CN104649213A - 一种微桥结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种微桥结构及其制备方法。具体地，该微桥结构包括衬底、主体桥面，以及第一悬梁臂与第二悬梁臂，用于支撑主体桥面悬于衬底上方；第一连接柱连接衬底与第一悬臂梁；第二连接柱连接衬底与第二悬梁臂；其中，第一悬臂梁与第二悬梁臂分别由第一双材料梁、第二双材料梁及绝热梁组成，第一双材料梁与第二双材料梁分别由热膨胀系数不同的两组薄膜以相同顺序叠合而成。与现有技术相比，本发明中微桥结构的双材料梁均由热膨胀系数不同的两组薄膜以相同顺序叠合而成，使得当微桥结构的主体桥面和衬底的温度发生相同变化时，第一双材料梁与第二双材料梁均发生形变，但互相抵消，实现了由衬底温度变化所可能引起的形变的自补偿。

Description

一种微桥结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，尤其涉及一种微桥结构及其制备方法的技术。

背景技术

在微机电系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanic System）中，通过细长梁支撑连接位于衬底上方一定间隙的平板薄膜（简称主体桥面），这种结构被称为微桥结构。

在传感器的应用中，微桥结构的主体桥面通常作为敏感单元，如热敏微桥的主体桥面的温度变化通常通过电阻、电压、机械位置等参数的变化转换为输出信号，其中广泛应用的一种微桥结构，包括由两种热膨胀系数（CTE，Coefficient of Thermal Expansion）不同的材料组成的双材料梁，作为悬臂梁的一部分；在温度发生变化时，双材料梁会发生弯曲，这种弯曲可以通过结构的机械传递转换为其支撑的主体桥面相对于衬底的高度变化。在该微桥结构中，根据外界热输入（如能量辐射、电阻加热等），微桥的双材料梁温度发生变化，通过结构转换，最终输出主体桥面高度的变化，可通过光学（如薄膜与衬底之间组成的光学干涉结构）、电学（如薄膜与衬底之间构成平板电容）的方法读出。但是，此类微桥结构，需考虑主体桥面位置对外界热输入（如能量辐射、电阻加热等）的灵敏度、微桥结构稳固程度、主体桥面占空比、结构复杂度、工艺实现难度等因素，尤其是否能够对由衬底温度变化引起的微桥整体温度变化进行自补偿，因衬底温度变化会通过热传导引起整个微桥结构的整体温度同步发生变化，若这种变化影响到输出信号，即主体桥面的位置，则在实际应用中必须对衬底进行恒温处理或通过其他方式进行补偿（如电路补偿），然而，该等补偿方法需要额外的资源和代价。此外，现有技术中实现衬底温度补偿的方法如中国专利CN200780100699.7公开了一种微桥结构实例，该微桥结构虽然既实现了衬底温度补偿，也保证了主体桥面的平整，但由于需要4段双材料梁，其中包括两种叠合顺序即高CTE薄膜分别位于低CTE薄膜的上方和下方，该微桥结构的双材料结构比较复杂、工艺实现难度大、加工成本高，而且微桥薄膜的占空比较低、对温度变化产生的响应低。

发明内容

本发明的目的是提供一种微桥结构及其制备方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种微桥结构，包括：衬底、主体桥面，以及：

第一悬梁臂与第二悬梁臂，用于支撑所述主体桥面悬于所述衬底上方，使得所述主体桥面与所述衬底相分离；

第一连接柱，用于连接所述衬底与所述第一悬臂梁；

第二连接柱，用于连接所述衬底与所述第二悬梁臂；

其中，所述第一悬臂梁与所述第二悬梁臂分别由第一双材料梁、第二双材料梁及用于连接所述第一双材料梁与所述第二双材料梁的绝热梁组成，所述第一双材料梁与所述第二双材料梁分别由热膨胀系数不同的两组薄膜以相同顺序叠合而成，所述第一双材料梁通过所述第一连接柱与所述衬底连接并保持热导通，所述第二双材料梁与所述主体桥面相连接并保持热导通。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于制备如前述根据本发明一个方面的微桥结构的方法，其中，该方法包括以下步骤：

