本發明涉及cmos-mems芯片領域，具體是一種具有熱解耦結構的cmos-mems單片集成熱電堆紅外探測器。

背景技術：

1、熱電堆紅外探測技術作為一種非接觸式溫度測量方法，其是通過測量紅外輻射引起的溫差來實現對物體表面溫度的精確測定，憑借其高靈敏度、快速響應和寬量程等優點，在眾多領域展現出重要價值。

2、目前，基于cmos工藝制備的cmos-mems單片集成熱電堆紅外探測器因其高可靠，高性價比等特性正在被廣泛的研究。而其面臨的主要問題之一是asi?c自發熱對熱電堆紅外傳感器的影響。由于asi?c芯片在工作過程中會產生一定的熱量，這種熱量可能會傳導到熱電堆上，導致熱電堆的溫度變化，進而影響其測量精度和穩定性。此外，asic芯片的自發熱還會引起局部溫度梯度，使得熱電堆的響應特性發生非均勻變化，進一步降低傳感器的性能；因此亟需一種具有熱解耦結構的cmos-mems單片集成熱電堆紅外探測器，以便降低as?ic自發熱效應對紅外熱電堆探測器的影響。

3、cmos-mems單片集成熱電堆紅外探測器，其工作原理是基于塞貝克效應，即在兩種不同的導體或半導體所組成的閉合回路中(也即組成了熱電偶)，當兩個接觸點的溫度不同時，回路中會產生一個溫差電動勢，將熱電偶串聯便可組成熱電堆。在實際的應用中，之所以將多個熱電偶串聯在一起組成熱電堆，是為了提高總的溫差電動勢，從而提高探測器的靈敏度以便直接測量。cmos-mems單片集成熱電堆紅外探測器不同于傳統的電路與熱電堆獨立分開的熱電堆探測器，其兼容cmos工藝，利用cmos工藝中的多晶硅層與金屬層圖性化設計后形成熱電堆結構，并與as?ic電路集成在同一個晶圓上，而后通過劃片形成單芯片集成的結構，這種集成方式使得其更加可靠，減小了因金屬引線而引起的信號的衰減，并且因使用同一個晶圓使得制造成本也得到了極大的降低。然而其不足之處在于單片集成時asic自發熱效應對紅外熱電堆探測器的影響會加大，沒有進行相應的熱解耦結構。

技術實現思路

1、本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提出一種具有熱解耦結構的cmos-mems單片集成熱電堆紅外探測器，可以極大地降低asi?c自發熱對熱電堆紅外探測器性能的影響。

2、為了實現上述目的，本發明具體采用的技術方案如下：

3、具有熱解耦結構的cmos-mems單片集成熱電堆紅外探測器，包括mems熱電堆、as?ic電路和熱解耦結構；所述的mems熱電堆包括熱電堆ⅰ與熱電堆ⅱ，且熱電堆ⅰ與熱電堆ⅱ的紅外吸收效率不同；所述的熱解耦結構包括位于mems熱電堆背部的隔熱空腔、位于asic電路下方的散熱微流道以及位于mems熱電堆與as?i?c電路中間的熱隔離槽，其中，熱電堆ⅰ與熱電堆ⅱ共用同一個隔熱空腔，用于減少熱端熱量從襯底下方耗散，從而增大冷端與熱端的溫差電動勢，并阻止as?ic自發熱效應產生的熱量通過下方體硅部分傳導至mems熱電堆。而散熱微流道用于將asic的產生的熱量通過微流道進行散熱，傳輸至芯片外。熱隔離槽用于將asic電路與mems熱電堆進行熱隔離，減小asi?c產生的熱通過熱傳導方式傳輸至mems熱電堆的熱量。

4、進一步地，所述的mems熱電堆是在單晶硅片的正面通過cmos工藝形成的mems熱電堆芯片，主體呈現差分結構，由結構高度對稱的熱電堆ⅰ與熱電堆ⅱ組成，所述的熱電堆ⅰ與熱電堆ⅱ均包括熱電偶、鎢通孔、紅外吸收層等結構，熱電偶的多晶硅層與金屬層通過鎢通孔連接，經光刻圖案后串聯形成熱電堆，熱電堆ⅰ與熱電堆ⅱ在同一水平面且呈縱向排布，熱電堆ⅱ的紅外吸收層采用高紅外反射率的薄膜，而熱電堆ⅰ的紅外吸收層采用cmos工藝中的氮化硅鈍化層。

5、進一步地，所述的asic電路是在單晶硅片經標準cmos工藝制備而成的，其由差分運放模塊(amp?l?ifi?er)、模數轉換器(adc)、片上溫度傳感器(temperature?sensor)、參考電壓模塊(vo?l?tage?reference)以及微控制器模塊(mcu)組成，功耗大的模塊放置在中央位置，功耗較小的模塊均勻分布在兩端，使得asic電路熱盡量分布均勻以便差分結構熱電堆中的單個熱電堆受到同等程度的熱干擾。

