一种光学读出红外传感器及其制备方法技术

本发明专利技术属于传感器领域，尤其涉及一种光学读出红外传感器及其制备方法。本发明专利技术提供的光学读出红外传感器包括：硅基底；固定在硅基底上的微悬臂梁单元阵列；微悬臂梁单元阵列由若干个微悬臂梁单元组成，每个所述微悬臂梁单元均包括支撑腿、隔热梁、双材料变形梁和吸热反光板；所述双材料变形梁和吸热反光板均由复合到一起的碳纳米管膜层和金膜层组成。本发明专利技术利用碳纳米管在室温下的轴向热膨胀系数约为‑11×10

An Optical Readout Infrared Sensor and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种光学读出红外传感器及其制备方法
本专利技术属于传感器领域，尤其涉及一种光学读出红外传感器及其制备方法。
技术介绍
室温下物体辐射的红外波长在8～14μm范围内，红外传感器可以获取物体的辐射能并转换成可见的图像。在红外成像技术中，起关键作用的部件是焦平面阵列FPA(focus-planearray)，发展高温度灵敏性和空间分辨率的FPA是推动红外成像技术发展的重要因素。红外成像技术主要分为光量子型(制冷型)和热型(非制冷型)两大类。基于光电效应的致冷型红外成像装置中，探测器靶面温度必须冷却到低温(约77K)，其噪声等效温度差(NETD)能达到0.01K，响应速度可到毫秒或亚毫秒级。然而，体积庞大、成本过高，设备运行维护复杂等因素使它难于普及。非制冷红外成像技术的原理是FPA面上探测单元将红外辐射转变为其自身热能，而温度变化引起FPA探测单元可测物理参量的变化，再通过检测单元阵列上的这些参量变化获得物体红外热像。传统的FPA单元采用高信噪比的微集成阵列电路，检测微梁感热单元的热电信号。但是辐射热转换效率典型值为1％K-1，材料的热致电导率变化的值约为2％K-1，要想获得100mK的温度分辨率，能读出的阻抗变化值将会十分微小，这对电路的放大倍数与噪声控制提出了很高的要求，成本会大大的提高。加州大学伯克利分校赵旸等人提出一种不同于电学参量读出FPA的方法。这种方法基于双层材料微悬臂梁阵列受热变形，利用光学方法检测出微悬臂梁阵列的热变形分布，从而获得物体的红外成像，也属于非制冷型红外成像技术的范畴。由于该技术中，FPA上的每一个感热单元不需要微集成电路，在无金属引线的情况下，绝热效果得到提高。同时单元阵列的制备工艺得到简化，在缩小单元尺寸、增多像素点的同时，成本也能得到有效的控制。赵旸等人研究的微梁双层材料选用金+氮化硅的方式来实现，应用该项技术制备的探测器的探测灵敏度和响应时间还有待进一步提高。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种光学读出红外传感器及其制备方法，本专利技术提供的光学读出红外传感器具有较高的探测灵敏度和较快的响应时间。本专利技术提供了一种光学读出红外传感器，包括：硅基底；固定在所述硅基底上的微悬臂梁单元阵列；所述微悬臂梁单元阵列由若干个微悬臂梁单元组成，每个所述微悬臂梁单元均包括支撑腿、隔热梁、双材料变形梁和吸热反光板；其中，所述支撑腿的第一端固定在所述硅基底上，所述支撑腿的第二端与所述隔热梁的第一端相连接，所述隔热梁的第二端与所述双材料变形梁的第一端相连，所述双材料变形梁的第二端与所述吸热反光板连接在一起；所述双材料变形梁和吸热反光板均由复合到一起的碳纳米管膜层和金膜层组成；其中，朝向所述硅基底的一侧为碳纳米管膜层，背向所述硅基底的一侧为金膜层；所述碳纳米管膜层由定向且顺排的碳纳米管构成。优选的，每个所述微悬臂梁单元均包括两个支撑腿、两个隔热梁、两个双材料变形梁和吸热反光板；其中，两个所述支撑腿的第一端均固定在所述硅基底上，每个所述支撑腿的第二端分别与不同的所述隔热梁的第一端相连接，每个所述隔热梁的第二端分别与不同的所述双材料变形梁的第一端相连，每个所述双材料变形梁的第二端均与所述吸热反光板连接在一起。