一种基于微桥谐振器的新型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桥谐振器的新型红外探测器的结构及制作方法。该红外探测器由微细加工技术制作的微桥１、具有负电阻温度系数的激励电阻２和检测元件３、金属引线４和衬底５组成。入射红外辐射的热效应使得具有负电阻温度系数的激励电阻２阻值下降。保持加载在激励电阻２上的电压恒定，激励电阻２阻值的下降将使激励功率的静态分量增大，等效于增加了红外辐射的功率。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的输出量为谐振频率，受电路噪声影响很小，具有极高的探测率和响应率，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，特别是一种采用具有负电阻温度系数 的非晶硅电阻或多晶硅电阻作为激励电阻的电热激励微桥谐振器实现的非制冷红外探测 器的结构及制作方法，属于微电子机械系统(Micro Electro Mechanical systems, MEMS) 领域。二、
技术介绍
红外探测技术是信息获取的主要手段之一。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型的热探测器两大类。基于入射光子流与探测材料相互 作用产生的光电效应(光生伏特效应、光电导效应、光电磁效应和光发射效应等)的光子 探测器，对不同波长的红外线选择性好、响应时间短、噪声等效温差低、探测率高，是陆、海、 空、天各类武器系统中重要的传感器，是获得战场信息优势和战争主动权的关键因素之一， 可用于弹道导弹和远程巡航导弹的早期预警、跟踪、识别和拦截，对迅速发展的光电对抗、 光通信、定向能武器等方面具有基础作用。光子探测器热噪声随温度升高呈指数规律上升， 工作时需要低温制冷装置将其冷却到很低的温度，主要用于军事和天文领域。热探测器的工作机理是基于入射红外线的热效应(热敏电阻效应、温差电效应、 热释电效应、热膨胀效应等)引起探测器敏感材料的物理特性或探测器结构的力学特性发 生的变化。热探测器可在室温下工作，光谱响应范围宽、体积小、重量轻、功耗低、性价比高、 便于携带、工作可靠、操作和维护简便，可应用于非接触式测温、功率计、红外报警、频谱仪、 自动开关、气体分析仪、禁毒、危险品监测、医疗、工业探伤、电力线路检测、地球资源探测、 火灾营救、污染探测等领域。热探测器包括微测辐射热计、热释电红外探测器、热电堆红外 探测器、热气动型红外探测器、双材料悬臂梁红外探测器、石英晶体谐振式红外探测器等类 型。微测辐射热计基于具有热敏特性的探测材料在温度变化时电阻值发生变化的热 敏电阻效应。工作时对支撑在绝热结构上的热敏电阻两端施加固定的偏置电压，入射红外 辐射引起的温度变化使得热敏电阻阻值减小，从而使电流增大，并由读出电路读出。微测辐 射热计的响应率比热电堆型高，制作工艺比热释电红外探测器简单，工作时无需斩波器，具 有较低的串音和图像模糊、较低的1/f噪声、较高的帧速，是非制冷红外探测器的主流技术 之一。目前已经有利用氧化钒(VOX)、多晶硅、非晶硅、非晶锗、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微测辐射热计的研究报道。微测辐射热计的探 测单元对所施加的偏置脉冲电压精度要求较高，流过热敏电阻的偏置电流不能太大。热电堆红外探测器是基于塞贝克效应制成的，由热电堆、支撑膜以及红外吸收 层组成。从热偶组成的角度分类，热电堆红外探测器可分为金属热偶，硅-金属热偶以 及N型多晶硅-P型多晶硅热偶等。微机械红外热电堆探测器是一种自发电型传感器，不 需要外加电源。从提高热电堆的探测灵敏度、减小热偶向衬底传导热量的角度考虑，热电 偶材料需要同时具备高塞贝克系数、低电阻率、低热导率等特点。但根据魏德曼一弗兰茨(ffedman-Franze)定律，材料的热导率与电阻率之积为常数，难以同时减小热导率和电阻率。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电荷来 不及被中和，随温度周期性变化而产生交变电场的效应。热释电红外探测器常用材料为钛 酸锶钡(BST)、锆钛酸铅铁电陶瓷、聚偏氟乙烯聚合物、复合热释电薄膜等。