CMOS-MEMS热电堆红外传感器
浅谈MEMS热电堆红外传感器
浅谈MEMS热电堆红外传感器1. 引言1.1 热电堆红外传感器的背景热电堆红外传感器是一种应用于红外光谱领域的传感器，其背景可追溯到20世纪。
在过去，红外传感器的应用范围主要集中在军事领域，用于夜视仪、导弹制导等方面。
随着科技的不断进步，红外传感器的应用也逐渐扩展到了民用领域，如安防监控、工业生产和医疗诊断等方面。
热电堆红外传感器是一种基于热电效应原理的传感器，其工作原理是利用热电堆在受热时产生的微小电流来检测目标物体辐射出的红外光谱信号。
相比于传统光电传感器，热电堆红外传感器具有更高的灵敏度和更广泛的应用范围，特别适用于对低温目标物体的探测。
热电堆红外传感器的出现，为红外探测技术的发展带来了新的可能性，也为红外探测领域的应用提供了更多选择。
随着MEMS技术在红外传感器中的应用不断深化，热电堆红外传感器的性能和功能也将不断提升，进一步推动红外探测技术的发展。
1.2 研究意义研究热电堆红外传感器的工作原理和结构，对于深入理解红外传感器技术和红外辐射原理具有重要意义。
通过研究热电堆红外传感器的优势和发展趋势，可以为传感器技术的改进和升级提供重要参考。
研究热电堆红外传感器的发展趋势，有助于预测未来红外传感器技术的发展方向和潜在应用领域，为相关领域的研究和应用工作提供理论支持和指导。
研究热电堆红外传感器具有着较为重要的研究意义，值得深入探讨和发展。
1.3 发展现状发展现状部分主要讨论了热电堆红外传感器在当前红外探测领域中的应用和发展趋势。
随着红外技术的不断发展和应用领域的拓展，热电堆红外传感器也逐渐成为研究的热点之一。
目前，热电堆红外传感器已经在军事、安防、医疗、工业等领域得到了广泛应用。
其高灵敏度、快速响应、低功耗等优势使其在红外探测中具有独特的优势。
在军事领域中，热电堆红外传感器可以用于夜视仪、导弹制导等领域；在安防领域中，可以用于监控系统、防盗系统等；在医疗领域中，可以用于体温测量、疾病诊断等；在工业领域中，可以用于红外成像、无损检测等。
浅谈MEMS热电堆红外传感器
浅谈MEMS热电堆红外传感器
MEMS热电堆红外传感器是一种基于MEMS技术的红外传感器，利用热电效应来测量红
外辐射能量。
它具有体积小、响应速度快、功耗低等优点，因此在许多领域被广泛应用。
热电堆是MEMS热电堆红外传感器的核心部件，它由多个由热电材料构成的热电对组成。
当红外辐射照射到热电对上时，吸收的光能量会使得热电对产生温度差，进而产生电势差。
通过测量这个电势差，就可以得到照射物体的红外辐射能量。
MEMS热电堆红外传感器的热电对尺寸是微米级别的，因此可以制造成大规模的阵列，从而实现高分辨率的红外成像。
由于MEMS技术的发展，可以制造出高度集成的红外传感器，将前端的光学元件、MEMS热电堆和后端的信号处理电路集成在一片芯片上，从而降低成本，提高性能。
MEMS热电堆红外传感器在安防监控、工业自动化、环境监测等领域有着广泛的应用。
在安防监控领域，它可以用于夜视摄像机、入侵探测器等设备中，实现对目标的准确检测
和识别。
在工业自动化领域，它可以用于温度检测、火焰检测等应用，提高生产效率和安
全性。
在环境监测领域，它可以用于空气质量监测、温度湿度监测等应用，为环境保护提
供数据支持。
MEMS热电堆红外传感器也存在一些问题。
由于热电堆对温度变化非常敏感，所以在温度变化较大的环境下，传感器的性能可能会受到影响。
MEMS热电堆红外传感器的灵敏度和动态范围相对较低，无法满足一些高端应用的需求。
MEMS热电堆红外传感器在测量过程中也容易受到背景辐射的影响，需要通过设计和算法来进行补偿和消除。
浅谈MEMS热电堆红外传感器
浅谈MEMS热电堆红外传感器MEMS热电堆红外传感器是一种能够将红外辐射转化为电信号的传感器。
它利用红外辐射与物体之间的温度差异来产生热电效应，从而生成电压信号。
该传感器具有响应速度快、能耗低、体积小等特点，已在许多领域得到广泛应用。
MEMS热电堆红外传感器一般由热电堆和读取电路两部分组成。
热电堆是该传感器的核心部件，它是由多个红外吸收层和热电材料层交叉叠加而成。
当红外辐射射到热电堆上时，红外吸收层会吸收辐射能量并转化为热能，热能通过热电材料层的热传导作用传递到热电堆的冷端和热端，形成温度差。
