CN217280848U - Mems热电探测芯片和热电探测仪 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种MEMS热电探测芯片和热电探测仪，所述MEMS热电探测芯片包括：衬底层、绝缘支撑层、以及热电堆。所述热电堆包括依次电连接的多个第一热电偶对和至少一个第二热电偶对。所述第一热电偶对的热端设置于对应所述衬底层的开口的区域，所述第一热电偶对的冷端设置于对应所述开口之外的区域。而所述第二热电偶对的热端和冷端则均设置于对应所述开口之外的区域。本申请通过在所述衬底层的开口之外的区域上方设置所述第二热电偶对，使其热端和冷端均设置于对应所述开口之外的区域，因此可以降低外部电磁辐射耦合到MEMS热电堆结构上产生的热量，从而减小电磁辐射对所述MEMS热电探测芯片的温度测试的干扰。

Description

MEMS热电探测芯片和热电探测仪

技术领域

本申请涉及非接触式温度测量领域器件的技术领域，尤其涉及一种能够抗电磁干扰的MEMS热电探测芯片和热电探测仪。

背景技术

在红外探测器最广泛的应用领域为温度测量，其可以利用基于热电效应(或赛贝克效应：Seebeck Effect)的热电偶/热电堆型探测器来实现温度测量。尤其是，随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术的飞速发展，基于MEMS热电堆的红外探测器因其具有体积小、功耗低、灵敏度高、可实现非接触测温等优点而被广泛应用于军、民及医疗等领域。

当热电堆红外探测器接收到外界红外辐射时，基于塞贝克效应，MEMS热电堆结构将半导体或金属材料冷热端间存在的温差转化为电信号，通过测量热电堆的热电势来探测红外辐射，从而精确量测出温差变化，最终实现光-热-电的转换。(背景知识)。

尽管MEMS热电堆红外探测器具有以上诸多优点，但作为一种电子器件，在实际应用中，其容易受到外界电磁干扰，严重影响其使用。当电磁辐射较强时，其测量误差增大，可靠性降低，甚至会出现失效现象。为了屏蔽电磁波信号，一般在后续电路上采取滤波手段(如滤波电容和电阻)，但此法存在一定局限，不能从传感器源头解决问题，且导致应用端成本增大；另一方面，通过采用可以屏蔽电磁波信号的管帽等壳体结构从封装上降低干扰，该方法也很难与晶圆级封装集成，导致难以提升封装效率。

因此，针对现有技术中存在的缺陷，急需进行改进。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种MEMS热电探测芯片和热电探测仪，以解决现有技术中热电探测芯片进行温度测试时受电磁辐射干扰的问题。

为实现上述目的，本申请采用如下技术方案。

本申请实施例提供一种MEMS热电探测芯片，包括：衬底层、绝缘支撑层、以及热电堆。所述衬底层具有相对设置的第一面和第二面，在所述第一面设置有一开口，所述开口朝所述第二面延伸形成空腔。所述绝缘支撑层设置于所述衬底层的所述第一面且覆盖所述开口。所述热电堆设置于所述绝缘支撑层的远离所述衬底层的一侧；所述热电堆包括依次电连接的多个第一热电偶对和至少一个第二热电偶对。其中，所述第一热电偶对的热端设置于对应所述开口的区域，所述第一热电偶对的冷端设置于对应所述开口之外的区域。其中，所述第二热电偶对的热端和冷端均设置于对应所述开口之外的区域。

可选地，在本申请的一些实施例中，所述MEMS热电探测芯片还包括：第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极的至少其中一者连接至所述第二热电偶对。

可选地，在本申请的一些实施例中，所述热电堆包括两个所述第二热电偶对，分别连接至所述第一电极和所述第二电极。

可选地，在本申请的一些实施例中，所述第一热电偶对和所述第二热电偶对中的每个热电偶对均包括：层叠设置的第一热电结构层和第二热电结构层；所述第一热电结构层的冷端和所述第二热电结构层的冷端相互隔离；所述第一热电结构层的热端和所述第二热电结构层的热端相互连接。

