TWI452272B - Thermopile sensing element - Google Patents

Description

熱電堆感測元件

本發明是一種熱電堆感測元件，特別是指具三層結構紅外線吸收體之熱電堆感測元件。

熱電堆感測元件在主要是由複數熱電偶串聯構成，熱電偶具有相對兩端，只要該兩端之間有溫度差，熱電偶即可輸出電壓信號，而溫度差越大，熱電偶輸出的電壓信號越大；藉由量測熱電偶輸出電壓的大小，即可推算出待測體的溫度，因此熱電堆感測元件可作為量測溫度使用。

請參考圖8所示，係揭示美國專利第6949286號的熱電堆感測元件，其包含有一基板50，該基板50上形成一開口朝上的空穴51，該基板50上並設有一膜片52且該膜片52覆蓋該空穴51，該膜片52上形成一熱電偶層53，並於該熱電偶層53上局部形成一熱吸收層54；其中熱電偶層53被熱吸收層54覆蓋的區域稱為熱接點，未被熱吸收層54覆蓋的區域稱為冷接點。

當該熱吸收層54吸收紅外線熱能而溫度升高時，係可將溫度直接傳導至熱電偶層53的熱接點上，因冷接點未被熱吸收層54覆蓋，此時熱電偶層53於熱接點的溫度高於冷接點的溫度而產生溫度差，因此熱電偶層53即可輸出電壓訊號。

惟，該美國專利案所揭示的熱吸收層54係由二氧化矽與金(Au)顆粒混合構成的塊體，並非一般電晶體製程所 使用的材料，無法在半導體代工廠裡以廉價的標準製程生產製造，而需導入特殊的材料製程，導致成本提高。

此外，因該熱吸收層54係額外製作，導致其體積較大導致熱容增加，使得與熱容成正比關係的熱反應時間也隨之增加，因此降低元件的熱反應速度。

因此本發明的主要目的是提供一種熱電堆感測元件，使其上的熱吸收層可相容於一般的半導體製程，且可使熱吸收層的體積薄化以降低熱容。

為達前揭目的，本發明所採用的技術手段係令熱電堆感測元件包含有：一基板，具有一空穴；一基底層，係形成在該基板上並覆蓋於該空穴上方；一熱電偶層，形成在該基底層上，其包含有複數串接的熱電偶對，各熱電偶對具有相對兩端，一端形成一熱接點部且位在對應於該空穴上方，另端形成一冷接點部且位在對應於該基板上方；以及一紅外線吸收體，係設置在該熱電偶層上，並與該複數熱電偶對的熱接點部構成熱接觸，該紅外線吸收體包含有：一第一金屬層；一介電質層，形成在該第一金屬層上；及一第二金屬層，形成在該介電質層上。

藉由上述構造，本發明之熱電堆感測元件可達以下功效：

1.該紅外線吸收體係一層狀結構，而可在一般電晶體製程中，以金屬沉積、介電質沉積及蝕刻製程手段完成，而可以低廉的成本生產製造。

2.本發明之熱電堆感測元件可依欲吸收紅外線波段的需求，對應調整第一、第二金屬層的片電阻值與介電值層的厚度與折射率等參數，使紅外線吸收體在特定的紅外線波段有最佳的吸收率，且藉由控制該介電值層的厚度，進而將紅外線吸收體的體積控制在一定的範圍內，使紅外線吸收體的熱容降低而縮短紅外線吸收體的熱反應時間。

請參考圖1與圖2所示，係揭示本發明的一較佳實施例，該熱電堆感測元件包含有一基板10、一基底層20、一熱電偶層30與一紅外線吸收體40。

該基板10具有一空穴100。

該基底層20係形成在該基板10上並覆蓋於該空穴100上方，其中該基底層20可全面覆蓋於空穴100上方；或者該基底層20可形成一蝕刻窗口，而局部地覆蓋在該空穴100上方。

該熱電偶層30形成在該基底層20上，其包含有複數串接的熱電偶對300，各熱電偶對300具有相對兩端，一端形成一熱接點部321且位在對應於該空穴100上方，另端形成一冷接點部322且位在對應於該基板10上方，且該複數熱電偶對300略呈放射狀排列；各熱電偶對300包含有一第一熱電偶31與一第二熱電偶32，其中該第一、第二熱電偶31、32彼此為不同的熱電偶材料製成，該第一熱電偶31形成在該基底層20上，該第二熱電偶32形成在該第一熱電偶31上且連接另一相鄰熱電偶對300的第一熱電偶之上，因此使該複數熱電偶對300構成串接結構；其中有一熱電偶對300的第二熱電偶32未連接另一相鄰熱電偶對300的第一熱電偶31，因此使兩相鄰熱電偶對300彼此分隔，可將該兩熱電偶對定義為一始熱電偶對301與一末熱電偶對302。

