一種雙端排布熱電堆結構設計與仿真優(yōu)化*

雷 程，關一浩，梁 庭，武學占，白悅杭，熊繼軍

(中北大學動態(tài)測試技術省部共建國家重點實驗室，山西 太原030051)

任何溫度高于零度(-273.15 ℃)的物體都在不停地向周圍空間發(fā)射紅外能量。 其輻射特性、輻射能量的大小、波長分布等都與物體表面溫度密切相關。 紅外探測器可以通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，準確地測定它的表面溫度，具備廣泛的民用和軍用價值[1]。 紅外傳感器是一種可以響應外部紅外輻射的光傳感器，根據探測機理可分為熱紅外傳感器和光子紅外傳感器。 對于光子紅外傳感器，當探測器吸收到光子時，半導體材料的電子狀態(tài)發(fā)生改變，其性能好，響應快，但是需要復雜繁瑣的冷卻系統(tǒng)，這阻礙了其發(fā)展。 而熱紅外傳感器則是吸收紅外輻射并將其轉化為熱能，通過溫度升高來測量輻射信號，它可以在室溫下工作，不需要冷卻系統(tǒng)，除此之外，相對于光子傳感器，它的制造成本和操作難度更低，測量波段廣泛。 其中熱紅外探測器根據具體原理又分為熱電堆式(thermoelectric)、熱釋電式(pyroelectric)、測輻射熱計(bolometer)[1]。

微機電紅外熱電堆被應用于不同場景，比如光譜儀、氣體傳感器、遠程溫度傳感器，其因對環(huán)境溫度不敏感，光譜響應寬，靈敏度高、響應快，易于操作等優(yōu)點得到了廣泛關注及快速發(fā)展[2]；除此之外熱電堆還可以進行非接觸測量，在很大程度上保證了特殊情況下的健康溫度測量，防止交叉感染，使得熱電堆近年來得到極其迅猛的發(fā)展。 2019年Ting-Wei Shen[3]設計了一種傘狀結構的吸收體，通過一個支柱嵌入在熱偶的懸梁上，這實現了更好的熱流路徑，增大了熱結和冷結之間的溫差。 2018年Wenjian Ke[4]介紹了一種基于二氟化氙正面干法刻蝕的具有自測功能的CMOS 兼容熱電堆紅外探測器，利用重摻雜的氮磷多晶硅形成熱電偶，采用二氟化氙正面各向同性刻蝕進行釋放和熱隔離，獲得更好的性能。 2017年Li Wei[5]設計了一款對稱螺旋結構的微小熱電堆，使得熱電偶的長度以及探測器的熱阻在微小有限的區(qū)域內被擴大，具有體積小、成本低的優(yōu)點，并具有高性能的單點探測功能。 然而這些紅外傳感器設計及工藝相對復雜，不適于低成本低難度制備。

本文設計優(yōu)化了一種雙端對稱排布的紅外熱電堆探測器結構，在100 晶向的硅片上進行體硅微加工，背面深刻蝕釋放支撐膜結構，這種設計同時滿足了小型化、低成本、低難度、高性能的要求。 在第一節(jié)，將描述所提出的熱電堆紅外探測器的工作原理；第二節(jié)詳細介紹傳感器的設計優(yōu)化過程，最后總結，優(yōu)化后的熱電堆探測器理論輸出可以提高88.5%。

1 工作原理

1.1 工作原理

熱電堆紅外探測器就是讓眾多熱電偶進行串聯來放大響應電壓達到測量目的。 其中關鍵熱敏器件熱電偶則是利用導體或者半導體材料的熱電效應將溫度差轉變?yōu)殡妱莶畹脑?，即兩種不同的導體或半導體材料A、B 的兩端連接形成如圖1 所示的閉合回路，其中一端吸收輻射能量使得溫度上升，另一端處于室溫環(huán)境，兩端處于不同的溫度場(T1，T0，T1＞T0)，則兩端產生溫差，溫差造成導體材料中的載流子產生移動，聚集在溫度低的一端，從而引起電勢差。 連接吸收體的一端稱為熱端，另一端則稱之為冷端。 熱電效應一般又稱為塞貝克效應[6]。 根據塞貝克效應，熱電堆紅外探測器會產生響應電壓ΔU[7]:

