一种基于微桥谐振器的红外探测器结构及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于微机械桥型谐振器的红外探测器结构及制作方法。该红外探测器由通过真空密封技术或气密封装技术封装在一起的桥谐振器芯片（１）和盖板（２）组成。入射红外线通过红外线透射窗口（７）入射在微机械桥（３）表面，引起微机械桥（３）温度升高，轴向应力增加，谐振频率下降，通过测量微机械桥（３）的谐振频率的变化可反映出入射红外线的强弱。本发明专利技术所涉及的基于微机械桥型谐振器的非制冷红外探测器具有以下优点：输出量为谐振频率，不受电路噪声的影响，测温精度及分辨率很高，具有极高的探测率和响应率，制作工艺与ＩＣ制作工艺完全兼容，易于实现阵列化和系统集成，大批量生产成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及红外探测器的结构及制造方法，特别是一种基于微机械桥型谐振器的红外探测器的结构及制作方法，属于微电子机械系统(MEMS)领域。
技术介绍
红外探测器是指能对红外辐照产生响应的光电传感器。最早应用于军事领域，例如基于地面、空中和空间的监视和瞄准系统、武器夜间瞄准具、飞机导航驾驶系统、夜间火控系统等。目前红外探测器的应用领域已扩展到了包括非接触测温、气体分析、红外成像等在内的更为广阔的民用领域。按照工作原理划分，红外探测器可以分为制冷型的光子探测器和非制冷的热探测器两大类。光子探测器的基本工作原理是在红外线的照射下，半导体材料中产生载流子(电子和空穴)，然后利用探测器对产生的电荷进行收集和放大处理。光子探测器具有对波长的探测选择性好、响应时间短、噪声等效温度差低、灵敏度高等优点，已深入应用于航空航天、导弹寻的、红外夜视等军事领域。但为了抑制探测器的暗电流和噪声，需要昂贵的低温制冷器，使得制造成本偏高，同时整机工作寿命短，体积、质量、功耗都偏大，基本上只适用于军事领域。基于热敏材料吸收红外辐射产生的热效应的非制冷热红外探测器可工作于室温，体积小，重量轻，功耗低，便于携带，工作可靠，操作和维护简便，性价比高，具有广泛的应用前景。室温红外探测器有多种工作方式，但目前应用最多的是测辐射热计、热释电、热电堆三种类型测辐射热计是最古老也是最常用的红外探测器。其基本原理是利用具有热敏特性的探测材料在温度变化时其电阻值会发生变化的热敏电阻效应。探测器工作时，热敏电阻两端加上固定的偏压，接收到的红外辐射使得热敏电阻单元电阻值发生改变所产生的电流变化由读出电路(ROIC)读出。目前已经研究了基于氧化钒(VOx)、多晶硅、非晶硅、多晶锗硅、金属材料以及高温超导材料(YBaCuO)等各种敏感材料制作的测辐射热计，并有基于VOx测辐射热计的热成像仪出售。测辐射热计的响应度比热电堆型高，制作工艺比热释电型简单，工作时无需斩波器。其缺点在于(1)测辐射热计探测单元对所施加的偏置脉冲电压精度，要求较高，另外功耗也比较大。随着阵列元数增多，这一问题就显得更为突出；(2)测辐射热计阵列较大的噪声带宽，最终抵消了部分响应增益。对于测辐射热计焦平面阵列，随阵列单元数的增加，需提高相应的响应电平和热电阻系数值，以抵消噪声带宽的增加。红外热堆探测器是基于塞贝克效应(即温差电效应)而制成的。目前研究的热点是微机械红外热电堆探测器。与一般红外探测器相比，微机械红外热堆探测器的优点在于(1)具有非常宽的频谱响应；(2)与标准IC工艺兼容，成本低廉且适合批量生产。红外热电堆探测器缺点在于灵敏度低、热惯性质量大而响应速度慢。热释电效应是指热释电晶体的温度在一定频率下变化时晶体的自发极化来不及被中和，随温度周期性变化而产生交变电场的效应。热释电红外探测器可以分为混合式和单片式两大类。常用材料为钛酸锶钡(BST)、锆钛酸铅(PZT)铁电陶瓷以及PVDF/TrFE聚合物等。尽管热释电红外探测器理论上具有可使噪声等效温差(NETD)达到1mK的潜力，但却存在以下缺点(1)与IC工艺不兼容，受读出电路(ROIC)的高温承受能力的限制，难以提高热释电薄膜的介电温度系数值(TCD值)。(2)热释电红外探测器没有直流响应，必须使用斩波器以适当的频率周期性地改变入射辐射，才能得到与红外辐射相应的信号。(2)许多铁电体热释电性能随着厚度减小而降低。综上所述，光子探测器灵敏度高，响应速度快，但一般需在低温下工作(尤其对于中远红外波段)，结构复杂，限制了应用。