CN219319590U - 集成热传感器及器件 - Google Patents
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Abstract
公开了集成热传感器及器件。具有限定内部空间的壳体的集成热传感器。支撑区域延伸穿过内部空间；多个热电偶元件由支撑区域承载并彼此电耦合。每个热电偶元件分别由第一热电活性材料和第二热电活性材料的第一热电活性区域和第二热电活性区域形成，第一热电活性材料具有第一塞贝克系数，第二热电活性材料具有除第一塞贝克系数之外的第二塞贝克系数。第一热电活性区域和第二热电活性区域中的至少一个是硅基材料。每个热电偶元件的第一热电活性区域和第二热电活性区域由相应的细长区域形成，细长区域从支撑区域并横向于支撑区域以相互距离延伸到壳体的内部空间中。本实用新型的技术提供了转换效率高的集成热传感器。
Description
技术领域
本公开涉及用于将热能转换为电能的设备领域。具体地，本说明书涉及一种基于塞贝克(Seeback)效应的集成热传感器。
特别地，下面描述由串联连接的多个热电偶形成的热传感器，也称为热电堆。
背景技术
众所周知，热电堆是一种能够将红外区域(1.1至25μm波段)电磁辐射转换为电信号的设备，可用于多种应用。
例如，热电堆已经被提出用于提供动态成像设备、智能照明系统、智能建筑等各个领域。
热电堆由多个热电偶通常串联或不太常见的并联构成。每个热电偶由不同的材料的部分构成，当结(junction)暴露在不同的温度下时产生电压。
图1示意性地示出了热电偶1的工作原理。热电偶1包括第一材料的第一部分2，在其端部(第一端部3和第二端部4)连接到不同材料的两个第二部分5。
第一部分2和第二部分5由不同的材料制成，例如V-VI族材料的金属或化合物(例如Bi、Sb、Te、Se的合金或化合物)。
第一部分2的端3和4与第二部分5形成结；例如，第一端3形成感测结(有时也称为热结)，并且第二端4形成参考结(有时也称为冷结)。
此外，第二部分5各自具有自由端6；自由端6形成具有电位差ΔV的输出，根据塞贝克方程，该电位差ΔV与存在于感测结3和参考结4之间的温差ΔT相关：
ΔV ＝ (SB – SA) ΔT ＝ S ΔT (1)
其中SA和SB是分别与第一端3和第二端4的材料有关的塞贝克系数(或热电功率)。
因此，感测结3和参考结4之间的温差越大，在输出6处检测到的电压就越大。
如图2所示，热电堆可以通过串联连接几个热电偶1来形成，其中使用了与图1相同的参考数字。实际上，热电堆(由10表示)包括一系列相互交替的第一部分2(第一材料)和第二部分5(第二材料)，连接在感测结3和参考结4上。
以这种方式，输出电压差由所有热电偶1的ΔV之和给出，并且，如果所有热电偶1的热结3和冷结4的温度大致相同(如小型集成传感器的情况)，对于n个热电偶1，它是：
ΔV ＝ nSΔT (2)
已经提出了使用半导体技术的热电堆的集成制造，以减小器件的尺寸并允许其在便携式设备中使用，例如蜂窝电话、平板等。
这些解决方案通常提供水平热电偶的制造，形成在刚性硅基底或柔性塑料基底上的热电材料薄膜中。然而，这些解决方案通常基于非标准材料的使用和/或需要复杂的处理步骤，并且可能获得的热电堆受噪声影响且灵敏度低。
还提出了通过在塑料基底中形成热电材料区域而具有垂直结构的热电堆。
例如，具有垂直结构的热电堆在Hanna Yousef等人，在2007年12月的Journal ofMicromechanical Systems,第16卷，第6号的“Vertical Thermopiles Embedded in aPolyimide-Based Flexible Printed Circuit Board”中描述，如图3所示。这里，主体12(例如塑料制成，如聚酰亚胺)容纳多个热电偶13，每个热电偶13包括并排且以相互距离(mutual distance)布置的第一敏感区域15和第二敏感区域16。
第一敏感区域15和第二敏感区域16可以由不同的金属材料制成，例如通过形成在主体12中的孔中且并联连接的多根锑线和镍线。
互连件18将每个热电偶13的第一敏感区域15和第二敏感区域16相互连接，并将不同的热电偶13串联连接，形成热结和冷结。
然而，该解决方案在转换效率方面也容易改进，并且需要相当复杂的制造工艺。
