CN106784277B - 整合电容的热电堆感测结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种整合电容的热电堆感测结构。整合电容的热电堆感测结构包含：基板、红外线感应单元及分隔(partition)结构。红外线感应单元位于基板上，红外线感应单元具有第一感应结构及第二感应结构，其中第一感应结构及第二感应结构彼此相近的一端为热端(Hot junction)。分隔结构围绕红外线感应单元，其中分隔结构与第一感应结构彼此相近的一端为一冷端(Cold junction)，分隔结构与该第二感应结构彼此相近的一端为另一冷端。其中，热端与冷端间的温度差产生电压差讯号，且其中，分隔结构的一部分构成至少一电容。

Description

整合电容的热电堆感测结构

技术领域

本发明涉及一种整合电容的热电堆感测结构，特别是指一种整合有MIM电容及/或PIP电容，以节省芯片面积并降低噪声的整合电容的热电堆感测结构。

背景技术

请参考图1并对照图2。图1显示现有技术的热电堆感测结构应用于温度感测模块的功能方块图。图2显示现有技术的热电堆感测结构的剖面图。现有技术的温度感测模块100包含一现有热电堆感测结构10、一噪声过滤器81、一噪声过滤器82、一差分放大器Amp、一模拟数字转换器ADC及一温度传感器80。热电堆感测结构10通过温度差的变化产生一电压差讯号VDS，以此方式感应温度。热电堆感测结构10所产生的电压差讯号输出后，通过噪声过滤器81及噪声过滤器82的处理而输入至差分放大器Amp。差分放大器Amp将讯号处理后输入至模拟数字转换器ADC。模拟数字转换器ADC亦接收温度传感器80所输出的一温度讯号TS。噪声过滤器81及噪声过滤器82分别具有电容C1及电容C2。此外，温度感测模块100尚包含一电容C3。在此现有技术中，电容C1、电容C2、热电堆感测结构10为三个独立分开、各自封装的零件。

请参考图2。现有热电堆感测结构10包含：一基板11；一红外线感应单元16，位于基板11上；红外线感应单元16具有一第一感应结构161及一第二感应结构162，其中第一感应结构161及第二感应结构162彼此相近的一端为一热端(Hot junction)H；以及一分隔(partition)结构15，围绕红外线感应单元16，其中分隔结构15与第一感应结构161彼此相近的一端为一冷端(Cold junction)C，分隔结构15与第二感应结构162彼此相近的一端为另一冷端C，其中，热端H与冷端C间的温度差产生一电压差讯号VDS。为使红外线感应单元16更精确地感应讯号，此现有技术还设置一滤光层14，通过一结合层13而连接于热电堆感测结构10的本体。

以CMOS工艺来制作此现有热电堆感测结构10时，分隔结构15通常包含多晶硅层poly1、多层的金属层M1-M4(举例显示为四层，但数目不限于为四)、以及多层的沟道层V。第一感应结构161及第二感应结构162由金属层M1与多晶硅层poly1构成。各电性结构之间以介电质层12来绝缘。电压差讯号VDS的传送则通过晶体管电路17来达成。

在此现有技术中，如前所述，在热电堆感测结构10至电路的路径上会设置电容C1、C2以过滤噪声，而电容C1、电容C2、热电堆感测结构10三者为三个独立分开、各自封装的零件。此一现有技术的缺点是整体电路较耗面积且成本较高。

有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种整合有MIM电容及/或PIP电容，以节省芯片面积并降低噪声的整合电容的热电堆感测结构。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种整合电容的热电堆感测结构，能够整合MIM电容及/或PIP电容，以节省芯片面积并降低噪声。

