CN112697282A - 一种热电堆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热电堆，该热电堆包括衬底、封装基板及至少一堆叠结构，其中，衬底中设有空腔，封装基板暴露在空腔底部开口的区域设有反射层，堆叠结构包括底部绝缘层及在垂直方向上依次堆叠的至少两对热电偶，底部绝缘层遮盖空腔的顶部开口，且底部绝缘层的下表面与反射层的上表面之间的垂直距离为L，L为二分之一预设红外波长的整数倍。本发明的热电堆中，在垂直方向上依次堆叠的多个热电偶之间以串联方式实现电连接，热电层在交替往上堆叠的过程中长度依次减小。采用本发明的热电偶布置方式，能在有限的面积上布置更多数量的热电偶，可有效节省面积。此外，底部绝缘层与反射层之间形成谐振吸收腔，可以增强红外辐射的吸收。
Description
技术领域
本发明属于热电技术领域，涉及一种热电堆。
背景技术
热电堆通常作为一种红外辐射探测器应用在耳温计、距离传感器和热通量传感器等进行非接触式温度测量的传感器之中。热电堆的主要原理基于导体或者半导体的塞贝克效应，即在温度梯度下导体或者半导体的载流子从热端向冷端运动，会在材料内部形成电势差的现象。为了实现较大的输出电压，传感器中采用的热电堆是由一系列以串联方式电连接的热电偶对构成，每个热电偶都是由具有正负塞贝克系数的导体或者半导体组成。通常这些电连接的热电偶对是并排布置在半导体衬底上的，这种结构存在一个明显的缺点，就是在为了尽可能多地放置热电偶对的情况下会占用较大的面积，这不能满足在实际应用中越来越小的尺寸要求。另外，红外辐射探测的效率也有待进一步提高。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种热电堆，用于解决现有技术中热电堆占用面积较大、红外辐射探测效率低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种热电堆，包括：
衬底，所述衬底中设有在垂直方向上贯穿所述衬底的空腔；
封装基板，位于所述衬底下方，并遮盖所述空腔的底部开口，所述封装基板暴露在所述空腔底部开口的区域设有反射层；
至少一堆叠结构，位于所述衬底上，所述堆叠结构包括：
底部绝缘层，位于所述衬底上，并遮盖所述空腔的顶部开口，所述底部绝缘层的下表面与所述反射层的上表面之间的垂直距离为L，L为二分之一预设红外波长的整数倍；
在垂直方向上依次堆叠的至少两对热电偶，位于所述底部绝缘层上，所述热电偶包括在垂直方向上依次堆叠的第一热电层与第二热电层，同一所述热电偶中，所述第一热电层的长度大于所述第二热电层的长度，相邻两对所述热电偶中，位于下方的所述热电偶的所述第二热电层的长度大于位于上方的所述热电偶的所述第一热电层的长度；
第一绝缘层，位于所述第一热电层与所述第二热电层之间；
第二绝缘层，位于相邻两对所述热电偶之间；
第一通孔、第二通孔、第三通孔及第四通孔，其中，在所述热电偶的长度方向上，所述第一通孔与所述第三通孔位于所述热电偶的第一侧，所述第二通孔与所述第四通孔位于所述热电偶的第二侧，所述第一通孔及所述第二通孔均在垂直方向上贯穿所述第一绝缘层以显露所述第一热电层的上表面，所述第三通孔与所述第四通孔均在垂直方向上贯穿所述第二绝缘层以显露所述第二热电层的上表面；
第一电极，连接于相邻两对所述热电偶之间，其中，所述第一电极填充进位于下方的所述热电偶的所述第三通孔中并填充进位于上方的所述热电偶的所述第一通孔中；
第二电极，填充进同一所述热电偶的所述第二通孔及所述第四通孔中。
可选地，所述第一绝缘层还覆盖所述第一热电层的侧面，所述第二绝缘层还覆盖所述第二热电层的侧面。
