上海微系统所-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
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与流程
一种MEMS热电堆红外探测器的制备方法与流程1. 概述本文介绍了一种基于MEMS（微机电系统）技术的热电堆红外探测器的制备方法与流程。
热电堆红外探测器是一种能够将红外辐射转化为电信号的器件，具有广泛的应用前景，包括红外热像仪、红外传感器等领域。
本文重点阐述了该红外探测器的制备步骤，包括材料准备、微加工工艺、热电堆结构设计和制备过程。
通过优化制备方法与流程，可以提高红外探测器的性能和可靠性。
2. 材料准备2.1 硅基底选择适当材质的硅基底作为红外探测器的基础材料，通常选择单晶硅或多晶硅。
硅基底具有较好的热导率和机械性能，能够提供稳定的支撑结构。
2.2 热电材料选择适当的热电材料作为探测器的热电堆材料，常用的热电材料包括铋锑合金、铟锑合金等。
这些材料具有较高的热电效应，可以将热能转化为电能。
2.3 金属电极材料选择适当的金属电极材料作为热电堆的电极，常用的金属材料包括铝、金、银等。
金属电极具有良好的导电性能和稳定性，可以提供电信号的传输和连接。
3. 微加工工艺3.1 光刻工艺利用光刻技术在硅基底上制作图案，用于定义热电堆和电极的形状和尺寸。
通过选择适当的光刻胶和掩膜，可以实现高精度的图案转移。
3.2 刻蚀工艺利用刻蚀技术去除不需要的材料，以形成热电堆和电极的结构。
常用的刻蚀方法包括湿法刻蚀和干法刻蚀，可以根据具体需求选择合适的刻蚀工艺。
3.3 沉积工艺利用沉积技术在硅基底上沉积热电材料和金属电极。
常用的沉积方法包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD），可以实现材料的高质量沉积。
3.4 电性测试在微加工工艺的每个步骤之后，进行电性测试以评估器件的性能。
通过电性测试可以检测器件的导电性、热电效率等参数，验证器件的可靠性和稳定性。
4. 热电堆结构设计4.1 热电堆阵列设计热电堆的阵列结构，可以提高红外探测器的敏感度和空间分辨率。
常见的热电堆阵列包括一维和二维结构，可以根据应用需求选择合适的结构。
CMOS-MEMS热电堆红外传感器
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
非制冷式红外探测器原理研究
非制冷式红外探测器原理研究摘要：随着信息技术的发展，红外探测技术已经被广泛应用于军事、民用、科研等众多领域。
其中，非制冷红外焦平面探测器具有无需制冷、成本低、功耗小、重量轻、小型化、使用灵活方便等特点，是当前非制冷红外探测技术研究和应用的热点和重点。
自然界所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体都会发出红外辐射，红外图像传感器则将探测到的红外辐射转变为人眼可见的图像信息。
红外成像技术涵盖了红外光学、材料科学、电子学、机械工程技术、集成电路技术、图像处理算法等诸多技术，红外成像装置的核心为红外焦平面探测器。
非制冷红外焦平面探测器的工作原理是利用红外辐射的热效应，由红外吸收材料将红外辐射能转换成热能，引起敏感元件温度上升。
敏感元件的某个物理参数随之发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号，以实现对物体的探测。
非制冷红外焦平面探测器分为五大类：热释电型、热电堆型、二极管型、热敏电阻型热电容型。
本文对前四种红外探测器的工作原理进行了详细阐述，并且对每种红外焦平面探测器的关键技术例如读出电路IC技术进行了详细探究，总结了不同类型探测器的优缺点。
关键词：红外探测技术；非制冷红外焦平面探测器；读出电路；敏感元件第一章绪论1.1研究背景及课题意义随着科学技术的飞速发展以及信息社会的到来，各行各业甚至人类日常生活对信息的获取需求与日俱增。
与制冷红外成像系统相比，非制冷红外成像系统可在室温工作，省掉了昂贵且笨重的制冷设备，从而大大减小了系统的体积、成本和功耗；此外还可提供更宽的地频谱响应和更长的工作时间。
国外机构已经为军事用户提供了大量成本低、可靠性更高的高灵敏非制冷红外成像仪。
同众多高新技术一样，红外技术也是由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展的。
红外成像系统可装备各类战术和战略武器，常用于红外预警、侦查、跟踪、导航、夜视、大地测绘和精确制导，是电子战、信息战中获取信息的主要技术之一。
