CN102874735B - 双材料微悬臂梁、电磁辐射探测器以及探测方法 - Google Patents
双材料微悬臂梁、电磁辐射探测器以及探测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102874735B CN102874735B CN201210371261.5A CN201210371261A CN102874735B CN 102874735 B CN102874735 B CN 102874735B CN 201210371261 A CN201210371261 A CN 201210371261A CN 102874735 B CN102874735 B CN 102874735B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- micro
- cantilever
- substrate
- main body
- projection
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 60
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 title claims abstract description 43
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 78
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 24
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 19
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 10
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 4
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 6
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 42
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 41
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 26
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 239000010408 film Substances 0.000 description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 6
- 238000003491 array Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 4
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 230000002925 chemical effect Effects 0.000 description 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 229920002101 Chitin Polymers 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000007767 bonding agent Substances 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 description 2
- 230000000191 radiation effect Effects 0.000 description 2
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 2
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 2
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 2
- 229920001661 Chitosan Polymers 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 1
- 238000009435 building construction Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 230000004438 eyesight Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 230000005251 gamma ray Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000003331 infrared imaging Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 230000004297 night vision Effects 0.000 description 1
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000003449 preventive effect Effects 0.000 description 1
- 230000005616 pyroelectricity Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 230000005619 thermoelectricity Effects 0.000 description 1
- 238000001931 thermography Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Micromachines (AREA)
Abstract
本发明提供了一种双材料微悬臂梁、电磁辐射探测器以及探测方法。所述双材料微悬臂梁，设置于一衬底表面，包括：微悬臂梁主体；第一应力凸块，所述第一应力凸块设置在微悬臂梁主体的靠近衬底一侧的表面上，并且所述第一应力凸块的热膨胀系数大于所述微悬臂梁主体的热膨胀系数，或者所述第一应力凸块设置在微悬臂梁主体的远离衬底一侧的表面上，并且所述第一应力凸块的热膨胀系数小于所述微悬臂梁主体的热膨胀系数；加热器，所述加热器设置在悬臂梁主体内。本发明的优点在于，通过在悬臂梁上设置加热器，并通过对每个微悬臂梁单独提供不同的加热温度，对微悬臂梁之间的响应率和灵敏度的非均匀性加以校正。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械系统（MEMS）领域，涉及一种双材料微悬臂梁、电磁辐射探测器以及探测方法。
背景技术
电磁辐射波谱按照波长或频率可以分为从伽马射线到无线电波的多个连续谱段。人眼所能感知的可见光波段（0.4um-0.8um）是整个电磁波谱中非常窄的一段。对于可见光之外的电磁辐射，人类必需利用各种传感器和探测器来进行检测，通过对这些电磁辐射的检测可以提供可见光图像之外的诸多信息，是对人眼视觉非常有效的补充。
电磁辐射探测器的功能是接收电磁辐射，并通过辐射引起的某种物理或化学效应，将接收到的辐射转换为与辐射强度相对应的电信号。由于整个电磁波谱范围非常宽，不同波段的辐射与物质作用时会引起不同的物理、化学效应，所以对不同谱段的电磁辐射往往需要利用不同的探测器来检测。
紧邻可见光波段而波长更长的一段电磁辐射（0.8um-1000um）称为红外波段，利用探测目标物体自身发射或者反射的红外辐射而形成的图像称为红外热像。红外热像技术广泛地应用于各种军事及民用领域。在军事领域的应用包括红外搜索与跟踪、红外制导、夜视观瞄、火控、辅助驾驶等。在民用领域，红外热像广泛应用于工业测温、预防性维护、安防监控、医学诊断、房屋建筑检测、水分检测、交通运输、科学研究等各个方面。
对于红外辐射一般可以采用半导体光电探测器或者热探测器来检测。制冷型光电探测器利用窄禁带半导体制造，工作时需要冷却至极低的温度，因此体积和重量相对较大、价格比较昂贵。热探测器利用红外辐射的热效应工作，常用的包括热堆、热释电、以及微测辐射热计。热探测器可在室温条件下工作，一般也称为非制冷型红外探测器，具有低成本、更易于便携等优点。
近年来，一种利用具有不同热膨胀系数的双材料制作的微悬臂梁辐射探测器受到比较广泛的关注。其原理是利用MEMS工艺制造双层或多层薄膜的微悬臂梁，不同薄膜材料之间的热膨胀系数具有较大差异，所以受热后会因为双材料之间不相等的热膨胀而使微悬臂梁产生形变，这种效应一般称为“双材料效应”（Bimorph Effect或Bimetallic Effect）。微悬臂梁的一端与衬底固定，另一端可以自由运动。微悬臂梁吸收辐射后产生热效应，并进一步通过双材料效应导致微悬臂梁产生形变。其形变大小与吸收的辐射强度具有一定的对应关系，通过检测形变的大小可以获得入射辐射的相关信息。
专利US5844238公开了一种利用双材料微悬臂梁支撑的平行板电容式红外传感器，传感器吸收红外辐射产生温升并进一步引起双材料微悬臂梁向上弯曲变形，该变形进一步引起平行板电容的变化，通过检测电容的变化可以检测出吸收的红外辐射强度等参数。
专利CN101561319 B也公开了一种与上述专利US5844238相似的双材料微悬臂梁电容式红外传感器。
专利US6080988公开了一种利用光学方式来检测辐射引起的双材料微悬臂梁形变的图像转换装置，用于检测各种电磁辐射。
专利US6118124A公开了利用微悬臂梁传感器及其阵列用于检测电磁辐射以及核辐射的发明。吸收的辐射与微悬臂梁发生某种物理或化学效应引起微悬臂梁形变。微悬臂梁的形变可以用光学、压阻、频率、压电、电容、隧穿等多种效应和方法来检测，从而进一步检测出吸收的辐射强度等参数。
专利申请US7616425 B2公开了一种利用电容式读出的双材料微悬臂梁支撑的热传感器，其主要特征在于双材料悬臂梁的支撑形式方面的改变。
专利US7705307 B1公开的双材料微悬臂梁红外传感器，其主要特征在于利用含有纳米颗粒的有机聚合物做为构成双材料部分的一种材料。
专利US7851759 B2公开了一种利用双材料微悬臂梁做为红外成像的装置，其特征在于利用一对吸收红外辐射后分别向上和向下弯曲形变的双材料微悬臂梁对可见光进行空间相位调制来检测微悬臂梁的形变。
