CN112119290B

CN112119290B - 热电堆自测试和/或自校准

Info

Publication number: CN112119290B
Application number: CN201980032325.9A
Authority: CN
Inventors: S·Z·艾利; K·莱蒂斯
Original assignee: Ams Sensors UK Ltd
Current assignee: Ames Osram GmbH
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2024-12-13
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: WO2019175583A1; EP3765825A1; CN112119290A; EP3765825B1; US10914636B2; US20190285478A1

Abstract

本文公开了一种用于测试和/或校准基于热电堆的设备的方法。该方法包括：将第一极性的电偏压施加到基于热电堆的设备并且测量电参数的第一值；以及将第二极性的电偏压施加到基于热电堆的设备并且测量电参数的第二值。

Description

热电堆自测试和/或自校准

技术领域

本公开涉及基于热电堆的设备的测试和/或校准，具体地但不排他地，涉及基于热电堆的IR探测器的测试和/或校准。

背景技术

已经证明，可以制造基于热电堆的IR检测器，特别是在硅技术中。例如，Schneeberger等人的“优化的CMOS红外检测器微系统”，Proc IEEE Tencon 1995，报道了基于热电堆的CMOS IR检测器的制造。热电堆包括串联连接的多个热电偶。KOH(氢氧化钾)被用于蚀刻薄膜并改善热绝缘。每个热电偶包括2个不同材料的条带，这些条带电连接并在一端形成热结点(称为热结点)，而材料的另一端串联地电连接到其它热电偶，形成热冷结点。热电偶的热接点在膜上，而冷接点在膜的外部。在该论文中给出了具有不同材料成分的热电偶的三种不同设计：铝和p掺杂的多晶硅、铝和n掺杂的多晶硅、或p掺杂的多晶硅和n掺杂的多晶硅。入射IR辐射引起膜的温度的轻微增加。塞贝克效应引起每个热电偶上的轻微电压差，导致热电堆上的电压差的极大增加，该电压差是每个热电偶上的电压之和。

以前，Nieveld的“使用硅平面技术制造的热电堆”、传感器和致动器3(1982/83)179-183，示出了在基于铝和单晶硅P+作为热电偶材料的微芯片上制造热电堆。这种热电堆是一种一般的热电堆设备，其不是用于IR检测，并且该设备的热电堆不在膜上。

Allison等人的“具有高灵敏度的块状微加工硅热电堆”，传感器和致动器A 1042003 32-39，涉及基于单晶硅P掺杂和N掺杂材料的热电堆。然而，这些是通过P型晶片和N型晶片的晶片键合形成的，并且也没有专门用作IR检测器。该制造方法也非常昂贵。

Lahiji等人的“批量制造的硅热电堆红外探测器”、“电子设备上的IEEE交易”，1992，描述了两种热电堆IR探测器，一种基于铋-锑热电偶，另一种基于多晶硅和金热电偶。

US7785002描述了一种IR探测器，其具有基于P和N掺杂多晶硅的热电堆。Langgenhager的“基于CMOS技术的热电红外传感器”，IEEE EDL 1992，描述了IR检测器，其由在包括铝和多晶硅的悬浮结构上的热电堆组成。

Graf等人的“用于红外检测的微加工热电堆的回顾”，Meas.Sci.Technol.2007，描述了几种其它的热电堆器件。

需要测试红外设备，以检查灵敏度是否落入设备规格内。这可以在应用中用于设备以自测试或自校准。测试也可以在生产期间在晶片级或在封装级。

众所周知，通过将红外设备暴露于已知量的IR辐射并测量设备的响应来测试该设备。然而，在生产期间使用该方法进行测试的设置和测量是昂贵的。这是由于将每个设备移动到测试插座以便IR暴露所需的处理时间增加。

另外，在应用中，可能无法将设备暴露于已知的辐射源。例如，在NDIR(非色散红外)设备中，IR发射器耦合到IR检测器，并且在存在目标气体的情况下减少到达检测器的IR辐射。如果使用IR发射器进行自测试/自校准，则存在的任何气体将减少到达检测器的IR辐射的量，并且因此不允许适当的测试/校准。

