CN115900974B - Mems热电堆的响应时间检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MEMS热电堆的响应时间检测方法及系统。其检测方法包括：提供待检测的MEMS热电堆，并在所述MEMS热电堆的红外吸收区内集成用于提供响应时间检测所需热源的检测加热器；驱动检测加热器工作，以将检测加热器配置作为热源，其中，检测加热器工作所产生的热量传递至MEMS热电堆内热偶的热端，以驱动MEMS热电堆响应工作；获取MEMS热电堆基于检测加热器所传递热量下的响应输出电压；基于所采集获取MEMS热电堆的响应输出电压，确定所述MEMS热电堆的响应时间。本发明能实现对MEMS热电堆响应时间的高精度检测，稳定性高，与现有工艺兼容，检测成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种响应时间检测方法及系统，尤其是一种MEMS热电堆的响应时间检测方法及系统。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)热电堆属于非接触式测温，是一种可将电磁辐射转变为电信号的器件。由于MEMS热电堆的非接触性，在测量物体表面温度时，由于不需要接触被测物体，因此，不会导致物体周围温度场的改变，并且在测量时，受空气或环境温度变化的影响较小。发展至今，热电堆已经广泛应用于军事、医疗、农业、安防等多个领域，响应时间作为热电堆的一个重要物理量，对热电堆的性能具有很大的影响。
目前，对MEMS热电堆响应时间的测量需要基于黑体辐射源、斩波器、水冷装置等设备搭建一套复杂的测量系统，然而斩波器的遮挡区域和透光区域具有一定的面积，其按某频率工作时会消耗一定的时间，而测试所得的器件响应时间无法排除斩波器的工作耗时，导致测试结果存在较大误差。
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MEMS热电堆的响应时间检测方法及系统，其能实现对MEMS热电堆响应时间的高精度检测，稳定性高，与现有工艺兼容，检测成本低。
按照本发明提供的技术方案，所述MEMS热电堆的响应时间检测方法，所述检测方法包括：
提供待检测的MEMS热电堆，并在所述MEMS热电堆的红外吸收区内集成用于提供响应时间检测所需热源的检测加热器，其中，在红外吸收区内，所述检测加热器位于MEMS热电堆内热偶热端的区域内，且检测加热器与MEMS热电堆内热偶的热端对应邻近；
驱动检测加热器工作，以将检测加热器配置作为热源，其中，检测加热器工作所产生的热量传递至MEMS热电堆内热偶的热端，以驱动MEMS热电堆响应工作；
获取MEMS热电堆基于检测加热器所传递热量下的响应输出电压；
基于所采集获取MEMS热电堆的响应输出电压，确定所述MEMS热电堆的响应时间。
对MEMS热电堆内的热偶，包括若干依次串接的热偶条对，其中，
热偶支撑于一衬底上，在衬底上设置若干均匀分布的热偶条分布区，热偶内的热偶条对分布于相应的热偶条分布区内；
对任一热偶条对，包括一N型热偶条以及一P型热偶条，所述N型热偶条与P型热偶条在衬底上呈堆叠分布；
N型热偶条的热端、P型热偶条的热端位于红外吸收区内，N型热偶条的冷端以及P型热偶条的冷端位于红外吸收区外；
一热偶对内，N型热偶条的热端通过热偶条热端连接体与P型热偶条的热端导电连接。
对所述检测加热器，包括若干加热器主体以及分布于加热器主体上的加热分支体，其中，
加热器主体与热偶条分布区呈一一正对应，一加热器主体上的加热分支体伸入与所在加热器主体正对应的热偶条分布区内；
伸入热偶条分布区内的一加热分支体，位于所在热偶条分布区内相应相邻的两个热偶条对之间，且所述加热分支体与所邻近热偶条对内N型热偶条的热端以及P型热偶条的热端正对应。
对任一加热器主体，在与所述加热器主体正对应的热偶条分布区内，任一热偶条对的热端与加热器主体间的距离为1μm～6μm。
对任一加热分支体，与所述加热分支体相应邻近热偶条对的距离为1μm～6μm。
对任一加热器主体，所述加热器主体利用主体绝缘传热体与所正对应热偶条分布区内所有热偶条对的热端和/或热偶条热端连接体导热接触，其中，
所述主体绝缘传热体包裹在加热器主体上；
一加热器主体与包裹所述加热器主体的主体绝缘传热体具有加热传热第一高度，所述加热传热第一高度与导热接触的热偶条对的高度适配。
