CN111239479B - 集成化自校准辐射功率传感芯片及辐射功率测量方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种集成化自校准辐射功率传感芯片，增加薄膜金属层，薄膜金属层能够将吸收层吸收的辐射功率带来的温度变化转化为电阻变化，通过导电电极测量电阻可以实现辐射功率传感。因此，通过测量薄膜金属层的电阻值可以与热电堆层测得的电压值两种方式所得到的辐射功率进行相互检验，同时向薄膜金属层输入电流，薄膜金属层发热加热热电堆层的热端，通过该热量模拟辐射功率引起的加热，可以实现对传感芯片的校准。
Description
技术领域
本申请属于传感芯片技术领域，尤其是涉及一种集成化自校准辐射功率传感芯片及辐射功率测量方法。
背景技术
功率是辐射最重要的参量，功率的准确计量和测试对辐射的安全使用和准确认知的基础。常见的辐射例如：微波、毫米波、光、THz和射线等，均为电磁波辐射，其功率测试均通过功率传感器进行，功率传感器实现高频辐射功率转化为直流功率，并使用直流功率对辐射功率传感器进行校准。
现有的辐射功率传感器包含：功率吸收单元、功率转换单元、信号输出单元。功率吸收单元负责吸收辐射功率，要求吸收率逼近100％。功率转换单元负责将辐射转换成直流可测量(热电效应或者雪崩效应类半导体效应)，信号输出单元负责实现直流可测量输出。
然而现有的辐射功率传感器无法进行校准操作，导致在使用环境或者本身状态发生变化时，不能对辐射功率传感器的精度进行调整。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中的不足，从而提供一种集成化自校准辐射功率传感芯片。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种集成化自校准辐射功率传感芯片，包括：
包括：
衬底层；
吸收层，设置在衬底层的表面中央，用于吸收电磁辐射；
热电堆层，包括：P型部、N型部和交替地串联连接P型部和N型部的配线，热电堆层为多个热电偶被串联连接形成的部件配置成热电偶束得到的构造体，各个热电偶通过将P型部和N型部组合起来，在配线处构成从热端开始到冷端折返的往复形式，所述吸收层吸收电磁辐射后，能够加热热电堆层的热端，使热端和冷端产生温度差；
薄膜金属层，为具有电阻能够随温度而变化的薄膜金属材料，设置于所述热端处，能够将吸收层吸收的辐射功率转化为电阻变化；所述薄膜金属层还能够接受外部的电流。
优选地，本发明的集成化自校准辐射功率传感芯片，所述衬底层为Si、SOI或者GaAs半导体基板材料。
优选地，本发明的集成化自校准辐射功率传感芯片，所述吸收层为黑体材料，所述黑体材料包括碳纳米管网络、碳纳米管垂直阵列、碳纳米管水平阵列、碳纳米管复合材料、黑漆、黑漆与碳管复合物、黑漆与石墨复合物或者黑鳞。
优选地，本发明的集成化自校准辐射功率传感芯片，所述吸收层为羟基铁复合材料、TaN、NiCr或者碳化硅；
或者所述吸收层为TaN和硅。
优选地，本发明的集成化自校准辐射功率传感芯片，所述吸收层为金属材料且位于薄膜金属层和热电堆层上方，且所述吸收层与薄膜金属层和热电堆层之间设置有绝缘层。
优选地，本发明的集成化自校准辐射功率传感芯片，
所述吸收层为金属材料且所述吸收层位于所述衬底层上未设置有薄膜金属层和热电堆层的一面。
优选地，本发明的集成化自校准辐射功率传感芯片，所述衬底层上未设置有薄膜金属层和热电堆层的一面与热端相对应的区域具有凹槽。
优选地，本发明的集成化自校准辐射功率传感芯片，所述热电堆层由沿衬底层中轴线两侧分布的第一部分和第二部分连接，第一部分和第二部分连接串联连接，靠近衬底层中轴线的配线构成了热端，远离衬底层中轴线的配线构成了冷端。
本发明还提供一种辐射功率测量方法，使用上述的集成化自校准辐射功率传感芯片，包括以下步骤：
向所述薄膜金属层输入电流I0，测量所述热电堆层的热端和冷端的电压，记录设定电压值V；
使待检测功率的电磁辐射照射到所述吸收层上；
再测量所述热电堆层的热端和冷端的电压，调整向所述薄膜金属层输入的至电流I1，使所述热电堆层的热端和冷端的电压与设定电压值V相等；
待检测功率的电磁辐射的功率值为(I0-I1)·V。
本发明的有益效果是：
