CN100383504C - 微桥结构 - Google Patents

Abstract

一种加工微桥结构(14，16)于衬底(20)上的方法。该方法包括以下步骤：设置牺牲材料(32)于衬底(20)的表面区域；形成图案的方式刻蚀牺牲材料(32)；设置传感材料(34)于牺牲材料的表面区域；设置支撑材料(36)于传感材料的表面区域；以及去除牺牲材料(32)留下支撑材料(36)及传感材料(34)于其下表面上，基本上独立于衬底(20)之上。

Description

微桥结构

本发明涉及制作微桥的一种方法与微桥的一种新结构，此种结构例如可以用在探测入射辐射的成象器件上。本发明自热成象领域产生，但并不必局限于该领域。

基于热探测器的二维阵列的红外成象摄像机因其工作在室温附近而具有吸引力。用于红外成象的热探测器仰赖于传感材料吸收红外辐射而产生的温度变化。现场的温度每变化1℃导致探测器中大约0.001℃的温度变化，因此试图使被吸收的辐射量最大化是重要的。

传感材料具有温度相关的性质，此种性质允许温度上的变化幅度能够应用电子学线路来探测、放大以及显示。实例是：热电阵列，它依赖于铁电材料中出现的电极化随温度的变化；电阻式微测热辐射计阵列，它利用某些材料中出现的电阻随温度的变化。

在所有各种热探测器中，有利的是要最大程度地提高传感材料因吸收红外辐射而产生的温升。温升由于将热量从传感材料带走的任何热传导机制而减小。这就导致了探测器的设计需要最大程度地实现传感材料的热绝缘。对电读出与机械刚性的要求是指，对于大部分实用的探测器来说，传感材料需要实现物理连接。

红外(IR)成象仰赖于所有物体辐射能量均有一个与其温度相关的峰值波长这样一个事实。对于具有周围温度的物体，该峰值波长处于红外而约为10μm。更热的物体其辐射也更强。IR成象典型的情况涉及采用可能是锗制作的透镜来收集和聚焦辐射到位于光学系统焦平面上的传感元件阵列。这些元件通常是微电容器或微电阻器(微测热辐射计)，其特性参数(分别为电荷或电阻)与温度相关。微测热辐射计通常采用“微量切削加工技术”在硅的衬底上形成。这里涉及沉积和采用光刻方法在牺牲层上制作出活性层图案而最后刻蚀掉留下一个独立式的热绝缘结构。

这样的一个结构如附图1所示，其中腿2，4支撑元件1的主体于衬底上(图中未示)。腿2，4保证向主体提供机械支撑但对衬底则具有低导热性。

每个元件生成一个正比于它的温度的电信号，而这又依赖于它或它的邻层所吸收的红外能量。电信号必须随后用一个兼有滤波及放大功能的电路读出。

传统上用以探测红外辐射的量子器件要求冷却到液氮温度。这里描述的“非冷却”技术运作在室温下。因为红外辐射不为烟雾所遮蔽，这种技术也在消防应用中发挥作用。还可以在不需要高分辨成象的场合下应用。红外传感元件能够用到简单的“闯入者探测器”或火灾探测器上。

现时电阻微桥有两种基本形式。第一种是均匀形式，如附图2a剖面所示。在这类微测热辐射计中，微桥由一种材料制成，该材料的温度因吸收辐射而改变，其性质随之而改变。材料性质的变化用某种方式测定出来，或许采用测量通过桥的电流变化的方法。熟练技术人员将会理解，当均匀微桥能够很好地工作时，其性能可能不如期望的有效。

第二种可以称为“支撑薄膜(film-on-support)”微桥，它提供一种温度相关的(可以是电阻性的)材料以薄膜的形式贴在支撑桥上。这种支撑物上薄膜微桥的剖面表示见附图2b。桥吸收相关波长的入射热辐射，导致桥中的温度变化，从而影响电阻性材料的电阻。通常电阻性材料是一种金属，在它放置在桥上时，反射一部分入射辐射，使微测热辐射计的灵敏度降低。此外，设置金属于桥的顶部要求加工通过桥的通孔，这就需要更多的工序。

