CN102692276A

CN102692276A - 一种非制冷红外探测器

Info

Publication number: CN102692276A
Application number: CN2011100692738A
Authority: CN
Inventors: 姜利军; 刘海涛; 潘峰; 钱良山; 池积光
Original assignee: ZHEJIANG DALI TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHEJIANG DALI TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2031-03-21
Also published as: CN102692276B

Abstract

本发明公开了一种非制冷红外探测器，特别是一种微桥结构以及由上述微桥结构组成的二维焦平面阵列。微桥结构包含半导体衬底、制作于衬底之上的悬臂梁层次的微结构、制作于衬底之上的盲元层次微结构、以及制作于盲元及悬臂梁之上的像元层次微结构。上述的微桥结构中像元与盲元立体集成在同一个位置的衬底之上，可以有效地避免目前非制冷探测器中由于像元与盲元分布在衬底上相隔较远的不同位置而处于不同温度梯度的缺点。利用上述微桥结构的焦平面探测器可以实现像元与盲元的一一对应关系，这将有效地提高非制冷探测器的背景校正功能，对于改善探测器的性能有较大的帮助。

Description

一种非制冷红外探测器

技术领域

本发明属于微电子机械系统领域，特别涉及非制冷红外探测器领域。

背景技术

根据芯片工作的温度，红外探测器一般分为制冷型和非制冷型两种。制冷型通常为利用窄禁带半导体制造的光电探测器，工作时需要利用液氮等冷却以抑制热载流子及噪声，因此体积和重量相对较大，价格比较昂贵。非制冷型红外探测器也叫室温探测器，可在室温条件下工作而无需制冷，因此具有更易于便携等优点。非制冷红外探测器一般是热探测器，即通过探测红外辐射的热效应来工作。常用的红外热探测器包括热堆、热释电、以及微测辐射热计。

其中，采用微桥结构的微测辐射热计（Microbolometer）日渐成为绝对主流的非制冷红外探测器技术。微测辐射热计通过检测红外辐射热效应引起的热敏电阻的阻值变化而探测相应的辐射强度。其特点在于采用表面微加工工艺制作出悬空于CMOS读出电路（ROIC）衬底之上的，以细长悬臂梁支撑的类似于桥的微结构，在业界通称为微桥结构。每个微桥结构构成一个像元。对于非制冷红外探测器微桥结构的性能要求，首先要具有良好的热绝缘性能，以利于把吸收的红外辐射最大化地转化为温度变化；其次，要求具有较低的热质量，以保证在高绝热下仍能维持足够小的热时间常数，以满足一定的成像频率；第三，要求具有较高的红外吸收率。

利用现有的MEMS微加工技术，可以制造出满足以上技术要求的微桥结构和灵敏度较高的红外探测器。现有的商业化技术水平已经可以制造包括从50微米至17微米像元间距，80×60至1024×768阵列规模的微测辐射热计红外探测器。但是，微测辐射热计特别是规模较大的焦平面阵列在工作时往往受到许多非理想因素的影响，直接影响其性能及增加系统复杂程度。

首先，由于制造工艺、材料特性等存在的微小变化，使得每个像元之间在绝热、热质量、红外吸收率、像元阻值、像元电阻温度系数（TCR）等方面存在一定的差异。其结果是即使当探测器面对一个温度均匀的黑体时，各个像元的输出之间也不完全一致，这种现象在业界称为非均匀性。非均匀性一般通过在热像系统后端处理电路采用两点校正的方式来加以修正，即通过采集两个不同黑体温度下的输出对探测器各个像元的Gain及Offset进行校正。这种校正无疑为探测器的使用以及系统成本带来不利影响。

其次，像元微桥结构的温度也受到衬底温度以及环境温度变化的影响，而且相对于由吸收的红外辐射引起的微桥温度变化，衬底及环境温度改变引起的微桥温度变化要大许多倍。所以非制冷红外探测器往往需要利用电热致冷器（TEC）把衬底温度控制在比较精确的范围。这无疑增加了封装体积、材料成本以及系统的复杂度。