a在衬底表面涂覆牺牲层材料，以形成牺牲层；

b在所述牺牲层上形成用于所述微桥结构的连接柱的凹槽；

c在所述凹槽内及所述牺牲层上沉积第一组薄膜，以由所述第一组薄膜构成所述连接柱；

d在所述第一组薄膜上沉积具有与所述第一组薄膜不同热膨胀系数的第二组薄膜；

e确定所述微桥结构的双材料梁的位置，去除所述双材料梁的位置外的所述第二组薄膜，以形成所述双材料梁；

f确定所述微桥结构的悬梁臂、绝热梁与主体桥面的对应位置，去除所述对应位置外的所述第一组薄膜，以形成所述悬梁臂、所述绝热梁与所述主体桥面，其中，所述悬梁臂用于支撑所述主体桥面悬于所述衬底上方，所述悬梁臂由两段所述双材料梁与用于连接该两段双材料梁的绝热梁组成，所述衬底与所述悬臂梁通过所述连接柱与所述衬底相连；

g去除所述牺牲层材料，以获得所述微桥结构，其中，所述主体桥面与所述衬底之间存在空隙。

根据本发明的再一个方面，还提供了一种微传感器，其中，该微传感器包括如前述根据本发明一个方面的微桥结构。

根据本发明的还一个方面，还提供了一种红外传感器，其中，该红外传感器包括如前述根据本发明一个方面的微桥结构。

根据本发明的还一个方面，还提供了一种温度补偿设备，其中，该温度补偿设备包括如前述根据本发明一个方面的微桥结构。

根据本发明的还一个方面，还提供了一种焦平面阵列，其中，该焦平面阵列包括如前述本发明一个方面的微桥结构形成的阵列。

与现有技术相比，本发明中微桥结构的悬梁臂的第一双材料梁与第二双材料梁分别由热膨胀系数不同的两组薄膜以相同顺序叠合而成，使得当微桥结构的主体桥面和衬底的温度发生相同变化时，第一双材料梁与第二双材料梁均发生形变，但互相抵消，因而主体桥面与衬底之间空隙不发生改变，实现了由于微桥结构的衬底温度变化所可能引起的形变的自补偿；且相对于现有技术中对衬底进行恒温处理或通过其他方式进行补偿（如电路补偿）的方法，本发明无需额外的资源开销。而且，本发明中微桥结构的第一悬梁臂与第二悬梁臂以所述主体桥面的中心为中心呈中心对称分布，使得当主体桥面因吸收热辐射或因通过电加热方式温度升高时，第一悬梁臂与第二悬梁臂中的第一双材料梁和第二双材料梁产生相同的形变，而作为整体的微桥结构，微桥在结构形状和温度分布上都保持了中心对称分布，这种中心对称不仅保证了主体桥面不会向任何方向发生倾斜，实现了主体桥面的平整性；而且，也提高了微桥结构的稳固程度。此外，本发明中的微桥结构的悬梁臂由两段双材料梁及一段绝热梁组成，提高了微桥薄膜的占空比；且构成双材料梁的薄膜叠合顺序相同，因此，本发明的双材料梁结构简单，降低了微桥结构的复杂度及实现工艺。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出根据本发明一个实施例的微桥结构的立体示意图；