微桥结构的实例见于微机电系统杂志1996年12月第5卷第4期Shie，Chen，et al.一文(Journal of Microelectromechanicalsystem Vo15，No4，December 1996)。然而，该文给出的微测热辐射计的加工过程有可能比所期望的会要复杂一些。桥在一个采用异向性湿法刻蚀加工的V形槽范围形成。

另外一种微桥结构也在US 5 698 852中给出，那里一个钽层提供电阻器于一层SiO₂形成的桥的底面。然而，这个文件显示：电阻性微测热辐射计部分夹在两层SiO₂之间。此项美国专利所展示的微测热辐射计比了这里描述的微测热辐射计在结构上要复杂得多。可以理解，简化结构及工序会降低器件成本，也有助于增加产量。

按照发明的第一个方面，提供了一个在一个衬体上加工微桥器件的方法，包括以下步骤：

a提供牺牲材料于衬底的表面区域；

b图案刻蚀牺牲材料；

c提供传感材料于牺牲材料的表面区域；

d提供支撑材料于传感材料的表面区域；和

e除去牺牲材料使支撑材料、传感材料处于其下表面，基本独立于衬底之上。

本方法有利之处在于它提供了一种微桥结构，其所用的方法比起现有技术具有较少工序。熟练技术人员将会理解，减少工序数目是有很大好处的，因为这往往会增加加工过程的产量，也会降低采用此法加工的器件成本。

有利的是，支撑元件以单层材料构成，同时提供了对于传感材料的物理支撑以及起着入射辐射的吸收体的作用。

传感材料可以是导电材料。这样一种材料适合于提供一种在其中测量电阻变化的微桥结构。微桥器件最好是一种微测热辐射计，其中传感材料构成电阻器。

另一方面，传感材料也可以是铁电材料。这种材料适合于提供一种在其中测量电荷变化的微桥结构。

衬底最好要有电子学线路设置在内。这样的好处是它允许提供处理电子学线路来处理来自微桥的信号，并允许提供一个兼有微桥与处理电子学线路的单个密封装置(package)。设置最佳处理电子学线路在某些现有技术结构中可能无法实现。例如，在Shie，Chen，et al.的论文中，设置在微桥结构下面的V形槽大概是要避免在微桥器件的平面区域底下设置这种电子学一衬底上设置电子学线路的区域被刻蚀掉。所以，用这种方法提供的结构可以在微桥器件底下留出一个可以设置信号处理电子学线路的区域。

这个方法最好要与CMOS的处理步骤相兼容。这样的好处是因为允许采用标准加工过程从而一般地能够降低按照此法加工器件的成本。

方便地，相关过程的步骤b包括设置通过牺牲材料的通孔以便连接到衬底上的电子学线路。这样一步是提供具有处理电子学线路与微桥的单一密封装置的便利方法。熟练技术人员可以理解，采用一种通常的光抗蚀剂来制作牺牲层的图案或者采用光可描摹的聚合物作为牺牲层，可以使通孔的位置得以确定下来。

在一种实施方案中，牺牲层为聚酰亚胺，后者可以是旋转沉积并凝固的。牺牲材料可以应用到大约3μm的厚度。但是，在另外一种实施方案中，牺牲材料可以应用到大约1.5-6μm厚度，或者可以在大约2-4.5μm之间。可以理解，牺牲材料的厚度支配着最终微桥结构中衬底上面的传感材料的高度。

本方法可包括采用一种刻蚀溶剂以保证在牺牲层沉积之后除去所有抗蚀层的步骤。刻蚀溶剂可为EKC。

传感材料可为钛(Ti)。钛的好处是它的特性随温度而变化，也因为它噪声水平低。此外，钛具有高电阻率，它使得对CMOS电路的设计优化比其它传感材料的优化更为容易。熟练技术人员会理解，对于两个相等部分的材料，具有较高电阻率的那部分的电阻较高。

传感材料可以借助于溅射沉积方法沉积下来，这提供了一种与CMOS相兼容的方便方法。传感材料可以沉积到大约0.2μm的厚度。

然而，熟练技术人员会认识到其它厚度也可能合适。例如，传感材料可以提供到大约0.05-0.3μm范围的厚度，或者大约0.1-0.25μm。如果微桥器件是一个微测热辐射计，则传感材料可以形成电阻器。希望该电阻器的电阻相对地高，因为这样使得从微测热辐射计提供的信号较易于处理。在这个范围里提供传感材料保证了合适的电阻。大于这个范围的厚度可能会过多地降低电阻。

