CN215338609U - 一种红外热电堆传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种红外热电堆传感装置，其包括基于衬底形成的热电堆传感器，所述热电堆传感器包括：悬空薄膜，其悬置于所述衬底的空腔之上；多个热电偶，其设置于所述悬空薄膜中，所述热电偶的热端悬置于所述衬底的空腔之上，且所述热电偶的热端位于所述悬空薄膜的内侧；所述热电偶的冷端悬置于所述衬底的空腔之上，且所述热电偶的冷端位于所述悬空薄膜的外边缘；高热导率填充区，其设置于所述悬空薄膜的外侧，其紧邻所述热电偶的冷端，且跨过所述衬底的空腔的边界，并且延伸至所述衬底上。与现有技术相比，本实用新型不仅可以与标准CMOS工艺兼容，而且还可以使红外热电堆的热学参数不敏感工艺偏差，提高器件性能一致性。

Description

一种红外热电堆传感装置

【技术领域】

本实用新型涉及MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)器件领域，尤其涉及一种一致性高，良率高，并且与标准CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺兼容的红外热电堆传感装置。

【背景技术】

为了使热电堆冷端温度与环境温度一致，现有MEMS热电堆结构的冷端位于硅衬底上，其热端位于悬空薄膜上，悬空薄膜的边界通过刻蚀进行定义，无论是正向刻蚀还是背刻蚀，由光刻对准以及侧向刻蚀带来的总体偏差在20～40um，这样同一晶圆上的不同区域，以及不同的晶圆批次，其悬空薄膜的边界也不相同，红外热电堆传感器的灵敏度，响应时间都会存在较大的偏差，一致性差，不利于后端的校正，特别是热电堆与ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit，即专用集成电路)的集成芯片，为了得到合适的精度，则需要更多的校正数据位。

因此，有必要提出一种技术方案来解决红外热电堆的结构的性能参数一致性差，随工艺偏差影响大的技术问题。

【实用新型内容】

本实用新型的目的之一在于提供一种红外热电堆传感装置，其不仅可以与标准CMOS工艺兼容，而且还可以使红外热电堆的热学参数不敏感工艺偏差，提高器件性能一致性。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种红外热电堆传感装置，其包括基于衬底形成的热电堆传感器，所述热电堆传感器包括：悬空薄膜，其悬置于所述衬底的空腔之上；多个热电偶，其设置于所述悬空薄膜中，所述热电偶的热端悬置于所述衬底的空腔之上，且所述热电偶的热端位于所述悬空薄膜的内侧；所述热电偶的冷端悬置于所述衬底的空腔之上，且所述热电偶的冷端位于所述悬空薄膜的外边缘；高热导率填充区，其设置于所述悬空薄膜的外侧，其紧邻所述热电偶的冷端，且跨过所述衬底的空腔的边界，并且延伸至所述衬底上。

进一步的，所述高热导率填充区和所述热电偶的冷端不存在电连接；所述高热导率填充区使所述热电偶的冷端温度与所述衬底温度保持一致。

进一步的，所述悬空薄膜包括依次层叠的多晶硅层、第一金属层和第二金属层，所述热电偶由多晶硅层、第一金属层和/或第二金属层构成。

进一步的，所述高热导率填充区由导热高的材料堆叠而成，所述高热导率填充区由多晶硅层、第一金属层和/或第二金属层构成，其中，所述高热导率填充区的第一金属层与所述悬空薄膜的第一金属层是相同的一层金属图形化而成的不同部分，所述高热导率填充区的第二金属层与所述悬空薄膜的第二金属层是相同的另一层金属图形化而成的不同部分，所述高热导率填充区的多晶硅层与所述悬空薄膜的多晶硅层是相同的一层多晶硅图形化而成的不同部分。

进一步的，所述多晶硅层和所述衬底之间还设置有介质层；所述多晶硅层和所述第二金属层之间也设置有介质层；所述第一金属层和第二金属层之间也设置有介质层。

进一步的，所述红外热电堆传感装置还包括基于所述衬底形成的信号处理电路，所述信号处理电路与所述热电堆传感器电连接，并用于处理所述热电堆传感器产生的传感信号。

进一步的，所述热电堆传感器和所述信号处理电路均基于CMOS工艺制作而成的。

进一步的，所述高热导率填充区与所述热电偶的冷端的距离介于0.2到5um之间；设置所述热电偶的冷端位于所述悬空薄膜上时，需考虑所述空腔的尺寸、工艺偏差以及对位偏差。