可选地，在本申请的一些实施例中，所述MEMS热电探测芯片还包括：第一绝缘介质层和第二绝缘介质层；所述第一绝缘介质层，设置于所述绝缘支撑层的远离所述衬底层的一侧、覆盖所述第一热电结构层、以及隔离相邻的所述热电偶对；所述第二绝缘介质层，设置于所述第一绝缘介质层的远离所述绝缘支撑层的一侧、覆盖所述第二热电结构层、以及隔离相邻的所述热电偶对；其中，在所述第一绝缘介质层上设置有多个连接孔，以连接相对应的所述第一热电结构层和所述第二热电结构层的热端。

可选地，在本申请的一些实施例中，所述第一绝缘介质层和所述第二绝缘介质层采用相同材料，所述材料为氧化硅、或氮化硅、或者氧化硅和氮化硅的材料组合。

可选地，在本申请的一些实施例中，所述绝缘支撑层、所述第一绝缘介质层和所述第二绝缘介质层构成三明治结构复合材料，其中所述绝缘支撑层采用氧化硅材料，所述第一绝缘介质层采用氮化硅材料，所述第二绝缘介质层采用氧化硅材料。

可选地，在本申请的一些实施例中，所述MEMS热电探测芯片包括：红外吸热层，设置于所述第二绝缘介质层上且对应于所述开口上方的区域；其中至少一部分所述第一热电偶对的热端位于所述红外吸热层在所述绝缘支撑层上的正投影范围内，所述第一热电偶对的冷端位于所述红外吸热层在所述绝缘支撑层上的正投影范围外；所述第二热电偶对的热端和冷端均位于所述红外吸热层在所述绝缘支撑层上的正投影范围外。

可选地，在本申请的一些实施例中，所述空腔从所述第一面凹陷且贯穿或未贯穿所述第二面。

可选地，在本申请的一些实施例中，所述热电堆被布置为呈矩形状或辐射状围绕所述开口。

可选地，在本申请的一些实施例中，所述热电堆包括四排热电偶对，所述四排热电偶对对称分布且围绕所述开口；每一排热电偶对均包括多个所述第一热电偶对和两个所述第二热电偶对。

可选地，在本申请的一些实施例中，在所述的每一排热电偶对中，两个所述第二热电偶对被配置为对称分布于多个所述第一热电偶对的两边侧。

可选地，在本申请的一些实施例中，在所述的每一排热电偶对中，所述第一热电偶对的长度大于所述第二热电偶对的长度；所述每一排热电偶对的热端呈阶梯式排布，而所述每一排热电偶对的冷端则相互平齐排成直线。

为实现上述目的，本申请还采用如下技术方案。

本申请还提供一种热电探测仪，包括上述实施例中任意一项所述的热电探测芯片。

本申请的有益效果是：本申请实施例提供一种MEMS热电探测芯片和热电探测仪，通过在所述衬底层的开口之外的区域上方设置所述第二热电偶对，使其热端和冷端均设置于对应所述开口之外的区域，利用所述衬底层的快速导热性能，降低外部电磁辐射耦合到MEMS热电堆结构上产生的热量，从而减小电磁辐射对所述MEMS热电探测芯片的温度测试的干扰。也就是说，本申请通过在开口之外、衬底层的范围内、与电极连接处设置有额外的热电偶对(例如所述第二热电偶对)以引出信号，这种额外的热电偶对可以将至少一部分热电偶对(例如所述第一热电偶对)中因强磁干扰产生的热量，利用衬底层的高导热性能，及时将热量导出，从而保证MEMS热电探测芯片1正常工作。此外由于其余的热电偶对(例如所述第一热电偶对)的热端依然悬挂在所述开口上方，能够利用所述空腔储存热能，所以能够同时保证所述MEMS热电探测芯片的整体信号强度及灵敏度。本申请MEMS热电探测芯片的结构设计合理，其制作成本低，采用晶圆级即可制备，从而从源头解决强磁产生的大量热量积聚问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提供的MEMS热电探测芯片的平面结构示意图；

