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传感技术学报 2022年第5期35卷 573-580页

作者：雷程关一浩梁庭武学占白悦杭熊继军中北大学动态测试技术省部共建国家重点实验室山西太原030051

微机电系统(MEMS)红外热电堆是光谱仪、气体传感器、远程温度传感器等现代信息探测系统的核心工作器件,较高的表面利用率和响应度以及更简易的制备工艺将是未来该类器件制造技术的发展趋势。分别采用热偶条双端对称排布、取消红外吸收... 详细信息

微机电系统(MEMS)红外热电堆是光谱仪、气体传感器、远程温度传感器等现代信息探测系统的核心工作器件,较高的表面利用率和响应度以及更简易的制备工艺将是未来该类器件制造技术的发展趋势。分别采用热偶条双端对称排布、取消红外吸收区、扩大冷端欧姆接触面积、支撑膜边缘开通绝热槽、充分发挥氮化硅钝化与红外吸收双功能作用等设计理念,对热偶条温差分布进行优化,研究热电堆性能的变化规律。采用ANSYS Workbench有限元分析软件对器件进行仿真发现:当传感器设计尺寸为1.5 mm×1.5 mm×0.3 mm,有效面积为1.21 mm^(2),绝热槽为1.1 mm×20μm时,双端开槽的热电堆探测器在具备更低制备成本的同时表现出最优性能。通过与普通双端热电堆性能进行仿真对比,发现绝热槽的引入使得探测器输出电压提升88.5%。这为未来温度传感器的设计制造提供了新颖的思路。

关键词：热电堆红外探测器绝热槽双端对称排布 Ansys workbench有限元分析

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高温差双端对称式MEMS热电堆红外探测器

高温差双端对称式MEMS热电堆红外探测器

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作者：关一浩中北大学

学位级别：硕士

近年来,MEMS红外热电堆传感器因为新冠疫情得到了广泛应用,进入大众视野。热电堆成本低、操作简单并且光谱响应范围更宽,主要检测恒定辐射量,可对静态物体进行探测输出信号,无需斩波;无需偏置电压;测试放大电路简单,使其在智能家电、汽... 详细信息

近年来,MEMS红外热电堆传感器因为新冠疫情得到了广泛应用,进入大众视野。热电堆成本低、操作简单并且光谱响应范围更宽,主要检测恒定辐射量,可对静态物体进行探测输出信号,无需斩波;无需偏置电压;测试放大电路简单,使其在智能家电、汽车控制、医疗系统、工业控制等民用和军用等应用场景广泛。本文通过学习红外关键技术,简要阐述了目前不同红外探测器的优缺点,选择了红外热电堆传感器作为研究对象,针对目前热电堆研究现状,围绕热电堆的高占空比、高温度利用、高温差、低成本、高性能等方面的一些关键技术开展了具体的研究工作,主要包括高温度利用低成本高性能的热电堆芯片的设计研究;基于设计的带有绝热槽的高温差双端对称式热电堆的理论热传导模型的研究;基于带有绝热槽结构高温差双端对称式热电堆工艺开发及器件制备;红外性能测试系统细化功能研究,完成探测器的对比测试及分析。本文论文研究的内容和成果可以归纳为以下几个方面:1、在热电堆结构设计方面,针对现有研究进展中优化的高性能热电堆的吸收体工艺复杂,制备难度大,成本高无法满足批量化生产及四端排布占空比和温度利用率不高等的问题,结合封闭膜和悬臂梁特点,提出了一种热偶条采用“非”字型双端对称式排布方式,取消独立吸收区,两侧热电堆热端向中心伸长至最中心;整个器件表面沉积氮化硅作为钝化吸收层,提高了器件表面利用率及温度利用率;设计了更大的冷端欧姆接触区,提高了冷端反射,减弱了冷端表面吸收效果;在垂直于热偶条的两侧边缘开通绝热槽,绝热槽与热偶条保持平行,使得温度仅沿着热偶条方向传递,实现定向热流,进一步保证了更高的温差及温度利用率,提升了器件的性能;结合传统四端热传导模型,建立了符合带有绝热槽结构的双端对称式热电堆热传导理论模型。2、在器件的加工制造方面,首先开发了超薄悬浮膜结构释放方法,避免正面保护与器件直接接触造成薄膜损伤,保证了热电堆结构的低成本、快速批量化的制造需求。开发了多晶硅和氮化硅高选择比刻蚀工艺;通过对比金属刻蚀等效果,开发了极窄铝热偶条剥离工艺;结合Slivaco TCAD工艺仿真,通过欧姆接触稳定性实验,完成了热电堆中多点电连接;开发了调节复合支撑膜匹配、深槽喷胶光刻工艺以及关键结构绝热槽的制备工艺。最后设计了热电堆流片的掩模版,在中北大学微纳加工中心完成了带有绝热槽结构的双端对称式热电堆的制备,并采用TO-46封装管壳对所设计的热电堆进行了封装。3、在器件测试方面,针对传统红外热电堆测试时斩波器的信号截止造成响应比实际值偏低的情况,细化了测试系统功能,针对不同参数测试需求采用了不同测试系统进行了详细的测试及分析。在响应度测试方面,设计了一套热电堆响应测试基板,通过热电堆3cm密闭空间读取电压响应更准确的标定器件的响应率和探测器率,减少了空气热流及外界环境辐射的影响,避免了斩波器信号截止造成的读取电信号及响应率偏低的影响;在响应时间测试时,通过斩波器使得探测器表面的辐射周期发生变化,从而读取器件的响应时间。建立了一套视场角测试系统,通过调节旋转台角度,读取电信号并归一化测量了器件的视场角。测试结果显示:引入绝热槽以及增大冷端欧姆接触区设计均可以有效提高微机械红外热电堆探测器的性能,扩大冷端欧姆接触使得电压输出提高了2.8%,绝热槽的引入使得电压输出提高了21.7%,同时采用冷端扩大欧姆接触及绝热槽设计使得输出提高了25.1%;经过优化的热电堆探测器的响应时间相对于无绝热槽结构的探测器由于热阻增大存在一定延迟;扩大欧姆接触区一定程度上使得视场角得到优化。本文所设计的带有绝热槽结构的双端对称式热电堆对红外探测器的进一步发展具备非常实用的研究意义,所提出的超薄悬浮膜释放方法对MEMS工艺及器件制备方面具备一定参考价值。

关键词：热电堆绝热槽双端对称悬浮膜 MEMS

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