专利US8026485 B2公开了一种双材料微悬臂梁红外传感器，其主要特征在于利用壳聚糖（Chitosan）或者几丁质（Chitin）做为红外吸收层。
上述发明中的微悬臂梁传感器一般设置一个辐射吸收层用于吸收被探测的辐射，一个传感器与衬底之间的热绝缘结构用于使被吸收的辐射最大化地转换为热效应，一个双材料结构用于在辐射热效应作用下产生形变。根据形变读出方式的不同以及其它需要，会另外分别设置红外反射层、上下电极、压敏电阻等结构。
双材料微悬臂梁探测器具有灵敏度高，材料和工艺与CMOS流程更加兼容，可耐受更高的工艺温度，潜在成本低等优势。但是，在实际加工时也存在以下难点。
首先，由于双材料部分使用的不同膜层材料之间的热膨胀系数差异较大以及薄膜中的残余应力，导致MEMS结构在释放之后会由于热应力以及残余应力产生较大的变形。而且该变形在像元与像元之间存在比较大的不一致性，导致各像元之间在响应率、灵敏度等方面存在差异并进一步在探测到的图像表现为空间噪声或非均匀性。
其次，通常情况下需要把辐射吸收层与衬底上的反射层之间的高度设置为入射辐射波长的四分之一，以形成干涉而增强对辐射的吸收。而由于应力导致的形变使得吸收腔的高度难以控制，并且应力分布的非均匀性导致像元与像元之间的空腔高度不一致，会进一步导致信号的非均匀性。
第三，由于双材料微悬臂梁具有较高的温度形变系数，所以其形变也对衬底或周围环境温度变化敏感，而后续的形变检测方法无法区分环境温度变化引起的形变或者是辐射引起的形变。上述的缺点在用于探测电磁辐射成像的阵列中会产生更加不利的影响。
为克服上述的不利因素，专利US7755049 B2公开了一种微悬臂梁传感器装置，其特征在于微悬臂梁具有两部分的双材料结构，其中一个双材料结构用于对衬底的温度变化响应，另一个双材料结构用于对吸收的辐射响应，并且上述两个双材料结构具有不同的热响应率。利用热电温差制冷器（TEC）等装置对探测器的衬底进行控温，从而对微悬臂梁的灵敏度等进行调整。
但是，上述发明提供的方法并不能完全克服上述的几个缺点。首先，通过TEC对整个衬底控温，其实际效果是对每一个微悬臂梁施加了相同的温度，其结果导致无法对每个微悬臂梁起到单独调节的作用。另外，通过TEC控温的方法并不能补偿由于残余应力引起的微悬臂梁静态初始位置高度不一致而导致的各微悬臂梁之间的辐射吸收率以及灵敏度的差异。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双材料微悬臂梁电磁辐射探测器，可以有效地克服上述残余应力引起的微悬臂梁静态初始位置高度不一致的缺点，降低图像由于非均匀性导致的固定图形噪声。
为了达到上述目的，本发明提供了一种双材料微悬臂梁，设置于一衬底表面，包括：微悬臂梁主体；第一应力凸块，所述第一应力凸块设置在微悬臂梁主体的靠近衬底一侧的表面上，并且所述第一应力凸块的热膨胀系数大于所述微悬臂梁主体的热膨胀系数，或者所述第一应力凸块设置在微悬臂梁主体的远离衬底一侧的表面上，并且所述第一应力凸块的热膨胀系数小于所述微悬臂梁主体的热膨胀系数；加热器，所述加热器设置在悬臂梁主体内，用于加热所述悬臂梁主体以及所述第一应力凸块，所述加热器进一步设置至少两引脚，所述引脚用于同外界形成电学连接。
可选的，所述微悬臂梁的上表面进一步设置电磁辐射吸收层，所述衬底表面进一步设置电磁辐射反射层。
可选的，所述微悬臂梁与衬底之间进一步包括一阻挡凸块，所述阻挡凸块设置在微悬臂梁自由端的靠近衬底一侧的表面上；或者所述阻挡凸块设置在衬底靠近微悬臂梁自由端的一侧的表面上。
可选的，所述微悬臂梁表面进一步设置一第一电极，所述衬底表面进一步对应设置一第二电极层，所述第一和第二电极相互配合形成一检测电容，用以检测所述微悬臂梁的形变。
可选的，进一步包括一第二应力凸块，所述第二应力凸块设置于所述微悬臂梁主体靠近衬底一侧的表面上，且与第一应力凸块具有一距离，所述第二应力凸块的热膨胀系数大于所述微悬臂梁主体的热膨胀系数，或者所述第二应力凸块设置于所述微悬臂梁主体远离衬底一侧的表面上，且与第一应力凸块具有一距离，所述第二应力凸块的热膨胀系数小于所述微悬臂梁主体的热膨胀系数。
本发明进一步提供了一种电磁辐射探测器，包括衬底，衬底表面的封盖，以及由衬底和封盖限制形成的一空腔，所述空腔中包括多个上述的微悬臂梁；所述衬底中包括一加热控制电路，所述加热控制电路与所述加热器电学连接。
可选的，所述空腔中的多个微悬臂梁进一步以阵列形式排列。
本发明进一步提供了一种采用上述电磁辐射探测器探测电磁辐射的方法，其特征在于，包括如下步骤：a）对所述微悬臂梁内的加热器施加加热电压或电流，使所有的微悬臂梁形变以脱离静态初始位置；b）检测出微悬臂梁各自的形变大小；c）根据检测结果调整每个微悬臂梁上施加的加热电压或电流，以使各个悬臂梁之间的形变一致。
可选的，所述步骤a中对所有的微悬臂梁施加相同的加热电压或电流，所述步骤b进一步包括：b1）检测出微悬臂梁在施加相同的加热电压或电流后各自的形变大小并记录；b2）通过分析上述检测到的形变大小，计算得到不同微悬臂梁之间的非均匀性。
本发明的优点在于，通过在悬臂梁上设置加热器，并通过对每个微悬臂梁单独提供不同的加热温度，对微悬臂梁之间的响应率和灵敏度的非均匀性加以校正，从而降低图像由于非均匀性导致的固定图形噪声，并且进一步有利于提高探测器的动态范围，将极大地有利于提高双材料微悬臂梁辐射探测器的性能。
附图说明
附图1A为本发明具体实施方式所述提供的电磁辐射探测器的整体结构示意图。
附图1B为附图1A中微悬臂梁以二维（M×N）重复排列的形式形成焦平面阵列的示意图。