热电材料层是由具有热电特性的材料构成，通过P型和N型材料的连接，形成了热电堆的热电电偶效应。
当温度差产生时，会形成热电场，从而产生热电势差，最终转化为电信号。
MEMS热电堆红外传感器具有很多优点。
由于采用了微机电制造技术，使得传感器的体积小、重量轻，适合于嵌入式设备和便携式设备的应用场景。
MEMS热电堆红外传感器响应速度快，可以在很短的时间内产生实时的红外辐射图像，适用于高速物体检测和移动目标追踪等应用。
MEMS热电堆红外传感器能耗低，工作电压一般为几毫伏，可以通过功率管理技术降低传感器的功耗，有利于延长设备的使用寿命。
MEMS热电堆红外传感器在多个领域得到了广泛应用。
一个典型的应用领域是夜视仪和红外非接触测温仪。
夜视仪通过检测夜间的红外辐射来实现夜视功能，而红外非接触测温仪通过探测物体的红外辐射来测量物体的温度。
MEMS热电堆红外传感器还可以应用于气体检测、环境监测等领域。
通过检测固定物体或者周围环境的红外辐射，可以实现对特定气体或者环境因素的监测和分析，有助于提高安全性和环境质量。
虽然MEMS热电堆红外传感器具有许多优点，但也存在一些局限性。
由于传感器的灵敏度与红外辐射的频率相关，所以在不同频率范围内，传感器的灵敏度可能会有所不同。
MEMS热电堆红外传感器对环境温度的要求较高。
如果环境温度变化较大，可能会对传感器的测量结果造成影响。
一种MEMS热电堆红外探测器的制备方法[发明专利]
![一种MEMS热电堆红外探测器的制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/f6dae715c8d376eeafaa31d2.png)
专利名称：一种MEMS热电堆红外探测器的制备方法专利类型：发明专利
发明人：毛海央,张琛琛,陈大鹏
申请号：CN202010672907.8
申请日：20200713
公开号：CN111924796A
公开日：
20201113
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种MEMS热电堆红外探测器的制备方法，通过在支撑层的吸收区及热电偶组件的热端形成纳米纤维，并形成包裹纳米纤维的红外吸收单元，使纳米纤维不易从支撑层脱落，提高了纳米纤维的稳定性，避免了红外辐射吸收效果及探测器检测效率的降低。
纳米纤维与红外吸收单元均具有吸收红外辐射的能力，将红外吸收单元包覆于纳米纤维上方，增强了红外吸收层的吸收效率，从而增强了探测器的检测效果。
同时，该制备工艺简单，有利于为热电堆器件的批量化生产打下基础。
申请人：无锡物联网创新中心有限公司
地址：214135 江苏省无锡市新吴区菱湖大道200号中国传感网国际创新园E2座112
国籍：CN
代理机构：北京三聚阳光知识产权代理有限公司
代理人：解立艳
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浅谈MEMS热电堆红外传感器
浅谈MEMS热电堆红外传感器MEMS热电堆红外传感器是一种应用于红外辐射测量和探测的传感器技术。
它基于热电效应原理，通过微型热敏元件感知目标物体的红外辐射，将红外辐射能量转化为电信号输出。
MEMS热电堆红外传感器具有体积小、响应速度快、功耗低等优点，广泛应用于无人机、智能家居、无线通信等领域。
MEMS热电堆红外传感器的工作原理是利用红外辐射照射在热电堆膜上，使其温度发生变化，从而产生热电势差。
热电势差通过传感器的电极输出为电信号，经过放大、滤波等处理后，最终被转化为数字信号或模拟信号，用于后续的分析和处理。
MEMS热电堆红外传感器的核心部分是热电堆膜，它由多个热电偶组成。
热电偶是由两种不同金属材料组成的电偶，当两种材料处于不同温度时会产生热电效应。
热电堆膜通过微加工技术制备，可以实现高度集成化和微型化的要求。
MEMS热电堆红外传感器的优点之一是体积小。
由于采用了微加工技术，传感器的尺寸可以做到微米级别，因此可以方便地集成到微型设备中。
这对于无人机、智能穿戴设备等资源有限的应用场景非常有利。
MEMS热电堆红外传感器的响应速度快。