图2示出与图1所示的微桥结构立体示意图相对应的微桥结构的结构俯视图；

图3示出图2所示的微桥结构俯视图中沿A—A截面的截面图；

图4示出衬底与主体桥面同时升高相同温度时沿A—A线方向的微桥高度分布及微桥结构的形变示意图；

图5示出衬底温度不变、主体桥面升温时沿A—A线方向的微桥高度分布及微桥结构的形变示意图；

图6示出图1/图2所示的微桥结构中主体桥面及衬底均具有复合光学薄膜时的微桥结构示意图；

图7示出本发明微桥结构中形成的干涉装置所符合的平行平板间光束法布里-珀罗干涉仪光路示意图；

图8示出根据本发明微桥结构中形成的干涉装置的参考光的透射光强度随所述空隙的距离变化而发生的变化，确定探测目标的温度的原理示意图；

图9示出微桥结构在不同温度的黑体辐射下产生不同微桥透射率时对应的光谱示意图；

图10示出参考光的透射光强度（任意单位）与黑体温度之间的函数关系示意图；

图11示出本发明另一个实施例的微桥结构的结构示意图；

图12示出本发明还一个实施例的微桥结构的结构示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

图1示出根据本发明一个实施例的微桥结构的立体结构示意图，图2示出与图1所示的微桥结构立体示意图相对应的微桥结构的结构俯视图，其中，该微桥结构包括：衬底1、主体桥面4，以及第一悬梁臂3与第二悬梁臂3’，用于支撑所述主体桥面4悬于所述衬底1上方，使得所述主体桥面4与所述衬底1相分离；第一连接柱21，用于连接所述衬底1与所述第一悬臂梁3；第二连接柱22，用于连接所述衬底1与所述第二悬梁臂3’；其中，所述第一悬臂梁3与所述第二悬梁臂3’分别由第一双材料梁3A1、第二双材料梁3A1及用于连接所述第一双材料梁3A1与所述第二双材料梁3A2的绝热梁3B组成，所述第一双材料梁3A1与所述第二双材料梁3A2分别由热膨胀系数不同的两组薄膜以相同顺序叠合而成，所述第一双材料梁3A1通过所述第一连接柱21与所述衬底1连接并保持热导通，所述第二双材料梁3A2与所述主体桥面4相连接并保持热导通。

在此，所述衬底1可选用透明的玻璃衬底，也可选用其他透明材料，或者不透明材料等，还可选用硅衬底或其他半导体衬底。本领域技术人员应理解上述衬底1仅为示例，其他现有的或今后可能出现的衬底1如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

在此，所述主体桥面4可由氮化硅（SiN）、氧化硅（SiO2）、无定形硅（a-Si）等具有低CTE的材料构成，也可由金属材料如薄膜铝（Al）等具有高CTE的材料构成。在此，所述具有低CTE的材料是指热膨胀系数小于等于5ppm/度的材料，所述具有高CTE的材料是指热膨胀系数大于等于10ppm/度的材料。优选地，所述主体桥面4可包含热辐射吸收材料，或电加热元件，来吸收外界热输入，改变主体桥面4的温度。在此，所述热辐射吸收材料包括如对红外线具有良好吸收的材料，如对8μm～14μm之间的某些波长有强烈吸收峰的材料。在此，所述电加热元件包括但不限于以下至少任一项：1）由一种材料组成的单一电热元件；2）由几种材料组成的复合电热元件；3）金属电加热元件，例如镍铬丝（Ni-Cr）、铁铬铝丝（Fe-Cr-Al）、镍铁丝（Ni-Fe）、镍铜丝（Ni-Cu)）等；4）非金属加热元件，例如碳化硅、硅钼棒、PTC（Positive Temperature Coefficient，正的温度系数）电热元件如PCT热敏电阻、电热涂料等。在此，所述主体桥面4的形状包括但不限于长方形、正方形等各种形状。本领域技术人员应理解上述构成主体桥面4的材料、电加热元件仅为示例，其他现有的或今后可能出现的构成主体桥面4的材料或电加热元件如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。本领域技术人员应理解上述主体桥面4的形状仅为示例，其他现有的或今后可能出现的主体桥面4的形状如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

在此，所述第一连接柱21可通过机械连接、焊接等方式与所述衬底1及所述第一悬臂梁3相连接，所述第一连接柱21可由与构成所述主体桥面4的材料相同的材料构成。所述第二连接柱22可通过机械连接、焊接等方式与所述衬底1与所述第二悬梁臂3’相连接，所述第二连接柱22可由与构成所述主体桥面4的材料相同的材料构成，也可由与构成所述第一连接柱21的材料相同的材料构成。

在此，所述第一双材料梁3A1与所述第二双材料梁3A2分别由热膨胀系数不同的两组薄膜以相同顺序叠合而成，如具有高CTE的薄膜位于具有低CTE的薄膜的上方（如图3所示），或者，具有高CTE的薄膜位于具有低CTE的薄膜的下方。在此，所述具有高CTE的薄膜是指热膨胀系数大于等于10ppm/度的薄膜，如由金属材料构成，如由薄膜铝（Al）构成的高CTE薄膜；所述具有低CTE的薄膜是指热膨胀系数小于等于5ppm/度的薄膜，如由氮化硅（SiN）、氧化硅（SiO2）、无定形硅（a-Si）多层叠合构成。优选地，所述第一双材料梁3A1与所述第二双材料梁3A2平行并排，如图1/图2所示。