附图2A是附图1A和1B中的微悬臂梁的详细结构示意图。
附图2B是附图1A和1B中的微悬臂梁另一种具体实式方式的详细结构示意图。
附图3是采用附图1A和1B所示探测器探测电磁辐射的方法的实施步骤示意图。
附图4A是附图2A所示微悬臂梁的初始状态示意图。
附图4B是附图2A所示微悬臂梁在加热后偏离静态初始位置的示意图。
附图5A是本发明具体实施方式所述微悬臂梁的另一具体实施方式的结构示意图。
附图5B是本发明具体实施方式所述微悬臂梁的另一具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
上述基本思想可以通过多种不同形式的MEMS结构加以实现。以下将结合附图，进一步对本发明的具体实施方式进行详细说明。
附图1A是本具体实施方式所述提供的电磁辐射探测器20的整体结构示意图，包括：衬底21、封盖30以及微悬臂梁22，其中微悬臂梁22是利用MEMS工艺制作的悬空在衬底20表面的，进一步是设置在由衬底21和封盖30限制的一空腔内。
微悬臂梁22的形变是通过压电、压阻、电容变化、频率变化、隧穿效应等任意一种电学方式检测，衬底21一般包含业界通常称为读出电路（ROIC）的用于施加偏置信号检测的各种电路（图中未明确画出）。另外，当通过微悬臂梁22内部集成的加热器对微悬臂梁进行控温时，衬底21尤其包含用于对加热器施加电信号的加热控制电路（图中未明确画出）。衬底21通常采用单晶硅等半导体材料。包含的电路一般通过CMOS工艺制造。
封盖30是利用对入射辐射波段具有良好透过率的材料制作，进一步包含用于增强入射辐射透过率或者对透射的波段加以限制的镀膜32、吸气剂33、以及用于封盖30与衬底21之间封接的粘接剂34。粘接剂34可以根据对封装内部真空度或填充气体的具体要求，采用玻璃、有机物或金属焊料。
衬底21中的各种电路与外界的电连接可以通过在衬底21上设置焊盘35并进一步利用引线键合的方式，或者通过设置贯穿衬底21的通孔36并结合焊球37的方式形成与外界的电连接。
附图1B是附图1A中微悬臂梁22以二维（M×N）重复排列的形式形成焦平面阵列的示意图。焦平面阵列由具有相同结构、相同功能、相同特性的多个微悬臂梁22组成。焦平面阵列的功能是把通过光学系统汇聚的物空间的目标电磁辐射在像空间形成对应的图像。
附图2A是附图1A和1B中的微悬臂梁22的详细结构示意图，包括：桥墩202、微悬臂梁主体203、第一应力凸块205、阻挡凸块206、加热器211、电磁辐射吸收层207以及电磁辐射反射层208。
桥墩202的作用是微悬臂梁22在衬底上表面的锚定点。当需要在微悬臂梁22与衬底21以及衬底21内部包含的电路形成某种点连接时，进一步通过桥墩上的通孔209与衬底上表面的金属盘201形成电连接。金属盘201可以进一步与衬底21内部的电路（图中未明确画出）形成电连接。
悬臂梁主体203一端与桥墩202固接，一端为自由端，用以感测外界的电磁辐射，并且悬臂梁主体203的作用还在于能够在第一应力凸块205和桥墩202之间形成一定的热隔离，以有利于吸收的辐射最大化地转化为热效应，而不会通过桥墩202以及衬底21散失掉。故悬臂梁主体203一般采用低热导率的介质材料SiO2、SiN、SiC等制作。本图中仅做为简单的示意，本专业的人员可以理解悬臂梁主体203可以根据需要设计为各种不同的形状。
第一应力凸块205和加热器211所在位置为微悬臂梁22的形变区域204，其作用是在辐射热效应作用下或者外加电信号的作用下使微悬臂梁22产生形变。形变区域204包括至少两层具有不同的热膨胀系数的薄膜，用以在温度变化的过程中产生形变。本具体实施方式中，悬臂梁主体203可以作为低热膨胀系数材料的薄膜，而设置在悬臂梁主体203靠近衬底21一侧表面的第一应力凸块205即为高热膨胀系数材料的薄膜，第一应力凸块205的材料一般采用金属Al、Au以及有机聚合物等制作。在温度升高后，由于第一应力凸块205的膨胀系数大于悬臂梁主体203，可以推动微悬臂梁22向远离衬底的方向翘起。在其它的具体实施方式中，第一应力凸块205也可以设置在微悬臂梁主体203的远离衬底21一侧的表面上，并且所述第一应力凸块205的热膨胀系数小于所述微悬臂梁主体203的热膨胀系数。如此，在温度升高后，由于第一应力凸块205的膨胀系数小于悬臂梁主体203，亦可以拉动微悬臂梁22向远离衬底的方向翘起。
加热器211设置在悬臂梁主体203内，用于加热悬臂梁主体203以及第一应力凸块205，加热器211进一步设置至少两引脚（未图示），引脚用于同外界的加热控制电路形成电连接。加热器211可以采用多晶硅、非晶硅以及金属Ta、TiN、TaN、CrNi、TiW等实现。当采取适当的设计时，例如当采用方块电阻与真空阻抗匹配的Ta、TiN、TaN、CrNi、TiW等金属薄膜做为红外吸收层时，通过图形化的方法，加热器211可以与电磁辐射吸收层207采用同一层金属薄膜实现。
阻挡凸块206是一可选部件，设置在悬臂梁主体203的自由端，其作用是当悬臂梁主体203受残余应力作用朝衬底21方向弯曲时，能够保证悬臂梁主体203以较小的面积与衬底21接触，有效地避免发生粘连现象。并且，当微悬臂梁22形成焦平面阵列时，不同悬臂梁上的阻挡凸块206可以制作为相同的高度，以通过残余应力的下压作用结合阻挡凸块206的支撑作用，控制各微悬臂梁在静态初始位置时保持与衬底之间的距离高度一致。悬臂梁主体203与衬底21之间形成一空腔210，一般设置空腔210的高度为入射辐射波长的四分之一。在本发明中，控制阻挡凸块206的高度为空腔210高度的50%至80%。
