[發明專利]一種MEMS熱電堆結構及其制造方法

有效

• 申請號: 201310753760.5
• 申請日: 2013-12-31
• 公開（公告）號: CN103715348B
• 公開（公告）日: 2018-05-29
• 發明（設計）人: 袁超
• 申請（專利權）人: 上海集成電路研發中心有限公司
• 主分類號: H01L35/28
• 分類號: H01L35/28;H01L35/32;G01J5/12;H01L35/34
• 代理公司: 上海天辰知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31275
• 代理人: 吳世華;林彥之

本發明公開了一種多個熱電偶串聯成的MEMS熱電堆結構，包括：半導體襯底；第一導熱層；第二導熱層；由第一熱偶材料形成的第一熱偶層，部分置于所述第二導熱層中，另一部分懸空于述襯底上；形成于第一熱偶層上的熱偶垂直部，其包括由第一熱偶材料形成的第一垂直部和由第二熱偶材料形成的位于所述第一導熱層中的第二垂直部；由第二熱偶材料形成的第二熱偶層，形成于熱偶垂直部上連接第一垂直部和第二垂直部；吸熱層，置于第一垂直部上的第二熱偶層的上方。第二熱偶層與第一垂直部相連處形成熱電偶的熱端，第二垂直部與第一熱偶層相連處形成熱電偶的冷端。本發明可提高熱電堆探測器的溫度分辨率和穩定性。

技術領域

本發明涉及微電子機械系統技術領域，特別涉及一種MEMS熱電堆結構及其制造方法。

背景技術

熱電偶是一種廣泛應用的溫度傳感器，也被用來將熱勢差轉換為電勢差。它的工作原理是基于Thomas Seebeck于1821年發現的熱電效應或者Seebeck效應：兩種不同金屬材料A和B構成的回路中，如果兩種金屬的結點處溫度T1和T2不同，該回路中就會產生一個溫差電動勢。

由Seebeck效應產生的電壓可表示為：

其中SA和SB分別為兩種金屬材料的Seebeck系數，它取決于溫度和材料的分子結構，通常近似為與溫度無關的材料特性。

熱電堆是將多個熱電偶串聯而成，在相同的溫差時，熱電堆的開路輸出電壓是所有串聯熱電偶的溫差電動勢之和。在相同的電信號檢測條件下，熱電堆能檢測到的最小溫差是單個熱電偶的1/n，從而增強了對溫度的分辨能力。MEMS熱電堆可以實現熱電堆的微縮，能夠應用到便攜設備中，并且由于可以集成大量的熱電偶，因而可以進一步提高溫度的分辨率。

MEMS熱電堆紅外探測器是一種基于Seebeck效應的非制冷紅外探測器，其可以在常溫工作，并對較大范圍內的紅外光響應均勻，由于成本較低，可以大批量生產，因此在安全監視、醫學治療、生命探測等方面有廣泛應用。其基本上都是利用CMOS工藝將熱偶對做成平面結構，熱電堆的冷端與熱端一樣直接置于器件的表層，如此一來，較易受到器件所處環境溫度的影響，導致熱電堆探測器的溫度分辨率和穩定性下降。

發明內容

本發明的目的在于提供一種MEMS熱電堆結構及其制造方法，該熱電堆結構中兩種熱偶材料接觸的熱結位于吸熱的頂端，而冷結埋在導熱材料底部，冷結不容易受環境溫度的影響，而熱結熱量也不易散失，從而提高熱電堆探測器的溫度分辨率和穩定性。

為達成上述目的，本發明提供一種具有多個串聯的熱電偶的MEMS熱電堆結構，包括：半導體襯底；第一導熱層，置于所述半導體襯底上；第二導熱層，置于所述第一導熱層上；由第一熱偶材料形成的第一熱偶層，部分置于所述第二導熱層中，另一部分懸空于所述襯底上；熱偶垂直部，形成于所述第一熱偶層上，其包括由所述第一熱偶材料形成的第一垂直部和由第二熱偶材料形成的位于所述第一導熱層中的第二垂直部；由所述第二熱偶材料形成的第二熱偶層，形成于所述熱偶垂直部上，連接所述第一垂直部和第二垂直部；吸熱層，置于位于所述第一垂直部上的第二熱偶層的上方；其中所述第二熱偶層與所述第一垂直部相連處形成所述熱電偶的熱端，所述第二垂直部與所述第一熱偶層相連處形成所述熱電偶的冷端。

優選地，所述吸熱層包覆于絕緣保護層中。