一种红外热电堆传感器、芯片及其制备方法与流程

本发明实施例涉及红外热电堆传感器技术，尤其涉及一种红外热电堆传感器、芯片及其制备方法。

背景技术：

红外热电堆传感器是一种利用塞贝克效应，将红外辐射能量转换为电信号输出的传感器。利用mems和cmos工艺相结合，可以将红外热电堆传感器制造成一定规模的红外阵列传感器芯片，将一定区域内的所有被测物体探测以二维平面的方式，展现出各自的温度分布状态，广泛应用于各类智能家居产品中。

通常mems红外热电堆传感器芯片结构由p型热电偶组成和n型热电偶组成，p型热电偶和n型热电偶接触的一端置于红外热电堆传感器芯片的中心悬空薄膜上，用于感应吸收到的红外辐射，作为传感器的热端。另外一端置于红外热电堆传感器芯片的外围，作为传感器的冷端。红外热电堆传感器通过冷热两端的温度差相对值，利用塞贝克效应实现传感器的信号输出。由于感应的是温度的相对值，所以通常需要外置一个外部参考温度源来确定冷端的温度。此外，如果传感器受到外部的温度热冲击，比如室外强风、室内空调热对流，使冷端的温度容易受到干扰，导致传感器温度不稳，从而影响红外热电堆传感器的真实探测准确度。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种红外热电堆传感器、芯片及其制备方法，以实现红外热电堆传感器在受到外部环境温度冲击时，红外热电堆传感器的探测依旧保持稳定，探测结果准确。

第一方面，本发明实施例提供了一种红外热电堆传感器，包括:

第一区域以及围绕所述第一区域的第二区域，所述第一区域设置有悬空膜；

位于所述悬空膜一侧且位于所述第一区域的多个加热电阻，位于所述悬空膜一侧且部分位于所述第一区域的多个热电堆结构；

所述加热电阻上传输有加热电压信号，所述加热电阻用于在所述加热电压信号作用下发热；

所述热电堆结构包括热端和冷端，所述热端位于所述第一区域，所述冷端位于所述第二区域，所述加热电阻的发热温度大于所述冷端温度。

可选的，任意两个所述加热电阻并联设置。

可选的，多个所述加热电阻均匀设置于所述第一区域。

可选的，所述加热电阻的发热温度为t1，所述冷端温度为t2，其中，t1-t2≥20℃。

可选的，所述加热电阻包括正极接触孔和负极接触孔；

所述红外热电堆传感器还包括正极连接线和负极连接线，所述正极连接线分别与所述正极接触孔和正极端口连接，所述负极连接线分别与所述负极接触孔和负极端口连接。

可选的，所述热电堆结构包括叠层设置的p型热电堆和n型热电堆，所述p型热电堆设置于所述n型热电堆远离所述悬空膜的一侧；

所述加热电阻和所述n型热电堆同层设置。

可选的，所述热电堆结构包括叠层设置的p型热电堆和n型热电堆，所述p型热电堆设置于所述n型热电堆远离所述悬空膜的一侧；

所述热电堆传感器还包括热端连接线和冷端连接线；

所述p型热电堆包括第一热端接触孔和第一冷端接触孔，所述n型热电堆包括第二热端接触孔和第二冷端接触孔；

所述第一热端接触孔和所述第二热端接触孔均位于所述第一区域且相互连接；

多个热电堆结构包括n个热电堆结构，第i个热电堆结构中的第二冷端接触孔与第i+1个热电堆结构中的第一冷端接触孔相互连接，其中，n为正整数且n≥2，1≤i≤n-1，且i为整数；第i个热电堆结构与第i+1个热电堆结构相邻设置；

所述热端连接线分别与第一个热电堆结构中的第一冷端接触孔和热端端口连接，所述冷端连接线分别与第n个热电堆结构中的第二冷端接触孔和冷端端口连接。

第二方面，本发明实施例还提供了一种红外热电堆传感器芯片，包括多个任一项所述的红外热电堆传感器；

多个所述红外热电堆传感器阵列排布。

第三方面，本发明实施例还提供了一种红外热电堆传感器的制备方法，用于制备任一项所述的红外热电堆传感器，所述制备方法包括：

提供衬底，所述衬底包括第一区域和第二区域；

在所述衬底一侧制备第一氧化层；

在所述第一氧化层远离所述衬底的一侧且在所述第一区域制备多个加热电阻，所述第一氧化层远离所述衬底的一侧且在部分所述第一区域制备多个热电堆结构；所述加热电阻上传输有加热电压信号，所述加热电阻用于在所述加热电压信号作用下发热；所述热电堆结构包括热端和冷端，所述热端位于所述第一区域，所述冷端位于所述第二区域，所述加热电阻的发热温度大于所述冷端温度；