电磁辐射吸收层207与电磁辐射反射层208亦为可选组件。电磁辐射吸收层207的作用是提高悬臂梁主体203对入射辐射的吸收率，电磁辐射反射层208的作用是反射未被吸收的辐射，进一步提高臂梁主体203对辐射的吸收率。另外，当微悬臂梁的形变采用电容式读出时，电磁辐射吸收层207可以同时做为电容的上电极，反射层208可以同时做为电容的下电极。通过和外部的检测电路电连接，进一步读出悬臂梁主体203的形变量。
附图2B是附图1A和1B中的微悬臂梁另一种具体实式方式的详细结构示意图，与附图2A不同的是，附图2B中的阻挡凸块206′是设置在衬底21靠近微悬臂梁22自由端的一侧的表面上，亦能够保证悬臂梁主体203以较小的面积与衬底21接触，有效地避免发生粘连现象。
接下来结合附图给出采用附图1A和1B所示探测器探测电磁辐射的方法，参考附图3所示的本方法的实施步骤示意图，所述方法包括如下步骤：步骤S30，对微悬臂梁中的加热器施加加热电压或电流，使所有的微悬臂梁形变以脱离静态初始位置；步骤S31，检测出微悬臂梁各自的形变大小；步骤S32，根据检测结果调整每个微悬臂梁上施加的加热电压或电流，以使各个悬臂梁之间的形变一致。
参考步骤S30，对微悬臂梁22中的加热器211施加加热电压或电流，使所有的微悬臂梁22形变以脱离静态初始位置。
附图4A所示是微悬臂梁22在制备完成后处于初始位置的示意图，在微悬臂梁22特别是其形变区域204的残余应力作用下向衬底21表面弯曲形变，阻挡凸块206与衬底21产生接触并对悬臂梁主体203产生支撑。
附图4B所示是微悬臂梁22在通过内置的加热器211加热后，由于形变区域204中的第一应力凸块205相对于悬臂梁主体203将产生更大的膨胀，对悬臂梁主体203产生一向上的作用力，当加热到一定温度时，向上的膨胀作用力将大于微悬臂梁向下的残余应力，导致微悬臂梁向上弯曲形变并离开其静态初始位置，阻挡凸块206与衬底上表面不再接触。为了后续校准的方便，本步骤中，优选万在各个微悬臂梁22上施加相同的加热电压或者电流。
步骤S31，检测出微悬臂梁各自的形变大小。该检测可以通过压电、压阻、电容变化、频率变化、隧穿效应等任意一种电学方式检测。附图2A、4A以及4B所示的悬臂梁包含了可以用作电容电极的电磁辐射吸收层207与电磁辐射反射层208，通过检测两者之间的电容值，可以判断出悬臂梁主体203与衬底21之间的距离，从而判断出微悬臂梁22的形变。在每个微悬臂梁22所施加的加热电压或者电流相同的情况下，本步骤可以进一步获得每个微悬臂梁22的形变值，进而计算得到不同微悬臂梁之间的非均匀性。
步骤S32，根据检测结果调整每个微悬臂梁22的加热器211施加的加热电压或电流，以使各个悬臂梁主体203之间的形变一致。这样就达到了对微悬臂梁22初始状态进行校准的目的。
在校准后，探测器即可以接收目标辐射，由于辐射的热效应对悬臂梁产生加热作用，引起在其工作状态的初始位置之上的进一步形变，通过检测上述的辐射热效应引起的形变，通过处理后得到目标辐射的强度分布等信息。
在长时间工作中，微悬臂梁22的位置可能会产生漂移，这时可以根据探测器工作过程中的实际情况及需要，暂时停止对微悬臂梁22内置加热器211的加热，使所有的微悬臂梁22回到静态初始位置，之后实施上述步骤S30至步骤S32，对探测器再次实施非均匀性校正。并且在探测器工作过程中，可以多次重复上述的操作以提高探测器的图像质量。
附图5A是本发明所述双材料微悬臂梁22的另一种具体实施方式的结构示意图。与附图2A不同的是，本具体实施方式进一步包括第二应力凸块505，第二应力凸块505亦设置于微悬臂梁主体203靠近衬底一侧的表面上，且与第一应力凸块205具有一距离，即如附图5A所示的隔离区305，第二应力凸块505的热膨胀系数亦大于微悬臂梁主体203的热膨胀系数。
第二应力凸块505的功能主要是用于对于电磁辐射响应的作用。隔离区305的作用在于减少加热器211的热效应对第二应力凸块505的影响，保证第二应力凸块505的形变主要来自于外界辐射，从而更好地实现对探测器的校正功能，并提高探测器的灵敏度。
图5B是本发明具体实施方式所述微悬臂梁的另一具体实施方式的结构示意图，与附图5A不同的是，附图5B中的阻挡凸块206′是设置在衬底21靠近微悬臂梁22自由端的一侧的表面上，亦能够保证悬臂梁主体203以较小的面积与衬底21接触，有效地避免发生粘连现象。
上述双材料微悬臂梁辐射传感器的主要制作步骤，主要包括：（1）根据需要，加工制造CMOS读出电路及加热控制电路。（2）利用MEMS微加工工艺加工制造双材料微悬臂梁。（3）在探测器衬底上制作焊料环。（4）加工制作晶圆级封装的封盖。（5）晶圆级封装的封盖与探测器衬底的对准。（6）根据需要，真空排气或回填惰性气体等。（7）焊料加热回流，使晶圆级封装的封盖与探测器衬底的焊料环封接形成气密性封装。
