂梁热电堆，其特征是：对所述吸收层(9) 以及热绝缘层(5)刻蚀得到衬底释放口(12)，利用所述衬底释放口(12)对衬底(1)进行湿法腐蚀时，以在衬底(1)内的上部制备得到衬底腔(13)；所述衬底腔(13)的深度为150μm～350μm；所述湿法腐蚀的液体包括TMAH溶液或KOH溶液。

5.根据权利要求1所述的悬臂梁热电堆，其特征是：在衬底(1)上同时制备多个红外敏感体结构，以通过所述红外敏感体结构与衬底(1)配合得到多个热电堆单体，且得到的多个热电堆单体呈阵列分布；

当多个热电堆单体呈阵列分布时，在衬底(1)上还同时制备与热电堆单体数量相一致的MOSFET器件(29)，且在衬底(1)上方还设置偏置电压连接体、MOS器件选通连接组以及输出电压连接组，其中，热电堆单体与MOSFET器件(29)间呈一一对应连接，MOS器件选通连接组内器件选通连接体的数量与阵列中的列数相一致，输出电压连接组内输出电压连接体的数量与阵列中的行数相一致；

所有热电堆单体的负极端(19)与偏置电压连接体连接，热电堆单体的正极端(20)与所对应MOSFET器件(29)的漏极端电连接；同一列MOSFET器件(29)的栅极端与MOS器件选通连接组内相应的器件选通连接体电连接，同一行MOSFET器件(29)的源极端与输出电压连接组内相应的输出电压连接体电连接。

6.根据权利要求5所述的悬臂梁热电堆，其特征是：所述偏置电压连接体、MOS器件选通连接组与热电材料连接体(8)为同一工艺步骤形成；输出电压连接组通过溅射工艺设置在衬底(1)正上方，输出电压连接组的材料包括CrAu，输出电压连接组内输出电压连接体的厚度为

7.一种悬臂梁热电堆的制备方法，其特征是，所述制备方法包括如下步骤：

步骤1、提供衬底(1)，并在所述衬底(1)上制备得到器件支撑层(2)；

步骤2、在上述器件支撑层(2)上制备若干N型热电材料体(3)以及P型热电材料体(4)，其中，N型热电材料体(3)与P型热电材料体(4)在器件支撑层(2)上交替分布；

步骤3、在上述器件支撑层(2)上制备热绝缘层(5)，通过热绝缘层(5)将所有的N型热电材料体(3)、P型热电材料体(4)压盖在器件支撑层(2)上；

步骤4、对上述的热绝缘层(5)进行刻蚀，以得到热电材料体间连接孔；

步骤5、在上述热绝缘层(5)上方溅射制备得到热电材料连接体(8)，所述热电材料连接体(8)填充在热电材料体间连接孔内，且通过热电材料连接体(8)使得交替分布N型热电材料体(3)与P型热电材料体(4)间依次串接，以形成所需的热偶；

步骤6、在上述热绝缘层(5)的上方制备吸收层(9)，所述吸收层(9) 覆盖在热绝缘层(5)以及热电材料连接体(8)上；

步骤7、对上述吸收层(9)以及热绝缘层(5)进行刻蚀，以得到贯通吸收层(9)、热绝缘层(5)以及器件支撑层(2)的衬底释放口(12)，通过衬底释放口(12)使得与所述衬底释放口(12)对应的衬底(1)正面露出；

步骤8、利用衬底释放口(12)对衬底(1)进行所需的湿法腐蚀，以在衬底(1)内的上部得到衬底腔(13)，所述衬底腔(13)与衬底释放口(12)相互连通；其中，衬底(1)与器件支撑层(2)、热偶、热绝缘层(5)、吸收层(9)配合形成热电堆单体；

所述N型热电材料体(3)包括N型热电冷端部(14)、N型热电过渡部(15)以及N型热电热端部(16)，N型热电热端部(16)位于衬底腔(13)的正上方，所述N型热电热端部(16)通过N型热电过渡部(15)与N型热电冷端部(14)连接，所述N型热电热端部(16)的宽度大于N型热电冷端部(14)的宽度，

所述P型热电材料体(4)包括P型热电热端部(17)以及P型热电冷端部(18)，P型热电热端部(17)位于衬底腔(13)的正上方，P型热电热端部(17)的宽度大于P型热电冷端部(18)的宽度；

N型热电材料体(3)与相邻的P型热电材料体(4)构成热电偶对，对组成热电偶对的N型热电材料体(3)与P型热电材料体(4)，N型热电材料体(3)内的N型热电热端部(16)与P型热电材料体(4)内的P型热电热端部(17)相互平行，且N型热电材料体(3)内的N型热电冷端部(14)与P型热电材料体(4)内的P型热电冷端部(18)相互平行，且N型热电材料体(3)内的N型热电热端部(16)与P型热电材料体(4)内的P型热电热端部(17)通过一热电材料连接体(8)电连接。

8.根据权利要求7所述悬臂梁热电堆的制备方法，其特征是，在衬底(1)上同时制备多个红外敏感体结构，以通过所述红外敏感体结构与衬底(1)配合得到多个热电堆单体，且得到的多个热电堆单体呈阵列分布；

当多个热电堆单体呈阵列分布时，在衬底(1)上还同时制备与热电堆单体数量相一致的MOSFET器件(29)，且在衬底(1)上方还设置偏置电压连接体、MOS器件选通连接组以及输出电压连接组，其中，热电堆单体与MOSFET器件(29)间呈一一对应连接，MOS器件选通连接组内器件选通连接体的数量与阵列中的列数相一致，输出电压连接组内输出电压连接体的数量与阵列中的行数相一致；

所有热电堆单体的负极端(19)与偏置电压连接体连接，热电堆单体的正极端(20)与所对应MOSFET器件(29)的漏极端电连接；同一列MOSFET器件(29)的栅极端与MOS器件选通连接组内相应的器件选通连接体电连接，同一行MOSFET器件(29)的源极端与输出电压连接组内相应的输出电压连接体电连接。

9.根据权利要求8所述悬臂梁热电堆的制备方法，其特征是，热电材料连接体(8)的材料包括Al、Ti、Ni、AlCu、AlCr、NiCu、AlTi、AlSi或CrAu；所述偏置电压连接体、MOS器件选通连接组与热电材料连接体(8)为同一工艺步骤形成；输出电压连接组通过溅射工艺设置在衬底(1)正上方，输出电压连接组的材料包括CrAu，输出电压连接组内输出电压连接体的厚度为

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