CN102393253A

CN102393253A - 一种光谱微测辐射热计

Info

Publication number: CN102393253A
Application number: CN2011103435247A
Authority: CN
Inventors: 李明燃; 赖建军
Original assignee: WUXI MENGSHE SENSING TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: WUXI MENGSHE SENSING TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2012-03-28

Abstract

本发明公开一种光谱微测辐射热计。它包括硅衬底、支撑膜、第一金属电接触盘和第金属二电接触盘，硅衬底与支撑膜间的四周相连且二者间有热隔离空腔，与热隔离空腔相应的支撑膜外表面上有红外吸收层，红外吸收层两边分别有第一薄膜电极和第二薄膜电极，该第一薄膜电极和第二薄膜电极分别与第一金属电接触盘和第二金属电接触盘相连。其特点是所述红外吸收层由底层导电层、中间热敏层和顶层导电层组成，所述底层导电层和顶层导电层分别与第二薄膜电极和第一薄膜电极相连。该光谱微测辐射热计，结构简单、易于制作，在特定波段具有高吸收，对探测角度选择性不高且可调吸收谱段。适用于进行光谱辐射探测。

Description

一种光谱微测辐射热计

技术领域

本发明涉及一种红外探测器。具体说，是用来进行光谱辐射探测的光谱微测辐射热计。

背景技术

在红外探测领域都知道，微测辐射热计是利用热敏电阻材料的电阻率对温度的敏感特性来进行红外探测的器件。常用的热敏电阻材料主要有氧化钒和非晶硅，它们都具有高电阻温度系数。微测辐射热计的核心部分是含有热敏电阻材料的红外吸收层，由红外吸收层来实现对入射红外辐射的吸收而产生温度变化，进而转化为热敏电阻的变化，再被外电路探测。为了获得高的探测响应和快的响应时间，这种微测辐射热计除了含有由热敏材料组成的红外吸收层外，还将红外吸收层与衬底通过悬空方式进行热隔离，红外吸收层与衬底间仅通过几条支撑腿或支撑臂进行电学或力学的连接。其中的红外吸收层较薄且为多层结构。由于红外吸收层较薄，红外吸收能力有限。为了提高红外吸收层的吸收能力，传统方法是在悬浮的红外吸收层上添加额外的红外吸收材料如轻质量的多孔黑金膜，同时利用红外吸收层与衬底层表面的金属反射膜形成四分之一波长谐振空腔来增强红外吸收层的红外吸收率。但是黑金膜一般具有宽谱的吸收特性，不能直接构成光谱探测器。美国7268349B2号专利公开了一种具有光谱探测功能的红外吸收结构，该结构由反射层、支撑层、红外敏感层、保护层介质层和半透明层组成四分之一波长谐振结构，可获得较高的红外吸收率。美国20070034978号专利申请公开了另一种具有表面金属光子晶体的窄谱红外发射或吸收结构，该结构由半导体层、介质层和表面金属周期结构层组成，该结构可以产生窄谱红外发射或吸收，用于红外气体传感器上。

上述光谱微测辐射热计无论是红外吸收层还是整个器件的结构，都存在以下问题：一是结构比较复杂，红外吸收层虽含有敏感层，但吸收效果有限，需要额外的谐振腔来提高红外吸收，增加了工艺的难度；二是难以实现对谐振腔高度和精度的控制，影响器件响应的均匀性；三是采用表面微结构如光子晶体，虽可通过调节结构参数来调节吸收探测波长，获得特定的光谱响应，但微结构的加工难度大。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种光谱微测辐射热计。该光谱微测辐射热计，结构简单、易于制作，在特定波段具有高吸收，对探测角度选择性不高且可调吸收谱段。

为解决上述问题，采取以下技术方案：

本发明的光谱微测辐射热计包括硅衬底、支撑膜、第一金属电接触盘和第金属二电接触盘，硅衬底与支撑膜间的四周相连且二者间有热隔离空腔，与热隔离空腔相应的支撑膜外表面上有红外吸收层，红外吸收层两边分别有第一薄膜电极和第二薄膜电极，该第一薄膜电极和第二薄膜电极分别与第一金属电接触盘和第二金属电接触盘相连。其特点是所述红外吸收层由底层导电层、中间热敏层和顶层导电层组成，所述底层导电层和顶层导电层分别与第二薄膜电极和第一薄膜电极相连。

本发明的进一步改进方案是，与支撑膜相邻的硅衬底一面中间有凹坑，以便在凹坑与支撑膜间形成热隔离空腔。

本发明的进一步改进方案是，所述支撑膜为罩形支撑膜，以便在罩形支撑膜与硅衬底间形成热隔离空腔。第一金属电接触盘和第二金属电接触盘分别连接在支撑膜与硅衬底的不同侧的边沿之间。