对任一加热分支体，所述加热分支体利用分支体绝缘传热体与所相应相邻热偶条对的热端侧面导热接触，其中，
所述分支体绝缘传热体包裹在加热分支体上；
一加热分支体与包裹所述加热分支体的分支体绝缘传热体具有加热传热第二高度，所述加热传热第二高度与导热接触的热偶条对的高度适配。
利用一脉冲电压发生器驱动检测加热器工作，其中，
所述脉冲电压发生器产生一脉冲电压信号驱动检测加热器工作；
对MEMS热电堆的响应输出电压，获取所述响应输出电压的方式包括利用示波器采集。
对脉冲电压发生器，包括依次连接的交流电压电源、变压器电路、桥式整流电路、施密特触发电路、电平转换电路以及变频电路，其中，
交流电压电源用于提供220V 50Hz的交流电压。
一种MEMS热电堆的响应时间检测系统，包括
MEMS热电堆，在所述MEMS热电堆的红外吸收区内集成用于提供响应时间检测所需热源的检测加热器，其中，在红外吸收区内，所述检测加热器位于MEMS热电堆内热偶热端的区域内，且检测加热器与MEMS热电堆内热偶的热端对应邻近；
检测加热器驱动器，用于驱动检测加热器工作，以将检测加热器配置作为热源，其中，检测加热器工作所产生的热量传递至MEMS热电堆内热偶的热端，以驱动MEMS热电堆响应工作；
响应输出电压获取器，用于获取MEMS热电堆基于检测加热器所传递热量下的响应输出电压；
响应时间分析处理器，用于对所采集获取MEMS热电堆的响应输出电压处理，以在处理后确定所述MEMS热电堆的响应时间。
本发明的优点：将检测加热器集成在MEMS热电堆内，并可配置作为响应时间检测时的热源，利用与加热分支体配合的支体绝缘传热体以及与加热器主体配合的主体绝缘传热体进行热传递，可使得热偶条的热端获得更大的热能，且检测加热器向MEMS热电堆内热端的热量传递时间更小，提高MEMS热电堆的检测响应，降低响应时间误差。
基于检测加热器的热源响应时间检测，可避免由于斩波器的测量时，由于斩波器叶片转动导致的时间误差，以及斩波器长期工作中叶片由于磨损导致的频率不一致和采样点间隔大的问题，提高响应时间检测的精度与稳定性。
将检测加热器集成在MEMS热电堆内时，与现有MEMS工艺以及CMOS工艺兼容，整个响应时间检测系统，易于搭建，可操作性强，测量准确、稳定性好等优点。
附图说明
图1为本发明检测方法一种实施例的流程图。
图2为本发明检测系统的一种实施例系统框图。
图3为本发明MEMS热电堆的一种实施例示意图。
图4为沿图3中A-A向剖视的一种实施例示意图。
图5为沿图3中B-B向剖视的一种实施例示意图。
图6为沿图3中C-C向剖视的一种实施例示意图。
附图标记说明：1-脉冲电压发生器、2-集成检测加热器的热电堆、3-示波器、4-响应时间分析处理器、5-交流电压电源、6-变压器电路、7-桥式整流电路、8-施密特触发电路、9-电平转换电路、10-变频电路、11-衬底、12-冷端连接体、13-热电堆第一连接端、14-热电堆第二连接端、15-加热器第一连接端、16-加热器第二连接端、17-加热器主体、18-加热分支体、19-N型热偶条、20-P型热偶条、21-衬底支撑层、22-背腔、23-P型热偶条冷端、24-N型热偶条冷端、25-P型热偶条热端、26-N型热偶条热端、27-热偶条隔离层、28-分支体绝缘传热体、29-红外吸收层、30-钝化保护层、31-第一绝缘隔离层、32-第二绝缘隔离层、33-第三绝缘隔离层、34-吸收层连接体、35-热偶条热端连接体、36-主体绝缘传热体以及37-吸收区隔离支撑体。
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。
为了能实现对MEMS热电堆响应时间的高精度检测，提高响应时间检测的稳定性，对MEMS热电堆的响应时间检测方法，本发明的一种实施例中，所述检测方法包括：
提供待检测的MEMS热电堆，并在所述MEMS热电堆的红外吸收区内集成用于提供响应时间检测所需热源的检测加热器，其中，在红外吸收区内，所述检测加热器位于MEMS热电堆内热偶热端的区域内，且检测加热器与MEMS热电堆内热偶的热端对应邻近；
驱动检测加热器工作，以将检测加热器配置作为热源，其中，检测加热器工作所产生的热量传递至MEMS热电堆内热偶的热端，以驱动MEMS热电堆响应工作；
获取MEMS热电堆基于检测加热器所传递热量下的响应输出电压；