这里描述的厚度和电阻在传感材料为钛时是特别合适的。如果传感材料是别的材料，则其它厚度可能适用。

在另外一种实施方案中，传感材料可为非晶硅、氧化钒、铂、镍、铝或上述金属中的任何一种具有合适性质的合金。

传感材料可以具有3.3Ω/sq的薄层电阻。另一种情况，传感材料可以具有大约1.5-6Ω/sq的薄层电阻或大约2.5-4.5Ω/sq的薄层电阻。

方便地，本方法的步骤C是将传感材料从位于衬底上用来调准其随后各层的光学调准靶(OAT)上去除。这样一步的好处是简化了此方法的余下步骤从而使余下各层较易于定位。熟练技术人员将会清楚，在使用晶片分档器时，OAT是必不可少的。

本方法的步骤b也可以包括从位于衬底的OAT去除牺牲材料这一步骤。如果牺牲材料是二氧化硅以外的材料的话，这样一步特别有好处。

支撑材料最好沉积在传感材料的表面区域。这个沉积过程可由等离子体增强化学相汽沉积(PECVD)、低压化学汽相沉积(LPCVD)或者溅射来达到。

支撑材料可以沉积到大约1μm的深度。这个深度是适宜的因为它提供了足够的结构刚性。然而，熟练技术人员会认识到其它的厚度范围可能是合适的。例如支撑材料的厚度可以是大约0.05μm、0.1μm、0.5μm到或许是大约2μm、3μm、4μm、5μm。

最好，本方法应用支撑材料为大约±10％的精确度。从上面的讨论可以理解，探测器必须和周围环境热绝缘。一般地，这是通过提供一个由一对腿支撑的(支撑材料做的)微桥结构来达到的。在这样的一个结构里，腿提供了桥与晶片或衬底之间的热接触。腿太粗是不利的，因为更多的热从晶片或衬底传送到桥而降低微桥结构的灵敏度。若腿太细则桥结构没有足够的机械支撑。因此在提供牢固的支撑和提供热绝缘之间要有一个折衷的考虑。

熟练技术人员会认识到，微桥结构可以装备有两条以外的腿。微桥结构可以装备有1、3、4、5、6、7、或更多条腿。

本方法可以包括应用厚度约为1/4λ的支撑材料，λ是在支撑材料中被考虑的入射辐射的波长。熟练技术人员将会理解，辐射波长会根据其传播的材料而改变。应用支撑材料到这样的厚度的好处是造成具有被考虑的波长的辐射从支撑材料的底面反射回来时与入射到桥上的辐射发生相消性的干涉。此相消性干涉引起能量吸收并增加支撑材料由于被考虑波长的入射辐射而产生的温升。

支撑材料被方便地形成图案并刻蚀成所需结构。去除用来形成图案及刻蚀支撑材料的抗蚀剂最好用刻蚀溶剂，以EKC为宜。

在一种实施方案中，支撑材料用二氧化硅，其好处是可以容易地采用CMOS处理步骤并吸收波长约为8-14μm的辐射；如前面所讨论的，这是微桥器件能够方便监测的波长。有利的是，支撑材料吸收辐射使支撑材料因具有所希望的波长的入射辐射而导致尽可能大的温度变化。熟练技术人员将会理解，对于8-14μm以外的波长，吸收相应波长的其它材料会是有利的。

本方法可以包括在衬底的表面区域提供一个反射层的另一个步骤。这样一层可以进一步增强微桥结构吸收入射辐射的效率。

反射层可以设置在牺牲层之前的衬底的表面区域，这提供了定位反射层的方便途径。可以理解，这种方法提供了反射层设置在衬底顶部区域的一种微桥结构，其中微桥结构基本上是高悬在反射层之上的。

