MEMS热电堆探测器性能仿真方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种MEMS热电堆探测器性能仿真方法及装置。其提供待性能仿真的热电堆探测器，并确定所述热电堆探测器的红外加权吸收率；利用一热辐射装置对上述的热电堆探测器热辐射时，以得到在所述热辐射装置热辐射下的热辐射输出电压，根据热辐射输出电压、红外加权吸收率α

【技术实现步骤摘要】
MEMS热电堆探测器性能仿真方法及装置


[0001]本专利技术涉及一种性能仿真方法及装置，尤其是一种MEMS热电堆探测器性能仿真方法及装置。

技术介绍

[0002]热电堆探测器是以塞贝克效应为基础，其通过探测物体发射的红外电磁波并转换为表征物理温度的可测电信号。利用热电堆探测器的环境适应性、小尺寸、方便性等优点，红外热电堆传感器广泛应用于红外搜查、非接触测温、安防、智能电器、有害气体监测等行业。随着微电子技术的发展，微电子机械系统(MEMS：MicroElectro
‑
Mechanical System)的概念得到广泛关注，凭借MEMS技术，半导体材料及工艺被应用到热电堆传感器生产制造中。
[0003]一般地，在生产制造热电堆探测器的过程中，主要有以下几个步骤：材料评估及选型、结构设计与仿真计算、工艺设计与光刻版制版、晶圆流片封装测试；其中，结构设计与仿真计算需要在材料参数设定、结构模型建立、物理场模型搭建这三步骤间进行多次优化，以能够仿真出芯片综合性能最优的结构，实现将芯片性能仿真计算值向实测值靠近为目的。结构模型搭建时，会明确所需用到的材料、尺寸规格、多层膜沉积刻蚀规则等。
[0004]热电堆探测器主要区域有热偶、冷热端、吸收区、背腔等；常用到的物理场模型有辐射传热、固体传热、电流以及基于辐射传热、固体传热与电流的热电耦合多物理场，如焦耳热、热电效应等。
[0005]为模拟MEMS热电堆探测器接收到一定红外辐射后的响应率，常常在辐射传热物理场中设置一热通量Q，以施加到MEMS热电堆探测器的吸收区；在吸收区设置一固定的吸收率α，以表示对红外辐射利用率。热通量Q、吸收率α这两个参数与实际生产的热电堆探测器实测值越贴近，则仿真计算的热电性能越符合实测值，表示仿真计算过程越可信，即可避免由于仿真计算与实测值不符，导致流片生产失败所造成较大的损失。
[0006]然而，在多次仿真计算与实测值对比中可以发现，由于热电堆探测器的结构设计不同、各膜层材料厚度不同、吸收区材料对不同波段红外辐射吸收存在差异以及黑体辐射不同频率波的能力也不同时，如果使用单一固定的热通量Q和吸收率α，就会造成上述仿真计算与实测值不符的现象。
[0007]另外，由于热电堆探测器的类型不同，其吸收区结构不同，如使用同一仿真计算模型也会造成其中某一类型仿真计算结果不准，具体地：如热电堆探测器采用悬臂梁类型时，在吸收区绝热刻蚀孔处会透射过一定的红外辐射，这部分红外辐射在芯片背腔表面或封装底座上表面处形成反射，进而被吸收区下表面吸收，结果是吸收区正面和背面双吸收。而封闭膜类型的热电堆吸收区无绝热刻蚀孔，红外辐射透过吸收区再在背腔表面或封装底座上表面反射被吸收区下表面吸收是比较微弱的。这就造成了悬臂梁和封闭膜类型热电堆在红外吸收方式和效率上的差异，即在仿真计算中如果使用同一套仿真模型，则会使其中某一种类型的热电堆仿真结果与实测差距较大。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种MEMS热电堆探测器性能仿真方法及装置，其能有效实现对热电堆芯片性能的有效仿真计算，提高仿真计算的精度与可靠性。
[0009]按照本专利技术提供的技术方案，所述MEMS热电堆探测器性能仿真方法，
[0010]提供待性能仿真的热电堆探测器，并确定所述热电堆探测器的红外加权吸收率α
q
，其中，在确定所述热电堆探测器的红外加权吸收率α
q
时，将所需不同波长的红外光波分别依次入射到热电堆探测器红外吸收区相应的红外吸收设定区域，以确定每个红外吸收设定区域在所入射红外光波下的点吸收率，以及与入射红外光波对应的黑体在温度T下的黑体辐射区间功率密度；
[0011]根据每个红外吸收设定区域的点吸收率以及黑体辐射功率区间功率密度，加权计算后得到热电堆探测器的红外加权吸收率α
q
与黑体辐射加权功率密度M
z
；
[0012]利用一标准黑体对上述的热电堆探测器热辐射时，以得到在所述标准黑体热辐射下的热辐射输出电压，根据热辐射输出电压、红外加权吸收率α
q
以及黑体辐射加权功率密度M
z
仿真确定所述待性能仿真热电堆探测器的性能。
[0013]确定热电堆探测器的红外加权吸收率α
q
时，红外光波利用显微红外光谱仪产生并入射到相应的红外吸收设定区域；