基于所采集获取MEMS热电堆的响应输出电压，确定所述MEMS热电堆的响应时间。
对提供MEMS热电堆，即待进行响应时间检测的MEMS热电堆，其中，所述MEMS热电堆可为现有常用的热电堆形式，MEMS热电堆所采用的形式可根据需要选择。为了提高对MEMS热电堆响应时间检测的精度与稳定性，图1中示出了对MEMS热电堆响应时间检测的一种检测流程图。
基于图1的流程图，对MESM热电堆进行响应时间检测时，需在MEMS热电堆内集成检测加热器，其中，检测加热器的集成，具体是指在制备MEMS热电堆工艺过程中，制备得到所需的检测加热器；利用集成检测加热器与MEMS热电堆配合，以形成集成检测加热器的热电堆2。因此，为了不影响MEMS热电堆的制备，在集成检测加热器时，检测加热器的集成工艺以及流程需与MEMS热电堆的工艺兼容，即检测加热器的集成工艺一般应采用MEMS工艺以及CMOS工艺。
一般地，MEMS热电堆包括热偶，热偶的热端位于红外吸收区内，热偶的冷端位于红外吸收区外，利用热偶的热端与热偶冷端之间的温差，MEMS热电堆可输出相应的电压，MEMS热电堆的工作方式与现有相一致。集成的检测加热器用于作为热源，将检测加热器作为热源时，可向MEMS热电堆的热偶传递热量，此时，即避免使用现有响应时间检测所用的黑体等热源，检测加热器作为热源直接进行热量传递，可提高驱动MEMS热电堆响应所消耗的时间。
为了能与MEMS热电堆配合，本发明的一种实施例中，检测加热器集成于MEMS热电堆的红外吸收区，检测加热器位于MEMS热电堆内热偶热端的区域内，且与热偶的热端对应，与热偶热端对应，具体是指方便实现检测加热器将热量传递至热偶的热端。
在进行响应时间检测时，需驱动检测加热器工作，其中，检测加热器工作时，检测加热器能产生相应的热量，而检测加热器所产生的热量可传递至MEMS热电堆内热偶的热端，以驱动MEMS热电堆响应工作；具体地，驱动MEMS热电堆响应工作，具体是指对MEMS热电堆，根据热偶接收传递的热量产生相应的输出电压。
图2中，示出了采用脉冲电压发生器1驱动检测加热器工作的一种实施例，即对检测加热器，利用一脉冲电压发生器1驱动检测加热器工作，其中，
所述脉冲电压发生器1产生一脉冲电压信号驱动检测加热器工作；
对MEMS热电堆的响应输出电压，获取所述响应输出电压的方式包括利用示波器3采集。
本发明的一种实施例中，脉冲电压发生器1可产生脉冲电压信号，脉冲电压信号可为矩形脉冲电压信号，如所产生的矩形脉冲电压信号可为幅值为5V、频率为5Hz、相位为0°以及占空比为50％的脉冲电压信号。当然，在具体实施时，脉冲电压信号的具体情况可根据实际需要选择，以能满足驱动检测加热器工作，以及满足对MEMS热电堆的响应时间检测为准。
此外，图2中还示出了脉冲电压发生器1的一种实施例，具体地，对脉冲电压发生器1，包括依次连接的交流电压电源5、变压器电路6、桥式整流电路7、施密特触发电路8、电平转换电路9以及变频电路10，其中，
交流电压电源5用于提供220V 50Hz的交流电压。
本发明的一种实施例中，通过交流电压电源5可与外部的交流电连接，交流电压电源5可采用现有与外部交流电适配连接的形式，以能提供220V50Hz的交流电压为准。变压器电路6用于实现降压，即将220V的交流电降低至所需的电压，如利用变压器电路6将220V电压变为5V电压；变压器电路6可采用现有常用的降压变压器形式，具体以能满足所需的降压为准。
桥式整流电路7用于对交流电整流，通过桥式整流电路7可将变压器电路6降压后的电压变为脉动电压，其中，脉动电压为将交流电压的负脉冲变为正脉冲，而正脉冲保持不变。桥式整流电路7可采用现有常用的形式，具体以能得到所需的脉动电压为准。
施密特触发电路8用于将获得的脉动电压变为陡峭的矩形波电压，电平转换电路用于将经施密特触发电路8得到矩形波的电平进行上下平移，使电压幅度范围在所需的范围内容，如上面提到为0～5V范围，频率为100Hz。变频电路10进行变频，如将电平转换电路9得到的5V、100Hz的矩形波电压变换为5V 5Hz的脉动电压信号。施密特触发电路8、电平转换电路9以及变频电路10可采用现有常用的电路形式，具体以能满足得到所需的脉动电压信号为准。