本方法方便地提供了金属制作的反射层，可以采用以下任何一种金属材料：铝、钛、镍铬合金、铂、镍或者任何一种它们的合金。

反射层可以用溅射、蒸发或者任何其它适当的技术来提供，对此本领域技术人员是会理解的。

牺牲层方便地通过砂磨(ashing)去除，砂磨可在氧等离子体中进行，这提供了一种有效的过程来去除牺牲材料而不与牺牲材料的覆盖层相干扰。

在本方法的步骤e之后，热退火更最好在衬底上进行。热处理之所以有利是因为它维持钛的电阻的温度系数的升高值，并可保证电路中的接触都是正确构成的，等等。热退火可由快速热退火过程或者工业标准炉退火来达到。

传感材料可以至少以一条轨道提供出来。本方法更为可取的是设置一条轨道使具有特定偏振的入射辐射不能从那里通过。要做到这点的话，可以安排轨道使之处在阻止具有偏振的辐射通过的方式。特别是，轨道可以设置成具有长度是互相横向的。轨道可以设置成具有基本长度是互相平行的，或者可以是互相横向的，或者可以是互相正交的。在其它的实施方案中，本方法可以包括提供具有曲线部分的轨道。曲线部分可为圆、椭圆等等。

一个匹配层可以设置在支撑材料之上的区域中，以适合于吸收入射辐射。匹配层可为镍铬合金，并可由蒸发或者溅射提供。

匹配层的好处是可以使微桥结构的折射率与自由空间的折射率匹配起来。熟练技术人员会理解，当一个波前入射到具有不同折射率的材料的边界时，就发生一定程度的反射。很清楚，如果具有该波长的入射辐射发生反射，则因响应辐射而产生的信号就会减弱。因此尽可能地减小出现于微桥上部表面的反射的量是有好处的。

匹配层可沉积到它具有所要求的每100平方英尺电阻。电阻可为大约377Ω/sq.。换言之，电阻可以处在大约250-500Ω/sq.的范围内，或者处在大约320-430Ω/sq.的范围内。

本方法可以进一步包括在密封的密封装置中提供微桥结构。密封密封装置可充以具有低热导率的气体(氙是一例)或者更的优选地是可以将密封的密封装置抽成真空。

按照发明的第二个方面，微桥结构有一衬底，其上设置微桥结构的支撑元件，支撑元件的下侧则设置传感材料，传感材料由支撑元件支撑在衬底之上但在联结区域与衬底上的轨道相连。

这样一种结构的优点是其加工比了采用现有技术的器件简单，因而可以提供较高的产量和较为廉价的器件。

最好，支撑元件包括一个二氧化硅(SiO₂)的区域。这是一种方便的材料，易于在CMOS过程中实现并强烈地吸收所考虑波长的电磁波。

支撑元件可以是大体在平面上呈正方形的，这提供了用以构成微桥结构阵列的一个有效形状。

在一种实施方案中，支撑元件在平面上大体上是呈正方形的，其尺寸为大体上50μm一边。在另外一种实施方案中。支撑元件可以是边长约为25-100μm，或者可以为35-75μm。

支撑元件可装备适合于将支撑元件悬于衬底之上的腿部分。这种腿部分的好处是它们为支撑元件与衬底之间设置热绝缘。热绝缘是有益的，因为必需由微桥结构测量的温度变化量值不大，在衬底的热质量不予排除的情况下大概会被漏掉的。

方便地，传感材料也设置在腿部的下面一边。这样一种结构也是方便的，因为它提供了一种结构，其中在支撑元件上的传感材料能够容易地连接到衬底上的电路元件。

传感材料最好是传导材料；在该情况下，传感材料可形成一个电阻器。

另一方面，传感材料可以是铁电材料；在那种情况下，传感元件可形成一个电容器的电介质。

这样的结构是方便的，因为它们提供了测量支撑材料内的温度变化的手段(亦即电阻器电阻的变化，或者由电容器介质形成的电容器中电荷的变化)。

电阻器可以连接到一个装在衬底上的CMOS晶体管。这提供了一个方便的结构，用以处理微桥结构所提供的信息。

晶体管可以被安排成一个方便结构的开关，用以在正确的瞬间连接电阻器到处理电子学线路上来测量其电阻。

电阻器的电阻可以是大约3kΩ。换言之，电阻器的电阻可以是大约1.5-6kΩ，或者可以是大约2-4.5kΩ。

传感材料可为金属，特别是可为钛，后者是利用CMOS相兼容过程的方便材料。此外，钛显示出与温度相关的电阻，使其特别适合于此种应用并具有相对高的电阻率。在另外一种实施方案中，像非晶态硅、氧化钒、铂、镍、铝、任何一种上述金属的合金等材料都可以制备传感材料。