自测试热电堆也是已知的。通常，这包括与热电堆在相同的膜结构上(或热连接到热电堆)的加热器。加热器被加热，并且热电堆上的信号被用于自测试或自校准设备。B.Charlot等人的“用于MEMS自测的电感应刺激的产生”，电子测试杂志，第17卷，第6期，459-470页，以及US6294787和US2008/0317087使用了这种方法。

B.Charlot等人的“可自测试的基于CMOS热电堆的红外成像仪”，SPIE的论文集，第4408卷，第96-103页，和A.Oliver,K.Wise的“1024个元件的块状微加工热电堆红外成像阵列”，传感器和致动器，第73卷，第222-231页，1999，使用该方法来自测试热电堆阵列中的像素，其中每个热电堆像素具有其自己的加热器。

T.Barry等人的“用于低温测量的自校准红外温度计”，仪器和测量的IEEE交易，第60卷，第6号，第2047-2052页，2011年六月，和US6239351使用类似的方法，但是用于更大的(非MEMS)设备。

F.Mancarella等人的“热电堆IR检测器的晶片级测试”，IEEE传感器2005的论文集，第1133-1136，使用了相同的方法以用于设备的晶片级测试和校准。

US4571689测试单个热电偶。在该方法中，第一热电偶在第二热电偶中引起加热，并且这被测量以测试第二热电偶。

嵌入附加加热器意味着在膜上有附加的路径，这降低了热密封的热隔离，并因此降低了其灵敏度。此外，为了为加热器腾出空间，必须以次优的方式设计热电堆。

如上所述，用于自测试或自校准的常规方法是在与热电堆相同的膜中具有加热器。加热器用于加热膜，并且热电堆上产生的结果信号用于测试或校准该设备。

总之，常规方法具有几个缺点：

i)具有嵌入在膜中的加热器意味着在膜内嵌入有附加的路径，其用作热损失的路径。这降低了热电堆IR检测器的灵敏度。

ii)膜内的加热器占据空间。这意味着热电堆从最佳热电堆设计进行了修改，以便为加热器留出空间。这种对最佳设计的修改可以导致较低的灵敏度。或者，如果为加热器设置额外的层，则这增加了设备成本，并且还增加了热损失，导致较低的灵敏度。

iii)对于没有集成电路的热电堆IR检测器芯片，加热器还增加了所需的接合焊盘的数量。

iv)对于应用设计者，该方法仅在所使用的热电堆已经具有嵌入其中的加热器时才起作用。如果正在使用不具有嵌入式加热器的热电堆，则除了通过切换到一些其它热电堆之外，没有办法进行自测试/自校准。到目前为止，所销售的大多数分立热电堆IR检测器没有嵌入的加热器。

测试或校准也在生产期间、在晶片分类期间进行，以及作为最终测试而进行。

在晶片分类期间，不可能控制传感器所暴露的IR辐射的量，因此仅可能的测试或校准方法是电的，使用嵌入在膜内的加热器。

在最终测试期间，每个封装器件可以暴露于IR辐射以测试/校准设备。然而，该方法具有较长的测试时间，导致测试成本高。它还具有较高的安装成本。

发明内容

通过仅对热电堆本身使用电测试方法而不需要另外的加热器，本公开克服了所有上述缺点。

一般而言，本公开涉及红外检测器。红外探测器通常基于以硅技术制造的热电堆。这些典型地包括嵌入在由半导体衬底支撑的介电膜内的多个热电偶。通常蚀刻在膜下面的衬底，这热隔离了膜。热电偶包括两种不同的材料，并具有热接点(在膜区域内)和冷接点(在膜区域之外)，热电偶串联连接在一起以形成热电堆。