由上述说明可知，检测加热器将产生的热量传递至MEMS热电堆内热偶的热端后，通过MEMS热电堆可输出相应的电压，本发明的一种实施例中，利用示波器3获取MEMS热电堆基于检测加热器所传递热量下的响应输出电压，如图2所示，当然，也可以采用其他技术手段获取MEMS热电堆的响应输出电压，具体可以根据实际需要选择，以能满足响应输出电压的采集获取为准。
获取得到响应输出电压后，利用响应时间分析处理器4对所获取响应输出电压处理与分析，即可确定所述MEMS热电堆的响应时间，具体地，对响应输出电压的处理，包括对响应输出电压的低通滤波和/或去除干扰信号，对响应输出电压进行处理的目的为获得一个理想输出电压信号与响应时间，其中，分析与处理可采用现有常用的技术手段，具体可根据需要选择，以能满足所需的分析与处理为准。响应时间分析处理器4一般可采用上位机，当然，也可以采用其他能实现分析与处理的设备，具体可以根据需要选择。
本发明的一种实施例中，利用响应时间分析处理器4对MEMS热电堆响应电压分析与处理，具体分析得到响应时间的表达式为：
Vt＝V0.63＝0.63*Vout＝0.63(Vmax-Vmin)
其中，Vout是MEMS热电堆输出的稳定电压，0.63*Vout为MEMS热电堆输出的响应输出电压，Vmax为MEMS热电堆的响应输出电压的最大值，Vmin为MEMS热电堆的响应输出电压的最小值，t为输出的响应时间(具体指0.63Vout-Vmin所对应的时间)。
对MEMS热电堆的响应时间检测时，利用示波器3获取MEMS热电堆的相应输出电压后，利用响应时间分析处理器4进行分析处理，以得到较为理想的响应输出电压波形。对得到较为理想的响应输出电压波形，根据电压波形可确定当前响应输出电压的最大值Vmax与最小值Vmin，根据所确定的最大值Vmax与最小值Vmin即可得到稳定电压Vout。则在电压波形上，从0V到0.63*Vout相应的时间即为MEMS热电堆的响应时间。
在响应时间检测时，每次响应时间检测，仅对检测加热器加载一次脉冲电压信号驱动，并在加载脉冲电压信号驱动检测加热器后，利用响应时间分析处理器4确定响应时间t。当然，可通过多次加载脉冲电压信号，实现MEMS热电堆响应时间的多次检测，以对MEMS热电堆的响应时间进行校准。此外，基于所采集获取MEMS热电堆的响应输出电压，除示波器3外，还可以采用其他技术手段实现确定MEMS热电堆响应时间的方式，具体可与现有相一致，以能有效确定MEMS热电堆的响应时间为准。
本发明的一种实施例中，对MEMS热电堆内的热偶，包括若干依次串接的热偶条对，其中，
热偶支撑于一衬底11上，在衬底11上设置若干均匀分布的热偶条分布区，热偶内的热偶条对分布于相应的热偶条分布区内；
对任一热偶条对，包括一N型热偶条19以及一P型热偶条20，所述N型热偶条19与P型热偶条20在衬底11上呈堆叠分布；
N型热偶条19的热端、P型热偶条20的热端位于红外吸收区内，N型热偶条19的冷端以及P型热偶条20的冷端位于红外吸收区外；
一热偶对内，N型热偶条19的热端通过热偶条热端连接体35与P型热偶条20的热端导电连接。
图3中，示出了MEMS热电堆的一种实施例示意图，其中，在衬底11上设置四个热偶条分布区，四个热偶条分布区在衬底11上呈均匀对称分布。在每个热偶条分布区内，一般设置相同数量的热偶条，热偶条分布区内的热偶条依次串接，且不同热偶条分布区内的热偶条也串接连接，从而使得衬底11上所有的热偶条依次串接形成热偶。
根据MEMS热电堆的工作原理周知，一热偶条对内，需包括两个塞贝克系数不同的热偶条，图3中，一热偶条对包括一N型热偶条19以及一P型热偶条20，N型热偶条19与P型热偶条20具有不同的导电类型，N型热偶条19、P型热偶条20相应的材料包括多晶硅，或其他能满足形成热偶条对的材料形式，具体可根据需要选择。
为了能适配与检测加热器的热传递，本发明的一种实施例中，热偶条对内的N型热偶条19与P型热偶条20采用堆叠分布，所述堆叠分布，具体是指N型热偶条19与P型热偶条20呈上下分布，N型热偶条19与P型热偶条20间的上下分布位置可根据需要选择，图3中示出了N型热偶条19位于P型热偶条20上方的一种形式。为了便于工艺，所有热偶条对内N型热偶条19与P型热偶条20间堆叠分布位置相一致。图3中，同一热偶条分布区内的热偶条对相互平行。