优选的，每个所述微悬臂梁单元中，两个所述支撑腿、两个所述隔热梁和两个所述双材料变形梁均对称分布于所述吸热反光板的两侧。优选的，在所述微悬臂梁单元阵列中，后一个微悬臂梁单元的吸热反光板插入到前一个微悬臂梁单元的两个双材料变形梁之间，后一个微悬臂梁单元的双材料变形梁插入到前一个微悬臂梁单元的两个隔热梁之间，形成单元结构嵌套。优选的，所述支撑腿和隔热梁为一体式设计。优选的，所述支撑腿和隔热梁的材料均为氮化硅。优选的，所述隔热梁的厚度为0.5～1μm。优选的，所述隔热梁为回折结构。本专利技术提供了一种上述技术方案所述光学读出红外传感器的制备方法，包括以下步骤：A)在硅基底上沉积一层氧化硅，之后刻蚀部分所述氧化硅，形成支撑腿锚点阵列；所述支撑腿锚点阵列由若干个支撑腿锚点组成；B)在形成有支撑腿锚点阵列的氧化硅层上沉积一层氮化硅，之后刻蚀部分所述氮化硅，得到固定在所述支撑腿锚点处的支撑腿和与所述支撑腿相连接的隔热梁；C)在所述隔热梁上先后镀缓冲层和生长碳纳米管所需的催化剂；D)通过气相沉积在镀催化剂位置上生长垂直碳纳米管，之后放倒所述碳纳米管并致密化，得到定向且顺排的碳纳米管膜层；E)刻蚀部分所述碳纳米管膜层，得到变形梁下层结构和吸热反光板下层结构；F)在所述变形梁下层结构和吸热反光板下层结构上沉积金膜层，得到变形梁上层结构和吸热反光板上层结构；G)去除所述硅基底上未刻蚀的氧化硅，得到光学读出红外传感器。优选的，所述步骤A)具体包括：A1)在硅基底上沉积一层氧化硅；A2)在所述氧化硅上旋涂光刻胶；在所述光刻胶上覆盖掩膜版，曝光并显影，得到掩膜图形；A3)利用光刻形成的掩膜图形刻蚀所述氧化硅，得到规则排列的支撑腿锚点阵列；所述步骤B)具体包括：B1)在形成有支撑腿锚点阵列的氧化硅层上沉积一层氮化硅；B2)在所述氮化硅上旋涂光刻胶；在所述光刻胶上覆盖掩膜版，并与上一次光刻留下的套刻标记对准，曝光并显影，得到掩膜图形；B3)利用光刻形成的掩膜图形刻蚀所述氮化硅，得到固定在所述支撑腿锚点处的支撑腿和与所述支撑腿相连接的隔热梁；所述步骤C)具体包括：C1)在所述隔热梁上旋涂光刻胶；在所述光刻胶上覆盖掩膜版，并与上一次光刻留下的套刻标记对准，曝光并显影，得到掩膜图形；C2)通过磁控溅射在形成有掩膜图形的所述隔热梁上先后镀缓冲层和生长碳纳米管所需的催化剂；C3)去除光刻胶，得到生长碳纳米管所需的催化剂图形；所述步骤D)具体包括：D1)通过水辅助法化学气相沉积在所述催化剂图形上生长垂直碳纳米管；D2)将所述垂直碳纳米管浸入有机溶剂中，之后从所述有机溶液中提出并放置在空气中使溶液蒸发，得到放倒在基底上致密化的定向且顺排的碳纳米管膜层；所述步骤E)具体包括：E1)在所述碳纳米管膜层上旋涂光刻胶；在所述光刻胶上覆盖掩膜版，并与上一次光刻留下的套刻标记对准，曝光并显影，得到掩膜图形；E2)利用光刻形成的掩膜图形刻蚀所述碳纳米管膜层，得到变形梁下层结构和吸热反光板下层结构；所述步骤F)具体包括：F1)在所述变形梁下层结构和吸热反光板下层结构上旋涂光刻胶；在所述光刻胶上覆盖掩膜版，并与上一次光刻留下的套刻标记对准，曝光并显影，得到掩膜图形；F2)在形成有掩膜图形的所述变形梁下层结构和吸热反光板下层结构上沉积一层金膜层；F3)去除光刻胶，得到变形梁上层结构和吸热反光板上层结构；所述步骤G)具体包括：将步骤F)得到的样品放入氢氟酸溶液中，去除所述硅基底上未刻蚀的氧化硅，得到光学读出红外传感器。与现有技术相比，本专利技术提供了一种光学读出红外传感器及其制备方法。