專利名稱：平面熱電堆紅外線微傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外線傳感器。
背景技術(shù)：
在工藝控制及制造中，紅外線溫度傳感器已使用多年，且最近汽車應(yīng)用上的使用 更是逐漸增多。硅熱電堆，當(dāng)制造成本低至足以用于車輛使用時(shí)，僅產(chǎn)生非常低的輸出信 號(hào)。因此，由于噪聲的問(wèn)題，對(duì)于現(xiàn)成的通用低成本元件來(lái)說(shuō)，信號(hào)增強(qiáng)及校正變得困難。小尺寸的紅外線傳感器通常由三個(gè)功能部件形成。首先，使用輻射吸收涂布來(lái)選 擇頻寬。接著，熱電堆檢測(cè)器以席貝克效應(yīng)轉(zhuǎn)換溫度差成為電壓。熱電堆基本上為一或多 個(gè)熱電偶的排列。最后，裝設(shè)熱電偶檢測(cè)器的基材至散熱片上，穩(wěn)定傳感器的溫度。當(dāng)使用硅技術(shù)時(shí)，需考慮到硅基材的高導(dǎo)熱率。其中一種解決方法為使用微機(jī)械 式懸掛結(jié)構(gòu)，例如薄膜或懸臂。熱接點(diǎn)聚集在位于具有低導(dǎo)熱率的薄膜或懸臂上的吸收區(qū) 附近，因而減少熱傳導(dǎo)的損失。冷接點(diǎn)位于散熱片上，通常為硅基材。此種結(jié)構(gòu)使熱電偶的 熱接點(diǎn)和冷接點(diǎn)之間具有高熱阻，及因此能具有高靈敏度。將多種的上述熱電偶傳感器集成在一硅晶片上，并使用多晶硅作為熱電堆是已經(jīng) 可行的。然而，這兩種類型的熱接點(diǎn)之間顯著的熱差異，使傳感器對(duì)于氣體傳導(dǎo)和對(duì)流現(xiàn)象 高度敏感。這些裝置因此必須形成為封裝結(jié)構(gòu)。因此，所需的封裝引出了可靠度及成本的問(wèn)題。有多種方法來(lái)形成無(wú)需封裝的傳感器，例如M. Boutchich團(tuán)隊(duì)于knsors and Actuators A 121 (2005) 52-58 所發(fā)表的文章"Package-free infrared micro sensor using polysilicon thermopile，，中所描述的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在此提供一種紅外線傳感器，包含一散熱基材，具有導(dǎo)熱率相對(duì)較高的部分及導(dǎo)熱率相對(duì)較低的部分；一平面熱電偶層，具有一熱接點(diǎn)及一冷接點(diǎn)，其中熱接點(diǎn)位于散熱基材的導(dǎo)熱率 相對(duì)較低的部分上；一低導(dǎo)熱介電層，位于熱電偶層上，且具有一通孔通向熱接點(diǎn)；一紅外線反射層，覆蓋此低導(dǎo)熱介電層及此通孔的側(cè)壁，且有一開(kāi)口位于此紅外 線反射層中的熱接點(diǎn)的位置；及一紅外線吸收器，位于此通孔中。此種結(jié)構(gòu)形成平面紅外線微傳感器，其使用一結(jié)構(gòu)化基材及一介電層，以避免需 要任何特定封裝。熱接點(diǎn)及冷接點(diǎn)被分布，其中熱接點(diǎn)位于基材的低導(dǎo)熱率的部分。紅外 線反射層實(shí)施為一輻射熱管，其被圖案化至傳感器上，取代傳統(tǒng)公知的平面輻射涂布。熱管 通過(guò)提供聚焦至熱電偶，而提供較高的靈敏度，且對(duì)氣體傳導(dǎo)及對(duì)流有較佳的抗擾性。優(yōu)選地，傳感器還包含提供集成透鏡元件于通孔上方，其提供額外聚焦至熱電偶的功能，因而增加靈敏度。紅外線吸收器可填滿通孔，或紅外線接收器可僅位于熱接點(diǎn)上的通孔的底部。在 后者所述的例子中，通孔剩余的空間為真空密封。集成透鏡可包含微透鏡，例如熔融石英、硅或派熱克斯玻璃(pyrex)。冷接點(diǎn)優(yōu)選位于散熱基材的導(dǎo)熱率相對(duì)較低的部分上。散熱基材可包含基底層及 結(jié)構(gòu)化散熱層。平面熱電偶層優(yōu)選包含多個(gè)串聯(lián)的熱電偶，每個(gè)熱電偶具有熱接點(diǎn)及冷接點(diǎn)，每 個(gè)熱接點(diǎn)皆位于散熱基材的導(dǎo)熱率相對(duì)較低的部分上。


本發(fā)明實(shí)施例將配合以下

