CN113091919A - 一种热电堆传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种热电堆传感器及其制作方法，热电堆传感器包括衬底、第一薄膜层、第二薄膜层、第三薄膜层、第一悬臂梁和第二悬臂梁；衬底包括凹槽区和环绕凹槽区的周边区；凹槽区内设置有第一支撑部和第二支撑部；凹槽区除第一支撑部和第二支撑部之外的区域的厚度小于周边区的厚度；第一薄膜层、第二薄膜层、第一悬臂梁和第二悬臂梁位于凹槽区；第三薄膜层位于周边区；第二薄膜层、第三薄膜层、第一悬臂梁和第二悬臂梁同层设置；第二薄膜层位于第一薄膜层远离衬底的一侧；第一薄膜层和第二薄膜层均用于吸收红外辐射。本发明实施例提供一种热电堆传感器及其制作方法，在不增加热电堆传感器尺寸的情况下，提高了热电堆传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种热电堆传感器及其制作方法。
背景技术
红外热电堆传感器是一种利用塞贝克效应将红外辐射能量转换为电信号输出的传感器。利用MEMS工艺，可以将红外热电堆传感器制造成CMOS兼容的单点温度采集芯片并应用于红外体温计中，相比传统水银温度计，红外体温计具有更安全，读数直观，时间短，精度高等优点，在2020年的新冠疫情中，红外体温计在防控方面发挥了重大作用。利用MEMS和CMOS工艺相结合，还可以将红外热电堆传感器制造成一定规模的红外阵列传感器芯片，将一定区域内的所有被测物体探测以二维平面的方式，展现出各自的温度分布状态，广泛应用于各类智能家居产品中，如可自动调节功率的微波炉，自动控温节能冰箱，风随人动的空调等，拥有可观的市场潜力。
现有技术中的红外热电堆传感器通过增加吸收薄膜的面积来增加红外辐射的吸收量，吸收薄膜的面积增加必然会导致红外热电堆传感器的尺寸增加，大尺寸的红外热电堆传感器具有制作成本高且适用范围小等缺点。
发明内容
本发明实施例提供一种热电堆传感器及其制作方法，在不增加热电堆传感器尺寸的情况下，提高了热电堆传感器的灵敏度。
第一方面，本发明实施例提供一种热电堆传感器，该热电堆传感器包括衬底、第一薄膜层、第二薄膜层、第三薄膜层、第一悬臂梁和第二悬臂梁；
所述衬底包括凹槽区和环绕所述凹槽区的周边区；所述凹槽区内设置有第一支撑部和第二支撑部；所述凹槽区除所述第一支撑部和所述第二支撑部之外的区域的厚度小于所述周边区的厚度；
所述第一薄膜层、所述第二薄膜层、所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁位于所述凹槽区；所述第三薄膜层位于所述周边区；所述第二薄膜层、所述第三薄膜层、所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁同层设置；
所述第二薄膜层位于所述第一薄膜层远离所述衬底的一侧，所述第一薄膜层与所述衬底不接触；所述第一薄膜层和所述第二薄膜层均用于吸收红外辐射；
所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁与所述第一薄膜层不接触；
所述第二薄膜层包括相对设置的第一边和第二边以及相对设置的第三边和第四边；所述第一悬臂梁的第一端与所述第二薄膜层的所述第一边连接，所述第二悬臂梁的第一端与所述第二薄膜层的所述第二边连接；
所述第一悬臂梁环绕所述第一边和所述第三边，所述第二悬臂梁环绕所述第二边和所述第四边；所述第一悬臂梁的部分区域与所述第一支撑部接触，所述第二悬臂梁的部分区域与所述第二支撑部接触。
可选的，所述衬底包括硅衬底；所述硅衬底的晶向为<100>。
可选的，所述第一薄膜层的材料包括砷掺硅、硼掺硅、二氟化硼掺硅或磷掺硅。
可选的，所述热电堆传感器中最长的边的尺寸范围为50μm～1mm。
可选的，所述第一悬臂梁的材料、所述第二悬臂梁的材料、所述第二薄膜层的材料和所述第三薄膜层的材料相同；