为达上述目的，就其中一观点言，本发明提供了一种整合电容的热电堆感测结构，包含：一基板；一红外线感应单元，位于该基板上，从一垂直切开该基板的剖面图视之，该红外线感应单元具有一第一感应结构及一第二感应结构，其中该第一感应结构及该第二感应结构彼此相近的一端为一热端(Hot junction)；以及一分隔(partition)结构，围绕该红外线感应单元，其中该分隔结构与该第一感应结构彼此相近的一端为一冷端(Coldjunction)，该分隔结构与该第二感应结构彼此相近的一端为另一冷端，该热端与该冷端间的温度差产生一电压差讯号，且该分隔结构的一部分构成至少一电容。

在一种较佳的实施型态中，该电容为一金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)电容或一多晶硅-绝缘体-多晶硅(Polysilicon-Insulator-Polysilicon,PIP)电容。

在上述较佳的实施型态中，该分隔结构包含叠置的多个金属层与多个沟道层，且该MIM电容包含由金属层构成的上下极板。

在上述较佳的实施型态中，该分隔结构包含叠置的多个金属层、多个沟道层及多个多晶硅层，且该PIP电容包含由多晶硅层构成的上下极板。

在一种较佳的实施型态中，整合电容的热电堆感测结构还包含：一介电质层，位于该基板上，其中该红外线感应单元与该分隔结构形成于该介电质层之中。

在上述较佳的实施型态中，整合电容的热电堆感测结构还包含：一结合层，位于该介电质层上；以及一滤光层，用以过滤除了红外线以外的讯号，该滤光层通过该结合层与该介电质层相连。

在一种较佳的实施型态中，该热端与该冷端间的温度差经由一晶体管电路处理而产生该电压差讯号，该晶体管电路形成于该基板上。

为达上述目的，就另一观点言，本发明提供了一种整合电容的热电堆感测结构，包含：一基板，具有一空腔；一红外线感应单元，位于该基板上，该红外线感应单元具有一第一半导体堆叠结构，其中该第一半导体堆叠结构位于该空腔处的一端为一热端；以及一分隔结构，位于该红外线感应单元周边，其中该分隔结构与该第一半导体堆叠结构彼此相近的一端为一冷端，该热端与该冷端间的温度差产生一电压差讯号，该分隔结构的一部分构成至少一电容。

在一种较佳的实施型态中，该分隔结构的至少一部分的膜层与该第一半导体堆叠结构的膜层为相同膜层。

在一种较佳的实施型态中，该至少一电容为一金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)电容或一多晶硅-绝缘体-多晶硅(Polysilicon-Insulator-Polysilicon,PIP)电容。

在一种较佳的实施型态中，该第一半导体堆叠结构包括两层互相连接的热传导材料，其中，该其中的一层热传导材料的Seebeck系数不同于该其中的另一层热传导材料的Seebeck系数。

在一种较佳的实施型态中，整合电容的热电堆感测结构还包含：一第二半导体堆叠结构，其中该第一半导体堆叠结构及该第二半导体堆叠结构彼此相近的一端为该热端，该分隔结构与该第一半导体堆叠结构彼此相近的一端为该冷端，该分隔结构与该第二半导体堆叠结构彼此相近的一端为另一冷端。

在一种较佳的实施型态中，该分隔结构的至少一部分的膜层与该第二半导体堆叠结构的膜层为相同膜层。

以下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1显示现有技术的热电堆感测结构应用于温度感测模块的功能方块图；