因此，微测辐射热计普遍采用盲元（也往往称为参考元）来消除衬底温度以及环境温度变化的影响。所谓的盲元一般是与衬底导热良好或无红外辐射吸收能力的微桥结构。盲元包含与像元具有相同电学特性的热敏电阻材料，因此通过检测像元与盲元电流的差分将极大地消除衬底温度以及环境温度变化的影响。另外，在后端系统中采用单点校正的方法，即在探测器面对一定温度的均匀黑体时（在热像系统中通常用挡片实现）采集数十幅热像数据作为在当前温度下的背景，热像仪的输出时扣除该背景。但是，当温度漂移较大时单点校正的频率将显著增加。因此，如果能够有更好的方法来消除非均匀性、以及环境温度的影响，将极大地提高红外探测器的性能并减少系统对后端校正的依赖。

现有的盲元结构及使用方法存在较大的不足，本发明将通过改善盲元的结构及其与像元之间的相互关系来提高非制冷红外探测器的性能。首先，关于现有的各种盲元形式以及优缺点在美国专利US006034369、US006444983 B1、US006507021中有比较详细的描述。第一种盲元是本身吸收红外辐射但与衬底导热良好的结构（US006507021），这种盲元可以较好地消除衬底温度变化的影响，但是由于其绝热性能与像元差别较大，无法消除检测时电偏置的焦耳热效应。

第二种盲元是具有与像元相同的热绝缘性能，但通过在盲元的上表面设置红外反射层等方法使得盲元不吸收红外。这种方法可以一定程度消除衬底温度以及焦耳热效应的影响，但是如果红外阻挡层直接设置在盲元上表面则使得盲元的热质量与像元不同。另外的方法如美国专利申请US20060124831A1中提出的在封装盖板上设置红外阻挡层，考虑到封装时的对准精度，盲元必须距离像元阵列较远，这无疑将增大探测器芯片的面积，是非常不利的。

另外，以上的各种盲元结构全部是与像元制造在同一个层面上，因此从实际实现的角度考虑，对于焦平面阵列，无法在不影响占空比的前提下实现每个像元配置一个单独的盲元。通常的做法是采用每列像元共用一个（一组）盲元的形式。这种方法的不利影响在于：第一，如果一个（一组）盲元损坏将直接导致一列像元无法工作；第二，这种方法中盲元制造在像元阵列的一端，其性能往往与远端的像元存在较大的差异；第三，当探测器衬底存在温度梯度时，盲元所感受到的温度无法正确代表位于不同温度梯度下的像元的实际温度，将直接影响校正效果；第四，即使盲元设计为与像元完全相同的结构，由于制造工艺的非一致性，必然导致盲元无法完全消除像元的非均匀性。

因此，如果能够克服以上几点不足，将极大地有利于提高非制冷红外探测器的性能并降低其使用的复杂度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非制冷红外探测器，该探测器的主要特点是通过把盲元与像元制造在同一个微桥结构之内，有效地改进了如上所述的现有盲元结构的不足之处，可以避免由于工艺非一致性、温度梯度等造成的像元与盲元间的偏差，有效地消除环境及衬底温度变化的影响。

本发明的基本思想是通过MEMS微加工方法，将像元与盲元在垂直于衬底的方向集成在同一微桥结构之内。上述基本思想可以通过多种不同形式的微桥结构加以实现。以下将结合附图，对本发明提供的非制冷探测器微桥结构逐一加以详细说明。