对所述衬底远离所述第一氧化层的一侧进行刻蚀，形成空腔，所述空腔与所述第一区域对应；位于所述空腔表面的所述第一氧化层为悬空膜。

可选的，所述加热电阻包括正极接触孔和负极接触孔；

所述热电堆结构包括叠层设置的p型热电堆和n型热电堆，所述p型热电堆设置于所述n型热电堆远离所述悬空膜的一侧；所述p型热电堆包括第一热端接触孔和第一冷端接触孔，所述n型热电堆包括第二热端接触孔和第二冷端接触孔；

在所述第一氧化层一侧且在所述第一区域制备多个加热电阻，所述第一氧化层一侧且在部分所述第一区域制备多个热电堆结构，包括：

在所述第一氧化层远离所述衬底的一侧制备第一多晶硅层；

对所述第一多晶硅层进行n型掺杂并刻蚀所述第一多晶硅层形成所述n型热电堆和所述加热电阻；

在所述第一多晶硅层远离所述衬底的一侧制备第二氧化层；

在所述第二氧化层远离所述衬底的一侧制备第二多晶硅层，对所述第二多晶硅层进行p型掺杂并刻蚀所述第二多晶硅层形成所述p型热电堆；

所述加热电阻包括正极接触孔和负极接触孔；

所述p型热电堆包括第一热端接触孔和第一冷端接触孔，所述n型热电堆包括第二热端接触孔和第二冷端接触孔；

所述红外热电堆传感器还包括正极连接线、负极连接线、热端连接线和冷端连接线；

所述制备方法还包括：

在所述第二多晶硅层远离所述衬底的一侧制备第三氧化层；

对所述第二氧化层和所述第三氧化层图形化，分别形成所述正极接触孔、所述负极接触孔、所述第一热端接触孔、所述第一冷端接触孔、所述第二热端接触孔和所述第二冷端接触孔；

在所述第三氧化层远离所述衬底的一侧制备金属层，对金属层进行图形化，分别形成所述正极连接线、所述负极连接线、所述热端连接线和所述冷端连接线。

本发明提供一种红外热电堆传感器、芯片及其制备方法，红外热电堆传感器包括第一区域以及围绕第一区域的第二区域，第一区域设置有悬空膜；位于悬空膜一侧且位于第一区域的多个加热电阻，加热电阻上传输有加热电压信号，加热电阻用于在加热电压信号作用下发热；位于悬空膜一侧且部分位于第一区域的多个热电堆结构；热电堆结构包括热端和冷端，热端位于第一区域，冷端位于第二区域，加热电阻的发热温度大于冷端温度，冷端温度根据外部环境温度确定。通过设置多个加热电阻，加热电阻的发热温度远大于冷端温度，热端温度即加热电阻的发热温度稳定可控，以实现红外热电堆传感器在受到外部环境温度冲击时，红外热电堆传感器的探测依旧保持稳定，探测结果准确。

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做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本发明的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本发明的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本发明的权利要求范围之内。

图1为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器沿aa的剖视图；

图3为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器芯片的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器制备方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种红外热电堆传感器制备方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种红外热电堆传感器的制备流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器的结构示意图，如图1所示，红外热电堆传感器包括：第一区域101以及围绕第一区域101的第二区域102，第一区域101设置有悬空膜103；位于悬空膜103一侧且位于第一区域101的多个加热电阻104，位于悬空膜103一侧且部分位于第一区域101的多个热电堆结构105。