图2显示现有技术的热电堆感测结构的剖面图；

图3显示本发明的热电堆感测结构应用于温度感测模块的功能方块图；

图4显示本发明的整合电容的热电堆感测结构的第一实施例的剖面图；

图5显示本发明的整合电容的热电堆感测结构的第二实施例的剖面图；

图6显示本发明的整合电容的热电堆感测结构的第三实施例的剖面图。

图中符号说明

〔现有技术〕

100 温度感测模块

10 热电堆感测结构

11 基板

11A 空腔

12 介电质层

13 结合层

14 滤光层

15 分隔结构

16 红外线感应单元

161 第一感应结构

162 第二感应结构

17 晶体管电路

C 冷端

M1～M4 金属层

Poly1 多晶硅层

H 热端

V 沟道层

80 温度传感器

81 噪声过滤器

82 噪声过滤器

C1～C3 电容

Amp 差分放大器

ADC 模拟数字转换器

TS 温度讯号

VDS 电压差讯号

〔本发明〕

200 温度感测模块

20、30、40 整合电容的热电堆感测结构

11 基板

11A 空腔

12 介电质层

13 结合层

14 滤光层

25 分隔结构

25A MIM电容

26 分隔结构

26B PIP电容

27 分隔结构

16 红外线感应单元

161 第一感应结构

162 第二感应结构

17 晶体管电路

C 冷端

M1～M4 金属层

M3A 金属层

Poly1 多晶硅层

Poly2 多晶硅层

H 热端

V 沟道层

71 噪声过滤器

72 噪声过滤器

80 温度传感器

C1～C3 电容

Amp 差分放大器

ADC 模拟数字转换器

TS 温度讯号

VDS 电压差讯号

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。本发明中的图式均属示意，主要意在表示各装置以及各元件之间的功能作用关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。

请参考图3并对照图4。图3显示本发明的热电堆感测结构应用于温度感测模块的功能方块图。图4显示本发明的整合电容的热电堆感测结构的第一实施例的剖面图。本实施例的温度感测模块200包含一整合电容的热电堆感测结构20、一差分放大器Amp、一模拟数字转换器ADC及一温度传感器80。与现有技术的温度感测模块100不同的是：现有技术的温度感测模块100在现有热电堆感测结构10之外，另外设置噪声过滤器13及噪声过滤器14(即热电堆感测结构10、电容C1、电容C2为三个分开制造、独立封装的元件)。然而，本实施例的整合电容的热电堆感测结构20将噪声过滤器13及噪声过滤器14整合在热电堆感测结构20当中。其中，噪声过滤器13及噪声过滤器14分别具有电容C1及电容C2。意即，本实施例的热电堆感测结构20整合了电容C1及电容C2在单一封装之内(关于电容C1及电容C2如何被整合于热电堆感测结构20的半导体结构特征及细节，容后详述)。

热电堆感测结构20的设计原理是利用Seebeck效应。其原理为导电材料内部若存在不同的温度差，则会产生不同的热电动势，因此若给予材料两端(即如图4所示的热端H与冷端C)不同的温度，便会有电压差产生，且通过使用不同的导电材料来进行温度感应，可以放大此电压差讯号。简言之，本实施例的整合电容的热电堆感测结构20通过热端H与冷端C(如图4所示)间的温度差的变化产生一电压差讯号VDS(如图3所示)，以此方式感应温度。

热电堆感测结构20所产生的电压差讯号VDS经由内部所整合的噪声过滤器13及噪声过滤器14处理后，予以输出。输出的电压差讯号VDS被输入至差分放大器Amp。差分放大器Amp将讯号处理后输入至模拟数字转换器ADC。为使讯号稳定，在差分放大器Amp的两输入端之间可设置一电容C3。此外模拟数字转换器ADC例如但不限于可另接收温度传感器80所输出的一温度讯号TS作为参考。温度感测模块的电路运作方式为现有技术，在此不详细叙述。

请参考图4。本实施例的整合电容的热电堆感测结构20包含：一基板11、一红外线感应单元16、一分隔(partition)结构25、一结合层13以及一滤光层14。基板11例如但不限于为硅基板。基板11具有一空腔11A。红外线感应单元16位于基板11上，可用以感应红外线。在一实施例中，红外线感应单元16用以感应远红外线。

