浅谈MEMS热电堆红外传感器
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摘 要：MEMS技术是微电子技术的重要发展方向，用于各式先进传感器的研究和制作。本文针对MEMS热电堆红外传感器进行了详细介绍，内容涵盖其基本原理、发展历程、工作原理、制备工艺和执意要应用。
关键词：MEMS;传感器;红外检测
1 绪论
热电堆的工作原理是通过监测物体的红外线（IR）确定物理温度。当物体温度升高，红外线产生的就越多。利用热电堆环境适应性、隐身性、小尺寸等优点，红外热电热能传感器广泛应用于红外搜查、有害气体监测等安全行业。
近年来，微电子技术不断发展，微电子机械系统（MEMS-Micro-Electro-Mechanical System）的概念得到广泛关注。凭借MEMS技术，半导体材料被使用作为热电堆传感器基体，形成了MEMS热电堆传感器。
MEMS热电堆传感器以微电子技术和半导体技术为基础，使用红外辐射原理制作。它能够实现非接触式测温，不需要接近被测物体。此外，它具备很高的灵敏度，能够监测微小的温度变化。
1.1 国外研究现状
Sebeck[1]在1823年发现连接两种不同金属合成线路时，两接点之间发生电势差。这个现象叫做热电偶（thermal couples），是测量温度梯度及热电产生器（thermoelectric generator）的工作原理。
以热电偶原理为基础，使用MEMS技术和工艺，MEMS热电传感器也随之诞生。[2]国外MEMS热电堆传感器发展已呈蓬勃状态，主要MEMS热电堆传感器生产公司包括美国TE Connectivity（TE）公司，日本欧姆龙公司，德国海曼等。
1.2 国内研究现状
国内在MEMS热电堆传感器研究上仍相对落后，主要集中于热电偶设备应用。
文献[2]基于MEMS热电堆传感器研究高温测量技术，研发了A2TPMI334型MEMS热电堆动传感器静态与态测量设备，并通过测试获得良好的结果。
产品研发方面，由中科院微电子所[3]主持的“热电堆传感器配套芯片”项目中，科研人员在部分低噪声、低失调模拟前端关键技术方面取得了突破性进展。
2 MEMS红外热电堆工作原理介绍
2.1 MEMS红外热电堆设计原理
如果两种金属构成的回路中，两个触点处于不同的温度，那么电路中产生电流，即热电流。两端点之间相应的电势称为热电势。一般规定热电势方向为：在热端电流由负流向正。这种由电导体或半导体两端热度差产生的热电现象就是贝塞克效应，它在熱配偶测温方面有着广泛的应用。
基于贝塞克原理设计热电堆传感器。它将多个热敏元件组合成热电阵列或热电堆。当热敏元件两端产生热度差，则元件两端出现电压变化。热接触点集中在很薄的共同吸收区，冷节点周围被高热质量散热块包围。
进入MEMS传感器时代，先进的半导体工艺能够在极小的空间内，加工出成百上千个热电偶，构建红外热电堆传感器。凭借MEMS技术，红外热电堆传感器尺寸变得很微小。而且，这种传感器的灵敏度和响应时间等性能大大提高。
2.2 MEMS红外热电堆制备工艺
不同应用的热电堆会有不同的结构和工艺流程，常见MEMS热电堆传感器包括封闭膜式和悬臂梁式。[5]文献[6]中介采用xeF2作为工作气体干法刻蚀工艺释放器件，由于其对铝等材料的刻蚀速率极小，因此可以采用标准CMOS工艺中最常用的材料，如P0lv/Al构成热电偶，从而大大提高兼容性。
3 MEMS红外热电堆传感器主要应用领域
3.1 热电堆红外测温传感器
MEMS红外热电堆进行温度测量时，不需要接触被测物体，能够实现非接触温度测量。在一些无法有效接触被测物体情况下提供了完美的测量方案。它具有很好的光电特性，测温灵敏度很高，且MEMS制作工艺保证了其长期的稳定性。
3.2 气体检测领域应用
在许多气体中，负电荷中心的瞬时或稳定状态与正电荷不一致。在红外光谱中，气体可以吸收特定的频率，可以进行分析。当红外线投射到气体中时，分子的共振频率与红外线波长一致，气体分子随原子能的跃进和入射红外线发生共振。
当气体被红外光源照射时，可以通过MEMS热电堆探测器检查气体的光谱来有效地检查气体的组成、浓度等。
4 总结
本文从MEMS红外热电堆传感器发展历史、工作原理、制备工艺、应用领域等介绍了被广泛使用的MEMS红外热电堆传感器。在传感器设计、制备等关键领域，国内相关技术仍与国际先进技术由一定差距，因此研究MEMS红外热电堆传感器对推动我国智能传感器发展有重要意义。
参考文献：
[1]邹令敏.基于MEMS热电堆的表面高温测试技术研究[D].中北大学，2009.
[2]基于MEMS热电堆传感器的高温测量技术[J].传感器与微系统，2009，28（9）：19-21.
[3]王司东，徐德辉，熊斌，等.MEMS热电堆传感器的红外探测系统[J].传感器与微系统，2017，36（2）：107-109.
[4]杨恒昭，熊斌，李铁，等.CMOS工艺兼容的热电堆红外探测器[J].半导体技术，2008，33（9）：759-761.
[5]赵利俊，欧文，闫建华，等.一种与CMOS工艺兼容的热电堆红外探测器[J].红外技术，2012，34（2）：89-94.
[6]夏燕.MEMS热电堆红外探测器的结构设计及制造研究[D].中北大学，2012.
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