所述第一悬臂梁的厚度、所述第二悬臂梁的厚度、所述第二薄膜层的厚度和所述第三薄膜层的厚度相等。
可选的，所述第二薄膜层的材料包括氮化硅或者氧化硅。
可选的，所述第一薄膜层与所述第二薄膜层在所述衬底上的垂直投影的面积相等。
第二方面，本发明实施例提供一种热电堆传感器的制作方法，该制作方法包括：
提供一衬底；所述衬底包括凹槽区和环绕所述凹槽区的周边区；对所述凹槽区的中央区域进行掺杂形成第一薄膜层；
在所述凹槽区生长第二薄膜层、第一悬臂梁和第二悬臂梁，在所述周边区生长第三薄膜层；其中所述第二薄膜覆盖所述第一薄膜层；所述第一薄膜层和所述第二薄膜层均用于吸收红外辐射；所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁与所述第一薄膜层不接触；所述第二薄膜层包括相对设置的第一边和第二边以及相对设置的第三边和第四边；所述第一悬臂梁的第一端与所述第二薄膜层的所述第一边连接，所述第二悬臂梁的第一端与所述第二薄膜层的所述第二边连接；所述第一悬臂梁环绕所述第一边和所述第三边，所述第二悬臂梁环绕所述第二边和所述第四边；
去除所述凹槽区的部分衬底，形成第一支撑部和第二支撑部；其中，所述凹槽区除所述第一支撑部和所述第二支撑部之外的区域的厚度小于所述周边区的厚度，所述第一薄膜层与所述衬底不接触，所述第一悬臂梁的部分区域与所述第一支撑部接触，所述第二悬臂梁的部分区域与所述第二支撑部接触。
可选的，对所述凹槽区的中央区域进行掺杂形成第一薄膜层过程中掺杂的材料包括砷、硼、二氟化硼或磷。
可选的，对所述凹槽区的中央区域进行掺杂形成第一薄膜层过程中掺杂砷、硼、二氟化硼或磷的浓度范围为1*105cm-3～1*1020cm-3。
本发明实施例提供一种热电堆传感器通过设置第一薄膜层和第二薄膜层来增加热电堆传感器的吸收红外辐射的效率，在不影响热电堆结构热阻，不增加热电堆传感器尺寸的情况下，提高了热电堆传感器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种热电堆传感器的结构示意图；
图2为图1中热电堆传感器沿剖面线AA的剖面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种热电堆传感器的制作方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种热电堆传感器的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种热电堆传感器的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的又一种热电堆传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明实施例作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明实施例，而非对本发明实施例的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明实施例相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种热电堆传感器的结构示意图，图2为图1中热电堆传感器沿剖面线AA的剖面示意图，参考图1和图2，该热电堆传感器包括衬底110、第一薄膜层120、第二薄膜层130、第三薄膜层140、第一悬臂梁150和第二悬臂梁160；衬底110包凹槽区10和环绕凹槽区的周边区20；凹槽区10内设置有第一支撑部和第二支撑部；凹槽区10除第一支撑部和第二支撑部之外的区域的厚度小于周边区20的厚度；第一薄膜层120、第二薄膜层130、第一悬臂梁150和第二悬臂梁160位于凹槽区10；第三薄膜层140位