通常，在这些和其他已知的解决方案中，为了克服相当低的效率问题，并且为了实现高达数百V/W的效率，在半导体工业中使用非标准材料和/或工艺步骤复杂，并需要复杂和昂贵的机械和措施。
实用新型内容
鉴于上述问题，本公开的目的之一在于提供一种热电堆，以克服了现有技术的缺点。
根据本实用新型，提供了一种集成热传感器。
本公开涉及一种集成热传感器，包括：限定内部空间的壳体；通过内部空间延伸的支撑区域；在内部空间的与支撑区域相对的一侧上的吸收层；以及在支撑区域与吸收层之间的多个热电偶元件，多个热电偶元件相互电耦合，每个热电偶元件分别包括第一热电活性材料的第一热电活性(active)区域和第二热电活性材料的第二热电活性区域，第一热电活性材料具有第一塞贝克系数，第二热电活性材料具有与第一塞贝克系数不同的第二塞贝克系数，第一热电活性区域和第二热电活性区域中的至少一个是硅基材料的，第一热电活性区域具有与吸收层接触的基部，第二热电活性区域通过第一热电活性区域的基部与吸收层隔开，每个热电偶元件的第一热电活性区域和第二热电活性区域包括从支撑区域并横向于支撑区域以相互距离延伸到壳体的内部空间中的相应的细长区域。
在一些实施例中，每个热电偶元件的第二热电活性区域由第一导电类型的硅，例如外延硅构成，并且每个热电偶元件的第一热电活性区域由选自以下材料中的一种构成：第二导电类型的多晶硅、第二导电类型的多晶硅-锗和金属。
在一些实施例中，每个热电偶元件是具有第一端和第二端的柱的形状，并且包括在相应的热电偶元件的第一热电活性区域和第二热电活性区域之间延伸的电绝缘壁，其中每个热电偶元件在第一端处被接合到支撑区域。
在一些实施例中，每个热电偶元件的电绝缘壁具有环形围绕相应的第一热电活性区域的大致圆柱形状，并且第二热电活性区域具有环形围绕相应的电绝缘壁的大致圆柱形状。
在一些实施例中，支撑区域包括绝缘材料层；第一连接线在支撑区域上或在支撑区域中延伸，并且将多个热电偶元件中的第一热电偶元件的第一热电活性区域与多个热电偶元件中的第二热电偶元件的第二热电活性区域电耦合。
在一些实施例中，第一热电活性区域的基部包括半导体材料的连接区域，连接区域在第二端处电耦合每个热电偶元件的第一热电活性区域和第二热电活性区域。
在一些实施例中，每个热电偶元件的连接区域与第一热电活性区域是一体的。
在一些实施例中，壳体包括接合到支撑区域的半导体材料的第一帽和第二帽。
在一些实施例中，集成热传感器包括具有第一面和第二面的结构层，其中：沟槽延伸穿过结构层并在结构层中分离多个第二热电活性区域和围绕多个第二热电活性区域的框架；第一帽在结构层的第一面上与框架接合，并且第二帽在结构层的第二面上与框架接合；支撑区域在结构层的第二面上延伸；并且第一电连接区域和第二电连接区域被形成在结构层的第一面和第二面上，并且电耦合多个热电偶元件的第一热电活性区域和第二热电活性区域。
根据本实用新型的另一个方面提供了一种器件。该器件包括：基底，具有第一表面和与表面相对的第二表面；多个热电偶，具有耦合到基底的第二表面的第一端，多个热电偶包括具有第一塞贝克系数的第一热电活性区域和具有不同于第一塞贝克系数的第二塞贝克系数的第二热电活性区域；连接区域，耦合到多个热电偶的第二端，第二端与多个热电偶的第一端相对，其中连接区域将多个热电偶电耦合到彼此；在基底的第一表面上方的第一帽；在基底的第二表面上方的第二帽；在连接区域上方的吸收层；以及在吸收层和第二帽之间的空腔。
在一些实施例中，连接区域中的至少一个连接区域是耦合到器件的壳体的内部或外部的电结构的端部连接区域。
在一些实施例中，第一热电活性区域是金属，而第二热电活性区域是硅基半导体材料。
在一些实施例中，器件还包括耦合在多个热电偶的第一端的多个金属接触线，多个金属接触线在第一热电活性区域和第二热电活性区域之间交替串联地将多个热电偶彼此耦合。
本实用新型的技术提供了转换效率高的集成热传感器。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在参考附图纯粹通过非限制性示例描述其一些实施例，其中：
图1是可用作温度传感器的热电偶的示意图；
图2示出了图1的多个热电偶串联形成热电堆；
图3是图2中热电堆的实现的透视图，其部分在重影(ghost)中；
图4是目前热电堆的示意性结构的横截面图；
图5是图4中热电堆的示意透视图；