可选地，所述第一热电层具有正塞贝克系数，所述第二热电层具有负塞贝克系数；或者所述第一热电层具有负塞贝克系数，所述第二热电层具有正塞贝克系数。
可选地，所述第一热电层包括半导体热电材料或导体热电材料，所述第二热电层包括半导体热电材料或导体热电材料。
可选地，所述堆叠结构中，热电层的数目为奇数或偶数。
可选地，所述热电堆包括多个所述堆叠结构，多个所述堆叠结构在水平面上分别位于不同区域。
可选地，多个所述堆叠结构之间串联连接。
可选地，所述堆叠结构具有所述第二电极的一端作为热端，多个所述堆叠结构的所述热端均悬设于所述空腔上方。
可选地，多个所述堆叠结构的所述热端分布于同一圆周上，或者多个所述堆叠结构的所述热端分布于一正方形的四条边上。
可选地，至少有两个平行排列的所述堆叠结构的热端分布于所述正方形的一条边上。
如上所述，本发明的热电堆包括衬底、封装基板及至少一堆叠结构，其中，衬底中设有空腔，封装基板暴露在空腔底部开口的区域设有反射层，堆叠结构包括底部绝缘层及在垂直方向上依次堆叠的至少两对热电偶，底部绝缘层遮盖空腔的顶部开口，且底部绝缘层的下表面与反射层的上表面之间的垂直距离为L，L为二分之一预设红外波长的整数倍。本发明的热电堆中，在垂直方向上依次堆叠的多个热电偶之间以串联方式实现电连接，热电层在交替往上堆叠的过程中长度依次减小。采用本发明的热电偶布置方式，能在有限的面积上布置更多数量的热电偶，可有效节省面积。此外，底部绝缘层与反射层之间形成谐振吸收腔，可以增强红外辐射的吸收。
附图说明
图1显示为一种热电堆红外探测器的剖面结构示意图。
图2显示为本发明的热电堆的剖面结构示意图。
图3显示为本发明的热电堆中一所述堆叠结构的剖面结构示意图。
图4显示为四个所述堆叠结构的热端均匀分布于同一圆周上并呈十字型的示意图。
图5显示为四个所述堆叠结构的热端均匀分布于同一圆周上并呈X型的示意图。
图6显示为八个所述堆叠结构的热端均匀分布于同一圆周上的示意图。
图7显示为十六个所述堆叠结构的热端均匀分布于同一圆周上的示意图。
图8显示为十二个所述堆叠结构的热端分布于一正方形的四条边上的示意图。
元件标号说明：101 硅衬底，102 绝缘层，103 第一半导体层，104 第二半导体层，105 绝缘层，106 金属材料，107 空腔，200 堆叠结构，201 第一热电层，202 第二热电层，203 第一绝缘层，204 第二绝缘层，205 第一通孔，206 第二通孔，207 第三通孔，208 第四通孔，209 第一电极，210 第二电极，211 衬底，212 空腔，213 底部绝缘层，300 封装基板，301 反射层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，显示为一种热电堆红外探测器的剖面结构示意图，在硅衬底101上形成有绝缘层102，在绝缘层102上形成有具有正塞贝克系数的第一半导体层103（也可采用导体），再在其上形成有具有负塞贝克系数的第二半导体层104（也可采用导体），第一半导体层103和第二半导体层104之间用绝缘层105隔开，同时在两种半导体层的各端用金属材料106实现层与层之间的电性互连，构成热电偶。在硅衬底101平面上布置多对热电偶，它们之间串联连接。热电偶靠近硅衬底101中心一侧的一端为热端，作为接受热辐射的探测端，热端下对应的硅衬底101区域有刻蚀形成的空腔107，防止热电堆热端接收的热辐射通过硅衬底101进行热传导耗散影响探测灵敏度。
在图1所示的热电堆红外探测器中，电连接的热电偶对是在水平面上按照预设规则布置的，在尽可能多地放置热电偶对的情况下会占用较大的面积，不能满足在实际应用中越来越小的尺寸要求。另外，在图1所示的热电堆红外探测器中，空腔107的侧壁倾斜，空腔107的开口面积自衬底背面方向往衬底正面方向逐渐缩小，空腔上方热端所接收到的热更容易通过热传导耗散，从而影响器件的灵敏度。因此，本发明通过改进热电偶布置方式以提高面积利用率，并提高器件灵敏度。下面通过具体的实施例说明本发明的技术方案。