在此，所述绝热梁3B用于绝热，其可由热的不良导体，或者采用热导尽可能小的材料制成，也有由具有低CTE的材料制成。在此，当主体桥面4由具有低CTE的材料构成时，构成所述绝热梁3B的材料可与构成主体桥面4的材料相同。

优选地，所述第一悬梁臂3与所述第二悬梁臂3’以所述主体桥面4的中心为中心呈中心对称分布，如图1/图2所示。

为便于说明，在此，图1与图2中，仅以所述第一悬梁臂3与所述第二悬梁臂3’以所述主体桥面4的中心为中心呈中心对称分布、所述第一双材料梁3A1与所述第二双材料梁3A2平行并排，且高CTE的薄膜位于具有低CTE的薄膜的上方情形为例，示出本发明的微桥结构的结构示意图。

具体地，如图1所示，当主体桥面4包含热辐射吸收材料或电加热元件时，主体桥面4因吸收热辐射如物体发出的红外热辐射，或者，因通过电加热方式，导致主体桥面4的温度升高时，与主体桥面4相连接并保持热导通的第二双材料梁3A2因热传导其温度相应也升高，而第二双材料梁3A2由上层高CTE膜和下层低CTE膜叠合构成，由于上下层薄膜的膨胀系数（CTE）的不同，上下膜层热膨胀产生的应力会驱动第二双材料梁3A2产生弯曲，第二双材料梁3A2将出现两端向下、中间拱起的弯曲形状；同理，当微桥结构的衬底1温度升高时，与衬底1通过第一连接柱21相连接并保持热导通的第一双材料梁3A1因热传导其温度相应也升高，而第一双材料梁3A1由上层高CTE膜和下层低CTE膜叠合构成，由于上下层薄膜的膨胀系数（CTE）的不同，上下膜层热膨胀产生的应力会驱动第一双材料梁3A1产生弯曲，第一双材料梁3A1将出现两端向下、中间拱起的弯曲形状。对于如图1所示的微桥结构，当微桥结构整体温度上升时，即主体桥面4和衬底1的温度均上升时，第一双材料梁3A1和第二双材料梁3A2的温度将同时上升，并产生两端向下中间拱起的弯曲，此时，微桥结构作为一个整体，微桥在结构形状和温度分布上都保持了中心对称分布，这种中心对称保证了主体桥面4不会向任何方向发生倾斜，即主体桥面保持了平整性，如图4所示，采用有限元分析软件模拟计算在图1所示的微桥结构在整体温度上升时沿A-A线方向微桥的高度分布和微桥结构形变示意图。从图4可以看出，第一双材料梁3A1和第二双材料梁3A2都发生类似的向下弯曲，但由于第一双材料梁3A1和第二双材料梁3A2以及其延伸方向的绝热梁3B在结构和温度状态上保持了对称性，第一悬臂梁3和第二悬梁臂3’的弯曲并未影响到主体桥面4的竖直高度，即微桥结构很好地实现了环境和衬底的温度补偿，当微桥结构整体的温度发生变化时不影响微桥的信号输出。在此，本发明中的微桥结构具备了其在器件应用中所需的衬底温度自补偿、主体桥面平整等有益效果，因在实际的应用中，微桥结构整体的温度波动，一般由衬底的温度变化引起，本发明的微桥结构实现了衬底温度的自补偿。

再如，仅考虑信号输入的情形，当主体桥面4有热输入（如吸收热辐射或有加热源）时，主体桥面4的温度升高，相应地，与主体桥面4相连接并保持热导通的第二双材料梁3A2温度上升；而第一双材料梁3A1则与衬底1通过第一连接柱21相连接并保持热导通，其温度不发生变化。在这该状态下，第一双材料梁3A1和第二双材料梁3A2的温度分布不再对称，但作为一个整体，微桥在结构形状和温度分布上仍保持了相对于中心点的中心对称关系，这种中心对称关系保证了主体桥面4不会向任何一个方向倾斜，即主体桥面4仍可保持平整。保持平整的主体桥面4，对与其连接的第二双材料梁3A2的一端产生角度约束，与连接柱（第一连接柱21和第二连接柱22）的约束一起构成悬臂梁（第一悬梁臂3和第二悬梁臂3’）的边界约束条件，如图5所示，采用有限元分析软件模拟计算在图1所示的微桥结构在衬底温度不变、主体桥面升温时沿A-A线方向微桥的高度分布和微桥结构形变示意图。从图5可以看出，第二双材料梁3A2及其延伸方向的部分绝热梁3B因第二双材料梁3A2的温度上升产生了弯曲，第一双材料梁3A1虽然温度未发生变化，但通过第二双材料梁3A2经绝热梁3B的应力传递，也被迫发生了与第二双材料梁3A2相同方向的弯曲，但弯曲程度比第二双材料梁3A2要小，主体桥面4仍然持平整，但其高度（以第一连接柱连接处为参考点）出现了上升，通过结构的力学传递，由主体桥面4的温度变化引起的第二双材料梁3A2的自发弯曲，转换成了主体桥面4的高度变化，即实现了温度传感输出。

