專利名稱：一種電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外傳感器領(lǐng)域，尤其是涉及一種電橋結(jié)構(gòu)的紅外線溫度傳感器。
背景技術(shù)：
紅外測(cè)溫由于具有非接觸，測(cè)溫動(dòng)態(tài)范圍寬和測(cè)溫準(zhǔn)確等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在食品，醫(yī) 療，電力，工業(yè)，建筑等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。紅外線測(cè)溫傳感器是紅外測(cè)溫儀表的關(guān) 鍵器件，其性能決定了測(cè)溫儀表的精度。目前，紅外測(cè)溫傳感器多采用熱電堆原理制作，美 國專利US-5059543就公開了一種典型的熱電堆紅外傳感器的制造方法，其包括在硅襯底 上利用硅各向異性腐蝕劑從硅襯底背面腐蝕，刻蝕中心部位的硅，在硅襯底頂部留下厚度 約為1微米的氧化硅_氮化硅封閉膜，利用兩種不同熱電特性材料沉積并形成熱偶對(duì)，熱電 堆熱端布置在封閉薄膜之上，冷端與硅襯底直接連接，當(dāng)紅外輻射入射到該紅外傳感器之 上，引氣封閉膜溫升，利用熱電堆探測(cè)該溫升就可以探測(cè)出紅外輻射的強(qiáng)弱并計(jì)算出目標(biāo) 溫度。熱電偶是制作紅外測(cè)溫傳感器的最常用方法，不過利用熱電偶作為紅外測(cè)溫傳感 器測(cè)溫材料也存在不足。常用熱偶材料的賽貝克系數(shù)通常不高，例如硅-Al熱偶對(duì)的溫度 靈敏系數(shù)僅為0. /K，即使溫度靈敏系數(shù)很高的BiSb (銻化鉍)的熱電系數(shù)也僅為0.5% 左右，是氧化釩薄膜的熱敏電阻系數(shù)(2% /K) 1/4左右，這限制了紅外測(cè)溫傳感器的溫度分 辨率。利用熱電偶串聯(lián)的熱電堆雖然可以改進(jìn)傳感器的響應(yīng)靈敏度，但熱電偶串聯(lián)也造成 了兩個(gè)問題首先是熱電堆的輸出電阻變大，器件噪聲增加，其次冷端和熱端間的熱電堆線 條會(huì)增大器件敏感區(qū)與襯底間的熱導(dǎo)，反而導(dǎo)致器件溫度分辨率下降，因此利用熱電堆技 術(shù)也難以實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量。而在某些領(lǐng)域如醫(yī)療體溫檢測(cè)，高精度測(cè)溫非常重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器，該傳感器可改善器件對(duì) 環(huán)境溫度的影響，實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測(cè)量。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，提供一種電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器，包括襯底上的電阻 器，該電阻器包括光敏電阻、環(huán)境參考電阻和焦耳熱參考電阻，其中所述的光敏電阻和焦 耳熱參考電阻下邊的襯底設(shè)置有凹槽，該凹槽與其上的電阻形成懸浮橋式結(jié)構(gòu)。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明通過在光敏電阻和焦耳熱參考 電阻下邊的襯底設(shè)置凹槽結(jié)構(gòu)，凹槽內(nèi)的空氣形成熱絕緣層，減小傳感器敏感區(qū)與襯底間 的熱傳導(dǎo)，提高了溫度測(cè)量的精確度。本發(fā)明進(jìn)一步帶來的技術(shù)效果是測(cè)溫材料選用電阻溫度系數(shù)較高的氧化釩薄膜， 器件靈敏度高，測(cè)溫準(zhǔn)確。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器電路結(jié)構(gòu)示意3