該紅外線吸收體40係設置在該熱電偶層30上，並與該複數熱電偶對300的熱接點部321構成熱接觸。

當紅外線吸收體40吸熱而產生溫度變化時，其熱係傳導至該熱電偶層30的熱接點部321，使熱接點部321的溫度相對冷接點部322的溫度升高而產生溫度差，進而從始熱電偶對301與末熱電偶對302輸出電壓訊號，藉由量測該電壓訊號的大小，即可推算溫度變化。

請參考圖3所示，係揭示該紅外線吸收體40的結構，該紅外線吸收體40包含有一第一金屬層41、一介電質層42與一第二金屬層43，該介電質層42形成在該第一金屬層41上，且該第二金屬層43形成在該介電質層42上，使該第一金屬層41、介電質層42與第二金屬層43形成由下而上堆疊的結構，其中該第一金屬層41係作為反射層，而該第二金屬層43具有半透光之特性。

本發明熱電堆感測元件的特點是可針對特定波長的紅外線波段設計出高吸收率的紅外線吸收體40。請參考圖4至圖7所示，係揭示紅外線吸收體40相對不同紅外線波長的熱吸收率波形圖，其中橫軸表示紅外線波長(μm)，縱軸表示紅外線吸收體40對應紅外線波長的吸收率。舉例而言，因熱電堆感測元件通常操作在紅外線波段8~14(μm)，假設欲找出紅外線吸收體40在紅外線波段約在8~14(μm)時，平均熱吸收率可達90%，以下做了四種模擬試驗。

如圖4所示，係先將第一、第二金屬層41、43的片電阻值Rr、Rs與介電質層42的厚度d預設為一定值，本實施例中，係將第一金屬層41的片電阻值Rr設定為1.2(ohm/sq.)，將該第二金屬層43的片電阻值Rs設定為377(ohm/sq.)，將該介電質層42的厚度d設定為1250(nm)，藉由調整介電質層42數種不同的折射率n，得知介電質層42在何種折射率時，可使紅外線吸收體40在紅外線波段於8~14(μm)時達最佳的吸收率。由圖4可以見及，當介電質層42的折射率設定為2時，該紅外線吸收體40於紅外線波段約8~14(μm)時的平均熱吸收率可達90%，一般作法係將介電質層42的折射率設定為1.4以上。

如圖5所示，係先將第一、第二金屬層41、43的片電阻值Rr、Rs與介電質層42的折射率n預設為一定值，本實施例中，係將第一金屬層41的片電阻值Rr設定為1.2(ohm/sq.)，將該第二金屬層43的片電阻值Rs設定為377(ohm/sq.)，將該介電質層42的折射率n設定為2，因此可藉由調整介電質層42數種不同的厚度d，得知介電質 層42在多少厚度d時，使紅外線吸收體40在紅外線波段於8~14(μm)時達最佳的吸收率。由圖5可以見及，當介電質層42的厚度d設定為1250(nm)時，該紅外線吸收體40於紅外線波段約8至14(μm)波段的平均熱吸收率可達90%，一般作法係將介電質層42的厚度d設定為500nm以上。

同樣地，如圖6所示，在本模擬試驗中，係將第一金屬層41的片電阻值Rr設定為1.2(ohm/sq.)，將該介電質層42的折射率n設定為2，將該介電質層42的厚度d設定為1250(nm)，由圖6可以見及，當第二金屬層43的片電阻值Rs設定為300或400(ohm/sq.)時，該紅外線吸收體40於紅外線波段約8至14(μm)波段的平均熱吸收率可達90%，一般作法係將第二金屬層43的片電阻值Rs設定為大於100(ohm/sq.)。