本发明的技术路线是：

一种非制冷红外探测器微桥结构，其特征在于包括：

1）包含读出电路的半导体衬底；

2）至少一个支撑于衬底之上的悬臂梁结构；

3）至少一个设置于衬底上表面与像元下表面之间的通过桥墩支撑的盲元结构；

4）至少一个通过上述悬臂梁结构支撑于衬底之上并与衬底绝热良好的像元结构；

5）盲元结构与像元结构各自包含至少一层热敏电阻材料，盲元与像元所包含的热敏电阻材料具有相一致的电学特性；

6）盲元与像元分别与读出电路形成电连接，可以通过读出电路施加电信号并检测出电信号；

7）在探测器工作时，盲元的电信号用于对像元电信号的校正作用。

所述盲元的上表面设置红外反射层。

所述悬臂梁结构可由介质/金属/介质构成；

所述悬臂梁结构可由介质/金属或者金属/介质构成；

所述盲元结构可由介质/热敏材料层/金属/介质构成；

所述盲元结构由介质/热敏材料层/金属/介质/金属反射层构成；

所述盲元结构可由热敏材料层/金属/介质构成，热敏材料层也用作支撑层；

所述盲元结构可由热敏材料层/金属/介质/金属反射层构成，热敏材料层也用作支撑层；

所述像元结构可由热敏材料层/金属层构成，热敏材料层也用作支撑层，金属层用于电极以及红外吸收层；

所述像元结构可由热敏材料层/金属层/红外吸收层构成，热敏材料层也用作支撑层，红外吸收层为介质材料；

所述像元结构可由热敏材料层/金属层/介质层/红外吸收层构成，热敏材料层也用作支撑层，红外吸收层为金属材料；

所述像元结构可由介质层/热敏材料层/金属层构成，金属层用作电极以及红外吸收层；

所述像元结构可由介质层/热敏材料层/金属层/红外吸收层构成，红外吸收层为介质材料；

所述像元结构可由介质层/热敏材料层/金属层/介质层/红外吸收层构成，红外吸收层为金属材料；

所述像元的下表面设置红外反射层，且该红外反射层垂直于衬底表面的投影完全覆盖盲元垂直于衬底表面的的投影；

本发明非制冷红外探测器微桥结构的另一个方案是：

1）包含读出电路的半导体衬底；

2）至少一个设置于衬底上表面与像元下表面之间的盲元结构，并且盲元结构直接制作在衬底的上表面，盲元与衬底之间无空腔；

3）至少一个通过悬臂梁结构支撑于衬底之上并与衬底绝热良好的像元结构，并且像元与悬臂梁处于同一个层次；

4）盲元结构与像元结构各自包含至少一层热敏电阻材料，盲元与像元所包含的热敏电阻材料具有相一致的电学特性；

5）盲元与像元分别与读出电路形成电连接，可以通过读出电路施加电信号并检测出电信号；

6）在探测器工作时，盲元的电信号用于对像元电信号的校正作用。

所述盲元的上表面设置红外反射层。

所述悬臂梁结构可由介质/金属/介质构成。

所述悬臂梁结构可由介质/金属构成。

所述盲元结构可由热敏材料层/金属构成。

所述盲元结构可由热敏材料层/金属/介质/金属反射层构成。

所述像元结构可由热敏材料层/金属层构成，热敏材料层也用作支撑层，金属层用于电极以及红外吸收层。

所述像元结构可由热敏材料层/金属层/红外吸收层构成，热敏材料层也用作支撑层，红外吸收层为介质材料。

所述像元结构可由热敏材料层/金属层/介质层/红外吸收层构成，热敏材料层也用作支撑层，红外吸收层为金属材料。

所述像元结构可由介质层/热敏材料层/金属层构成，金属层用作电极以及红外吸收层。

所述像元结构可由介质层/热敏材料层/金属层/红外吸收层构成，红外吸收层为介质材料。

所述像元结构可由介质层/热敏材料层/金属层/介质层/红外吸收层构成，红外吸收层为金属材料。

本发明非制冷红外探测器微桥结构的另一个方案是：

1）包含读出电路的半导体衬底；

2）至少一个支撑于衬底之上的悬臂梁结构；

3）至少一个设置于衬底上表面与像元下表面之间的盲元结构，盲元结构通过上述悬臂梁结构支撑悬空于衬底之上并与衬底绝热良好，盲元的上表面或像元的下表面设置红外反射层；

4）至少一个通过上述悬臂梁结构支撑于衬底之上并与衬底绝热良好的像元结构；支撑像元的悬臂梁与支撑盲元的悬臂梁具有相一致的热学特性；

所述悬臂梁结构可由介质/金属/介质构成。

所述悬臂梁结构可由介质/金属构成。

所述盲元结构可由介质/热敏材料层/金属/介质构成。

所述盲元结构可由介质/热敏材料层/金属/介质/金属反射层构成。

所述盲元结构可由热敏材料层/金属/介质构成，热敏材料层也用作支撑层。

所述盲元结构可由热敏材料层/金属/介质/金属反射层构成，热敏材料层也用作支撑层。

一种制作上述微桥结构的MEMS加工方法，包括：

在衬底的上方制作微桥结构的悬臂梁层次；

依次制作微桥结构的盲元层次；

依次制作微桥结构的像元层次；

整个微桥结构释放。

所述微桥结构组成二维阵列。

所述阵列信号读出的方式可采用逐行扫描的方式。

所述阵列信号读出的方式可采用整幅图像同时读出的方式。

所述阵列信号读出的方式可包含逐行扫描、以及整幅图像同时读出的两种方式，使用者可以选择其中一种读出方式并可以在两种读出方式之间切换。

附图说明

图1为本发明提供的第一种非制冷红外探测器微桥结构剖视图。

图2为本发明提供的第二种非制冷红外探测器微桥结构剖视图。

图3为本发明提供的第三种非制冷红外探测器微桥结构剖视图。

图4为本发明提供的第一种非制冷红外探测器微桥结构制作过程的示意图。

具体实施方式

附图1是本发明提供的第一种探测器微桥结构的横截面图，包括：

半导体衬底10，其特征在于包含业界通常称为读出电路（ROIC）的用于非制冷探测器信号检测的各种电路（图中未明确画出）。衬底10通常采用单晶硅，也可以采用其它半导体材料。读出电路一般通过CMOS工艺制造。