6、進一步地，差分運放模塊主要用于將熱電堆ⅰ與熱電堆ⅱ的輸出熱電勢做差并適當放大以消除as?ic自發熱效應引起的熱電動勢；模數轉換器用于將模擬的輸出熱電勢轉化為數字信號并傳至微控制器mcu模塊中進行后續的處理；片上溫度傳感器則用于監測熱電堆的冷端溫度。

7、本發明具有以下的特點和有益效果：

8、本發明從三個方面出發,極大程度消除了asi?c自發熱效應給mems熱電堆帶來的影響。首先有別于傳統的單端熱電堆，設計了差分結構熱電堆，通常差分的方式除去as?ic電路的熱干擾。然后，通過采用熱布局優化后的asic電路，使得熱量均勻分布。最后，通過所設計的微流道及熱隔離槽結構加速as?i?c電路熱量的耗散，并切斷與熱電堆的熱傳導路徑，進一步減少asic電路對mems熱電堆的熱干擾。

技術特征：

1.一種具有熱解耦結構的cmos-mems單片集成熱電堆紅外探測器，其特征在于：包括mems熱電堆、asic電路和熱解耦結構；所述的mems熱電堆包括熱電堆ⅰ與熱電堆ⅱ，且熱電堆ⅰ與熱電堆ⅱ的紅外吸收效率不同；所述的熱解耦結構包括位于mems熱電堆背部的隔熱空腔、位于asic電路下方的散熱微流道以及位于mems熱電堆與asic電路中間的熱隔離槽。

2.如權利要求1所述的具有熱解耦結構的cmos-mems單片集成熱電堆紅外探測器，其特征在于：所述的mems熱電堆是在單晶硅片的正面通過cmos工藝形成的mems熱電堆芯片，主體呈現差分結構，由結構高度對稱的熱電堆ⅰ與熱電堆ⅱ組成。

3.如權利要求2所述的具有熱解耦結構的cmos-mems單片集成熱電堆紅外探測器，其特征在于：所述的熱電堆ⅰ與熱電堆ⅱ均由熱電偶經光刻圖案后串聯形成，熱電偶的多晶硅層與金屬層通過鎢通孔連接。

4.如權利要求2所述的具有熱解耦結構的cmos-mems單片集成熱電堆紅外探測器，其特征在于：所述的熱電堆ⅰ與熱電堆ⅱ在同一水平面且呈縱向排布，熱電堆ⅰ采用cmos工藝中的氮化硅鈍化層作為紅外吸收層，熱電堆ⅱ采用高紅外反射率的薄膜作為紅外吸收層。

5.如權利要求1所述的具有熱解耦結構的cmos-mems單片集成熱電堆紅外探測器，其特征在于：所述的asic電路是在單晶硅片經標準cmos工藝制備而成的，其由差分運放模塊、模數轉換器、片上溫度傳感器、參考電壓模塊以及微控制器模塊組成，功耗大的模塊放置在中央位置，功耗較小的模塊均勻分布在兩端。

6.如權利要求4所述的具有熱解耦結構的cmos-mems單片集成熱電堆紅外探測器，其特征在于：所述的差分運放模塊用于將熱電堆ⅰ與熱電堆ⅱ的輸出熱電勢做差并適當放大以消除asic自發熱效應引起的熱電動勢；所述的模數轉換器用于將模擬的輸出熱電勢轉化為數字信號并傳至微控制器mcu模塊中進行后續的處理；所述的片上溫度傳感器則用于監測熱電堆的冷端溫度。

7.如權利要求1所述的具有熱解耦結構的cmos-mems單片集成熱電堆紅外探測器，其特征在于：所述的熱電堆ⅰ與熱電堆ⅱ共用同一個隔熱空腔。

技術總結
本發明涉及CMOS?MEMS芯片領域，具體是一種具有熱解耦結構的CMOS?MEMS單片集成熱電堆紅外探測器，包括MEMS熱電堆、AS?IC電路和熱解耦結構；MEMS熱電堆包括熱電堆Ⅰ與熱電堆Ⅱ，且熱電堆Ⅰ與熱電堆Ⅱ的紅外吸收效率不同；熱解耦結構包括隔熱空腔、散熱微流道以及位于MEMS熱電堆與AS?IC電路中間的熱隔離槽。本發明首先采用具有不同紅外吸收率的差分結構熱電堆，以消除ASIC電路的自發熱效應帶來的影響。然后，通過優化AS?IC電路熱布局使得AS?IC電路熱盡量分布均勻，最后，通過熱解耦結構加速AS?IC電路熱量的耗散，并切斷與熱電堆的熱傳導路徑，進一步減少AS?IC電路對MEMS熱電堆的熱干擾。

技術研發人員：董林璽,程家根
受保護的技術使用者：杭州電子科技大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24