[發明專利]一種基于微橋諧振器的紅外探測器結構及制作方法

無效

• 申請號: 200710069043.5
• 申請日: 2007-06-01
• 公開（公告）號: CN101063630A
• 公開（公告）日: 2007-10-31
• 發明（設計）人: 韓建強;盧少勇
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: G01J5/20
• 分類號: G01J5/20;G01J5/44
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及紅外探測器的結構及制造方法，特別是一種基于微機械橋型諧振器的紅外探測器的結構及制作方法，屬于微電子機械系統(MEMS)領域。

背景技術

紅外探測器是指能對紅外輻照產生響應的光電傳感器。最早應用于軍事領域，例如基于地面、空中和空間的監視和瞄準系統、武器夜間瞄準具、飛機導航駕駛系統、夜間火控系統等。目前紅外探測器的應用領域已擴展到了包括非接觸測溫、氣體分析、紅外成像等在內的更為廣闊的民用領域。

按照工作原理劃分，紅外探測器可以分為制冷型的光子探測器和非制冷的熱探測器兩大類。

光子探測器的基本工作原理是在紅外線的照射下，半導體材料中產生載流子(電子和空穴)，然后利用探測器對產生的電荷進行收集和放大處理。光子探測器具有對波長的探測選擇性好、響應時間短、噪聲等效溫度差低、靈敏度高等優點，已深入應用于航空航天、導彈尋的、紅外夜視等軍事領域。但為了抑制探測器的暗電流和噪聲，需要昂貴的低溫制冷器，使得制造成本偏高，同時整機工作壽命短，體積、質量、功耗都偏大，基本上只適用于軍事領域。

基于熱敏材料吸收紅外輻射產生的熱效應的非制冷熱紅外探測器可工作于室溫，體積小，重量輕，功耗低，便于攜帶，工作可靠，操作和維護簡便，性價比高，具有廣泛的應用前景。室溫紅外探測器有多種工作方式，但目前應用最多的是測輻射熱計、熱釋電、熱電堆三種類型

測輻射熱計是最古老也是最常用的紅外探測器。其基本原理是利用具有熱敏特性的探測材料在溫度變化時其電阻值會發生變化的熱敏電阻效應。探測器工作時，熱敏電阻兩端加上固定的偏壓，接收到的紅外輻射使得熱敏電阻單元電阻值發生改變所產生的電流變化由讀出電路(ROIC)讀出。目前已經研究了基于氧化釩(VOx)、多晶硅、非晶硅、多晶鍺硅、金屬材料以及高溫超導材料(YBaCuO)等各種敏感材料制作的測輻射熱計，并有基于VOx測輻射熱計的熱成像儀出售。測輻射熱計的響應度比熱電堆型高，制作工藝比熱釋電型簡單，工作時無需斬波器。其缺點在于(1)測輻射熱計探測單元對所施加的偏置脈沖電壓精度，要求較高，另外功耗也比較大。隨著陣列元數增多，這一問題就顯得更為突出；(2)測輻射熱計陣列較大的噪聲帶寬，最終抵消了部分響應增益。對于測輻射熱計焦平面陣列，隨陣列單元數的增加，需提高相應的響應電平和熱電阻系數值，以抵消噪聲帶寬的增加。

紅外熱堆探測器是基于塞貝克效應(即溫差電效應)而制成的。目前研究的熱點是微機械紅外熱電堆探測器。與一般紅外探測器相比，微機械紅外熱堆探測器的優點在于：(1)具有非常寬的頻譜響應；(2)與標準IC工藝兼容，成本低廉且適合批量生產。紅外熱電堆探測器缺點在于靈敏度低、熱慣性質量大而響應速度慢。

熱釋電效應是指熱釋電晶體的溫度在一定頻率下變化時晶體的自發極化來不及被中和，隨溫度周期性變化而產生交變電場的效應。熱釋電紅外探測器可以分為混合式和單片式兩大類。常用材料為鈦酸鍶鋇(BST)、鋯鈦酸鉛(PZT)鐵電陶瓷以及PVDF/TrFE聚合物等。盡管熱釋電紅外探測器理論上具有可使噪聲等效溫差(NETD)達到1mK的潛力，但卻存在以下缺點：(1)與IC工藝不兼容，受讀出電路(ROIC)的高溫承受能力的限制，難以提高熱釋電薄膜的介電溫度系數值(TCD值)。(2)熱釋電紅外探測器沒有直流響應，必須使用斬波器以適當的頻率周期性地改變入射輻射，才能得到與紅外輻射相應的信號。(2)許多鐵電體熱釋電性能隨著厚度減小而降低。

綜上所述，光子探測器靈敏度高，響應速度快，但一般需在低溫下工作(尤其對于中遠紅外波段)，結構復雜，限制了應用。而熱探測器雖然能實現室溫工作，但其探測率和響應率低、響應速度慢，使其應用受到了一定的限制。因此迫切需要研制可在室溫工作的高性能非制冷紅外探測器。

發明內容

本發明的目的在于發明一種基于微機械橋型諧振器的高探測率和響應率的非制冷紅外探測器。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：紅外探測器主要由橋諧振器芯片1和蓋板2組成。在橋諧振器芯片1上通過光刻技術結合腐蝕/刻蝕技術制作有微機械橋(雙端固支梁)3。在微機械橋3上制作有電阻、電極或線圈等形成激振器4，激勵微機械橋振動。在微機械橋3上還制作有壓敏電阻、電容或壓電薄膜等形成拾振器5(即檢測元件)，檢測微機械橋3的振動狀態(如諧振頻率)。在某些情況下，激振器4和拾振器5也可能是外部元件。如光學激勵和拾振模式下，激振器4為外部的激光二極管、激光器等；拾振器5為光電二極管等光電檢測元件。微機械橋3、激振器4和拾振器5組成橋型諧振元件。諧振器芯片1和蓋板2通過氣密封裝或真空密封技術封裝在一起。