微桥结构与ROIC之间电连接作用的金属盘11A、11B，一般采用铝或铝的合金、铜、钨等CMOS材料制造。金属盘11A、11B可以与ROIC一起通过CMOS工艺完成，也可以在探测器加工过程实现。在附图1中共设置了四个金属盘，其中两个11A用于盲元的电连接、两个11B用于像元的电连接。根据ROIC的制作工艺，金属盘11A、11B与衬底10之间可以设置一层或多层介质，包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅以及上述介质的不同组合。金属盘11A、11B通过通孔技术与ROIC的金属导带形成电互连。

悬臂梁绝热结构12以及支撑悬臂梁于衬底10之上的桥墩结构13B。悬臂梁绝热结构12包含至少一层介质材料121，可以采用二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、非晶硅以及这些材料的复合层，并通过桥墩结构13B的支撑而悬空在衬底10的上方。

悬臂梁绝热结构12以及桥墩结构13B中包含至少一层电极14，用于微桥结构中的像元和/或盲元的热敏电阻材料与金属盘11之间，并进一步与ROIC之间的电连接。电极14可利用Ti、TiN、Ta、TaN、TiW、NiCr等实现。可以根据需要在电极14的上表面设置介质层122，可以采用二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、非晶硅以及这些材料的复合层，但介质层122不是实现本发明功能的必须结构。进一步，电极14根据需要可以设置在介质材料121的下表面。本专业的人员可以理解，本发明的悬臂梁结构关键在于提供悬于衬底之上的绝热支撑以及电连接功能，而不在于具体的膜层顺序及组合。

盲元结构15。盲元结构15包含至少一层热敏电阻材料17、一层电极材料18、一层介质材料19以及一层红外反射层20。热敏电阻材料17一般采用具有较大电阻温度系数的氧化钒、掺杂非晶硅等半导体材料。电极材料18可利用Ti、TiN、Ta、TaN、TiW、NiCr等实现。介质材料19可以采用二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝以及上述材料的组合，其作用是对红外反射层20与电极材料17之间提供电绝缘。红外反射层20通常采用铝或铝的合金、金、铬、镍铬合金等高反射率的金属实现。热敏电阻材料17可以如图1所示，用于盲元的支撑层，也可以设置在介质支撑层之上，在图1中仅画出一层热敏电阻材料17仅为了方便表示的目的。本专业的人员可以理解，本发明的盲元结构关键在于提供悬于衬底之上的包含具有与像元具有相同性质的热敏电阻材料、不吸收红外辐射、并且与衬底具有良好导热以及电连接功能的参考元，而不在于具体的膜层顺序及组合。

桥墩16A。盲元结构15通过桥墩16A，并进一步通过桥墩13A支撑而悬空在衬底10之上。桥墩16A同时包含用于盲元15与桥墩13A的电极14，并进一步与金属盘11A，再进一步与ROIC之间的电连接。由于盲元结构通过桥墩16A以及桥墩13A与衬底10之间形成较好的热导，因此盲元的温度将反映衬底的温度变化。

像元结构21。像元结构21包含至少一层热敏电阻材料22、一层电极材料23、以及一层红外吸收层24。热敏电阻材料22一般采用具有较大电阻温度系数的氧化钒、掺杂非晶硅等半导体材料，其材料特性应该尽可能与盲元15中的热敏电阻材料17一致。电极材料23可利用Ti、TiN、Ta、TaN、TiW、NiCr等实现。红外吸收层24通常采用TiN、NiCr、SiN等对红外辐射具有较强吸收率的材料实现。如果利用TiN、NiCr等金属，要求其表面电阻率在377欧姆左右，并且可以同时作为电极材料。如果电极材料和红外吸收材料是分开的并且都是用金属实现，则两者之间需要增加至少一层介质层用于电绝缘。热敏电阻材料22可以如图1所示，用于像元的支撑层，也可以设置在介质支撑层之上，在图1中仅画出一层热敏电阻材料22仅为了方便表示的目的。本专业的人员可以理解，本发明的像元结构关键在于提供悬于衬底之上的包含至少一层用于红外检测的热敏电阻材料，而不在于具体的膜层顺序及组合。同时根据需要，电极材料23可以用于红外吸收层，这时可以不另外设置独立的红外吸收层24。