图2是本申请一实施例所述MEMS热电探测芯片沿图1中B-B线的剖面结构示意图。

主要附图标记说明：

MEMS热电探测芯片1 衬底层 10

第一面 101 第二面 102

开口 103 空腔 104

绝缘支撑层 20 热电堆 30

第一热电偶对 31 第二热电偶对 32

第一热电结构层 301 第二热电结构层 302

热端 310、320、301b、302b

冷端 311、321、301a、302a

第一电极 40 第二电极 41

红外吸热层 50 第一绝缘介质层 60

连接孔 601 第二绝缘介质层 61。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。此外，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请，并不用于限制本申请。在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”、“下”、“左”和“右”可以是装置实际使用或工作状态的方向，也可以是参考附图中的图面方向，还可以是指相对的两个方向；而“内”和“外”则是针对装置的轮廓而言的。

请结合参阅图1和图2，本申请实施例提供一种MEMS热电探测芯片1，所述MEMS热电探测芯片1由下至上依次包括：衬底层10、绝缘支撑层20和热电堆30。所述衬底层10具有相对设置的第一面101和第二面102，在所述第一面101设置有一开口103，所述开口103朝所述第二面102延伸形成空腔104；所述绝缘支撑层20设置于覆盖所述衬底层10的第一面101且覆盖所述开口103；以及所述热电堆30设置于所述绝缘支撑层20的远离所述衬底层10的一侧；所述热电堆30包括依次电连接的多个第一热电偶对31和至少一个第二热电偶对 32。其中，如图1所示，所述第一热电偶对31的热端310设置于对应所述开口 103的区域，所述第一热电偶对31的冷端311设置于对应所述开口103之外的区域。其中，如图1和图2所示，所述第二热电偶对32的热端320和冷端321 均设置于对应所述开口103之外的区域。

本申请MEMS热电探测芯片1通过在所述衬底层10的开口103之外的区域上方设置所述第二热电偶对32，也就是将所述第二热电偶对32的热端和冷端均设置于对应所述开口103之外的区域，利用所述衬底层10的快速导热性能，降低外部电磁辐射耦合到MEMS热电堆30结构上产生的热量，从而减小电磁辐射对所述MEMS热电探测芯片1的温度测试的干扰。

在本申请一实施例中，如图1所示，所述MEMS热电探测芯片1还包括：第一电极40和第二电极41。所述第一电极40(例如正电极)和所述第二电极41(例如负电极)的至少其中一者连接至所述第二热电偶对32。本申请通过将至少其中一个电极连接至所述第二热电偶对32，就可以确保所述电极不受电磁辐射的温度干扰。

因此，本申请MEMS热电探测芯片1的开口103位置就是红外吸收区，而衬底层10采用了硅衬底。本申请通过在红外吸收区外、硅衬底范围内、与电极 (40或41)连接处设置有额外的热电偶对(例如所述第二热电偶对32)以引出信号，这种额外的热电偶对可以将至少一部分热电偶对(例如一部分或全部的第一热电偶对31)中因强磁干扰产生的热量，利用硅衬底的高导热性能，及时将热量导出，从而保证MEMS热电探测芯片1正常工作。本申请MEMS热电探测芯片的结构设计合理，所述第二热电偶对32和所述电极(40或41)可以同时制作，其制作成本低，采用晶圆级即可制备，从而从源头解决强磁产生的大量热量积聚问题。

优选地，本申请其中一实施例的所述热电堆30可以包括两个所述第二热电偶对32，分别连接至所述第一电极40和所述第二电极41。通过此设计，本申请中所述第一电极40和所述第二电极41均不会受到电磁辐射的温度干扰，确保温度测试更加准确。