进一步的，所述多个热电偶分为四组，分别称为第一热电堆单元TP1、第二热电堆单元TP2、第三热电堆单元TP3和第四热电堆单元TP4，所述第一热电堆单元TP1、第二热电堆单元TP2分别位于所述悬空薄膜的相对的第一侧边和第二侧边；所述第三热电堆单元TP3、第四热电堆单元TP4分别位于所述悬空薄膜的相对的第三侧边和第四侧边；每个所述热电堆单元中的若干所述热电偶沿其所在侧边依次并行排布，且沿其所在侧边方向，若干所述热电偶的长度先逐个增大再逐个减小。

与现有技术相比，本实用新型中的红外热电堆传感装置基于MEMS工艺，或者标准CMOS工艺制成，其整个热电堆位于悬空薄膜上，并且热电堆冷端紧邻高热导率材料组成的填充区域，使热电堆结构的热学参数不敏感工艺偏差，进而在整张晶圆上获得一致性高的红外热电堆传感器。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本实用新型在一个实施例中的基于MEMS以及CMOS工艺兼容的红外热电堆传感装置的俯视图；

图2为本实用新型在一个实施例中的基于MEMS以及CMOS工艺兼容的红外热电堆传感装置的纵向剖面示意图；

图3为本实用新型在另一个实施例中的基于MEMS以及CMOS工艺兼容的红外热电堆传感装置的纵向剖面示意图；

图4为在一个实施例中刻蚀偏差对本实用新型所示的热电堆结构与常见热电堆结构的灵敏度的影响的对比图。

【具体实施方式】

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。

请参考图1所示，其为本实用新型在一个实施例中的基于MEMS以及CMOS工艺兼容的红外热电堆传感装置的俯视图；请参考图2所示，其为本实用新型在一个实施例中的基于MEMS以及CMOS工艺兼容的红外热电堆传感装置的纵向剖面示意图。

图1和图2所示的基于MEMS以及CMOS工艺兼容的的红外热电堆传感装置包括衬底1、基于所述衬底1形成的热电堆传感器17以及基于所述衬底1形成的信号处理电路16。信号处理电路16位于信号处理电路区域；热电堆传感器17位于热电堆区域，在图1所示的实施例中，所述信号处理电路16位于所述热电堆传感器17的外侧。所述信号处理电路16与所述热电堆传感器17电连接，并用于处理所述热电堆传感器17产生的传感信号。

图1和图2所示的红外热电堆传感装置即可在传统的MEMS工艺流程上进行，也可使用标准的CMOS工艺。基于热电堆传感器17和信号处理电路16集成的芯片，以标准CMOS工艺为例，在6寸或者8寸晶圆的硅衬底1上，通过标准的CMOS工艺在衬底1上进行薄膜沉积，离子注入，刻蚀等方法制作出器件，比如通过1P2M、2P3M之类的工艺流程来制作热电堆传感器17与信号处理电路16集成的红外热电堆传感装置。在图1和图2所示的实施例中，所述热电堆传感器17的位于衬底1上的结构层包括自所述衬底1正面向上依次层叠的第一介质层211、多晶硅层3、第二介质层221、第一金属层5、第三介质层231、第二金属层6和钝化层7，其中，第一介质层211、第二介质层221和第三介质层231统称为介质层2。所述介质层2通常为SiO2,Si3N4,BPSG等材料组成；所述多晶硅3通常用作MOS管电极，连线，电阻以及电容的制作；所述金属层5和6分别代表不同层的金属连线层，并且不限于2层金属，不同层间的金属层通过过孔4中金属填充物(简称为过孔金属)进行连接；器件最上层为所述钝化层7，通常由SiO2,Si3N4,BPSG等材料组成。

在图2中仅示出了基于标准CMOS工艺制作的热电堆传感器17的纵向剖面示意图。

所述热电堆传感器17包括悬空薄膜15以及设置于所述悬空薄膜15外侧的高热导率填充区18。为了提高热电堆传感器的性能，需要进行热隔离，可通过湿法或者干法工艺进行背刻蚀工艺在衬底1上形成空腔8，具体如图2所示，所述空腔8贯穿衬底1，以得到热电堆传感器17的悬空薄膜15；或者，如图3所示，通过设置于结构层的刻蚀孔9正向刻蚀衬底1形成空腔10，最终得到热电堆传感器17的悬空薄膜15，空腔10自所述衬底1的正面延伸至所述衬底1内。图3为本实用新型在另一个实施例中的基于MEMS以及CMOS工艺兼容的红外热电堆传感装置的纵向剖面示意图。图3与图2所示的热电堆传感器的结构基本相同，两者的主要区别在于，图3所示的热电堆传感器17的结构层中还设置有贯穿所述结构层的刻蚀孔9；空腔10和空腔8的形成方式和结构不同。

