CN113108922A - Mems热电堆传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种MEMS热电堆传感器及其制造方法。MEMS热电堆传感器包括：第一衬底上设置有多个安装位，多个安装位在第一衬底上排列呈环形；多个热电堆单元对应的安装在多个安装位上；其中，热电堆单元包括：第二衬底由高阻硅构成；第一热偶层设置在第二衬底上，第一热偶层包括第一半导体和第一金属；隔离层铺设在第一热偶层上；第二热偶层设置在隔离层上，第二热偶层包括第二半导体和第二金属，第二半导体与第一金属关于隔离层对称，第二金属与第一半导体关于隔离层对称；第一金属与其对应的第二半导体连接形成热电偶，第二金属与其对应的第一半导体连接形成热电偶，相邻的热电偶串联。本发明技术方案有利于提高MEMS热电堆传感器的检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及角点和边点定位技术领域，特别涉及一种MEMS热电堆传感器及其制造方法。
背景技术
热电偶是一种广泛应用的温度传感器，也被用来将热势差转换为电势差。它的工作原理是基于Thomas Seebeck于1821年发现的热电效应或者Seebeck效应:两种不同金属材料A和B构成的回路中，如果两种金属的结点处温度T1和T2不同，该回路中就会产生一个温差电动势。热电堆是将多个热电偶串联形成，在温差相同时，热电堆的开路输出电压是所有串联热电偶的温差电动势之和。在相同的电信号检测条件下，热电堆能检测到的最小温差是单个热电偶的l/n，从而增强了对温度的分辨能力。MEMS热电堆可以实现热电堆的微缩，能够应用到便携设备中，并且由于可以集成大量的热电偶，因而可以进一步提高温度的分辨率。MEMS热电堆红外探测器是一种基于Seebeck效应的非制冷红外探测器。然而，现在的MEMS热电堆传感器的结构不合理，使得传感器周边环境温度的影响，导致热电堆探测器的温度分辨率和稳定性下降。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种MEMS热电堆传感器，旨在提高MEMS热电堆传感器的温度分辨率和可靠性。
为实现上述目的，本发明提出的MEMS热电堆传感器，包括：
第一衬底，所述第一衬底上设置有多个安装位，多个所述安装位在第一衬底上排列呈环形；
多个热电堆单元，多个热电堆单元对应的安装在多个安装位上；
其中，热电堆单元包括：
第二衬底，所述第二衬底由高阻硅构成；
第一热偶层，所述第一热偶层设置在所述第二衬底上，所述第一热偶层包括第一半导体和第一金属；
隔离层，所述隔离层铺设在所述第一热偶层上；
第二热偶层，所述第二热偶层设置在所述隔离层上，所述第二热偶层包括第二半导体和第二金属，所述第二半导体与第一金属关于隔离层对称，所述第二金属与第一半导体关于隔离层对称；第一金属与其对应的第二半导体连接形成热电偶，第二金属与其对应的第一半导体连接形成热电偶，相邻的热电偶串联；第一热偶层和第二热偶层的金属与半导体连接一端为热电堆单元的热端，与热电堆单元的热端相对的一端为冷端；
正检测电极和负检测电极，至少部分热电堆单元串联，正检测电极与一个热电堆单元的热电偶首部连接，负检测电极与另一个热电堆单元的热电偶尾部连接。
可选地，所有热电堆单元的热端向环形的中间靠近，所有热电堆单元的冷端自圆环中间向四周扩散延伸。
可选地，所有热电堆单元的冷端向环形的中间靠近，所有热电堆单元的热端自圆环中间向四周扩散延伸。
可选地，MEMS热电堆传感器还包括呈环形设置的导热层和绝缘保护层，所述导热层设置在所述第一衬底上，所述绝缘保护层的环形内径小于所述导热层的环形内径，所述绝缘保护层盖设于所述导热层上，以使所述第一衬底、导热层以及绝缘保护层维护形成隔热腔；所述热电堆单元设置于所述隔热腔内。
可选地，所述第一金属的端部从隔离层的边缘弯折延伸至与其对称第二半导体连接；所述第二金属的端部从隔离层的边缘弯折延伸至与其对称第一半导体连接；
第一热偶层的第一金属和第一半导体远离热端的一端通过金属连接；
第二热偶层的第二金属和第二半导体远离热端的一端通过金属连接。
可选地，所述热电堆单元包括正电极和负电极，所述正电极与热电偶的首部连接，所述负电极与所述热电偶的尾部连接；和/或，
所述隔离层有氮化硅材质制成。
