CN112250031A - 自带线性热电阻校正的热电堆红外传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自带线性热电阻校正的热电堆红外传感器及其制备方法，通过改进热电堆芯片制作工艺，热电堆红外传感器本体部分和用于温度修正的PT热电阻，热电堆红外传感器本体和PT热电阻均制作在以SI基本材料的同一个基底上，由热电堆区域和线性金属热电阻补偿区域组成。相比于现有技术，本发明实现了在热电堆芯片上制作高准确度的线性Pt电阻工艺，同时增加了芯片冷区的光反射效果，实现更加有效的温度差，提高了器件的灵敏度，提高了器件的整体准确度。
Description
技术领域
本发明涉及了热电堆红外传感器技术，尤其是自带线性金属热电阻修正的红外热电堆传感器。
背景技术
红外热电堆传感器是一种通过测量物体发射的红外辐射的强度不同，输出有差别的电压信号，从而判断物体的热特性的探测器,可用于非接触测量温度，可以测量恒定的红外辐射，既可以用在军用，也可以民用；这种传感器现在可以采用半导体MEMS技术制造，甚至跟CMOS工艺兼容，尺寸可以做得非常小，因此可以在Si基座上制作单个的传感器，也可以制造成以矩阵方式排列的传感器阵列，具有很高的性价比。采用半导体MEMS技术制造的热电堆单元，一般有几对或者几十对热电偶串联而成，这些热电偶的偶条材料可以采用金属材料，也可以用P型或者N型多晶硅电阻条，也可以用金属条跟多晶硅电阻条组合。
我们知道测量温度的热电偶的工作原理是两种不同塞贝克系数的电阻条一端相连，相连这头放置在热区，另外不相连的两端放置在冷区，如果冷热区有温差
在，那么这个不相连的两端就会产生开路电势差
，通过这个电势差获得温度差，
，
是塞贝克系数，因此电势差的大小跟温度差有直接的关系，因此，用于测量温度的时候，需要很准确的测量冷端的温度，才能得到热端的准确温度。传统的方法是在热电堆芯片的旁边另外再封装一片热敏电阻，一个是增加的封装的工作量，另外热敏电阻本身的准确度影响了整体测温的准确度，还有热敏电阻的封装总是离开热电堆芯片有一个距离，不能够完全代表热电堆芯片的冷端温度。
因此，针对现有技术中如何获得能够代表热电堆芯片冷端温度或者自带热电阻校正的热电堆的问题，亟需提供一种高准确度、实现有效温差、灵敏度高的热电堆红外传感器及其制备技术显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种高准确度、实现有效温差、灵敏度高的热电堆红外传感器。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
提供一种自带线性热电阻校正的热电堆传感器，其包括有硅基底、SiO2薄膜、氮化硅层、多晶硅条、SiO2绝缘层、金属电极和线性金属热电阻，硅基底上依次具有SiO2薄膜和氮化硅层，氮化硅层形成支撑膜；多晶硅条设于氮化硅层的上表面，SiO2绝缘层覆盖于多晶硅条，金属电极穿过多晶硅条上方的SiO2绝缘层与多晶硅条接触，铂电极与多晶硅条组成热电偶，多条热电偶构成热电堆，所述线性金属热电阻设于SiO2绝缘层和硅基底上，且所述线性金属热电阻位于热电堆的旁侧。
优选的，多晶硅条掺杂有B离子。
本发明的另一目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种高准确度、实现有效温差、灵敏度高的热电堆红外传感器制备方法
本发明的另一目的通过以下技术方案实现：
提供一种自带线性热电阻校正的热电堆传感器的制备方法，其包括有以下步骤：
（1）热生成SiO2薄膜：在抛光好的Si基底使用热氧化法生成SiO2薄膜；
（2）生成氮化硅层：用化学气相沉淀法在SiO2薄膜上生成氮化硅层；
（3）生成多晶硅层：在氮化硅层上用低压气相沉淀法沉淀生产1微米厚的多晶硅层，使用离子注入机往多晶硅层注入B离子，退火处理；
（4）制作多晶硅电偶条：按照设计好的热电偶位置，采用光刻工艺在多晶硅层上刻蚀出多晶硅条作为热电偶条的一偶条；
（5）生成SiO2绝缘层：使用低压气相沉淀法在步骤（4）的半成品上生成0.3微米的SiO2层作为绝缘层，并通过光刻工艺制造接触窗口使接触窗口内的多晶硅裸露；
（6）制备电极：在步骤（5）的SiO2层溅射一层厚0.5微米的金属，接触窗口内裸露的多晶硅上表面与金属接触，使用光刻机将金属光刻腐蚀保留接触窗口上的金属作为电极，金属电极作为热电偶条的另一偶条，同时，保留一条位于SiO2层上的备用金属；