本发明的集成化自校准辐射功率传感芯片，增加薄膜金属层，薄膜金属层能够将吸收层吸收的辐射功率带来的温度变化转化为电阻变化，通过导电电极测量电阻可以实现辐射功率传感。因此，通过测量薄膜金属层的电阻值可以与热电堆层测得的电压值两种方式所得到的辐射功率进行相互检验，同时向薄膜金属层输入电流，薄膜金属层发热加热热电堆层的热端，通过该热量模拟辐射功率引起的加热，可以实现对传感芯片的校准。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本申请实施例的集成化自校准辐射功率传感芯片的俯视图；
图2是本申请实施例的去掉吸收层后的集成化自校准辐射功率传感芯片的俯视图；
图中的附图标记为：
2 吸收层；
3 热电堆层；
4 薄膜金属层；
11 凹槽；
13 配线；
31 P型部；
32 N型部；
33 引出电极；
41 导电电极。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
实施例1
本实施例提供一种集成化自校准辐射功率传感芯片，如图1所示，包括：
衬底层，为Si、SOI或者GaAs半导体基板材料，衬底层的背面具有凹槽11；其中SOI衬底-SOI，即绝缘衬底上的硅，在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层，SOI为Si/SiO2/Si三层结构，凹槽11设置在与热端相对应的区域，如图2所示，为沿衬底层中轴线抠空的长方形区域，通过凹槽11在热端使衬底层的厚度降低，降低了此处的热容，提高热端和冷端之间的温度差；
吸收层2，以能够接受来自检测对象的电磁辐射的方式配置。对于不同的电磁辐射，吸收层2的材料不同，对于光学和太赫兹频段，使用黑体材料，黑体材料包括碳纳米管网络、碳纳米管垂直阵列、碳纳米管水平阵列、碳纳米管复合材料、黑漆、黑漆与碳管复合物、黑漆与石墨复合物、黑鳞以及其他能够涂覆在热敏层和热电偶层上其他黑体；对于微波频段，使用羟基铁复合材料、TaN、NiCr、碳化硅等，或者与薄膜金属层4和热电堆层3之间绝缘的金属类材料，或者将金属类材料做在衬底层背面；对于毫米波频段，使用TaN和硅作为吸收层2，可做到衬底层背面；
热电堆层3，包括：P型部31、N型部32和交替地串联连接P型部31和N型部32的配线13，热电堆层3为多个热电偶被串联连接形成的部件配置成热电偶束得到的构造体，各个热电偶通过将P型部和N型部组合起来，构成从热端和冷端任意一方开始并在另一方折返的往复形式的配线13，热电堆层3由沿衬底层中轴线两侧分布的第一部分和第二部分连接，第一部分和第二部分连接串联连接，靠近衬底层中轴线的配线13构成了热端，远离衬底层中轴线的配线13构成了冷端，吸收层2吸收电磁辐射后，能够加热热电堆层3的热端，使热端和冷端产生温度差，使用热电堆层3，可将辐射功率直接转化为电压信号，实现辐射功率传感。P型部31和N型部32，分别与两个引出电极33连接，P型部31和N型部32两种材料的塞贝克系数有差别即能在冷端和热端出现温差时输出电压，该输出电压通过测量两个引出电极33的电压即可测量出。常用的热电堆层3可以是p-Si/n-Si,Si/Al,Si/Au等。
薄膜金属层4，薄膜金属层4具备热敏和校准两个功能，为电阻-温度为线性关系的薄膜金属材料(即为具有电阻能够随温度而变化的薄膜金属材料)，具有电阻-温度敏感特性。薄膜金属层4具有导电电极41，薄膜金属层4能够将吸收层2吸收的辐射功率带来的温度变化转化为电阻变化，通过导电电极41测量电阻可以实现辐射功率传感。薄膜金属层4同时做为校准层使用，加热热电堆层3的热端，使直流加热功率与辐射功率引起的加热效果等效，实现直流校准，校准传感器。
上述实施例的集成化自校准辐射功率传感芯片，增加薄膜金属层4，薄膜金属层4能够将吸收层2吸收的辐射功率带来的温度变化转化为电阻变化，通过导电电极41测量电阻可以实现辐射功率传感。因此，通过测量薄膜金属层4的电阻值可以与热电堆层3测得的电压值两种方式所得到的辐射功率进行相互检验，同时向薄膜金属层4输入电流，薄膜金属层4发热加热热电堆层3的热端，通过该热量模拟辐射功率引起的加热，可以实现对传感芯片的校准。
实施例2
本实施例提供一种辐射功率测量方法，使用实施例1所述的集成化自校准辐射功率传感芯片，包括以下步骤：