与其他探测方式不同的是，红外探测属于被动探测系统，探测系统并不主动向目标发射探测信号，相反只是通过接受目标红外辐射来完成识别任务。
中国科学院上海微系统所-研发成果
中科院上海微系统与信息技术研究所最新科技成果汇编1.项目名称: 12英寸大硅片研制成功1)成果简介：上海微系统所发起设立的上海新昇半导体科技有限公司采用直拉单晶法成功地拉制出第一根大产率的300 mm硅晶棒,并于11月亮相2016上海工博会，表明300毫米硅片研发线（产能1万片/月）贯通。
2)推广转化：对完善上海的硅材料布局、为我国深亚微米极大规模集成电路产业的发展奠定坚实的衬底基础，未来将有效地形成以硅产业投资公司为旗舰，新傲科技SOI晶圆材料、新昇半导体12英寸大硅片、若干海外控股或参股企业为成员的“航母编队”，在上海建设具有全球影响力的集成电路硅材料产业基地。
3)相关技术或产品/样品图片材料2.项目名称: 窄带物联网技术（NB-IoT）在智慧燃气中的应用研究----智能抄表实践与验证1)成果简介：为解决人工抄表入户难、工作效率低、及时性差等难题，研发了基于NB-IoT的智慧燃气终端模块和第三方检测平台，实现对燃气表具的计量数据实时采集，为建设大数据信息化的智慧燃气奠定了基础。
成果包含两个部分：（1）基于窄带物联网（NB-IoT）的智慧燃气终端模块（2）基于窄带物联网NB-IoT的燃气行业第三方检测平台。
与目前传输技术相比，本终端模块利用商用网络，实现低功耗数据上传，使用寿命可达10年以上（目前其他技术只有5~6年），达到国际先进水平。
3、国内首创，建立了燃气行业第三方检测平台，为上海智慧燃气表具的市场规范准入提供有效的、公平的检测手段。
该平台具有完全的自主知识产权，达到国际先进水平。
2)推广转化：从社会效益看，NB-IoT技术有望成为传统燃气行业智能化产业升级的重要抓手。
降低燃气表日常使用中的用电等成本，降低家庭燃气系统故障带来的风险，将会极大的提高人民群众在智能城市生活中所感受到的幸福感和便利性；而对于燃气企业而言，有助于燃气企业从传统公共事业部门转换角色，成为智能城市信息化时代的引领者，是确保燃气企业紧跟甚至引领智慧城市发展的重要一步。
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微机电系统（MEMS）技术的传感器，能够通过测量红外辐射进行温度测量和识别物体。
MEMS热电堆红外传感器的优点包括高灵敏度、高分辨率、快速响应速度、低功耗和易于集成等。
本文将对MEMS热电堆红外传感器的原理、结构、性能和应用进行介绍和分析。
MEMS热电堆红外传感器的原理基于热电效应，即热能和电能之间的相互转换。
当热电堆受到红外辐射时，热电堆的温度会升高，而热电堆中的热电偶则会产生微弱的电势差。
这个电势差可以被测量，从而确定物体的温度和位置。
MEMS热电堆红外传感器由两个主要部分组成：红外探测器和信号处理电路。
红外探测器使用MEMS技术制造，在探测窗口（也称为探测器区域）上放置一个薄膜热电堆，以便测量来自目标物的红外辐射。
信号处理电路用于放大和滤波从探测器接收到的信号，然后将其转换为数字信号，再由计算机进行分析和处理。
1. 高灵敏度：MEMS热电堆红外传感器具有高灵敏度，可以测量非常微弱的红外辐射，从而实现对低温物体的检测。
2. 高分辨率：MEMS热电堆红外传感器的分辨率通常在0.1°C左右，能够提供高质量的数据和图像。
3. 快速响应速度：MEMS热电堆红外传感器能够快速响应，通常在毫秒级别内完成数据采集和分析，能够应对高速物体的运动和温度变化。
4. 低功耗：MEMS热电堆红外传感器采用CMOS工艺制造，功耗非常低，可以通过微型电池供电，适用于移动应用和无线传输。
5. 易于集成：MEMS热电堆红外传感器具有微型化和集成化的特点，可以与其他MEMS设备和传感器进行集成，从而实现更复杂的功能和应用。
MEMS热电堆红外传感器可以广泛应用于各种领域，如医疗、安防、工业和军事等。
在医疗领域，MEMS热电堆红外传感器可以用于体表温度测量、病人监测和医疗设备控制等方面。
例如，在低温条件下对新生儿的体温进行监测，帮助护士和医生及时发现体温异常，从而采取有效措施。
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微机电系统(MEMS)技术的红外传感器，它利用热电堆原理来检测目标物体辐射的红外辐射，具有体积小、响应速度快、功耗低的特点。
本文将从MEMS热电堆红外传感器的工作原理、技术特点、应用领域等方面进行浅谈，希望能够为读者提供一些关于MEMS热电堆红外传感器方面的基础知识和应用前景。