（7）制备薄膜Pt电阻：用激光在备用金属上刻出阻抗制成薄膜线性金属热电阻；
（8）制备薄膜悬浮窗：使用光刻机刻蚀出腐蚀通道，采用干法正面开孔腐蚀法，用XeF2气体把Si基底腐蚀一定深度形成薄膜悬浮窗。
优选的，SiO2薄膜的厚度为0.5微米，氮化硅层的厚度为0.4微米，SiO2薄膜和氮化硅层共同形成支撑膜。
优选的，步骤（3）中退火处理后，方块电阻为50±5欧姆。
优选的，步骤（7）中制得的薄膜Pt电阻为Pt1000、Pt2000或者 Pt5000。
优选的，金属为铂金。
本发明的有益效果：
本发明通过改进热电堆芯片制作工艺，热电堆红外传感器本体部分和用于温度修正的PT热电阻，热电堆红外传感器本体和PT热电阻均制作在以SI基本材料的同一个基底上，由热电堆区域和线性金属热电阻补偿区域组成。相比于现有技术，本发明实现了在热电堆芯片上制作高准确度的线性Pt电阻工艺，同时增加了芯片冷区的光反射效果，实现更加有效的温度差，提高了器件的灵敏度，提高了器件的整体准确度。
附图说明
利用附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明的自带线性热电阻校正的热电堆传感器的示意图。
图2是本发明的自带线性热电阻校正的热电堆传感器的制备方法流程示意图。
图1和图2中包括有：
1——芯片、1-1——热电堆区域、1-2——铂电阻补偿区域、1-3——热端、
1-4——冷端、2——硅基底、3——SiO2薄膜、4——氮化硅层、
5-1——多晶硅层、5-2——多晶硅条、6——SiO2绝缘层、
7——金属电极、8——线性金属热电阻、9——腐蚀通道、10——悬浮窗空腔。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例的自带线性热电阻校正的热电堆传感器，其包括有硅基底、SiO2薄膜、氮化硅层、多晶硅条、SiO2绝缘层、金属电极和线性金属热电阻，硅基底上依次具有SiO2薄膜和氮化硅层，氮化硅层形成支撑膜；多晶硅条设于氮化硅层的上表面，该多晶硅条掺杂有B离子。SiO2绝缘层覆盖于多晶硅条，金属电极穿过多晶硅条上方的SiO2绝缘层与多晶硅条接触，金属电极与多晶硅条构成热电偶，多条热电偶构成热电堆，所述线性金属热电阻设于SiO2绝缘层和硅基底上，且所述线性金属热电阻位于热电堆的旁侧。
上述自带线性热电阻校正的热电堆传感器的制备方法，包括有以下步骤：
（1）热生成SiO2薄膜：在抛光好的Si基底使用热氧化法生成SiO2薄膜，SiO2薄膜的厚度为0.5微米；
（2）生成氮化硅层：用化学气相沉淀法在SiO2薄膜上生成氮化硅层，氮化硅层的厚度为0.4微米；
（3）生成多晶硅层：在氮化硅层上用低压气相沉淀法沉淀生产1微米厚的多晶硅层，使用离子注入机往多晶硅层注入B离子，退火处理，测试方块的电阻为应为50±5欧姆范围内；
（4）制作多晶硅电偶条：按照设计好的热电偶位置，采用光刻工艺在多晶硅层上刻蚀出多晶硅条作为热电偶条的一偶条；
（5）生成SiO2绝缘层：使用低压气相沉淀法在步骤（4）的半成品上生成0.3微米的SiO2层作为绝缘层，并通过光刻工艺制造接触窗口使接触窗口内的多晶硅裸露；
（6）制备电极：在步骤（5）的SiO2层溅射一层厚0.5微米的金属，金属为铂金，接触窗口内裸露的多晶硅上表面与铂金接触，使用光刻机将金属光刻腐蚀保留接触窗口上的铂金作为电极，该铂金电极作为热电偶条的另一偶条，同时，保留一条位于SiO2层上的备用铂金；
（7）制备薄膜Pt电阻：用激光在备用金属上刻出阻抗制成薄膜线性铂热电阻，制得的薄膜Pt电阻为Pt1000、Pt2000或者 Pt5000；
（8）制备薄膜悬浮窗：使用光刻机刻蚀出腐蚀通道，采用干法正面开孔腐蚀法，用XeF2气体把Si基底腐蚀一定深度形成薄膜悬浮窗。
其中，步骤（4）在真空条件下将所材料B离子使用离子注入机注入到加工层上，能够产生P型层和N-P-N结构，经退火形成良好的单晶层，可以精准控制电阻及其他性能变化。步骤（8）采用XeF2作为刻蚀气体，XeF2气体会吸附在硅片表面，自发分解产生氙气和氟，氟与硅片进行高速率刻蚀，其刻蚀反应的产物均可有真空系统抽除，不会造成污染，可在室温下进行。