可选地，所述第一金属和第一半导体的数量相等，所述第二金属和第二半导体的数量相等。
可选地，MEMS热电堆传感器包括相互独立的第一连接电路和第二连接电路，所述第一连接电路串联连接所有的热电堆单元；所述第二连接电路串联间隔连接部分热电堆单元。
可选地，所述安装位包括安装槽，所述第二衬底安装于所述安装槽内；
并且，所述第二衬底的厚度与所述安装槽的槽深相等。
本发明还提出一种MEMS热电堆传感器的制造方法，包括以下步骤：
提供第二衬底，并在第二衬底上设置正电极和负电极；
在第二衬底上设置条形的第一金属和第一半导体，以形成第一热偶层；
第一热偶层上设置隔离层；
隔离层上设置条形的第二金属和第二半导体，第二金属与第一半导体对称，第二半导体与第一金属对称，以形成热电堆单元；
在第一衬底上形成安装位；
形成导热层，并将导热层安装至第一衬底上；
将热电堆单元安装至安装位上；
形成绝缘保护层，并将绝缘保护层盖设在导热层的顶部；
其中，MEMS热电堆传感器，包括：
第一衬底，所述第一衬底上设置有多个安装位，多个所述安装位在第一衬底上排列呈环形；
多个热电堆单元，多个热电堆单元对应的安装在多个安装位上；
其中，热电堆单元包括：
第二衬底，所述第二衬底由高阻硅构成；
第一热偶层，所述第一热偶层设置在所述第二衬底上，所述第一热偶层包括第一半导体和第一金属；
隔离层，所述隔离层铺设在所述第一热偶层上；
第二热偶层，所述第二热偶层设置在所述隔离层上，所述第二热偶层包括第二半导体和第二金属，所述第二半导体与第一金属关于隔离层对称，所述第二金属与第一半导体关于隔离层对称；第一金属与其对应的第二半导体连接形成热电偶，第二金属与其对应的第一半导体连接形成热电偶，相邻的热电偶串联；第一热偶层和第二热偶层的金属与半导体连接一端为热电堆单元的热端，与热电堆单元的热端相对的一端为冷端；
正检测电极和负检测电极，至少部分热电堆单元串联，正检测电极与一个热电堆单元的热电偶首部连接，负检测电极与另一个热电堆单元的热电偶尾部连接。
本发明技术方案中，通过将热电堆单元设置为包括第二衬底、第一热偶层、第二热偶层以及隔离第一热偶层和第二热偶层的隔离层，使得单位面积内可以形成高密度的热电偶，从而可以有效的增加热电堆单元的输出电压；另外，通过设置多个热电堆单元，可以进一步的提高热电偶的数量，如此，有利于大幅的提高MEMS热电堆传感器的检测灵敏度和可靠性；另外，由于热电推单元的数量有多个，可以选择接入电路的数量，从而控制热电堆单元的有效个数，便于控制MEMS热电堆传感器的检测精度，当个别的热电堆单元出现故障时，可以直接更换该单元，避免更换整个MEMS热电堆传感器，从而降低MEMS热电堆传感器的维护成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明MEMS热电堆传感器一实施例的结构示意图；
图2为本发明MEMS热电堆传感器另一实施例的结构示意图；
图3本发明MEMS热电堆传感器的热电堆单元一实施例的结构示意图；
图4本发明MEMS热电堆传感器的热电堆单元另一实施例的结构示意图；
图5本发明MEMS热电堆传感器的热电堆单元再一实施例的结构示意图；
图6本发明MEMS热电堆传感器的热电堆单元还一实施例的结构示意图；
图7为本发明MEMS热电堆传感器一实施例的流程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以A和/或B为例，包括A技术方案、B技术方案，以及A和B同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明主要提出一种MEMS热电堆传感器，用于检测外部温度，主要重新设计MEMS热电堆传感器的结构，使得其单位面积内的检测电偶数量得到增加，有利于提高MEMS热电堆传感器的检测灵敏度。
以下将主要描述MEMS热电堆传感器的具体结构。
参照图1至图7，在本发明实施例中，该MEMS热电堆传感器包括：
第一衬底100，所述第一衬底100上设置有多个安装位110，多个所述安装位110在第一衬底100上排列呈环形；
多个热电堆单元200，多个热电堆单元200对应的安装在多个安装位110上；
其中，热电堆单元200包括：
第二衬底210，所述第二衬底210由高阻硅构成；