加热电阻104上传输有加热电压信号，加热电阻104用于在加热电压信号作用下发热。

热电堆结构105包括热端和冷端，热端位于第一区域101，冷端位于第二区域102，加热电阻104的发热温度大于冷端温度。

其中，红外热电堆传感器是一种温度测量元件，用于测量小的温差或平均温度，在耳式体温计、放射温度计、电烤炉、食品温度检测等领域中，获得了广泛的应用。红外热电堆传感器包括位于第一区域101的悬空膜103，悬空膜103用于吸收被测物体发出的红外辐射。位于悬空膜103一侧且位于第一区域101的多个加热电阻104，如图1所示，示例的以设置四个加热电阻104进行说明，加热电阻104设置在悬空膜103上，加热电阻104的材质可以为多晶硅、铝、钛、铜或铂等材料，用于在加热电压信号作用下发热，加热电压信号可由外部电路控制，控制加热电压信号的大小以保证在加热电压信号作用下加热电阻的温度稳定可控。红外热电堆传感器还包括位于悬空膜103一侧且部分位于第一区域101的多个热电堆结构105，热电堆结构105由两个或多个热电偶串联组成，各个热电偶输出的热电势是相互叠加的，热电偶主要包括半导体热电偶和金属热电偶。热电堆结构包括热端和冷端，热端位于第一区域101，冷端位于第二区域102，在红外热电堆传感器工作过程中若受到外部的温度热冲击，比如室外强风、室内空调热对流，热接触温度剧烈变化时，会由于环境温度的波动导致红外热电堆传感器的探测温度不准确由于多个加热电阻的存在，使得加热电阻104的发热温度即热电堆结构104的热端温度大于冷端温度，使得冷端温度的变化可以忽略不计，以此来达到红外热电堆传感器的探测准确度。

本发明实施例通过提供一种红外热电堆传感器，将多个加热电阻设置在悬空膜的第一区域内，加热电阻可由外部电路控制，加热电阻在外部电路的加热电压信号控制下发热，使得红外热电堆传感器的发热温度大于冷端温度，实现红外热电堆传感器在环境温度波动的情况下，依旧能保证探测的准确度。

可选的，任意两个加热电阻104并联设置。

其中，如图1所示，以四个加热电阻104并联设置为例，假设单个加热电阻104的阻值是r，工作时我，外部电路向整体加热电阻施加的电压是v，那么单个加热电阻104的发热功率为p＝v²/r，四个加热电阻104整体并联时的加热电阻发热功率p并＝4v²/r。如果采用串联的方式，在同样的多晶硅电阻和电压情况下，那么四个加热电阻104整体串联时的多晶硅加热电阻发热功率p串＝v²/4r，并联和串联情况相比，加热电阻104的发热功率效率提升了16倍，明显降低红外热电堆传感器在环境温度波动情况下的抗干扰能力。

可选的，多个加热电阻104均匀设置于第一区域101。

其中，继续参考图1，四个加热电阻104均匀设置于第一区域101，任意两个加热电阻104并联连接，使得在红外热电堆传感器在工作时，由于四个加热电阻104均匀分布在第一区域101，整个悬空膜103上的发热温度分布基本一致，有利于提高红外热电堆传感器的探测准确度。

可选的，加热电阻104的发热温度为t1，冷端温度为t2，其中，t1-t2≥20℃。

其中，根据黑体辐射公式以及塞贝克效应，红外热电堆传感器输出信号vout＝α*(t⁴-t0⁴)，其中α是红外热电堆的塞贝克系数，t为被测物体温度，t0为环境温度。通常红外热电堆传感器没有加热电阻，t0即冷端温度，则容易受到环境因素的干扰，导致红外热电堆传感器探测温度不准。通过红外热电堆传感器增加多个加热电阻104后，加热电阻104的发热温度与冷端温度的差值t0’＝t1-t2，其中t1为加热电阻的发热温度，t2为冷端温度，控制t1-t2≥20℃，使得加热电阻104的发热温度t1远大于冷端温度t2，故t0’≈t1为恒定值，使得整体红外热电堆传感器基本不受环境温度干扰，从而增强了红外热电堆传感器的稳定性以及探测精度。

可选的，加热电阻104包括正极接触孔1041和负极接触孔1042；红外热电堆传感器还包括正极连接线106和负极连接线107，正极连接线106分别与正极接触孔1041和正极端口108连接，负极连接线107分别与负极接触孔1042和负极端口109连接。

其中，图2为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器沿aa的剖视图，如图2所示，正极连接线106分别与正极接触孔1041和正极端口108连接，负极连接线107分别与负极接触孔1042和负极端口109连接，正极端口108和负极端口109均属于外部电路，以实现外部电路的加热电压信号通过正极端口108输入经正极连接线106流入加热电阻104的正极接触孔1041，加热电压信号经由加热电阻104的负极接触孔1042流出经负极连接线107输出至外部电路的负极端口109，起到对加热电阻104施加加热电压信号，实现加热电阻104发热的目的。