桥墩25。像元结构21通过桥墩25，并进一步通过桥墩16B支撑而悬空在悬臂梁结构12之上，并进一步通过悬臂梁12与衬底10之间保持较高的绝热。桥墩25同时包含用于像元21与桥墩16B，进一步与悬臂梁绝热结构12的电极14、再进一步与金属盘11B并进而与ROIC之间的电连接。

空腔26，并通过控制制作过程中牺牲层的厚度调整空腔26的高度约为入射辐射波长的1/4波长以增强像元21对入射辐射的吸收率。如图1所示，入射IR辐射被像元21第一次吸收后，透射的辐射将被盲元15上表面设置的红外反射层20所反射而再次被像元21吸收。空腔26的高度设置为入射辐射波长的1/4波长有利于入射辐射与反射的辐射形成相消干涉以提高吸收率。

本发明的红外探测器微桥结构也可以采用其它变化的形式实现，图2是本发明提供的第二种探测器微桥结构的横截面图，包括：

半导体衬底201，其特征在于包含业界通常称为读出电路（ROIC）的用于非制冷探测器信号检测的各种电路（图2中未明确画出）。衬底201通常采用单晶硅，也可以采用其它半导体材料。读出电路一般通过CMOS工艺制造。

像元微桥结构与ROIC之间电连接作用的金属盘202，一般采用铝或铝的合金、铜、钨等CMOS材料制造。金属盘202可以与ROIC一起通过CMOS工艺完成，也可以在探测器加工过程实现。在附图2中共设置了二个金属盘，用于像元的电连接，但本专业的人员可以理解，根据需要可以设置其它数目的金属盘。根据ROIC的制作工艺，金属盘202与衬底201之间可以设置一层或多层介质，可以采用氧化硅、氮化硅、氮氧化硅以及上述介质的不同组合。金属盘202通过通孔技术与ROIC的金属导带形成电互连。

盲元结构203，其特征在于包括至少一层热敏电阻材料，并通过电极与ROIC电连接。电极可利用Ti、TiN、Ta、TaN、TiW、NiCr等实现。可以根据需要在电极的上表面设置介质层，可以采用二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅以及这些材料的复合层，但介质层不是实现本发明功能的必须结构。进一步，根据需要电极可以设置在热敏电阻材料的下表面。本专业的人员可以理解，本发明的盲元结构关键在于提供包含具有与像元具有相同电学性质的热敏电阻材料、与衬底具有良好导热以及电连接功能的参考元，而不在于具体的膜层顺序及组合。附图2中的盲元203只画出一层仅是为方便表示之目的。

设置在盲元203之上的红外反射层204，红外反射层204通常采用铝或铝的合金、金、铬、镍铬合金等高反射率的金属实现。根据需要，红外反射层204可以作为盲元电极的组成部分，同时具有电连接的功能。根据需要，红外反射层204与盲元203之间可以设置介质层。

像元结构211。像元结构211包含至少一层热敏电阻材料207、一层电极材料208、以及一层红外吸收层209。热敏电阻材料207一般采用具有较大电阻温度系数的氧化钒、掺杂非晶硅等半导体材料，其材料特性应该与盲元203中的热敏电阻材料一致。电极材料208可利用Ti、TiN、Ta、TaN、TiW、NiCr等实现。红外吸收层209通常采用TiN、NiCr、SiN等对红外辐射具有较强吸收率的材料实现。如果利用TiN、NiCr等金属，要求其电阻率在377欧姆左右，并且可以同时作为电极材料。如果电极材料和红外吸收材料是利用分开的两层金属实现，则两者之间需要增加至少一层介质层用于电绝缘。热敏电阻材料208可以如图2所示，设置在介质支撑层之上，也可以直接用于像元的支撑层，在图2中画成设置在介质支撑层之上仅为了方便表示的目的。本专业的人员可以理解，本发明的像元结构关键在于提供悬于衬底之上的包含至少一层用于红外检测的热敏电阻材料，而不在于具体的膜层顺序及组合。同时根据需要，电极材料208可以用于红外吸收层，这时可以不设置独立的红外吸收层209。