当IR辐射落在膜上时，其被吸收并略微增加膜温度。这导致每个热电偶两端的电压小，并且被加在一起以给出热电堆两端的电压。该电压值给出落在膜上的IR辐射量的指示。

需要测试红外设备，以检查灵敏度是否落入设备规格内。期望的是，测试方法是仅关于热电堆本身(基于热电堆的设备的热电堆本身)的电测试方法，而不需要附加的加热器。

如上所述，在该公开中，热电堆检测器的功能和灵敏度使用电学方法来测试，而不需要将其暴露于IR辐射。

根据本公开的一个方面，提供了一种用于测试和/或校准基于热电堆的设备的方法。该方法包括：将第一极性的电偏压施加到基于热电堆的设备并且测量电参数的第一值；以及将第二极性的电偏压施加到基于热电堆的设备，并且测量电参数的第二值。

第一极性的电偏压和第二极性的电偏压被施加到基于热电堆的设备的至少一个热电堆。

所测量的电参数可以是由所施加的电偏压产生的相应电参数。

第一极性的电偏压和第二极性的电偏压可以是相同类型的电偏压。电参数的第一值和电参数的第二值可以是相同电参数的值。

或者，第一极性的电偏压和第二极性的电偏压可以是不同类型的电偏压。电参数的第一值和电参数的第二值可以是不同电参数的值。

该方法还可以包括使用第一值和第二值来确定设备是否正确地运行。

该方法还可以包括使用第一值和第二值来确定用于热电堆设备的校准的第三值。

可选地，第一极性和第二极性可以是相反的极性。

本公开提出一种在不需要将设备暴露于IR辐射或不需要单独的加热器的情况下测试基于热电堆的设备或红外探测器的大部分功能的方法。

与现有技术中的测试和校准方法相比，本文公开的方法克服了上面讨论的问题。所公开的方法具有以下优点：

i)该方法可用于任何红外探测器，因为不需要嵌入式加热器或连接到加热器的探测器。到目前为止，所销售的大多数分立热电堆IR检测器没有嵌入的加热器。

ii)由于不需要将加热器嵌入膜中，因此在膜中不使用额外的路径，从而减少了热损失。红外探测器比具有嵌入式加热器和附加路径的探测器具有高灵敏度。

iii)由于不需要额外的加热器，因此对加热器的设计没有限制。检测器可以具有比同样设计成包括加热器的检测器更高的灵敏度。

iv)此外，膜不必包括用于加热器的额外层。这意味着该探测器具有降低的成本、较低的热损失以及较高的灵敏度。

v)IR检测器芯片不必连接到加热器。这减少了所需的接合焊盘的数量。

有利地，在晶片分类期间，可在不将检测器暴露于IR辐射且控制传感器所暴露于的IR辐射的量的情况下执行电测试和校准。

在最终封装级测试期间，将每一封装设备暴露于IR辐射以测试/校准设备增加了测试时间且增加了测试和设置成本。因此，所公开的测试和校准方法具有较短的测试时间，以及较低的测试和设置成本。

所公开的技术可应用于具有集成在同一芯片或同一封装上的测试电路的IR传感器模块。所公开的技术还可应用于IR检测器的应用，例如NDIR传感器、IR光谱、远程温度传感器或用于人数计数的IR检测器阵列。这种设备在家和建筑物自动化、工业/实验室应用和移动设备中具有潜在的应用。

该方法还可以包括：

确定所述第一值和所述第二值的大小；

计算所述第一值的大小与所述第二值的大小之间的绝对差的值。

该方法还可以包括确定绝对差的值是否大于预定阈值。有利地，这可以确定设备是否正确地运行。

可选地，该方法还可以包括存储绝对差的值。

第一值的大小和第二值的大小之间的绝对差可以基于在从热电堆的材料的电阻产生的电压被抵消之后由于加热而在热电堆中产生的电压。从材料的电阻产生的电压可以是由于欧姆定律产生的电压。

优选地，第一极性的电偏压和第二极性的电偏压可以具有基本上相等的大小。这里，术语“基本上相等”意味着几乎相等或将近相等。

可选地，将第一极性的电偏压施加到红外检测器和将第二极性的电偏压施加到红外检测器可包括将电流施加到热电堆设备。

所施加的第一和第二电偏压可以是预定的，例如固定电压或电流。可选地，可在测试期间确定所施加的偏压，例如调整电流或电压以达到目标功率值。也可以基于第一电偏压的测量结果来确定第二电偏压。