电阻器最好设置为支撑元件上的轨道。这样是有利的，因为它允许电阻器的长度最大化从而增大其所能提供的电阻值。具有较大的电阻本身是有利的因为这样使得探测电子学线路能够比较简单地处理来自一个较高值的电阻器的读数。

方便地，轨道具有弯曲的结构，这是一种使轨道长度最大化的方便结构。弯曲结构最好在横向有主要部分。各个横向可以基本上是互相垂直的。这种横向的好处是有助于防止具有特定偏振的辐射不被吸收地通过传感元件。

熟练技术人员将会理解，在某些实施方案中支撑元件的厚度满足入射辐射在支撑元件的材料中大体为1/4λ的条件。这样，具有所考虑的波长的辐射入射到支撑元件后可能由下表面反射回到支撑元件的顶部表面，并与具有所考虑的波长的入射辐射发生相消性干涉。设置灵敏材料于支撑元件的下面一侧会有助于这个反射过程并保证具有特定偏振的辐射可以不通过可以进一步增强这个反射过程。

方便地，支撑元件可以具有希望测量的大体上1/4辐射波长的厚度。这样取值所以有利的理由已在上文指出。特定地，支撑元件可具有厚度大体为1μm。在另外一个实施方案中，支撑元件可具有厚度大约0.5-2μm，或可为0.75-1.5μm。

一个反射层可以提供来进一步增强从衬底通过微桥结构反射回到微桥结构的辐射的百分率。反射层可以设置在衬底的顶部区域在衬底与微桥结构之间的间隙之下。

方便的是，反射层由下列任何一种金属加工而成：铝、钛、镍铬合金、铂、镍或这些金属中任何一种的合金。

微桥结构可以另外包括一个匹配层，它可以设置在支撑元件的最上面。这样一个匹配层是有利的，因为它是另一种机制，用以保证具有所考虑的波长的入射辐射尽可能大地被吸收。该匹配层可以帮助结构格外强烈地在被考虑的波长上吸收辐射。

熟练技术人员将会理解，当一个波前在两个介质间通过时会出现某种程度的反射。因此，匹配层可以将微桥结构与自由空间的折射率匹配起来。这样是有利的，因为这可以使微桥器件顶部表面反射的量尽可能地小。

按照发明的第三个方面，设置了一个传感器，与按照本发明的第二部分的微桥结构结合起来。

传感器可以是一个压力传感器。因为，对于一个特定偏置电流，微桥结构温度与由于周围气体所引起的热传导相关，它可以测量这些气体的压力。传感器可设想为匹拉尼(Pirani)压力计。

如果传感器是匹拉尼压力计，牺牲材料可以采用按照本发明的第一部分的方法沉积到大约0.1μm的深度。可能的话，牺牲材料可以沉积到以下的大约任何一种深度：0.05μm、0.075μm、0.125μm或0.15μm。

传感器可以是流量传感器。微桥结构对于给定偏置电流的温度将与热量以多快速率被气流或液流带走相关，因而可以用作流量传感器。

当然，传感器可以用作红外传感器，在诸如火灾探测、闯入者警报、红外成象或自动检查方面得到应用。

确实，传感器还可以是一个红外发射器，因为微桥结构的温度在适当的电流通过它时将会改变。这样一个发射器可以对于生成目标的红外特征有用，或许用于模拟的目的。

以下通过实例根据附图给出发明的详细描述：

图1表示典型的微桥器件示意图

图2表示三种不同类型的微桥结构截面图

图3表示按照本发明的微桥结构加工过程图示

图4a，b，c表示图1的微桥器件的下边的等角图

图5及图6表示按照本发明的微桥结构扫描电子显微图

图1示出一个典型的微桥器件，在这情况下是微测热辐射计。这里有主体1，适合于吸收入射于其上的我们所考虑的波长的辐射。有腿2和4，用来支撑在衬底(未画出)上的主体1，并提供与衬底之间的热绝缘。衬底可由半导体晶片构成。