向所述薄膜金属层4输入电流I0，测量所述热电堆层3的热端和冷端的电压，记录设定电压值V；
使待检测功率的电磁辐射照射到所述吸收层2上；
再测量所述热电堆层3的热端和冷端的电压，调整向所述薄膜金属层4输入的至电流I1，使所述热电堆层3的热端和冷端的电压与设定电压值V相等(由于电压值V相等，因此热端的温度也是保持不变的)；
待检测功率的电磁辐射的功率值为(I0-I1)·V。
上述方法就是将导电电极41与直流电连接，向薄膜金属层4输入直流电进而使所述薄膜金属层4产生直流功率。通过导电电极41的通电，从而可以在辐射前在薄膜金属层4上预先施加一个直流功率，薄膜金属层4保持在一个温度，热电堆层3因热端与冷端的温度差而输出电压。辐射功率辐射到吸收层2后，温度升高，可以减小加在薄膜金属层4上的直流功率，使温度保持不变，此时，热电堆层3就可以用来监测温度变化，薄膜金属层4上减少的直流功率即为辐射功率。此功能可以使传感器作为辐射计量基标准芯片使用。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种集成化自校准辐射功率传感芯片，其特征在于，包括：
包括：
衬底层；
吸收层(2)，设置在衬底层的表面中央，用于吸收电磁辐射；
热电堆层(3)，包括：P型部(31)、N型部(32)和交替地串联连接P型部(31)和N型部(32)的配线(13)，热电堆层(3)为多个热电偶被串联连接形成的部件配置成热电偶束得到的构造体，各个热电偶通过将P型部(31)和N型部(32)组合起来，在配线(13)处构成从热端开始到冷端折返的往复形式，所述吸收层(2)吸收电磁辐射后，能够加热热电堆层(3)的热端，使热端和冷端产生温度差；
薄膜金属层(4)，为具有电阻能够随温度而变化的薄膜金属材料，设置于所述热端处，能够将吸收层(2)吸收的辐射功率转化为电阻变化；所述薄膜金属层(4)还能够接受外部的电流。
2.根据权利要求1所述的集成化自校准辐射功率传感芯片，其特征在于，所述衬底层为Si、SOI或者GaAs半导体基板材料。
3.根据权利要求1或2所述的集成化自校准辐射功率传感芯片，其特征在于，所述吸收层(2)为黑体材料，所述黑体材料包括碳纳米管网络、碳纳米管垂直阵列、碳纳米管水平阵列、碳纳米管复合材料、黑漆、黑漆与碳管复合物、黑漆与石墨复合物或者黑鳞。
4.根据权利要求1或2所述的集成化自校准辐射功率传感芯片，其特征在于，所述吸收层(2)为羟基铁复合材料、TaN、NiCr或者碳化硅；
或者所述吸收层(2)为TaN和硅。
5.根据权利要求1或2所述的集成化自校准辐射功率传感芯片，其特征在于，所述吸收层(2)为金属材料且位于薄膜金属层(4)和热电堆层(3)上方，且所述吸收层(2)与薄膜金属层(4)和热电堆层(3)之间设置有绝缘层。
6.根据权利要求1或2所述的集成化自校准辐射功率传感芯片，其特征在于，
所述吸收层(2)为金属材料且所述吸收层(2)位于所述衬底层上未设置有薄膜金属层(4)和热电堆层(3)的一面。
7.根据权利要求1或2所述的集成化自校准辐射功率传感芯片，其特征在于，所述衬底层上未设置有薄膜金属层(4)和热电堆层(3)的一面与热端相对应的区域具有凹槽(11)。
8.根据权利要求7所述的集成化自校准辐射功率传感芯片，其特征在于，所述热电堆层(3)由沿衬底层中轴线两侧分布的第一部分和第二部分连接，第一部分和第二部分连接串联连接，靠近衬底层中轴线的配线(13)构成了热端，远离衬底层中轴线的配线(13)构成了冷端。
9.根据权利要求8所述的集成化自校准辐射功率传感芯片，其特征在于，所述凹槽(11)沿所述衬底层中轴线布置。
10.一种辐射功率测量方法，使用权利要求1-9任一项所述的集成化自校准辐射功率传感芯片，其特征在于，包括以下步骤：
向所述薄膜金属层(4)输入电流I0，测量所述热电堆层(3)的热端和冷端的电压，记录设定电压值V；
使待检测功率的电磁辐射照射到所述吸收层(2)上；
再测量所述热电堆层(3)的热端和冷端的电压，调整向所述薄膜金属层(4)输入的至电流I1，使所述热电堆层(3)的热端和冷端的电压与设定电压值V相等；
待检测功率的电磁辐射的功率值为(I0-I1)·V。
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