一、工作原理MEMS热电堆红外传感器利用热电效应来实现红外辐射的探测。
其主要由红外辐射探测单元和信号处理单元两部分组成。
红外辐射探测单元通常由多个微型热电堆阵列组成，这些微型热电堆由微纳米加工工艺制成，并且被喷涂上红外辐射吸收涂层，用于吸收目标物体辐射的红外光能。
当被测物体的红外辐射照射到热电堆上时，热电堆吸收并转换为热能，产生温度差，从而产生热电流。
这一微小的热电流通过电极直接输出到信号处理单元。
信号处理单元通常由模拟前端电路和数字后端电路组成。
模拟前端电路负责放大和滤波热电堆产生的微小信号，并将其转换为数字信号；数字后端电路则负责对信号进行数字处理和解码，并最终输出数字化的红外图像。
MEMS热电堆红外传感器能够通过对微型热电堆产生的微小热电流进行处理，实现对目标物体辐射的红外图像的拍摄和分析。
二、技术特点1. 小型化：MEMS热电堆红外传感器采用微纳米加工技术，可以将红外辐射探测单元制作成微小的尺寸，体积小、重量轻，便于集成到各种便携式设备中，如智能手机、智能家居设备等。
2. 响应速度快：由于MEMS热电堆红外传感器采用微小热电堆进行红外辐射探测，其响应速度比传统红外传感器更快，能够实时捕获目标物体的红外图像，适用于快速移动目标的监测和识别。
3. 低功耗：MEMS热电堆红外传感器采用微型热电堆作为传感器元件，热电堆本身无需外部电源激励，只需要微小的热能输入就能产生微小的热电流，因此功耗较低，适用于便携式设备和长时间连续工作的场景。
4. 高灵敏度：由于采用了微纳米加工技术和红外辐射吸收涂层技术，MEMS热电堆红外传感器具有较高的灵敏度和分辨率，能够对微弱的红外辐射进行探测和测量。
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-1.4x10-5
-1.6x10-5
-1.8x10-5
-5
-4
-3
-2
-1
V (V) gs
(b)
NMOS单管
6.0x10-6
5.0x10-6
4.0x10-6
g (S) m
3.0x10-6
2.0x10-6
XeF 腐 蚀 对 1.0x10-6
0.0 0
2
MOS 器 件 特 性
无明显影响
g (S) m
(c)
CMOS-MEMS 热电堆红外传感器
徐德辉
2016-05-17
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
Vout Rsrad
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
10 Measured
9
Simulated with absorption in TP area
Simulated without absorption in TP area 8
新模型和实验误
2.0x107 1.8x107 1.6x107
Measured Simulated with absorption in TP area Simulated without absorption in TP area
3
差大于50%。
8.0x106 6.0x106
2
4.0x106
400 500 600 700 800 900 1000
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。
00
x 10−7 1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0 1000
800 600 400
Poly length (um) 200
60 40
20 Poly width (um)
噪声电压
50 40 30
20 Poly width (um)
10
Detectivity (cmHz1/2W−1)
0 1000
Detectivity (cmHz1/2W-1)
7 6
差小于7.7%。传 1.4x107
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ5 4
统模型和实验误
1.2x107 1.0x107
3
差大于50%。
8.0x106
2
6.0x106
30
40
50
60
70
80
30
40
50
60
70
80
Number of thermocouples
Number of thermocouples
z
l1 x1 q12
z x2
Φrad l2
Zone 1
Zone 2
Box cover of package
SiO2
厚度：
Poly
Al
Si3N4
d2
Si
热导率：