上述双材料微悬臂梁的一种MEMS微加工工艺流程，主要包括：（1）在衬底上表面制作金属层做为电容的下电极以及辐射反射层，同时可以做为微悬臂梁与衬底内包含的电路的电连接。（2）沉积牺牲层，牺牲层材料可以采用聚酰亚胺、非晶硅等，牺牲层的厚度一般控制在入射辐射波长的四分之一范围。（3）牺牲层图形化，主要通过光刻刻蚀等方法去除将来制作突出结构部位的牺牲层。（4）沉积第二层牺牲层，其厚度一般控制在第一层牺牲层厚度的20%-50%。（5）牺牲层图形化，主要通过光刻刻蚀等方法去除将来制作桥墩部位的牺牲层。（6）沉积双材料结构中具有较高热膨胀系数的材料层，并图形化。（7）沉积结构层，一般由具有较低的热膨胀系数以及较低的热导率的SiO2、SiN、SiC等材料制作，可以同时做为微悬臂梁的热隔离结构以及双材料结构的构成。（8）制作通孔，主要通过图形化桥墩内的结构层，暴露出衬底上表面的金属盘。（9）制作加热器结构。（10）制作辐射吸收层。辐射吸收层可以与加热器结构采用同一层材料或者不同层材料。如果采用不同层材料，两者之间需要设置电绝缘层。（11）图形化双材料微悬臂梁。
上述晶圆级封盖的一种加工工艺流程，主要包括：（1）通过图形化的方法在封盖上制作出腔体。（2）根据需要制作辐射增透膜或截止膜。（3）制作焊料环，一般包含粘附层、阻挡层、焊料层等，可以采用溅射、电镀等方法制作。（4）制作吸气剂。在上述的制作过程中，根据需要还将制作对准标记等。
上述的MEMS制作方法只是为了进一步说明本发明的实现方法，并不是本发明的唯一实现方法。本发明的重点在于提供一种利用像元上的内置加热器的方法，达到对微悬臂梁的非均匀性校正的目的。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悬臂梁结构的制作。
Claims (10)
1.一种双材料微悬臂梁，设置于一衬底表面，其特征在于，包括：
微悬臂梁主体；
第一应力凸块，所述第一应力凸块设置在微悬臂梁主体的靠近衬底一侧的表面上，并且所述第一应力凸块的热膨胀系数大于所述微悬臂梁主体的热膨胀系数，或者所述第一应力凸块设置在微悬臂梁主体的远离衬底一侧的表面上，并且所述第一应力凸块的热膨胀系数小于所述微悬臂梁主体的热膨胀系数；
加热器，所述加热器设置在微悬臂梁主体内，用于加热所述微悬臂梁主体以及所述第一应力凸块，所述加热器进一步设置至少两引脚，所述引脚用于同外界形成电学连接。
2.如权利要求1所述的双材料微悬臂梁，其特征在于，所述微悬臂梁的上表面进一步设置电磁辐射吸收层，所述衬底表面进一步设置电磁辐射反射层。
3.如权利要求1所述的双材料微悬臂梁，其特征在于，所述微悬臂梁与衬底之间进一步包括一阻挡凸块，所述阻挡凸块设置在微悬臂梁自由端的靠近衬底一侧的表面上。
4.如权利要求1所述的双材料微悬臂梁，其特征在于，所述微悬臂梁与衬底之间进一步包括一阻挡凸块，所述阻挡凸块设置在衬底靠近微悬臂梁自由端的一侧的表面上。
5.如权利要求1所述的双材料微悬臂梁，其特征在于，所述微悬臂梁表面进一步设置一第一电极，所述衬底表面进一步对应设置一第二电极层，所述第一电极和第二电极层相互配合形成一检测电容，用以检测所述微悬臂梁的形变。
6.如权利要求1所述的双材料微悬臂梁，其特征在于，进一步包括一第二应力凸块，所述第二应力凸块设置于所述微悬臂梁主体靠近衬底一侧的表面上，且与第一应力凸块具有一距离，所述第二应力凸块的热膨胀系数大于所述微悬臂梁主体的热膨胀系数，或者所述第二应力凸块设置于所述微悬臂梁主体远离衬底一侧的表面上，且与第一应力凸块具有一距离，所述第二应力凸块的热膨胀系数小于所述微悬臂梁主体的热膨胀系数。
7.一种电磁辐射探测器，包括衬底，衬底表面的封盖，以及由衬底和封盖限制形成的一空腔，其特征在于：
所述空腔中包括多个权利要求1-6任意一项所述的微悬臂梁；
所述衬底中包括一加热控制电路，所述加热控制电路与所述加热器电学连接。
8.根据权利要求7所述的电磁辐射探测器，其特征在于，所述空腔中的多个微悬臂梁进一步以阵列形式排列。
9.一种采用如权利要求7或8所述的电磁辐射探测器探测电磁辐射的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a）对所述微悬臂梁内的加热器施加加热电压或电流，使所有的微悬臂梁形变以脱离静态初始位置；
b）检测出微悬臂梁各自的形变大小；
c）根据检测结果调整每个微悬臂梁上施加的加热电压或电流，以使各个悬臂梁之间的形变一致。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤a中对所有的微悬臂梁施加相同的加热电压或电流，所述步骤b进一步包括：
b1）检测出微悬臂梁在施加相同的加热电压或电流后各自的形变大小并记录；
b2）通过分析上述检测到的形变大小，计算得到不同微悬臂梁之间的非均匀性。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210371261.5A CN102874735B (zh) | 2012-09-29 | 2012-09-29 | 双材料微悬臂梁、电磁辐射探测器以及探测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210371261.5A CN102874735B (zh) | 2012-09-29 | 2012-09-29 | 双材料微悬臂梁、电磁辐射探测器以及探测方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102874735A CN102874735A (zh) | 2013-01-16 |
| CN102874735B true CN102874735B (zh) | 2015-01-07 |
Family
ID=47476302