测量第一值和测量第二值可以包括测量热电堆设备两端的电压。

总之，该方法可以包括：

1.向热电堆施加电流并测量其两端的电压

2.向热电堆施加相反极性的电流，并测量电压。

3.利用在以上步骤中测量的电特性的差异来确定该设备是否在起作用和/或校准该设备。

优选地，在两个方向上使用的电流可以在幅度上相同。然而，它们可以是不同的，例如，电流可以在每个方向上动态地设置为相同的功率水平。

可选地，可将其设定成具有相同电压，而电流差可用于确定设备是否正在起作用和/或校准设备。本公开的期望特征是应用两个具有相反极性的电偏压。

一般而言，所提出的技术/方法在施加电流时起作用：

a)由于欧姆定律，在热电堆两端产生电压。该电压与热电堆电阻成比例，并且取决于所施加的电流的极性。

b)通过热电堆的电流轻微地加热该膜，并且在热电堆两端生成进一步的电压。该电压在热电堆的+ve端子处总是+ve，并且在热电堆的-ve端子处总是-ve。因此，该电压与所施加的电流的极性无关。

优选地，电流的幅度在两个极性中可以是相同的，并且在步骤1和2中测量的绝对电压的差被用于确定设备是否正在起作用和/或校准设备。

有利地，当施加从+ve端子流向-ve端子的电流(第一极性)时，由于欧姆定律和由于热电堆发热，两个电压相加。当电流以相反方向施加时，由于欧姆定律和由于热电堆加热而产生的电压彼此相减。

当绝对电压取差值时，由于欧姆定律产生的电压被取消(因为这对于所施加的两种极性的电流来说大小相等)以及电路的任何寄生效应，仅留下由于膜的加热而在热电堆中产生的电压。

膜的加热和绝对电压的差受以下因素影响：

·热电堆材料的塞贝克系数。(塞贝克系数确定了材料两端的温差引起的热电堆材料两端的电压)

·热电堆材料和介电层的材料和厚度

·下面的衬底是否被蚀刻。

·如果在膜的上方和下方存在任何空气或气体的话。

所有这些因素影响热电堆的灵敏度。因此，该方法可用于在应用中或在生产测试期间测试和/或校准该设备。

施加第一极性的电偏压可通过将第一电流从基于热电堆的设备的正端子引导到负端子来实现；并且施加第二极性的电偏压可通过将第二电流从基于热电堆的设备的负端子引导到正端子来实现。该方法还可包括电连接至少两个热电堆设备，并且同时测试和/或校准该至少两个热电堆设备。

有利地，该方法还可以包括将零大小的电偏压施加到热电堆设备，并且除了第一和第二值之外，还测量电参数的值，以确定设备的功能和/或校准设备。换句话说，在不对热电堆施加电偏压的情况下执行电参数的附加测量可以用于测量热电堆上的背景信号。

该方法还可包括在测试之后，在热电堆芯片或与热电堆在相同封装中的芯片上存储校准值。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于测试和/或校准基于热电堆的设备的系统，该系统包括：

基于热电堆的设备；

第一设备，其被配置为向基于热电堆的设备施加第一极性的电偏压并且向基于热电堆的设备施加第二极性的电偏压；以及

第二设备，其被配置为测量所述基于热电堆的设备的电参数。

优选地，第二设备可以被配置为使用第一值和第二值来确定设备是否正确地运行；和/或第二设备可以被配置成使用第一值和第二值来确定用于热电堆设备的校准的第三值。

第一设备可以被配置成通过将第一电流从基于热电堆的设备的正端子引导到负端子来施加第一极性的电偏压；并且第一设备可以被配置成通过将第二电流从基于热电堆的设备的负端子引导到正端子来施加第二极性的电偏压。

第一设备可以包括多个晶体管，其中第一晶体管和第四晶体管被接通以将第一电流从热电堆设备的正端子引导到负端子，并且第二晶体管和第三晶体管被接通以将第二电流从基于热电堆设备的负端子引导到正端子。