在一实施例中，从一垂直切开该基板的剖面图(例如图4)视之，红外线感应单元16可具有至少一个一第一感应结构161及一第二感应结构162。如图4所示，第一感应结构161例如但不限于可为一第一半导体堆叠结构，在一实施例中，其具有至少两层热传导材料，而这两层热传导材料的Seebeck系数彼此不同。在一实施例中，第一感应结构161包含，由上至下，例如但不限于，一金属层M1及一多晶硅层Poly1。如图4所示，第二感应结构162例如但不限于可为一第二半导体堆叠结构，在一实施例中，其具有至少两层热传导材料，而这两层热传导材料的Seebeck系数彼此不同。在一实施例中，第一感应结构161包含，由上至下，例如但不限于，一金属层M1及一多晶硅层Poly1。金属层M1和多晶硅层Poly1的材料都为热传导材料，但值得注意的是，金属层M1的Seebeck系数不同于多晶硅层Poly1的Seebeck系数。在此实施例中，第一感应结构161及第二感应结构162彼此为对称设置。在这样的设置中，第一感应结构161及第二感应结构162彼此相近的一端(靠近空腔11A处的一端)为一热端(Hotjunction)H。分隔结构15位于红外线感应单元16周边并围绕着红外线感应单元16，其中分隔结构25与第一感应结构161彼此相近的一端为一冷端(Cold junction)C，分隔结构25与第二感应结构162彼此相近的一端为另一冷端C。如上所述，本实施例的整合电容的热电堆感测结构20通过热端H与冷端C间的温度差产生一电压差讯号VDS，以此方式感应温度。

值得注意的是，红外线感应单元16不必须一定得具有两个对称设置的感应结构(即161和162)。在另一实施例中，红外线感应单元16可以仅具有一个感应结构(例如但不限于可为上述的第一半导体堆叠结构，即第一感应结构161)。在这样的设置中，第一感应结构161位于空腔11A的一端为热端(Hot junction)H。分隔结构15与第一感应结构161彼此相近的一端为冷端(Cold junction)C。类似地，在这样的设置中，如上所述，本实施例的整合电容的热电堆感测结构20通过热端H与冷端C间的温度差产生一电压差讯号VDS，以此方式感应温度。更详言之，在其中一种实施例中，从剖面图视之，红外线感应单元16可以仅具有一个感应结构而为非对称形状。或者，在另一实施例中，从俯视图观之，感应结构是由前述的半导体堆叠结构，以热端H延伸处为圆心、以冷端C为圆周所围绕而成的一个扇形或圆形，此情况下，从剖面图(例如图4)视之，红外线感应单元16具有对称的两个感应结构，但该两感应结构实际上属于同一个半导体堆叠结构的不同位置。以上所述皆属本发明的范围。此外，本实施例具有介电质层12，其位于基板11上。在一实施例中，介电质层12例如但不限于为二氧化硅(SiO2)，其在本实施例中用以作为一种吸收红外线讯号的材料。本实施例的红外线感应单元16与分隔结构25形成于介电质层12之中。

结合层13位于介电质层12上。滤光层14通过结合层13与介电质层12相连。滤光层14可以帮助整合电容的热电堆感测结构20过滤除了红外线以外的讯号。

滤光层14容许从某一待测物(图未示)而来的红外线的温度讯号穿越。在一实施例中，滤光层14的厚度例如但不限于可以为5～15μm。在一实施例中，滤光层14的材料例如但不限于可以为聚乙烯(Polyethylene,简称PE)、聚丙烯(Polypropylene/Polypropene,简称PP)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate,简称PET)。滤光层14的作用除了滤光之外，尚可防止脏污进入热电堆感测结构20之中。

红外线感应单元16所产生的电压差可经由一外部电路来处理而产生前述电压差讯号VDS；此外部电路例如但不限于为一晶体管电路17(如图4所示)，其形成于基板11之中。

在一较佳实施方式中，本实施例的热电堆感测结构20可以利用半导体的CMOS标准工艺来制作。其中，可在硅基板11上利用多晶硅、金属、二氧化硅的沉积与蚀刻等，构成晶体管电路17、红外线感应单元16、分隔结构15及介电质层12，再于后工艺中，利用例如但不限于背面硅体型蚀刻技术来蚀刻硅基板11，以形成如图4所示的基板11的形状，再以晶圆黏合技术来黏合结合层13与滤光层14。

