一种红外测温传感芯片的制作方法

1.本发明涉及测温传感芯片技术领域，尤其涉及一种红外测温传感芯片。


背景技术：

2.红外探测器是红外热成像系统、红外气体和温度传感器的核心器件，主要分为制冷型和非制冷型两类。与制冷型红外探测器相比，非制冷型红外探测器不需要在系统中安装制冷装置，具有尺寸小、重量轻、功耗低的特点。采用非制冷型红外探测器的红外传感器和红外热像产品在整机工作寿命、可靠性、体积、重量、性价比等方面都更具优势，更适合在民用领域普及使用。
3.非制冷型红外探测器主要包括热释电探测器、热电堆探测器和微测辐射热计。目前，针对人体测温应用的红外探测器主要使用红外热电堆。由于人体自身温度，人体会持续向环境发出的红外线。当红外线照射到热电堆探测器芯片表面，其表面的热电偶结构将产生温差电势，温差电势的大小将被用于标定人体温度。使用mems技术制备的红外测温传感芯片主要是由热电偶阵列通过串联构成热电堆结构。当传感器接收红外辐射时，红外测温传感芯片上的多个热电偶的电压叠加输出，将测试温度转变为电压信号，提高了输出信号强度和测温的灵敏度。
4.此外，传统的热电堆探测器是通过在热电偶单元表面涂覆炭黑等红外吸收材料来提高器件的灵敏度。热电堆薄膜结构很脆弱，在涂覆操作中很容易破裂导致器件损坏。另外，由于不同批次的封装、仪器设备的不同和工作人员操作的差异化，有可能带来芯片性能的不一致。
5.目前，基于mems技术制造的红外测温传感芯片普遍存在由于常温的环境下对测温灵敏度具有重要的影响，主要表现在由于常温环境下的气体热对流会带走部分热量，导致测温灵敏度不准确。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于为解决常温环境下的气体热对流造成的热损耗影响测温的灵敏度的技术问题，为此，本发明提供了一种红外测温传感芯片，避免了常温环境下气体热对流形成的热损耗，提高了测温的灵敏度。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：
8.一种红外测温传感芯片，包括开设有凹槽的玻璃晶片和采用硅
‑
玻璃圆片键合并覆盖于所述凹槽上方的热电堆微结构薄膜；
9.所述凹槽的四周开设有位于所述玻璃晶片上的电极通孔，所述电极通孔内填充金属作为导线；
10.所述热电堆微结构薄膜包括键合于支撑层上表面的红外吸收层和键合于所述支撑层下表面的热电堆模组，所述热电堆模组覆盖于所述凹槽上方形成真空状态的密闭空腔，所述热电堆模组的输入端或输出端与所述电极通孔的一端相连接，所述电极通孔的另
一端与外部电极连接。
11.优选地，所述密闭空腔内填充有惰性气体。
12.优选地，所述惰性气体包括氩气、氮气和氦气中的至少一种。
13.优选地，所述热电堆模组包括布置于所述支撑层下表面的热电堆模块，所述热电堆模块由至少两个热电偶单元串联组成的热电偶阵列构成，所述热电偶单元优选为细丝型，所述热电堆模块的形状优选为三角形、长条矩形和短条矩形中的一种。
14.优选地，所述热电偶单元为半导体型热电偶单元或金属型热电偶单元，所述半导体型热电偶单元的材质优选为单晶半导体或多晶半导体。
15.优选地，所述半导体型热电偶单元由p型热电偶臂和n型热电偶臂组成，所述p型热电偶臂的端部和所述n型热电偶臂的端部通过金属导线实现欧姆连接。
16.优选地，所述金属型热电偶单元由两种不同的金属热电偶臂构成，两种不同的所述金属热电偶臂的端部通过金属导线连接，两种不同的所述金属型热电偶单元的材质优选为锑/铋、铜/镍铜合金和锰/铜镍合金中的一种。
17.优选地，所述红外吸收层的材料结构为纳米硅草、纳米孔洞和纳米森林结构中的至少一种，所述红外吸收层的厚度优选为20～1000nm。
18.优选地，所述支撑层的材料包括硅、氮化硅和氧化硅中的至少一种，所述支撑层的厚度优选为0.5～5μm。
19.优选地，所述玻璃晶片为高硼硅玻璃。
20.本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
21.1.本发明提供的红外测温传感芯片，由于使用了圆片级封装技术，将温度敏感单元密封在腔体内，避免了外界环境气氛和污染物对敏感单元的影响，提高了器件的工作可靠性；通过密封封装，敏感单元避免了外界对流气体的影响，隔绝了气体对流热传导带引起的热量损失，提高了测量的灵敏度和精度。