在一个优选实施例中，所述主体桥面4、所述衬底1，以及两者之间的空隙构成电容，所述主体桥面4的一部分或全部及所述衬底1为所述电容的电极，所述电容的电容值与所述空隙的距离相关。当主体桥面4因吸收入射红外线或其他方式被加热，导致主体桥面4的温度升高时，主体桥面4与衬底1之间的空隙发生变化，而空隙的变化导致上下电极间的电容发生变化，由此可探测桥面4相对于衬底1的温度变化。

在一个优选实施例中，参考图6（基于图1/图2所示的微桥结构），其中，所述主体桥面4朝向所述衬底1的端面上具有第一复合光学薄膜5，所述衬底1朝向所述主体桥面4的端面上具有第二复合光学薄膜6，所述第一复合光学薄膜5、第二复合光学薄膜6，以及两者之间的空隙7构成干涉装置。在此，所述第一复合光学薄膜5包括但不限于如：1)由对长波红外（3μm～15μm）具有良好吸收的材料构成的吸收层，用于吸收入射的红外辐射；2）由对可见或近红外（0.5μm～1μm）光波具有部分透射与部分反射的材料构成的部分透射反射层。在此，所述第二复合光学薄膜6包括但不限于如：1）由对长波红外（3μm～15μm）具有反射的材料构成的反射层，其与主体桥面4的上的第一复合光学薄膜5以及两者之间的空隙7共同形成红外谐振腔，用于增强主体桥面4对红外辐射的吸收；2）由对可见或近红外（0.5μm～1μm）光波具有部分透射与部分反射的材料构成的部分透射反射层，用于与主体桥面4的第一复合光学薄膜5以及两者之间的空隙7一起构成可见与近红外光波的干涉装置，其透射光强度和反射光强度均随空隙距离的变化而变化。

在此，所述干涉装置包括但不限于如：1）法布里-珀罗（FP）干涉仪；2）非严格的FP干涉仪；3）其他类型干涉的干涉仪，如瑞利干涉仪、迈克耳孙干涉仪及其变型泰曼干涉仪等。在此，所述干涉装置的透射光强度和反射光强度均随第一复合光学薄膜与第二复合光学薄膜之间的空隙距离的变化而变化，为便于说明，在此，仅以当所述干涉装置为法布里-珀罗（FP）干涉仪情形为例进行说明：

例如，所述干涉装置符合如图7所示的平行平板间光束法布里-珀罗干涉，设平行平板的折射率为n，厚度为d（即衬底1上的第一复合光学薄膜与主体桥面4上的第二复合光学薄膜之间的空隙的距离），入射的单色光倾角为θ₁，折射角为θ₂，上表面（从周围介质进入板内）的反射率和透射率分别为r₁、t₁，下表面（从板内进入周围介质）的反射率和透射率分别为r₂、t₂，则相邻反射光或透射光之间的光程差为ΔL＝2ndcosθ₂，对应相位差为该干涉装置的透射光强度和反射光强度分别满足以下公式（1）与（2）：

其中，I_t表示干涉装置的透射光强度，I_r表示干涉装置的反射光强度，I₀表示干涉装置的入射光S的强度，R+T=1，T=t₁*t₂，F＝4R/(1-R)²。因此，从以上公式（1）和（2）可以看出，所述干涉装置的透射光强度和反射光强度均随第一复合光学薄膜与第二复合光学薄膜之间的空隙距离的变化而变化。