图6A至图6M是在图4和图5的热电堆的实施例的后续制造步骤中穿过半导体结构的横截面；
图7A至图7D是图6C、图6E、图6G和图6K的中间结构沿各自横截面线6C-6C、6E-6E、6G-6G和6K-6K的俯视图；
图8是图6H步骤中的中间结构的不同实施例的横截面；和
图9是本实用新型热电堆的不同实施例的横截面。
具体实施方式
下面的描述是指所示的布置；因此，诸如“上面”、“下面”、“顶部”、“底部”、“右侧”、“左侧”、“横向”等表达式与图形有关，而不是以绝对或限制的方式来意图的。
此外，关于制造工艺，除非另有说明，否则这是在晶片级进行的，其中图6A至图6M所示的结构通常在每个晶片中复制几次，并在结束或中间步骤中通过切割步骤以对本领域技术人员显而易见的方式分离。
此外，每个热电堆中的热电偶的数量可以是任意的，这取决于技术、效率和鲁棒性方面的考虑，并且所示的矩阵状布置可以根据设计规范以对本领域技术人员显而易见的方式变化。
图4和图5示出了集成的热传感器，下文称为热电堆20。
热电堆20包括壳体21，这里由顶帽22、底帽23和周壁24形成。顶帽22、底帽23和周壁24可以全部由硅构成，例如，通过去除单晶硅晶片中的材料。
周壁24具有闭合形状(在俯视图中，平行于笛卡尔坐标系XYZ的XY平面)，例如，它沿着正方形或矩形的侧面延伸。
顶帽22和底帽23在俯视图中具有与周壁24的周长一致的周长，并且例如通过相应的玻璃料层25A、25B分别在其上方和下方接合，以限定中空的内部空间26。
作为所示的替代方案，顶帽22可以做得更凹并且直接接合到底帽23，而不在其之间设置周壁24。
承载层30在周壁24的侧面之间延伸穿过中空的内部空间26，这里与玻璃料层25B对齐。
承载层30具有平行于XY平面的主延伸，并且可以由例如氧化硅的绝缘材料制成，或者由包括绝缘层的多层形成。
承载层30支撑多个热电偶31，例如彼此并排布置，具有矩阵状布置(也参见图5)，并且这里通过形成在热电偶31的相对端上的顶部连接区域32和底部连接区域33串联连接，如下所述。
每个热电偶31包括第一热电活性区域或第一支腿34和第二热电活性区域或第二支腿35，其材料相对于第一支腿34具有不同的塞贝克系数。
第一支腿34和第二支腿35中的至少一个是半导体材料，例如硅、硅-锗。
如果热电偶31的第一支腿34和第二支腿35都是半导体材料，特别是硅，则它们具有相反的导电类型；例如，第一支腿34可以是P型的，而第二支腿35可以是N型的。
可选地，第一支腿34可以是诸如铝Al、镍Ni、硅铬Si-Cr的金属，而第二支腿35可以是N型半导体材料。
第一支腿34和第二支腿35具有细长形状，并且垂直于XY平面(沿着笛卡尔坐标系XYZ的厚度方向Z)延伸，彼此平行。
具体地，每个热电偶31的第一支腿34和第二支腿35相互间隔，以便仅在端部电连接。
特别地，热电偶31的第一支腿34的底端通过底部连接区域33耦合到与其相邻(或在串联路径中的任何情况下随后)的热电偶31的第二支腿35的底端；同一热电偶31的第一支腿34和第二支腿35的顶端通过顶部连接区域32相互耦合。
端部连接区域38例如通过未示出的焊盘将多个热电偶31电耦合到壳体21内部或外部的其他电结构。
热电堆20可包括布置成形成N×M个元件矩阵的多个热电偶31，如图5所示。
在图5中，示出了四个热电偶31a-31d，它们以2×2的结构布置，纯粹是为了说明性的原因。
因此，在该构造中，第一热电偶31A的第一支腿34耦合到第二热电偶31B的第二支腿35；第二热电偶31B的第一支腿34耦合到第三热电偶31C的第二支腿35；第三热电偶31C的第一支腿34耦合到第四热电偶31D的第二支腿35；第一热电偶31A的第二支腿35和第四热电偶31D的第一支腿34通过端部连接区域38中的相应的一个连接到外部。
这里，底部连接区域33和端部连接区域38形成在承载层30的上方；可选地，它们可以嵌入到后者中。
吸收层39可以在顶部连接区域32之上延伸；吸收层39，例如ARC(抗反射涂层)滤光片，可以形成为在所有热电偶31之上延伸的单层，或者(如图4所示)由多个分离部分形成。吸收层39可以缺失。
热电堆20的底帽23可以接合到支撑件(未示出)上，支撑件承载电连接，并且可以接合到处理元件，例如ASIC(“专用集成电路”)，用于处理热电堆20提供的信号。