圖2是本發(fā)明實(shí)施例電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器光敏電阻的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器光敏電阻剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器加工流程示意圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。如圖1所示，其為本發(fā)明實(shí)施例涉及一種電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器的電路結(jié)構(gòu) 示意圖，圖中1為光敏電阻R1，2為環(huán)境參考電阻R2，3為環(huán)境參考電阻R3，4為焦耳熱參考 電阻R4，5和6分別為電源地和供電電源，所述的光敏電阻R1，環(huán)境參考電阻R2，環(huán)境參考 電阻R3，焦耳熱參考電阻R4均制作于襯底上，該襯底可選用硅或玻璃，及其他可作為傳感 器襯底的材料，本發(fā)明實(shí)施例以硅襯底為例。為減小焦耳熱造成的電阻溫度升高，傳感器采 用脈沖供電方式，這四個(gè)電阻R1-R4在未加電且室溫條件下阻值相同，均為R0。除紅外吸收 效率外，電阻I(Rl)和電阻4(R4)的其他特性如熱特性完全相同。在電阻Rl之上制作了一 層黑金紅外吸收層，對(duì)紅外的吸收效率高達(dá)95%以上，而在電阻R4之上制作了一層金屬反 射層，對(duì)紅外輻射的吸收率小于1%。如圖1所示，所述紅外線測(cè)溫傳感器的電路結(jié)構(gòu)示意圖中四個(gè)薄膜電阻均采用氧 化釩薄膜制作，由于熱敏材料選用電阻溫度系數(shù)較高的氧化釩薄膜，器件靈敏度高，測(cè)溫準(zhǔn) 確，在不考慮薄膜電阻溫度系數(shù)均勻性的基礎(chǔ)上，四個(gè)電阻1、2、3和4的電阻溫度系數(shù)完全 一致。此外，這四個(gè)電阻在設(shè)計(jì)時(shí)的版圖也完全一致，因此制作完畢后，如果不考慮工藝引 入的加工誤差，這四個(gè)薄膜電阻在室溫時(shí)的阻值也完全相同。在圖1所示的四個(gè)薄膜電阻 中，僅有電阻1對(duì)入射的紅外輻射敏感，其他三個(gè)均為參考電阻。本發(fā)明涉及的紅外溫度傳感器的工作原理如下當(dāng)目標(biāo)被遮蔽時(shí)，傳感器的四個(gè) 電阻阻值相同，電橋左右支路的分壓比也相同，電橋輸出為零；當(dāng)目標(biāo)不被遮蔽時(shí)，光敏元 (電阻1)吸收目標(biāo)照射的紅外輻射后溫度升高，薄膜電阻改變，造成電橋左右支路不再 平衡，電橋輸出信號(hào)不為零。當(dāng)薄膜材料電阻與薄膜溫度呈線性曲線條件下，如薄膜溫度 在-40 100°C內(nèi)，電橋輸出信號(hào)的大小與探測(cè)器吸收的紅外輻射呈正比關(guān)系。通過測(cè)量電 橋的輸出信號(hào)就可以計(jì)算出待測(cè)溫目標(biāo)入射的紅外輻射量，進(jìn)而計(jì)算出目標(biāo)溫度。本發(fā)明實(shí)施例采用橋式結(jié)構(gòu)有助于提高傳感器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，當(dāng)環(huán)境溫度改 變時(shí)，由于這4個(gè)電阻的薄膜電阻溫度系數(shù)相同，電阻變化趨勢(shì)一致，因此電橋輸出平衡并 不被破壞，電橋輸出信號(hào)仍為零。為提高探測(cè)器的溫度靈敏度，本發(fā)明實(shí)施例在光敏電阻1 和參考電阻4下部的硅襯底挖空，形成懸浮橋式減小傳感器敏感區(qū)與襯底間的熱傳導(dǎo)，凹 槽深度可以為100微米-500微米，凹槽內(nèi)的空氣則作為器件光敏元與襯底間的熱絕緣層。 電阻1和電阻4的關(guān)鍵區(qū)別在于電阻4對(duì)紅外輻射不敏感，而其他特性完全一致。在本發(fā) 明實(shí)施例中，傳感器采用脈沖驅(qū)動(dòng)方式，即電源以脈沖方式加載在電橋之上，采用脈沖電源 方式有助于減小器件功耗和施加較高的電源電壓，由于電源施加時(shí)間很短，焦耳熱造成的 傳感器敏感電阻Rl溫升不會(huì)太高，一般控制在幾度范圍之內(nèi)。