具有增强响应度的径向分布螺旋双层热电堆红外传感器的开发

为日常设备带来更锐利的热视觉

从智能恒温器到无接触医用体温计，许多设备依赖不可见的热分布来感知环境。本文探讨了一种新的微型热传感器，它能在不依靠昂贵冷却装置的情况下更清晰地“看见”红外光，为家庭、医院和工厂中更清晰且更廉价的热成像相机铺平道路。

小型热传感器面临的难题

现代红外相机在被要求展示更多细节的同时，还要保持小型和低成本。为了在芯片上容纳更多像素，每个感测单元必须变小，但这通常会削弱信号并增加图像噪声。传统设计也会浪费部分入射热量，因为热量不能在感测元件间均匀分布，而且这些设计在用标准芯片制造工艺大规模生产时可能复杂且昂贵。

为热量开辟新的螺旋路径

研究人员设计了一种新型红外传感器——热电堆，它能将温差直接转换为电压。他们的创新在于将感测“腿”排列成从薄圆形膜中心向外展开的螺旋形。每根腿由两层不同材料的堆叠构成，中间隔有绝缘薄膜。这样的垂直堆叠使得在相同面积内能塞入更多的腿对，而螺旋形状则迫使热量沿更长的路径从温暖的中心传向较冷的边缘，增强了温差并放大了电信号。

在热流与均匀性之间取得平衡

团队通过计算机仿真测试了螺旋弯曲程度对性能的影响。他们发现更紧的螺旋会延长热传输路径，降低热泄漏并增强每根腿热端与冷端之间的温差。圆形膜和径向布局也有助于让每根腿经历几乎相同的温度分布，因此没有哪部分传感器被闲置。与旧有的矩形布局相比，新型圆形螺旋设计能更均匀地分散热量，避免可能随时间引发结构应力的冷热斑点。

从芯片制造到实际测量

传感器芯片采用与标准CMOS工艺兼容的通用制造步骤制成，包括沉积硅和金属薄膜、将它们图案化为螺旋腿，以及蚀刻硅以形成悬空膜。完成的芯片被封装在带红外窗口的小金属封装中，并在受控热源前进行测试。测量显示，随着热源温度变化，输出平稳且可预测，证实该传感器能够以良好的稳定性和重复性远距离读取温度。

更强的信号与小幅权衡

将螺旋设计与同尺寸的传统非螺旋版本比较时，改进十分明显。新传感器每单位入射热量产生的电压约提高了40%，在抑制背景噪声以检测微弱信号方面也有显著提升。代价仅是响应时间略微增加了几千分之一秒，这对大多数成像和监测任务来说仍足够快。对非专业读者而言，结论是：通过精心设计热量在微小结构中的传输路径，研究人员创造出了一种更灵敏且仍具实用性的热感像素，这将帮助未来的红外相机在不显著增加成本的情况下看清更细的细节。

引用: Xia, Y., Meng, X., Lv, Y. et al. Development of a novel radially-distributed spiral bilayer thermopile infrared sensor with enhanced responsivity. Microsyst Nanoeng 12, 169 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01278-1

关键词: 红外传感器, 热电堆, 热成像, 微机电系统, 热检测