可选地，基于热电堆的设备以及第一和第二设备可以形成在单个芯片上。

可选地，基于热电堆的设备以及第一和第二设备可以形成在单个封装内的单独芯片上。

该方法可以用于在微芯片上制造的热电堆IR检测器。热电堆可以在由半导体衬底支撑的薄膜上。芯片还可以具有以下中的任何一个：

·电路，

·温度传感器，

·在膜上以改善IR吸收的涂层，

·膜上或膜内以改善IR吸收的等离子体结构，

·位于同一芯片上的IR发射器，

·热电堆IR检测器的阵列。

热电堆设备的整个阵列可以在单个膜上，或者每个热电堆可以具有其自己的膜，或者是上述情况的组合。用于自测试/校准的电路可以与热电堆在同一芯片内。可选地，它可以在不同的芯片上，但是在相同的封装内。可选地，它可以在封装的外部，由分立元件或特定设计的芯片实现。

该系统还可以包括在单个芯片上的基于热电堆的设备的阵列，其中单独地测试和/或校准基于热电堆的设备的阵列中的每一个设备。

在生产测试期间，可以在晶片级或在封装级执行测试和/或校准。

该系统还可以包括第三设备，其被配置成在测试和/或校准之后存储校准值，第三设备可以与热电堆设备形成在同一芯片上；或者第三设备可以形成在与热电堆设备相同的封装内的单独芯片上。第三设备也可以在芯片外部。

该方法还可包括在测试之后，在热电堆芯片或与热电堆相同封装中的芯片上存储校准值。

先前已经证明，使用单独的源/加热器来加热热电堆，并且测量其信号，而本公开使用热电堆本身来加热它。然而，当如果施加电流使用热电堆本身加热热电堆设备时，所测量的电压的大部分是由于热电堆的电阻，并且非常小的部分是由于热电堆的发热。因此，难以将热电堆信号与由热电堆电阻引起的电压区分开。电阻也可以在设备之间变化，使得更难以确定差异是否由电阻或设备灵敏度引起。这是已经证明使用单独的加热器的原因。然而，该公开通过使用两个相反方向的电流来抵消热电堆电阻的影响而解决了该问题，并且因此仅知道灵敏度的变化。

本公开与现有技术的区别在于，不需要额外的加热元件来进行热电堆的自测试或自校准。从而使制造工艺更简单，并且允许具有良好灵敏度的优化的热电堆IR检测器设计。

本公开还通过使用两个相反方向的电流而与现有技术相区别。在本公开中提出的技术是有利的，因为不需要加热器，热电堆以更好的方式被热隔离，导致更高的灵敏度。它还允许更优化的热电堆设计，而不必为加热器牺牲空间。

对于分立设备，不需要用于加热器的附加接合焊盘来校准热电堆。

使用两个不同极性的电流通过抵消测量电路中的电阻漂移、环境温度变化或寄生虫特性的影响而导致测量精度的提高。

另外，该方法可以由应用设计者用于任何热电堆—热电堆不需要被专门设计用于该方法。由于市场上大量的热电堆没有加热器，这是一个重要的优点。

进一步的优点如下：

1.使用该方法生产的热电堆将具有较低的测试成本，因此具有较低的产品成本，使得它们在市场中更具竞争力。

2.内建(在芯片上，或在同一封装内的单独芯片上)具有这种自测试/自校准方法的热电堆将允许用于该设备的附加特征，从而将其与当前可用的设备区分开，而不影响热电堆的灵敏度。(已知的解决方案将导致热电堆灵敏度的一些降低。)

