MEMS热电堆红外传感器的应用和性能分析

热电堆红外探测器通常由三部分组成：热电偶、介质支撑层和散热衬底。通常热电堆红外探测器有三种结构。

1.封闭膜结构^[96]

探测器中央是红外吸收层，负责吸收外界红外辐射，以升高自身的温度。红外吸收层及其附近位置就构成热电堆的热结。热电堆的冷结位于基体上，基体一般是导热性良好的物质，以实现良好的散热性，保持基体与环境的温度一致，图3-15所示基体为单晶硅。热结与冷结之间为串联的热偶对，温差电动势通过引脚对外输出。为了提高探测器的性能，需要采取隔热措施，图3-15中采取的是薄膜方式的隔热结构，即利用硅的各向异性腐蚀，从背后将体硅腐蚀掉，形成金字塔型的槽，槽壁为慢腐蚀面（111），只在表面留下一层极薄的介质支撑层，红外吸收层以及热偶对都位于该层之上，图中该介质层由SiO₂与Si₃N₄的三明治结构组成，称其为封闭膜就是指该支撑层与硅基体处处相连，在封装之后，形成上下两个空间。

图3-15 封闭膜结构的热电堆红外探测器

2.悬臂梁结构^[96]

红外吸收层，也就是热电堆的热结在悬臂梁的前端部分，冷结位于硅基体上。通过硅的腐蚀，从而形成金字塔型的腐蚀槽，同时正面采用MEMS加工工艺，去除部分介质层，使前后贯通，构成悬臂梁结构。红外吸收层与热偶对都在该悬臂梁上，悬臂梁一般由复合的介质层组成，以消除应力，保持悬臂梁的平直性。悬臂梁只通过固支端与硅基体相连，周围是导热性能较差的气体介质（或真空）。当悬臂梁与基体间通过两个固支端相连时，被称为悬桥结构。悬臂梁式热堆结构的热阻由悬臂梁方块热阻与悬臂梁长宽比的乘积决定。悬臂梁热阻可以通过改变其长宽比而达到比封闭模式结构的热阻大得多的数值。这种结构的另一个优点是热堆的热端面积可以设计得很大，从而增大其响应率。但是，悬臂梁结构机械上非常脆弱，给加工和操作带来了困难。这种热堆结构的特点是热阻较大，时间常数较长，器件响应率较大，但机械强度较小。悬臂梁结构如图3-16所示。(www.xing528.com)

图3-16 悬臂梁结构示意图

3.悬浮结构^[96]

红外吸收层处于中央的悬浮薄膜处，此处也构成热电堆的热结，冷结位于基体之上。与悬臂梁结构形成的方法类似，通过硅的各向异性腐蚀等技术，形成悬浮结构。热偶对位于悬浮薄膜与连接悬臂梁上，中央的热结与冷结通过几个悬臂梁相连，周围也是被气体介质（或真空）包围。浮动薄膜式热堆结构的薄膜大部分是由硅框架腐蚀而成，仅由几根悬臂梁支撑。这种结构的热端面积非常大，几根悬臂梁非常窄、长，因此热阻非常大。结构特点是热阻最大，时间常数最长，器件灵敏度最大，机械强度最小，极易损坏。

在上述三个结构中，从性能上比较，封闭膜结构的热阻最小，响应时间最短；悬浮结构的热阻最高，响应时间最长；悬臂梁结构的热阻，响应时间处于前两者之间。从制作工艺的难度比较，封闭膜的最容易，而悬臂梁的最难。在实际研究与应用中，悬浮结构除早期在某些领域有所探索外，后来逐渐退出，而对封闭膜结构与悬臂梁结构的研究应用一直没有间断，为现在MEMS热电堆红外传感器的主流结构。