图6中示出了N型热偶条19位于P型热偶条20上方的一种实施例，其中，N型热偶条19与P型热偶条20间利用热偶条隔离层27进行绝热与绝缘隔离，N型热偶条19与N型热偶条20间相互平行，热偶条隔离层27一般为二氧化硅层。为了能形成串接的形式，N型热偶条19的一端与P型热偶条20的热端通过热偶条热端连接体35连接，热偶条热端连接体35一般为金属材料，一般可通过对热偶条隔离层27进行孔刻蚀以及电镀填充等工艺制备得到。具体制备得到热偶条热端连接体35以及利用热偶条热端连接体35实现N型热偶条19与N型热偶条20间连接配合形成与现有相一致。
为了能形成热偶条对间的串接，在红外吸收区外，利用冷端连接体12实现相应热偶条对的串接连接。对任意两个热偶条对串接时，一热偶条对内的N型热偶条19通过冷端连接体12与另一热偶条对内的P型热偶条20导电连接。从而将所有热偶条对采用相同的方式串接时，即可形成热偶，如图3所示。图3中，形成的热偶包括热电堆第一连接端13以及热电堆第二连接端14，利用热电堆第一连接端13以及热电堆第二连接端14，可获取MEMS热电堆的响应输出电压，或者，MEMS热电堆正常工作时的电压输出。
本发明的一种实施例中，对所述检测加热器，包括若干加热器主体17以及分布于加热器主体17上的加热分支体18，其中，
加热器主体17与热偶条分布区呈一一正对应，一加热器主体17上的加热分支体18伸入与所在加热器主体17正对应的热偶条分布区内；
伸入热偶条分布区内的一加热分支体18，位于所在热偶条分布区内相应相邻的两个热偶条对之间，且所述加热分支体17与所邻近热偶条对内N型热偶条的热端以及P型热偶条的热端正对应。
图3中示出了检测加热器与MEMS热电堆内热偶配合的一种实施例，其中，图3中在衬底11上设置四个均匀对称分布的热偶条分布区时，则检测加热器包括四个加热器主体17，即加热器主体17与热偶条分布区呈一一对应，在加热器主体17上设置若干加热分支体18，加热分支体18在加热器主体17上向指向热偶的冷端，加热分支体18一般与加热器主体17采用同一工艺步骤制备得到。
四个加热器主体17依次串接，并在串接后，得到用于连接检测检测器的加热器第一连接端15以及加热器第二连接端16。驱动检测加热器工作时，即与加热器第一连接端15以及加热器第二连接端16连接，利用脉冲电压信号驱动整个检测加热器工作。
本技术领域人员周知，热偶条对内N型热偶条19的热端以及P型热偶条20的热端形成热偶的热端。检测加热器位于MEMS热电堆内热偶热端的区域内时，加热器主体17位于热偶热端的内圈，加热器主体17上的加热分支体18对应伸入与所在加热器主体17正对应的热偶条分布区内。图3中，一加热器主体17位于热偶条分布区内所有热偶条对热端的外侧。对加热分支体18，位于所在热偶条分布区内相应相邻的两个热偶条对之间，且所述加热分支体17与所邻近热偶条对内N型热偶条的热端以及P型热偶条的热端正对应。
本发明的一种实施例中，对任一加热器主体17，在与所述加热器主体17正对应的热偶条分布区内，任一热偶条对的热端与加热器主体17间的距离为1μm～6μm。
此外，对任一加热分支体18，与所述加热分支体18相应邻近热偶条对的距离为1μm～6μm。
具体实施时，对热偶条对的热端与正对应加热器主体17间的距离，以及加热分支体18与相应邻近热偶条对的间距设置，以能提高检测加热器所产生热量的传导效率与可靠性，进一步降低驱动MEMS热电堆响应所消耗的时间，提高对MEMS热电堆响应时间的检测精度。
对由图3所示的实施情况，热偶条对的热端与加热器主体17间的距离，具体是指热偶条对的热端端部与加热器主体17之间的直线距离。加热分支体18与相应邻近热偶条对的距离，具体是指加热分支体18的侧边与相应邻近热偶条对热端侧边之间的距离。
本发明的一种实施例中，对任一加热器主体17，所述加热器主体17利用主体绝缘传热体36与所正对应热偶条分布区内所有热偶条对的热端和/或热偶条热端连接体35导热接触，其中，
所述主体绝缘传热体36包裹在加热器主体17上；
一加热器主体17与包裹所述加热器主体17的主体绝缘传热体36具有加热传热第一高度，所述加热传热第一高度与导热接触的热偶条对的高度适配。
由上述说明可知，加热器主体17与所正对应热偶条分布区内热偶条对热端存在1～6μm的距离，为了确保加热器主体17热传导的效率与可靠性，本发明的一种实施例中，利用主体绝缘传热体36与加热器主体17配合，即利用主体绝缘传热体36与热偶条对的热端端部以及热偶条热端连接体35导热接触。主体绝缘传热体36，具体是指具备绝缘能力，但又具备高导热性能，因此，主体绝缘传热体36一般可采用氮化硅制备得到。
