CMOS-MEMS热电堆红外传感器

1、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
Absorber Structure layer
Thremocouple
缺点: • 释放时间长！ • CMOS兼容性差！ • 选择性差！
缺点:
Silicon substrate
• 结构黏附！
• CMOS兼容性差！
• 性能低！
1、 热电堆红外传感器发展方向
z x2
Zone 1
Φ rad
l2 Zone 2
Box cover of package
SiO2
厚度：
Poly
Al
Si3N4
d2
Si
热导率：
2.2 模型求解
吸收区边界条件：
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 10
8 7 6 5 4 3 2
8 7 6 5 4 3 2
7
1.0x107
8.0x106
6.0x106
Measured Simulated with absorption in TP area Simulated without absorption in TP area
30
40
50
60
70
80
Number of thermocouples
Number of thermocouples
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
传统CMOS-MEMS技术
DRIE 高成本，离子损伤
XeF2硅腐蚀 低成本，无损伤
只在平面方向集成
通过键合在垂直 方向提高集成度
模型验证
Measured Simulated with absorption in TP area Simulated without absorption in TP area
新模型和实验误 差小于7.7%。传
统模型和实验误 差大于50%。
2.0x107
7
11..68xx11007
1.4x107
.
7
11..24xx11007 1.0x107 8.0x106 6.0x106 4.0x106
Measured Simulated with absorption in TP area Simulated without absorption in TP area
400 500 600 700 800 900 1000
热电偶尺寸和吸收区尺寸固定，改变热电偶对数。
Measured Simulated with absorption in TP area Simulated without absorption in TP area
新模型和实验误 差小于6.6%。传
统模型和实验误 差大于50%。
2.0x107 1.8x107 1.6x107
CMOS-MEMS 热电堆红外传感器
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
塞贝克效应
VR
out
s rad
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 测温
红外成像[2]
5.6x10-4
5.5x10-4
5.4x10-4
5.3x10-4
1.5x10-2 1.4x10-2 1.3x10-2 1.2x10-2 1.1x10-2 1.0x10-2 9.0x10-3 8.0x10-3 7.0x10-3 6.0x10-3 5.0x10-3 4.0x10-3 3.0x10-3 2.0x10-3
结构
等效 W a
Wpoly
W
Al
Wspace
W + +…+
etch
l2
+ +…+
பைடு நூலகம்
2 Wetch
Wa N /8 Wa 0.5
W
a
N /8
l1
0.5
W
a
N/8
Wa
N /8
材料等效
Hot junction
Absorber
Cold junction
传感器结构
h21
h22
h11
h12
Φrad
d1
q12
z
l1 x1 q12
2.1 CMOS-MEMS热电堆红外传感器
传统微机械热电堆红外传感器 热电偶区和吸收区无释放孔
CMOS-MEMS热电堆红外传感器 热电偶区和吸收区有释放孔
传统热电堆红外传感器模型不适用CMOS-MEMS热电堆红外传感 器！！
2.2 模型建立
Etching window
Thermocouple
Output electrode
400 500 600 700 800 900 1000
Thermocouple length (um)
Thermocouple length (um)
热电偶对数和吸收区尺寸固定，改变热电偶长度。
2.3 吸收区尺寸与性能的关系
6.0x10-4 5.9x10-4
air vacuum
5.8x10-4
5.7x10-4
红外 气体 探测
航姿控制[3]
[1] G.R. Lahiji and K.D. Wise. A monolithic thermopile detector fabricated using integrated-circuit technology. IEDM, 1980,26:676-679 [2]A.Schaufelbuhl, N. Schneeberger, U. Munch, M. Waelti, O. Paul, O. Brand, H. Baltes, C. Menolfi, Q. Huang, E. Doering and M. Loepfe. Uncooled Low-Cost Thermal Imager Based on Micromachined CMOS Integrated Sensor Array. JMEMS, 2001, 10:503-510. [3] A.W. Herwaarden. Low-cost satellite attitude control sensors based on integrated infrared detector arrays. IEEE Trans. Instrum. Meas. 2001, 50:1524-1529
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
微机械热电堆红 外探测器圆片
硅基红外滤光片 真空键合
采用圆片键合制作热电堆红外传感器示意图
效率低，尺寸大
划片
焊接
真空封装红 外探测器
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