由于传感器本身的尺寸较小，热敏元件可以快速响应热量变化，因此在红外辐射测量和探测中具有快速响应的优势。
这对于无人机的航迹追踪、智能家居中的人体检测等实时性要求较高的应用非常重要。
MEMS热电堆红外传感器的功耗低。
由于传感器本身体积小，能量消耗也较低，因此在无线通信设备等对电池寿命要求较高的应用中优势明显。
这对于智能家居等需要长时间持续工作的应用非常重要。
MEMS热电堆红外传感器也存在一些限制和挑战。
传感器的灵敏度和分辨率有一定的限制。
由于热电堆红外传感器的热敏元件较小，因此对于较低强度的红外辐射信号可能无法有效响应。
传感器的抗干扰能力有一定局限性。
由于热电堆红外传感器是基于温度差原理工作的，因此对于环境温度的变化和其他热源的干扰较为敏感。
浅谈MEMS热电堆红外传感器
浅谈MEMS热电堆红外传感器【摘要】MEMS热电堆红外传感器是一种新型的红外传感器技术，具有小型化、高灵敏度和快速响应的特点。
本文从原理、制备方法、应用领域、优势和发展趋势等方面对MEMS热电堆红外传感器进行了详细介绍。
通过对该技术的分析与讨论，总结出其在红外传感领域的优势和特点，并展望了其未来的发展前景。
提出对未来研究方向的建议，为MEMS热电堆红外传感器的进一步提升和应用提供了参考。
通过本文的阐述，读者可以更全面地了解MEMS热电堆红外传感器的相关知识，为相关领域的研究和应用提供有益的指导和参考。
【关键词】MEMS热电堆红外传感器, 红外传感器, 热电堆, MEMS技术, 传感器制备方法, 传感器应用领域, 传感器优势, 传感器发展趋势, 传感器特点, 传感器发展前景, 研究背景, 研究意义, 未来研究方向1. 引言1.1 研究背景MEMS热电堆红外传感器是一种基于微机电系统技术（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）和热电效应原理的红外传感器。
随着红外传感技术在军事、安防、工业、医疗等领域的广泛应用，对传感器性能和尺寸的要求也越来越高。
而MEMS热电堆红外传感器具有体积小、响应速度快、能耗低、灵敏度高等优点，因此受到了广泛关注。
研究背景部分主要探讨了传统红外传感器存在的一些问题，如体积大、响应速度慢、功耗高等，以及MEMS热电堆红外传感器的出现对传感技术的革新意义。
通过对传感器市场需求和技术发展趋势的分析，可以看出MEMS热电堆红外传感器具有巨大的应用潜力和市场前景。
研究MEMS热电堆红外传感器的原理、制备方法、应用领域、优势和发展趋势具有重要意义，对于推动红外传感器技术的发展和应用具有重要的指导意义。
1.2 研究意义MEMS热电堆红外传感器是一种新型的红外传感器，具有体积小、功耗低、灵敏度高等优点，被广泛应用于红外成像、智能家居、无人机等领域。
研究MEMS热电堆红外传感器的意义在于探索其工作原理，提高其性能，拓展其应用领域，推动红外技术的发展。
MEMS热电堆高温测试系统中的MEMS传感器动态性能测试
参数 ， 为整个高温测试系统的校准提供理论依据。
关键词 ：
１ Ｍ ＭＳ热 电堆 的 工作原理 Ｅ
红 外 热辐
以上讨 论 的 只是 开 路 电势 ， 闭路 时 由于 帕尔 帖效 应 同时存在 ， 引 起 热 结 点 温 度 降 低 ， 致 温差 电 动 势减 会 导
小， 此种 情况不 作考 虑 。
度， 定义为输出的 电压值 （ 或电流值 ， 与人射辐射功 ） 率 Ｐ之 比 ， 称为 电压 响应率 Ｒ （ 电流 响应 率 ）其表 或 ，
达 式为
Ｒ ＝Ｖ Ｐ或 Ｒ Ｉ Ｐ ／ ／
（） ６
其 中 的单位 为 ・ ～， 冠 的单 位 为 Ａ・ ～。 而 如果 为恒定 辐照 ， 则探测 器 的输 出信号亦 恒定 ， 此时 的响 应率称 为直 流响应 率 ； 之 当辐照为 交变 时 ， 反 响应 率称 为 交 流 响应 率 。另外 ， 不 明确 是 黑 体 响应 率 或光 谱 响应 在 率 时 ， 可用 或 表示 。 一般 探测 率 Ｄ 实 质上 是单位 辐射 功 率辐 照 在探 测器 单 位 面积上在 放大器 单 位带宽 条件下 所获 得 的信 噪ａ ｔ
（） ３
（） ４
（） ５
将 （） （） 代入 （ ） ２ 和 ３式 １式可得
△ Ⅱ＝（ｔ Ｂ ｚ Ｏ Ａ—ａ ）Ｓ ｔ