2.2 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 模型验证
Sensitivity (V/W)
Si
Xe Surface
2F (ADS) Si2+
Si
Si
Si
Si
Si
干法腐蚀，选择性高
F
F
Si
F
F
Surface
Si+
Si+
Si
Si
Si XeF2硅腐蚀原理
Surface
F
F
F Si F
Si
Si
Si
Si
Si
3.1 圆片级XeF2硅腐蚀
降低制作成本，提高效率
圆片级释放√ 芯片级释放×
Lateral etch rate (um/cycle)
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
LR
1.7
R (5) LR
1.6
R (7.5) LR
1.5
R (10) LR
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9 0
20 40 60 80 100 120
Number of etch cycle
横向尺寸效应
释放孔越大， 尺寸效应越 不明显。
Vertical etch rate ratio, R (x) VR
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
Si Sub Well MOS Poly Via Al Dielectric
D/S
layers
XeF2 Post-CMOS工艺流程
Maskless!!
I (A) ds
3.0x10-5 2.5x10-5 2.0x10-5 1.5x10-5 1.0x10-5 5.0x10-6
0.0 0
I before XeF etching
W (m) a
输出电压
热对流影响传感器优化设计规则!!
2.3 多晶硅尺寸与性能的关系
x 10−4
输出电压
8
15
响应率
Sensitivity (V/W)
Response voltage (V)
6 10
4
5 2
Noise vlotage (VHz−1/2)
0 1000
800 600 400
Poly length (um) 200
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
5
4
新模型和实验误 差小于6.6%。传 统模型和实验误
2.0x107 1.8x107 1.6x107 1.4x107 1.2x107 1.0x107
Measured Simulated with absorption in TP area Simulated without absorption in TP area
3.1 XeF2 Post-CMOS模块 5
Output Voltage, Vout (V)
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
NMOS单管一周前后特性
-4
-5
Before XeF etching 2
After XeF etching 2
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
热电偶尺寸和吸收区尺寸固定，改变热电偶对数。
Detectivity (cmHz1/2W-1)
Sensitivity (V/W)
8 Measured
7
Simulated with absorption in TP area
Simulated without absorption in TP area
6
8.0x10-4
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 1.0x10-3
1.0x10-3
0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15
0
r=2.5um r=5um r=7.5um r=10um
20 40 60 80 100 120
Number of etch cycle
纵向腐蚀速率
Lateral etch rate ratio, R (x) LR
1.8
R (2.5)
ds
2
I after XeF etching
ds
2
g before XeF etching
m
2
g after XeF etching
m
2
1
2
3
4
V (V) gs
PMOS单管
1.8x10-5 1.6x10-5 1.4x10-5 1.2x10-5 1.0x10-5 8.0x10-6 6.0x10-6 4.0x10-6 2.0x10-6 0.0 5