本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)，具體涉及一種mems熱電堆結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、在醫(yī)療、工業(yè)及智能家居等溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，mems熱電堆溫度傳感器基于seebeck效應(yīng)將紅外輻射導(dǎo)致的溫度變化轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)的輸出，因其成本低、精度高及監(jiān)測(cè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究。隨著熱電堆像元陣列數(shù)量增加，敏感元尺寸不斷縮小，迫切的需要提高熱電堆敏感元件的響應(yīng)率。

2、熱電堆敏感元件的響應(yīng)率計(jì)算公式可表示為：

3、

4、式中為入射紅外輻射功率，為熱電堆輸出電壓，當(dāng)測(cè)試條件不變時(shí)，不變；和分別為兩種熱偶材料的塞貝克系數(shù)，其與材料和批量制備工藝相關(guān)，改動(dòng)相對(duì)困難；為熱電堆熱偶條對(duì)的數(shù)量，為熱電堆冷熱兩端的溫差。從式中可知，提高、可以有效增加熱電堆輸出電壓，從而增強(qiáng)熱電堆溫度傳感器的響應(yīng)率。因此，目前mems熱電堆的研究方向主要集中在提高對(duì)數(shù)和溫差。

5、傳統(tǒng)的熱偶條布局有經(jīng)典四端結(jié)構(gòu)、“x”型四端結(jié)構(gòu)、方形輻射結(jié)構(gòu)、圓形輻射結(jié)構(gòu)等，但是經(jīng)典四端結(jié)構(gòu)空間利用率低，中心及邊緣四角區(qū)域通常被浪費(fèi)，導(dǎo)致熱偶條對(duì)的數(shù)量較?。弧皒”型四端結(jié)構(gòu)邊緣熱端溫度相對(duì)較低，從而溫差小，輸出有待提升；方形輻射結(jié)構(gòu)熱偶條長度不均且其冷端溫度不均導(dǎo)致線性度及長期穩(wěn)定性不佳。傳統(tǒng)圓形輻射結(jié)構(gòu)熱偶條冷熱端之間長度小熱阻低，冷端占空比低，導(dǎo)致溫差小，輸出性能受到限制。

6、傳統(tǒng)的熱偶條截面形狀不變，限制了空間利用率及整體電導(dǎo)率的提升，進(jìn)而阻礙了傳感器輸出性能的進(jìn)一步增強(qiáng)。

7、此外，傳統(tǒng)熱電堆的兩種熱偶材料通常制備在同一層支撐膜上，即單層熱電堆結(jié)構(gòu)，熱偶條數(shù)量n較低。通過制備雙層熱電堆結(jié)構(gòu)可以有效提高熱偶條數(shù)量n，從而提升熱電堆的輸出電壓。而目前雙層熱電堆的結(jié)構(gòu)普遍采用p型多晶硅和n型多晶硅形成的熱偶條并采用鋁等金屬作為互連導(dǎo)線，其要求先制備第一多晶硅層、絕緣夾層、第二多晶硅層并分別摻雜離子，然后再圖案化各膜層，最后制備金屬互連導(dǎo)線連接，其結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，成本高。

8、鑒于以上，有必要提供一種mems熱電堆結(jié)構(gòu)及其制備方法，優(yōu)化熱偶條布局結(jié)構(gòu)，制備出低成本、高精度及高響應(yīng)率的mems熱電堆溫度傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述傳統(tǒng)熱偶條布局空間利用率較低、冷端溫度不均勻、冷端熱端溫差較小以及pn結(jié)型器件工藝兼容性較差導(dǎo)致mems熱電堆溫度傳感器響應(yīng)率較低、線性度較差、成本較高等問題，本發(fā)明提供了一種mems熱電堆結(jié)構(gòu)及其制備方法，提高了mems熱電堆溫度傳感器的響應(yīng)率、線性度、穩(wěn)定性等傳感性能，同時(shí)其制備工藝兼容性好，可以低成本批量生產(chǎn)。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種mems熱電堆結(jié)構(gòu)，包括襯底，所述襯底上依次設(shè)置有支撐膜ⅰ和支撐膜ⅱ，所述支撐膜ⅱ上設(shè)置有電極和若干從熱端向冷端以輻射狀布置的熱偶條組；所述熱偶條組為曲線形，包括自下至上依次設(shè)置的第二熱偶條、絕緣夾層和第一熱偶條；所述支撐膜ⅱ、電極和熱偶條組成的結(jié)構(gòu)上覆蓋有紅外吸收層及鈍化層；所述第二熱偶條和電極的材料相同；