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201210371261.5A Active CN102874735B (zh) | 2012-09-29 | 2012-09-29 | 双材料微悬臂梁、电磁辐射探测器以及探测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102874735B (zh) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103234648B (zh) * | 2013-03-29 | 2015-09-23 | 清华大学 | 一种聚合物双材料微梁及温度敏感结构 |
| CN103552979B (zh) * | 2013-11-14 | 2015-10-28 | 东南大学 | 一种热-静电强回复型mems四点支撑悬挂梁结构 |
| CN103552973B (zh) * | 2013-11-14 | 2015-12-30 | 东南大学 | 微机械系统中带有热驱动粘附消除机构的微悬臂梁结构 |
| CN104374886B (zh) * | 2014-12-17 | 2016-08-17 | 哈尔滨理工大学 | 一种渗b半导体加热温湿度自补偿气体集成传感器 |
| US10816406B2 (en) * | 2016-07-18 | 2020-10-27 | Shanghai Ic R&D Center Co., Ltd | Infrared detector pixel structure and manufactureing method thereof |
| CN107892268B (zh) * | 2017-11-13 | 2023-07-14 | 苏州敏芯微电子技术股份有限公司 | 压力传感器及其制造方法 |
| CN110040678B (zh) * | 2019-04-18 | 2021-06-18 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 微传感器及其制备方法 |
| CN111351733A (zh) * | 2020-03-12 | 2020-06-30 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种高精度热重分析仪 |
| CN111486973A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-08-04 | 成都众芯科技有限公司 | 一种全柔性热释电红外探测器 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1371474A (zh) * | 1999-08-24 | 2002-09-25 | 秦内蒂克有限公司 | 微桥结构 |
| CN1819291A (zh) * | 2005-12-29 | 2006-08-16 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种基于双材料效应的微机械红外探测器阵列的制作方法 |
| CN101566643A (zh) * | 2008-04-22 | 2009-10-28 | 中国计量学院 | 一种基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器的结构及制作方法 |
| US7755049B2 (en) * | 2007-03-20 | 2010-07-13 | Agiltron, Inc. | Tunable microcantilever infrared sensor |
| CN102692276A (zh) * | 2011-03-21 | 2012-09-26 | 浙江大立科技股份有限公司 | 一种非制冷红外探测器 |
| CN202924718U (zh) * | 2012-09-29 | 2013-05-08 | 姜利军 | 双材料微悬臂梁、电磁辐射探测器 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005079208A2 (en) * | 2003-11-21 | 2005-09-01 | Trustees Of Boston University | Uncooled cantilever microbolometer focal plane array with mk temperature resolutions and method of manufacturing microcantilever |
-
2012
- 2012-09-29 CN CN201210371261.5A patent/CN102874735B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1371474A (zh) * | 1999-08-24 | 2002-09-25 | 秦内蒂克有限公司 | 微桥结构 |
| CN1819291A (zh) * | 2005-12-29 | 2006-08-16 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种基于双材料效应的微机械红外探测器阵列的制作方法 |
| US7755049B2 (en) * | 2007-03-20 | 2010-07-13 | Agiltron, Inc. | Tunable microcantilever infrared sensor |