实施例一
请参阅图2，显示为本实施例的热电堆的剖面结构示意图，所述热电堆包括衬底211、封装基板300及至少一堆叠结构200，其中，所述衬底211中设有在垂直方向上贯穿所述衬底211的空腔212，所述封装基板300位于所述衬底211下方，并遮盖所述空腔212的底部开口，所述封装基板300暴露在所述空腔212底部开口的区域设有反射层301，所述堆叠结构200包括底部绝缘层213，所述底部绝缘层213位于所述衬底211上，并遮盖所述空腔212的顶部开口，所述底部绝缘层213的下表面与所述反射层301的上表面之间的垂直距离为L，L为二分之一预设红外波长的整数倍，从而在所述底部绝缘层213与所述反射层301之间形成谐振吸收腔，增强红外辐射的吸收，提高红外辐射探测的效率。
需要指出的是，当所述堆叠结构200的数量为多个时，多个所述堆叠结构200可共用所述底部绝缘层213，所述底部绝缘层213的材质包括但不限于二氧化硅、氮化硅等绝缘材质。
作为示例，所述反射层301可采用金、银或其它合适的可以用作红外光反射的材料。
请参阅图3，显示为所述热电堆中一所述堆叠结构200的剖面结构示意图。所述堆叠结构200包括在垂直方向上依次堆叠的至少两对热电偶，所述热电偶包括在垂直方向上依次堆叠的第一热电层201与第二热电层202。
具体的，同一所述热电偶中，所述第一热电层201的长度大于所述第二热电层202的长度，相邻两个所述热电偶中，位于下方的所述热电偶的所述第二热电层202的长度大于位于上方的所述热电偶的所述第一热电层201的长度。也就是说，热电层在交替往上堆叠的过程中长度依次减小，以便为电极的放置预留位置。
作为示例，所述第一热电层201具有正塞贝克系数，所述第二热电层202具有负塞贝克系数；或者所述第一热电层201具有负塞贝克系数，所述第二热电层202具有正塞贝克系数。
作为示例，所述第一热电层201包括半导体热电材料或导体热电材料，所述第二热电层201包括半导体热电材料或导体热电材料，所述半导体热电材料包括但不限于掺杂多晶硅、锗硅、氮化镓、碳化硼、碲化铋、碲化铅等；所述导体热电材料包括但不限于铂铑合金、镍铬合金、镍铝合金、钨、石墨等。
作为示例，所述堆叠结构中，热电层的数目可以为偶数，例如图3所示为所述堆叠结构200包括10层热电层的情形，其构成5对热电偶。在其它实施例中，所述堆叠结构200中所述热电偶的具体数量可以根据需要进行调整，例如包括在垂直方向上依次堆叠的3-100对所述热电偶。
作为示例，所述堆叠结构中，热电层的数目也可以为奇数，也就是说，一所述堆叠结构并不一定布置成完全成对的热电偶，其中，一堆叠结构中未成对的热电层可以与另一堆叠结构中的未成对的热电层组成热电偶。
具体的，所述热电堆还包括位于所述第一热电层201与所述第二热电层202之间的第一绝缘层203，并包括位于相邻两对所述热电偶之间的第二绝缘层204。
作为示例，所述第一绝缘层203还覆盖所述第一热电层201的侧面，所述第二绝缘层204还覆盖所述第二热电层202的侧面。所述第一绝缘层203的材质包括但不限于氧化硅、氮化硅等，所述第二绝缘层204的材质包括但不限于氧化硅、氮化硅等。
具体的，所述热电堆还包括第一通孔205、第二通孔206、第三通孔207及第四通孔208，其中，在所述热电偶的长度方向上，所述第一通孔205与所述第三通孔207位于所述热电偶的第一侧，所述第二通孔206与所述第四通孔208位于所述热电偶的第二侧，所述第一通孔205及所述第二通孔206均在垂直方向上贯穿所述第一绝缘层203以显露所述第一热电层201的上表面，所述第三通孔207与所述第四通孔208均在垂直方向上贯穿所述第二绝缘层204以显露所述第二热电层202的上表面。