可选的，热电堆结构105包括叠层设置的p型热电堆1051和n型热电堆1052，p型热电堆1051设置于n型热电堆1052远离悬空膜103的一侧；

加热电阻104和n型热电堆1052同层设置。

其中，继续参考图1和图2，p型热电堆1051和n型热电堆1052叠层设置，p型热电堆1051设置于n型热电堆1052远离悬空膜103的一侧，叠层设计有利于增加红外吸收的面积，进一步有利于提高红外热电堆的探测效率。加热电阻104与n型热电堆1052采用同层设置，减少工艺流程，降低减低成本。

可选的，热电堆结构105包括叠层设置的p型热电堆1051和n型热电堆1052，p型热电堆1051设置于n型热电堆1052远离悬空膜103的一侧；

热电堆传感器还包括热端连接线110和冷端连接线111；

p型热电堆1051包括第一热端接触孔1053和第一冷端接触孔1054，n型热电堆1052包括第二热端接触孔1055和第二冷端接触孔1056；

第一热端接触孔1053和第二热端接触孔1055均位于第一区域101且相互连接；

多个热电堆结构包括n个热电堆结构105，第i个热电堆结构105中的第二冷端接触孔1056与第i+1个热电堆结构105中的第一冷端接触孔1054相互连接，其中，n为正整数且n≥2，1≤i≤n-1，且i为整数；第i个热电堆结构105与第i+1个热电堆结构105相邻设置；

热端连接线110分别与第一个热电堆结构105中的第一冷端接触孔1054和热端端口112连接，冷端连接线111分别与第n个热电堆结构105中的第二冷端接触孔1056和冷端端口113连接。

其中，继续参考图1和图2，p型热电堆1051的第一热端接触孔1053和n型热电堆1052的第二热端接触1055孔均位于第一区域101且相互连接，热电堆传感器中设置多个热电堆结构105，第i个热电堆结构105与第i+1个热电堆结构105相邻设置，相邻设置可以包括在在水平方向上相邻、竖直方向上相邻或者在拐角位置处相邻等等，保证热电堆结构之间实现有效连接，同时在保证使用效果的基础上相邻设置有利于红外热电堆传感器的小型化设计。如图1所示，第1个热电堆结构105中的第二冷端接触孔1056与第2个热电堆结构105中的第一冷端接触孔1054相互连接，第2个热电堆结构105中的第二冷端接触孔1056与第3个热电堆结构105中的第一冷端接触孔1054相互连接，直到第i个热电堆结构105中的第二冷端接触孔1056与第i+1个热电堆结构105中的第一冷端接触孔1054相互连接；使得热电堆结构中的p型热电堆1051和n型热电堆1052有序相互串联，构成闭环回路，进而使p型热电堆1051和n型热电堆1052中的载流子沿着温度梯度降低的方向移动，在闭环回路中有热电势产生，结合加热电阻的设置，使得红外热电堆传感器的探测精度高，具备高的灵敏度和稳定性。

图3为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器芯片的结构示意图，如图3所示，红外热电堆传感器芯片200包括多个上述实施例所述的红外热电堆传感器210；多个红外热电堆传感器210阵列排布。

其中，红外热电堆传感器芯片的尺寸可以为200um～1mm，可根据实际需要制作不同尺寸的红外热电堆传感器芯片。

本发明实施例所提供的红外热电堆传感器芯片可执行本发明上述实施例所提供的红外热电堆传感器，具备相同或相应的功能模块和有益效果，在此不过多赘述。

图4为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器制备方法的流程示意图，如图4所示，继续参考图1和图2，该制备方法用于制备上述实施例任一项的红外热电堆传感器，制备方法具体包括如下步骤：

