CN103256989A - 提高封闭膜式热电堆探测器导热稳定性的结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高封闭膜式热电堆探测器导热稳定性能的结构，包括一热电堆功能区，在热电堆功能区的四周环绕热电堆功能区设置有立体构造的金属环，所述金属环由具有垂直构造的金属内环和金属外环构成；所述金属内环和金属外环均包含自下而上交替设置的至少一层通孔层和至少一层金属层；通孔层内填充金属材料，连接上下相邻的金属层；金属内环和金属外环之间留有电路走线区；至少有一层金属层在金属内环和金属外环之间延伸，穿透电路走线区，连接金属内环和金属外环；以使得金属内环和金属外环热导通。本发明通过金属环形成的“热短路”效应可以使热电堆功能区实现稳定的导热性能。

Description

提高封闭膜式热电堆探测器导热稳定性的结构

技术领域

本发明涉及一种热电堆探测器的结构，尤其是一种提高封闭膜式热电堆探测器导热过程稳定性的结构。

背景技术

红外探测器是红外***中最关键的元件之一。热电堆红外探测器是较早发展的一种非制冷型红外探测器。其工作原理基于赛贝克效应，即两种不同电导体或半导体材料温度差异导致两种材料之间产生电压差。由于热电堆红外探测器具有体积小，可以室温下工作，宽谱红外辐射响应，能够检测恒定辐射量，并且制备成本低等优势，在安全监视、医学治疗、生命探测等方面有广泛应用。

早期的热电堆红外温度探测器是将热偶材料沉积在塑料或者氧化铝衬底之上获得的，这种方法获得的器件尺寸大，不易批量生产。随着MEMS技术的应用，出现了微机械热电堆红外温度探测器。采用MEMS工艺制作的微机械热电堆红外温度探测器由于能够有效降低其热传导、提高集成度，性能比传统热电堆器件有较大幅度提升。随着MEMS技术的发展，各种MEMS红外线温度探测器开始崭露头角。但其工艺方法多采用背向腐蚀技术，需要双面对准光刻，对设备要求高，方法复杂且与标准CMOS工艺兼容性差。为解决该问题，国内外诸多研究机构充分考虑与CMOS工艺兼容性，提出解决方案，很多文献报道了基于CMOS工艺实现的热电堆探测器。

现有基于MEMS工艺或CMOS工艺的热电堆结构多采用封闭膜结构，以起到良好的隔热效果。对于封闭膜式热电堆探测器，保持热电堆结构稳定的导热性能非常重要。目前为止，国内还没有对该技术的相关研究。由于器件结构的某些不规则性（如热电堆功能区下方的空腔）或者外部环境变化会使得封闭膜式热电堆结构在热传导过程中性能不稳定，从而影响器件的探测精度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提出一种提高封闭膜式热电堆探测器导热稳定性的结构，巧妙地利用微机械制造工艺中的多层金属材料形成了一种新型结构，能使得红外热电堆探测器的热电堆功能区具有稳定导热性能，从而提高热电堆探测器的探测精度。本发明采用的技术方案是：

一种提高封闭膜式热电堆探测器导热稳定性能的结构，包括一热电堆功能区，在热电堆功能区的四周环绕热电堆功能区设置有立体构造的金属环，所述金属环由具有垂直构造的金属内环和金属外环构成；金属内环和金属外环有金属层连通。

进一步地，所述金属内环和金属外环均包含自下而上交替设置的至少一层通孔层和至少一层金属层；通孔层内填充金属材料，连接上下相邻的金属层；金属内环和金属外环之间留有电路走线区；

至少有一层金属层在金属内环和金属外环之间延伸，穿透电路走线区，连接金属内环和金属外环；以使得金属内环和金属外环热导通。

更具体地，

所述金属内环自下而上交替设置有内环下层通孔层、下层金属层、内环第一中间通孔层、内环第一中间金属层、内环第二中间通孔层、内环第二中间金属层、内环第三中间通孔层、上层金属层；