因此，顶部连接区域32通过透明的顶帽22接收光，特别是红外辐射，并且是热结(以下以相同的参考号32标识)，而底部连接区域33被支撑件屏蔽，因此是冷结(以下以相同的参考号33标识)，作为热结的参考。
实际上，热电偶31是在中空的内部空间26内延伸并具有面向顶帽22的热结32的各种“支柱”。
以这种方式，热电偶31在横向、上方和下方都被空气(可能以低于大气压的压力)包围(除了承载层30，承载层30可以具有所需的稳健性的最小厚度)。
此外，壳体21使相同的热电偶31与其他外部热影响隔绝。
因此，由壳体21提供的密封封闭允许通过传导的热分散被避免，并因此获得高灵敏度。
可能的吸收层39如果制成单层或由与多个热电偶31接触的部分形成，则允许热结32被热连接。
热电堆20可以如以下参考图6A至图6L和图7A至图7D详细描述的那样制造。
参照图6A，初始晶片40包括具有第一表面41A和第二表面41B的主体41。绝缘层42(例如氧化物)在第一表面41A上延伸并容纳第一接触区域43和电连接线44，例如多晶硅。
例如，通过沉积第一氧化硅层来形成绝缘层42；沉积和图案化多晶硅层以形成第一接触区域43和电连接线44，并沉积第二氧化硅层。第一接触区域43和电连接线44可以如图6A所示布置。
出于下文解释的原因，绝缘层42也可以被蚀刻以形成通孔(仅一个以虚线示出并由47指示)。
绝缘层42用于形成图4所示的承载层30，并可具有包括在0.2μm至10μm之间的总厚度。
然后，如图6B，通过选择性地移除第一接触区域43上方的绝缘层42并形成延伸到其上的开口，打开第一接触。
然后外延生长结构层45，例如第一导电类型的硅，例如N+，可能在已经沉积了硅的籽晶层之后。结构层45的厚度可包括在40μm至200μm之间。
然后，结构层45延伸到先前形成的开口中，形成与第一接触区域43直接接触的接触部分46。此外，结构层还生长到孔47中。
在图6C中，通过在绝缘层42上自动停止的蚀刻，在结构层45中形成第一限定沟槽49。因此，第一限定沟槽49贯穿结构层45的厚度，一直延伸到绝缘层42。这里，每个第一限定沟槽49相对于相应的接触部分46和相应的第一接触区域43横向偏移地延伸。
第一限定沟槽49可以具有多边形截面(例如，如图7A所示，具有第一接触区域43和电连接线44，即使它们实际上从上面看不到)。可选地，第一限定沟槽49可以具有圆形或椭圆形或任何截面。
然后，如图6D，沉积绝缘层50，例如氧化物。绝缘层50设置在第一限定沟槽49的底部和壁上(其中它形成绝缘壳51)，并通过表面层52向上封闭它们，表面层52也在结构层45的表面上延伸。表面层52是诸如二氧化硅的绝缘体。
然后，例如通过CMP(化学机械抛光)使表面层52变薄。
在图6E中，使用通常的光刻步骤，在第一限定沟槽49的入口处和将要形成第二接触区域的地方选择性地移除表面层52。
然后，第一限定沟槽49向上重新打开(同时保持由各个绝缘壳51形成的内部涂层)，并且在结构层45的表面上形成暴露下面的结构层的开口55。具体地，开口55横向布置到第一限定沟槽49，如图7B所示。
然后，如图6F，沉积热电活性材料层56，例如第二导电类型(在所考虑的示例中为P型)的硅。热电活性材料层56填充第一限定沟槽49，在那里它形成第一热电区域59，形成例如图4的第一支腿34。
热电活性材料层56还覆盖初始晶片40的表面，还填充开口55，并在此形成第二接触区域57。
热电活性材料层56可以不完全填充第一限定沟槽49，如图6F所示；在这种情况下，第一热电区域59可以具有空区58(在随后的图中未表示)。
在图6G中，通过对热电活性材料层56、表面层52和结构层45的掩模蚀刻形成第二限定沟槽60；蚀刻在绝缘层42上自动停止。
第二限定沟槽60例如具有如图7C所示的形状，并限定多个柱65，这里具有四边形基部(或任何有用的形状)。
因此，在所示的实施例中，在每个柱65中，结构层45的剩余部分形成环形的第二热电区域61，该第二热电区域61围绕相应的绝缘壳51(进而围绕相应的第一热电区域59)。
此外，在每个柱65中，由第二限定沟槽60包围的热电活性材料层56的剩余部分形成连接基部62。连接基部62与相应的第一热电区域59是一体(monolithic)的，并且通过第二接触区域57与相应的第二热电区域61直接电接触。