s101，提供衬底，衬底包括第一区域和第二区域。

其中，衬底300的材料可采用单晶硅，衬底300的形状可根据实际需求选择，可以为正方形或矩形，衬底300的材料和形状在本发明实施例不做具体限定。

s102，在衬底一侧制备第一氧化层。

其中，第一氧化层301可以为氮化硅、氮氧化硅等材料，第一氧化层301的厚度为100nm～10000nm，用于电绝缘和过滤杂质粒子的作用。

s103，在第一氧化层远离衬底的一侧且在第一区域制备多个加热电阻，第一氧化层远离衬底的一侧且在部分第一区域制备多个热电堆结构；加热电阻上传输有加热电压信号，加热电阻用于在加热电压信号作用下发热；热电堆结构包括热端和冷端，热端位于第一区域，冷端位于第二区域，加热电阻的发热温度大于冷端温度。

s104，对衬底远离第一氧化层的一侧进行刻蚀，形成空腔，空腔与第一区域对应；位于空腔表面的第一氧化层为悬空膜。

其中，空腔302的形成可以采用氟基气体，例如sf6进行干法刻蚀，空腔302的存在可以保证吸收的红外辐射的热量均聚集在悬空薄膜，起到热量存储的作用。

图5为本发明实施例提供的另一种红外热电堆传感器制备方法的流程示意图，图6为本发明实施例提供的另一种红外热电堆传感器的制备流程示意图，如图5和图6所示，继续参考图1和图2，可选的，加热电阻104包括正极接触孔和负极接触孔。

热电堆结构105包括叠层设置的p型热电堆1051和n型热电堆1052，p型热电堆1051设置于n型热电堆1052远离悬空膜103的一侧；p型热电堆1051包括第一热端接触孔1053和第一冷端接触孔1054，n型热电堆1052包括第二热端接触孔1055和第二冷端接触孔1056。

红外热电堆传感器还包括正极连接线106、负极连接线107、热端连接线110和冷端连接线111。

在第一氧化层301一侧且在第一区域101制备多个加热电阻104，第一氧化层301一侧且在部分第一区域101制备多个热电堆结构105，包括：

s201，提供衬底，衬底包括第一区域和第二区域。

s202，在衬底一侧制备第一氧化层。

s203，在第一氧化层远离衬底的一侧制备第一多晶硅层。

s204，对第一多晶硅层进行n型掺杂并刻蚀第一多晶硅层形成n型热电堆和加热电阻。

s205，在第一多晶硅层远离衬底的一侧制备第二氧化层。

s206，在第二氧化层远离衬底的一侧制备第二多晶硅层，对第二多晶硅层进行p型掺杂并刻蚀第二多晶硅层形成p型热电堆。

其中，第一多晶硅层303和第二多晶硅层304的厚度范围均在100nm～10000nm，第一多晶硅层303和第二多晶硅层304可设置厚度相同，降低制作工艺的难度。对第一多晶硅层303采用nplus注入工艺进行n型掺杂，掺杂的离子可以为硼离子，掺杂的浓度为1*10⁵～1*10²⁰cm^-3，对掺杂完成的第一多晶硅层303进行刻蚀形成n型热电堆1052。对第二多晶硅层304采用pplus注入工艺进行p型掺杂，掺杂的离子可以为磷离子，掺杂的浓度为1*10⁵～1*10²⁰cm^-3，对掺杂完成的第二多晶硅层304进行刻蚀形成p型热电堆1051。第二氧化层305可以为氮化硅、氮氧化硅、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等材料，第二氧化层305的厚度为100nm～10000nm，用于避免第一多晶硅层303与第二多晶硅层304之间直接接触产生的短路。

制备方法还包括：

s207，在第二多晶硅层远离衬底的一侧制备第三氧化层。

s208，对第二氧化层和第三氧化层图形化，分别形成正极接触孔、负极接触孔、第一热端接触孔、第一冷端接触孔、第二热端接触孔和第二冷端接触孔。

s209，在第三氧化层远离衬底的一侧制备金属层，对金属层进行图形化，分别形成正极连接线、负极连接线、热端连接线和冷端连接线。

s210，对衬底远离第一氧化层的一侧进行刻蚀，形成空腔，空腔与第一区域对应；位于空腔表面的第一氧化层为悬空膜。

其中，第三氧化层306可以为氮化硅、氮氧化硅、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等材料，第三氧化层306的厚度为100nm～10000nm，用于避免第二多晶硅层304与金属层307之间直接接触产生的短路。金属层307的材料可以为钛或氮化钛等材料，金属层307的厚度为100nm～10000nm。第一氧化层301、第二氧化层305、第三氧化层306与金属层307的厚度可设置相同厚度，有利于降低制作工艺的难度，降低加工成本。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。