22.2.本发明提供的红外测温传感芯片，通过采用圆片级封装技术，降低了后期封装成本，提高了器件封装的一致性，同时，提高了抗氧化性和提高了使用寿命。
23.3.本发明提供的红外测温传感芯片，为防止外界大气压直接作用在薄膜上，导致的薄膜破裂的现象的发生，进而影响到灵敏度。本发明通过在密闭空腔内填充惰性气体，使内外气压达到平衡。
附图说明
24.图1为本发明的结构示意图；
25.图2为本发明的玻璃晶片示意图；
26.图3为不同结构的热电堆微结构薄膜示意图；
27.图4为热电堆微结构薄膜中热电偶单元的放大图；
28.图5为本发明半导体型红外测温传感芯片的制备图；
29.图6为本发明金属型红外测温传感芯片的制备图；
30.图中，1.玻璃晶片；2.密闭空腔；3.电极通孔；4.电极；5.支撑层；6.热电堆模组；7.红外吸收层；8.锡球；9.热电堆微结构薄膜；10.金属导线；11.p型热电偶臂或a金属热电偶臂；12.n型热电偶臂或b金属型热电偶臂；13.冷端；14.热端。
具体实施方式
31.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
32.如图1
‑
6所示，本发明提供了一种红外测温传感芯片，包括开设有凹槽的玻璃晶片1和采用硅
‑
玻璃圆片键合并覆盖于所述凹槽上方的热电堆微结构薄膜9；
33.所述凹槽的四周开设有位于所述玻璃晶片1上的电极通孔3，所述电极通孔3内填充金属作为导线；
34.所述热电堆微结构薄膜9包括键合于支撑层5上表面的红外吸收层7和键合于所述支撑层5下表面的热电堆模组6，所述热电堆模组6覆盖于所述凹槽上方形成真空状态的密闭空腔2，所述热电堆模组的输入端或输出端与所述电极通孔3的一端相连接，所述电极通孔3的另一端与外部电极连接。
35.本发明的上述结构中，对于凹槽的形状没有特殊要求，如图2所示，优选为正方形凹槽；对于热电堆微结构薄膜9的具体结构不作特殊限定，图3中示例性的示出了不同的热电堆微结构薄膜9结构；本发明的上述结构中，热电堆模组6被密封在密闭空腔2的一侧与外部环境隔离，红外吸收层7在支撑层5的另一面暴露在外部环境中。
36.在本发明的另一个实施方式中，为防止热电堆微结构薄膜9被外界空气压破，所述密闭空腔2内填充有惰性气体。
37.在本发明中，所述惰性气体包括氩气、氮气和氦气中的至少一种。
38.在本发明中，所述热电堆模组6包括布置于所述支撑层下表面的热电堆模块，所述热电堆模块由至少两个热电偶单元串联组成的热电偶阵列构成；优选为：热电堆模组6由四个热电堆模块对称布置在支撑层5表面；热电堆模块是由多个热电偶单元串联组成的热电偶阵列，在此，对串联的热电偶单元的数量不做限定，应保证至少两个。
39.在本发明中，所述热电堆模块的形状为三角形、长条矩形和短条矩形中的一种；本发明中，对热电堆模块的数量不作特殊限定，热电堆模块的数量优选为四个，四个热电堆模块对称布置在玻璃晶片1正方形凹槽的四个边上；四个热电堆模块通过金属导线串联实现电连接，并从串联的两端引出输入和输出电极并与电极通孔3的一端通过锡球8相连接；热电堆模块是由多个热电偶单元串联组成的热电偶阵列；热电偶阵列的冷端13布置于玻璃晶片1的框架上，热电偶阵列的热端14悬浮于玻璃晶片1的正方形凹槽上方；热电偶阵列的冷端13与热端14之间形成热电堆模块的温差电动势；红外测温传感芯片总的温差电动势是四个热电堆模块温差电动势之和，并与入射的红外线能量成正比。
40.热电堆模块中，热电偶单元的长度和数量与传感器灵敏度成正相关；三角形热电堆模块的热电偶单元排满于玻璃晶片1的正方形凹槽的边长上，长度呈线性变化；长条矩形热电堆模块具有较少的热电偶单元即可达到相应的灵敏度要求，而短条矩形热电堆模块需要更多的热电偶单元数量才能达到相应的灵敏度要求。
41.在本发明中，所述热电偶单元为细丝型。
42.在本发明中，所述热电偶单元为半导体型热电偶单元。
43.在本发明中，如图3所示，所述半导体型热电偶单元由p型热电偶臂11和n型热电偶臂12组成，所述p型热电偶臂11的端部和所述n型热电偶臂12的端部通过金属导线10实现欧姆连接。
44.在本发明中，所述半导体型热电偶单元的材质为单晶半导体或多晶半导体；主要包括硅、锗、砷化镓、锑化铋等半导体材料，优选为晶硅。
45.在本发明中，所述热电偶单元为金属型热电偶单元。
46.在本发明中，所述金属型热电偶单元由两种不同的金属热电偶臂构成，两种不同的所述金属热电偶臂的端部通过金属导线连接；如图3所示，为便于表述，将两种不同金属热电偶臂定义为a金属热电偶臂和b金属型热电偶臂，将其附图标记与p型热电偶臂和n型热电偶臂相对应的用同一个附图标记表示。