于周边区20；第二薄膜层130、第三薄膜层140、第一悬臂梁150和第二悬臂梁160同层设置；第二薄膜层130位于第一薄膜层120远离衬底110的一侧，第一薄膜层120与衬底110不接触；第一薄膜层120和第二薄膜层130均用于吸收红外辐射；第一悬臂梁150和第二悬臂梁160与第一薄膜层120不接触；第二薄膜层130包括相对设置的第一边131和第二边132以及相对设置的第三边133和第四边134；第一悬臂梁150的第一端与第二薄膜层130的第一边131连接，第二悬臂梁160的第一端与第二薄膜层130的第二边132连接；第一悬臂梁150环绕第一边131和第三边133，第二悬臂梁160环绕第二边132和第四边134；第一悬臂梁150的部分区域与第一支撑部接触，第二悬臂梁160的部分区域与第二支撑部接触。
具体的，第一薄膜层120位于凹槽区10的中央区域，在第一薄膜层120包括N阱硅区域或P阱硅区域，第一薄膜层120的设置增加了吸收红外辐射薄膜层的厚度，利用硅的红外光谱吸收特性，在相同辐射功率下，吸收更多的红外辐射能量，以此来提高传感器的灵敏度。热电堆传感器中的第一薄膜层120和第二薄膜层130用于吸收被测物体的红外辐射，并将吸收的红外辐射转换成热能，第一悬臂梁150和第二悬臂梁160上的热电堆热偶对利用塞贝克效应，将热能转换成电信号，同时第一悬臂梁150和第二悬臂梁160起到了支撑第一薄膜层120和第二薄膜层130的作用以及绝热的作用，使得绝大部分的热量保留在第一薄膜层120和第二薄膜层130上不被散溢。
热电堆传感器的热阻RTP推导如下：
第一薄膜层120和第二薄膜层130中心热量的热流方向，可以分为上下两个部分。根据固体热交换公式，热阻R＝L/(λ*A)，其中L是固体长度，λ是固体的导热系数，A是热流通过的横截面积。第一悬臂梁150、上半个第一薄膜层120和上半个第二薄膜层130串联后的热阻称为第一热阻，第二悬臂梁160、下半个第一薄膜层120和下半个第二薄膜层130串联后的热阻称为第二热阻，热电堆传感器的热阻RTP等于第一热阻与第二热阻并联后的热阻值，第一悬臂梁150和第二悬臂梁160的长度都是L1+L3，导热系数都是λ1，横截面积都是A1，上半个第一薄膜层120的长度为L2且横截面面积为A2，下半个第一薄膜层120的长度为L2且横截面面积为A2，上半个第二薄膜层130的长度为L2且横截面面积为A2，下半个第二薄膜层130的长度为L2且横截面面积为A2，第一薄膜层120的导热系数都是λ2，第二薄膜层130的导热系数都是λ3，故传感器的热阻RTP＝((L1+L3)/(λ1*A1)+L2/(λ2*A2)+L2/(λ3*A2))/2。其中，热电堆传感器设计结构时，通常设置(L1+L3)>>L2，A1<<A2，故RTP≈((L1+L3)/(λ1*A1)/2，可以看出热电堆传感器的热阻RTP的大小可以看成只受第一悬臂梁150和第二悬臂梁160的影响。又根据固体传热的定义式，一定传热功率下的固体传热，固体两端产生的温度差ΔT＝R*P，R为固体热阻，P为热源功率。故热电堆传感器受红外辐射Q影响下产生的温度差ΔTTP＝RTP*Q*η，其中P＝Q*η，η为热电堆传感器的实际吸收效率。根据塞贝克效应，热电堆传感器的灵敏度即电压输出V＝N*α*ΔTTP，其中，N为热电堆的热偶对对数，α为塞贝克系数，所以在第一悬臂梁150和第二悬臂梁160结构固定的条件下，需要提高热电堆传感器的灵敏度也就是提高热电堆传感器产生的温度差，只能提高热电堆传感器的实际吸收效率η。但是由于从热电堆传感器制造的成本及热电堆传感器占有面积考虑，整体热电堆传感器的尺寸通常会限制在50μm至1mm之内，故受小面积影响，整体热电堆传感器的灵敏度不会太高。又由于热电堆传感器的悬臂梁结构已经固化，故无法再通过改变结构来提高信号输出，基于以上限制，本发明实施例提供的热电堆传感器在第二薄膜层130的基础上增加了第一薄膜层120，第一薄膜层120和第二薄膜层130都能吸收红外辐射，可以使热电堆传感器吸收更多的红外辐射的能量，转化成更多的热量，提高了热电堆传感器的实际吸收效率η，增强热电堆的输出信号。需要说明的是，本发明实施例中的上半个第二薄膜层和下半个第二薄膜层是指沿第二薄膜层平行于第二薄膜层的第一边的对称轴进行划分，将第二薄膜层分为上半个第二薄膜层和下半个第二薄膜层，同样的，上半个第一薄膜层和下半个第一薄膜层也是通过同样的方法划分的。