第一热偶层，所述第一热偶层设置在所述第二衬底210上，所述第一热偶层包括第一半导体260和第一金属250；
隔离层270，所述隔离层270铺设在所述第一热偶层上；
第二热偶层，所述第二热偶层设置在所述隔离层270上，所述第二热偶层包括第二半导体260和第二金属250，所述第二半导体260与第一金属250关于隔离层270对称，所述第二金属250与第一半导体260关于隔离层270对称；第一金属250与其对应的第二半导体260连接形成热电偶，第二金属250与其对应的第一半导体260连接形成热电偶，相邻的热电偶串联；第一热偶层和第二热偶层的金属250与半导体260连接一端为热电堆单元200的热端，与热电堆单元200的热端相对的一端为冷端；
正检测电极和负检测电极，至少部分热电堆单元200串联，正检测电极与一个热电堆单元200的热电偶首部连接，负检测电极与另一个热电堆单元200的热电偶尾部连接。
具体地，本实施例中，第一衬底100的形状可以有很多，如方形、三角形等等，为了提高第一衬底100的利用率，可以将第一衬底100设置呈圆形。第一衬底100的材质可以有很多，如半导体260，以高阻硅为例。安装位110的形式也可以有很多，如安装孔、安装槽或者安装凸台等。多个安装位110可以相互间隔设置，也可以相互连接。本实施例中，以安装槽为例，热电堆单元200的第二衬底210可以安装在安装槽中。热电堆单元200的形式可以有很多，能形成多个热电偶，并且串联热电偶，以形成热电堆即可。本实施例中的热电堆单元200包括第二衬底210，第二衬底210的形状可以有很多，如圆形、三角形，方形等，本实施例中，以呈方形设置为例。当安装位110为方形槽时，方形的第二衬底210可以确保热电堆单元200安装的方向正确，避免热电堆单元200的冷端和热端发生偏移。
第一热偶层的第一金属250和第一半导体260间隔的铺设在第二衬底210上，第一金属250和第一半导体260的形状可以有很多，为了提高它们的利用率，以呈条形设置为例，以在单位面积内排列更多的电偶。绝缘层呈方形设置，完全隔离第一热偶层和第二热偶层。值得说明的是，在一些实施例中，为了确保第一热偶层和第二热偶层隔离，隔离层270的周缘，突出于第一热偶层和第二热偶层的边缘。隔离层270的材质可以有很多，以由氮化硅(Si3N4)材质制成。
第一金属250与其对应的第二半导体260连接形成热电偶，第二金属250与其对应的第一半导体260连接形成热电偶的方式有很多，例如可以通过设置连接结构来连接，连接结构可以为金属250，也可以为半导体260。当然，在一些实施例中，也可以通过延长金属250或者半导体260，再将延长的部分与对应的半导体260或者金属250连接。具体地，所述第一金属250的端部从隔离层270的边缘弯折延伸至与其对称第二半导体260连接；所述第二金属250的端部从隔离层270的边缘弯折延伸至与其对称第一半导体260连接；第一热偶层的第一金属250和第一半导体260远离热端的一端通过金属250连接；第二热偶层的第二金属250和第二半导体260远离热端的一端通过金属250连接。对应的，第一金属250的端部与第二半导体260的端部连接的位置，隔离层270并不伸出第一热偶层和第二热偶层，而是与第一金属250的端部与第二半导体260的端部平齐。当然，在一些实施例中，还可以在隔离板层的对应位置设置避让口，以便于第一金属250的端部与第二半导体260的端部连接，从而有利于提高结构的紧凑性。
在一些实施例中，为了提高热电堆单元200连接的便捷性，所述热电堆单元200包括正电极220和负电极230，所述正电极220与热电偶的首部连接，所述负电极230与所述热电偶的尾部连接。正电极220连接热电堆单元200的第一个热电偶的首部，负电极230连接热电堆单元200的最后一个热电偶的尾部，相邻的热电偶之间串联在一起。通过正电极220和负电极230的设置，使得该热电堆单元200的电势差形成于正电极220和负电极230的两端。
关于第一金属250、第一半导体260、第二金属250以及第二半导体260的数量，为了不论是单个的热电堆单元200还是整个的MEMS热电堆传感器都可以形成完整的热电偶。所述第一金属250和第一半导体260的数量相等，所述第二金属250和第二半导体260的数量相等，第一金属250和第二金属250的数相等量。如此，可以确保每个热电堆单元200都能高效率的形成热电堆。