具体的，所述热电堆还包括连接于相邻两对所述热电偶之间的第一电极209以将相邻两对所述热电偶串联连接，其中，所述第一电极209填充进位于下方的所述热电偶的所述第三通孔207中并填充进位于上方的所述热电偶的所述第一通孔205中。所述第一电极209的材质包括但不限于铜、银、铝等导电材料。
具体的，所述热电堆还包括第二电极210，所述第二电极210填充进同一所述热电偶的所述第二通孔206及所述第四通孔208中。所述第二电极210的材质包括但不限于铜、银、铝等导电材料。
具体的，所述堆叠结构具有所述第二电极210的一端作为热端，所述热端悬设于所述空腔212上方。所述空腔212可采用垂直侧壁，也可采用倾斜侧壁。本实施例中，所述空腔212优选采用垂直侧壁，可采用深反应离子刻蚀法刻蚀所述衬底211得到。垂直的空腔侧壁可以减少堆叠结构的热端所接收到的热量通过热传导耗散，有利于提高器件灵敏度。
本实施例的热电堆中，堆叠结构包括在垂直方向上依次堆叠的至少两对热电偶，堆叠结构中多个热电偶之间以串联方式实现电连接，热电层在交替往上堆叠的过程中长度依次减小。这种热电偶布置方式能在有限的面积上布置更多数量的热电偶，可有效节省面积。此外，底部绝缘层的下表面与反射层的上表面之间的垂直距离为L，L为二分之一预设红外波长的整数倍，从而在所述底部绝缘层213与所述反射层301之间形成谐振吸收腔，增强红外辐射的吸收，提高红外辐射探测的效率。
实施例二
本实施例中，所述热电堆包括多个所述堆叠结构200，多个所述堆叠结构200在水平面上分别位于不同区域。
作为示例，多个所述堆叠结构200之间串联连接，以实现增加热电堆输出电压的效果。
作为示例，多个所述堆叠结构200的热端均悬设于所述空腔211上方并分布于同一圆周上。
作为示例，请参阅图4，显示为所述热电堆的一种俯视图，其中，四个所述堆叠结构200的热端均匀分布于同一圆周上并呈十字型。
作为示例，请参阅图5，显示为所述热电堆的另一种俯视图，其中，四个所述堆叠结构200的热端均匀分布于同一圆周上并呈X型。
作为示例，请参阅图6，显示为所述热电堆的另一种俯视图，其中，八个所述堆叠结构200的热端均匀分布于同一圆周上。
作为示例，请参阅图7，显示为所述热电堆的另一种俯视图，其中，十六个所述堆叠结构200的热端均匀分布于同一圆周上。
需要指出的是，为了更加清楚地进行示意，上述图4至图7中并未画出覆盖各热电层的绝缘层和层与层之间的金属连接层，仅表示出交替形成的不同热电层。
需要指出的是，在其它实施例中，所述堆叠结构200的数目和排列方式可以根据需要进行调整，不以以上示例为限。
实施例三
本实施例与实施例二采用基本相同的技术方案，不同之处在于多个所述堆叠结构200的热端均悬设于所述空腔211上方并分布于一正方形的四条边上。
作为示例，至少有两个平行排列的所述堆叠结构200的热端分布于所述正方形的一条边上。
作为示例，请参阅图8，显示为所述热电堆的一种俯视图，其中，十二个所述堆叠结构200的热端分布于一正方形的四条边上的示意图。
作为示例，所述正方形的每一条边上均分布有三个平行排列的所述堆叠结构200。
需要指出的是，在其它实施例中，所述堆叠结构200的数目和排列方式可以根据需要进行调整，不以以上示例为限。