圖1 塞貝克效應原理圖

式中:N為熱偶條的對數，Tdiff為溫差，αab為塞貝克系數差；根據熱響應公式可知施加溫差和輸出電壓呈比例關系。

1.2 理論參數

熱電堆探測器的的電學性能主要取決于塞貝克系數，即材料本身。 探測器的性能主要通過輸出電壓、響應率、探測率和響應時間來體現。

探測器的響應率表達式為[8-9]:

式中:Ad是器件吸收區(qū)面積，P0是紅外輻射率，φ0是紅外輻射功率密度，根據史蒂芬-玻爾茲曼定律，熱電堆探測器表面的紅外輻射功率密度表示為[10-11]

式中:As是黑體輻射面積，d0是黑體到傳感器表面的距離，Cr是斬波器的均方轉換因子，σ是史蒂芬-玻爾茲曼常數，T1是黑體的溫度，T0是環(huán)境溫度，ε1是黑體的發(fā)射率。

探測率是描述熱電堆紅外探測器對紅外輻射的探測能力[2]，表示為:

式中:Un是噪聲電壓，k是玻爾茲曼常數，k=1.38×10-23J/K。

熱電堆電阻主要是熱電偶串聯時熱偶條的電阻總和，可以表示為[12]

式中:γi為器件的電阻率，帶寬Δf可以取1 Hz。

本文所設計的熱電堆采用雙端對稱排布，在垂直于熱偶條方向的邊緣兩側開通和熱偶條平行的絕熱槽(這一設計在第二節(jié)詳細介紹)，溫度梯度與熱偶條完全平行，從而溫度傳導僅沿熱偶條方向向冷端傳遞，設計優(yōu)化過程忽略熱輻射損失及熱對流損失，分析熱電堆探測器的中心熱端到邊緣冷端的結構熱導，主要包括熱偶條、鈍化吸收層、支撐層三部分。 熱導可以表示為

式中:li，ωi，di，λi分別代表熱偶條的長度、寬度、厚度以及熱導率，lj，ωj，dj，λj代表支撐層和鈍化吸收層的相關參數。

2 結構設計與優(yōu)化

2.1 結構設計

2.1.1 熱偶條排布設計

熱電偶的設計是為了增加熱結和冷結之間的溫度差，以進一步提高熱電紅外傳感器的性能[13]。 在目前懸浮膜結構的紅外熱電堆中，傳統(tǒng)熱電堆排布像一個“＋”號，中心是一個獨立的紅外吸收區(qū)，熱偶條長度得到限制，四個角空間浪費，占空比低，溫差小，響應電勢低[12]；根據塞貝克效應，本文提出了一種基于懸浮膜結構的、高占空比的紅外熱電堆傳感器結構，熱偶材料采用雙端對稱的排布方式。 取消獨立的紅外吸收區(qū)，兩端的熱結盡可能向中心靠近，整個表面沉積氮化硅薄膜，起鈍化保護及紅外吸收雙重作用。 熱電堆的輸出與熱端和冷端之間的溫差成正比。 通過熱傳導仿真，懸浮膜結構中心溫度最高，兩側熱端排布在支撐膜中心，提高冷熱端的平均溫差，從而提高電勢差。

