淺談MEMS熱電堆紅外傳感器

劉昇

摘 要：MEMS技術(shù)是微電子技術(shù)的重要發(fā)展方向，用于各式先進(jìn)傳感器的研究和制作。本文針對(duì)MEMS熱電堆紅外傳感器進(jìn)行了詳細(xì)介紹，內(nèi)容涵蓋其基本原理、發(fā)展歷程、工作原理、制備工藝和執(zhí)意要應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：MEMS;傳感器;紅外檢測(cè)

1 緒論

熱電堆的工作原理是通過(guò)監(jiān)測(cè)物體的紅外線（IR）確定物理溫度。當(dāng)物體溫度升高，紅外線產(chǎn)生的就越多。利用熱電堆環(huán)境適應(yīng)性、隱身性、小尺寸等優(yōu)點(diǎn)，紅外熱電熱能傳感器廣泛應(yīng)用于紅外搜查、有害氣體監(jiān)測(cè)等安全行業(yè)。

近年來(lái)，微電子技術(shù)不斷發(fā)展，微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS-Micro-Electro-Mechanical System）的概念得到廣泛關(guān)注。憑借MEMS技術(shù)，半導(dǎo)體材料被使用作為熱電堆傳感器基體，形成了MEMS熱電堆傳感器。

MEMS熱電堆傳感器以微電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)，使用紅外輻射原理制作。它能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式測(cè)溫，不需要接近被測(cè)物體。此外，它具備很高的靈敏度，能夠監(jiān)測(cè)微小的溫度變化。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

Sebeck[1]在1823年發(fā)現(xiàn)連接兩種不同金屬合成線路時(shí)，兩接點(diǎn)之間發(fā)生電勢(shì)差。這個(gè)現(xiàn)象叫做熱電偶（thermal couples），是測(cè)量溫度梯度及熱電產(chǎn)生器（thermoelectric generator）的工作原理。

以熱電偶原理為基礎(chǔ)，使用MEMS技術(shù)和工藝，MEMS熱電傳感器也隨之誕生。[2]國(guó)外MEMS熱電堆傳感器發(fā)展已呈蓬勃狀態(tài)，主要MEMS熱電堆傳感器生產(chǎn)公司包括美國(guó)TE Connectivity（TE）公司，日本歐姆龍公司，德國(guó)海曼等。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在MEMS熱電堆傳感器研究上仍相對(duì)落后，主要集中于熱電偶設(shè)備應(yīng)用。

文獻(xiàn)[2]基于MEMS熱電堆傳感器研究高溫測(cè)量技術(shù)，研發(fā)了A2TPMI334型MEMS熱電堆動(dòng)傳感器靜態(tài)與態(tài)測(cè)量設(shè)備，并通過(guò)測(cè)試獲得良好的結(jié)果。

產(chǎn)品研發(fā)方面，由中科院微電子所[3]主持的“熱電堆傳感器配套芯片”項(xiàng)目中，科研人員在部分低噪聲、低失調(diào)模擬前端關(guān)鍵技術(shù)方面取得了突破性進(jìn)展。

2 MEMS紅外熱電堆工作原理介紹

2.1 MEMS紅外熱電堆設(shè)計(jì)原理

如果兩種金屬構(gòu)成的回路中，兩個(gè)觸點(diǎn)處于不同的溫度，那么電路中產(chǎn)生電流，即熱電流。兩端點(diǎn)之間相應(yīng)的電勢(shì)稱為熱電勢(shì)。一般規(guī)定熱電勢(shì)方向?yàn)椋涸跓岫穗娏饔韶?fù)流向正。這種由電導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端熱度差產(chǎn)生的熱電現(xiàn)象就是貝塞克效應(yīng)，它在熱配偶測(cè)溫方面有著廣泛的應(yīng)用。

基于貝塞克原理設(shè)計(jì)熱電堆傳感器。它將多個(gè)熱敏元件組合成熱電陣列或熱電堆。當(dāng)熱敏元件兩端產(chǎn)生熱度差，則元件兩端出現(xiàn)電壓變化。熱接觸點(diǎn)集中在很薄的共同吸收區(qū)，冷節(jié)點(diǎn)周圍被高熱質(zhì)量散熱塊包圍。

進(jìn)入MEMS傳感器時(shí)代，先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝能夠在極小的空間內(nèi)，加工出成百上千個(gè)熱電偶，構(gòu)建紅外熱電堆傳感器。憑借MEMS技術(shù)，紅外熱電堆傳感器尺寸變得很微小。而且，這種傳感器的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間等性能大大提高。

2.2 MEMS紅外熱電堆制備工藝

不同應(yīng)用的熱電堆會(huì)有不同的結(jié)構(gòu)和工藝流程，常見(jiàn)MEMS熱電堆傳感器包括封閉膜式和懸臂梁式。[5]文獻(xiàn)[6]中介采用xeF2作為工作氣體干法刻蝕工藝釋放器件，由于其對(duì)鋁等材料的刻蝕速率極小，因此可以采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中最常用的材料，如P0lv/Al構(gòu)成熱電偶，從而大大提高兼容性。

3 MEMS紅外熱電堆傳感器主要應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 熱電堆紅外測(cè)溫傳感器

MEMS紅外熱電堆進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，不需要接觸被測(cè)物體，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸溫度測(cè)量。在一些無(wú)法有效接觸被測(cè)物體情況下提供了完美的測(cè)量方案。它具有很好的光電特性，測(cè)溫靈敏度很高，且MEMS制作工藝保證了其長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。

3.2 氣體檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用

在許多氣體中，負(fù)電荷中心的瞬時(shí)或穩(wěn)定狀態(tài)與正電荷不一致。在紅外光譜中，氣體可以吸收特定的頻率，可以進(jìn)行分析。當(dāng)紅外線投射到氣體中時(shí)，分子的共振頻率與紅外線波長(zhǎng)一致，氣體分子隨原子能的躍進(jìn)和入射紅外線發(fā)生共振。

當(dāng)氣體被紅外光源照射時(shí)，可以通過(guò)MEMS熱電堆探測(cè)器檢查氣體的光譜來(lái)有效地檢查氣體的組成、濃度等。

4 總結(jié)

本文從MEMS紅外熱電堆傳感器發(fā)展歷史、工作原理、制備工藝、應(yīng)用領(lǐng)域等介紹了被廣泛使用的MEMS紅外熱電堆傳感器。在傳感器設(shè)計(jì)、制備等關(guān)鍵領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)仍與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)由一定差距，因此研究MEMS紅外熱電堆傳感器對(duì)推動(dòng)我國(guó)智能傳感器發(fā)展有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒令敏.基于MEMS熱電堆的表面高溫測(cè)試技術(shù)研究[D].中北大學(xué)，2009.

[2]基于MEMS熱電堆傳感器的高溫測(cè)量技術(shù)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（9）：19-21.

[3]王司東，徐德輝，熊斌，等.MEMS熱電堆傳感器的紅外探測(cè)系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（2）：107-109.

[4]楊恒昭，熊斌，李鐵，等.CMOS工藝兼容的熱電堆紅外探測(cè)器[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2008，33（9）：759-761.

[5]趙利俊，歐文，閆建華，等.一種與CMOS工藝兼容的熱電堆紅外探測(cè)器[J].紅外技術(shù)，2012，34（2）：89-94.

[6]夏燕.MEMS熱電堆紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造研究[D].中北大學(xué)，2012.