MEMS-based thermoelectric infrared sensors: A review

Abstract

In the past decade, micro-electromechanical systems (MEMS)-based thermoelectric infrared (IR) sensors have received considerable attention because of the advances in micromachining technology. This paper presents a review of MEMS-based thermoelectric IR sensors. The first part describes the physics of the device and discusses the figures of merit. The second part discusses the sensing materials, thermal isolation microstructures, absorber designs, and packaging methods for these sensors and provides examples. Moreover, the status of sensor implementation technology is examined from a historical perspective by presenting findings from the early years to the most recent findings.

Keywords

thermoelectric infrared sensor / CMOS-MEMS / thermopile / micromachining / wafer-level package

References

[1] Rogalski A. Infrared Detectors. New York: Gordon and Breach Science Publishers, 2000

[2] Graf A, Arndt M, Sauer M,  Review of micromachined thermopiles for infrared detection. Measurement Science and Technology, 2007, 18(7): R59–R75

[3] Socher E, Bochobza-Degani O, Nemirovsky Y. Optimal performance of CMOS compatible IR thermoelectric sensors. Journal of Microelectromechanical Systems, 2000, 9(1): 38–46

[4] Du C H, Lee C. Characterization of thermopile based on complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) materials and post CMOS micromachining. Japanese Journal of Applied Physics, Part 1, Regular Papers & Short Notes, 2002, 41(6B): 4340–4345

[5] Xu D, Xiong B, Wang Y. Modeling of front-etched micromachined thermopile IR detector by CMOS technology. Journal of Microelectromechanical Systems, 2010, 19(6): 1331–1340

[6] Socher E, Bochobza-Degani O, Nemirovsky Y. Optimal design and noise considerations of CMOS compatible IR thermoelectric sensors. Sensor and Actuators A: Physical, 1998, 71(1–2): 107–115 

[7] Socher E, Bochobza-Degani O, Nemirovsky Y. Optimal performance of CMOS compatible IR thermoelectric sensors. Journal of Microelectromechanical Systems, 2000, 9(1): 38–46 

[8] Völklein F, Baltes H. Optimization tool for the performance parameters of thermoelectric microsensors. Sensors and Actuators A: Physical, 1993, 36(1): 65–71 

[9] Kozlov A G. Optimization of thin-film thermoelectric radiation sensor with separate disposition of absorbing layer and comb thermoelectric transducer. Sensors and Actuators A: Physical, 2000, 84(3): 259–269

[10] Kozlov A G. Analytical modelling of steady-state temperature distribution in thermal microsensors using Fourier method: Part 1. Theory. Sensors and Actuators A: Physical, 2002, 101(3): 283–298

[11] Kozlov A G. Analytical modelling of steady-state temperature distribution in thermal microsensors using Fourier method: Part 2. Practical application. Sensors and Actuators A: Physical, 2002, 101(3): 299–310

[12] Kozlov A G.Frequency response model for thermal radiation microsensors. Measurement Science and Technology, 2009, 20(4): 045204

[13] Escriba C, Campo E, Esteve D,  Complete analytical modeling and analysis of micromachined thermoelectric uncooled IR sensors. Sensors and Actuators A: Physical, 2005, 120(1): 267–276

[14] Mattsson C G, Bertilsson K, Thungström G,  Thermal simulation and design optimization of a thermopile infrared detector with an SU-8 membrane. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2009, 19(5): 055016 

[15] Levin A. A numerical simulation tool for infrared thermopile detectors. In: Proceedings of 24th International Conference on Thermoelectrics. IEEE, 2005, 476–479

[16] Elbel T, Lenggenhager R, Baltes H. Model of thermoelectric radiation sensors made by CMOS and micromachining. Sensors and Actuators A: Physical, 1992, 35(2): 101–106

[17] Lahiji G R, Wise K D. A monolithic thermopile detector fabricated using integrated-circuit technology. In: Proceedings of 1980 International Electron Devices Meeting. IEEE, 1980, 26: 676–679

[18] Roncaglia A, Ferri M. Thermoelectric materials in MEMS and NEMS: A review. Science of Advanced Materials, 2011, 3(3): 401–419

[19] Liao C N,Chen C, Tu K N. Thermoelectric characterization of Si thin films in silicon-on-insulator wafers. Journal of Applied Physics, 1999, 86(6): 3204–3208 

[20] Haenschke F, Kessler E, Dillner U,  A new high detectivity room temperature linear thermopile array with a D* greater than 2×10⁹ cmHz^1/2/W based on organic membranes. Microsystem Technologies, 2013, 19(12): 1927–1933