4、所述第二熱偶條末端向下延伸與第一熱偶條末端連接形成熱電堆的冷端，首端通過串聯(lián)導(dǎo)線與沿順時(shí)針或逆時(shí)針方向相鄰的第一熱偶條首端連接形成熱電堆的熱端；其中，一組熱偶條組中的第一熱偶條和第二熱偶條的末端分別于兩個(gè)電極連接。

5、進(jìn)一步的，所述第一熱偶條和第二熱偶條的形狀一致，均為c形或者s形。

6、進(jìn)一步的，由所述支撐膜ⅰ和支撐膜ⅱ組成的復(fù)合支撐膜為輻射熱擴(kuò)散一致的圓形。

7、進(jìn)一步的，所述第一熱偶條和第二熱偶條在長度方向等縱截面或變縱截面。

8、進(jìn)一步的，所述第一熱偶條和第二熱偶條的垂直空間布局重疊或偏移。

9、進(jìn)一步的，所述襯底刻蝕有至支撐膜ⅰ的熱隔離腔體。

10、進(jìn)一步的，由所述支撐膜ⅰ和支撐膜ⅱ組成的復(fù)合支撐膜為全封閉膜或者沿著熱偶條間隔位置開槽的開放膜片。

11、進(jìn)一步的，所述第一熱偶條的材料為摻雜多晶硅或金屬；所述第二熱偶條的材料為al、au、ag或ni；所述電極的材料為al、au、ag或ni，所述串聯(lián)導(dǎo)線和第二熱偶條的材料相同。

12、進(jìn)一步的，所述支撐膜ⅰ和支撐膜ⅱ為氧化硅薄膜或氮化硅薄膜；所述紅外吸收層及鈍化層為氮化硅薄膜。

13、第二方面，本發(fā)明提供一種mems熱電堆結(jié)構(gòu)的制備方法，

14、包括以下步驟：

15、s1、在襯底上依次制備一層支撐膜ⅰ和一層支撐膜ⅱ；

16、s2、在支撐膜ⅱ上制備一層多晶硅薄膜；離子注入摻雜多晶硅形成摻雜多晶硅并激活；第一次光刻圖案化摻雜多晶硅，形成若干第一熱偶條；

17、s3、在步驟s2得到的結(jié)構(gòu)表面制備一層絕緣介質(zhì)薄膜，第二次光刻圖案化所述絕緣介質(zhì)薄膜，形成絕緣夾層；

18、s4、在步驟s3得到的結(jié)構(gòu)表面第三次光刻圖案化，并制備一層金屬，剝離形成第二熱偶條、串聯(lián)導(dǎo)線及電極；經(jīng)過退火工藝使第一熱偶條與第二熱偶條在連接處形成歐姆接觸；

19、s5、在步驟s4得到的結(jié)構(gòu)表面制備一層氮化硅薄膜作為紅外吸收層及鈍化層，進(jìn)行第四次光刻圖案化，刻蝕裸露出電極；

20、s6、在襯底背面刻蝕熱隔離腔體直至支撐膜ⅰ，切割獲得mems熱電堆芯片。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益的技術(shù)效果：

22、本發(fā)明將輻射狀布局的熱偶條通過彎曲設(shè)計(jì)縮短了冷端處相鄰熱偶條之間的間距，提高了熱偶條的空間利用率，增加了熱偶條的熱阻，從而使熱偶條冷熱兩端的溫差變大，提高了熱電堆的輸出性能，達(dá)到mems熱電堆溫度傳感器電學(xué)性能增強(qiáng)的效果；雙層熱偶條的mems熱電堆設(shè)計(jì)相比于傳統(tǒng)單層mems熱電堆，可以在敏感元面積及工藝條件不變的情況下增加一倍的熱偶條數(shù)量，使其串聯(lián)后輸出的電壓增強(qiáng)一倍，從而有效地提高紅外熱電堆溫度傳感器的響應(yīng)率；此外，第二熱偶材料為與串聯(lián)導(dǎo)線和電極相同的al、au、ag、ni等金屬材料，可以實(shí)現(xiàn)金屬熱偶條、串聯(lián)導(dǎo)線及金屬電極同時(shí)制備，極大地簡(jiǎn)化了雙層mems熱電堆的制備工藝，在保證其電學(xué)性能的基礎(chǔ)上降低了其制備成本；該mems熱電堆結(jié)構(gòu)不僅可以優(yōu)化圓形輻射狀熱偶條布局，提高其熱偶條空間利用率，更有利于實(shí)現(xiàn)器件的微型化、高性能化。