综上所述，本发明的热电堆包括衬底、封装基板及至少一堆叠结构，其中，衬底中设有空腔，封装基板暴露在空腔底部开口的区域设有反射层，堆叠结构包括底部绝缘层及在垂直方向上依次堆叠的至少两对热电偶，底部绝缘层遮盖空腔的顶部开口，且底部绝缘层的下表面与反射层的上表面之间的垂直距离为L，L为二分之一预设红外波长的整数倍。本发明的热电堆中，在垂直方向上依次堆叠的多个热电偶之间以串联方式实现电连接，热电层在交替往上堆叠的过程中长度依次减小。采用本发明的热电偶布置方式，能在有限的面积上布置更多数量的热电偶，可有效节省面积。此外，底部绝缘层与反射层之间形成谐振吸收腔，可以增强红外辐射的吸收。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种热电堆，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底中设有在垂直方向上贯穿所述衬底的空腔；
封装基板，位于所述衬底下方，并遮盖所述空腔的底部开口，所述封装基板暴露在所述空腔底部开口的区域设有反射层；
至少一堆叠结构，位于所述衬底上，所述堆叠结构包括：
底部绝缘层，位于所述衬底上，并遮盖所述空腔的顶部开口，所述底部绝缘层的下表面与所述反射层的上表面之间的垂直距离为L，L为二分之一预设红外波长的整数倍；
在垂直方向上依次堆叠的至少两对热电偶，位于所述底部绝缘层上，所述热电偶包括在垂直方向上依次堆叠的第一热电层与第二热电层，同一所述热电偶中，所述第一热电层的长度大于所述第二热电层的长度，相邻两对所述热电偶中，位于下方的所述热电偶的所述第二热电层的长度大于位于上方的所述热电偶的所述第一热电层的长度；
第一绝缘层，位于所述第一热电层与所述第二热电层之间；
第二绝缘层，位于相邻两对所述热电偶之间；
第一通孔、第二通孔、第三通孔及第四通孔，其中，在所述热电偶的长度方向上，所述第一通孔与所述第三通孔位于所述热电偶的第一侧，所述第二通孔与所述第四通孔位于所述热电偶的第二侧，所述第一通孔及所述第二通孔均在垂直方向上贯穿所述第一绝缘层以显露所述第一热电层的上表面，所述第三通孔与所述第四通孔均在垂直方向上贯穿所述第二绝缘层以显露所述第二热电层的上表面；
第一电极，连接于相邻两对所述热电偶之间，其中，所述第一电极填充进位于下方的所述热电偶的所述第三通孔中并填充进位于上方的所述热电偶的所述第一通孔中；
第二电极，填充进同一所述热电偶的所述第二通孔及所述第四通孔中。
2.根据权利要求1所述的热电堆，其特征在于：所述第一绝缘层还覆盖所述第一热电层的侧面，所述第二绝缘层还覆盖所述第二热电层的侧面。
3.根据权利要求1所述的热电堆，其特征在于：所述第一热电层具有正塞贝克系数，所述第二热电层具有负塞贝克系数；或者所述第一热电层具有负塞贝克系数，所述第二热电层具有正塞贝克系数。
4.根据权利要求1所述的热电堆，其特征在于：所述第一热电层包括半导体热电材料或导体热电材料，所述第二热电层包括半导体热电材料或导体热电材料。
5.根据权利要求1所述的热电堆，其特征在于：所述堆叠结构中，热电层的数目为奇数或偶数。
6.根据权利要求1所述的热电堆，其特征在于：所述热电堆包括多个所述堆叠结构，多个所述堆叠结构在水平面上分别位于不同区域。
7.根据权利要求6所述的热电堆，其特征在于：多个所述堆叠结构之间串联连接。
8.根据权利要求6所述的热电堆，其特征在于：所述堆叠结构具有所述第二电极的一端作为热端，多个所述堆叠结构的所述热端均悬设于所述空腔上方。
9.根据权利要求8所述的热电堆，其特征在于：多个所述堆叠结构的所述热端分布于同一圆周上，或者多个所述堆叠结构的所述热端分布于一正方形的四条边上。
10.根据权利要求9所述的热电堆，其特征在于：至少有两个平行排列的所述堆叠结构的所述热端分布于所述正方形的一条边上。
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