電阻4的熱學(xué)特性與電阻1 完全相同，因此在施加讀出驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，這兩個(gè)電阻的阻值變化相同，電橋平衡不被破壞，電橋輸出仍為零。采用橋式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于減小環(huán)境溫度和焦耳熱對(duì)傳感器輸出信號(hào)的 影響，提高傳感器的工作適應(yīng)性。圖2和圖3為傳感器紅外敏感器件電阻Rl的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中101為傳感器光敏 電阻光敏區(qū)，102為體硅犧牲層工藝形成的凹槽，103為硅襯底，104為焊接焊盤，111為支撐 層，112為氧化釩薄膜，113為鈍化層，114為金屬電極(反射層)，115為黑金吸收層。與光 敏電阻Rl相比，在焦耳熱參考電阻R4之上沒有制備115黑金吸收層，而是制作了一層金屬 反射膜層用以反射入射的紅外輻射。電阻R2和電阻R3與電阻Rl結(jié)構(gòu)基本相同，但電阻直 接制作在硅襯底之上，沒有制作凹槽結(jié)構(gòu)且沒有在電阻之上制作黑金吸收層。凹槽102可 以采用等離子體干法刻蝕也可以采用體硅濕法刻蝕技術(shù)。本發(fā)明涉及的電橋結(jié)構(gòu)氧化釩薄膜紅外溫度傳感器的制作工藝流程如圖4所示， 為簡(jiǎn)化圖形，圖中僅包括電阻Rl和電阻R4，左側(cè)為R1，右側(cè)為R4。圖中102為硅刻蝕形成 的凹槽，凹槽深度約為100-500微米，103為硅襯底，111為支撐層，通常采用氮化硅或者氧 化硅薄膜，也可以采用氮化硅氧化硅復(fù)合薄膜，112為熱敏層氧化釩薄膜，113為鈍化層兼 隔離層，用于隔離電阻Rl中的黑金吸收層115與氧化釩薄膜112及電阻R4中的紅外反射 層114和氧化釩薄膜112，114為金屬電極，在R4中該層也被用作紅外光反射層，115為黑金 吸收層，用于增強(qiáng)電阻Rl對(duì)目標(biāo)輻射的紅外線的吸收效率，116為腐蝕孔，透過該腐蝕孔， 腐蝕液或者化學(xué)活性離子可以與下部的硅襯底反應(yīng)，刻蝕出凹槽結(jié)構(gòu)。如圖4所示，本發(fā)明實(shí)施例所述的紅外溫度傳感器的電阻主要包括1)支撐111層淀積，在硅襯底103之上利用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)或者等離 子體輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝制作支撐層111，支撐層111薄膜通常選用氮化硅和氧 化硅，也可以選用氮化硅和氧化硅的復(fù)合薄膜以降低膜層應(yīng)力，支撐層111厚度約0. 5-2微 米。2)氧化釩薄膜112制備和圖形化，利用反應(yīng)離子束濺射或者反應(yīng)磁控濺射技術(shù)在 支撐層111之上制備氧化釩薄膜，薄膜厚度約0. 05-0. 2微米，方塊電阻20-100千歐，電阻 溫度系數(shù)大于2. 0% /K，之后利用光刻和離子束刻蝕或者濕法刻蝕工藝圖形化氧化釩薄膜 112，僅在定義的電阻區(qū)域內(nèi)保留氧化釩薄膜。3)鈍化層113制作，利用PECVD工藝在氧化釩薄膜之上制作一層鈍化層113氮化 硅薄膜，薄膜厚度0. 1-0. 5微米。4)互聯(lián)電極孔刻蝕和金屬電極114沉積，首先利用光刻和反應(yīng)離子刻蝕(RIE)工 藝在鈍化層113上刻蝕氮化硅薄膜，露出氮化硅薄膜下的氧化釩薄膜112 ；然后利用剝離工 藝制作金屬互聯(lián)金屬電極114，金屬互聯(lián)電極114材料選用鈦-白金薄膜(Ti/Pt)，金屬電 極厚度約為0. 05-0. 1微米。在電阻R2之上，互聯(lián)電極層114幾乎全部覆蓋光敏區(qū)，用以反 射入射的紅外輻射。5)黑金吸收層115制作，利用剝離和熱蒸發(fā)工藝在電阻Rl之上制作紅外吸收黑金 層115，黑金層厚度約為0.01-0. 1微米，對(duì)紅外輻射吸收效率高于90%。6)刻蝕孔制作，利用光刻和RIE及濕法結(jié)合工藝制作刻蝕孔。7)凹槽102刻蝕，利用干法等離子體刻蝕或者濕法體硅工藝刻蝕電阻Rl和電阻 R2之下的硅襯底103，形成凹槽104。圖4中制作工藝流程僅包括電阻Rl和R4，電阻R2和R3與Rl相比，無紅外吸收金