本实施例的特点在于：分隔结构25的一部分构成至少一电容。如图4所示，在一实施例中，分隔结构可包含叠置的四个金属层(例如：铝)M1～M4与多个沟道层V(例如：钨)，此外并可包含一层或更多层的多晶硅层(本实施例显示为Poly1)。但本发明不限于此实施例所示的叠层数目、材料、顺序、与布局图案，可以为不同数目和材料的金属层及沟道层的叠层，又叠层的前后顺序及布局方式可以有不同变化(例如最上方可为沟道层V)。如图4所示，在一实施例中，分隔结构25的金属层M1与第一感应结构161(上述的第一半导体堆叠结构)的金属层M1为相同膜层，且分隔结构25的多晶硅层Poly1与第一感应结构161的多晶硅层Poly1为相同膜层。在一实施例中，分隔结构25的金属层M1与第二感应结构162(上述的第二半导体堆叠结构)的金属层M1为相同膜层，且分隔结构25的多晶硅层Poly1与第二感应结构162的多晶硅层Poly1为相同膜层。

上述金属层M1～M4与沟道层V是采用一般CMOS工艺的概念来描述，对应于微电子电路的半导体结构中，内联机(interconnection)中的金属层次序。但值得注意的是，本实施例中在金属层M3与M4之间，另包含一金属层M3A。金属层M4、绝缘层(即介电质层12的一部分)、及金属层M3A组成一个金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)电容25A，由金属层M4构成上极板及由金属层M3A构成下极板。此MIM电容25A即可作为前述的电容C1或C2，因此，本发明可将电容C1及/或C2整合在热电堆感测结构20之内，大幅减少整体温度感测模块的面积与制造成本。

请参考图5，其显示本发明的整合电容的热电堆感测结构的第二实施例的剖面图。本实施例的整合电容的热电堆感测结构30类似于第一实施例的整合电容的热电堆感测结构20，其差别在于：在本实施例的整合电容的热电堆感测结构30中，如图5所示，分隔结构除了包含叠置的四个金属层(例如：铝)M1～M4、多个沟道层V(例如：钨)外，包含两个多晶硅层Poly1与Poly2。上述金属层M1～M4、沟道层V与多晶硅层Poly1与Poly2可采一般CMOS工艺完成，与前述实施例相似，本发明不限于此实施例所示的叠层数目、材料、顺序、与布局图案。在图5所示的实施例中，两个多晶硅层Poly1与Poly2构成一个多晶硅-绝缘体-多晶硅(Polysilicon-Insulator-Polysilicon,PIP)电容26B，由多晶硅层Poly2构成上极板及由多晶硅层Poly1构成下极板。此PIP电容26B即可作为前述的电容C1或C2，因此，本发明可将电容C1及/或C2整合在热电堆感测结构30之内，大幅减少整体温度感测模块的面积与制造成本。

请参考图6，其显示本发明的整合电容的热电堆感测结构的第三实施例的剖面图。本实施例的整合电容的热电堆感测结构40类似于前述实施例的整合电容的热电堆感测结构20与30，其差别在于：热电堆感测结构40的分隔结构27包含MIM电容25A以及PIP电容26B。意即，本实施例的热电堆感测结构40既具有MIM电容25A也具有PIP电容26B。本实施例的结构可以在较小面积下，制作较大的电容。

相较于现有技术，本实施例的整合电容的热电堆感测结构20、30、40可以免除外置电容的需求，并有效减少模块面积；此外，将电容由外置改为内置，也有降低传输噪声的效果，因此优于现有技术。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。例如，本发明的金属层及沟道层的个数不限于实施例所示，可为其他个数。凡此种种，皆可根据本发明的教示类推而得，因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。此外，本发明的任一实施型态不必须达成所有的目的或优点，因此，权利要求任一项也不应以此为限。

Claims (13)