本发明实施例提供一种热电堆传感器通过设置第一薄膜层和第二薄膜层来增加热电堆传感器的吸收红外辐射的效率，在不影响热电堆结构热阻，不增加热电堆传感器尺寸的情况下，提高了热电堆传感器的灵敏度。
可选的，衬底包括硅衬底；硅衬底的晶向为<100>。
具体的，当衬底为硅衬底时，硅衬底的晶向为<100>，衬底更容易形成凹槽区，且硅材料具有红外吸收特性，在硅衬底添加一些材料形成N阱硅区域或P阱硅区域，利用硅材料作为衬底，可以使N阱硅区域或P阱硅区域吸收更多的红外辐射的能量。
可选的，第一薄膜层的材料包括砷掺硅、硼掺硅、二氟化硼掺硅或磷掺硅。
具体的，砷掺硅的形成是在硅衬底的特定区域掺杂一定量的砷而形成N阱硅区域，硼掺硅的形成是在硅衬底的特定区域掺杂一定量的硼而形成P阱硅区域，二氟化硼掺硅的形成是在硅衬底的特定区域掺杂一定量的二氟化硼而形成P阱硅区域，磷掺硅的形成是在硅衬底的特定区域掺杂一定量的磷而形成N阱硅区域，N阱硅区域或P阱硅区域的形成不会影响热电堆传感器的热阻，且能够吸收更多的红外辐射。
可选的，热电堆传感器中最长的边的尺寸范围为50μm～1mm。
具体的，热电堆传感器的最长的边的尺寸控制在50μm～1mm，制作出来的热电堆传感器的具有尺寸小和成本低的优势，本发明实施例提供的热电堆传感器在不增加热电堆传感器的尺寸的情况下，使热电堆传感器能够吸收更多的热量。示例性的，热电堆传感器可以为长方体，那么长方体的长、宽和高中尺寸最大的边为热电堆传感器中的最长的边。热电堆传感器可以为圆柱体，那圆柱体的底面直径和圆柱体的高中尺寸最大的边为热电堆传感器中的最长的边。
可选的，第一悬臂梁的材料、第二悬臂梁的材料、第二薄膜层的材料和第三薄膜层的材料相同；第一悬臂梁的厚度、第二悬臂梁的厚度、第二薄膜层的厚度和第三薄膜层的厚度相等。
具体的，第一悬臂梁的材料、第二悬臂梁的材料、第二薄膜层的材料和第三薄膜层的材料相同，第一悬臂梁的厚度、第二悬臂梁的厚度、第二薄膜层的厚度和第三薄膜层的厚度相等，在制作过程中，可以同时制作第一悬臂梁、第二悬臂梁、第二薄膜层和第三薄膜层，从而提高热电堆传感器的制作效率，并减少热电堆传感器制作材料的种类，进一步减小热电堆传感器的制作成本。
可选的，第二薄膜层的材料包括氮化硅或者氧化硅。
具体的，将氮化硅或氧化硅作为第二薄膜层可以使第二薄膜层更好的吸收红外辐射。
可选的，第一薄膜层与第二薄膜层在衬底上的垂直投影的面积相等。
具体的，在热电堆传感器的尺寸一定的情况下，设置第一薄膜层的横截面的尺寸和第二薄膜层的横截面的尺寸相等，保证第一薄膜层和第二薄膜层吸收红外辐射的面积相等，从而吸收更多的红外辐射。
图3为本发明实施例提供的一种热电堆传感器的制作方法的流程示意图，参考图3，该制作方法包括如下步骤：
310、提供一衬底；衬底包括凹槽区和环绕凹槽区的周边区；对凹槽区的中央区域进行掺杂形成第一薄膜层。
320、在凹槽区生长第二薄膜层、第一悬臂梁和第二悬臂梁，在周边区生长第三薄膜层；其中第二薄膜覆盖第一薄膜层；第一薄膜层和第二薄膜层均用于吸收红外辐射；第一悬臂梁和第二悬臂梁与第一薄膜层不接触；第二薄膜层包括相对设置的第一边和第二边以及相对设置的第三边和第四边；第一悬臂梁的第一端与第二薄膜层的第一边连接，第二悬臂梁的第一端与第二薄膜层的第二边连接；第一悬臂梁环绕第一边和第三边，第二悬臂梁环绕第二边和第四边。