2.1.2 材料的選擇

根據式(1)可知，探測器的輸出電勢還與兩種材料的塞貝克系數有關，兩種材料塞貝克系數差值越大，則輸出越高；塞貝克系數很大程度上取決于移動電荷載流子濃度和載流子的遷移率，且熱電堆的熱噪聲與摻雜濃度成反比[2]。 表1 總結了基于微機電系統(tǒng)的熱電堆最常用的熱電材料的相關參數[14-15]。 塞貝克系數是熱電材料獨有的，是度量材料上的溫差引起熱電電壓大小的量，根據式(1)、式(2)可知，塞貝克系數差值的提高可以提高探測器的電壓輸出及響應率；除此之外，熱導率是指材料的導熱能力，導熱能力越好，溫差越不明顯，因此材料熱導率越低，溫差越可以得到提升，進而提高響應率；材料的電阻率越低，越可以有效提升器件的探測率。 根據威德曼-弗朗茲定律，材料的熱導率和電阻率之間存在一定關系，因此我們將熱導率和電阻率進行相乘，稱為熱電優(yōu)值，來判斷材料的熱電轉換效率。 在各種研究中，經常采用化合物來提高熱電堆的性能，但是兼容性差[7]，而多晶硅材料除了具備良好的熱電系數，其制備工藝簡單，兼容性好。polySi 可以通過改變離子注入劑量或者摻雜來調節(jié)相關熱電堆特性。 Aida Bao 等人采用P-polySi 和N-polySi 設計制備了一種雙層雙端梁結構的高性能熱電堆探測器[16]。 其性能良好但成本高，工藝繁瑣。 金屬鋁雖然熱導率高，但是P-polySi 和鋁具備良好的塞貝克系數差，其制備工藝也更簡單，可有效降低成本，且這兩種材料和微加工具備良好的兼容性。 因此熱偶材料選擇P-polySi 和鋁。

表1 部分MEMS 紅外熱電堆傳感器的熱電材料性能參數

2.2 仿真優(yōu)化

根據設計要求，需要滿足在黑體尺寸為0.5 英寸，黑體溫度為500 K，黑體與傳感器間距為120 mm，傳感器環(huán)境溫度為298 K 的測試環(huán)境下得到更高的輸出電勢；且后端電路要求熱偶電阻不超過198 kΩ。

根據式(3)，利用Maple 軟件進行理論計算，得到輻射功率密度為8.584 W/m2。

探測器欲采用TO-46 封裝外殼，根據其內部引腳之間間距等要求，尺寸不能超過1820 μm×1820 μm；最終傳感器芯片尺寸定為1800 μm×1800 μm，空腔尺寸為1100 μm×1100 μm。 因為設計的熱電堆呈雙端對稱排布，建立模型時只需要建立1/2 模型，達到簡化的目的。 氮化硅吸收率初步設計為0.5，即利用ANSYS 進行熱電耦合仿真時在模型表面施加熱通量4.292 W/m2。 如上文為了使得熱端處于溫度最高處，同時兩側熱結之間留出20 μm 避免串聯，因此熱電偶的長度固定設置為690 μm，分別改變吸收區(qū)的面積及改變多晶硅的寬度，對其熱電性能進行仿真，表2 列出了進行理論計算及仿真分析時傳感器各部分材料參數。

表2 本文設計熱電堆進行仿真分析時施加的材料參數

2.2.1 吸收區(qū)設計

首先固定熱電偶的長度、寬度、厚度等參數不變，如圖2 所示，通過改變吸收區(qū)面積(寬度不變，長度改變)，其熱端平均溫差及輸出變化如圖3 所示，隨著吸收區(qū)面積增大，平均溫差和輸出電壓整體呈增長趨勢，當吸收區(qū)長度達到1000 μm ～1100 μm 后，輸出電壓幾乎穩(wěn)定，為最大值，即此時空腔整個懸浮膜表面沉積著吸收層。

圖2 吸收區(qū)仿真優(yōu)化示意圖

圖3 不同吸收區(qū)大小對輸出變化的影響

常用紅外吸收材料主要包括四種:薄膜干涉微結構、多孔黑金屬結構、鈍化薄膜結構和黑硅[7]。薄膜干涉結構的光譜帶寬窄[17]，多孔黑金屬結構制備難度高、柔軟脆弱，極其容易被損壞[18]，黑硅結構要求厚度最小，否則靈敏度會大大減弱[19]；相比之下，氮化硅薄膜具備良好的化學穩(wěn)定性、很高的強度，一般可以作為鈍化層，除此之外，氮化硅薄膜透射率高，紅外吸收效果良好，一般也可作為紅外吸收層。 氮化硅除具備良好的性能外，還可以很容易地通過微機電系統(tǒng)制備，工藝簡單，成本低。