令 ａ 一ａ 上式可化为 船＝
△ ＝口
Ｉ会 强等： Ｍ ＭＥ Ｓ热 电堆 高 温 磺 试 系统 中的 ＭＥ Ｓ传 感 器 动 态 灶 能 测 试 ｌ ｊ Ｍ
Ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔＳ ｓ ｅ Ｂａ ｅ ＥＭ Ｓ Ｔ ｅ ｏ ｉｅ Ｓ ｎ ｏ ａ ｕ ｅ ｎ ｙ ｔ ｍ ｓ ｄ Ｏｎ Ｍ ｈ ｒ ｐ ｌ ｅ ｓ ｒ ｍ
红外热电堆传感器 原理
红外热电堆传感器原理1 红外热电堆传感器是什么？红外热电堆传感器，又称红外热电偶、红外热电传感器等，是一种能够将红外辐射转换成电信号的传感器。
它的工作原理是基于热电效应的原理，通过将红外辐射能量转化为热能，再将热能转化为电能，从而实现对红外辐射信号的测量和探测。
2 红外热电堆传感器的结构红外热电堆传感器主要由四个部分组成：红外吸收体、热电堆、温度补偿电路、信号处理电路。
其中，红外吸收体是传感器的核心部分，负责将红外光转化为热能，进而产生温度差。
热电堆则将温度差转化为电压信号，送入温度补偿电路进行校正，最终交由信号处理电路进行放大、滤波和AD转换，得到精准的红外辐射信号。
3 红外热电堆传感器的工作原理红外热电堆传感器基于的工作原理是热电效应。
当红外辐射通过红外吸收体时，它会被吸收并转化为热能，这种热能在热电堆上产生一种温差。
热电堆由多对热电偶串联而成，当温差出现时，每对热电偶中都会产生一个电压信号，这些电压信号叠加在一起之后便可以得到一个总的电压信号。
由于热电堆的灵敏度很低，其信号会被许多外部因素所影响，因此需要进行温度补偿。
温度补偿电路通过测量环境温度对热电堆的影响，计算出正确的电压值，从而消除因温度变化引起的误差。
最后，信号处理电路会将补偿后的电压信号进行放大、滤波和AD转换，得到一个数字信号，通常会将其输出为标准的模拟信号或数字信号，用于测量和控制等方面的应用。
4 红外热电堆传感器的应用红外热电堆传感器广泛应用于热工领域和自动化控制领域。
常见的应用有：1. 温度测量：红外热电堆传感器可用于测量物体表面温度，在钢铁、电力、石油等行业中广泛应用。
2. 热成像：红外热电堆传感器可以检测室外和室内建筑的不同热点，帮助建筑工程师检测建筑结构缺陷和能源浪费。
3. 气体检测：红外热电堆传感器可以检测空气中的二氧化碳和其他气体，广泛应用于工业和航空领域。
4. 人体检测：红外热电堆传感器可以检测人体的热量，并将其转化为数字信号，以实现自动化控制和安防应用等。
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1、热电堆红外传感器发展方向-真空封装
传统热电堆红外传感器模块制作示意图
微机械热电堆红 外探测器圆片
硅基红外滤光片 真空键合
采用圆片键合制作热电堆红外传感器示意图
效率低，尺寸大
划片
焊接
真空封装红 外探测器
效率高，尺寸小
大纲
一．热电堆红外传感器概述 二．器件模型 三．CMOS-MEMS关键工艺 四．CMOS-MEMS热电堆红外传感器 五．总结
5.6x10-4
5.5x10-4
5.4x10-4
5.3x10-4
1.5x10-2 1.4x10-2 1.3x10-2 1.2x10-2 1.1x10-2 1.0x10-2 9.0x10-3 8.0x10-3 7.0x10-3 6.0x10-3 5.0x10-3 4.0x10-3 3.0x10-3 2.0x10-3
7
1.0x107
8.0x106
6.0x106
Measured Simulated with absorption in TP area Simulated without absorption in TP area
30
40
50
60
70
80
Number of thermocouples
Number of thermocouples
模型验证
Measured Simulated with absorption in TP area Simulated without absorption in TP area
新模型和实验误 差小于7.7%。传
统模型和实验误 差大于50%。
2.0x107
7
11..68xx11007
1.4x107
.