47.在本发明中，两种不同的所述金属型热电偶单元的材质为锑/铋、铜/镍铜合金和锰/铜镍合金中的一种，优选为铜/镍铜合金。
48.在本发明中，所述红外吸收层7的材料结构为纳米硅草、纳米孔洞和纳米森林结构中的至少一种，优选为由纳米硅草构成的黑硅和纳米森林结构中的纳米铂森林构成的铂黑。
49.在本发明中，所述红外吸收层7的厚度为20～1000nm。
50.在本发明中，所述支撑层5的材料包括硅、氮化硅和氧化硅中的至少一种，进一步，优选为硅/氧化硅材料。
51.在本发明中，所述支撑层5的厚度为0.5～5μm，支撑层5主要用于支撑其两面的红外吸收层和热电堆模组6。
52.在本发明中，所述金属导线10的宽度为50～200μm，厚度为50～500nm；本发明中，金属导线10的材质可以是铝、钛、铬、银、铜、铋等，优选为铝。
53.在本发明中，所述玻璃晶片1为高硼硅玻璃，优选地，玻璃晶片1与支撑层5具有相近的热膨胀系数。
54.需要说明的是，热电堆微结构薄膜9的厚度是由soi晶圆片的硅器件层的厚度决定的；通过湿法化学腐蚀，并利用soi晶圆片的掩埋氧化层作为腐蚀停止层，能精确控制薄膜厚度在1～4μm之间。
55.本发明提供了上述半导体型热电偶单元制成的红外测温传感芯片的制备方法，包括如下步骤：如图5所示，
56.步骤1：支撑层5上的热电堆微结构薄膜9的制备
57.a.清洗绝缘体上的soi晶圆片，并对soi晶圆片的器件层进行高温氧化，获得一定厚度的氧化层；
58.b.在soi器件层表面的氧化层上沉积特定厚度的半导体层；
59.c.在半导体层的特定区域内通过光刻、掩膜、离子注入和刻蚀工艺制备出p型热电偶臂11和n型热电偶臂12结构；
60.d.在热电堆模块表面沉积金属层；
61.e.在金属层上制备光刻掩膜；
62.f.利用湿法腐蚀形成金属导线和电极，实现热电堆的电连接；
63.步骤2：玻璃晶片凹槽和通孔的制备
64.g.清洗玻璃晶片1，对玻璃晶片1进行光刻形成腔体掩膜；
65.h.利用湿法腐蚀制备玻璃晶片凹槽结构；
66.i.使用激光打孔技术在玻璃晶片1两侧对应的位置加工出通孔，然后使用电镀工艺在通孔中制备金属导线；
67.步骤3：键合及封装工艺
68.j.对soi晶圆片和玻璃晶片1进行有机溶剂清洗,将soi晶圆片的硅器件层和玻璃晶片1进行对准并阳极键合；
69.k.使用湿法刻蚀工艺将键合soi晶圆片的硅基底和掩埋氧化层去除；
70.l.使用深反应等离子干法刻蚀工艺在soi晶圆片的硅器件层表面制备红外吸收层7的黑硅结构；或沉积铂金属在硅器件层表面，并通过电化学氧极氧化制备铂黑结构；
71.m.在填充有金属导线的电极通孔3底部连接锡球8。
72.本发明还提供上述金属型热电偶单元制成的红外测温传感芯片的制备方法，包括如下步骤：
73.步骤1：支撑层上热电堆微结构薄膜的制备
74.a.清洗绝缘体的上so i晶圆片，并对soi晶圆片的器件层进行高温氧化，获得一定厚度的氧化层；
75.b.在soi器件层表面的氧化层上制备a光刻掩膜；
76.c.在a光刻掩膜上沉积出a金属层；
77.d.通过金属剥离工艺制备出a金属热电偶臂11、a金属导线和a电极；
78.e.在上述器件层表面制备b光刻掩膜；
79.f.在b光刻掩膜上沉积出特定厚度的b金属层；
80.g.通过金属剥离工艺制备出b金属热电偶臂12、b金属导线和b电极。
81.步骤2：玻璃晶片凹槽和通孔的制备
82.h.清洗玻璃晶片，对玻璃晶片1进行光刻形成腔体掩膜；
83.i.利用湿法腐蚀制备玻璃晶片凹槽结构；
84.j.使用激光打孔技术在玻璃晶片1两侧对应的位置加工出电极通孔3，然后使用电镀工艺在电极通孔3中制备金属导线；
85.步骤3：键合及封装工艺
86.k.对soi晶圆片和玻璃晶片1进行有机溶剂清洗,将soi晶圆片的硅器件层和玻璃晶片进行对准并阳极键合；
87.l.使用湿法腐蚀工艺将键合soi晶圆片的硅基底和掩埋氧化层去除；
88.m.使用深反应等离子干法刻蚀工艺在soi晶圆片的硅器件层表面制备红外吸收层7的黑硅结构；或沉积铂金属在硅器件层表面，并通过电化学氧极氧化制备铂黑结构；
89.n.在填充有金属导线的电极通孔3底部连接锡球8。
90.以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。