结构层45、表面层52和热电活性材料层56的剩余部分在第二限定沟槽60的外部形成框架63，类似于图4的周壁24。
因此，在实践中，在所示的实施例中，在每个柱65中，绝缘壳51将第一热电区域59和第二热电区域61的相对侧表面彼此电绝缘，并且它们在一端(图6G中的顶端)通过相应的连接基部62和相应的第二接触区域57串联耦合(也参见图7C)。
因此，每个柱65形成图4所示的热电偶31，并且每个第二热电区域61形成例如图4所示的第二支腿35。
此外，如果孔47已经形成在第二限定沟槽60处，则形成第二限定沟槽60的蚀刻导致去除沉积在孔47中的外延硅。
在图6H中，吸收层68形成在连接基部62的上方。吸收层68被配置成优先吸收期望波段中的电磁辐射，这里是红外波段，并起到增加辐射面积和最大化电磁辐射吸收的作用。
例如，吸收层68可以是沉积并限定为覆盖柱65的区域的干抗蚀剂层，轻微叠加到框架63上。
作为所示的替代方案，吸收层68可以仅在连接基部62上用版膜(Stencil)铺展。
图8示出了图6H处理步骤的变体。这里，用68'表示的吸收层由聚合物层或其他柔性层形成，例如通过版膜施加。给定吸收层68'的柔性，它可以在第二限定沟槽60处弯曲并部分穿透其中。
在图6I中，第一帽70附接到初始晶片40。第一帽70具有外面70A和内面70B；内面70B面向初始晶片40，并具有凹槽71。
凹槽71在这里具有大于第二限定沟槽60的面积的面积(在XY平面中)。
第一帽70可附接在晶片层上，因此可由被处理以形成空腔71的半导体材料(如硅)的晶片形成。
在空腔71内，可以形成吸气区域73。
因此，第一帽70具有突出边缘72，该突出边缘72使用任何键合工艺，例如硅上的硅，或通过粘合剂层，例如氧化物或玻璃料，或还通过Al-Ge或Au-Sn的金属层(未示出)，在热电活性材料层56上附接到框架63上。
由此，初始晶片40和第一帽70一起形成中间晶片74。
随后，如图6J，翻转中间晶片74，并去除主体41，例如通过研磨或部分研磨，接着是硅蚀刻，硅蚀刻停止在绝缘层42上。
在该步骤中，绝缘层42中的孔47在底部完全打开，使凹部71与外部连通。
在图6K和图7D中，形成金属接触线76。
为此，在第一接触区域43、第一热电区域59和电连接线44的端部蚀刻绝缘层42，形成开口75；例如铝的金属层被沉积和限定，形成金属接触线76(还参见图7D，其中虚线指示第二限定沟槽60的周边)。
金属接触线76的端部延伸到开口75中，并与第一接触区域43(在图7D中不可见)、第一热电区域59和电连接线44的端部直接电接触。
金属层还在框架63上形成焊盘77。
以这种方式，特别是如图7D所示，金属接触线76将热电偶31(例如，图7D中用31A标识的热电偶)的第二热电区域61与随后的热电偶(例如，图7D中用31B标识的热电偶)的第一热电区域59耦合，提供热电偶31的串联连接。此外，金属接触线76将该系列的第一个和最后一个热电偶31(图7D中的热电偶31C和31D)耦合到焊盘77。
在图6L中，钝化层79沉积在绝缘层42和金属接触线76之上，并在焊盘77处打开。钝化层79与绝缘层42形成类似于图4的承载层30的承载层80。
然后可以将第二帽81接合到中间晶片74。第二帽81还可以由适当处理以形成覆盖焊盘77的空腔的晶片形成，并随后重叠以暴露焊盘77；在接合之后，由此获得最终晶片85。
在这两种情况下，第二帽81具有面向中间晶片74的凹槽82，并且其面积(在XY平面中)大于第二限定沟槽60，但这里小于空腔71的面积。
凹部82由在框架63处接合到钝化层79的突出边缘83限定。
第二帽81和中间晶片74的接合可在低压环境中发生，以减少凹槽82中存在的空气量。
以这种方式，通过第二限定沟槽60和绝缘层42中的孔47流体连接到空腔71的凹槽82在接合第二帽81之后密封地向外部关闭。
在键合之后，吸气区域73可以被激活。
在图6M中，在第一帽70的外表面70A上形成抗反射(ARC-抗反射涂层)层86。如果希望根据所选择的应用选择波长，则形成抗反射层86的叠层可以形成光学滤波器。
例如，在温度计应用中，这可能是有用的，特别是在某一物体在某一频带内发射的情况下，用于区分由于该物体的温度相对于外部环境的贡献。例如，人体发出的热辐射波长约为10μm(通常为8-12μm)。在这种情况下，任何光学滤波器连同抗反射层86可以仅使波长接近所需光谱范围的波通过。