[0014]显微红外光谱仪产生红外光波的光斑大小可调，以使得红外光波的光斑与所述红外光波所入射的红外吸收设定区域匹配，显微红外光谱仪产生红外光波的光斑大小为1μm～1000μm。
[0015]根据每个红外吸收设定区域的点吸收率，加权计算得到红外加权吸收率α
q
时，则有：
[0016][0017]其中，为红外吸收设定区域在波长为λ
i
的点吸收率，n为入射到红外吸收设定区域的红外光波数量，S
j
为第j个红外吸收设定区域的面积，m为热电堆吸收区的设定区域的数量。
[0018]黑体在温度T下的黑体辐射区间功率密度为：
[0019][0020]其中，M(λ
i
,λ
i
+Δλ
i
,T)为黑体辐射区间功率密度，λ
i
为第i个入射到红外吸收设定区域红外光波的波长，T为黑体的绝对温度，c为光速，h为普朗克常数，κ为波尔兹曼常数；
[0021]根据所述黑体在温度T下的黑体辐射区间功率密度，则黑体辐射加权功率密度M
z
为：
[0022][0023]其中，Δλ
i
为第i个入射到红外吸收设定区域红外光波的波长区间宽度。
[0024]热电堆探测器为悬臂梁型热电堆探测器时，红外加权吸收率α
q
包括上表面红外加权吸收率α
q1
以及下表面红外加权吸收率α
q2
，α
q
＝α
q1
+α
q2
，其中，
[0025]上表面红外加权吸收率α
q1
为将红外光波入射到热电堆探测器的红外吸收设定区域正面得到的加权吸收率，下表面红外加权吸收率α
q2
为红外光波反射到热电堆探测器的红外吸收设定区域背面得到的加权吸收率。
[0026]所述热电堆探测器的性能包括响应率，其中，
[0027]根据热辐射输出电压、红外加权吸收率α
q
以及黑体辐射加权功率密度M
z
确定热电堆探测器的响应率时，则有：
[0028][0029]其中，R
v
为响应率，ΔU为在标准黑体的热辐射下热电堆探测器的输出电压，ω为标准黑体辐射测试中斩波器结构相关系数，S为热电堆探测器红外吸收区的总面积。
[0030]所述热电堆探测器红外吸收区的红外吸收设定区域包括热偶、热偶间、热端连接端、金属本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS热电堆探测器性能仿真方法，其特征是：提供待性能仿真的热电堆探测器，并确定所述热电堆探测器的红外加权吸收率α
q
，其中，在确定所述热电堆探测器的红外加权吸收率α
q
时，将所需不同波长的红外光波分别依次入射到热电堆探测器红外吸收区相应的红外吸收设定区域，以确定每个红外吸收设定区域在所入射红外光波下的点吸收率，以及与入射红外光波对应的黑体在温度T下的黑体辐射区间功率密度；根据每个红外吸收设定区域的点吸收率以及黑体辐射功率区间功率密度，加权计算后得到热电堆探测器的红外加权吸收率α
q
与黑体辐射加权功率密度M
z
；利用一标准黑体对上述的热电堆探测器热辐射时，以得到在所述标准黑体热辐射下的热辐射输出电压，根据热辐射输出电压、红外加权吸收率α
q
以及黑体辐射加权功率密度M
z
仿真确定所述待性能仿真热电堆探测器的性能。2.根据权利要求1所述的MEMS热电堆探测器性能仿真方法，其特征是：确定热电堆探测器的红外加权吸收率α
q
时，红外光波利用显微红外光谱仪产生并入射到相应的红外吸收设定区域；显微红外光谱仪产生红外光波的光斑大小可调，以使得红外光波的光斑与所述红外光波所入射的红外吸收设定区域匹配，显微红外光谱仪产生红外光波的光斑大小为1μm～1000μm。3.根据权利要求1所述的MEMS热电堆探测器性能仿真方法，其特征是，根据每个红外吸收设定区域的点吸收率，加权计算得到红外加权吸收率α
q
时，则有：其中，为红外吸收设定区域在波长为λ
i
的点吸收率，n为入射到红外吸收设定区域的红外光波数量，S
j
为第j个红外吸收设定区域的面积，m为热电堆吸收区的设定区域的数量。4.根据权利要求3所述的MEMS热电堆探测器性能仿真方法，其特征是，黑体在温度T下的黑体辐射区间功率密度为：其中，M(λ
i
,λ
i
+Δλ
i
,T)为黑体辐射区间功率密度，λ
i
为第i个入射到红外吸收设定区域红外光波的波长，T为黑体的绝对温度，c为光速，h为普朗克常数，κ为波尔兹曼常数；根据所述黑体在温度T下的黑体辐射区间功率密度，则黑体辐射加权功率密度M
z
为：其中，Δλ
i
为第i个入射到红外吸收设定区域红外光波的波长区间宽度。5.根据权利要求1所述的MEMS热电堆探测器性能仿真方法，其特征是，热电堆探测器为
悬臂梁型热电堆探测器时，红外加权吸收率α
q
包括上表面红外加权吸收率α
q1
以及下表面红外加权吸收率α
q2

【专利技术属性】
技术研发人员：丁雪峰，张琛琛，倪悦，毛海央，
申请(专利权)人：江苏创芯海微科技有限公司，
类型：发明
国别省市：