淺談MEMS熱電堆紅外傳感器

劉昇

摘 要：MEMS技術是微電子技術的重要發展方向，用于各式先進傳感器的研究和制作。本文針對MEMS熱電堆紅外傳感器進行了詳細介紹，內容涵蓋其基本原理、發展歷程、工作原理、制備工藝和執意要應用。

關鍵詞：MEMS;傳感器;紅外檢測

1 緒論

熱電堆的工作原理是通過監測物體的紅外線（IR）確定物理溫度。當物體溫度升高，紅外線產生的就越多。利用熱電堆環境適應性、隱身性、小尺寸等優點，紅外熱電熱能傳感器廣泛應用于紅外搜查、有害氣體監測等安全行業。

近年來，微電子技術不斷發展，微電子機械系統（MEMS-Micro-Electro-Mechanical System）的概念得到廣泛關注。憑借MEMS技術，半導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和半導體技術為基礎，使用紅外輻射原理制作。它能夠實現非接觸式測溫，不需要接近被測物體。此外，它具備很高的靈敏度，能夠監測微小的溫度變化。

1.1 國外研究現狀

Sebeck[1]在1823年發現連接兩種不同金屬合成線路時，兩接點之間發生電勢差。這個現象叫做熱電偶（thermal couples），是測量溫度梯度及熱電產生器（thermoelectric generator）的工作原理。

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

1.2 國內研究現狀

國內在MEMS熱電堆傳感器研究上仍相對落后，主要集中于熱電偶設備應用。

文獻[2]基于MEMS熱電堆傳感器研究高溫測量技術，研發了A2TPMI334型MEMS熱電堆動傳感器靜態與態測量設備，并通過測試獲得良好的結果。

產品研發方面，由中科院微電子所[3]主持的“熱電堆傳感器配套芯片”項目中，科研人員在部分低噪聲、低失調模擬前端關鍵技術方面取得了突破性進展。

2 MEMS紅外熱電堆工作原理介紹

2.1 MEMS紅外熱電堆設計原理

如果兩種金屬構成的回路中，兩個觸點處于不同的溫度，那么電路中產生電流，即熱電流。兩端點之間相應的電勢稱為熱電勢。一般規定熱電勢方向為：在熱端電流由負流向正。這種由電導體或半導體兩端熱度差產生的熱電現象就是貝塞克效應，它在熱配偶測溫方面有著廣泛的應用。

基于貝塞克原理設計熱電堆傳感器。它將多個熱敏元件組合成熱電陣列或熱電堆。當熱敏元件兩端產生熱度差，則元件兩端出現電壓變化。熱接觸點集中在很薄的共同吸收區，冷節點周圍被高熱質量散熱塊包圍。

進入MEMS傳感器時代，先進的半導體工藝能夠在極小的空間內，加工出成百上千個熱電偶，構建紅外熱電堆傳感器。憑借MEMS技術，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時間等性能大大提高。

2.2 MEMS紅外熱電堆制備工藝

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

3 MEMS紅外熱電堆傳感器主要應用領域

3.1 熱電堆紅外測溫傳感器

MEMS紅外熱電堆進行溫度測量時，不需要接觸被測物體，能夠實現非接觸溫度測量。在一些無法有效接觸被測物體情況下提供了完美的測量方案。它具有很好的光電特性，測溫靈敏度很高，且MEMS制作工藝保證了其長期的穩定性。

3.2 氣體檢測領域應用

在許多氣體中，負電荷中心的瞬時或穩定狀態與正電荷不一致。在紅外光譜中，氣體可以吸收特定的頻率，可以進行分析。當紅外線投射到氣體中時，分子的共振頻率與紅外線波長一致，氣體分子隨原子能的躍進和入射紅外線發生共振。

當氣體被紅外光源照射時，可以通過MEMS熱電堆探測器檢查氣體的光譜來有效地檢查氣體的組成、濃度等。

4 總結

本文從MEMS紅外熱電堆傳感器發展歷史、工作原理、制備工藝、應用領域等介紹了被廣泛使用的MEMS紅外熱電堆傳感器。在傳感器設計、制備等關鍵領域，國內相關技術仍與國際先進技術由一定差距，因此研究MEMS紅外熱電堆傳感器對推動我國智能傳感器發展有重要意義。

參考文獻：

[1]鄒令敏.基于MEMS熱電堆的表面高溫測試技術研究[D].中北大學，2009.

[2]基于MEMS熱電堆傳感器的高溫測量技術[J].傳感器與微系統，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系統[J].傳感器與微系統，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器[J].半導體技術，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器[J].紅外技術，2012，34（2）：89-94.

[6]夏燕.MEMS熱電堆紅外探測器的結構設計及制造研究[D].中北大學，2012.