对应于金属内环的自下而上交替的各通孔层和金属层，相应地，所述金属外环自下而上交替设置有外环下层通孔层、下层金属层、外环第一中间通孔层、外环第一中间金属层、外环第二中间通孔层、外环第二中间金属层、外环第三中间通孔层、上层金属层；

下层金属层和上层金属层在金属内环和金属外环之间延伸，穿透电路走线区，连接金属内环和金属外环。

进一步地，金属内环和金属外环互相平行设置。

进一步地，金属内环的各层金属层、通孔层与金属外环的各对应的金属层、通孔层在垂直方向上等高分布；

进一步地，金属内环和金属外环的各通孔层内填充的金属材料为钨。

进一步地，金属内环和金属外环的各金属层的材料为铜或铝。

本发明的优点：本结构可以使金属环与热电堆探测器内的介质充分接触，有利于热传导，形成“热短路”效应。通过金属环形成的“热短路”效应可以使热电堆功能区实现稳定的导热性能，稳定的导热性能可以提高探测器探测精度。

附图说明

图1为本发明的红外热电堆探测器平面示意图。

图2为金属环的下层金属层局部俯视图。        图3为图2的剖视图。

图4为内外环的第一中间通孔层局部俯视图。    图5为图4的剖视图。

图6为内外环的第一中间金属层局部俯视图。    图7为图6的剖视图。

图8为内外环的第二中间通孔层局部俯视图。    图9为图8的剖视图。

图10为内外环的第二中间金属层局部俯视图。   图11为图10的剖视图。

图12为内外环的第三中间通孔层局部俯视图。   图13为图12的剖视图。

图14为金属环的上层金属层局部俯视图。       图15为图14的剖视图。

图16为保护层或钝化层局部俯视图。

图17为金属环结构的剖视图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明涉及的红外热电堆探测器平面示意图。热电堆探测器包括一热电堆功能区101，热电堆功能区101中具有热电堆结构104，热电堆结构104的热端105位于热电堆功能区101的中央位置，热电堆结构104的冷端106位于热电堆功能区101的***位置。热电堆功能区101的工作原理基于赛贝克效应，即通过在热电堆结构104的冷端106和热端105间形成温度差，产生热电流或热电压等电学参数输出。热电堆功能区101上覆盖有保护层或钝化层210（见图17所示），保护层或钝化层210的材料通常为氮化硅。刻蚀孔102穿透热电堆功能区101上的保护层或钝化层210延伸至硅基底200（见图2或图17），通过刻蚀孔102可以使热电堆功能区101下方的硅基底区域被刻蚀释放，从而在热电堆功能区101下方形成空腔226（见图17）。

在上述的红外热电堆探测器的基础上作进一步的改进，得到下面的结构。

如图1和图17所示，在热电堆功能区101的四周环绕热电堆功能区101设置有立体构造的金属环103，所述金属环103由具有垂直构造的金属内环103-2和金属外环103-1构成；金属内环103-2和金属外环103-1有金属层连通。

下面是一个具体的实施例，如图2至图17所示，图17是对应于图1中虚线区域111的剖视图。所形成的金属环103包括多层金属层和多层通孔层。金属环103位于硅基底200之上，由金属导热材料组成。金属环103包括相互平行设置的金属内环103-2和金属外环103-1。所述金属内环103-2和金属外环103-1均包含自下而上交替设置的至少一层通孔层和至少一层金属层；通孔层内填充金属材料，连接上下相邻的金属层；金属内环103-2和金属外环103-1之间留有电路走线区300。

具体来说，所述金属内环103-2自下而上交替设置有内环下层通孔层104-2、下层金属层204、内环第一中间通孔层105-2、内环第一中间金属层203-2、内环第二中间通孔层106-2、内环第二中间金属层202-2、内环第三中间通孔层107-2、上层金属层201；

对应于金属内环103-2的自下而上交替的各通孔层和金属层，相应地，所述金属外环103-1自下而上交替设置有外环下层通孔层104-1、下层金属层204、外环第一中间通孔层105-1、外环第一中间金属层203-1、外环第二中间通孔层106-1、外环第二中间金属层202-1、外环第三中间通孔层107-1、上层金属层201；