如圖7所示，在本模擬試驗中，係將第二金屬層43的片電阻值Rs設定為377(ohm/sq.)，將該介電質層42的折射率n設定為2，將該介電質層42的厚度d設定為1250(nm)，由圖7可以見及，當第一金屬層41的片電阻值Rr設定為1或10(ohm/sq.)時，該紅外線吸收體40於紅外線波段約8至14(μm)波段的平均熱吸收率皆可達90%，一般作法係將第一金屬層43的片電阻值Rr設定為小於200(ohm/sq.)，例如1到10(ohm/sq.)之間。

綜合以上所述，該紅外線吸收體40係三層的堆疊結構，係可在已知的半導體製程中，以金屬沉積、介電質沉積及蝕刻手段完成，而金屬沉積、介電質沉積及蝕刻製程係目前半導體代工廠可輕易完成，因此可以低廉的成本生產；另一方面，從該熱感測元件的結構而言，且可依欲吸收紅外線波段的需求而對應調整該紅外線吸收體40中，各個組成構件的參數，例如第一、第二金屬層的片電阻值與介電值層的厚度與折射率等，使紅外線吸收體40在期望的紅外線波段內具有最佳的吸收率。

10．．．基板

100．．．空穴

20．．．基底層

30．．．熱電偶層

300．．．熱電偶對

301．．．始熱電偶對

302．．．末熱電偶對

31．．．第一熱電偶

32．．．第二熱電偶

321．．．熱接點部

322．．．冷接點部

40．．．紅外線吸收體

41．．．第一金屬層

42．．．介電質層

43．．．第二金屬層

50．．．基板

51．．．空穴

52．．．膜片

53．．．熱電偶層

54．．．熱吸收層

圖1：本發明熱電堆感測元件之平面示意圖。

圖2：本發明熱電堆感測元件之剖視示意圖。

圖3：紅外線吸收體之剖視圖。

圖4~圖7：本發明熱電堆感測元件之數種較佳實施例紅外線波長相對吸收率的曲線圖。

圖8：以知熱電堆感測元件示意圖。

10．．．基板

100．．．空穴

20．．．基底層

30．．．熱電偶層

31．．．第一熱電偶

32．．．第二熱電偶

40．．．紅外線吸收體

41．．．第一金屬層

42．．．介電質層

43．．．第二金屬層

Claims (7)

1. 一種熱電堆感測元件，其包含有：一基板，具有一空穴；一基底層，係形成在該基板上並覆蓋於該空穴上方；一熱電偶層，形成在該基底層上，其包含有複數串接的熱電偶對，各熱電偶對具有相對兩端，一端形成一熱接點部且位在對應於該空穴上方，另端形成一冷接點部且位在對應於該基板上方；其中各熱電偶對包含有一第一熱電偶與一第二熱電偶，且該第一、第二熱電偶彼此為不同的熱電偶材料製成，該第一熱電偶形成在該基底層上，該第二熱電偶形成在該第一熱電偶上且連接另一相鄰熱電偶對的第一熱電偶之上，使該複數熱電偶對構成串接結構；其中一熱電偶對的第二熱電偶未連接另一相鄰熱電偶對的第一熱電偶而彼此分隔；以及一紅外線吸收體，係設置在該熱電偶層上，並連接該複數熱電偶對的熱接點部以構成熱接觸，該紅外線吸收體包含有：一第一金屬層，其片電阻值小於10(ohm/sq.)；一介電質層，形成在該第一金屬層上；及一第二金屬層，形成在該介電質層上並具有半透光之特性，該第二金屬層的片電阻值為300~400(ohm/sq.)之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熱電堆感測元件，該第一金屬層的片電阻值為1.2(ohm/sq.)，該第二金屬層的片電阻值為377(ohm/sq.)，該介電質層的厚度為 1250(nm)，該介電質層的折射率為2。
3. 如申請專利範圍第1項所述之熱電堆感測元件，該第一金屬層的片電阻值為1.2(ohm/sq.)，該介電質層的厚度為1250(nm)，該介電質層的折射率為2。
4. 如申請專利範圍第1項所述之熱電堆感測元件，該第一金屬層的片電阻值為1到10(ohm/sq.)之間，該第二金屬層的片電阻值為377(ohm/sq.)，該介電質層的厚度為1250(nm)，該介電質層的折射率為2。
5. 如申請專利範圍第1項所述之熱電堆感測元件，該介電質層的折射率大於1.4。
6. 如申請專利範圍第5項所述之熱電堆感測元件，該介電質層的厚度大於500nm。
7. 如申請專利範圍第1項所述之熱電堆感測元件，該基底層係全面覆蓋於空穴上方。