3.任何基于IR的传感器，例如NDIR、用于人员计数的热电堆阵列、IR光谱和远程温度感测也将受益于附加的自测试/自校准能力，从而允许额外的特征而不影响设备性能。

优选实施方案的简要描述

现在将仅通过示例的方式并参考附图来描述本公开的一些优选实施例，其中：

图1示出了概述校准或测试热电堆设备的功能的方法的流程图；

图2示出了概述校准或测试热电堆设备的功能的替代方法的流程图，其中仅在确定设备正在运行时才存储校准值；

图3示出了概述用于校准或测试热电堆设备的功能的替代方法的流程图，其中可以将电偏压的任何形式施加到热电堆；

图4示出了示例性红外检测器；

图5示出了在矩形膜上的热电堆的平面；

图6示出了用于测试和/或校准热电堆设备的示例性电路；

图7示出了在235个设备的封装级别进行的初始测试的绝对电压差结果；以及

图8示出了在实验室中测试的类似设备的实例的敏感性。

具体实施方式

一般而言，本公开涉及一种在不需要将设备暴露于IR辐射或者不需要提供单独的加热器的情况下测试热电堆检测器的功能的方法。

图1示出了概述根据本公开的一个实施例的校准或测试热电堆检测器的功能的方法的流程图。步骤如下：

1.在S101中，将第一极性的电流施加到热电堆检测器的热电堆，并且测量热电堆检测器的热电堆两端的电压(V1)。

2.在S105中，将与步骤1中具有相反极性但相同的大小的电流施加到热电堆，并且测量热电堆两端的电压(V2)。

3.在S110中，计算V1和V2的绝对值之间的差的大小(V_diff)，和或：

a.在S115，比较V_diff与阈值。如果V_diff＞阈值，则设备正在运行(在S125中)。如果V_diff＜阈值，则设备不在运行(在S120中)；和/或

b.在S130中，存储该差(V_diff)或者从该差计算的以用作针对热电堆的校准值的值。

该方法起作用是因为当施加电流时：

i)由于欧姆定律，在热电堆两端产生电压。该电压取决于所施加的电流的极性，并且与热电堆电阻成比例，

ii)通过热电堆的电流加热该膜，因此在热电堆两端产生电压。该电压与所施加的电流的极性无关，并且总是在热电堆的+ve端子处为+ve，并且在热电堆的-ve端子处为-ve。

iii)当施加从+ve端流到-ve端的电流时，两个电压相长地相加。当电流以相反方向施加时，电压彼此相减。

iv)取绝对电压之间的差值，这允许欧姆定律产生的电压被消除(因为这对于所施加的电流的两个极性在量值上相等)，以及电路的任何寄生效应。

v)绝对电压之间的差仅受由于膜的加热而在热电堆中产生的电压的影响。

膜的加热和绝对电压差受以下因素影响：

·热电堆材料的塞贝克系数。(塞贝克系数确定了材料两端的温差引起的热电堆材料两端的电压)，

·热电堆材料和介电层的材料和厚度，

·基底是否已经被蚀刻，

·膜的上方和下方是否存在任何空气或其它气体。

图2示出了概述根据本公开的另一实施例的校准或测试热电堆检测器的功能的替代方法的流程图。图2的步骤与图1中的步骤相同，除了在该实施例中，仅在V_diff＞阈值并且设备被确定为正在运行的情况下存储校准值(在S130中)。

应该理解，本方法的其它变化也是可能的。根据另一实施例的替代方法可包含在每一方向上施加电压，且测量电流，且使用所测量的电流的差。

此外，所施加的电流或电压不必总是相同的大小。例如为了保持功率恒定，小的差异是可能的。同样为了确定热电堆的功能，代替使用测量的电参数的差，也可以使用其它数学函数。

图3示出了概述根据另一实施例的校准或测试热电堆检测器的功能的方法的流程图。在该实施例中，可以将任何形式的电偏压施加到热电堆。然后，步骤如下：

1.在S101中，将第一极性的电偏压施加到热电堆检测器的热电堆，并且测量结果电参数

2.在S105中，以相反极性施加第二极性的电偏压到热电堆检测器的热电堆，并且测量结果电参数

3.在S110中，使用在步骤1和2中测量的电参数值：

a.在S115中，确定设备是正在运行(S120)还是不在运行(S125)；和/或

b.在S130中，存储表示热电堆的校准的值。

在该实施例中，第一极性的电偏压和第二极性的电偏压可以是相同类型的电偏压，或者可以是不同类型的电偏压。因此，在S101中测量的电参数可以是与在S105中测量的相同的电参数，或者可以是不同的参数。

例如，根据另一实施例的替代方法可包括施加第一方向电流，并测量电压(V1)。该方法然后包括施加具有相反极性的电压(V2)并测量电流。在该实施例中，V2可以被选择为与V1相同，或者V2和V1可以被选择为使得功率在两个极性中相同。应该理解，本方法的其它变化也是可能的。