其中：底层导电层为掺锡氧化铟薄膜、高掺杂硅薄膜和氮化钛薄膜中的任意一种，顶层导电层为掺锡氧化铟薄膜、高掺杂硅薄膜和氮化钛薄膜中的任意一种。

底层导电层为掺锡氧化铟，该掺锡氧化铟的电阻率为120μΩcm，厚度为150nm。中间热敏层为氧化钒，该氧化钒的电阻率为31μΩcm，厚度为700nm。顶层导电层为为掺锡氧化铟，该掺锡氧化铟的电阻率为800μΩcm，厚度为25nm。

底层导电层为金膜，该金膜的电阻率为10μΩcm，厚度为100nm。中间热敏层为氧化钒，该氧化钒的电阻率为31μΩcm，厚度为700nm；顶层导电层为为金膜，该金膜的电阻率为10μΩcm，厚度为5nm。

采取上述方案，具体有以下优点：

由于本发明的红外吸收层由底层导电层、中间热敏层和顶层导电层组成，通过调节顶层导电层的导电特性来实现对特定红外辐射波段的高吸收，因而无需制作表面微结构，也无需使用谐振空腔，就可以实现特定谱段吸收或窄谱吸收，同时也无需控制热隔离空腔的高度，因而极大的简化了器件的制备工艺，同时消除因空腔高度差异产生的响应非均匀性影响。

附图说明

图1是本发明的光谱微测辐射热计结构示意图；

图2是不同入射角度下掺锡氧化铟（ITO）/氧化钒（VO_x）/掺锡氧化铟（ITO）结构的红外反射强度谱图；

图3是不同入射角度下金（Au）/氧化钒（VO_x）/金（Au）结构的红外反射强度谱图；

图4是本发明的另一种光谱微测辐射热计结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的微测辐射热计包括硅衬底11、支撑膜12、第一金属电接触盘14和第二金属电接触盘141，硅衬底11与支撑膜12间的四周相连且二者间形成有热隔离空腔10。其中，与支撑膜12相邻的硅衬底11一面中间加工有凹坑，从而在凹坑与支撑膜12间形成热隔离空腔10。与热隔离空腔10相应的支撑膜12外表面上设置有红外吸收层20，红外吸收层20两边分别设置有第一薄膜电极13和第二薄膜电极131，该第一薄膜电极13和第二薄膜电极131分别与第一金属电接触盘14和第二金属电接触盘141相连。所述红外吸收层20由底层导电层21、中间热敏层22和顶层导电层23组成，所述底层导电层21和顶层导电层23分别与第二薄膜电极131和第一薄膜电极13相连。

所述的支撑膜21是氮化硅（SiN_x）膜或氮化硅（SiN_x）膜与二氧化硅（SiO₂）膜组成的复合膜。

所述的红外吸收层20采用的材料分别为：底层导电层21采用的材料为掺锡氧化铟（ITO），其电阻率为120μΩcm，厚度为150nm；中间热敏层22采用的材料为氧化钒（VO_x），其电阻率为31μΩcm，厚度为700nm；顶层导电层23采用的材料为掺锡氧化铟（ITO），其电阻率为800μΩcm，厚度为25nm。对于50μm×50μm的方形吸收结构，该结构的薄膜电阻为5KΩ，处于红外探测器的适合电阻范围中。由于底层导电层21具有高导电性和足够的厚度，该结构的红外透射率几乎为零，而在不同入射角度下的红外反射率谱如图2所示。由于红外吸收率(α)等于1-红外反射率(ρ)，故反射率谱的低谷所在的波长位置对应于吸收峰值波长位置。由图2可见，在很宽的角度范围内，红外吸收率谱具有几乎一致的吸收峰值波长（10.2μm）和吸收带宽（约4μm），即该结构拥有近乎全向的红外吸收特性。这种全向吸收特性来源于在一定的材料参数和结构参数条件下对应谐振波长的电磁波在导电层与热敏层界面的反射相移积累与在垂直热敏层方向的传播相移积累相互抵消的缘故。

所述的红外吸收层20还可采用其他材料配置，如底层导电层21的材料为金（Au）膜，其电阻率为10μΩcm，厚度为100nm。中间热层22的材料为与氧化钒（VO_x）膜，电阻率为31μΩcm，厚度为700nm。顶层导电层23的材料为金（Au）膜，其电阻率为10μΩcm，厚度为5nm。对于50μm×50μm的方形吸收结构，该结构的薄膜电阻仍为5KΩ。对于该结构，不同入射角度下的红外反射率谱如图3所示。由图3可见，该结构也具有近乎全向吸收特性，其吸收中心波长为5.5μm，但是吸收带宽约为0.3μm，比图2所示的吸收带宽窄得多。

