西安交大研发高响应度热电堆红外传感器，助力高分辨率红外成像
2026-05-17 11:06:38 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
西安交通大学提出了一种径向分布螺旋双层P型多晶硅和铝（Al）热电偶结构的新型热电堆。径向排布的热电偶臂配合圆形膜片，有效改善了各热电偶之间的温度均匀性。同时，螺旋双层结构在降低热导率的同时增加了热电偶数量，从而显著提高了器件响应度。
目前，非制冷低成本红外成像仪正朝着更高分辨率的方向发展，因此对具有更高响应度的热电堆传感单元的需求持续提升。传统的热电堆设计往往存在如单个热电偶臂之间温度分布不均匀或制造工艺复杂等问题，这些因素限制了器件响应度的进一步提升。
据麦姆斯咨询报道，近期，西安交通大学提出了一种径向分布螺旋双层P型多晶硅（P-poly）/铝（Al）热电偶结构的新型热电堆。径向排布的热电偶臂配合圆形膜片，有效改善了各热电偶之间的温度均匀性。同时，螺旋双层结构在降低热导率的同时增加了热电偶数量，从而显著提高了器件响应度。研究人员对螺旋结构的关键参数展开设计和优化，对所制备新型传感器进行了表征，并与传统非螺旋式热电堆进行了对比测试。实验结果表明，该新型热电堆红外传感器的响应度为52.53 V/W，比探测率达9.76 × 10⁷ cm·√Hz·W⁻¹，较传统非螺旋式传感器（37.70 V/W和8.29 × 10⁷ cm·√Hz·W⁻¹）分别提高了39.35%和17.81%。凭借其高响应度和CMOS兼容的制造工艺，该新型热电堆为下一代高分辨率红外成像仪提供了经济高效的解决方案。相关研究成果以“Development of a novel radially-distributed spiral bilayer thermopile infrared sensor with enhanced responsivity”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
工作原理与结构设计
图1a展示了所提出热电堆的工作原理。该热电堆由特定数量的垂直堆叠热电偶串联组成，每个热电偶由两种不同的热电材料（A和B）构成。当来自目标的红外辐射被该结构吸收时，悬浮热端结（hot junction）的温度升高。相比之下，固定在衬底上的冷端结（cold junction）则保持环境温度。由于塞贝克效应，热端结与冷端结之间的温差（ΔT）会在每个热电偶臂上产生电势差，从而产生与入射红外辐射对应的累积电压输出。图1b和图1bc展示了该热电堆结构的示意图。图1d展示了螺旋热电偶的示意图。
图1 热电堆的工作原理和结构参数
研究人员在考虑制造可行性和器件性能基础上，对热电堆的关键结构参数进行了优化。通过利用COMSOL Multiphysics软件进行模拟，对热电堆臂的相对曲率Rᵣₑₗₐ进行了进一步优化，相关结果如图2。
图2 相对曲率（Rᵣₑₗₐ）和膜片形状对热电堆性能的影响
热电堆芯片制造及形态表征
图3a展示了热电堆芯片的制造工艺。为了进行性能表征，该热电堆红外传感器是通过将芯片和NTC热敏电阻固定到TO底座上，并在大气中进行引线键合和封装来完成制造的，如图3b所示。
图3 热电堆芯片制造工艺及其传感器封装
图4a至图4d展示了所制备热电堆芯片的光学显微照片。图4b至图4d分别显示了冷端结、热端结和径向分布的螺旋热电偶的放大视图。图4e和图4f展示了该芯片与用于温度补偿的NTC热敏电阻一同封装在TO-5封装壳体内。图4g展示了集成红外滤光片的透射光谱，在5.6 μm至13 μm波段内平均透射率约为0.82。
图4 所制备热电堆芯片和传感器的光学图像
热电堆红外传感器的性能测试
研究人员对所制备热电堆红外传感器的性能进行了测试，相关结果如图5所示。图5a展示了不同Rᵣₑₗₐ下热电堆的电流-电压（IV）测试结果。图5b展示了该热电堆的输出电压与黑体温度（V-T）之间的关系。正向且可预测的V-T关系表明，所制备的热电堆红外传感器适用于非接触式温度测量。
图5 不同Rᵣₑₗₐ下所制备热电堆红外传感器的电学和光电性能
研究人员对该热电堆红外传感器的模拟结果与本次测试结果做了比较，相关结果如图6所示。如图6b所示，所有设计方案中模拟数据点与拟合曲线非常吻合，进一步证实了计算模型的可靠性。
图6 该热电堆红外传感器性能模拟结果与测量结果的比较
总结
综上所述，这项研究提出了一种新型热电堆红外传感器，该传感器采用径向分布的螺旋双层P型多晶硅/铝热电偶，实现了响应度增强。研究人员系统地分析并验证了所提出热电堆与参考热电堆的热传导、电输出以及传递温度响应。实验表明，随着相对曲率（Rᵣₑₗₐ）的增大，该器件的响应度和探测率均随之提高。响应度增强归因于热导率的降低和温差的有效利用，这是通过螺旋热电偶臂的延长导热路径以及圆形膜片的温度均匀性来实现的。响应时间的增加源于器件热容的增加和热导率的降低。凭借其高响应度以及具有成本效益的CMOS兼容制造工艺，该新型热电堆红外传感器为下一代高分辨率非制冷红外成像仪提供了新路径。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01278-1
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《迈来芯MEMS远红外热电堆传感器MLX90632产品分析》