《Sensors and Actuators A: Physical》：Fast-response micro thermoelectric device for high-power photo-thermal detection
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作者：严波、张从春、王紫怡、王梦成、高向翔、李梦秋、周晓文、臧法航、杨卓清
单位：上海交通大学先进微纳制造技术国家重点实验室，中国上海 200240
摘要
目前用于光热检测的薄膜热电堆传感器通常采用横向结构，这导致响应时间相对较慢，尤其是在高热流密度的情况下，从而限制了瞬态和
作者：严波、张从春、王紫怡、王梦成、高向翔、李梦秋、周晓文、臧法航、杨卓清
单位：上海交通大学先进微纳制造技术国家重点实验室，中国上海 200240
摘要
目前用于光热检测的薄膜热电堆传感器通常采用横向结构，这导致响应时间相对较慢，尤其是在高热流密度的情况下，从而限制了瞬态和高频信号的检测精度。在这项工作中，我们提出了一种快速响应的微热电装置（μ-TED），该装置采用了微交叉平面热电堆和增强的共振吸收器。通过优化的MEMS制造工艺，该装置实现了高达19,900 TCs/cm2的超高热电偶密度。实验结果表明，其输出电压范围为260 kW/m2至1 MW/m2，灵敏度约为1.37 μV/(W/m2)。此外，顶部连接部分通过沉积一层纳米厚的Bi?Te?被功能化为共振吸收腔，显著降低了热侧的热容量，提高了μ-TED的瞬态性能。因此，μ-TED的响应时间为550 μs，恢复时间为650 μs。此外，多通道μ-TED成功检测到了高功率激光器50 μm的能量差异，证明了交叉平面热电堆对热干扰的优异抵抗能力。上述研究不仅提升了热电装置在快速响应应用中的潜力，还为高能量热分布的检测开辟了新的前景。
引言
近年来兴起的微机电系统（MEMS）技术为传感器和执行器提供了广阔的应用前景。基于MEMS的热电装置能够通过塞贝克效应高效转换热能和电能，已成为光敏和热敏传感器的重要组成部分[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。目前，薄膜热电堆广泛应用于热传感领域，如微型量热计[8]、[9]、[10]、热流检测[11]、[12]以及光热检测[13]、[14]、[15]。特别是在光热检测中，薄膜热电堆具有光电探测器（PD）所不具备的优势，包括宽的检测波长范围和超高的检测功率等[16]、[17]、[18]。这使其在高功率激光检测中具有巨大潜力。然而，薄膜热电堆的热结通常由多层膜组成，如支撑膜（Si?N?、SiO?）、热电膜和吸收层[16]、[19]、[20]、[21]，这导致其响应速度相对较慢（通常>10 ms）[16]、[17]、[22]、[23]，限制了高频信号的检测能力。此外，薄膜热电堆的热结和冷结位于同一平面，使其受到热扩散的显著影响，从而在高功率应用中面临挑战。因此，需要克服响应速度和热扩散的限制，以提升其在高性能光热检测中的潜力。
另一方面，微交叉平面热电装置（μ-TED）具有交叉平面结构，其冷结和热结分布在不同的平面上[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。μ-TED的热结彼此物理隔离，因此受热扩散的影响较小。此外，热结仅由导电连接层（如Au或Cu）组成，这使得μ-TED能够实现优异的瞬态性能。上述特点表明μ-TED在快速响应传感和能量分布检测中具有巨大价值。遗憾的是，现有研究主要集中在μ-TED的能量收集性能上[25]、[30]、[31]、[32]，其热灵敏度远低于薄膜热电堆，亟需进一步改进。
同时，吸收器在光热检测中至关重要[33]、[34]、[35]、[36]。高效的吸收结构被广泛应用于薄膜热电堆中，如共振腔[23]、[37]、等离子体纳米谐振器[38]、[39]和光子晶体[40]、[41]。这些吸收结构可以增强吸收强度，有助于减小吸收层的厚度并提高装置的响应速度[37]、[38]、[42]、[43]、[44]。对于μ-TED而言，其热结被悬空并缩小到微型尺寸。上述吸收结构的兼容性以及制备方法仍有待进一步研究。
基于当前的研究现状，本研究提出了一种高性能的光热电耦合μ-TED，具有快速响应和宽检测波长范围的特点。该高性能μ-TED采用MEMS制造工艺制备。此外，还在μ-TED的分离热结上原位制备了由Au和Bi?Te?膜组成的Fabry–Pérot共振吸收器（FPA）。进一步研究了Bi?Te?膜粗糙度对吸收性能的影响。最后，详细研究了μ-TED在高功率激光下的性能，包括稳态性能、瞬态性能和能量分布检测。
章节摘录
光热电耦合μ-TED的设计概念
光热电耦合μ-TED由串联连接的交叉平面热电偶（TCs）组成，如图1a所示。每个热电偶的尺寸仅为50×100 μm，使得μ-TED实现了高达19,900 TCs/cm2的极高热电偶密度。热电柱的直径减小和厚度增加提高了装置的灵敏度，详见补充信息中的注释S1和图S1。
结论
本研究提出了一种用于光热检测的高性能微热电装置（μ-TED）。该μ-TED采用MEMS制造工艺制备，实现了高达19,900 TCs/cm2的热电偶密度。作为光热吸收器的Au/Bi?Te?腔体包含一个原位电化学沉积在顶部连接上的Fabry–Pérot共振吸收器（FPA）结构，其吸收性能因表面的粗糙度而得到提升。
实验部分
**电化学沉积用电解液的制备。**原材料包括HNO?、TeO?（≥99%，Merck）、Sb?O?（99.99%，Aladdin）、酒石酸（≥99.5%，Sigma-Aldrich）和Bi(NO?)?·5H?O（≥98%，Merck）。Bi?Te?电解液通过在60 °C下搅拌将TeO?和Bi(NO?)?·5H?O溶解在HNO?溶液中制备。H?、Te2?和Bi3?的离子浓度分别维持在1.2 M/L、12 mM/L和10 mM/L。Sb?Te?电解液则是通过溶解TeO?和Sb?O?制备的。
CRediT作者贡献声明
李梦秋：方法论、数据分析。周晓文：方法论、数据管理。高向翔：方法论、数据分析。严波：撰写——初稿、可视化、软件开发、项目管理、方法论研究、概念构思。张从春：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、研究支持、资金申请。王紫怡：软件开发、方法论研究。王梦成：软件开发、研究支持。臧法航：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了项目（编号NO.62502010320）的支持。
严波毕业于哈尔滨工业大学材料工程专业，目前是上海交通大学电子科学与技术专业的博士研究生。他的研究兴趣集中在基于MEMS的传感器、热电装置和柔性电子领域。