1.一种整合电容的热电堆感测结构，其特征在于，包含：

一基板，具有一表面平面及垂直于该表面平面的一法线方向；

一红外线感应单元，位于该基板上，该红外线感应单元具有一第一感应结构及一第二感应结构，其中该第一感应结构及该第二感应结构彼此之间形成一热端；以及

一分隔结构，沿该法线方向延伸，并且，于该表面平面上，围绕该红外线感应单元，其中该分隔结构与该第一感应结构彼此之间形成一冷端，该分隔结构与该第二感应结构彼此之间形成另一冷端，该热端与该冷端间的温度差产生一电压差讯号，该分隔结构的一部分构成至少一电容，

其中，该电容具有一上极板及一下极板，其中，沿该法线方向上视之，该上极板位于比该下极板更高的位置。

2.如权利要求1所述的整合电容的热电堆感测结构，其中，该电容为一金属-绝缘体-金属MIM电容或一多晶硅-绝缘体-多晶硅PIP电容。

3.如权利要求2所述的整合电容的热电堆感测结构，其中，该分隔结构包含叠置的多个金属层与多个沟道层，且该MIM电容包含由金属层构成的该上极板与该下极板。

4.如权利要求2所述的整合电容的热电堆感测结构，其中，该分隔结构包含叠置的多个金属层、多个沟道层及多个多晶硅层，且该PIP电容包含由多晶硅层构成的该上极板与该下极板。

5.如权利要求1所述的整合电容的热电堆感测结构，其中，还包含：

一介电质层，位于该基板上，其中该红外线感应单元与该分隔结构形成于该介电质层之中。

6.如权利要求5所述的整合电容的热电堆感测结构，其中，还包含：

一结合层，位于该介电质层上；以及

一滤光层，用以过滤除了红外线以外的讯号，该滤光层通过该结合层与该介电质层相连。

7.如权利要求1所述的整合电容的热电堆感测结构，其中，该热端与该冷端间的温度差经由一晶体管电路处理而产生该电压差讯号，该晶体管电路形成于该基板上。

8.一种整合电容的热电堆感测结构，其特征在于，包含：

一基板，具有一空腔，其中，该基板具有一表面平面及垂直于该表面平面的一法线方向；

一红外线感应单元，位于该基板上，该红外线感应单元具有一第一半导体堆叠结构，其中该第一半导体堆叠结构位于该空腔处的一端为一热端；以及

一分隔结构，沿该法线方向延伸，并且，于该表面平面上，位于该红外线感应单元周边，其中该分隔结构与该第一半导体堆叠结构彼此之间形成一冷端，该热端与该冷端间的温度差产生一电压差讯号，该分隔结构的一部分构成至少一电容，

其中，该电容具有一上极板及一下极板，其中，沿该法线方向上视之，该上极板位于比该下极板更高的位置。

9.如权利要求8所述的整合电容的热电堆感测结构，其中，该分隔结构的至少一部分的膜层与该第一半导体堆叠结构的膜层为相同膜层。

10.如权利要求8所述的整合电容的热电堆感测结构，其中，该至少一电容为一金属-绝缘体-金属MIM电容或一多晶硅-绝缘体-多晶硅PIP电容。

11.如权利要求8所述的整合电容的热电堆感测结构，其中，该第一半导体堆叠结构包括两层互相连接的热传导材料，其中，该其中的一层热传导材料的Seebeck系数不同于该其中的另一层热传导材料的Seebeck系数。

12.如权利要求8所述的整合电容的热电堆感测结构，其中，还包含：

一第二半导体堆叠结构，其中该第一半导体堆叠结构及该第二半导体堆叠结构彼此之间形成该热端，该分隔结构与该第一半导体堆叠结构彼此之间形成该冷端，该分隔结构与该第二半导体堆叠结构彼此之间形成另一冷端。

13.如权利要求12所述的整合电容的热电堆感测结构，其中，该分隔结构的至少一部分的膜层与该第二半导体堆叠结构的膜层为相同膜层。