该方法还可以包括在不在热电堆上施加电偏压的情况下执行对电参数的附加测量，以便测量热电堆上的背景信号。

该方法可应用于对热电堆进行自检或自校准的应用中。它也可以在生产期间被使用以在晶片级测试或封装级测试期间测试设备。

图4示出了示例性的红外检测器。其包括由具有蚀刻部分的硅基底1支撑的膜层2、3。膜层包括介电层2和钝化层3，膜层2、3具有膜区域8。膜区域8位于基底1的蚀刻部分附近。膜区域8可以使用正面蚀刻或背面蚀刻形成。膜区域8对应于腔的正上方或正下方的区域。

在膜层内形成热电堆，该热电堆包括串联连接在一起的若干热电偶。在硅芯片上微加工热电堆。热电偶采用N掺杂硅5和P掺杂硅6材料，CMOS金属7用于在热和冷的热接点中电连接P+和N+层，金属层(在CMOS工艺中制造)用于连接它们以避免形成半导体P/N结。具有高IR吸收的材料4生长或沉积在膜层2的顶部上。

用于测试的热电堆可以是不同类型的。两种热电偶材料也可以是金属，以及P+或N+硅。热电堆也可以是采用非CMOS材料作为热电偶材料的非CMOS，例如包括锑、铋的金属或合金，或者诸如锗、硅锗或砷化铟镓的半导体。热电堆也可以是非微加工类型的。

图5示出了在矩形膜8上的热电堆的平面图。热电偶被布置成使得中间的热电偶一直到达膜的中心，而随后的热电偶随着中心的空间被填满而进一步远离中心。热电偶包括单晶P+硅5和单晶N+硅6。终端5a(单晶N+硅)和6a(单晶P+硅)，形成热电堆的两个终端。

图6示出了根据本公开的一个实施例的用于驱动热电堆的示例性电路。热电堆100包括正极端子和负极端子。电流由电流源101提供。供应到热电堆100的电流的极性取决于哪个晶体管被接通。当晶体管102和105导通，并且晶体管103和104截止时，则电流方向是从热电堆的正端子到负端子。当晶体管103和104导通，并且晶体管102和105截止时，则电流方向是从热电堆的负端子到正端子。电压测量电路106用于测量热电堆两端的电压。电压测量电路106可以包括例如模拟数字转换器，其向电路、或者同一芯片上的微控制器或微处理器、或者芯片外部的微控制器或微处理器提供输入。它也可以包含一个放大器或过滤器。

测试热电堆阵列。该阵列可以包括在同一芯片上的多个热电堆，每个热电堆具有单独的膜。可选地，阵列可具有在单个膜上的所有热电堆。

阵列中的每个热电堆可单独测试。可选地，电路可串联和/或并联连接热电堆中的一些或全部，并同时测量它们。

用于测试热电堆和存储校准数据的电路可以与热电堆在同一芯片上。可选地，它可以在不同的芯片上，但是在与热电堆相同的封装内。它也可以完全在热电堆封装的外部。

图7示出了在235个设备的封装级别进行的初始测试的V_diff结果。对热电堆施加两极电流，测量绝对电压的差值并作图。所施加的电流可以在约1nA-10mA的范围内。这显示可以检测由大小相同但极性相反的电流产生的电压差。

图8示出了在实验室中测试的类似设备的样本，所有这些设备具有类似的灵敏度。

尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本公开，但是应当理解，这些实施例仅是说明性的，并且权利要求不限于这些实施例。本领域技术人员将能够根据本公开进行修改和替换，这些修改和替换被认为落入所附权利要求的范围内。本说明书中公开或示出的每个特征可以单独地或以与本文公开或示出的任何其它特征的任何适当组合并入本公开。