如图4所示，本发明的另一个实施例是采用表面工艺制作的光谱微测辐射热计。与前一个实施例不同的是，所述支撑膜12为罩形支撑膜，以便在罩形支撑膜与硅衬底11间形成热隔离空腔10。第一金属电接触盘14和第二金属电接触盘141分别连接在支撑膜12与硅衬底11的不同侧的边沿之间。使得悬空的红外吸收层20处于硅衬底11上方，与硅衬底11表面具有一定的距离。采用业界已熟悉的聚酰亚胺牺牲层工艺可以制作一定高度的悬空结构，但是本实施例对此高度无特殊要求，只要吸收层20所在的悬空结构底表面与硅衬底11表面非接触即可。支撑臂12表面的第一金属薄膜电极13和第二金属膜电极131分别将底层导电层21和顶层导电层23与硅衬底11上的第一金属电接触盘14和第二金属点接触盘141相连。金属电接触盘可以与硅衬底11上的互补性金属氧化半导体（CMOS）读出电路连接。大量的探测器单元和硅衬底11上的互补性金属氧化半导体（CMOS）读出电路互连可以构成两维光谱成像面阵探测器件。

通过调整中间热敏层22的厚度，可以调谐振波长位置。通过调整顶层导电层23和底层导电层21的导电率（电阻率的倒数），可以调节谐振谱宽度。导电化合物的化学计量比调整或高掺杂半导体材料的掺杂调整为这种调节性提供了可能。一般若底层导电层21和顶层导电层23采用高导电率的材料，易于获得窄的吸收峰，而采用低导电率的材料，则获得的吸收峰较宽。具有窄吸收峰的微测辐射热计适用于生化物质的光谱探测如红外气体探测等，而较宽吸收谱的探测器则适用于红外成像探测。

Claims

1. 一种光谱微测辐射热计，包括硅衬底（11）、支撑膜（12）、第一金属电接触盘（14）和第金属二电接触盘（141），硅衬底（11）与支撑膜（12）间的四周相连且二者间有热隔离空腔（10），与热隔离空腔（10）相应的支撑膜（12）外表面上有红外吸收层（20），红外吸收层（20）两边分别有第一薄膜电极（13）和第二薄膜电极（131），该第一薄膜电极（13）和第二薄膜电极（131）分别与第一金属电接触盘（14）和第二金属电接触盘（141）相连；其特征在于所述红外吸收层（20）由底层导电层（21）、中间热敏层（22）和顶层导电层（23）组成，所述底层导电层（21）和顶层导电层（23）分别与第二薄膜电极（131）和第一薄膜电极（13）相连。

2.根据权利要求1所述的光谱微测辐射热计，其特征在于与支撑膜（12）相邻的硅衬底（11）一面中间有凹坑，以便在凹坑与支撑膜（12）间形成热隔离空腔（10）。

3.根据权利要求1所述的光谱微测辐射热计，其特征在于所述支撑膜（12）为罩形支撑膜，以便在罩形支撑膜与硅衬底（11）间形成热隔离空腔（10）；第一金属电接触盘（14）和第二金属电接触盘（141）分别连接在支撑膜（12）与硅衬底（11）的不同侧的边沿之间。

4.根据权利要求1所述的光谱微测辐射热计，其特征在于底层导电层（21）为掺锡氧化铟薄膜、高掺杂硅薄膜和氮化钛薄膜中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的光谱微测辐射热计，其特征在于顶层导电层（23）为掺锡氧化铟薄膜、高掺杂硅薄膜和氮化钛薄膜中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的光谱微测辐射热计，其特征在于底层导电层（21）为掺锡氧化铟，该掺锡氧化铟的电阻率为120μΩcm，厚度为150nm；中间热敏层（22）为氧化钒，该氧化钒的电阻率为31μΩcm，厚度为700nm；顶层导电层（23）为为掺锡氧化铟，该掺锡氧化铟的电阻率为800μΩcm，厚度为25nm。

7.根据权利要求1所述的光谱微测辐射热计，其特征在于底层导电层（21）为金膜，该金膜的电阻率为10μΩcm，厚度为100nm；中间热敏层（22）为氧化钒，该氧化钒的电阻率为31μΩcm，厚度为700nm；顶层导电层（23）为为金膜，该金膜的电阻率为10μΩcm，厚度为5nm。