[發明專利]一種MEMS非制冷雙波段紅外探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 200910228000.6
• 申請日: 2009-12-11
• 公開（公告）號: CN101713688A
• 公開（公告）日: 2010-05-26
• 發明（設計）人: 胥超;徐永青
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十三研究所
• 主分類號: G01J5/22
• 分類號: G01J5/22;G01J5/02;B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 石家莊國為知識產權事務所 13120
• 代理人: 米文智

技術領域

本發明屬于非制冷紅外探測技術領域，尤其是一種MEMS非制冷雙波段紅外探測器及其制備方法。

背景技術

非制冷紅外探測技術覆蓋了從民用到國防的諸多領域，也已經成為紅外探測技術最流行的方向，這種技術使我們有能力在常溫下就獲得具有很高敏感性能的非制冷紅外探測器。另外，它還具有成本低、體積小、重量輕、功耗小和響應波段寬等優點。

非制冷紅外探測器的基本工作原理是，目標物體的輻射被非制冷紅外探測器吸收，從而引起熱敏感薄膜溫度升高，由于熱敏感薄膜具有溫度-電阻(TCR)特性，其電阻值將發生變化，并通過其中的電學通道將這種變化傳遞給讀出電路，從而檢測出該電阻值的變化，最終實現對紅外輻射的探測。

由于對非制冷紅外探測器的迫切需求，其設計技術方面經歷了較快的發展。在微橋結構得到應用以后，設計主要圍繞三個方面進行：一是器件的熱學設計，即如何減少器件的熱響應時間，并保證響應幅度；二是器件的力學設計，在保證熱學特性的同時，微結構要具有良好的機械特性；三是器件的熱輻射吸收能力，在單元結構尺寸日趨減小的情況下，已成為限制器件性能的主要因素之一。

為了提高器件的輻射吸收能力，通常有兩種方法：一個是采用薄金屬吸收層的方法；另一個是采用共振吸收腔的方法。現有技術中探測器的反射層固定，使共振吸收腔腔長也固定，而只能針對某一波段增強吸收。在紅外制導方面，波長為3μm-5μm和8μm-12μm的兩個波段是軍用紅外探測器工作的主要波段，也是大氣中探測紅外輻射的最好波段。長波紅外傳感器通過煙塵觀看時優于中波傳感器，中波傳感器則可以在遠距離情況下提供較高的目標分辨率，而雙波段紅外探測器將具有探測兩個波段的優點，因此研制波長為3μm-5μm和8μm-12μm都能響應的MEMS非制冷雙波段紅外探測器是十分必要的。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種MEMS非制冷雙波段紅外探測器，通過將現有技術中的固定反射層改為橋式可控反射層從而使共振吸收腔的腔長可控，實現對波長為3μm-5μm和8μm-12μm雙波段的響應。

本發明還提供了該MEMS非制冷雙波段紅外探測器的制備方法。

為解決上述技術問題，本發明中MEMS非制冷雙波段紅外探測器采用下述結構：其包括硅襯底、底層電極、錨固于硅襯底上的微橋結構，關鍵在于還包括位于微橋結構與硅襯底形成的空腔內并錨固于底層電極兩側、硅襯底上的橋式可控反射層；所述橋式可控反射層借助起支撐作用的錨點和設置于可控反射層與底層電極之間的靜電驅動實現上下調節。

上述橋式可控反射層下方設有防止其下調時與底層電極接觸而使靜電驅動消失的介質凸點，介質凸點位于底層電極上，厚度為200nm-500nm。

上述橋式可控反射層與微橋結構中的熱敏電阻薄膜形成腔長L為1μm-2.5μm的共振吸收腔，從而實現對波長為3μm-5μm和8μm-12μm雙波段的響應。

本發明中MEMS非制冷雙波段紅外探測器制備方法的技術方案為：包括如下工藝步驟：

1)采用光刻剝離的方法在硅襯底上制備底層電極和下端電極；

2)旋涂犧牲層，依次淀積微橋結構的支撐層、熱敏電阻薄膜，濺射紅外吸收層及上端電極，淀積保護層；

3)刻蝕連接上端電極與下端電極的通孔并制備金屬柱，去除犧牲層形成完整的微橋結構。

關鍵在于所述步驟1)和步驟2)之間增加了如下工藝步驟：

A1、在底層電極上生長介質凸點；

A2、旋涂犧牲層并固化后，采用光刻、腐蝕工藝制備橋式可控反射層及其錨點；

A3、在橋式可控反射層和底層電極之間引入靜電驅動；

所述支撐層材料為SiN_x或SiO₂；所述熱敏電阻薄膜材料為VO_x、α-Si或poly-SiGe；所述紅外吸收層材料為金屬Ni、Ti或NiCr，且厚度控制在10nm-20nm；所述保護層材料為SiN_x或SiO₂。

所述紅外吸收層圖形化后，其兩端部分同時是與熱敏電阻薄膜接觸的微橋結構的上端電極。

所述介質凸點的材料為SiO₂，其厚度要避免過薄引起針孔并能夠承受10V-60V的激勵電壓而不發生擊穿，控制在200nm-500nm；為了降低介質層的電荷注入效應，防止反射層與介質發生粘附，采取減少接觸面積的方法，將介質制作成凸點形狀。