适用于该目的光学滤波器例如是由彼此具有不同折射率的多个介质层(通常是两个)的堆叠形成的干涉滤波器。随着层数的增加，可以提供在感兴趣波长周围具有非常平坦的通带并且同时具有良好限定的窗口的滤波器。
随后，最后的晶片85可以被单一化(singulated)，以形成热电堆90。
在这两种情况下，耦合每个热电偶31的第一热电区域59和第二热电区域61的连接基部62形成热结(类似于图4的热结32)，耦合两个不同热电偶31的第一热电区域59和第二热电区域61的金属接触线76形成冷结(类似于图4的冷结33)。
图9示出热电堆90的一种变型，它不使用多晶硅的接触区域43和电连接线44。
在这种情况下，绝缘层42可以由单层形成；没有沉积和成形多晶硅层以形成第一接触区域43和电连接线44以及打开第一接触的步骤，并且没有形成参考图6A和图6B描述的接触部分46。此外，在图6K的步骤中，所有开口75都达到结构层45，并且金属接触线76也在第二热电区域61处直接与结构层45接触。
本文描述的热电堆和制造方法具有许多优点。
事实上，由于在半导体工业中使用标准材料和工艺步骤的可能性，热电堆具有小尺寸和低制造成本。
因此，即使在成本和/或尺寸很重要的情况下，也可以在几个应用中使用。
此外，由于热电偶31的柱状，其在横向和端部(上/下)都被空气包围，本实用新型的热电堆具有高灵敏度、低噪声和高效率。
在用作红外传感器的情况下，本实用新型的热电堆允许低串扰和最佳像素噪声等效热差(NETD)。
最后，很清楚的是，可以对本文描述和示出的集成热传感器和制造工艺进行修改和变化，而不因此偏离如权利要求中定义的本公开的范围。
例如，如所示，第一支腿34可以是诸如铝的金属，而第二支腿35可以是诸如硅锗的N型硅基半导体材料。
焊盘77可以例如使用硅通孔在框架63的相对面上制成。
第一帽70可以直接接合到表面层52或结构层45。
可以在凹槽82内或在第二帽81的外表面上提供发黑层。
尽管图6A至图6M所示的布置(其中第二热电区域61环形地围绕第一热电区域59)对于热转换是最佳的，但是每个热电偶31的第一热电区域59和第二热电区域61可以简单地彼此相邻布置，并且由类似于绝缘层50的绝缘壁隔开；特别地，第二限定沟槽60可以从第一热电区域59的一侧完全移除结构层45的硅，使得第二热电区域61不完全包围第一热电区域59。
根据另一实施例，没有材料可以在每个热电偶31的第一热电区域59和第二热电区域61之间延伸，并且这些区域可以简单地被存在于由帽70、81和框架63形成的壳体中的空气绝缘。
一种集成热传感器，可概括为包括：限定内部空间(26)的壳体(21)；支撑区域(30；80)，延伸穿过内部空间；以及多个热电偶元件(31)，由支撑区域(30；80)并且彼此电耦合，每个热电偶元件(31)包括第一热电活性材料和第二热电活性材料的第一热电活性区域和第二热电活性区域(34，35；59，61)，第一热电活性材料具有第一塞贝克系数，第二热电活性材料具有除第一塞贝克系数之外的第二塞贝克系数，其中第一热电活性区域和第二热电活性区域(34，35；59，61)是硅基材料，第一热电活性区域和第二热电活性区域(34，35；59，61)的每个热电偶元件(31)由相应的细长区域形成，细长区域从支撑区域(30；80)并横向于支撑区域以相互距离延伸到壳体(21)的内部空间(26)。
每个热电偶元件(31)的第二热电活性区域(35；61)可以是第一导电类型的硅，例如外延硅，并且每个热电偶元件(31)的第一热电活性区域(34；59)可以是从第二导电类型的多晶硅、第二导电类型的多晶硅-锗和金属中选择的材料。
每个热电偶元件(31)可以是具有第一端和第二端的柱(65)的形状，并且包括在相应的热电偶元件(31)的第一热电活性区域和第二热电活性区域(59，61)之间延伸的电绝缘壁(51)，其中每个热电偶元件(31)可以在第一端接合到支撑区域(30；80)。
每个热电偶元件(31)的电绝缘壁(51)可以具有环形围绕相应的第一热电活性区域(59)的大致圆柱形状，并且第二热电活性区域(61)可以具有环形围绕相应的电绝缘壁(51)的大致圆柱形状。