下层金属层204和上层金属层201在金属内环103-2和金属外环103-1之间延伸，穿透电路走线区300，连接金属内环103-2和金属外环103-1；从而使得金属内环103-2和金属外环103-1热导通。

金属内环103-2的各层金属层、通孔层与金属外环103-1的各对应的金属层、通孔层在垂直方向上等高分布；金属内环103-2和金属外环103-1的各通孔层内填充的金属材料为钨。金属内环103-2和金属外环103-1的各金属层的材料为铜或铝。通过并行设置并互相连接的金属内外环，以及金属内外环的垂直构造，可以使金属环103与热电堆探测器内的介质充分接触，有利于热传导，形成“热短路”效应。当热电堆功能区101的四周各部位温度不一致时，迅速地进行热传导。通过金属环103形成的“热短路”效应可以使热电堆功能区101实现稳定的导热性能，稳定的导热性能可以提高探测器探测精度。

以上所述为本发明的较佳实施例，并用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种提高封闭膜式热电堆探测器导热稳定性能的结构，包括一热电堆功能区(101)，其特征在于：

在热电堆功能区(101)的四周环绕热电堆功能区(101)设置有立体构造的金属环(103)，所述金属环(103)由具有垂直构造的金属内环(103-2)和金属外环(103-1)构成；金属内环(103-2)和金属外环(103-1)有金属层连通。

2.如权利要求1所述的提高封闭膜式热电堆探测器导热稳定性能的结构，其特征在于：所述金属内环（103-2）和金属外环（103-1）均包含自下而上交替设置的至少一层通孔层和至少一层金属层；通孔层内填充金属材料，连接上下相邻的金属层；金属内环（103-2）和金属外环（103-1）之间留有电路走线区（300）；

至少有一层金属层在金属内环（103-2）和金属外环（103-1）之间延伸，穿透电路走线区（300），连接金属内环（103-2）和金属外环（103-1）；以使得金属内环（103-2）和金属外环（103-1）热导通。

3.如权利要求2所述的提高封闭膜式热电堆探测器导热稳定性能的结构，其特征在于：

所述金属内环(103-2)自下而上交替设置有内环下层通孔层(104-2)、下层金属层(204)、内环第一中间通孔层(105-2)、内环第一中间金属层(203-2)、内环第二中间通孔层(106-2)、内环第二中间金属层(202-2)、内环第三中间通孔层(107-2)、上层金属层(201)；

对应于金属内环(103-2)的自下而上交替的各通孔层和金属层，相应地，所述金属外环(103-1)自下而上交替设置有外环下层通孔层(104-1)、下层金属层(204)、外环第一中间通孔层(105-1)、外环第一中间金属层(203-1)、外环第二中间通孔层(106-1)、外环第二中间金属层(202-1)、外环第三中间通孔层(107-1)、上层金属层(201)；

下层金属层(204)和上层金属层(201)在金属内环(103-2)和金属外环(103-1)之间延伸，穿透电路走线区(300)，连接金属内环(103-2)和金属外环(103-1)。

4.如权利要求3所述的提高封闭膜式热电堆探测器导热稳定性能的结构，其特征在于：所述金属内环（103-2）和金属外环（103-1）互相平行设置。

5.如权利要求3所述的提高封闭膜式热电堆探测器导热稳定性能的结构，其特征在于：金属内环（103-2）的各层金属层、通孔层与金属外环（103-1）的各对应的金属层、通孔层在垂直方向上等高分布。

6.如权利要求3所述的提高封闭膜式热电堆探测器导热稳定性能的结构，其特征在于：金属内环（103-2）和金属外环（103-1）的各通孔层内填充的金属材料为钨。

7.如权利要求3所述的提高封闭膜式热电堆探测器导热稳定性能的结构，其特征在于：金属内环（103-2）和金属外环（103-1）的各金属层的材料为铜或铝。

Images