Claims

1.一种用于测试和/或校准基于热电堆的设备的方法，该方法包括：

施加第一极性的电偏压到所述基于热电堆的设备，并测量电参数的第一值；

施加第二极性的电偏压到所述基于热电堆的设备，并测量所述电参数的第二值；

确定所述第一值的大小和所述第二值的大小；

计算所述第一值的所述大小和所述第二值的所述大小之间的绝对差的值；以及

使用所述绝对差的所述值，通过确定所述绝对差的所述值是否大于预定阈值来确定所述设备是否正确地运行，

其中，所述第一值的所述大小与所述第二值的所述大小之间的所述绝对差的所述值基于在将从所述热电堆的材料的电阻产生的电压取消之后由于加热而在所述热电堆中产生的电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一极性的所述电偏压和所述第二极性的所述电偏压被施加到至少一个热电堆。

3.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：

使用所述第一值和所述第二值来确定用于所述基于热电堆的设备的校准的第三值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一极性和所述第二极性为相反的极性。

5.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：

存储所述绝对差的所述值或根据所述绝对差计算的值。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述第一极性的所述电偏压和所述第二极性的所述电偏压具有基本相等的大小。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述施加所述第一极性的所述电偏压到所述基于热电堆的设备以及施加所述第二极性的所述电偏压到所述基于热电堆的设备包括：施加电流到所述基于热电堆的设备；并且

其中测量所述第一值和测量所述第二值包括：测量所述基于热电堆的设备两端的所述电压。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述施加所述第一极性的所述电偏压是通过将第一电流从所述基于热电堆的设备的正端子引导到负端子来实现的；并且其中所述施加第二极性的所述电偏压是通过将第二电流从所述基于热电堆的设备的所述负端子引导到所述正端子来实现的。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，该方法还包括：

电连接至少两个基于热电堆的设备，并同时测试或校准所述至少两个基于热电堆的设备。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，该方法还包括：

施加零大小的电偏压到所述基于热电堆的设备，并且测量电参数的除了所述第一值和所述第二值之外的值，以确定所述设备的功能性和/或所述设备的所述校准。

11.一种用于测试和/或校准基于热电堆的设备的系统，该系统包括：

所述基于热电堆的设备；

第一设备，被配置为施加第一极性的电偏压到所述基于热电堆的设备，并施加第二极性的电偏压到所述基于热电堆的设备；以及

第二设备，被配置为测量所述基于热电堆的设备的电参数；以及

基于所述第一极性，确定所述电参数的第一值的大小，并且基于所述第二极性，确定所述电参数的第二值的大小；

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一极性的所述电偏压和所述第二极性的所述电偏压被施加到至少一个热电堆。

13.根据权利要求11所述的系统，其中所述第二设备被配置为使用所述第一值和所述第二值来确定用于所述基于热电堆的设备的校准的第三值。

14.根据权利要求11-13中任一项所述的系统，其中，所述第一设备被配置为通过将第一电流从所述基于热电堆的设备的正端子引导到负端子来施加所述第一极性的所述电偏压；并且其中所述第一设备被配置为通过将第二电流从所述基于热电堆的设备的所述负端子引导到所述正端子来施加所述第二极性的所述电偏压。

15.根据权利要求14所述的系统，其中第一设备包括多个晶体管，其中第一晶体管和第四晶体管被导通以将所述第一电流从所述基于热电堆的设备的所述正端子引导到所述负端子，并且第二晶体管和第三晶体管被导通以将所述第二电流从所述基于热电堆的设备的所述负端子引导到所述正端子。

16.根据权利要求14所述的系统，其中所述基于热电堆的设备以及所述第一设备和所述第二设备形成在单个芯片上；或

其中所述基于热电堆的设备以及所述第一设备和所述第二设备形成在单个封装内的单独的芯片上。

17.根据权利要求14所述的系统，该系统还包括：

在单个芯片上的基于热电堆的设备的阵列，其中，所述基于热电堆的设备的阵列中的每一设备被单独地测试和/或校准。

18.根据权利要求14所述的系统，其中，在生产测试期间在晶片级或在封装级执行所述测试和/或校准。

19.根据权利要求18所述的系统，该系统还包括：

第三设备，其被配置为在所述测试和/或校准之后存储校准值，其中，所述第三设备与热电堆设备形成在同一芯片上；或者其中所述第三设备形成在与所述热电堆设备相同封装内的单独芯片上。