图2a示出一种均匀桥式的微桥结构，其中微桥基本上由均匀材料组成。若干传感手段用来测定桥的温度变化。传感手段可以是让电流通过桥从而测量电流的变化。

图2b表示一种支撑薄膜型的微桥结构，其中(在本情况下)金属膜6设置在支撑桥8的顶端。金属膜采取的形状使之起到电阻器的作用。通孔10及12通过桥8以使电阻器连接到位于桥8下部区域的处理电子学线路。根据这种设计实现的器件存在两个缺点：首先，金属膜反射一部分所考虑的波长的入射辐射，从而降低设计的效率。其次，加工通孔10及12引进了额外的关键性工序，不仅使器件更加昂贵，而且使加工产量减少。

图2c示出微桥器件的结构，或者在本情况下是一个按照发明加工而成的微测热辐射计。其中金属膜14设置于桥结构16的下边。

图3概括地示出涉及加工图2c结构的工序简图。加工过程的起点如图3a所示是一个充分加工了的CMOS晶片20。区域22(仅显示在图3a中)是想表示设置在晶片20中的CMOS电路。在涉及图3描述的实例中，该方法的起始一步包括了在晶片的上部表面设置一金属层。此金属层将电路22与微桥结构连接起来。此金属层可以要也可以不要，取决于在加工CMOS电路22时所能达到的金属层的数目。

在涉及图3a所描述的加工过程开始时，晶片20具有硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)钝化层24设置于最高的顶部表面。

如图3b所示，公开方法的第一步是形成图案及刻蚀BPSG钝化层24以打开通孔26到电路22上。一旦通孔26打开，就进行预金属清洗。这是用10∶1的氢氟酸清洗30秒达到的。

一旦清洗完成，金属就沉积并形成了图案。金属轨道28形成于通孔26。在一种实施方案中，沉积出5μm的Al/1％Si，其电阻率为60-70mΩ/sq.。

如图3d所示，一旦设置了金属轨道28，另外一个钝化层30沉积在晶片20的表面上。在所示的实施方案中，氮化硅由等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法沉积至2μm的深度。

熟练技术人员会理解，如果CMOS电路具有足够的金属层来提供连接于拟加工的微桥结构，则这点就可以是加工过程的起点。

一旦设置了钝化层30，将牺牲材料32设置于晶片20的表面。这个牺牲层包括了一种能从完整的微桥结构下面刻蚀出来的材料而没有所要求的刻蚀来破坏结构、传感材料或者任何底层的CMOS电路。方便地，这种材料可以是聚酰亚胺。通常的聚酰亚胺可以在标准的光致抗蚀过程中在形成图案时用来保护它；或者使用光可描摹的聚酰亚胺，它可以在通过防护罩在紫外光中曝光后直接形成图案。

在所述的实施方案中，通常的聚酰亚胺是和光致抗蚀剂一起使用的。牺牲层被旋转沉积并凝固到大约3μm的深度。在形成图案之后，重要的是除去所有抗蚀剂层的残迹，在此处所述的实施方案中，这是由EKC刻蚀来达到的。聚酰亚胺厚度在此清洗过程中略有减小是可以容许的。

一旦设置了牺牲材料32，将如图3f表示的那样形成图案并进行刻蚀。需要指出，钝化层30也在轨道所在区域28被刻蚀而得以形成与金属轨道28之间的接触。

在形成图案及刻蚀之后，一个厚度大体为0.2μm的钛层34(传感材料)被溅射沉积到被加工的晶片表面，如图3g所示。金属层用等离子体方法刻蚀成所要求的结构。与此同时，当传感材料时刻成为所要求的结构时，传感材料就从光学调准靶(OAT)上去除而有助于其后各层的粗略调准。

一个大体上为1μm厚的二氧化硅36(SiO₂)(支撑元件用的支撑材料)沉积在钛的表面上34，如图3h所示。这个氧化物层36经过形成图案和刻蚀，并确保采用EKC去除抗蚀剂。