桥墩205。像元结构211通过桥墩205支撑而悬空在衬底201之上，并进一步通过悬臂梁与衬底201之间保持较高的绝热。桥墩205同时包含用于像元211与金属盘202并进而与ROIC之间的电连接。

空腔210，并通过控制制作过程中牺牲层的厚度调整空腔210的高度约为入射辐射波长的1/4波长以增强像元211对入射辐射的吸收率。入射IR辐射被像元211第一次吸收后，透射的辐射将被盲元203上表面设置的红外反射层204所反射而再次被像元211吸收。空腔210的高度设置为入射辐射波长的1/4波长有利于入射辐射与反射的辐射形成相消干涉以提高吸收率。

图2所示的微桥结构在工作原理上与图1所示的微桥结构相似，都是利用与像元制作在相同位置的盲元来更好地消除衬底及环境温度等背景干扰。主要区别在于图2中的盲元直接制作在衬底上表面。在图2中像元的结构可以采用接近于传统的悬臂梁与像元制作在同一层次的非制冷微桥结构，也可以采用悬臂梁与像元制作在不同层次的多层微桥结构。

上述的非制冷探测器微桥结构在工作时，盲元上表面由于被红外反射层所覆盖，对入射的红外辐射没有任何吸收，而且盲元与衬底形成较好的热导。所以盲元的温度变化将主要来源于衬底温度以及周围环境温度的变化。而且由于盲元与像元处于芯片上完全相同的温度梯度之上，盲元感受的衬底及环境温度将可以精确代表像元所处的环境温度。

本发明提供的微桥结构可以进一步采用如图3所示的形式，其特征在于包括：

半导体衬底310，其特征在于包含业界通常称为读出电路（ROIC）的用于非制冷探测器信号检测的各种电路（图3中未明确画出）。衬底310通常采用单晶硅，也可以采用其它半导体材料。读出电路一般通过CMOS工艺制造。

微桥结构与ROIC之间电连接作用的金属盘311A、311B，一般采用铝或铝的合金、铜、钨等CMOS材料制造。金属盘311A、311B可以与ROIC一起通过CMOS工艺完成，也可以在探测器加工过程实现。在附图一中共设置了四个金属盘，其中两个311A用于盲元的电连接、两个311B用于像元的电连接。根据ROIC的制作工艺，金属盘311A、311B与衬底310之间可以设置一层或多层介质，可以采用氧化硅、氮化硅、氮氧化硅以及上述介质的不同组合。金属盘311A、311B通过通孔技术与ROIC的金属导带形成电互连。

悬臂梁绝热结构312以及支撑悬臂梁于衬底310之上的桥墩结构313A、313B。悬臂梁绝热结构312包含至少一层介质材料421，可以采用二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、非晶硅以及这些材料的复合层，并通过桥墩结构313A、313B的支撑而悬空在衬底310的上方。

悬臂梁绝热结构312以及桥墩结构313A、313B中包含至少一层电极314，用于微桥结构中的像元和/或盲元的热敏电阻材料与金属盘311A、311B之间、并进一步与ROIC的电连接。电极314可利用Ti、TiN、Ta、TaN、TiW、NiCr等实现。可以根据需要在电极314的上表面设置介质层422，可以采用二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、非晶硅以及这些材料的复合层，但介质层422不是实现本发明功能的必须结构。进一步，根据需要电极314可以设置在介质材料421的下表面。本专业的人员可以理解，本发明的悬臂梁结构关键在于提供悬于衬底之上的绝热支撑以及电连接功能，而不在于具体的膜层顺序及组合。

盲元结构315。盲元结构315包含至少一层热敏电阻材料317、一层电极材料318、一层介质材料319以及一层红外反射层320。热敏电阻材料317一般采用具有较大电阻温度系数的氧化钒、掺杂非晶硅等半导体材料。电极材料318可利用Ti、TiN、Ta、TaN、TiW、NiCr等实现。介质材料319可以采用二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝以及上述材料的组合，其作用是对红外反射层320与电极材料317之间电绝缘。红外反射层320通常采用铝或铝的合金、金、铬、镍铬合金等高反射率的金属实现。热敏电阻材料317可以如图3所示，用于盲元的支撑层，也可以设置在介质支撑层之上，在图3中仅画出一层热敏电阻材料317仅为了方便表示的目的。本专业的人员可以理解，本发明的盲元结构关键在于提供悬于衬底之上的包含具有与像元具有相同性质的热敏电阻材料、与衬底具有良好导热以及电连接功能的参考元，而不在于具体的膜层顺序及组合。