330、去除凹槽区的部分衬底，形成第一支撑部和第二支撑部；其中，凹槽区除第一支撑部和第二支撑部之外的区域的厚度小于周边区的厚度，第一薄膜层与衬底不接触，第一悬臂梁的部分区域与第一支撑部接触，第二悬臂梁的部分区域与第二支撑部接触。
具体的，对凹槽区的中央区域进行掺杂形成第一薄膜层包括如下步骤：图4为本发明实施例提供的又一种热电堆传感器的结构示意图，参考图4，提供一衬底110，在衬底上涂覆光刻胶30，并光刻显影露出中央区域。图5为本发明实施例提供的又一种热电堆传感器的结构示意图，参考图5，利用标准CMOS工艺，对中央区域进行重掺杂磷、砷、硼或者二氟化硼形成N/P阱硅区域，将重掺杂后的中央区域称为第一薄膜层120。
去除衬底上剩余的光刻胶，图6为本发明实施例提供的又一种热电堆传感器的结构示意图，参考图6，利用MEMS工艺，在第一薄膜层120远离衬底110的一侧生长第二薄膜层130，在生长第二薄膜层130时，同时生长第一悬臂梁150、第二悬臂梁160和第三薄膜层140，使第二薄膜层130与第一悬臂梁150、第二悬臂梁160和第三薄膜层140同层设置；
继续参考图2，通过四甲基氢氧化氨腐蚀液或氢氧化钾腐蚀液进行衬底腐蚀，利用N/P阱硅区域的重掺杂硅腐蚀自停止技术形成本发明实施例提供的热电堆传感器。
本发明实施例提供的热电堆传感器制作方法采用的CMOS兼容MEMS工艺制造本发明实施例提供的热电堆传感器，本发明所采用的制造工艺过程简单、成本可控且适合大规模生产，对人体温度监控的红外体温计所用的单点热电堆传感器芯片以及对智能家居图像采集所用的热电堆阵列传感器芯片都是适用的。
可选的，对凹槽区的中央区域进行掺杂形成第一薄膜层过程中掺杂的材料包括砷、硼、二氟化硼或磷。
具体的，对凹槽区的中央区域进行掺杂砷、硼、二氟化硼或磷而形成N阱硅区域或P阱硅区域，N阱硅区域或P阱硅区域的形成不会影响热电堆传感器的热阻，且能够吸收更多的红外辐射。
可选的，对凹槽区的中央区域进行掺杂形成第一薄膜层过程中掺杂砷、硼、二氟化硼或磷的浓度范围为1*105cm-3～1*1020cm-3。
具体的，将掺杂浓度控制在1*105cm-3～1*1020cm-3可以使形成的第一薄膜层可以更好的吸收红外辐射能量。
注意，上述仅为本发明实施例的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明实施例不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明实施例的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明实施例进行了较为详细的说明，但是本发明实施例不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明实施例构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明实施例的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种热电堆传感器，其特征在于，包括衬底、第一薄膜层、第二薄膜层、第三薄膜层、第一悬臂梁和第二悬臂梁；
所述衬底包括凹槽区和环绕所述凹槽区的周边区；所述凹槽区内设置有第一支撑部和第二支撑部；所述凹槽区除所述第一支撑部和所述第二支撑部之外的区域的厚度小于所述周边区的厚度；
所述第一薄膜层、所述第二薄膜层、所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁位于所述凹槽区；所述第三薄膜层位于所述周边区；所述第二薄膜层、所述第三薄膜层、所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁同层设置；
所述第二薄膜层位于所述第一薄膜层远离所述衬底的一侧，所述第一薄膜层与所述衬底不接触；所述第一薄膜层和所述第二薄膜层均用于吸收红外辐射；