23、進(jìn)一步的，復(fù)合支撐膜采用圓形結(jié)構(gòu)，與中心熱傳導(dǎo)規(guī)律一致，可以保障多個(gè)熱偶條冷端溫度的均勻性，進(jìn)而提高mems熱電堆傳感器輸出的電壓信號(hào)的線性度及穩(wěn)定性。

24、進(jìn)一步的，變截面熱偶條設(shè)計(jì)可以有效提高電導(dǎo)率、并提高冷端紅外光反射以降低冷端受紅外輻照的影響，進(jìn)而提高傳感器輸出。

25、本發(fā)明提供的一種mems熱電堆結(jié)構(gòu)的制備方法，通過圖案化，在同一層金屬薄膜上形成第二熱偶條、串聯(lián)導(dǎo)線及電極，簡(jiǎn)化了雙層mems熱電堆的制備工藝，在保證其電學(xué)性能的基礎(chǔ)上降低了其制備成本。

技術(shù)特征：

1.一種mems熱電堆結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括襯底（1），所述襯底（1）上依次設(shè)置有支撐膜?。?）和支撐膜ⅱ（3），所述支撐膜ⅱ（3）上設(shè)置有電極（8）和若干從熱端向冷端以輻射狀布置的熱偶條組；所述熱偶條組為曲線形，包括自下至上依次設(shè)置的第二熱偶條（6）、絕緣夾層（5）和第一熱偶條（4）；所述支撐膜ⅱ（3）、電極（8）和熱偶條組成的結(jié)構(gòu)上覆蓋有紅外吸收層及鈍化層（7）；所述第二熱偶條（6）和電極（8）的材料相同；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種mems熱電堆結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一熱偶條（4）和第二熱偶條（6）的形狀一致，均為c形或者s形。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種mems熱電堆結(jié)構(gòu)，其特征在于，由所述支撐膜ⅰ（2）和支撐膜ⅱ（3）組成的復(fù)合支撐膜為輻射熱擴(kuò)散一致的圓形。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種mems熱電堆結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一熱偶條（4）和第二熱偶條（6）在長度方向等縱截面或變縱截面。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種mems熱電堆結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一熱偶條（4）和第二熱偶條（6）的垂直空間布局重疊或偏移。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種mems熱電堆結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底（1）刻蝕有至支撐膜?。?）的熱隔離腔體。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種mems熱電堆結(jié)構(gòu)，其特征在于，由所述支撐膜?。?）和支撐膜ⅱ（3）組成的復(fù)合支撐膜為全封閉膜或者沿著熱偶條間隔位置開槽的開放膜片。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種mems熱電堆結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一熱偶條（4）的材料為摻雜多晶硅或金屬；所述第二熱偶條（6）的材料為al、au、ag或ni；所述電極（8）的材料為al、au、ag或ni，所述串聯(lián)導(dǎo)線（9）和第二熱偶條（6）的材料相同。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種mems熱電堆結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支撐膜?。?）和支撐膜ⅱ（3）為氧化硅薄膜或氮化硅薄膜；所述紅外吸收層及鈍化層（7）為氮化硅薄膜。

10.權(quán)利要求1所述的一種mems熱電堆結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種MEMS熱電堆結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，MEMS熱電堆結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一次設(shè)置的襯底、支撐膜Ⅰ和支撐膜Ⅱ，支撐膜Ⅱ上設(shè)置有電極和若干從熱端向冷端以輻射狀布置的熱偶條組；熱偶條組為曲線形，包括自下至上依次設(shè)置的第二熱偶條、絕緣夾層和第一熱偶條；支撐膜Ⅱ、電極和熱偶條組成的結(jié)構(gòu)上覆蓋有紅外吸收層及鈍化層；第二熱偶條和電極的材料相同；第二熱偶條末端向下延伸與第一熱偶條末端連接形成熱電堆的冷端，首端通過與相鄰的第一熱偶條首端連接形成熱電堆的熱端；一組熱偶條的第一熱偶條和第二熱偶條的末端分別于兩個(gè)電極連接。提高了MEMS熱電堆溫度傳感器的響應(yīng)率、線性度、穩(wěn)定性等傳感性能。

技術(shù)研發(fā)人員：夏勇,唐昊,趙立波,韓香廣,賈琛,趙陽,單王珍,景蔚萱
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15