桥墩316A。盲元结构315通过桥墩316A，进一步通过悬臂梁结构312，并进一步通过桥墩313A支撑而悬空在衬底310之上。桥墩316A同时包含用于盲元315与悬臂梁312及桥墩313A的电极314，并进一步与金属盘311A，再进一步与ROIC之间的电连接。由于盲元结构通过悬臂梁312与衬底310之间形成较好的热绝缘，因此盲元的感受到的衬底温度变化将与像元感受到的温度变化接一致。同时由于盲元上表面设置有反射层，其温度变化将不包含红外辐射所引起的温度变化。

像元结构321。像元结构321包含至少一层热敏电阻材料322、一层电极材料323、以及一层红外吸收层324。热敏电阻材料322一般采用具有较大电阻温度系数的氧化钒、掺杂非晶硅等半导体材料，其材料特性应该与盲元315中的热敏电阻材料317尽可能一致。电极材料323可利用Ti、TiN、Ta、TaN、TiW、NiCr等实现。红外吸收层324通常采用TiN、NiCr、SiN等对红外辐射具有较强吸收率的材料实现。如果利用TiN、NiCr等金属，要求其电阻率在377欧姆左右，并且可以同时作为电极材料。如果电极材料和红外吸收材料是分开的并且都是用金属实现，则两者之间需要增加至少一层介质层用于电绝缘。热敏电阻材料322可以如图3所示，用于像元的支撑层，也可以设置在介质支撑层之上，在图3中只画出一层热敏电阻材料322仅为了方便表示的目的。本专业的人员可以理解，本发明的像元结构关键在于提供悬于衬底之上的包含至少一层用于红外检测的热敏电阻材料，而不在于具体的膜层顺序及组合。同时根据需要，电极材料323可以用于红外吸收层，这时可以不设置独立的红外吸收层324。

桥墩325。像元结构321通过桥墩325，并进一步通过桥墩316B支撑而悬空在悬臂梁结构312之上，并进一步通过悬臂梁312与衬底310之间保持较高的绝热。桥墩325同时包含用于像元321与桥墩316B，进一步与悬臂梁绝热结构312的电极314、再进一步与金属盘311B并进而与ROIC之间的电连接。

空腔326，并通过控制制作过程中牺牲层的厚度调整空腔326的高度约为入射辐射波长的1/4波长以增强像元321对入射辐射的吸收率。如图3所示，入射IR辐射被像元321第一次吸收后，透射的辐射将被盲元315上表面设置的红外反射层320所反射而再次被像元321吸收。空腔326的高度设置为入射辐射波长的1/4波长有利于入射辐射与反射的辐射形成相消干涉以提高吸收率。

附图3所示的微桥结构与附图1、附图2所描述的微桥结构的主要区别在于附图3中的盲元结构也采用悬臂梁支撑因而与衬底之间具有与像元相同的较高的热绝缘。因此附图3中的盲元感受到的衬底及环境温度变化将更接近于像元所感受到的衬底及环境温度变化。但是由于在盲元上表面设置红外反射层，盲元的温度变化将不包含红外辐射所引起的温度变化。

本发明提供的上述所有微桥结构中，都可以通过改变盲元上表面的设置的红外反射层而形成不同的微桥结构设计。例如，可以在像元下表面设置一层红外反射层，同时取消盲元上表面设置的红外反射层。并通过调整像元的膜层及厚度，使像元本身的厚度满足1/4入射波长的条件。在上述的结构中，盲元由于处于像元的下方，因此像元下表面的红外反射层也可以有效地阻挡入射红外辐射到达盲元表面，从而避免盲元吸收任何入射红外辐射。

上述的微桥结构采用MEMS工艺制作。以下将结合附图4，以实现图1所示的探测器微桥结构的MEMS制作流程为例，对加工过程加以说明：

制作悬臂梁层次的微结构：首先在完成ROIC制造的衬底10之上通过金属化（溅射、蒸发、CVD等方法）结合图形化（光刻、刻蚀、剥离等方法）制作金属盘11A、11B，再依次制作第一层牺牲层（旋涂、溅射、PECVD等方法）。通过光刻、刻蚀第一层牺牲层形成通孔，再沉积（PECVD、PVD）并图形化悬臂梁结构12，在通孔处形成桥墩11A、11B。完成悬臂梁层次制作的微桥结构如图4（a）所示。