支撑区域(30；80)可以包括绝缘材料层；第一连接线(33，38；43、44)在支撑区域(30；80)上或在支撑区域(30；80)中延伸，并将多个热电偶元件中的第一热电偶元件(31)的第一热电活性区域(34；59)与多个热电偶元件中的第二热电偶元件的第二热电活性区域(35；61)电耦合。
每个热电偶元件(31)可以包括半导体材料的连接区域(32；62)，该连接区域在第二端处电耦合每个热电偶元件(31)的第一热电活性区域和第二热电活性区域(34，35；59，61)。
热电偶元件(31)的连接区域(32；62)可以与第一热电活性区域是一体的。
壳体(21)可以包括接合到支撑区域(30；80)的半导体材料的第一帽和第二帽(70，81)。
集成热传感器可包括具有第一面和第二面的结构层(45)，其中沟槽(60)可延伸穿过结构层(45)，并在结构层中分离多个第二热电活性区域(61)和围绕多个第二热电活性区域的框架(63)；第一帽(70)可以在结构层的第一面上接合到框架(63)，第二帽(81)可以在结构层(45)的第二面上接合到框架(63)；支撑区域(80)可以在结构层的第二面上延伸；第一电连接区域和第二电连接区域(59；61)可以形成在结构层(45)的第一面和第二面上，并且电耦合热电偶元件的第一热电活性区域和第二热电活性区域。
一种用于制造集成热传感器的方法，可以概括为包括：形成支撑区域(30；80)；在支撑区域上形成多个热电偶元件(31)，热电偶元件彼此电耦合并均包括第一热电活性材料和第二热电活性材料的第一热电活性区域和第二热电活性区域(34，35；59，61)，第一热电活性材料具有第一塞贝克系数，第二热电活性材料具有除第一塞贝克系数之外的第二塞贝克系数，其中第一热电活性区域和第二热电活性区域中的至少一个是硅基材料，并且第一热电活性区域和第二热电活性区域由相应的细长区域形成，细长区域从支撑区域并横向于支撑区域以相互距离承载；以及形成壳体(21)，壳体限定由支撑区域(30；80)横穿并且容纳多个热电偶元件(31)的内部空间。
该方法可以包括形成承载层(42)；在承载层上形成结构层(45)，结构层由第二热电活性材料制成并具有第一表面和第二表面；形成横穿结构层(45)的多个第一沟槽(49)；在第一沟槽(49)中形成多个电绝缘区域(51)；将第一热电活性材料引入第一沟槽(49)并形成第一热电区域(61)；限定结构层(45)，以形成多个第二热电区域(61)和围绕第二热电区域(61)的框架区域；形成电耦合每个热电偶元件的第一热电区域和第二热电区域的第一电连接区域(62)；形成电耦合热电偶元件的第一热电区域和不同热电偶元件的第二热电区域的第二电连接区域(75)；以及将第一帽(70)接合到框架(63)的第一面；以及将第二帽(81)接合到框架区域的第二面上。
形成承载层(80)可以包括形成绝缘材料层(42)，并且形成结构层(45)可以包括外延生长结构层。
引入第一热电活性材料可以包括在第一沟槽(49)内和在结构层的第一表面上沉积第一热电活性材料层以形成表面导电层(56)，并且形成第一电连接区域(62)可以包括限定表面导电层(56)。
形成第二电连接区域(75)可以包括在结构层(45)的第二表面上沉积和图案化金属层。
每个热电偶元件的第二热电活性区域可以是第一导电类型的硅，例如外延硅，并且每个热电偶元件的第一热电活性区域可以是从第二导电类型的多晶硅、第二导电类型的多晶硅-锗和金属中选择的材料。
形成承载层(42)可以包括在半导体主体(41)上形成承载层(42)，并且可以在形成第二电连接区域(75)之前移除半导体材料主体。
以上描述的各种实施例可以组合以提供进一步的实施例。如果需要，可以修改实施例的方面，以采用各种专利、申请和出版物的概念来提供进一步的实施例。
可以根据上述详细描述对实施例进行这些和其他改变。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制到说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求有权享有的等效物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。
Claims (14)
1.一种集成热传感器，其特征在于，包括：
壳体，限定内部空间；
支撑区域，延伸穿过所述内部空间；
吸收层，位于所述内部空间的与所述支撑区域相对的一侧；以及
