微机械热电堆红外探测器的设计.pdf

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1、万方数据76传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2008年第27卷第5期}妒ppp≯q，≈设计与制造‰№p_一《p《^、’}微机械热电堆红外探测器的设计张萍，周汉昌，都晓剑(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室。山西太原030051)摘要：阐述了微机械热电堆的设计原理、所用材料及主要结构，并研究了3x3阵列的微机械制造工艺，该热电堆结构支撑结构为氮化硅一氧化硅～氮化硅的复合介质膜。热电偶材料采用多晶硅和铝，热电偶采用并列排布的结构，对冷端覆盖

2、了绝热层，用以提高热电堆的探测率。由于该制作工艺与标准Ic工艺兼容，使得硅基热电堆红外探测器得到了越来越广泛的应用。关键词：热电堆；红外；微电子机械系统中图分类号：TN215文献标识码：A文章编号：1000--9787(2008)05-0076—03DesignofmicromachinedthermoelectricinfrareddetectorZHANGPing，ZHOUHan—chang，HAOXiao-jian(KeyLaboratoryofInstrumentationScience&Dy

3、namicMeasurement，MinistryofEducationNorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China)Abstract：Designmechanism，materialandstructureofamicromaehinedinfraredthermopilearepresented，anda3x3planararrayisstudiedbyMEMSprocess．Thesupportingfilmofthermopilesiscomposedo

4、fsiliconnitrideandsiliconoxideandsiliconnitridedielectriclayers．Polysiliconandaluminumareadoptedasthermocouplematerials．Thermocoupleusesparallelarrangementofthestructure，andcold—endiscoveredbytheinsulationlayertoimprovethedetectionrate．Itsprocessiscompa

5、tiblewiththes陌ndardintegratedcircuit(IC)process，whichmakesthermoelectricinfrareddetectorbasedsiliconwidelyuse．Keywords：thermopile；infrared；MEMS0引言红外探测器可探测红外区域的电磁波，波长范围为0．75-1000斗m，有着广泛的民用和军用价值。红外热电堆探测器是利用热电压效应将红外辐射信号转换为电信号输出⋯，与一般的红外探测器相比，微机械红外热堆探测器的优点在于

6、体积小、重量轻，可以工作在室温；具有高的灵敏度和非常宽的频谱响应；与标准lc工艺兼容，成本低廉，且适合批量生产【2J。这使得它在非接触式测温、功率计、红外报警、频谱仪、自动开关、医用气体分析仪等方面得到了广泛的应用，最新的研究成果是将其设计成阵列，制成非制冷红外地平仪，应用于小卫星姿态测量。1设计原理热电堆探测器是根据塞贝克效应设计而成的，所以，热电堆应由热电势差别大的材料组成热偶对，同时，热偶对必须放在接收辐射能量时会产生高温差r的结构上，为了增加输出电压，采用多个热偶对串联而成。理想热电偶探测器设

7、计要考虑如下3个主要因素”J：收稿日期：2007--12—281)响应率：在给定的辐射能量与吸收率的条件下，响应率应最大；2)时间常数：在设计中应选择所需要的时间常数；3)探测率：合理设计产生热噪音的电阻抗，以使系统取得最大的信噪比。1．1影响响应率的参数热电堆的响应率表述为：当辐射垂直入射到器件响应面时，器件开路输出电压与入射功率之比，由定义可以推导出响应率与相关参数的关系式也=掣竽，式中Ⅳ为热偶对的对数；d．。为热偶对的温差电动势率(即塞贝克系数)；8为吸收系数；A。为热结吸收辐射的面积；A。为黑

8、体辐射的面积；尺，为器件热结区到冷结区的热阻。由式(1)可知，在A。与A。之比一定时，R，与，v，R，，占成正比。1．2热电偶材料的选择首先，选材与IC2E艺兼容；其次，考虑优化系数瓦值。万方数据第5期张萍，等：微机械热电堆红外探测器的设计热电偶的特性可以用构成热电偶的2种材料之间的S静beek系数口¨和z咐来描述‘‘1。z咐定义为铲菇冒’(2)式中k^，kB分别为热电偶材料A和B的热导率；or^，orB为热电偶材料的电导率。由式(2)可知，理想热电偶材