而热探测器虽然能实现室温工作，但其探测率和响应率低、响应速度慢，使其应用受到了一定的限制。因此迫切需要研制可在室温工作的高性能非制冷红外探测器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于专利技术一种基于微机械桥型谐振器的高探测率和响应率的非制冷红外探测器。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是红外探测器主要由桥谐振器芯片1和盖板2组成。在桥谐振器芯片1上通过光刻技术结合腐蚀/刻蚀技术制作有微机械桥(双端固支梁)3。在微机械桥3上制作有电阻、电极或线圈等形成激振器4，激励微机械桥振动。在微机械桥3上还制作有压敏电阻、电容或压电薄膜等形成拾振器5(即检测元件)，检测微机械桥3的振动状态(如谐振频率)。在某些情况下，激振器4和拾振器5也可能是外部元件。如光学激励和拾振模式下，激振器4为外部的激光二极管、激光器等；拾振器5为光电二极管等光电检测元件。微机械桥3、激振器4和拾振器5组成桥型谐振元件。谐振器芯片1和盖板2通过气密封装或真空密封技术封装在一起。本专利技术所涉及的基于微机械桥型谐振器的非制冷红外探测器工作原理入射红外线通过红外线透射窗口7入射在为微机械桥3表面，引起微机械桥3温度升高，轴向应力增加，谐振频率下降，通过测量谐振频率的变化可反映出入射红外线的强弱。本专利技术所涉及的基于微机械桥型谐振器的非制冷红外探测器可采用以下基本工艺制作1)原始材料为硅片(普通硅片或SOI硅片)，热氧化；2)正面利用各种薄膜工艺制作双层或多层薄膜，在硅片正面光刻微机械桥3的形状，腐蚀上述双层或多层薄膜的复合膜系；3)在微机械桥3上制作激振器4和拾振器5，形成桥型谐振器，制作金属内引线6；4)正面光刻腐蚀窗口，各向异性干法或湿法腐蚀释放微机械桥3；5)根据需要在微机械桥3上制作红外吸收薄膜；6)制作密封环8，将桥谐振器芯片1与盖板2(如果是静电激励/电容拾振，则在键合前应在盖板2的对应位置制作上电极)通过各种键合技术(如静电键合)或密封技术(如玻璃焊料密封技术)进行气密封装或真空封装；7)划片、焊接外引线9。上述制作工艺中的红外线透射窗口7既可制作在桥谐振器芯片1上(如附图1.(a)所示)，也可制作在盖板2上(如附图1.(b)所示)。如果红外线透射窗口7在盖板2上，则入射红外线照射在微机械桥3正面(制作激励电阻或电极等激振器4的一面)。反之，如果红外线透射窗口7在桥谐振器芯片1上，则入射红外线照射在微机械桥3背面。上述制作工艺中，微机械桥3与红外线透射窗口7相对的一面应制作对红外线吸收性能较好的材料以吸收红外线，以便于将其转化为热能。该吸收材料可以是金黑、银黑、铂黑、碳纳米管等材料。也可以本身就是组成微机械桥3的材料，如氮化硅薄膜。本专利技术所涉及的基于微机械桥型谐振器的非制冷红外探测器的微机械桥3可采用以下激振方式电磁激励、静电激励、压电激励、电热激励、光热激励等。其谐振频率可采用以下方式检测压电拾振、电容拾振、电磁拾振、光信号拾振以及压敏电阻拾振等。采用不同激励方案时上述激振器4采用不同的形式。对电磁激励，激振器4是制作在微机械桥3上的线圈；对静电激励，激振器4是制作在微机械桥3上的电极；对压电激励，激振器4是制作在桥上的压电执行器；对电热激励，激振器4是制作在微机械桥3上的电阻；对光热激励，无须制作在器件上制作激振器4，但要求桥的入射面对入射光具有高的反射率，其激振器4是外部交变光源。同样，采用不同检测(拾振)方案中上述拾振器5采用不同的形式。对压电拾振，拾振器5应为压电薄膜；对电容拾振，拾振器5应为电极；对电磁拾振，拾振器5应为拾振线圈；对光信号拾振，拾振器5应为外部的光电元件，对压敏电阻拾振，拾振器5应为通过薄膜工艺或扩散、离子注入工艺制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微桥谐振器的红外探测器，其特征在于：红外探测器由桥（双端固支梁）谐振器芯片（１）和盖板（２）组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩建强，卢少勇，
申请(专利权)人：中国计量学院，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]