，其中圖1顯示依照本發(fā)明第一實(shí)施例的傳感器結(jié)構(gòu)；圖2顯示依照本發(fā)明第二實(shí)施例的傳感器結(jié)構(gòu)；及圖3顯示依照本發(fā)明第三實(shí)施例的傳感器結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式公知的紅外線傳感器一般使用單元件芯片或四元件芯片，裝設(shè)于密封的T0-46或 T0-18封裝體上，其中T0-46或T0-18封裝體也包含濾波器及填充氣體。通常使用惰性氣 體，例如氪，以增進(jìn)裝置效能。公知技術(shù)已知，使用平面分布熱電偶檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)，及將紅外 線濾波器集成至基材上。這使得可以形成薄傳感器。本發(fā)明改進(jìn)了公知設(shè)計(jì)，但仍使用具有集成紅外線濾波器的分布熱電偶的設(shè)計(jì)。 本發(fā)明使用導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，其可為熱管形式，其可使紅外線輻射聚焦在一熱電偶接點(diǎn)上。再者， 傳感器的方向性，也即視野，可大幅改善，而能更精確地對(duì)準(zhǔn)。圖1顯示依照本發(fā)明的第一實(shí)施例的傳感器結(jié)構(gòu)。傳感器包含散熱基材10，其具有導(dǎo)熱率相對(duì)較高的部分12及導(dǎo)熱率相對(duì)較低的 部分14。基材可為硅基材，其界定高導(dǎo)熱率部分12，且氧化硅部界定低導(dǎo)熱率部分。因 此，可使用STI (淺溝槽隔離)基材。平面熱電偶層16具有連續(xù)的熱接點(diǎn)18及冷接點(diǎn)20。膜層16及其下方的基材定 義為熱電堆結(jié)構(gòu)。至少熱接點(diǎn)18位于散熱基材的導(dǎo)熱率較低的部分14上。低導(dǎo)熱介電層22位于熱電偶層16上，且具有一通孔M通向每個(gè)熱接點(diǎn)18。電介 質(zhì)可實(shí)施為膠上自旋涂布。介電層上涂布有紅外線反射層26，其覆蓋低導(dǎo)熱介電層22及每 個(gè)通孔M的側(cè)壁。開(kāi)口觀位于紅外線反射層沈中的熱接點(diǎn)的位置。紅外線吸收器30設(shè) 置于通孔中。紅外線反射層可為金層，其為濺鍍并開(kāi)口于熱電偶熱接點(diǎn)的頂部。在所示的實(shí)施例中，冷接點(diǎn)也提供在較低導(dǎo)熱率的區(qū)域，以使熱梯度可達(dá)最大。此設(shè)計(jì)提供一紅外線熱管，其集成至芯片結(jié)構(gòu)中。傳感器的操作原理與現(xiàn)有技術(shù) 相應(yīng)，皆是基于熱電效應(yīng)。通過(guò)增大熱電偶底下的熱阻來(lái)維持溫度梯度。此外，由于熱管聚焦在熱電偶上，溫度梯度還可倍增。熱管額外地通過(guò)調(diào)節(jié)視野提 供改良的朝向目標(biāo)的方向性。
由于熱電偶層16已經(jīng)完全集成至結(jié)構(gòu)中，此結(jié)構(gòu)不需特定的封裝，在熱電偶層的 不同區(qū)段之間沒(méi)有氣體流動(dòng)的通道。相較于現(xiàn)有的產(chǎn)品，可將制造成本降至最低，且效能的 非線性特性也降至最低。熱接點(diǎn)及冷接點(diǎn)分布在基材的導(dǎo)熱率為高對(duì)比的部分上，從而最小化寄生對(duì)流的 影響，不需真空或氙氣封裝。在所關(guān)注的紅外線頻寬中具有良好吸收性的材料通?？勺鳛榧t外線吸收器，而具 有合適紅外線反射性的金屬則被用作紅外線反射器。所得到的紅外線濾波器直接裝設(shè)在芯片上，且不是分離封裝的部分。圖1顯示一進(jìn)一步可選擇的特征，每個(gè)通孔M上的微透鏡32。這些元件也集成 至芯片上。微透鏡可由硅或使用聚合物回流形成，例如使用與紅外線吸收器30相同的聚合 物。在此方法中，每個(gè)熱接點(diǎn)接收聚焦的輻射，增加對(duì)光照的靈敏度，并使在公知封裝裝置 中最常觀測(cè)到的非線性特性降至最低。此外，裝置最終的體積也大幅下降，例如厚度為數(shù)百 微米?？蓤D案化塊材或表面微機(jī)械化的結(jié)構(gòu)，例如低應(yīng)力膜，以提供結(jié)構(gòu)支撐熱接點(diǎn)及 冷接點(diǎn)。例如，硅基材可被凹蝕，且填充，以提供所需的足以維持高溫度梯度的熱阻。這些 裝置可被排列為陣列，以產(chǎn)生結(jié)合的感測(cè)電壓。在像素結(jié)構(gòu)中，(一個(gè)或多個(gè)熱電偶器的) 每個(gè)單元可用以(addressed)提供低成本的紅外線影像解決方案。如圖1所示的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使裝置對(duì)對(duì)流有某種程度的抗擾性。