此外，当微桥结构整体温度上升时，即主体桥面4和衬底1的温度均发生相同变化时，第一双材料梁3A1和第二双材料梁3A2的温度发生变化，进而产生形变，但互相抵消，因而主体桥面4与衬底1之间空隙不发生改变，如图4所示，从而所述干涉装置的透射光强度和反射光强度不变。

在此，当主体桥面4包含热辐射吸收材料时，主体桥面4因吸收热辐射如物体发出的红外热辐射，导致主体桥面4的温度升高，相应地，与主体桥面4相连接并保持热导通的第二双材料梁3A2温度上升，发生形变，而第一双材料梁3A1则与衬底1通过第一连接柱21相连接并保持热导通，其温度不发生变化；第二双材料梁3A2及其延伸方向的部分绝热梁3B因第二双材料梁3A2的温度上升产生了弯曲，第一双材料梁3A1虽然温度未发生变化，但通过第二双材料梁3A2经绝热梁3B的应力传递，也被迫发生了与第二双材料梁3A2相同方向的弯曲，但弯曲程度比第二双材料梁3A2要小，此时，微桥结构产生如图5所示的形变，从而导致主体桥面4与衬底1之间的距离发生变化，则根据上述公式（1）与（2），相应地，透射光强度及反射光强度均发生变化。因此，当所述干涉装置的透射光强度发生变化，或反射光强度发生变化时，即说明有红外线入射，即本发明的微桥结构可用于探测入射红外线。本领域技术人员应当理解，本发明的微桥结构和探测方法实例同样适用于其他任何导致主体桥面4的温度相对于衬底1的温度发生变化所产生的信号。

此外，当所述主体桥面4朝向所述衬底1的端面上不具有第一复合光学薄膜时，或者，当所述衬底1朝向所述主体桥面4的端面上不具有第二复合光学薄膜时，在该情形下，本发明的微桥结构中不满足形成所述干涉装置的条件，即无法生成相干光源，此时，可采用在主体桥面4和衬底1上分别做电极的方法，由主体桥面4、衬底1及两者之间的空隙形成电容，该电容的电容值与所述空隙的距离相关，通过探测主体桥面4和衬底1之间的电容、谐振等以探测主体桥面4与衬底1之间的空隙的距离，以实现探测红外线。优选地，本发明还可通过探测主体桥面4和衬底1之间的空隙改变时的电容变化，从而探测主体桥面4的温度变化。

优选地，该微桥结构还包括红外探测装置（未示出）。具体地，红外探测装置根据所述干涉装置的参考光的透射光强度和/或反射光强度随所述空隙的距离变化而发生的变化，确定探测目标的温度，其中，所述参考光的波长不同于所述入射红外线的波长。

例如，如图8所示，将一束参考光101均匀照射到如图6所示的微桥结构的主体桥面4时，目标物体如subject1发出的红外热辐射100，其中，参考光101的波长不同于红外热辐射100的波长，如选择可见光波段的光作为参考光101，由主体桥面4的第一复合光学薄膜5吸收后，引起微桥结构的主体桥面4温度上升，相应地，与主体桥面4相连接并保持热导通的第二双材料梁3A2温度上升，发生形变，进而引起空隙7的距离发生变化，从而导致所述干涉装置的透射率发生相应变化，则红外探测装置可通过读取参考光101的透射光102的强度和/或参考光101的反射光的强度，确定目标物体subject1的温度，如通过采用标定的方式确定目标物体subject1的温度与透射光102的强度的对应关系，或者，也可通过采用标定的方式确定目标物体subject1的温度与参考光101的反射光的强度的对应关系，为方便期间，在此仅以通过标定目标物体subject1的温度与透射光102的强度的对应关系为例进行说明：在标定时，采用一系列不同温度的黑体产生不同的辐射，并分别读取不同黑体辐射下对应的透射光102的强度，如图9为多个不同温度的黑体辐射产生不同微桥透射率光谱（即微桥结构的所述干涉装置在不同透射率下，所述微桥结构所对应的透射光谱）的一个示例，如图9所示，用不同温度的黑体照射微桥结构时，主体桥面4因吸收黑体发出的红外热辐射而温度上升，相应地，所述干涉装置的透射率发生相应变化，因此，参考光经过所述微桥结构时，其透射光强度相应也发生变化。在此，可在透射率光谱的适当位置，一般为透射峰的两边，选用特定波长的稳定参考光源，如由单色LED或激光产生。当不同温度的黑体照射所述微桥结构时，同时用参考光101照射所述微桥结构，可通过探测透射光102在不同温度黑体照射所述微桥结构时对应的强度，进而得到透射光102的强度（任意单位）与黑体温度有单调的函数关系，如图10所示；当目标物体如subject1发出的红外热辐射100被主体桥面4吸收后，微桥结构的干涉装置的透射率发生变化，则红外探测装置可通过探测参考光101透射所述微桥结构的投射光102的强度，结合如图10所示的函数关系曲线，再通过数字处理，得到目标物体subject1的温度，达到温度探测的目的。