图6中示出了加热器主体17利用主体绝缘传热体36配合的一种形式，图6中，主体绝缘传热体36实现对加热器主体17的全包围，且主体绝缘传热体36同时与热偶条热端连接体35以及一热偶条对内N型热偶条19、P型热偶条20相应的热端接触。
当加热器主体17在脉冲电压信号下发热后，加热器主体17上的热量通过主体绝缘传热体36能快速高效传递到相应热偶条对N型热偶条19、P型热偶条20相应的热端，以及热偶条热端连接体35上。一般地，相邻的热偶条对间利用热偶条间绝热绝缘体隔离，热偶条间绝热绝缘体一般可为二氧化硅制成。由于热偶条间绝热绝缘体具有高的绝缘性能，本发明的一种实施例中，通过主体绝缘传热体36进行热传导时，能加快热量传递的效率与可靠性，提高对MEMS热电堆响应时间检测的精度与稳定性。
具体实施时，对一加热器主体17，主体绝缘传热体36可沿所述加热器主体17的长度分布。当然，对于相邻两个热偶条对对应的区域，可调整主体绝缘传热体36的尺寸，以适应相邻两个热偶条对之间的热偶条间绝热绝缘体的分布，但仍然需要主体绝缘传热体36对加热器主体17的包裹。
由上述说明可知，热偶条热端连接体35通过填充等制备在热偶条隔离层27内，当主体绝缘传热体36与热偶条热端连接体35间导热接触时，可对热偶条隔离层27进行刻蚀，以在刻蚀后制备主体绝缘传热体36，具体工艺形式以及过程可根据实际需要选择，以能满足制备得到的主体绝缘传热体36与热偶条热端连接体35间的导热接触为准。
热偶条对的热端与加热器主体17间的距离为1μm～6μm时，图6中所示的实施例中，即加热器主体17与热偶条对热端间主体绝缘传热体36的宽度为1μm～6μm。
图6中，一热偶条对的高度，具体是指P型热偶条20的高度、热偶条隔离层27的高度以及N型热偶条19相应的高度之和。加热器主体17与包裹所述加热器主体17的主体绝缘传热体36具有加热传热第一高度，加热传热第一高度与导热接触的热偶条对的高度适配，所述高度适配，具体是指加热传热第一高度与导热接触的热偶条对的高度相同，或者两者的高度差位于一个允许的范围内，高度差所允许的范围一般与MEMS工艺的精度以及实际的需求确定，以不影响对加热器主体17产生热量的热传导为准。
衬底11一般可采用常用的材料，如硅等，衬底11的材料可根据实际需要选择。为了提高MEMS热电堆对红外测量的精度，对衬底11进行刻蚀，以制备得到背腔22，背腔22一般位于衬底11的中心区，背腔22贯通衬底11，如图6所示，背腔22一般对衬底11的背面刻蚀形成，具体形成背腔22的工艺方法以及过程可根据实际需要选择，以能满足形成所需的背腔22为准。
在衬底11的正面一般设置衬底支撑层21，衬底支撑层21一般为二氧化硅-氮化硅-二氧化硅的复合层。热偶条对制备于衬底支撑层21上，热偶条对N型热偶条19的热端以及P型热偶条20的热端与背腔22对应，N型热偶条19的冷端以及P型热偶条20的冷端位于背腔22外。
此外，在由加热器主体17所围合的区域内设置吸收区隔离支撑体37，所述吸收区隔离支撑体37一般为二氧化硅层。具体实施时，制备得到热偶后，一般在热偶上设置钝化保护层30，所述钝化保护层30覆盖在P型热偶条20、检测加热器以及吸收区隔离支撑体37上，N型热偶条19的冷端以及P型热偶条20的冷端一般不会被钝化保护层30覆盖。钝化保护层30一般可为二氧化硅层。
对MEMS热电堆而言，为了能提高对红外辐射的检测精度，在钝化保护层30上一般需要设置红外吸收层29，红外吸收层29可为氮化硅层，或者为其他常用能提高红外吸收效率的实施形式，如可采用氮化硅层与纳米森林结合的配合形式，具体可根据实际需要选择，以能满足对红外吸收效率的需求为准。在设置红外吸收层29后，可通过吸收层连接体34与堆叠上方的热偶条连接，图6中，红外吸收层29通过吸收层连接体34与N型热偶条19导热连接。吸收层连接体34一般也为氮化硅层，制备吸收层连接体34时，可通过对钝化保护层30进行孔刻蚀，以及孔刻蚀后氮化硅沉积等工艺制备得到，具体制备工艺等可以根据需要选择，以能实现红外吸收层29与N型热偶条19的热端导热接触为准。
本发明的一种实施例中，对任一加热分支体18，所述加热分支体18利用分支体绝缘传热体28与所相应相邻热偶条对的热端侧面导热接触，其中，