所述悬空薄膜15悬置于所述衬底1的空腔8、10之上，所述悬空薄膜15包括自所述衬底1的正面依次向上层叠的多晶硅层3、第一金属层5和第二金属层6。所述悬空薄膜15中设置有多个热电偶11，在图1和图2所示的实施例中，每个热电偶11由多晶硅层3、第一金属层5和/或第二金属层6构成，其中，热电偶11的热端13悬置于所述衬底1的空腔之上8、10，且所述热电偶11的热端13位于所述悬空薄膜15的内侧；热电偶11的冷端12悬置于所述衬底1的空腔之上8、10，且所述热电偶11的的冷端12位于所述悬空薄膜15的外边缘。高热导率填充区18设置于所述悬空薄膜15的外侧，其紧邻所述热电偶11的冷端12，且跨过所述衬底1的空腔8、10的边界14，并且延伸至所述衬底上1。高热导率填充区18由导热高的材料堆叠而成，其与热电偶11的冷端12距离足够近，不存在电学连接，比如，所述高热导率填充区18与所述热电偶11的冷端的距离足够小，可采用工艺能力极限，通常介于0.2到5um之间。高热导率的填充区18使所述热电偶11的冷端12温度与所述衬底1温度保持一致，进而使所述热电偶11的冷端12温度与环境温度一致。

在图1和图2所示的实施例中，利用多晶硅3以及金属层5或6来制作热电堆的敏感结构单元热电偶11，即热电偶11包括多晶硅层3、第一金属层5和/或第二金属层6，例如，热电偶11可以由多晶硅层3和第一金属层5组成；或热电偶11可以由多晶硅层3和第二金属层6组成；高热导率填充区18由导热高的材料堆叠而成，比如，多晶硅层3、第一金属层5和/或第二金属层6，很显然，所述高热导率填充区18的第一金属层5与所述悬空薄膜15的第一金属层5是相同的一层金属图形化而成的不同部分，所述高热导率填充区18的第二金属层6与所述悬空薄膜15的第二金属层6是相同的另一层金属图形化而成的不同部分，所述高热导率填充区18的多晶硅层3与所述悬空薄膜15的多晶硅层3是相同的一层多晶硅图形化而成的不同部分。

当所述悬空薄膜15吸收红外线时，所述悬空薄膜15表面温度升高，热电偶11的冷端12与热端13的温差被转化为电压信号，提供给信号处理电路16进行信号处理，最终信号处理电路16输出模拟或者数字形式的温度信号。

本实用新型的关键之处在于：将热电偶11的冷端12放置在悬空薄膜15上，并且在热电偶11的冷端12紧邻区域放置高热导率填充区18，高热导率的填充区18与热电偶11的冷端距离足够近，但不存在电学连接；高热导率的填充区18从热电偶11的冷端12，跨过刻蚀空腔8、10的边界14，并且延伸至硅衬底1上，通过设置适当的刻蚀空腔8、10的尺寸，在考虑工艺偏差以及对位偏差的前提下，使热电偶11的冷端12始终位于悬空薄膜15上，也就是说，设置热电偶11的冷端12位于悬空薄膜15上时，需考虑刻蚀空腔8、10的尺寸、工艺偏差以及对位偏差。由于整个热电偶11位于悬空薄膜15上，其导热路经不敏感刻蚀偏差带来的影响，其紧邻的高热导填充区18仍然能够保证热电偶11的冷端12温度与衬底温度相同。

本实用新型将热电偶11的冷端12与热端13放置于悬空薄膜15上，并且在热电偶11的冷端12放置高热导填充区18，使热电堆性能不敏感刻蚀偏差。请参考图4所示，其为在一个实施例中刻蚀偏差对本实用新型所示的热电堆结构(或热电堆传感器)与常见热电堆结构的灵敏度的影响的对比图。通过对比结果可以看出，当刻蚀偏差在0～35um变化时，常见热电堆结构的灵敏度偏差为-13.2％，而采用本结构的灵敏度偏差仅为0.7％。

在图1所示的具体实施例中，多个热电偶11以最大的热效率排布于整个悬空薄膜15区域，具体的，所述多个热电偶11分为四组，即第一热电堆单元TP1、第二热电堆单元TP2、第三热电堆单元TP3和第四热电堆单元TP4，分别布置在所述悬空薄膜15的上下左右四个方向(即衬底1或晶圆的表面方向)其中，所述第一热电堆单元TP1、第二热电堆单元TP2设置于X轴方向，且分别位于所述悬空薄膜15的相对的第一侧边和第二侧边；所述第三热电堆单元TP3、第四热电堆单元TP4设置于Y轴方向，且分别位于所述悬空薄膜15的相对的第三侧边和第四侧边，其中，每个热电堆单元中的若干热电偶11沿其所在侧边依次并行排布，且沿其所在侧边方向若干热电偶11的长度先逐个增大再逐个减小。