本领域技术人员应理解上述确定探测目标的温度的方式仅为示例，其他现有的或今后可能出现的确定探测目标的温度的方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

更优选地，所述红外探测装置还可进一步根据得到的探测目标的温度，确定所述探测目标的辐射强度，如根据普朗克辐射定律，如下公示（3）所示，对λ在8μm～14μm范围内进行积分，得到目标物体subject1发出的红外热辐射100的强度：

$I(\mathrm{\λ},T)=\frac{{2\mathrm{hc}}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{e^{\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λKT}}-1}}---\left(3\right)$

其中，I为辐射强度，表示在单位时间内从单位表面积和单位立体角内以单位波长间隔辐射出的能量，λ为辐射波长(μm)，T为黑体绝对温度(K、T=t+273k)，C为光速(2.998×10⁸m·s)，h为普朗克常数，6.626×10^-34J·S，e为自然对数的底，K为玻尔兹曼常数(Boltzmannconstant)，1.3806505*10^-23J/K基本物理常数。

图11示出本发明另一个实施例的微桥结构的结构示意图，其中，图11所示的微桥结构基于图1/图2所示的微桥结构，其中，所述第一悬梁臂3与所述第二悬梁臂3’位于所述主体桥面4的对角位置并分别沿远离所述主体桥面4的方向延伸。如图11所示，第一悬梁臂3与第二悬梁臂3’位于所述主体桥面4的对角位置并分别沿远离所述主体桥面的方向延伸。然而，在实际工艺制造中，工艺残余应力和非均匀性是无法避免的，这种应力和非均匀性将破坏结构的中心对称特征，引入非对称因素，从而导致主体桥面4倾斜，通过模拟计算可知，相对于图1/图2的微桥结构，图11所示的微桥结构对非对称因素抵抗力更强，主体桥面4更不容易发生倾斜。

图12示出本发明再一个实施例的微桥结构的结构示意图，其中，图12所示的微桥结构基于图1/图2所示的微桥结构，其中，所述绝热梁3B包括多次弯折的绝热梁。优选地，所述多次弯折的绝缘梁为平行绝缘梁，如图12所示，绝热梁3B为多次弯折的平行绝热梁，相比图1、图2、图11所示的微桥结构，通过多次弯折的平行绝缘梁，不仅可以增强绝热并提高热-温度转换效率，还增加了主体桥面4高度变化对第二双材料梁3A2温度的灵敏度。

为便于说明，在此，图11与图12中，仅以所述第一双材料梁3A1与所述第二双材料梁3A2平行并排，且高CTE的薄膜位于具有低CTE的薄膜的上方情形为例，示出本发明的微桥结构的结构示意图。

本发明还包括制备如图1所示的微桥结构的方法流程。具体地，在步骤a中，在衬底表面涂覆牺牲层材料，以形成牺牲层；在步骤b中，在所述牺牲层上形成用于所述微桥结构的连接柱的凹槽；在步骤c中，在所述凹槽内及所述牺牲层上沉积第一组薄膜，以由所述第一组薄膜构成所述连接柱；在步骤d中，在所述第一组薄膜上沉积具有与所述第一组薄膜不同热膨胀系数的第二组薄膜；在步骤e中，确定所述微桥结构的双材料梁的位置，去除所述双材料梁的位置外的所述第二组薄膜，以形成所述双材料梁；在步骤f中，确定所述微桥结构的悬梁臂、绝热梁与主体桥面的对应位置，去除所述对应位置外的所述第一组薄膜，以形成所述悬梁臂、所述绝热梁与所述主体桥面，其中，所述悬梁臂用于支撑所述主体桥面悬于所述衬底上方，所述悬梁臂由两段所述双材料梁与用于连接该两段双材料梁的绝热梁组成，所述衬底与所述悬臂梁通过所述连接柱与所述衬底相连；在步骤g中，去除所述牺牲层材料，以获得所述微桥结构，其中，所述主体桥面与所述衬底之间存在空隙。