| CN101566643A (zh) * | 2008-04-22 | 2009-10-28 | 中国计量学院 | 一种基于双材料微悬臂梁的薄膜热电变换器的结构及制作方法 |
| CN102692276A (zh) * | 2011-03-21 | 2012-09-26 | 浙江大立科技股份有限公司 | 一种非制冷红外探测器 |
| CN202924718U (zh) * | 2012-09-29 | 2013-05-08 | 姜利军 | 双材料微悬臂梁、电磁辐射探测器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102874735A (zh) | 2013-01-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102874735B (zh) | 双材料微悬臂梁、电磁辐射探测器以及探测方法 | |
| JP7045430B2 (ja) | ウェハレベルパッケージ内の熱赤外線センサアレイ | |
| CN202924718U (zh) | 双材料微悬臂梁、电磁辐射探测器 | |
| CN102692276B (zh) | 一种非制冷红外探测器 | |
| Niklaus et al. | MEMS-based uncooled infrared bolometer arrays: a review | |
| US9227839B2 (en) | Wafer level packaged infrared (IR) focal plane array (FPA) with evanescent wave coupling | |
| JP4677044B2 (ja) | 非冷却ｌｗｉｒ検出器に組み合わされた可視すなわちｓｗｉｒ検出器を有するデュアル・バンド撮像装置 | |
| KR101910573B1 (ko) | 광대역 광 흡수체를 포함하는 적외선 검출기 | |
| JP6336904B2 (ja) | 撮像システム用受動型検出装置 | |
| KR101910575B1 (ko) | 적외선 검출기 및 적외선 이미지 센서 | |
| CN102326255B (zh) | 电磁辐射传感器及其制造方法 | |
| KR101922119B1 (ko) | 적외선 검출기 및 이를 사용하는 적외선 검출 방법 | |
| CN104246457A (zh) | 具有高填充水平的热电堆红外线传感器结构 | |
| JP2016061777A (ja) | 高い温度安定性の干渉型吸収体を使用する表面微細加工赤外線センサ | |
| US20140103210A1 (en) | Multi-stack film bolometer | |
| CN113363331A (zh) | 一种双透镜红外传感器 | |
| US10483416B2 (en) | Medium wave infrared (MWIR) and long wavelength infrared (LWIR) operating microbolometer with raised strut design | |
| US8440972B2 (en) | Radiation detector with microstructured silicon | |
| KR20220031999A (ko) | 저 열용량 마이크로볼로미터 및 관련 제조 방법 | |
| CN113884198B (zh) | 非制冷红外探测器及其制作方法、封装盖板 | |
| CN104112753A (zh) | 红外探测器、红外成像系统及其制备方法 | |
| Hunter et al. | High-sensitivity 25μm and 50μm pitch microcantilever IR imaging arrays | |
| US11015980B2 (en) | Infrared radiation sensors and methods of manufacturing infrared radiation sensors | |
| US20200232853A1 (en) | Non-contact type infrared temperature sensor module | |
| JP2011203226A (ja) | 赤外線センサモジュール |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20171115 Address after: Room 2402, section two, No. 639, Binjiang District, Binjiang District, Binjiang District, Zhejiang Patentee after: Hangzhou great Li Microtronics A/S Address before: Hangzhou City, Zhejiang Province, Binjiang District Puyan street 310053 bin Kang Road No. 639 Patentee before: Jiang Lijun |