5屬黑金吸收層115，在電阻下部也沒有制作熱隔離凹槽102，其他制作方法與Rl和R4相同。
權(quán)利要求
一種電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器，包括襯底上的電阻器電橋，該電阻器電橋包括光敏電阻、環(huán)境參考電阻和焦耳熱參考電阻，其特征在于所述的光敏電阻和焦耳熱參考電阻下邊的襯底設(shè)置有凹槽，該凹槽與其上的電阻形成懸浮橋式結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器，其特征在于所述的電阻由測(cè) 溫材料制成，該測(cè)溫材料是氧化釩。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器，其特征在于所述的凹槽 的深度為100微米-500微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器，其特征在于所述的電阻為四 個(gè)，其中光敏電阻和焦耳熱參考電阻各一個(gè)，環(huán)境參考電阻兩個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器，其特征在于所述的電阻還包 括有腐蝕孔，所述的凹槽通過該腐蝕孔滲透腐蝕液或活性離子刻蝕襯底而形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器，其特征在于所述的光敏電阻 上設(shè)置有紅外吸收層，該紅外吸收層采用黑金材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器，其特征在于所述焦耳熱參考 電阻之上設(shè)置有一金屬反射層，該金屬反射層采用鈦材料制成。
8.根 據(jù)權(quán)利要求2所述的電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器，其特征在于所述的測(cè)溫材料 氧化釩為薄膜結(jié)構(gòu)，該薄膜的厚度為0. 05微米-0. 2微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器，其特征在于所述的黑金材料 為薄膜結(jié)構(gòu)，該薄膜結(jié)構(gòu)的厚度為0.01微米-0. 1微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器，其特征在于所述的屬反射層 鈦-白金為薄膜結(jié)構(gòu)，該薄膜的厚度為0. 05微米-0. 1微米。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電橋結(jié)構(gòu)的紅外溫度傳感器，包括襯底上的電阻器電橋，該電阻器電橋包括光敏電阻、環(huán)境參考電阻和焦耳熱參考電阻，其中在所述的光敏電阻和焦耳熱參考電阻下邊的襯底設(shè)置有凹槽，該凹槽與其上的電阻形成懸浮橋式結(jié)構(gòu)；本發(fā)明在光敏電阻和焦耳熱參考電阻下邊的襯底上設(shè)置凹槽，凹槽內(nèi)的空氣形成熱絕緣層，減小了傳感器敏感區(qū)與襯底間的熱傳導(dǎo)，提高了目標(biāo)溫度測(cè)量的精確度，其次，傳感器熱敏材料選用高電阻溫度系數(shù)的氧化釩薄膜，也有利于提高器件的測(cè)溫準(zhǔn)確性。
文檔編號(hào)G01J5/24GK101881668SQ200910107270
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2009年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者王宏臣, 蔡毅 申請(qǐng)人:世紀(jì)晶源科技有限公司