本专利技术提供的光学读出红外传感器包括：硅基底；固定在所述硅基底上的微悬臂梁单元阵列；所述微悬臂梁单元阵列由若干个微悬臂梁单元组成，每个所述微悬臂梁单元均包括支撑腿、隔热梁、双材料变形梁和吸热反光板；其中，所述支撑腿的第一端固定在所述硅基底上，所述支撑腿的第二端与所述隔热梁的第一端相连接，所述隔热梁的第二端与所述双材料变形梁的第一端相连，所述双材料变形梁的第二端与所述吸热反光板连本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学读出红外传感器，其特征在于，包括：硅基底；固定在所述硅基底上的微悬臂梁单元阵列；所述微悬臂梁单元阵列由若干个微悬臂梁单元组成，每个所述微悬臂梁单元均包括支撑腿、隔热梁、双材料变形梁和吸热反光板；其中，所述支撑腿的第一端固定在所述硅基底上，所述支撑腿的第二端与所述隔热梁的第一端相连接，所述隔热梁的第二端与所述双材料变形梁的第一端相连，所述双材料变形梁的第二端与所述吸热反光板连接在一起；所述双材料变形梁和吸热反光板均由复合到一起的碳纳米管膜层和金膜层组成；其中，朝向所述硅基底的一侧为碳纳米管膜层，背向所述硅基底的一侧为金膜层；所述碳纳米管膜层由定向且顺排的碳纳米管构成。

【技术特征摘要】
1.一种光学读出红外传感器，其特征在于，包括：硅基底；固定在所述硅基底上的微悬臂梁单元阵列；所述微悬臂梁单元阵列由若干个微悬臂梁单元组成，每个所述微悬臂梁单元均包括支撑腿、隔热梁、双材料变形梁和吸热反光板；其中，所述支撑腿的第一端固定在所述硅基底上，所述支撑腿的第二端与所述隔热梁的第一端相连接，所述隔热梁的第二端与所述双材料变形梁的第一端相连，所述双材料变形梁的第二端与所述吸热反光板连接在一起；所述双材料变形梁和吸热反光板均由复合到一起的碳纳米管膜层和金膜层组成；其中，朝向所述硅基底的一侧为碳纳米管膜层，背向所述硅基底的一侧为金膜层；所述碳纳米管膜层由定向且顺排的碳纳米管构成。2.根据权利要求1所述的光学读出红外传感器，其特征在于，每个所述微悬臂梁单元均包括两个支撑腿、两个隔热梁、两个双材料变形梁和吸热反光板；其中，两个所述支撑腿的第一端均固定在所述硅基底上，每个所述支撑腿的第二端分别与不同的所述隔热梁的第一端相连接，每个所述隔热梁的第二端分别与不同的所述双材料变形梁的第一端相连，每个所述双材料变形梁的第二端均与所述吸热反光板连接在一起。3.根据权利要求2所述的光学读出红外传感器，其特征在于，每个所述微悬臂梁单元中，两个所述支撑腿、两个所述隔热梁和两个所述双材料变形梁均对称分布于所述吸热反光板的两侧。4.根据权利要求3所述的光学读出红外传感器，其特征在于，在所述微悬臂梁单元阵列中，后一个微悬臂梁单元的吸热反光板插入到前一个微悬臂梁单元的两个双材料变形梁之间，后一个微悬臂梁单元的双材料变形梁插入到前一个微悬臂梁单元的两个隔热梁之间，形成单元结构嵌套。5.根据权利要求1所述的光学读出红外传感器，其特征在于，所述支撑腿和隔热梁为一体式设计。6.根据权利要求1所述的光学读出红外传感器，其特征在于，所述支撑腿和隔热梁的材料均为氮化硅。7.根据权利要求1所述的光学读出红外传感器，其特征在于，所述隔热梁的厚度为0.5～1μm。8.根据权利要求1所述的光学读出红外传感器，其特征在于，所述隔热梁为回折结构。9.一种权利要求1～8任一项所述光学读出红外传感器的制备方法，包括以下步骤：A)在硅基底上沉积一层氧化硅，之后刻蚀部分所述氧化硅，形成支撑腿锚点阵列；所述支撑腿锚点阵列由若干个支撑腿锚点组成；B)在形成有支撑腿锚点阵列的氧化硅层上沉积一层氮化硅，之后刻蚀部分所述氮化硅，得到固定在所述支撑腿锚点处的支撑腿和与所述支撑腿相连接的隔热梁；C)在所述隔热梁上先后镀缓冲层和生长...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵旸，张鹏，郭建，侯虎旺，陈烈，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34