[21] Lindeberg M, Yousef H, Rödjegård H,  A PCB-like process for vertically configured thermopiles. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2008, 18(6): 065021 

[22] Kasalynas I, Adam A J L, Klaassen T O,  Design and performance of a room-temperature terahertz detection array for real-time imaging. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2008, 14(2): 363–369

[23] Müller M, Budde W, Gottfried-Gottfried R,  A thermoelectric infrared radiation sensor with monolithically integrated amplifier stage and temperature sensor. Sensors and Actuators A: Physical, 1996, 54(1–3): 601–605 

[24] Sarro P M, Yashiro H, Herwaarden A W,  An integrated thermal infrared sensing array. Sensors and Actuators A: Physical, 1988, 14(2): 191–201

[25] Fonollosa J, Carmona M, Santander J,  Limits to the integration of filters and lenses on thermoelectric IR detectors by flip-chip techniques. Sensors and Actuators A: Physical, 2009, 149(1): 65–73

[26] Fonollosa J, Halford B, Fonseca L,  Ethylene optical spectrometer for apple ripening monitoring in controlled atmosphere store-houses. Sensors and Actuators B: Chemical, 2009, 136(2): 546–554

[27] Fonollosa J, Rubio R, Hartwig S,  Design and fabrication of silicon-based mid infrared multi-lenses for gas sensing applications. Sensors and Actuators B: Chemical, 2008, 132(2): 498–507

[28] Schaufelbuhl A, Schneeberger N, Munch U,  Uncooled low-cost thermal imager based on micromachined CMOS integrated sensor array. Journal of Microelectromechanical Systems, 2001, 10(4): 503–510

[29] von Arx M, Paul O, Baltes H. Test structures to measure the heat capacity of CMOS layer sandwiches.  IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, 1998, 11(2): 217–224

[30] Baltes H, Paul O, Brand O. Micromachined thermally based CMOS microsensors. Proceedings of the IEEE, 1998, 86(8): 1660–1678

[31] Lenggenhager R, Baltes H, Peer J,  Thermoelectric infrared sensors by CMOS technology. IEEE Electron Device Letters, 1992, 13(9): 454–456

[32] Eriguchi K, Ono K. Quantitative and comparative characterizations of plasma process-induced damage in advanced metal-oxide-semiconductor devices. Journal of Physics D: Applied Physics, 2008, 41(2): 024002

[33] Li T, Liu Y, Zhou P,  High yield front-etched structure for CMOS compatible IR detector. In: Proceedings of IEEE Sensors. IEEE, 2007, 500–502 

[34] Xu D, Xiong B, Wang Y.Design, fabrication and characterization of front-etched micromachined thermopile for IR detection. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2010, 20(11): 115004

[35] Xu D, Xiong B, Wu G,  Isotropic silicon etching with XeF₂ gas for wafer-level micromachining applications. Journal of Microelectromechanical Systems, 2012, 21(6): 1436–1444 

[36] Xu D, Xiong B, Wang Y,  Integrated micromachined thermopile IR detectors with an XeF₂ dry-etching process. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2009, 19(12): 125003 

[37] Xu D, Xiong B, Wu G,  Uncooled thermoelectric infrared sensor with advanced micromachining. IEEE Sensors Journal, 2012, 12(6): 2014–2023

[38] Roncaglia A, Mancarella F, Cardinali G C. CMOS-compatible fabrication of thermopiles with high sensitivity in the 3–5 μm atmospheric window. Sensors and Actuators B: Chemical, 2007, 125(1): 214–223

[39] Hirota M, Nakajima Y, Saito M,  120×90 element thermoelectric infrared focal plane array with precisely patterned Au-black absorber. Sensors and Actuators A: Physical, 2007, 135(1): 146–151 

[40] Chen X, Tang J, Xu G,  Process development of a novel wafer level packaging with TSV applied in high-frequency range transmission. Microsystem Technologies, 2013, 19(4): 483–491

[41] Chen X, Xu G, Luo L. Development of seed layer deposition and fast copper electroplating into deep microvias for three-dimension integration. Micro & Nano Letters, 2013, 8(8): 191–192

[42] Chen X, Yan P, Tang J,  Development of wafer level glass frit bonding by using barrier trench technology and precision screen printing. Microelectronic Engineering, 2012, 100(100): 6–11

[43] Xu D, Jing E, Xiong B, Wafer-level vacuum packaging of micromachined thermoelectric IR sensors. IEEE Transactions on Advanced Packaging, 2010, 33(4): 904–911

[44] Xu D, Xiong B, Wang Y. Micromachined thermopile IR detector module with high performance. IEEE Photonics Technology Letters, 2011, 23(3): 149–151