所述分支体绝缘传热体28包裹在加热分支体18上；
一加热分支体18与包裹所述加热分支体18的分支体绝缘传热体28具有加热传热第二高度，所述加热传热第二高度与导热接触的热偶条对的高度适配。
由图3所示的实施情况，加热分支体18与所在热偶条分布区内热偶条对相互平行，为了能实现热量传递的效率，加热分支体18利用分支体绝缘传热体28实现与所相应相邻热偶条对的热端侧面导热接触。加热分支体18与分支体绝缘传热体28配合实现热传导的具体情况，可以参考上述加热主体17与主体绝缘传热体36进行热传导的具体说明，此处不再赘述。
图4为与图3中沿A-A剖视对应的情况，图5为与图3中沿B-B向剖视对应情况，但图3中，在每个热偶条分布区内均设置7组热偶条对，但图4和图5中，仅仅示出了四组热偶条对的情况，即图4、图5中是为了说明本发明中加热分支体18利用分支体绝缘传热体28与相应邻近热偶条对热端侧面导热接触的配合实施例。
此外，图4和图5中，对于N型热偶条19，示出了所述N型热偶条19的N型热偶条冷端24与N型热偶条热端26分布情况。同时，对P型热偶条20，示出了所述P型热偶条20的P型热偶条冷端23与P型热偶条热端25相对应的分布情况。
图4和图5中，示出了热偶条间绝热绝缘体的实施情况，即热偶条间绝热绝缘体包括第一绝缘隔离层31、第二绝缘隔离层32以及第三绝缘隔离层33，第一绝缘隔离层31、第二绝缘隔离层32以及第三绝缘隔离层33一般为适配热偶的制备工艺，即在工艺过程中，通过不同工艺制备得到并形成热偶条间绝热绝缘体。第一绝缘隔离层31、第二绝缘隔离层32以及第三绝缘隔离层33均为二氧化硅层。
图4和图5中，加热分支体18与所述加热分支体18相应邻近热偶条对的距离为1μm～6μm时，即加热分支体18与相邻热偶条对侧面间分支体绝缘传热体28相应的厚度为1μm～6μm。具体实施时，分支体绝缘传热体28一般沿加热分支体18的长度方向，即实现对加热分支体18的除端部外的全包围。
为了进一步缩短检测加热器的响应时间，下面对检测加热器所选用的材料进行分析。表1为常用的加热器材料在室温下特性的部分性能参数。
表1
表1中，Polysi为多晶硅。由上述表1，对检测加热器所选择的材料，为了减少对MEMS热电堆响应时间的检测影响，本发明的一种实施例中，可将Al、Cu或Au中的一种作为检测加热器的材料。
综上，可得到MEMS热电堆的响应时间检测系统，本发明的一种实施例中，包括
MEMS热电堆，在所述MEMS热电堆的红外吸收区内集成用于提供响应时间检测所需热源的检测加热器，其中，在红外吸收区内，所述检测加热器位于MEMS热电堆内热偶热端的区域内，且检测加热器与MEMS热电堆内热偶的热端对应邻近；
检测加热器驱动器，用于驱动检测加热器工作，以将检测加热器配置作为热源，其中，检测加热器工作所产生的热量传递至MEMS热电堆内热偶的热端，以驱动MEMS热电堆响应工作；
响应输出电压获取器，用于获取MEMS热电堆基于检测加热器所传递热量下的响应输出电压；
响应时间分析处理器4，用于对所采集获取MEMS热电堆的响应输出电压处理，以在处理后确定所述MEMS热电堆的响应时间。
具体地，检测加热器集成在MEMS热电堆内，以及在MEMS热电堆内的情况可以参考上述说明。检测加热器驱动器，可采用上述提到的脉冲电压发生器1，响应输出电压获取器可采用上述提到的示波器3。脉冲电压发生器1、示波器3以及响应时间分析处理器4配合实现对MEMS热电堆进行响应时间检测的方法以及过程均可参考上述说明，此处不再赘述。
综上，将检测加热器集成在MEMS热电堆内，并可配置作为响应时间检测时的热源，利用与加热分支体18配合的支体绝缘传热体28以及与加热器主体17配合的主体绝缘传热体36进行热传递，可使得热偶条、的热端获得更大的热能，且检测加热器向MEMS热电堆内热端的热量传递时间更小，提高MEMS热电堆的检测响应，降低响应时间误差。
基于检测加热器的热源响应时间检测，可避免由于斩波器的测量时，由于斩波器叶片转动导致的时间误差，以及斩波器长期工作中叶片由于磨损导致的频率不一致和采样点间隔大的问题，提高响应时间检测的精度与稳定性。
将检测加热器集成在MEMS热电堆内时，与现有MEMS工艺以及CMOS工艺兼容，整个响应时间检测系统，易于搭建，可操作性强，测量准确、稳定性好等优点。