需要说明的是，二氧化硅热氧化生成法、化学气相沉淀法、低压化学气相沉淀法、离子注入工艺、光刻工艺及XeF2干法腐蚀法均为现有技术，本领域技术人员应当清楚明白这些工艺的原理及具体操作。本发明基于MEMS技术加工，先在抛光好的Si片上，热生成氧化硅，用气相沉淀法生成氮化硅层组成支撑膜,继续在上面沉淀一层多晶硅，然后铺一层光刻胶，光刻，形成多晶硅条作为热电偶的一偶条，继续用沉淀生成氧化硅充当绝缘层，在最上面氧化硅层上溅射铂金，腐蚀生成铂电极作为热电偶的另外一偶条，同时保护好热电堆单元边上准备做薄膜Pt电阻的金属层。刻出薄膜Pt电阻所需要的阻抗，继续光刻形成干法腐蚀的气体通道，用XeF2气体把下面Si基底腐蚀一定深度，使热电堆所在的薄膜层完全干净释放出来。如此制得的热电堆红外传感器，其本体和PT热电阻均制作在以SI基本材料的同一个基底上，由热电堆区域和铂电阻补偿区域组成，实现了在热电堆芯片上制作高准确度的线性Pt电阻工艺，同时增加了芯片冷区的光反射效果，实现更加有效的温度差，提高了器件的灵敏度，提高了器件的整体准确度。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案说明而非对权利要求保护范围的限制。本领域的普通技术人员参照较佳实施例应当理解，并可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，但属于本发明技术方案的实质相同和保护范围。
Claims (8)
1.自带线性热电阻校正的热电堆传感器，其特征在于，包括有硅基底、SiO2薄膜、氮化硅层、多晶硅条、SiO2绝缘层、金属电极、线性金属热电阻和芯片，所述硅基底上依次具有SiO2薄膜和氮化硅层，氮化硅层形成支撑膜；多晶硅条设于氮化硅层的上表面，SiO2绝缘层覆盖于多晶硅条，金属电极穿过多晶硅条上方的SiO2绝缘层与多晶硅条接触，所述线性金属热电阻设于SiO2绝缘层和硅基底上，且所述线性金属热电阻位于芯片的旁侧。
2.根据权利要求1所述的自带线性热电阻校正的热电堆传感器，其特征在于，所述多晶硅条掺杂有B离子。
3.根据权利要求1所述的自带线性热电阻校正的热电堆传感器，其特征在于，所述金属电极为铂电极，所述线性金属热电阻为铂热电阻。
4.自带线性热电阻校正的热电堆传感器的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至3任意一项所述的热电堆传感器，其包括有以下步骤：
（1）热生成SiO2薄膜：在抛光好的Si基底使用热氧化法生成SiO2薄膜；
（2）生成氮化硅层：用化学气相沉淀法在SiO2薄膜上生成氮化硅层；
（3）生成多晶硅层：在氮化硅层上用低压气相沉淀法沉淀生产1微米厚的多晶硅层，使用离子注入机往多晶硅层注入B离子，退火处理；
（4）制作多晶硅电偶条：按照设计好的热电偶位置，采用光刻工艺在多晶硅层上刻蚀出多晶硅条作为热电偶条的一偶条；
（5）生成SiO2绝缘层：使用低压气相沉淀法在步骤（4）的半成品上生成0.3微米的SiO2层作为绝缘层，并通过光刻工艺制造接触窗口使接触窗口内的多晶硅裸露；
（6）制备电极：在步骤（5）的SiO2层溅射一层厚0.5微米的金属，接触窗口内裸露的多晶硅上表面与金属接触，使用光刻机将金属光刻腐蚀保留接触窗口上的金属作为电极，该金属电极作为热电偶条的另一偶条，同时，保留一条位于SiO2层上的备用金属；
（7）制备薄膜Pt电阻及安装芯片：用激光在备用金属上刻出阻抗制成薄膜线性金属热电阻，安装热电堆单元芯片；
（8）制备薄膜悬浮窗：使用光刻机刻蚀出腐蚀通道，采用干法正面开孔腐蚀法，用XeF2气体把Si基底腐蚀一定深度形成薄膜悬浮窗。
5.根据权利要求4所述的自带线性热电阻校正的热电堆传感器的制备方法，其特征在于，SiO2薄膜的厚度为0.5微米，氮化硅层的厚度为0.4微。
6.根据权利要求4所述的自带线性热电阻校正的热电堆传感器的制备方法，其特征在于，步骤（3）中退火处理后，方块电阻为50±5欧姆。
7.根据权利要求4所述的自带线性热电阻校正的热电堆传感器的制备方法，其特征在于，步骤（7）中制得的薄膜Pt电阻为Pt1000、Pt2000或者 Pt5000。
8.根据权利要求4所述的自带线性热电阻校正的热电堆传感器的制备方法，其特征在于，金属为铂金。
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2020
- 2020-09-29 CN CN202011052511.XA patent/CN112250031A/zh active Pending
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