在加工过程的有些实施方案中，一个匹配层(未显示)沉积或生长在氧化物层的顶部。

下一步是砂磨被加工的晶片以去除牺牲(聚酰亚胺)材料。在所述实施方案中，砂磨过程约进行12分钟。这个砂磨过程将支撑元件从衬底脱离开来，并在钛传感材料34与钝化层30之间留出相当大的一个空隙38来。

加工过程的最后一步是进行快速热退火，在400℃温度下约持续30秒钟。

熟练技术人员将会理解，图1，2c及4示出了根据图3所示的过程加工微桥器件的结构情况。

主要参看图1，微桥器件48在平面内大体上是正方形的。正方形部分包括了支撑元件50，借助于腿2，4悬在衬底(未显示)之上。腿2，4则由于狭缝52，54而与支撑元件50分离开来，从而保证支撑元件50与衬底之间具有良好的热绝缘。

图1所示的微桥结构的结构情况，在考虑到腿2，4的结构时，是多少有点简化了的。在图1中每一条腿2，4包括了一个平面部分56处于支撑元件50的同一平面内但由于狭缝52，54而与其分离开来。除了平面部分56，还有一个斜面部分58，从平面部分56伸展出来，与衬底呈一角度，支撑元件50悬于衬底之上。每一条腿2，4的平面部分借助于一个联结区连接到支撑元件50上。斜面部分处于联结区的末端。

熟练技术人员将会理解，采用公开了的方法加工的具有特定结构的腿2，4可能稍有不同。腿2，4是以传感材料覆盖刻蚀到牺牲材料中的凹陷并以支撑材料覆盖传感材料而形成的。

在支撑元件50的下面一边设置金属轨道60(在图2c中表示为金属膜)，它形成一具有温度相关性质的电阻器。轨道60经过衬底，上行到微桥器件的第一条腿2，穿越联结区(形成电阻器的一个联结区)连接第一条腿2至支撑元件，弯曲地经过支撑元件50，穿越另外一个联结区(形成电阻器的另外一个联结区)然后下行到另一条腿4上。

自图4a及b可以见到，在某些实施方案中，轨道60的弯曲路径的主要部分所走的方向基本上是彼此垂直的。这种弯曲保证了轨道60长度的最大化，得以增加轨道60提供的电阻值，在本情况下电阻值约为3kΩ。轨道采用钛制成，其电阻的温度系数大约是0.35％/K。

图4c示出微桥结构的一个实施方案，其弯曲的主要部分基本上只有一个方向。

图5及6上的扫描电子显微图显示轨道具有弯曲性质，其主要部分的走向是彼此横向的。相信这种弯曲性质有助于防止具有特定偏振的辐射通过微桥。

熟练技术人员将会理解，虽然轨道设置在支撑材料底下，由于微桥结构加工过程的性质，轨道的路径可以在图5及6中在支撑材料的顶部表面见到。

加工支撑元件所用的SiO₂的厚度(支撑材料)做成相当于在SiO₂内具有所考虑的波长的入射辐射的四分之一波长。熟练技术人员将会理解，辐射的波长在自由空间里和在SiO₂内是不同的。在这种情况下，SiO₂粗略地做成1μm厚度。

在应用时，提供了如图所示的器件阵列，并安排以使辐射入射其上。支撑元件50调到其吸收辐射的波长范围为8μm-14μm(但也可以调到其它波长)而因此经历了在这样的辐射入射时的温度变化。这个温度变化引起轨道60的电阻值以一种已知的方式变化，而这种温度变化可以被连接轨道60以计算入射到支撑元件的所考虑的波长的辐射量的电路所用。因此，支撑元件50被安排同时起物理支撑及作为辐射吸收体的作用。最简单形式的微桥器件具有两层(支撑材料36和传感材料34)，两者一起发挥三种作用：物理支撑，辐射吸收和辐射探测。

