[發明專利]平面熱電堆紅外線微傳感器

有效

• 申請號: 200980135346.X
• 申請日: 2009-09-07
• 公開（公告）號: CN102150021A
• 公開（公告）日: 2011-08-10
• 發明（設計）人: 穆罕默德·包特許;班諾瓦·巴塔尤
• 申請（專利權）人: 臺灣積體電路制造股份有限公司
• 主分類號: G01J5/12
• 分類號: G01J5/12
• 代理公司: 隆天國際知識產權代理有限公司 72003
• 代理人: 張浴月;劉文意

技術領域

本發明涉及一種紅外線傳感器。

背景技術

在工藝控制及制造中，紅外線溫度傳感器已使用多年，且最近汽車應用上的使用更是逐漸增多。硅熱電堆，當制造成本低至足以用于車輛使用時，僅產生非常低的輸出信號。因此，由于噪聲的問題，對于現成的通用低成本元件來說，信號增強及校正變得困難。

小尺寸的紅外線傳感器通常由三個功能部件形成。首先，使用輻射吸收涂布來選擇頻寬。接著，熱電堆檢測器以席貝克效應轉換溫度差成為電壓。熱電堆基本上為一或多個熱電偶的排列。最后，裝設熱電偶檢測器的基材至散熱片上，穩定傳感器的溫度。

當使用硅技術時，需考慮到硅基材的高導熱率。其中一種解決方法為使用微機械式懸掛結構，例如薄膜或懸臂。熱接點聚集在位于具有低導熱率的薄膜或懸臂上的吸收區附近，因而減少熱傳導的損失。冷接點位于散熱片上，通常為硅基材。此種結構使熱電偶的熱接點和冷接點之間具有高熱阻，及因此能具有高靈敏度。

將多種的上述熱電偶傳感器集成在一硅晶片上，并使用多晶硅作為熱電堆是已經可行的。然而，這兩種類型的熱接點之間顯著的熱差異，使傳感器對于氣體傳導和對流現象高度敏感。這些裝置因此必須形成為封裝結構。

因此，所需的封裝引出了可靠度及成本的問題。

有多種方法來形成無需封裝的傳感器，例如M.Boutchich團隊于Sensors?and?Actuators?A?121(2005)52-58所發表的文章“Package-free?infrared?micro?sensor?using?polysilicon?thermopile”中所描述的。

發明內容

本發明在此提供一種紅外線傳感器，包含：

一散熱基材，具有導熱率相對較高的部分及導熱率相對較低的部分；

一平面熱電偶層，具有一熱接點及一冷接點，其中熱接點位于散熱基材的導熱率相對較低的部分上；

一低導熱介電層，位于熱電偶層上，且具有一通孔通向熱接點；

一紅外線反射層，覆蓋此低導熱介電層及此通孔的側壁，且有一開口位于此紅外線反射層中的熱接點的位置；及

一紅外線吸收器，位于此通孔中。

此種結構形成平面紅外線微傳感器，其使用一結構化基材及一介電層，以避免需要任何特定封裝。熱接點及冷接點被分布，其中熱接點位于基材的低導熱率的部分。紅外線反射層實施為一輻射熱管，其被圖案化至傳感器上，取代傳統公知的平面輻射涂布。熱管通過提供聚焦至熱電偶，而提供較高的靈敏度，且對氣體傳導及對流有較佳的抗擾性。

優選地，傳感器還包含提供集成透鏡元件于通孔上方，其提供額外聚焦至熱電偶的功能，因而增加靈敏度。

紅外線吸收器可填滿通孔，或紅外線接收器可僅位于熱接點上的通孔的底部。在后者所述的例子中，通孔剩余的空間為真空密封。

集成透鏡可包含微透鏡，例如熔融石英、硅或派熱克斯玻璃(pyrex)。

冷接點優選位于散熱基材的導熱率相對較低的部分上。散熱基材可包含基底層及結構化散熱層。

平面熱電偶層優選包含多個串聯的熱電偶，每個熱電偶具有熱接點及冷接點，每個熱接點皆位于散熱基材的導熱率相對較低的部分上。

附圖說明

本發明實施例將配合以下附圖說明，其中：

圖1顯示依照本發明第一實施例的傳感器結構；

圖2顯示依照本發明第二實施例的傳感器結構；及

圖3顯示依照本發明第三實施例的傳感器結構。

具體實施方式

公知的紅外線傳感器一般使用單元件芯片或四元件芯片，裝設于密封的TO-46或TO-18封裝體上，其中TO-46或TO-18封裝體也包含濾波器及填充氣體。通常使用惰性氣體，例如氪，以增進裝置效能。公知技術已知，使用平面分布熱電偶檢測器的結構，及將紅外線濾波器集成至基材上。這使得可以形成薄傳感器。

本發明改進了公知設計，但仍使用具有集成紅外線濾波器的分布熱電偶的設計。本發明使用導管結構，其可為熱管形式，其可使紅外線輻射聚焦在一熱電偶接點上。再者，傳感器的方向性，也即視野，可大幅改善，而能更精確地對準。

圖1顯示依照本發明的第一實施例的傳感器結構。

傳感器包含散熱基材10，其具有導熱率相對較高的部分12及導熱率相對較低的部分14。基材可為硅基材，其界定高導熱率部分12，且氧化硅部分可界定低導熱率部分。因此，可使用STI(淺溝槽隔離)基材。

平面熱電偶層16具有連續的熱接點18及冷接點20。膜層16及其下方的基材定義為熱電堆結構。