一种混联结构的堆叠式热电堆的制作方法

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种堆叠式热电堆结构。

背景技术：

热电偶在温度测量中应用极为广泛，因为它构造简单，使用方便，具有准确度高、温度测量范围宽等优点。热电偶被用来将热势差转换为电势差。热电偶的基本工作原理是基于物体的热电效应，也被称为seebeck效应：由a、b两种不同材料的导体一端紧密地连在一起，当两结点温度不等时，在另一端两点处就会产生电势，从而形成电流。由seebeck效应产生的电压可表示为：

sa与sb分别为两种导体的塞贝克系数。热电堆是由多个热电偶串联而成，如果sa与sb不随温度的变化而变化，n个热电偶串联而成的热电堆的输出电压则可表示成：

v＝n(sb-sa)(t2-t1)

目前，可以通过优化热电堆的结构改善其性能。在一种mems热电堆结构及其制造方法中，通过提出两层结构的热电堆，将热电堆的热结位于吸热的顶端，而冷结埋在导热材料底部，减少热结热量的散失。此外，在一种双层mems热电堆结构中，通过在上下两层都放置热偶材料，并且采用对称放置的结构。在同等面积下实现热电偶数目的翻倍，提高灵敏度。但上述结构中的热偶材料接触为直接接触，接触面积较小。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种混联结构的堆叠式热电堆，以解决现有技术中存在的热偶材料接触面积较小的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种混联结构的堆叠式热电堆，包括衬底，所述衬底上设置有堆叠式热电堆。

进一步的，所述堆叠式热电堆由热电偶相互串联而成。

进一步的，所述热电偶包括半导体层和金属层；所述半导体层并联排列在衬底上；所述半导体层的两端填埋在金属层中。

进一步的，所述半导体层的个数为2-10个，半导体层均在金属层上形成肖特基接触。

所述半导体层和金属层之间的金属接触均为立体接触，半导体层在下，金属层在上方将半导体层包住，半导体层除与衬底接触的一面外其余三面均与金属层接触，使得单个热电偶面积大幅增加，减小接触电阻，从而提高输出电压和灵敏度。

进一步的，所述金属层将热电偶的热端和冷端分别连接为热端节点和冷端节点。

进一步的，所述热电偶之间通过热端节点和冷端节点相互连接。

进一步的，所述半导体层使用的材料为多晶硅或gaas；所述金属层使用的材料为au、al、pt或cu。

所述热电堆通过将多个并联的热电堆进行串联连接并进行堆叠设计，有效提高了输出热电势以及输出热电流，从而提高热电堆探测器的温度分辨率和灵敏度。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

与现有的mems热电堆相比，这种混联结构的堆叠式热电堆具有显著的优点：混联结构的堆叠式热电堆的热偶接触为立体接触，从而增大单个热偶接触面积，接触电阻减小，在相同温度差下输出电压增加；因此，提高了热电堆探测器的温度灵敏度和分辨率。

附图说明

图1是本发明金属—半导体立体接触的截面图；

图2是本发明混联结构的堆叠式热电堆的结构示意图；

图3是本发明单个并联结构热偶平面图；

图4是本发明单个并联结构热偶示意图

图中包括：1-金属层；2-半导体层；3—衬底。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

如图1、图4所示，一种混联结构的堆叠式热电堆，热电堆以高阻硅为衬底，堆叠式热电堆由热电偶相互串联而成，热电偶由金属层1和半导体层2组成，金属层1使用的材料为au、al、pt或cu，半导体层2使用的材料为多晶硅或gaas，不同于现有的热电偶直接接触，金属层1通过覆盖半导体层2，形成一种立体接触。

如图2所示，将多个半导体层2进行并联形成并联结构的热电偶，再将多个并联结构的热电偶串联形成混联的堆叠式热电堆。其中，并联结构的热电偶示意图如图3所示：并联结构的热电偶取消了串联结构中热电偶的热端和冷端之间的金属连线，通过金属层1将热端连接为一个热端节点，冷端连接为一个冷端节点，热电偶之间通过热端节点和冷端节点相互连接。热电偶的半导体层2分立设置，极大提高了一个端接触结的接触面积，形成一个接触面积较大的热电偶，即一个金属层1跨越热端和冷端，同时有大量半导体层2连线跨越热端和冷端。并联结构的热电偶工作时热电流流向如图3中的箭头所示。将多个并联结构的热电偶通过串联方式连接即形成了混联结构的堆叠式热电堆，提高输出热电流的同时提升输出热电势。

本发明通过改变金属-半导体接触方式，并进行混联，使得单个热偶接触面积大幅增加，减小接触电阻，同时增大了热电偶的密度，从而提高热电堆探测器的输出电压和灵敏度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种混联结构的堆叠式热电堆，属于半导体技术领域。包括衬底；所述衬底上设置有相互串联的并联结构的热电偶。本发明结构简单，容易实现。增加了接触面积，提高了输出电压，从而提高热电堆探测器的灵敏度和温度分辨率。

技术研发人员：王德波;谷新丰;魏良栋
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2019.06.19
技术公布日：2019.09.27