1、传统热电堆红外传感器
湿法腐蚀
背面释放热电堆结构
正面释放热电堆结构
Absorber Structure layer
Thremocouple
缺点: • 释放时间长！ • CMOS兼容性差！ • 选择性差！
缺点:
Silicon substrate
• 结构黏附！
• CMOS兼容性差！
• 性能低！
1、 热电堆红外传感器发展方向
z x2
Zone 1
Φ rad
l2 Zone 2
Box cover of package
SiO2
厚度：
Poly
Al
S2.2 模型求解
吸收区边界条件：
热电偶区边界条件：
热结区温度条件：
冷热结温差：
响应率： 探测率：
2.2 10
8 7 6 5 4 3 2
8 7 6 5 4 3 2
400 500 600 700 800 900 1000
Thermocouple length (um)
Thermocouple length (um)
热电偶对数和吸收区尺寸固定，改变热电偶长度。
2.3 吸收区尺寸与性能的关系
6.0x10-4 5.9x10-4
air vacuum
5.8x10-4
5.7x10-4
热电偶尺寸和吸收区尺寸固定，改变热电偶对数。
Measured Simulated with absorption in TP area Simulated without absorption in TP area
新模型和实验误 差小于6.6%。传
统模型和实验误 差大于50%。
2.0x107 1.8x107 1.6x107
7
11..24xx11007 1.0x107 8.0x106 6.0x106 4.0x106
Measured Simulated with absorption in TP area Simulated without absorption in TP area
400 500 600 700 800 900 1000
结构
等效 W a
Wpoly
W
Al
Wspace
W + +…+
etch
l2
+ +…+
2 Wetch
Wa N /8 Wa 0.5
W
a
N /8
l1
0.5
W
a
N/8
Wa
N /8
材料等效
Hot junction
Absorber
Cold junction
传感器结构
h21
h22
h11
h12
Φrad
d1
q12
z
l1 x1 q12
CMOS-MEMS 热电堆红外传感器
大纲
一．热电堆红外传感器概述 二．器件模型 三．CMOS-MEMS关键工艺 四．CMOS-MEMS热电堆红外传感器 五．总结
1、热电堆红外传感器
塞贝克效应
VR
out
s rad
热电偶红外传感器
1、热电堆红传感器结构
1、 热电堆红外传感器
红外 测温
红外成像[2]
红外 气体 探测
航姿控制[3]
[1] G.R. Lahiji and K.D. Wise. A monolithic thermopile detector fabricated using integrated-circuit technology. IEDM, 1980,26:676-679 [2]A.Schaufelbuhl, N. Schneeberger, U. Munch, M. Waelti, O. Paul, O. Brand, H. Baltes, C. Menolfi, Q. Huang, E. Doering and M. Loepfe. Uncooled Low-Cost Thermal Imager Based on Micromachined CMOS Integrated Sensor Array. JMEMS, 2001, 10:503-510. [3] A.W. Herwaarden. Low-cost satellite attitude control sensors based on integrated infrared detector arrays. IEEE Trans. Instrum. Meas. 2001, 50:1524-1529
2.1 CMOS-MEMS热电堆红外传感器
传统微机械热电堆红外传感器 热电偶区和吸收区无释放孔
CMOS-MEMS热电堆红外传感器 热电偶区和吸收区有释放孔
传统热电堆红外传感器模型不适用CMOS-MEMS热电堆红外传感 器！！
2.2 模型建立
Etching window
Thermocouple
Output electrode
目标
高性价比热电堆红外传感器
传统热电堆红外传感器
CMOS-MEMS热电堆红外传感器
分立器件工艺+湿法硅腐蚀制作
CMOS工艺+干法硅腐蚀制作
成品率低、集成度低、性价比低
成品率高、集成度高、性价比高
传统CMOS-MEMS技术
DRIE 高成本，离子损伤
XeF2硅腐蚀 低成本，无损伤
只在平面方向集成
通过键合在垂直 方向提高集成度