所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁与所述第一薄膜层不接触；
所述第二薄膜层包括相对设置的第一边和第二边以及相对设置的第三边和第四边；所述第一悬臂梁的第一端与所述第二薄膜层的所述第一边连接，所述第二悬臂梁的第一端与所述第二薄膜层的所述第二边连接；
所述第一悬臂梁环绕所述第一边和所述第三边，所述第二悬臂梁环绕所述第二边和所述第四边；所述第一悬臂梁的部分区域与所述第一支撑部接触，所述第二悬臂梁的部分区域与所述第二支撑部接触。
2.根据权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在于，所述衬底包括硅衬底；
所述硅衬底的晶向为<100>。
3.根据权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在于，所述第一薄膜层的材料包括砷掺硅、硼掺硅、二氟化硼掺硅或磷掺硅。
4.根据权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在于，所述热电堆传感器中最长的边的尺寸范围为50μm～1mm。
5.根据权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在于，所述第一悬臂梁的材料、所述第二悬臂梁的材料、所述第二薄膜层的材料和所述第三薄膜层的材料相同；
所述第一悬臂梁的厚度、所述第二悬臂梁的厚度、所述第二薄膜层的厚度和所述第三薄膜层的厚度相等。
6.根据权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在于，所述第二薄膜层的材料包括氮化硅或者氧化硅。
7.根据权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在于，所述第一薄膜层与所述第二薄膜层在所述衬底上的垂直投影的面积相等。
8.一种热电堆传感器的制作方法，其特征在于，包括：
提供一衬底；所述衬底包括凹槽区和环绕所述凹槽区的周边区；对所述凹槽区的中央区域进行掺杂形成第一薄膜层；
在所述凹槽区生长第二薄膜层、第一悬臂梁和第二悬臂梁，在所述周边区生长第三薄膜层；其中所述第二薄膜覆盖所述第一薄膜层；所述第一薄膜层和所述第二薄膜层均用于吸收红外辐射；所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁与所述第一薄膜层不接触；所述第二薄膜层包括相对设置的第一边和第二边以及相对设置的第三边和第四边；所述第一悬臂梁的第一端与所述第二薄膜层的所述第一边连接，所述第二悬臂梁的第一端与所述第二薄膜层的所述第二边连接；所述第一悬臂梁环绕所述第一边和所述第三边，所述第二悬臂梁环绕所述第二边和所述第四边；
去除所述凹槽区的部分衬底，形成第一支撑部和第二支撑部；其中，所述凹槽区除所述第一支撑部和所述第二支撑部之外的区域的厚度小于所述周边区的厚度，所述第一薄膜层与所述衬底不接触，所述第一悬臂梁的部分区域与所述第一支撑部接触，所述第二悬臂梁的部分区域与所述第二支撑部接触。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，对所述凹槽区的中央区域进行掺杂形成第一薄膜层过程中掺杂的材料包括砷、硼、二氟化硼或磷。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，对所述凹槽区的中央区域进行掺杂形成第一薄膜层过程中掺杂砷、硼、二氟化硼或磷的浓度范围为1*105cm-3～1*1020cm-3。
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