綜上所述，整個器件表面沉積一層氮化硅，不設置獨立吸收區(qū)，在保證器件性能的前提下，大大提高了表面利用率，可以有效簡化工藝難度。

2.2.2 熱偶條寬度設計

金屬鋁條需要盡可能窄來確保更低的熱傳導，但是其電阻值也會相應增大，這在一定程度上增大了探測器的噪聲電壓[2]，作為熱偶條材料之一的鋁過寬，熱導率大大增加，根據式(2)響應率則會減小，且熱結和冷結處的溫差變小，輸出電勢也會下降。 結合MEMS 工藝，鋁條理論寬度設計為3 μm。

經過上文的設計，熱電堆的吸收面積、熱偶條的長度及鋁的寬度得到確定，仍需要考慮多晶硅的寬度對器件性能的影響。 通過Maple 建立理論模型、Solidworks 建立實體模型分別進行推導計算，圖4 所示為探測器性能隨熱偶條寬度變化的關系，理論推導值和仿真值趨勢相同，輸出電壓、響應率、探測率隨寬度增大呈降低趨勢，響應時間也降低。 結合MEMS 工藝及設計經驗，多晶硅寬度設計為5 μm。

圖4 多晶硅寬度對熱電堆各性能的影響

2.2.3 熱偶條對數確定

熱偶條對數主要受電阻值限制以及高輸出電壓的需求。 后端MCU 設計要求總電阻值不大于198 kΩ，結合確定的熱偶條長度、寬度、厚度等，根據式(5)理論計算可知熱偶條對數最大66 即可滿足需求。 如圖5 所示，通過改變熱偶條對數，仿真得到其平均溫差及輸出電壓，隨著熱偶條對數的增加，整個器件的熱導增加，使得平均溫差整體成下降趨勢，由40 對提高到50 對時，溫差下降趨勢相對緩慢，而熱偶對數N的增加提高了輸出電壓；當熱偶條對數從50 對繼續(xù)增加時，整個器件的電阻值及熱導繼續(xù)增加，使得冷結和熱結處的平均溫差驟減，根據式(1)，對數N增加對輸出的影響遠遠小于溫差Tdiff對輸出的影響，從而響應電勢降低，而不是繼續(xù)增加。 根據仿真結果，確定熱偶條對數為50 對。

圖5 輸出電壓隨對數的變化

2.2.4 冷端設計

由于金屬薄膜對于大部分波長具有恒定的反射作用，因此一般情況下會在冷端鋪蓋制備一層金屬反射層，冷端避免吸收紅外輻射，使得原本傳遞的紅外輻射被反射至空氣中，達到增大器件輸出信號的目的。 因金屬鈦金和下面材料具備良好的粘附性，中北大學王楷群[20]設計制備的紅外熱電堆在冷端制備金屬鈦和金，結果顯示加入金屬鈦金反射層后，冷端紅外吸收有所限制，相對于金屬反射層，器件的響應率和探測率提升了9.5%。 鈦金材料雖然能夠阻擋外界紅外輻射被冷端吸收，性能得到提高，但工藝難度也隨之復雜冗沉，成本也大大提高。 金屬鋁對不同波長的輻射的反射性能良好，鋁膜純度越高，表面光澤度越高，它的反射越強，常用真空鍍鋁膜的方法來制得高質量的反射膜層；同時鋁和多晶硅具備良好的塞貝克系數差；為保證良好的器件性能又盡可能簡化工藝步驟，降低難度及成本，本研究設計增大冷端歐姆接觸面積，研究發(fā)現，增大冷端接觸面積，更容易形成歐姆接觸，除此之外，冷端金屬鋁面積增大，如圖6 所示的優(yōu)化前后兩種冷端單位面積內的反射機理效果，達到金屬反射層的作用，可代替鈦金反射層，降低了工藝難度及成本，也有效提高器件性能。

圖6 冷端單位面積反射效果機理

2.2.5 絕熱槽設計

根據式(1)可知，熱電堆高輸出取決于熱端的平均溫度，熱端平均溫度越高，輸出電勢越高。 而基于封閉膜結構的雙端排布的熱電堆，其熱端平行排布，如圖7 所示，而溫度從中心向四邊呈梯度傳遞，靠近邊緣的熱端溫度較低，大大減弱了器件的性能。在垂直于熱偶條兩側邊緣分別制備絕熱槽結構，使得溫度僅沿著熱偶條方向傳遞。 具備絕熱槽結構的熱電堆仿真模型如圖8 所示，圖9 為帶有絕熱槽結構的溫度分布云圖，由圖可知，中心溫度僅沿著熱偶條方向向冷端傳遞，所有熱端均勻排布在溫度最高處，且此時使得熱偶條中載流子運動方向與溫度梯度完全平行，無正交，極大地改善了平均溫差。