制作盲元层次的微结构：在悬臂梁层次之上沉积第二层牺牲层（旋涂、溅射、PECVD等方法），通过光刻、刻蚀第二层牺牲层形成通孔，沉积并图形化盲元结构15，在通孔处形成桥墩16A、16B。完成盲元层次制作的微桥结构如图4（b）所示。

制作像元层次的微结构：在盲元层次之上沉积第三层牺牲层（旋涂、溅射、PECVD等方法），通过光刻、刻蚀第三层牺牲层形成通孔，沉积（PECVD、PVD）并图形化像元结构21，在通孔处形成桥墩25。最后图形化整个像元结构。

去除牺牲层、释放微桥结构。释放后的微桥结构如图4（c）所示。

上述的MEMS制作方法与目前业界采用的非制冷微测辐射热计的制作方法兼容，其中的牺牲层材料可以采用聚酰亚胺、非晶硅等。支撑材料可以根据牺牲层的不同而选择，例如对于聚酰亚胺牺牲层可以采用氧化硅、氮化硅、氮氧化硅以及上述材料的组合；对于非晶硅牺牲层，优选氧化硅作为支撑层及释放保护层。热敏电阻材料优选电阻温度系数较大的半导体材料如氧化钒（VOx）、掺杂的非晶硅等。释放方法对于聚酰亚胺可以采用氧等离子体，对于非晶硅牺牲层可以采用XeF2、SF6等。但本发明的重点在于像元与盲元集成的微桥结构及其对于红外探测所带来的有利之处，本专业的人员可以根据本发明提供的结构以及现有的制作工艺的不同组合来实现上述的微桥结构。

进一步，上述本发明所提供的微桥结构可以广泛地应用于非制冷红外焦平面探测器，其特征在于焦平面探测器包含由上述所提供的微桥结构组成的二维阵列，其特征进一步在于焦平面工作时，可以采用与传统焦平面类似的逐行扫描的方式，也可以采用将焦平面内所有的像元同时读出的方式，或者同一个焦平面探测器可以具备逐行扫描、以及将焦平面内所有的像元同时读出的工作方式，并根据需要在工作时选择适合的读出方式。

Claims

1.一种非制冷红外探测器微桥结构，其特征在于包括：

1）包含读出电路的半导体衬底；

2）至少一个支撑于衬底之上的悬臂梁结构；

2.如权利要求1所述的一种非制冷红外探测器微桥结构，其特征在于盲元的上表面设置红外反射层。

3.如权利要求1所述的一种非制冷红外探测器微桥结构，其特征在于悬臂梁结构由介质/金属/介质或者介质/金属或者金属/介质构成。

4.如权利要求1所述的一种非制冷红外探测器微桥结构，其特征在于盲元结构由介质/热敏材料层/金属/介质，或者介质/热敏材料层/金属/介质/金属反射层，或者热敏材料层/金属/介质，或者热敏材料层/金属/介质/金属反射层构成。

5.如权利要求1所述的一种非制冷红外探测器微桥结构，其特征在于像元结构由热敏材料层/金属层，或者热敏材料层/金属层/红外吸收层，或者热敏材料层/金属层/介质层/红外吸收层，或者热敏材料层/金属层/介质层/红外吸收层，或者介质层/热敏材料层/金属层，或者介质层/热敏材料层/金属层/红外吸收层，或者介质层/热敏材料层/金属层/介质层/红外吸收层构成。

6.如权利要求1所述的一种非制冷红外探测器微桥结构，其特征在于像元的下表面设置红外反射层，且该红外反射层垂直于衬底表面的投影完全覆盖盲元垂直于衬底表面的的投影。

7.一种非制冷红外探测器微桥结构，其特征在于包括：

1）包含读出电路的半导体衬底；

8.一种非制冷红外探测器微桥结构，其特征在于包括：

1）包含读出电路的半导体衬底；

2）至少一个支撑于衬底之上的悬臂梁结构；

9.一种制作上述权利要求所述微桥结构的MEMS加工方法，包括：

在衬底的上方制作微桥结构的悬臂梁层次；

依次制作微桥结构的盲元层次；

依次制作微桥结构的像元层次；

整个微桥结构释放。