综上所述，本实用新型提供一种基于MEMS以及CMOS工艺兼容的的红外热电堆传感装置，该装置将热电偶11的冷端12与热端13都放置于悬空薄膜15上，通过在冷端12布置环绕的高热导填充区18，使器件冷端温度既能保持与衬底温度一致，器件性能又不敏感工艺偏差的变化，以获得具有一致性高的红外热电堆传感器。此外，本实用新型能够兼容CMOS工艺，可制作热电堆传感器17和所述信号处理电路16集成芯片，从而使本实用新型的红外热电堆传感装置的器件性能一致性大大提高，便于后端电路的校正。

在本实用新型中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，本实用新型的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本实用新型揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (9)

1.一种红外热电堆传感装置，其特征在于，其包括基于衬底形成的热电堆传感器，所述热电堆传感器包括：

悬空薄膜，其悬置于所述衬底的空腔之上；

多个热电偶，其设置于所述悬空薄膜中，所述热电偶的热端悬置于所述衬底的空腔之上，且所述热电偶的热端位于所述悬空薄膜的内侧；所述热电偶的冷端悬置于所述衬底的空腔之上，且所述热电偶的冷端位于所述悬空薄膜的外边缘；

高热导率填充区，其设置于所述悬空薄膜的外侧，其紧邻所述热电偶的冷端，且跨过所述衬底的空腔的边界，并且延伸至所述衬底上。

2.根据权利要求1所述的红外热电堆传感装置，其特征在于，

所述高热导率填充区和所述热电偶的冷端不存在电连接；

所述高热导率填充区使所述热电偶的冷端温度与所述衬底温度保持一致。

3.根据权利要求1或2所述的红外热电堆传感装置，其特征在于，

所述悬空薄膜包括依次层叠的多晶硅层、第一金属层和第二金属层，

所述热电偶由多晶硅层、第一金属层和/或第二金属层构成。

4.根据权利要求3所述的红外热电堆传感装置，其特征在于，

所述高热导率填充区由导热高的材料堆叠而成，所述高热导率填充区由多晶硅层、第一金属层和/或第二金属层构成，

其中，所述高热导率填充区的第一金属层与所述悬空薄膜的第一金属层是相同的一层金属图形化而成的不同部分，所述高热导率填充区的第二金属层与所述悬空薄膜的第二金属层是相同的另一层金属图形化而成的不同部分，所述高热导率填充区的多晶硅层与所述悬空薄膜的多晶硅层是相同的一层多晶硅图形化而成的不同部分。

5.根据权利要求4所述的红外热电堆传感装置，其特征在于，

所述多晶硅层和所述衬底之间还设置有介质层；

所述多晶硅层和所述第二金属层之间也设置有介质层；

所述第一金属层和第二金属层之间也设置有介质层。

6.根据权利要求1所述的红外热电堆传感装置，其特征在于，其还包括基于所述衬底形成的信号处理电路，所述信号处理电路与所述热电堆传感器电连接，并用于处理所述热电堆传感器产生的传感信号。

7.根据权利要求6所述的红外热电堆传感装置，其特征在于，

所述热电堆传感器和所述信号处理电路均基于CMOS工艺制作而成的。

8.根据权利要求1所述的红外热电堆传感装置，其特征在于，

所述高热导率填充区与所述热电偶的冷端的距离介于0.2到5um之间；

设置所述热电偶的冷端位于所述悬空薄膜上时，需考虑所述空腔的尺寸、工艺偏差以及对位偏差。

9.根据权利要求1所述的红外热电堆传感装置，其特征在于，

所述多个热电偶分为四组，分别称为第一热电堆单元TP1、第二热电堆单元TP2、第三热电堆单元TP3和第四热电堆单元TP4，

所述第一热电堆单元TP1、第二热电堆单元TP2分别位于所述悬空薄膜的相对的第一侧边和第二侧边；所述第三热电堆单元TP3、第四热电堆单元TP4分别位于所述悬空薄膜的相对的第三侧边和第四侧边；

每个所述热电堆单元中的若干所述热电偶沿其所在侧边依次并行排布，且沿其所在侧边方向，若干所述热电偶的长度先逐个增大再逐个减小。

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