[發(fā)明專利]一種微機(jī)械CMOS熱電堆紅外測(cè)溫傳感器

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010553512.2
• 申請(qǐng)日: 2010-11-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102128685A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王宏臣;陳文禮;甘先鋒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 煙臺(tái)睿創(chuàng)微納技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): G01J5/12
• 分類號(hào): G01J5/12;B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 北京輕創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11212
• 代理人: 楊立

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種微機(jī)械CMOS熱電堆紅外測(cè)溫傳感器。

背景技術(shù)

紅外線是一種人眼不可見(jiàn)光線，位于可見(jiàn)光波段之外，它包含了物體的溫度信息。通過(guò)測(cè)量物體的紅外輻射，可以測(cè)量物體表面溫度。熱電偶（熱電堆）紅外線溫度傳感器是一種常見(jiàn)的紅外測(cè)溫傳感器，它是基于賽貝克效應(yīng)（Seebeck?effect）原理工作的。塞貝克效應(yīng)是指兩種不同材料組成的熱偶，如果閉合回路之間的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在溫度差，就會(huì)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。早期的熱電堆紅外溫度傳感器是將熱偶材料沉積在塑料或者氧化鋁襯底之上獲得的。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，各種MEMS紅外線溫度傳感器開(kāi)始嶄露頭角。現(xiàn)有熱電堆紅外測(cè)溫傳感器市場(chǎng)產(chǎn)品的熱偶材料一般采用賽貝克系數(shù)較高的Bi-Sb、Bi-Ag或者Bi-Te材料，這類材料雖然具有較高的賽貝克系數(shù)，但其制作方法與標(biāo)準(zhǔn)CMOS方法不兼容，難以與處理電路單片集成。其次，現(xiàn)有熱電堆測(cè)溫傳感器市場(chǎng)產(chǎn)品多采用背向腐蝕技術(shù)，需要雙面對(duì)準(zhǔn)光刻，對(duì)設(shè)備要求高，方法復(fù)雜。最關(guān)鍵的是，背面腐蝕完畢后，由于部分硅襯底被刻穿造成應(yīng)力集中，硅襯底很容易從刻穿處破損，器件成品率通常不高。

為解決該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外諸多研究機(jī)構(gòu)也在尋找可行的解決方案。中國(guó)發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)枺?0116388.4）提出了一種解決方法，該方法核心為采用正面光刻和濕法腐蝕技術(shù)，制造出懸臂結(jié)構(gòu)。熱電堆制作在懸臂結(jié)構(gòu)之上，熱偶材料選用絕緣體上摻雜單晶硅（SOI）和鋁薄膜。相對(duì)于現(xiàn)有產(chǎn)品，該方法可有效解決工藝兼容和背面腐蝕成品率不高難題。但仍然存在不足：首先，該專利熱偶材料選用摻雜單晶硅和Al薄膜，與多晶硅相比，單晶硅雖然具有高的賽貝克系數(shù)，但SOI襯底成本較高，不利于器件進(jìn)一步降低成本。其次，該發(fā)明利用濕法腐蝕（TMAH或者KOH）腐蝕硅襯底，濕法腐蝕襯底防護(hù)難度較大，腐蝕可控性也很難得到保證。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種微機(jī)械CMOS熱電堆紅外測(cè)溫傳感器。該微機(jī)械熱電堆紅外溫傳感器全部采用CMOS工藝材料制作，制造方法與CMOS方法完全兼容，可以在通用集成電路代工廠加工制作。其次，本發(fā)明微橋結(jié)構(gòu)釋放采用等離子體干法刻蝕技術(shù)，利用等離子刻蝕的各向同性特性進(jìn)行硅襯底刻蝕，具有高度可控性好，器件成品率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下：一種微機(jī)械CMOS熱電堆紅外測(cè)溫傳感器，它采用橋式結(jié)構(gòu)，包括硅襯底和設(shè)置在硅襯底上的微橋，微橋中心區(qū)域的傳感器光敏區(qū)懸浮設(shè)置在硅襯底被刻蝕后的空腔之上，熱電堆熱端位于微橋中心區(qū)域，冷端位于硅襯底熱沉之上，微橋包括由內(nèi)向外依次設(shè)置的由氧化硅薄膜和氮化硅薄膜制成的支撐層、摻雜多晶硅和Al薄膜制成的Al-Si熱電偶和氮化硅制成的鈍化層，微橋的傳感器光敏區(qū)外表面設(shè)有紅外線吸收層，摻雜多晶硅和Al薄膜之間設(shè)有隔離介質(zhì)層，微橋上設(shè)有刻蝕孔。

進(jìn)一步的，摻雜多晶硅為P型或N型。

進(jìn)一步的，隔離介質(zhì)層采用摻雜氧化硅薄膜或氮化硅薄膜。

進(jìn)一步的，紅外線吸收層采用氮化硅薄膜、黑金、聚酰亞胺或者聚對(duì)二甲苯(Parylene)制成。

進(jìn)一步的，紅外線吸收層厚度為0.05～0.5微米，紅外線吸收層對(duì)紅外線輻射的吸收效率為90%以上。

進(jìn)一步的，一種制作微機(jī)械CMOS熱電堆紅外測(cè)溫傳感器的方法，它包括以下步驟：

步驟1，在硅襯底之上制作微橋；

步驟2，利用微機(jī)械加工方法在微橋的傳感器光敏區(qū)外表面制作一層紅外線吸收層；

步驟3，利用旋涂方法在微橋表面旋涂保護(hù)層并圖形化；

步驟4，利用電感耦合等離子體刻蝕機(jī)，采用等離子體干法刻蝕技術(shù)在硅襯底上制作空腔；

步驟5，利用氧等離子體去除保護(hù)層。

進(jìn)一步的，步驟1包括以下子步驟：

（1）硅襯底處理；

（2）支撐層制備，支撐層采用氧化硅薄膜和氮化硅薄膜制備；

（3）多晶硅制作與摻雜；

（4）隔離介質(zhì)層淀積，隔離介質(zhì)層采用氧化硅薄膜，互聯(lián)孔刻蝕；

（5）Al薄膜淀積和圖形化；

（6）鈍化保護(hù)層淀積；

（7）刻蝕孔制作。

進(jìn)一步的，保護(hù)層為聚酰亞胺薄膜保護(hù)層，聚酰亞胺薄膜保護(hù)層的厚度為5～30微米，旋涂之后將保護(hù)層進(jìn)行熱處理亞胺化和圖形化。

進(jìn)一步的，保護(hù)層采用光敏聚酰亞胺薄膜，直接利用光刻定義圖形保護(hù)層形狀。

本發(fā)明的有益效果是：