腿2，4保证支撑元件50机械支撑在衬底上，但是它们的设计保证足够的热绝缘使得衬底的热质量不影响到支撑元件的温度变化。

具有所考虑的波长的辐射入射到微桥，进入到桥的结构。最终这个辐射击中形成轨道60的金属膜14，轨道60将辐射反射回微桥顶部表面。设置弯曲轨道60的图案来保证所有偏振的辐射应被反射回来因此而被吸收，从而增加辐射吸收。如果弯曲路径基本上仅以单一方向行进，则有可能一个较高部分特定取向偏振的辐射会比了其它偏振的辐射以较高部分通过轨道(虽然一大部分还会被反射回来)。弯曲若在多于一个方向上发生，将有助于减小能够通过轨道的辐射量。

因为SiO₂是所考虑的辐射的1/4波长，总的光学路径长度从顶部表面到金属膜下至底下的表面而后回到顶部表面是1/2波长。所以，相消性干涉发生在顶部表面的区域内，保证了所考虑的辐射具有高度吸收。

在某些实施方案中，匹配层可以设置在微桥的顶部表面以适合于匹配表面与自由空间即377Ω/sq.。熟练技术人员将会理解，当一个波前通过两种不同折射率的介质时，就会发生一定程度的反射。匹配层有助于使该反射最小化，并进一步增加被微桥吸收的辐射量。重要的是保证尽可能大的吸收辐射量来保证支撑元件50所经受的温度变化尽可能地大。

熟练技术人员将会理解，虽然这一应用大部分讨论具有波长为8-14μm的辐射的吸收，所描述的工艺是可以有更加广泛的应用的。探测8-14μm波长可能是特别有利的，因为它和大气吸收窗相吻合，在该窗口处大气吸收为小。熟练技术人员还将理解，还有一个在3-5μm处的吸收窗口也是可以利用的。此外，同样可能加工吸收这些波长以外的辐射的器件。在这些器件中，桥结构的材料及结构可以需要简单地针对所考虑的波长进行优化。

Claims (13)

1.一种测热辐射计，该测热辐射计包括一个拥有衬底(20)的微桥结构，在所述衬底(20)之上设置一个支撑元件(50)，在所述支撑元件(50)的下边设置电阻性的传感材料(14)，所述传感材料(14)的电阻随入射辐射而发生变化，该传感材料(14)被支撑元件(50)支撑在衬底(20)之上，并且在连接区与衬底上的轨道相连接，所述支撑元件(50)包含一个材料单层，其特征在于，支撑元件(50)用以吸收入射的辐射。

2.根据权利要求1的测热辐射计，其中支撑元件(50)的厚度满足为入射辐射在支撑元件(50)材料内1/4λ的条件。

3.根据前述任一权利要求的测热辐射计，其中支撑元件(50)由SiO₂制成。

4.根据权利要求1的测热辐射计，其中设置腿部分(2，4)使得支撑元件(50)悬于衬底(20)之上而传感材料(14)位于腿部分的下边。

5.根据权利要求1的测热辐射计，其中设置传感材料(14)使得至少一条轨道(60)具有弯曲结构。

6.根据权利要求1的测热辐射计，其中一个匹配层被设置在该支撑元件(50)的最上表面。

7.一种制造包括位于衬底(20)上的微桥结构(14，16)的测热辐射计的方法，该方法具有以下步骤：

a.在衬底(20)的表面区域提供牺牲材料(32)；

b.形成图案的方式刻蚀牺牲材料(32)；

c.在牺牲材料的表面区域提供电阻性传感材料，使得它接触衬底上的轨道；

d.在传感材料的表面区域提供支撑材料(36)；以及

e.除去牺牲材料(32)留下支撑材料(36)，电阻性传感材料位于支撑材料(36)的下表面，独立于衬底(20)之上，从而布置该支撑材料吸收入射辐射。

8.根据权利要求7的方法，其中牺牲材料(32)为聚酰亚胺。

9.根据权利要求7或8的方法，其中该方法包括应用支撑材料(36)使其具有厚度为1/4λ，此处λ为所考虑的入射辐射在支撑材料内的波长。

10.根据权利要求7的方法，该方法包括提供传感材料使得具有特定偏振的入射辐射不能通过。

11.根据权利要求7的方法，其中将所述传感材料设置为至少一条弯曲轨道(60)。

12.根据权利要求11的方法，其中至少设置一条轨道(60)使其长度走向互相正交。

13.根据权利要求7的方法，其中给微桥结构提供一个密封的密封装置。

Images