基于MEMS技术的阵列式红外光源器件及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于MEMS技术的阵列式红外光源器件及其制备方法。红外光源器件包括红外发光部分和聚光罩部分。红外发光部分包括第一硅基晶圆、形成在第一硅基晶圆上表面的绝缘层、形成在绝缘层上的金属电极和与金属电极连接的若干个呈阵列式间隔分布的金属加热区、形成在金属加热区周围的绝缘层上的第一锚点和沉积在若干所述金属加热区上表面的高辐射率材料。金属加热区和高辐射率材料共同形成若干个红外辐射源。第一硅基晶圆上形成有位于红外辐射源下方的绝热腔体。聚光罩部分包括第二硅基晶圆和设置在第二硅基晶圆的下表面的第二锚点，第二硅基晶圆上形成有若干与所述红外辐射源一一对应设置的聚光孔；第一锚点和第二锚点相互键合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术位于微电子机械系统
，尤其涉及一种基于MEMS技术的阵列式红外光源器件及其制备方法。
技术介绍
非色散红外(Non Dispersive Infrared，NDIR)气体传感器作为一种快速、准确的气体分析技术在实际应用中十分普遍，具有可靠性高、选择性好、精度高、无毒、受环境干扰小、寿命长等诸多优点。NDIR气体传感器的基本原理是当红外光通过待测气体时，气体分子对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从郎伯-比尔吸收定律，即光强在气体介质中随气体浓度及光程按指数规律衰减，吸收系数取决于气体特性，常用的计算公式为:I=Il^exp (- μ CL)，其中，I为有气体吸收时到达探测器的红外光强，Ic为没有气体吸收时的光强，C为腔室内气体浓度，L为腔室长度或红外光光程，μ为气体的吸收系数。一般而言，为了提高探测灵敏度，需要增加一个滤光片，使对应待测气体最大吸收系数的单色光到达探测器。对于吸收波长在4um以下的待测气体，传统的红外光源采用的是灯泡。由于灯泡的玻璃外壳对于4um以上的光是截止的，因此当需要探测吸收波长在4um以上的气体时，这种光源就无法胜任了。目前主流的广谱光源(指出射光波长在2um~25um间)均采用加热丝加热高福射率材料的原理，其中，利用MEMS (Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术制备的基于微加热器的红外光源具有体积小、调制频率尚、成本低、一致性尚的众多优点，在市场上也有多种成熟产品。然而，由于现有这些MEMS光源的辐射区域大小都在1.5mm*1.5mm以上，为了出射准平行光，往往需要加装一个聚光罩，高度在直径在大大增加了器件的体积，不利于NDIR系统的集成化和小型化发展。另一方面，在红外投影技术上，出现了利用红外辐射元组呈阵列实现各种红外图像的投影，但这种技术追求的目标是辐射元的高密度化，对辐射元的辐射强度并没有太大要求，并且整套系统非常庞大，仅在军事领域有小部分用途，无法应用在NDIR等气体检测领域。因此，有必要对现有的基于MEMS技术的阵列式红外光源器件及其制备方法予以改进以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种体积较小、方便集成的基于MEMS技术的阵列式红外光源器件及其制备方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种基于MEMS技术的阵列式红外光源器件，其包括相互键合在一起的红外发光部分和聚光罩部分，所述红外发光部分包括第一硅基晶圆、形成在第一硅基晶圆上表面的绝缘层、形成在绝缘层上的金属电极和与金属电极连接的若干个呈阵列式间隔分布的金属加热区、形成在金属加热区周围的绝缘层上的第一锚点和沉积在若干所述金属加热区上表面的高辐射率材料，所述金属加热区和高辐射率材料共同形成若干个红外辐射源，所述第一硅基晶圆上形成有位于红外辐射源下方的绝热腔体；所述聚光罩部分包括第二硅基晶圆和设置在第二硅基晶圆的下表面的第二锚点，所述第二硅基晶圆上形成有若干与所述红外辐射源一一对应设置的聚光孔；所述第一锚点和第二锚点相互键合。作为本专利技术的进一步改进，所述聚光孔的内壁面呈弧形。作为本专利技术的进一步改进，所述聚光孔的轴向截面呈倒梯形。