在本申请一实施例中，如图1所示，所述MEMS热电探测芯片1还包括：红外吸热层50。所述红外吸热层50设置于或覆盖在所述热电堆30上方且对应于所述开口103上方的区域。所述红外吸热层50可提高MEMS热电堆30对外界红外辐射的吸收率并将热量传递给所述热电堆30。在本实施例中，所述红外吸热层50通过设置于一绝缘介质层(例如第二绝缘介质层61)上以间接地设置在所述热电堆30上，从而覆盖所述热电堆30的一部分热电偶对。具体地，至少一部分所述第一热电偶对31的热端310位于所述红外吸热层50在所述绝缘支撑层20上的正投影范围内；所述第一热电偶对31的冷端311位于所述红外吸热层50在所述绝缘支撑层20上的正投影范围外，但仍处于所述衬底层10 的范围内。通过此设计，所述红外吸热层50可以将热量传递给所述第一热电偶对31的热端310，并在热端310和冷端311之间形成温差。

此外，如图2所示，所述第二热电偶对32的热端320和冷端321均位于所述红外吸热层50在所述绝缘支撑层20上的正投影范围外，但均位于所述衬底层10的范围内。通过此设计，所述第二热电偶对32可以避开所述红外吸热层 50，并利用所述衬底层10将因强磁干扰产生的热量及时导出，从而保证MEMS 热电探测芯片1正常工作。

在本实施例中，所述MEMS热电探测芯片1通过将所述第一电极40和所述第二电极41的至少其中一者连接至所述第二热电偶对32，或者将所述第一电极40和所述第二电极41分别连接至两个第二热电偶对32的不同热电材料上，当所述MEMS热电探测芯片1受到外界电磁辐射信号干扰发热时，由于所述第二热电偶对32的热端320和冷端321均设置于所述衬底层10上方对应所述开口103之外的区域，而所述衬底层10的热传导系数非常高，从而可以快速地将电磁辐射引入至所述热端320的耦合热从所述MEMS热电探测芯片1上导出，大大提高其抗电磁干扰能力。

此外，本申请由于只是将所述第二热电偶对32设置在所述衬底层10的开口103之外的区域，其余的热电偶对(例如所述第一热电偶对31)的热端310 依然悬挂在开口103上方，能够利用空腔104储存热能，所以不影响所述MEMS 热电探测芯片1的整体信号强度及灵敏度。

下面将详细地描述本申请一实施例提供的所述MEMS热电探测芯片1。

请参照图2所示，每一热电偶对(例如所述第一热电偶对31和所述第二热电偶对32)均包括：层叠设置的第一热电结构层301和第二热电结构层302；所述第一热电结构层301的冷端301a和所述第二热电结构层302的冷端302a 相互隔离；所述第一热电结构层301的热端301b和所述第二热电结构层302 的热端302b相互连接。更进一步地讲，所述热电偶对(例如第一热电偶对31 或第二热电偶对32)的热端310(或320)就是相应的所述第一热电结构层301 和所述第二热电结构层302的热端301b、302b，而所述热电偶对(例如第一热电偶对31或第二热电偶对32)的冷端311(或321)就是相应的所述第一热电结构层301和所述第二热电结构层302的冷端301a、302a。

在其中一实施例中，所述热电堆30采用上下堆叠的排布结构，例如：所述第二热电结构层302层叠设置于所述第一热电结构层301上。上下堆叠的热电堆30结构可以提供更多的热电偶对数量组合，从而进一步提高红外热电堆30 探测器的灵敏度。所述热电堆30的结构不仅仅局限于图示中的形状，实际实施时所述热电堆30的热电偶的型态、材料及数量可根据实际情况做出改变。

在其中一实施例中，所述MEMS热电探测芯片1还包括：第一绝缘介质层 60和第二绝缘介质层61。

所述第一绝缘介质层60设置于所述绝缘支撑层20的远离所述衬底层10 的一侧、覆盖所述第一热电结构层301、隔离相邻的热电偶对。

所述第二绝缘介质层61设置于所述第一绝缘介质层60的远离所述绝缘支撑层20的一侧、覆盖所述第二热电结构层302、以及隔离相邻的热电偶对。

其中，在所述第一绝缘介质层60上设置有多个竖直状贯穿的连接孔601，以连接相对应的所述第一热电结构层301的热端301b和所述第二热电结构层 302的热端302b。

