上海微系统所-CMOS-MEMS热电堆红外传感器.pdf

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1、CMOS-MEMS热电堆红外传感器徐德辉2016-05-17大纲一．热电堆红外传感器概述二．器件模型三．CMOS-MEMS关键工艺四．CMOS-MEMS热电堆红外传感器五．总结1、热电堆红外传感器VRoutsrad塞贝克效应热电偶红外传感器1、热电堆红传感器结构1、热电堆红外传感器红外红外气体测温探测红外成像[2]航姿控制[3][1]G.R.LahijiandK.D.Wise.Amonolithicthermopiledetectorfabricatedusingintegrated-circuittechnology.IEDM,1980,26:676-679[2]A.Schau

2、felbuhl,N.Schneeberger,U.Munch,M.Waelti,O.Paul,O.Brand,H.Baltes,C.Menolfi,Q.Huang,E.DoeringandM.Loepfe.UncooledLow-CostThermalImagerBasedonMicromachinedCMOSIntegratedSensorArray.JMEMS,2001,10:503-510.[3]A.W.Herwaarden.Low-costsatelliteattitudecontrolsensorsbasedonintegratedinfrareddetectorarrays

3、.IEEETrans.Instrum.Meas.2001,50:1524-15291、传统热电堆红外传感器湿法腐蚀背面释放热电堆结构正面释放热电堆结构AbsorberStructurelayerThremocoupleSiliconsubstrate缺点:缺点:•释放时间长！•结构黏附！•CMOS兼容性差！•CMOS兼容性差！•选择性差！•性能低！1、热电堆红外传感器发展方向目标高性价比热电堆红外传感器传统热电堆红外传感器CMOS-MEMS热电堆红外传感器分立器件工艺+湿法硅腐蚀制作CMOS工艺+干法硅腐蚀制作成品率低、集成度低、性价比低成品率高、集成度高、性价比高DRIEXeF硅腐蚀

4、2高成本，离子损伤低成本，无损伤传统CMOS-MEMS技术通过键合在垂直只在平面方向集成方向提高集成度1、热电堆红外传感器发展方向-真空封装传统热电堆红外传感器模块制作示意图效率低，尺寸大微机械热电堆红硅基红外滤光片外探测器圆片划片焊接真空键合真空封装红外探测器采用圆片键合制作热电堆红外传感器示意图效率高，尺寸小大纲一．热电堆红外传感器概述二．器件模型三．CMOS-MEMS关键工艺四．CMOS-MEMS热电堆红外传感器五．总结2.1CMOS-MEMS热电堆红外传感器传统微机械热电堆红外传感器CMOS-MEMS热电堆红外传感器热电偶区和吸收区无释放孔热电偶区和吸收区有释放孔传统热电堆红外

5、传感器模型不适用CMOS-MEMS热电堆红外传感器！！2.2模型建立WWAlWspace结构polyEtchinglThermocouple2window++…+++…+WOutputetch2WWelectrodeWaa等效etch0.5N/8N/8WW0.5al1WaaWN/8aN/8材料等效Boxcoverofkfpackageh21h22AbsorberSiO厚度：Hot2junctionColdh11h12PolyjunctionAlΦradd1q12Si3N4Φradzl1Si热导率：xq12d21传感器结构zl2x2Zone1Zone22.2模型求解吸收区边界条件：

6、热电偶区边界条件：热结区温度条件：冷热结温差：响应率：探测率：2.2模型验证107Measured2.0x10Measured9SimulatedwithabsorptioninTPareaSimulatedwithabsorptioninTParea1.8x107SimulatedwithabsorptioninTPareaSimulatedwithoutabsorptioninTParea)8-1SimulatedwithoutabsorptioninTParea7新模型和实验误W1.6x1071/271.4x106差小于7.7%。传ity(V/W)mHz7vc12x101.2x1

7、057统模型和实验误1.0x104Sensiti68.0x103差大于50%。62Detectivity(6.0x10304050607080304050607080NumberofthermocouplesNumberofthermocouples热电偶尺寸和吸收区尺寸固定，改变热电偶对数。87Measured2.0x10Measured7SimulatedwithabsorptioninTParea71.8x10Simulatedwitha