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调制入射辐射，才能得到输出信号。热气动型红外探测器的实现需要将低热容量气体密封于红外窗口和弹性敏感膜 之间的气腔中，由红外窗口入射的红外辐射被气体吸收后，气体分子能量和气体压强增加， 弹性敏感膜产生形变，通过隧道效应或电容检测方法检测弹性敏感膜的变形得到入射红外 辐射的信息。然而电容检测方法需要将电容检测电路与探测器集成在一起以实现高的检测 精度，制作工艺复杂。利用双材料微悬臂梁实现红外探测是近年来出现的一种新型高灵敏度非制冷红 外成像技术。1996年美国橡树岭国家实验室利用光杠杆检测悬臂梁挠度，获得250°C物体 的热图像，证明利用双材料悬臂梁探测红外线的可行性。1997年，美国Berkeley大学的 Maumdar研究小组发展了基于干涉读出方式的双材料悬臂梁红外焦平面阵列，并看到2米 远处人的热图像。此后，日本Nikon公司、美国Aegis半导体公司、以色列耶路撒冷大学及 国内上海微系统与信息技术研究所、中国科学技术大学、西安交大、中国科学院上海技术物 理研究所等单位也开展了双材料悬臂梁红外探测器单元及焦平面阵列方面的研究工作。然 而双材料梁的挠度一般在纳米数量级，需要复杂的光学装置检测梁的变形，使得其结构较 为复杂。目前，非制冷红外探测器发展的主要方向(1)研究新工艺、新材料，对现有红外 探测器的结构进行改进，提高响应率和探测率。(2)多功能、集成化、高密集度焦平面阵列。 (3)探索高响应率、高探测率、低噪声的新型红外敏感机理。谐振式传感器输出信号是频率型信号，适合于远距离传输；可不经A/D转换器而 方便地与数字系统或计算机连接，具有数字传感器的特征；受电路噪声的影响很小，精度及 分辨率高；长期稳定性好，抗干扰能力强。是一种高精度传感方式。在压力测量等领域中， 可当做副标准标定其它类型传感器的测量精度。因此，谐振式红外探测器是提高非制冷红 外探测器的探测性能指标的一种可能途径。实现谐振式传感方式的技术途径之一是石英谐振器。1963年Smith等人指出石英 温度计可以测量10_6K的数量级的温度变化。1999年John R. V等人利用了石英晶体的共振 频率对温度的敏感性研制了一种石英谐振红外探测器。2007年Francis Tsow在谐振频率 为34. 5KHz的石英音叉谐振器的两个音叉之间连接一聚合物细线。温度变化时聚合物细线 的刚度和微桥的谐振频率随之变化，NETD达到0. 5mK，热极限噪音为5ii °C，热响应时间约 为50ms，温度灵敏度为10Hz/°C，谐振频率温度系数约为290ppm/°C。2009年美国Park大 学的Ping Kao采用Y切石英晶体谐振器探测红外线，器件直径1mm，厚度18微米，谐振频率 90MHz,品质因数> 10000，温度灵敏度为6. 8 7. 2kHz/K,谐振频率温度系数为90ppm/K，响 应率为14.3MHz/W，噪声等效功率为326nW。尽管石英晶体谐振器具有品质因数高的优点， 但加工比较困难，敏感元件厚度偏大、谐振频率的温度系数小，限制了其在非制冷红外探测 领域的应用前景。硅微机械谐振器是实现谐振式红外探测器的另一种途径。硅微谐振式传感器利用 微(机械)悬臂梁、微(机械)两端固支梁(常形象地称作微桥)谐振器的谐振频率、幅 值和相位等参数敏感被测量，广泛用于测量压力、真空度、角速度、加速度、流量、温度、湿度 和气体成分等物理、化学和生物量。1994年C. Cabuz制作了一种静电激励/电容检测的二 氧化硅微桥谐振器探测红外辐射，利用P+硅吸收红外线。微桥的谐振频率为ΙΟΟΚΗζ，品质 因数为20000，响应率为500ppm/μ W，远高于石英探测器的响应率本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于微桥型谐振器的非制冷红外探测器，其特征在于：微桥谐振器由微细加工技术制作的微桥１、具有负电阻温度系数的激励电阻２、检测元件３、金属引线４和衬底５组成。。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩建强，李青，王小飞，
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]