在其中一实施例中，所述衬底层10为单晶硅基底，具有快速导热性能。所述第一面101为所述衬底层10的正面，所述第二面102为所述衬底层10的背面。所述空腔104从所述第一面101凹陷且贯穿所述第二面102，在其他实施例中，所述空腔104未贯穿所述第二面102，因此所述空腔104深度小于所述衬底层10的厚度。还需要说明的是，所述空腔104和所述开口103的形态、尺寸可任意选择，所述空腔104可为第一面101部分腐蚀/刻蚀或者第二面102全腐蚀/刻蚀，从而形成悬浮膜结构或封闭膜结构。

在其中一实施例中，所述绝缘支撑层20为氧化硅层。

在其中一实施例中，所述第一绝缘介质层60和所述第二绝缘介质层61可以采用相同材料，所述材料为氧化硅、或氮化硅、或者氧化硅和氮化硅的材料组合。

优选地，所述绝缘支撑层20、所述第一绝缘介质层60和所述第二绝缘介质层61为由氧化硅、氮化硅、氧化硅构成的三明治结构复合材料。也就是说，所述绝缘支撑层20采用氧化硅材料，所述第一绝缘介质层60采用氮化硅材料，所述第二绝缘介质层61采用氧化硅材料，因此构成三明治结构复合材料。

此外，如图1所示，在其中一实施例中，所述热电堆30可以被布置为矩形状围绕所述开口103。具体地，所述热电堆30包括四排热电偶对，所述四排热电偶对对称分布且围绕所述开口103。在其他实施例中，所述热电堆30可以被布置为其他形状，例如：所述热电堆30可以被布置为呈辐射状围绕所述开口103。

更具体地，在本实施例中，所述热电堆30包括四排热电偶对，每一排热电偶对均包括多个第一热电偶对31和两个第二热电偶对32。

在所述的每一排热电偶对中，两个第二热电偶对32被配置为对称分布于多个第一热电偶对31的两边侧。

在所述的每一排热电偶对中，所述第一热电偶对31的长度大于所述第二热电偶对32的长度；所述每一排热电偶对的热端310、320呈阶梯式排布，而所述每一排热电偶对的冷端311、321则相互平齐排成直线。

本申请将所述热电堆30对称布置于所述MEMS热电探测芯片1上，能够达到空间利用率最大化，整体四周受热均匀，以最大程度的保证热能存储在热端，提高所述MEMS热电探测芯片1的信号强度和灵敏度，确保本申请MEMS 热电探测芯片1的工作性能稳定。同时，这种对称式的布局还可以给后续设计电极(40或41)的位置带来方便，例如电极(40或41)不必局限地设置在芯片的一个角落位置，而是可以根据实际情况选择性地布局至任意一角落位置，都能以最短距离连接至所述第二热电偶对32。因此，本申请MEMS热电探测芯片1具备优良的抗电磁干扰能力，提高其温度测试的准确度。

本申请一实施例还提供一种热电探测仪，包括如上所述的MEMS热电探测芯片1。在其中一实施例中，所述MEMS热电探测芯片1可以用导电胶贴附在一金属底座上，从而在所述空腔104和所述管座之间形成密闭的空气空腔104。

本申请热电探测仪采用上述MEMS热电探测芯片1能够减小电磁辐射对温度测试的干扰。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本申请实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (14)

