[發明專利]一種可隔離封裝應力的諧振式紅外探測器結構及制作方法

有效

• 申請號: 201310714214.0
• 申請日: 2013-12-12
• 公開（公告）號: CN103708406B
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 韓建強;李森林;李琰;李青
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: B81B3/00
• 分類號: B81B3/00;B81B7/00;B81C1/00;B81C3/00;G01J5/10
• 代理公司: 杭州九洲專利事務所有限公司 33101
• 代理人: 沈敏強

本發明公開了一種可隔離封裝應力的諧振式紅外探測器的結構及制作方法，屬于微電子機械系統領域。其特征在于：諧振式紅外探測器由微橋諧振器芯片和下底板組成。其中微橋諧振器芯片由微橋諧振器(1)、矩形框架(2)、兩根支撐梁(3)、襯底(4)組成。支撐梁(3)一端固支在襯底(4)上，另一端與矩形框架(2)的一對對邊相連。微橋諧振器(1)兩端固支在矩形框架(2)的另一對對邊之間。微橋諧振器(1)、矩形框架(2)和支撐梁(3)懸浮在下底板(5)的上方。下底板(5)的熱膨脹不會改變矩形框架(2)支撐微橋諧振器(1)的一對對邊之間的距離，因此不會改變微橋諧振器(1)的長度、軸向應變和諧振頻率。

技術領域

本發明涉及紅外探測器的結構及制作方法，特別是一種可隔離封裝應力的諧振式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

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型的熱探測器兩大類。基于入射光子流與探測材料相互作用產生的光電效應(光生伏特效應、光電導效應、光電磁效應和光發射效應)的光子探測器對波長的選擇性好、響應時間短、噪聲等效溫差低、探測率高，已廣泛應用于航空航天、導彈尋導、紅外夜視等軍事領域。但光子探測器只能在低溫下工作，須配備價格昂貴且笨重的制冷設備。高成本和難以小型化的缺點制約著光子探測器在民用領域的應用。

熱探測器的工作機理是基于紅外輻射的熱效應(熱敏電阻效應、溫差電效應、熱釋電效應、熱膨脹效應等)引起探測器敏感材料物理特性或結構力學特性發生的變化。熱探測器包括微測輻射熱計、熱釋電紅外探測器、熱電堆紅外探測器、熱氣動型紅外探測器、雙材料懸臂梁紅外探測器、PN結二極管探測器等類型。熱探測器可在室溫下工作，光譜響應范圍寬、體積小、重量輕、功耗低、性價比高、便于攜帶、工作可靠、操作和維護簡便。應用范圍涉及非接觸式測溫、功率計、紅外報警、頻譜儀、自動開關、氣體分析儀、禁毒、危險品監測、醫療、工業探傷、電力線路檢測、地球資源探測、火災營救、污染探測等領域。然而，非制冷紅外探測器的性能指標與光子探測器相比還有一定的差距，尚不能滿足某些對響應率和探測率要求較高的應用領域。尋找新的紅外敏感機理是研制高響應率、高探測率、低噪聲紅外探測器的途徑之一。

諧振式傳感器的輸出信號是諧振元件的諧振頻率，適合于遠距離傳輸；可不經A/D轉換器而方便地與數字系統或計算機連接，具有數字傳感器的特征。諧振式傳感器的輸出信號受電路噪聲影響很小，精度及分辨率很高，長期穩定性好，抗干擾能力強。研制諧振式紅外探測器是提高非制冷紅外探測器性能指標的一種可能途徑。

實現諧振式紅外探測器的技術途徑之一是石英諧振器。1963年Smith指出石英溫度計可以測量10^-6K數量級的溫度變化。1999年John.R.V利用石英晶體的共振頻率對溫度的敏感特性研制了一種石英諧振式紅外探測器。2007年Francis Tsow在諧振頻率為34.5KHz的石英音叉諧振器的兩個音叉之間連接一根聚合物細線。溫度變化時聚合物細線的剛度和諧振頻率隨之變化，NETD達到0.5mK，熱極限噪音為5μ℃，熱響應時間約為50ms，溫度靈敏度為10Hz/℃，諧振頻率溫度系數約為-290ppm/℃。2009年美國Park大學Ping.K采用Y切石英晶體諧振器探測紅外輻射，器件直徑1mm，厚度18μm，諧振頻率90MHz，品質因數超過10000，溫度靈敏度為-6.8～7.2kHz/℃，諧振頻率溫度系數為-90ppm/℃，響應率為-0.159ppm/μW，噪聲等效功率為326nW。盡管石英晶體諧振器具有較高的品質因數，但加工比較困難，敏感元件厚度偏大、諧振頻率溫度系數小，例如NLSC、AC、LC、Y切面石英諧振器的溫度系數為分別為-14、-20、-35.4、-90ppm/℃。SC切石英諧振器的在b模式下的溫度系數為-255ppm/℃，雙模式下的溫度系數為-80～-100ppm/℃，限制了石英晶體諧振器在紅外探測領域的應用前景。