为实现上述专利技术目的，本专利技术还提供了一种基于MEMS技术的阵列式红外光源器件的制备方法，其包括制备红外发光部分、制备聚光罩部分以及将红外发光部分和聚光罩部分键合到一起；其中，制备红外发光部分包括以下步骤:S11，提供一硅基晶圆；S12，在所述硅基晶圆上表面制作一定厚度的绝缘层；S13，在绝缘层上表面制作金属电极和金属加热区，所述金属加热区在绝缘层上表面上设置有若干个并呈阵列式间隔分布；S14，在绝缘层上制作用于键合的第一锚点；S15，在金属加热区周围未覆盖有金属电极和金属加热区的绝缘层上经刻蚀或腐蚀形成窗口 ；S16，在若干所述金属加热区上表面分别沉积高辐射率材料，以形成若干个红外辐射源；S17，在S14步骤处形成的窗口处采用湿法腐蚀或干法刻蚀将位于红外辐射源下方的硅基晶圆部分去除，形成绝热腔体，从而形成具有若干呈阵列分布的红外辐射源的红外发光部分；制备聚光罩部分包括以下步骤:S21，提供另一硅基晶圆，并在该另一硅基晶圆的下表面制作用以与红外发光部分相键合的第二锚点；S22，在该另一硅基晶圆上制作若干上宽下窄的通孔，并在通孔内壁上形成具有高反射率的金属层，使得通孔形成为聚光孔；最后，将红外发光部分与聚光罩部分采用第一锚点和第二锚点相互键合在一起，所述聚光孔与所述红外辐射源一一对应。 作为本专利技术的进一步改进，所述S13步骤中的金属电极和金属加热区采用同一种材料制作而成并且相互连接。作为本专利技术的进一步改进，所述S13步骤具体包括:先在所述绝缘层上表面采用物理气相沉积的方法制作一定厚度的铂金属层，然后再采用剥离法或干法刻蚀方式将所述铂金属层图形化，以形成所述金属电极和金属加热区。作为本专利技术的进一步改进，所述铂金属层和绝缘层之间还制作有一层粘附层。作为本专利技术的进一步改进，所述第一锚点和第二锚点由铜、锡、金、铟中的一种或几种制成。作为本专利技术的进一步改进，所述S22步骤中的通孔采用各向同性刻蚀的方法形成，使得所述通孔的内壁面呈弧形。作为本专利技术的进一步改进，所述S22步骤中的通孔采用自前述另一硅基晶圆的下表面进行深硅刻蚀的方法形成，使得形成的通孔的轴向截面呈倒梯形。本专利技术的有益效果是:与现有红外光源相比，本专利技术中由于红外辐射源是阵列分布的，使得每个红外辐射源的面积大大缩小，因此用于聚光的聚光罩尺寸也可以等比例缩小，进而通过阵列叠加，总的辐射强度可以保持不变，但包括红外辐射源和聚光罩在内的红外光源器件的总体积大大减小，即将具有阵列式分布的红外福射源的红外发光部分、聚光罩部分集成在一个芯片中，有效解决现有技术中封装成本高、器件体积大的问题，对于NDIR系统的集成化和小型化具有重要意义。【附图说明】图1a至图1k是本专利技术基于MEMS技术的阵列式红外光源器件的局部结构制作过程不意图； 图2是图1中陈列式红外光源器件的红外发光部分的局部结构的部分立体图； 图3是本专利技术陈列式红外光源器件的红外发光部分的立体图； 图4是本专利技术陈列式红外光源器件的部分结构立体图； 图5是本专利技术陈列式红外光源器件中聚光罩部分的另一较佳实施例的局部结构剖视图。【具体实施方式】以下将结合附图所示的各实施方式对本专利技术进行详细描述。但这些实施方式并不限制本专利技术，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本专利技术的保护范围内。请参照图lk、图2至图4所示为本专利技术基于MEMS技术的阵列式红外光源器件的一较佳实施例。所述阵列式红外光源器件包括相互键合在一起的红外发光部分100、聚光罩部分200和滤光片部分300。其中，所述红外发光部分100包括第一硅基晶圆101、形成在第一硅基晶圆101上表面的绝缘层102、形成在绝缘层102上的金属电极103和与金属电极103连接的若干个呈阵列式间隔分布的金属加热区104、形成在金属加热区104周围的绝缘层102上的第一锚点105和沉积在若干所述金属加热区104上表面的高辐射率材料107。所述金属加热区104和高辐射率材料107共同形成若干个红外辐射源。从图3中可以看出，本实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于MEMS技术的阵列式红外光源器件，其特征在于，所述陈列式红外光源器件包括相互键合在一起的红外发光部分和聚光罩部分，所述红外发光部分包括第一硅基晶圆、形成在第一硅基晶圆上表面的绝缘层、形成在绝缘层上的金属电极和与金属电极连接的若干个呈阵列式间隔分布的金属加热区、形成在金属加热区周围的绝缘层上的第一锚点和沉积在若干所述金属加热区上表面的高辐射率材料，所述金属加热区和高辐射率材料共同形成若干个红外辐射源，所述第一硅基晶圆上形成有位于红外辐射源下方的绝热腔体；所述聚光罩部分包括第二硅基晶圆和设置在第二硅基晶圆的下表面的第二锚点，所述第二硅基晶圆上形成有若干与所述红外辐射源一一对应设置的聚光孔；所述第一锚点和第二锚点相互键合。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗雯雯，
申请(专利权)人：苏州诺联芯电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32