显然，上述实例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种MEMS热电堆的响应时间检测方法，其特征是，所述检测方法包括：
提供待检测的MEMS热电堆，并在所述MEMS热电堆的红外吸收区区内集成用于提供响应时间检测所需热源的检测加热器，其中，在红外吸收区内，所述检测加热器位于MEMS热电堆内热偶热端的区域内，且检测加热器与MEMS热电堆内热偶的热端对应邻近；
驱动检测加热器工作，以将检测加热器配置作为热源，其中，检测加热器工作所产生的热量传递至MEMS热电堆内热偶的热端，以驱动MEMS热电堆响应工作；
获取MEMS热电堆基于检测加热器所传递热量下的响应输出电压；
基于所采集获取MEMS热电堆的响应输出电压，确定所述MEMS热电堆的响应时间；
对MEMS热电堆内的热偶，包括若干依次串接的热偶条对，其中，
热偶支撑于一衬底上，在衬底上设置若干均匀分布的热偶条分布区，热偶内的热偶条对分布于相应的热偶条分布区内；
对任一热偶条对，包括一N型热偶条以及一P型热偶条，所述N型热偶条与P型热偶条在衬底上呈堆叠分布；
N型热偶条的热端、P型热偶条的热端位于红外吸收区内，N型热偶条的冷端以及P型热偶条的冷端位于红外吸收区外；
一热偶对内，N型热偶条的热端通过热偶条热端连接体与P型热偶条的热端导电连接；
对所述检测加热器，包括若干加热器主体以及分布于加热器主体上的加热分支体，其中，
加热器主体与热偶条分布区呈一一正对应，一加热器主体上的加热分支体伸入与所在加热器主体正对应的热偶条分布区内；
伸入热偶条分布区内的一加热分支体，位于所在热偶条分布区内相应相邻的两个热偶条对之间，且所述加热分支体与所邻近热偶条对内N型热偶条的热端以及P型热偶条的热端正对应；
对任一加热器主体，所述加热器主体利用主体绝缘传热体与所正对应热偶条分布区内所有热偶条对的热端和/或热偶条热端连接体导热接触，其中，
所述主体绝缘传热体包裹在加热器主体上；
一加热器主体与包裹所述加热器主体的主体绝缘传热体具有加热传热第一高度，所述加热传热第一高度与导热接触的热偶条对的高度适配；
对任一加热分支体，所述加热分支体利用分支体绝缘传热体与所相应相邻热偶条对的热端侧面导热接触，其中，
所述分支体绝缘传热体包裹在加热分支体上；
一加热分支体与包裹所述加热分支体的分支体绝缘传热体具有加热传热第二高度，所述加热传热第二高度与导热接触的热偶条对的高度适配。
2.根据权利要求1所述MEMS热电堆的响应时间检测方法，其特征是：对任一加热器主体，在与所述加热器主体正对应的热偶条分布区内，任一热偶条对的热端与加热器主体间的距离为1μm～6μm。
3.根据权利要求1所述MEMS热电堆的响应时间检测方法，其特征是：对任一加热分支体，与所述加热分支体相应邻近热偶条对的距离为1μm～6μm。
4.根据权利要求1至3任一项所述MEMS热电堆的响应时间检测方法，其特征是：利用一脉冲电压发生器驱动检测加热器工作，其中，
所述脉冲电压发生器产生一脉冲电压信号驱动检测加热器工作；
对MEMS热电堆的响应输出电压，获取所述响应输出电压的方式包括利用示波器采集。
5.根据权利要求4所述MEMS热电堆的响应时间检测方法，其特征是：对脉冲电压发生器，包括依次连接的交流电压电源、变压器电路、桥式整流电路、施密特触发电路、电平转换电路以及变频电路，其中，
交流电压电源用于提供220V 50Hz的交流电压。
6.一种MEMS热电堆的响应时间检测系统，其特征是，包括
MEMS热电堆，在所述MEMS热电堆的红外吸收区内集成用于提供响应时间检测所需热源的检测加热器，其中，在红外吸收区内，所述检测加热器位于MEMS热电堆内热偶热端的区域内，且检测加热器与MEMS热电堆内热偶的热端对应邻近，所述检测加热器包括上述权利要求1～权利要求5中任一项检测方法所利用的检测加热器；
检测加热器驱动器，用于驱动检测加热器工作，以将检测加热器配置作为热源，其中，检测加热器工作所产生的热量传递至MEMS热电堆内热偶的热端，以驱动MEMS热电堆响应工作；
响应输出电压获取器，用于获取MEMS热电堆基于检测加热器所传递热量下的响应输出电压；
响应时间分析处理器，用于对所采集获取MEMS热电堆的响应输出电压处理，以在处理后确定所述MEMS热电堆的响应时间。
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