CMOS-MEMS热电堆红外传感器

2.0x10
6 5 4 3 2 400 500 600 700 800 900 1000
新模型和实验误 差小于6.6%。传 统模型和实验误 差大于50%。
1.8x10 1.6x10 1.4x10 1.2x10 1.0x10 8.0x10 6.0x10 4.0x10
1/2
Measured Simulated with absorption in TP area Simulated without absorption in TP area
CMOS-MEMS 热电堆红外传感器
大纲
一．热电堆红外传感器概述 传 二．器件模型 三．CMOS-MEMS关键工艺 四 CMOS-MEMS 四． CMOS MEMS热电堆红外传感器 五．总结
1、热电堆红外传感器
Vout Rs rad
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
XeF2硅腐蚀 低成本 无损伤 低成本，无损伤
高成本 离子损伤 高成本，离子损伤
只在平面方向集成
通过键合在垂直 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
微机械热电堆红 外探测器圆片 真空键合 硅基红外滤光片
效率低，尺寸大
划片 焊接
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
7 7 7 7 7 7 6 6 6
热电偶尺寸和吸收区尺寸固定，改变热电偶对数。
8
7
Detectivity (c cmHz W )
-1
Measured Simulated with absorption in TP area Simulated without absorption in TP area
效率高 尺寸小 效率高，尺寸小
大纲
一．热电堆红外传感器概述 传 二．器件模型 三．CMOS-MEMS关键工艺 四 CMOS-MEMS 四． CMOS MEMS热电堆红外传感器 五．总结
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
CMOS-MEMS热电堆红外传感器
热电偶区和吸收区无释放孔
红外 测温 红外 气体 探测
红外成像[2]
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、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: • 结构黏附！
Silicon substrate
• CMOS兼容性差！ • 性能低！
7
Measured Simulated with absorption in TP area Simulated without absorption in TP area
7
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7
7
7
6
6
40
50
60
70
30
40
50
60
70
80
Number of thermocouples
Number of thermocouples
1、 热电堆红外传感器发展方向
目标 标 高性价比热电堆红外传感 高性价比热电堆红外传感器
CMOS-MEMS CMOS MEMS热电堆红外传感器 CMOS工艺+干法硅腐蚀制作 传统热电堆红外传感器 分立器件工艺+湿法硅腐蚀制作
成品率低、集成度低、性价比低
DRIE 传统CMOS-MEMS技术
成品率高、集成度高、性价比高
厚度：
Φrad d2 l2 Zone 2
ห้องสมุดไป่ตู้热导率：
传感器结构
x2
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 模型验证
10 9
Sensitiv vity (V/W)
8 7 6 5 4 3 2 30
Detectivity (c cmHz W )
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 CMOS MEMS热电堆红外传感 器！！
2.2 模型建立
Etching window Thermocouple Output electrode
结构 等效
Wa
Wpoly
WAl
Wspace
+
Wetch h 2
Wetch
+ …+
-1
Measured Simulated with absorption in TP area Simulated without absorption in TP area
2.0x10
7
新模型和实验误 差小于7.7%。传 统模型和实验误 差大于50%。
80
1.8x10 1.6x10 1.4x10 1 2x10 1.2x10 1.0x10 8.0x10 6.0x10
Wa N /8 W Wa 0.5 a N /8
l2
+
+…+
0.5 Wa N /8
Wa N /8
l1
材料等效
Hot junction Absorber Cold junction
d1 z h21 h11 Φrad l1 x1 q12 z Zone 1 q12 h22 h12 Box cover of f pack kage SiO2 Poly Al Si3N4 Si