1.一种MEMS热电探测芯片，其特征在于，包括：

衬底层，具有相对设置的第一面和第二面，在所述第一面设置有一开口，所述开口朝所述第二面延伸形成空腔；

绝缘支撑层，设置于所述衬底层的所述第一面且覆盖所述开口；以及

热电堆，设置于所述绝缘支撑层的远离所述衬底层的一侧；所述热电堆包括依次电连接的多个第一热电偶对和至少一个第二热电偶对；

其中，所述第一热电偶对的热端设置于对应所述开口的区域，所述第一热电偶对的冷端设置于对应所述开口之外的区域；

其中，所述第二热电偶对的热端和冷端均设置于对应所述开口之外的区域。

2.如权利要求1所述的MEMS热电探测芯片，其特征在于，包括：第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极的至少其中一者连接至所述第二热电偶对。

3.如权利要求2所述的MEMS热电探测芯片，其特征在于，所述热电堆包括两个所述第二热电偶对，分别连接至所述第一电极和所述第二电极。

4.如权利要求1或2所述的MEMS热电探测芯片，其特征在于，所述第一热电偶对和所述第二热电偶对中的每个热电偶对均包括：层叠设置的第一热电结构层和第二热电结构层；

所述第一热电结构层的冷端和所述第二热电结构层的冷端相互隔离；

所述第一热电结构层的热端和所述第二热电结构层的热端相互连接。

5.如权利要求4所述的MEMS热电探测芯片，其特征在于，包括：第一绝缘介质层和第二绝缘介质层；

所述第一绝缘介质层，设置于所述绝缘支撑层的远离所述衬底层的一侧、覆盖所述第一热电结构层、以及隔离相邻的所述热电偶对；

所述第二绝缘介质层，设置于所述第一绝缘介质层的远离所述绝缘支撑层的一侧、覆盖所述第二热电结构层、以及隔离相邻的所述热电偶对；

其中，在所述第一绝缘介质层上设置有多个连接孔，以连接相对应的所述第一热电结构层和所述第二热电结构层的热端。

6.如权利要求5所述的MEMS热电探测芯片，其特征在于，所述第一绝缘介质层和所述第二绝缘介质层采用相同材料。

7.如权利要求5所述的MEMS热电探测芯片，其特征在于，所述绝缘支撑层、所述第一绝缘介质层和所述第二绝缘介质层构成三明治结构复合材料，其中所述绝缘支撑层采用氧化硅材料，所述第一绝缘介质层采用氮化硅材料，所述第二绝缘介质层采用氧化硅材料。

8.如权利要求5所述的MEMS热电探测芯片，其特征在于，包括：红外吸热层，设置于所述第二绝缘介质层上且对应于所述开口上方的区域；

其中至少一部分所述第一热电偶对的热端位于所述红外吸热层在所述绝缘支撑层上的正投影范围内，所述第一热电偶对的冷端位于所述红外吸热层在所述绝缘支撑层上的正投影范围外；

所述第二热电偶对的热端和冷端均位于所述红外吸热层在所述绝缘支撑层上的正投影范围外。

9.如权利要求1所述的MEMS热电探测芯片，其特征在于，所述空腔从所述第一面凹陷且贯穿或未贯穿所述第二面。

10.如权利要求1所述的MEMS热电探测芯片，其特征在于，所述热电堆被布置为呈矩形状或辐射状围绕所述开口。

11.如权利要求1所述的MEMS热电探测芯片，其特征在于，所述热电堆包括四排热电偶对，所述四排热电偶对对称分布且围绕所述开口；每一排热电偶对均包括多个所述第一热电偶对和两个所述第二热电偶对。

12.如权利要求11所述的MEMS热电探测芯片，其特征在于，在所述的每一排热电偶对中，两个所述第二热电偶对被配置为对称分布于多个所述第一热电偶对的两边侧。

13.如权利要求12所述的MEMS热电探测芯片，其特征在于，在所述的每一排热电偶对中，所述第一热电偶对的长度大于所述第二热电偶对的长度；所述每一排热电偶对的热端呈阶梯式排布，所述每一排热电偶对的冷端则相互平齐排成直线。

14.一种热电探测仪，其特征在于，包括如权利要求1至13中任意一项所述的MEMS热电探测芯片。

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