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文摘：介绍了一种高性能的微机电系统（MEMS）
热电堆红外探测器。它由一个双端梁和一个双层热电偶组成
结构，提高了探测器的响应度。集成了刻蚀停止结构
防止各向同性腐蚀对器件造成损坏。响应度
探测器达到1151.14v/W，测量响应时间为14.46ms
作为高精度温度传感器和真空传感器的潜力。
关键词：微机电系统；红外探测器；热电堆；刻蚀停止
1介绍
随着人们对红外探测器的需求越来越广泛，红外探测器技术得到了迅速的发展
应用，如工业和民用领域的热成像和资源勘探[1–3]。
现代红外探测器是在红外热像仪和光电热像仪的基础上发展起来的。
热红外探测器因其在室温下不制冷的优点而成为研究的热点
温度高，光谱响应宽，无斩波要求，成本低。热电堆
与其他探测器相比，红外探测器有几个优点。它由一系列
相互串联的热电偶。因此，与热电偶元件相比，
热电堆器件可以获得更高的输出信号。
有报道称，一些热电材料可以改善器件的性能
微机电系统（MEMS）热反应器红外探测器。互补的
研制了一种金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的悬臂梁热电堆红外探测器
采用Al/n-poly-Si作为热电偶材料和氧化硅/氮化硅
（SiO2/Si3N4）作为介质支撑膜材料[4]。Bi2Te3和Sb2Te3等热电材料
集成在红外探测器中以获得高性能[5]。单层热电偶
红外探测器中也采用了板条（SLT）[6]。但是，热电偶条的数量
由于其尺寸限制和相对较低的性能而受到限制。同时，基于热电堆的
设备需要在热连接和红外（IR）吸收区之间有一层隔热层，
导致性能下降。
提出了一种MEMS热电堆红外探测器。在引进的探测器中
本文采用双端梁结构。此外，探测器采用双层结构
热电偶结构（DLTS），即N型热电偶带和P型热电偶
探测器中的条带分别位于不同的平面上，探测器装置的尺寸，
基于这种结构，可以在保持高性能的同时进一步降低成本。热能
微机械2019，在器件的冷、热连接处采用保温结构，保持器件的温度
器件的热结等于红外吸收区，同时保持器件的温度
冷接点等于散热器。此外，探测器还集成了一种新颖的刻蚀停止结构
为了防止在各向同性干刻蚀过程中从正面过度刻蚀，从而防止冷结和
输出电极浮动并在制造过程中造成损坏。
2红外探测器的理论分析
基于热电堆的红外探测器如图1所示。在设备中，有一层
热电偶下的悬浮介质膜，以及热电堆的热连接
与红外吸收区接触。热电偶的冷端位于热端
水槽，由具有良好导热性的硅制成。散热器与
环境温度。
微机械2019，10，x 2/10
器件的热结等于红外吸收区，同时保持器件的温度
冷接点等于散热器。此外，一种新颖的刻蚀停止结构被集成到芯片中
探测器，以防止在各向同性干蚀刻过程中从前面过度蚀刻，从而防止冷
结和输出电极在制造过程中会浮动并造成损坏。
2红外探测器的理论分析
基于热电堆的红外探测器如基于热电堆的红外探测器如图1所示。在设备中，有一层
热电偶下的悬浮介质膜，以及热电堆的热连接
与红外吸收区接触。热电偶的冷端位于热端
水槽，由具有良好导热性的硅制成。散热器与
环境温度。
微机械2019，10，x 2/10
器件的热结等于红外吸收区，同时保持器件的温度
冷接点等于散热器。此外，一种新颖的刻蚀停止结构被集成到芯片中
探测器，以防止在各向同性干蚀刻过程中从前面过度蚀刻，从而防止冷
结和输出电极在制造过程中会浮动并造成损坏。
2红外探测器的理论分析
基于热电堆的红外探测器如图1所示。在设备中，有一层
热电偶下方的悬浮介质膜，以及热电堆的热接点
与红外吸收区接触。热电偶的冷端位于
散热片，由具有良好导热性的硅制成。散热器与
环境温度。
图1。基于热电堆的红外微机电系统原理图
（MEMS）探测器。
当红外辐射应用于热电堆装置时，温度差（Tdiff）是
在设备的“热连接”和“冷连接”之间创建，并根据Seebeck
效应，产生热电堆器件的热响应电压（ΔU）。响应输出
热电堆装置的电压可表示为[7]：
ΔU=NTdiff（αA−αB）=NTdiffαAB（1）
其中，N是热电偶的总数[7]。Aα和Bα是Seebeck
材料A和B的系数。ABα是
材料A和B。反应速度和反应时间是评价反应的重要参数
热电堆红外探测器的性能。设备的响应率可以表示为
[8]:
0 0
五
d级
鲁鲁
ɕA
= Δ = Δ (2)
式中，P0是红外辐射功率，φ0是辐射功率密度，Ad是装置
吸收区。根据Stefan-Boltzmann定律，红外辐射的功率密度
装置表面可表示为[9]（假设Tdiff<
0
4 4
1 1 0
2
0
（右）
s码
C T T
A和d
σ ε
ϕ
π
⋅ ⋅ ⋅ −
=
⋅ ⋅
(3)
其中Cr是斩波器的均方根转换因子，σ是Stefan–Boltzmann
常数，ε1是黑体发射率，T1是红外源的温度，T0是
环境温度，即红外辐射源的辐射面积，d0是两者之间的距离
红外光源和热电堆表面。如果焦耳热和
图1。基于热电堆的红外微机电系统原理图
（MEMS）探测器。
当红外辐射应用于热电堆装置时，温度差（Tdi）是
在设备的“热连接”和“冷连接”之间创建，并根据Seebeck
例如，产生热电堆装置的热响应电压（DU）。响应输出
热电堆装置的电压可表示为[7]：
DU=NTdi f f（ A B）=NTdi f f AB（1）
其中，N是热电偶的总数[7]。A和B是塞贝克系数
材料A和材料B。AB是材料A和B的塞贝克系数的差异。
响应速度和响应时间是评价热电堆性能的重要参数
红外线探测器。装置的响应率可以表示为[8]：
房车=
杜
P0
=
杜
公元'0年
(2)
其中P0是红外辐射功率，'0是辐射功率密度，Ad是装置
吸收区。根据Stefan-Boltzmann定律，红外辐射的功率密度
器件表面可以表示为[9]（假设Tdi <
'0 =
Cr “1 （T4
1英寸T4
0)
同 d02（3）
式中，Cr是斩波器的均方根转换系数，是Stefan–Boltzmann常数，
“1是黑体发射率，T1是红外源的温度，T0是环境温度
温度，As是红外光源的辐射面积，d0是红外光源之间的距离
微机械2019，10，877 3 of 10
电源和热电堆装置的表面。如果焦耳热和珀耳帖热的当量比是
忽略不计，冷热结之间的温度差Tdi可表示为[10]：
甲苯二异氰酸酯=
аP0
Gth公司
(4)
式中是材料在红外吸收区的红外吸收率，Gth是
热电堆的总导热系数。如图2所示，根据能量守恒原理
定律，器件的红外吸收区 |