多个热电偶元件，位于所述支撑区域和所述吸收层之间，所述多个热电偶元件被相互电耦合，每个热电偶元件包括：
分别为第一热电活性材料和第二热电活性材料的第一热电活性区域和第二热电活性区域，所述第一热电活性材料具有第一塞贝克系数，所述第二热电活性材料具有与所述第一塞贝克系数不同的第二塞贝克系数，所述第一热电活性区域和第二热电活性区域中的至少一个是硅基材料，所述第一热电活性区域具有与所述吸收层接触的基部，所述第二热电活性区域通过所述第一热电活性区域的所述基部与所述吸收层隔开，
每个热电偶元件的所述第一热电活性区域和所述第二热电活性区域包括相应的细长区域，所述相应的细长区域从所述支撑区域并横向于所述支撑区域以相互距离延伸到所述壳体的所述内部空间。
2.根据权利要求1所述的集成热传感器，其特征在于，每个热电偶元件的所述第二热电活性区域由第一导电类型的硅构成，并且每个热电偶元件的所述第一热电活性区域由选自以下材料中的一种构成：第二导电类型的多晶硅、所述第二导电类型的多晶硅-锗和金属。
3.根据权利要求1所述的集成热传感器，其特征在于，每个热电偶元件是具有第一端和第二端的柱的形状，并且包括在相应的热电偶元件的所述第一热电活性区域和所述第二热电活性区域之间延伸的电绝缘壁，其中每个热电偶元件在所述第一端处被接合到所述支撑区域。
4.根据权利要求3所述的集成热传感器，其特征在于，每个热电偶元件的所述电绝缘壁具有环形围绕相应的第一热电活性区域的大致圆柱形状，并且所述第二热电活性区域具有环形围绕相应的电绝缘壁的大致圆柱形状。
5.根据权利要求3所述的集成热传感器，其特征在于，所述支撑区域包括绝缘材料层；第一连接线在所述支撑区域上或在所述支撑区域中延伸，并且将所述多个热电偶元件中的第一热电偶元件的所述第一热电活性区域与所述多个热电偶元件中的第二热电偶元件的第二热电活性区域电耦合。
6.根据权利要求3所述的集成热传感器，其特征在于，所述第一热电活性区域的所述基部包括半导体材料的连接区域，所述连接区域在所述第二端处电耦合每个热电偶元件的所述第一热电活性区域和所述第二热电活性区域。
7.根据权利要求6所述的集成热传感器，其特征在于，每个热电偶元件的所述连接区域与所述第一热电活性区域是一体的。
8.根据权利要求1所述的集成热传感器，其特征在于所述壳体包括接合到所述支撑区域的半导体材料的第一帽和第二帽。
9.根据权利要求8所述的集成热传感器，其特征在于，包括具有第一面和第二面的结构层，其中：
沟槽延伸穿过所述结构层并在所述结构层中分离所述多个第二热电活性区域和围绕所述多个第二热电活性区域的框架；
所述第一帽在所述结构层的所述第一面上与所述框架接合，并且所述第二帽在所述结构层的所述第二面上与所述框架接合；
所述支撑区域在所述结构层的所述第二面上延伸；并且
第一电连接区域和第二电连接区域被形成在所述结构层的所述第一面和所述第二面上，并且电耦合所述多个热电偶元件的所述第一热电活性区域和所述第二热电活性区域。
10.根据权利要求2所述的集成热传感器，其特征在于，每个热电偶元件的所述第二热电活性区域由外延硅构成。
11.一种器件，其特征在于，包括：
基底，具有第一表面和与所述表面相对的第二表面；
多个热电偶，具有耦合到所述基底的所述第二表面的第一端，所述多个热电偶包括具有第一塞贝克系数的第一热电活性区域和具有不同于所述第一塞贝克系数的第二塞贝克系数的第二热电活性区域；
连接区域，耦合到所述多个热电偶的第二端，所述第二端与所述多个热电偶的所述第一端相对，其中所述连接区域将所述多个热电偶电耦合到彼此；
在所述基底的所述第一表面上方的第一帽；
在所述基底的所述第二表面上方的第二帽；
在所述连接区域上方的吸收层；以及
在所述吸收层和所述第二帽之间的空腔。
12.根据权利要求11所述的器件，其特征在于，所述连接区域中的至少一个连接区域是耦合到所述器件的壳体的内部或外部的电结构的端部连接区域。
13.根据权利要求11所述的器件，其特征在于，所述第一热电活性区域是金属，而所述第二热电活性区域是硅基半导体材料。
14.根据权利要求11所述的器件，其特征在于，还包括耦合在所述多个热电偶的第一端的多个金属接触线，所述多个金属接触线在所述第一热电活性区域和所述第二热电活性区域之间交替串联地将所述多个热电偶彼此耦合。
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