[發(fā)明專利]一種電容式MEMS非制冷紅外探測(cè)器及其制備方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910085133.2
• 申請(qǐng)日: 2009-06-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101561319A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-10-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于曉梅;潘程
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): G01J5/34
• 分類號(hào): G01J5/34;B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 北京君尚知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙）
• 代理人: 賈曉玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于紅外探測(cè)和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS-microelectronic?mechainicalsystems)加工工藝技術(shù)領(lǐng)域，涉及紅外輻射成像技術(shù)，特別是涉及一種電容式MEMS非制冷紅外探測(cè)器及其制備方法。

背景技術(shù)

紅外傳感器包括有光電型紅外傳感器和非制冷熱傳感器，光電型紅外傳感器是直接利用紅外光子激發(fā)電子在能級(jí)間躍遷而工作的，現(xiàn)在光電型紅外傳感器已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，達(dá)到了很高的探測(cè)精度，但由于熱載流子暗電流的干擾，這類傳感器都需在低溫下工作，需要昂貴且笨重的制冷系統(tǒng)。相比之下，非制冷紅外傳感器能工作在室溫條件下，不需要制冷設(shè)備，降低了成本和系統(tǒng)功耗。

非制冷熱傳感器是吸收紅外輻射，使器件或材料溫度變化，引起器件或材料性能發(fā)生變化，從而達(dá)到紅外探測(cè)目的的器件。它主要包括測(cè)輻射熱計(jì)、溫差電偶和熱釋電傳感器等幾種類型。熱傳感器一般不需致冷(超導(dǎo)除外)，而且易于使用、維護(hù)，可靠性好；制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)易，成本較低。但目前商用熱傳感器的靈敏度均較低，響應(yīng)速度慢。

近幾年微懸臂梁式非制冷紅外傳感器得到了廣泛重視，這種熱輻射傳感器的主要結(jié)構(gòu)為由許多相同結(jié)構(gòu)的微懸臂梁像元組成的焦平面陣列。利用金屬材料的熱膨脹系數(shù)很大，而半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)比較小，把兩種薄膜材料粘合在一起形成雙材料懸臂梁。當(dāng)像元吸收紅外輻射溫度變化時(shí)，雙材料懸臂梁由于材料熱膨脹系數(shù)的差別，會(huì)響應(yīng)不同溫升產(chǎn)生熱致形變。這類紅外探測(cè)器的理論噪聲等效溫差(NETD)達(dá)到5mK，幀頻可達(dá)到1000，探測(cè)靈敏度可與制冷型紅外探測(cè)器相比擬，而制備成本、功耗、體積卻低的多。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種電容式MEMS非制冷紅外探測(cè)器及其制備方法。該紅外焦平面陣列的像元是微懸臂梁形式的可變電容結(jié)構(gòu)，像元吸收紅外輻射使得結(jié)構(gòu)形變，表現(xiàn)為電容變化，最后采用集成的讀出電路測(cè)量電容的變化量。該讀出方式檢測(cè)避免使用龐大的光學(xué)讀出系統(tǒng)，所以該微機(jī)械式紅外焦探測(cè)非常利于小型化和廣泛應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種電容式MEMS非制冷紅外探測(cè)器包括：包括微懸臂梁陣列、讀出懸臂梁形變的電路以及支撐懸臂梁的襯底，微懸臂梁陣列構(gòu)成探測(cè)器的紅外焦平面陣列，微懸臂梁陣列即為像元陣列，可有64×64、128×128、256×256、512×512或1024×1024等，每個(gè)像元結(jié)構(gòu)相同；每一個(gè)像元為一雙材料懸臂梁結(jié)構(gòu)，其包括上電極板、電互連引線、紅外吸收面和懸臂梁支腿，紅外吸收面可由一種或多種吸收紅外又具有較小熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)的材料制備，如Si₃N₄、SiC，也可以由具有較小熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)的結(jié)構(gòu)材料和覆蓋在其上面的紅外吸收材料組成，如黑金屬、聚合物、碳納米管等其它具有良好紅外吸收特性的材料。紅外吸收面通過(guò)懸臂梁支腿與錨點(diǎn)連接，固定在襯底上。錨點(diǎn)可以是一個(gè)或多個(gè)，位于懸臂梁像元的線對(duì)稱或點(diǎn)對(duì)稱位置處，支撐懸臂梁結(jié)構(gòu)。下電極板位于襯底上，并通過(guò)介質(zhì)層與襯底進(jìn)行電隔離；懸臂梁的上極板位于紅外吸收面的下面，與下極板之間有一定的空氣間隙；電互連引線用于連接上下電極板到讀出電路系統(tǒng)。

亦可將上、下極板都制作在襯底上并通過(guò)紅外吸收面下面的電極板形成兩個(gè)串聯(lián)電容，方便制備，即原上極板變成一公共極板，這個(gè)公共極板與位于襯底上的兩個(gè)極板，分別構(gòu)成了兩個(gè)電容，并且這兩個(gè)電容串聯(lián)，形成了一個(gè)串聯(lián)電容。

懸臂梁支腿包括形變支腿部分和熱隔離支腿部分，形變支腿部分由兩種熱膨脹系數(shù)相差較大的材料組成，一種材料與紅外吸收面結(jié)構(gòu)材料相同，另一種材料為高熱膨脹系數(shù)的金屬、聚合物等材料，從而實(shí)現(xiàn)盡可能大的形變量；熱隔離支腿部分僅包括熱導(dǎo)率小的紅外吸收面結(jié)構(gòu)材料。懸臂梁支腿的排列方式包括直線式、折線式和雙折線式，多折線式，支腿的一端與固定在襯底的熱隔離支腿相連，另一端與紅外吸收面相連。形變支腿部分和熱隔離支腿部分交替構(gòu)成了完整的支腿。形變支腿部分的設(shè)計(jì)的原則是獲得最高靈敏度和幀頻，熱隔離支腿部分的設(shè)計(jì)原則是獲得最大隔熱效率，即使其熱阻盡可能大。

微機(jī)械式紅外探測(cè)器的襯底是標(biāo)準(zhǔn)硅材料，在襯底上是制備的讀出懸臂梁形變的電路，他的主要功能是對(duì)紅外焦平面陣列的微弱電容信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理(如，積分、放大、濾波、采樣/保持等)和陣列信號(hào)的串并行轉(zhuǎn)換，以在紅外焦平面陣列和隨后的信號(hào)處理級(jí)間提供一個(gè)好的接口。