圖7 無絕熱槽結構溫度分布云圖

圖8 帶有絕熱槽設計的1/2 傳感器模型

圖9 帶有絕熱槽結構的溫度分布云圖

3 支撐膜設計

一般為了滿足支撐效果，封閉膜需要具備良好的機械強度和穩(wěn)定性，常采用兩種或以上分別具有壓應力和張應力的薄膜材料，通過調整各層的厚度進行應力補償來達到組成低應力復合膜層的目的[21-23]。 設計制備熱氧1.6 μm 氧化硅和低壓化學氣相沉淀(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)制備0.55 μm 氮化硅復合膜作為介質支撐層。 為了考慮實際制備過程中，RIE 反應離子刻蝕多晶硅熱偶條過程中，對下膜層氮化硅刻蝕選擇性差的問題[24]，在支撐膜結構表面沉積100 nm 的氧化硅作為刻蝕阻擋層，防止氮化硅過刻嚴重，從而影響支撐性能。 建立支撐膜結構模型，通過COMSOL進行仿真，如圖10 所示，施加2000 Pa 的壓強，其應力分布云圖結果表明最大應力滿足設計需求。

圖10 帶絕熱槽結構的應力分布云圖

4 仿真分析

經過以上設計優(yōu)化，確定最終傳感器尺寸，熱偶條呈“非”字形對稱平行排布，長度為690 μm，多晶硅寬度為5 μm，鋁條寬度為3 μm，熱偶條對數為50 對，間隔為17 μm；空腔尺寸為1100 μm×1100 μm，冷端歐姆接觸區(qū)尺寸為150 μm×5 μm，在垂直于熱偶條方向的兩側邊緣開通絕熱槽，絕熱槽與熱偶條平行，其結構二分之一模型如圖8 所示。

通過ANSYS 仿真及Maple 理論計算，將上文所提到的測試環(huán)境轉換成輻射功率密度，通過ANSYS熱電耦合仿真施加相同的熱通量載荷設置，理論計算結果和有限元仿真結果接近，這表明我們的理論推導和仿真設置都相互支撐無誤；除此之外，如圖11 所示，具備絕熱槽結構的傳感器相對于沒有絕熱槽的器件響應電壓可以提高88.5%，靈敏度大大提升，且具備較高的線性輸出。

圖11 優(yōu)化前后的熱電堆探測器的V-φ0 曲線

5 工藝流程

所設計的熱電堆探測器的關鍵制備工藝流程如圖12 所示。 首先對晶圓進行清洗，然后依次通過熱氧沉積SiO2，通過LPCVD 制備Si3N4，作為復合支撐膜層。 然后通過LPCVD 沉積多晶硅，緊接著對多晶硅層進行離子注入及修復晶格損傷退火。 然后依次刻蝕多晶硅條和鋁條，使得熱偶條相互連接，退火形成歐姆接觸。 其次沉積Si3N4作為鈍化及吸收層，刻蝕絕熱槽漏出硅襯底，刻蝕Si3N4鈍化吸收層漏出金屬焊盤。 正面經過特殊設計保護后，背面采用深硅刻蝕釋放超薄支撐膜層，最后進行隱切封裝得到帶有絕熱槽結構的雙端對稱熱電堆紅外探測器。

圖12 工藝流程圖

6 總結

本文基于塞貝克原理，介紹了熱電堆探測器的相關性能參數，并通過ANSYS Workbench 有限元分析軟件對熱電堆熱偶條排布以及微結構對于熱傳導的影響進行熱電耦合仿真分析，設計優(yōu)化了一種“非”字形排布的熱電堆結構，取消吸收區(qū)，反射層；表面氮化硅既充當鈍化作用又起吸收作用，冷端更大歐姆接觸設計在工藝簡化的基礎上達到反射效果，兩側的絕熱槽等設計可以保證更好的溫差以及較高的線性輸出。