本实施例中，通过将热电堆单元200设置为包括第二衬底210、第一热偶层、第二热偶层以及隔离第一热偶层和第二热偶层的隔离层270，使得单位面积内可以形成高密度的热电偶，从而可以有效的增加热电堆单元200的输出电压；另外，通过设置多个热电堆单元200，可以进一步的提高热电偶的数量，如此，有利于大幅的提高MEMS热电堆传感器的检测灵敏度和可靠性；另外，由于热电推单元的数量有多个，可以选择接入电路的数量，从而控制热电堆单元200的有效个数，便于控制MEMS热电堆传感器的检测精度，当个别的热电堆单元200出现故障时，可以直接更换该单元，避免更换整个MEMS热电堆传感器，从而降低MEMS热电堆传感器的维护成本。
在一些实施例中，为了进一步的提高MEMS热电堆传感器的检测精度，避免热电堆单元200之间的相互影响。所有热电堆单元200的热端向环形的中间靠近，所有热电堆单元200的冷端自圆环中间向四周扩散延伸。如此，可以用热端所围成的区域来准确的感测温度。
在另一些实施例中，所有热电堆单元200的冷端向环形的中间靠近，所有热电堆单元200的热端自圆环中间向四周扩散延伸。可以用热端周侧的区域来感测温度。通过将热电堆单元200的热端和冷端集中设置，有利于热电堆单元200共同作用，提高温度的感测精度。
在一些实施例中，为例提高MEMS热电堆传感器的检测精度，MEMS热电堆传感器还包括呈环形设置的导热层和绝缘保护层，所述导热层设置在所述第一衬底100上，所述绝缘保护层的环形内径小于所述导热层的环形内径，所述绝缘保护层盖设于所述导热层上，以使所述第一衬底100、导热层以及绝缘保护层维护形成隔热腔；所述热电堆单元200设置于所述隔热腔内。
在一些实施例中，为了提高MEMS热电堆传感器的适应性，MEMS热电堆传感器包括相互独立的第一连接电路和第二连接电路，所述第一连接电路串联连接所有的热电堆单元200；所述第二连接电路串联间隔连接部分热电堆单元200。不同工况下，需要不同的检测精度和检测速度，通过第一连接电路和第二连接电路的设置，用户可以选择接通第一连接电路还是第二连接电路。第一连接电路中接入了所有的热电堆单元200，该种情况下，MEMS热电堆传感器的检测能力最强，检测灵敏度最高。第二连接电路中间隔的接入了部分的热电堆单元200，该种情况下，MEMS热电堆传感器的检测速度得到有效的提升。
在一些实施例中，为了提高MEMS热电堆传感器结构的紧凑性，所述安装位110包括安装槽，所述第二衬底210安装于所述安装槽内；并且，所述第二衬底210的厚度与所述安装槽的槽深相等。当第二衬底210安装到安装槽内时，第二衬底210的顶部与第一衬底100的顶部平齐。使得热电堆单元200的安装稳定可靠的同时，合理的利用了空间，提高了热电堆单元200与MEMS热电堆传感器其它部件的连接紧凑性。
本发明还提出一种MEMS热电堆传感器的生产方法，该MEMS热电堆传感器的生产方法，用于生产MEMS热电堆传感器，该MEMS热电堆传感器的具体结构参照上述实施例，由于本工件抓取方法采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
该MEMS热电堆传感器的制造方法，包括以下步骤：
提供第二衬底210，并在第二衬底210上设置正电极220和负电极230；
在第二衬底210上设置条形的第一金属250和第一半导体260，以形成第一热偶层；
第一热偶层上设置隔离层270；
隔离层270上设置条形的第二金属250和第二半导体260，第二金属250与第一半导体260对称，第二半导体260与第一金属250对称，以形成热电堆单元200；
在第一衬底100上形成安装位110；
形成导热层，并将导热层安装至第一衬底100上；
将热电堆单元200安装至安装位110上；
形成绝缘保护层，并将绝缘保护层盖设在导热层的顶部。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种MEMS热电堆传感器，其特征在于，包括：
第一衬底，所述第一衬底上设置有多个安装位，多个所述安装位在第一衬底上排列呈环形；
多个热电堆单元，多个热电堆单元对应的安装在多个安装位上；
其中，热电堆单元包括：
第二衬底，所述第二衬底由高阻硅构成；