平均而言，溫度在傳 感器表面上的分布將會(huì)均勻。既然溫度差異集中在鑲嵌的接點(diǎn)上，由對(duì)流所導(dǎo)致的損失大 幅下降。所形成的芯片可裝設(shè)在具有標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)處理電子元件的芯片載材上，且使用標(biāo)準(zhǔn)連 線技術(shù)。如在標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶中，裝置僅測(cè)量溫度差。因此，可使用絕對(duì)溫度參考傳感器以導(dǎo) 出絕對(duì)溫度。為了最高的精確度及可靠性，可直接裝設(shè)絕對(duì)溫度傳感器(熱敏電阻/Ptioo) 至芯片管芯(Chip die)上，并鄰近熱電堆基材的冷接點(diǎn)，例如在熱電堆的周圍。如圖1所示的實(shí)施例，其使用具有兩種不同材料的基材。反之，可使用圖案化的硅 基材定義多層膜的篩孔，多層膜間具有空隙(空氣)。例如，這些多層膜可連接至低導(dǎo)熱的 低機(jī)械應(yīng)力膜，例如氮化硅或氧化硅。圖2顯示依照本發(fā)明第二實(shí)施例的裝置，其與圖1的差異僅在于紅外線吸收器?；?于此理由，其他元件將不重復(fù)贅述。在圖2中，紅外線吸收器30’僅在通孔的底部，位于熱接點(diǎn)之上。通孔剩余的體積 可被真空密封，以微透鏡作為密封劑。使用此種結(jié)構(gòu)，可獲得較快的響應(yīng)時(shí)間，因?yàn)橛休^短 的熱耦合路徑至熱接點(diǎn)。圖3顯示熱接點(diǎn)的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其中冷接點(diǎn)20熱連接至硅基材。因此，低導(dǎo)熱的 部分14僅位于熱接點(diǎn)18的位置，使熱接點(diǎn)具有高集成密度。熱接點(diǎn)又被鑲嵌在紅外線管 的結(jié)構(gòu)中從而維持對(duì)對(duì)流具有的抗擾性。紅外線傳感器使得對(duì)溫度的測(cè)量更直接、快速、精確，例如使用在車輛應(yīng)用時(shí)(為 了使乘客更舒適)、遠(yuǎn)程檢測(cè)應(yīng)用(安全性)、家庭應(yīng)用(非接觸溫度測(cè)量)。熱檢測(cè)也可使 用于低成本影像應(yīng)用，使用陣列的熱傳感器。芯片可裝設(shè)在單芯片載材上，無(wú)需任何特定封裝，因而最小化所需的體積。此結(jié)構(gòu)因而從封裝的觀點(diǎn)來(lái)看成本更低，且由于改善靈敏度及產(chǎn)生較強(qiáng)的信號(hào)，也可使用低成本 電子元件來(lái)用于所需的信號(hào)處理。在以上實(shí)施例中，使用紅外線吸收層及反射層來(lái)提供所需的頻率過(guò)濾。或者，使用 表面等離子體效應(yīng)來(lái)提供過(guò)濾。Bethe預(yù)測(cè)當(dāng)光通過(guò)微小(次波長(zhǎng)尺寸)的孔洞時(shí)，會(huì)基于波長(zhǎng)與洞尺寸的比例 的4次方而消散。然而近來(lái)的實(shí)驗(yàn)顯示孔洞形成于金屬層時(shí)，傳輸強(qiáng)度增加。此效應(yīng)可能 為“天線效應(yīng)”所導(dǎo)致。如在孔洞附近的材料為金屬，在某些情況下，入射光(電磁波)將造成振動(dòng)，且表 面波將傳播穿越此洞。在洞的另一側(cè)，此振動(dòng)將“重新建立”光束。在此觀點(diǎn)下，也將有衍 射效應(yīng)，但此過(guò)濾來(lái)自表面波的傳播。此現(xiàn)象稱為表面等離子體振動(dòng)或表面等離子體共振 (SPR)。除了此效應(yīng)外，傳輸(或?qū)嶋H是反射)對(duì)于不同波長(zhǎng)具有差異。此過(guò)濾可使用在本發(fā)明的裝置中，以提供所需的頻率過(guò)濾。此濾波器可通過(guò)圖案 化在金屬膜中的孔洞陣列形成，例如銀膜?？锥纯捎呻x子束研磨形成。當(dāng)結(jié)構(gòu)接受入射的電磁輻射，傳輸?shù)念l率是由陣列的周期決定。當(dāng)白光傳遞穿越 次波長(zhǎng)孔洞的陣列時(shí)，對(duì)應(yīng)最大強(qiáng)度的波長(zhǎng)可使用式1表示
權(quán)利要求
