上海微系统所综述MEMS热电堆红外传感器

　　自20世纪80年代首款微加工热电红外传感器报道以来，MEMS技术通过微加工工艺降本、微热隔离结构提效，推动器件规模化发展。传统红外传感器存在体积大、成本高或依赖冷却等缺陷，难以满足微型化需求，而MEMS热电堆红外传感器凭借室温工作、噪声低、接口简单等优势，在军事侦察、智能家居、医疗检测等领域应用广泛。CMOS-MEMS技术融合实现传感器与读出电路单片集成，简化流程并降低成本；晶圆级封装技术则进一步推动器件微型化与高性能化，助力其向系统级芯片发展。

　　据麦姆斯咨询报道，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（简称：上海微系统所）的研究团队从研究背景、理论基础、器件设计及制造工艺等方面，系统梳理了MEMS热电堆红外传感器的研究状况。这项研究以“MEMS-based thermoelectric infrared sensors: A review”为题发表在Frontiers of Mechanical Engineering期刊上。

　　MEMS热电堆红外传感器基于塞贝克（Seebeck）效应与热电堆串联放大效应：红外辐射被吸收体收集后，使热电偶热端升温，与冷端形成温差，产生输出电压；热电堆由多个热电偶串联组成，输出电压随热电偶数量N倍增。传感器热损耗主要包括固体热传导、气体对流和热辐射三类，热损耗大小直接影响器件性能。

　　MEMS热电堆红外传感器性能取决于热电材料选择、热隔离结构设计、红外吸收器设计及封装技术四大核心环节，各环节相互协同作用，共同决定了器件的响应率、稳定性及成本等关键指标。

　　热电材料决定了热电偶的塞贝克系数。热电材料性能用由其品质因数Z来评价，Z值越大性能越优。其中，Bi₂Te₃的热电性能最优；但硅和多晶硅因CMOS兼容性更佳而更易量产；PolySiGe则可兼顾热电性能与工艺兼容性，是理想选择。

　　热隔离核心是刻蚀硅衬底，分背面与正面刻蚀两类。背面刻蚀通过湿法或深反应离子刻蚀（DRIE）去除体硅，热隔离效果好但工艺复杂、易粘连。正面刻蚀从结构层开窗去除部分硅，工艺简单、CMOS兼容性优，因而广泛应用于CMOS-MEMS器件。XeF₂各向同性刻蚀可避免粘连与等离子体损伤，对CMOS器件影响极小；背面与正面复合刻蚀工艺兼顾热隔离效果与兼容性，使性能较单一正面刻蚀提升两倍。

　　MEMS热电堆红外传感器的性能可以通过红外—热与热—电压两阶段转换来计算。为了实现高灵敏度，其红外吸收效率必须高，吸收层的热质量必须低，即红外吸收器需平衡吸收效率与热质量。红外吸收器主要分为四类：薄干涉微结构、多孔金属黑体、CMOS钝化薄膜、厚硅层。

　　封装核心目标是保护微结构并筛选工作波长，分为TO-CAN封装、倒装芯片封装和晶圆级封装三类。前两者为元件级封装，存在尺寸大、成本高问题；晶圆级封装可实现真空密封，消除气体对流热损耗，使响应率与比探测率提升四倍，且具备低成本、高产量优势，满足批量生产需求。

　　综上所述，MEMS热电堆红外传感器凭借室温工作、低成本、微型化等优势，在军民领域应用潜力巨大。理论上，基于塞贝克效应的探测机制与多种分析模型为器件设计提供支撑；技术上，材料选择兼顾性能与兼容性，热隔离与封装技术持续优化提升性能。未来发展聚焦平面方向CMOS-MEMS系统级芯片集成与垂直方向晶圆级封装集成，CMOS工艺将推动器件批量生产。尽管其灵敏度不及测辐射热计等器件，但凭借可靠特性与高性价比，有望成为低成本红外传感的主流技术。