第一热偶层，所述第一热偶层设置在所述第二衬底上，所述第一热偶层包括第一半导体和第一金属；
隔离层，所述隔离层铺设在所述第一热偶层上；
第二热偶层，所述第二热偶层设置在所述隔离层上，所述第二热偶层包括第二半导体和第二金属，所述第二半导体与第一金属关于隔离层对称，所述第二金属与第一半导体关于隔离层对称；第一金属与其对应的第二半导体连接形成热电偶，第二金属与其对应的第一半导体连接形成热电偶，相邻的热电偶串联；第一热偶层和第二热偶层的金属与半导体连接一端为热电堆单元的热端，与热电堆单元的热端相对的一端为冷端；
正检测电极和负检测电极，至少部分热电堆单元串联，正检测电极与一个热电堆单元的热电偶首部连接，负检测电极与另一个热电堆单元的热电偶尾部连接。
2.如权利要求1所述的MEMS热电堆传感器，其特征在于，所有热电堆单元的热端向环形的中间靠近，所有热电堆单元的冷端自圆环中间向四周扩散延伸。
3.如权利要求1所述的MEMS热电堆传感器，其特征在于，所有热电堆单元的冷端向环形的中间靠近，所有热电堆单元的热端自圆环中间向四周扩散延伸。
4.如权利要求1所述的MEMS热电堆传感器，其特征在于，MEMS热电堆传感器还包括呈环形设置的导热层和绝缘保护层，所述导热层设置在所述第一衬底上，所述绝缘保护层的环形内径小于所述导热层的环形内径，所述绝缘保护层盖设于所述导热层上，以使所述第一衬底、导热层以及绝缘保护层维护形成隔热腔；所述热电堆单元设置于所述隔热腔内。
5.如权利要求1所述的MEMS热电堆传感器，其特征在于，所述第一金属的端部从隔离层的边缘弯折延伸至与其对称第二半导体连接；所述第二金属的端部从隔离层的边缘弯折延伸至与其对称第一半导体连接；
第一热偶层的第一金属和第一半导体远离热端的一端通过金属连接；
第二热偶层的第二金属和第二半导体远离热端的一端通过金属连接。
6.如权利要求1所述的MEMS热电堆传感器，其特征在于，所述热电堆单元包括正电极和负电极，所述正电极与热电偶的首部连接，所述负电极与所述热电偶的尾部连接；和/或，
所述隔离层由氮化硅材质制成；和/或，
所述隔离层的边缘凸出于所述第一热偶层和第二热偶层的边缘。
7.如权利要求1所述的MEMS热电堆传感器，其特征在于，所述第一金属和第一半导体的数量相等，所述第二金属和第二半导体的数量相等，第一金属和第二金属的数相等量。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的MEMS热电堆传感器，其特征在于，MEMS热电堆传感器包括相互独立的第一连接电路和第二连接电路，所述第一连接电路串联连接所有的热电堆单元；所述第二连接电路串联间隔连接部分热电堆单元。
9.如权利要求1至7中任意一项所述的MEMS热电堆传感器，其特征在于，所述安装位包括安装槽，所述第二衬底安装于所述安装槽内；
并且，所述第二衬底的厚度与所述安装槽的槽深相等。
10.一种如权利要求1至9中任意一项所述的MEMS热电堆传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供第二衬底，并在第二衬底上设置正电极和负电极；
在第二衬底上设置条形的第一金属和第一半导体，以形成第一热偶层；
第一热偶层上设置隔离层；
隔离层上设置条形的第二金属和第二半导体，第二金属与第一半导体对称，第二半导体与第一金属对称，以形成热电堆单元；
在第一衬底上形成安装位；
形成导热层，并将导热层安装至第一衬底上；
将热电堆单元安装至安装位上；
形成绝缘保护层，并将绝缘保护层盖设在导热层的顶部。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115077648A (zh) * | 2022-08-19 | 2022-09-20 | 无锡芯感智半导体有限公司 | 一种mems质量流量传感器及制备方法 |
| CN115876835A (zh) * | 2022-12-08 | 2023-03-31 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种差分量热式mems气体传感器及气体检测方法 |
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