1.一種紅外線傳感器，包括一散熱基材(10)，具有導(dǎo)熱率相對(duì)較高的部分(12)及導(dǎo)熱率相對(duì)較低的部分(14)；一平面熱電偶層(16)，具有一熱接點(diǎn)(18)及一冷接點(diǎn)(20)，其中該熱接點(diǎn)(18)位于 該散熱基材的相對(duì)較低導(dǎo)熱率的部分(14)上；一低導(dǎo)熱介電層(22)，位于該熱電偶層(16)上，且具有一通孔(24)通向該熱接點(diǎn) (18)；一紅外線反射層(26)，覆蓋該低導(dǎo)熱介電層02)及該通孔(24)的側(cè)壁，于該紅外線反 射層(26)中的熱接點(diǎn)的位置提供有一開(kāi)口 ；以及一紅外線吸收器(30 ；30’)，位于該通孔中。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，還包括一集成透鏡元件(32)于該通孔上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其中該紅外線吸收器(30)填滿該通孔04)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其中該紅外線吸收器(30’)位于該熱接點(diǎn)上的該 通孔(24)的底部。
5.如權(quán)利要求4所述的傳感器，其中該通孔剩余的體積為真空密封。
6.如前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中該集成透鏡(32)包含一微透鏡。
7.如權(quán)利要求6所述的傳感器，其中該微透鏡(32)為熔融石英、硅或派熱克斯玻璃。
8.如前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中該冷接點(diǎn)(2O)位于該散熱基材的導(dǎo)熱率 相對(duì)較低的部分(14)上。
9.如前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中該散熱基材(10)包含一基底層及一結(jié)構(gòu) 化散熱層(12，14)。
10.如前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中該散熱基材(10)包含一硅基材。
11.如權(quán)利要求10所述的傳感器，其中該相對(duì)較低導(dǎo)熱率的部分(14)包含淺溝槽隔離 基材的氧化硅部分。
12.如前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中該紅外線吸收器(30；30’)包含一具有一 孔洞陣列的膜層，該孔洞陣列基于表面等離子體效應(yīng)提供過(guò)濾。
13.如權(quán)利要求12所述的傳感器，其中該紅外線反射層(26)和該紅外線吸收器(30； 30’ )是一單一膜層的不同部分，孔洞僅被提供在該膜層的用作紅外線吸收器的部分中。
14.如前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中該平面熱電偶層(16)包含多個(gè)串聯(lián)的熱 電偶，每個(gè)熱電偶具有一熱接點(diǎn)(18)及一冷接點(diǎn)(20)，每個(gè)熱接點(diǎn)位于該散熱基材的導(dǎo)熱 率相對(duì)較低的部分(14)。
全文摘要
一種紅外線傳感器，包含一具有導(dǎo)熱率相對(duì)較高部分(12)及導(dǎo)熱率相對(duì)較低部分(14)的散熱基材(10)及一具有熱接點(diǎn)(18)及冷接點(diǎn)(20)的平面熱電偶層(16)，其中熱接點(diǎn)(18)位于散熱基材的導(dǎo)熱率相對(duì)較低的部分(14)上。低導(dǎo)熱介電層(22)位于熱電偶層(16)上方，且具有一通孔(24)通向熱接點(diǎn)(18)。一紅外線反射層(26)覆蓋低導(dǎo)熱介電層(22)及通孔(24)的側(cè)壁。一紅外線吸收器(30；30’)位于通孔中。此結(jié)構(gòu)形成一平面紅外線微傳感器，其使用一結(jié)構(gòu)化基材及一介電層，以避免需要任何特定封裝。此設(shè)計(jì)通過(guò)聚焦于熱電偶而具有較高的靈敏度，且對(duì)氣體傳導(dǎo)及對(duì)流有較佳的抗擾性。
文檔編號(hào)G01J5/12GK102150021SQ200980135346
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2009年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月9日
發(fā)明者班諾瓦·巴塔尤, 穆罕默德·包特許 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司