具体地，在步骤a中，在衬底表面涂覆牺牲层材料，以形成牺牲层。在此，所述牺牲层材料包括但不限于如聚酰亚胺（PI）（如可溶性PI）、无定形硅（a-Si）等。例如，在硅衬底上沉积、涂覆牺牲层材料如2.5μm聚酰亚胺。在此，所述牺牲层材料的厚度为0.5μm～3μm，优选2.5μm。

然后，在步骤b中，在所述牺牲层上形成用于所述微桥结构的连接柱的凹槽。例如，接上例，利用微机电系统加工工艺中图形方法，在所述牺牲层上形成如图1所示的微桥结构的第一连接柱21与第二连接柱22所需的凹槽。

接着，在步骤c中，在所述凹槽内及所述牺牲层上沉积第一组薄膜，以由所述第一组薄膜构成所述连接柱，例如，在所述凹槽内及所述牺牲层上沉积第一组薄膜，以由所述第一组薄膜构成图1所示的微桥结构的第一连接柱21与第二连接柱22，在此，所述第一组薄膜为由氮化硅（SiN）、氧化硅（SiO2）、无定形硅（a-Si）等具有低CTE的材料构成，或者，也可由金属材料如薄膜铝（Al）等具有高CTE的材料构成。

接着，在步骤d中，在所述第一组薄膜上沉积具有与所述第一组薄膜不同热膨胀系数的第二组薄膜。在此，所述第二组薄膜为由氮化硅（SiN）、氧化硅（SiO2）、无定形硅（a-Si）等具有低CTE的材料构成，或者，也可由金属材料如薄膜铝（Al）等具有高CTE的材料构成，当所述第一组薄膜为高CTE薄膜时，所述第二组薄膜为低CTE薄膜，当所述第一组薄膜为低CTE薄膜时，所述第二组薄膜为高CTE薄膜。

接着，在步骤e中，确定所述微桥结构的双材料梁的位置，去除所述双材料梁的位置外的所述第二组薄膜，以形成所述双材料梁。例如，通过微机电系统加工工艺中图形方法，首先画出如图1所示的微桥结构的图形；然后，通过光刻、腐蚀等方法去除第一双材料梁3A1与第二双材料梁3A2的位置外的所述第二组薄膜，以形成所述第一双材料梁3A1与第二双材料梁3A2。

然后，在步骤f中，确定所述微桥结构的悬梁臂、绝热梁与主体桥面的对应位置，去除所述对应位置外的所述第一组薄膜，以形成所述悬梁臂、所述绝热梁与所述主体桥面，其中，所述悬梁臂用于支撑所述主体桥面悬于所述衬底上方，所述悬梁臂由两段所述双材料梁与用于连接该两段双材料梁的绝热梁组成，所述衬底与所述悬臂梁通过所述连接柱相连。例如，通过微机电系统加工工艺中图形方法，首先画出如图1所示的微桥结构的图形；然后，通过光刻、腐蚀等方法去除如1所示的微桥结构的悬梁臂、绝热梁与主体桥面的对应位置外的所述第一组薄膜，以形成图1所示的微桥结构的第一悬梁臂3与第二悬梁臂3’、绝热梁3B与主体桥面4，即绝热梁3B与主体桥面4均由所述第一组薄膜形成，其中，所述悬梁臂用于支撑所述主体桥面4悬于所述衬底1上方，所述悬梁臂由两段所述双材料梁与用于连接该两段双材料梁的绝热梁3B组成，所述衬底与所述悬臂梁通过所述连接柱相连。

在步骤g中，去除所述牺牲层材料，以获得所述微桥结构，其中，所述主体桥面与所述衬底之间存在空隙，如通过氧等离子刻蚀方法去除所述牺牲层材料，释放所述微桥结构，以获得如图1所示的微桥结构，其中，主体桥面4与衬底1之间存在空隙。

在此，因本发明的整个微桥结构仅包含一种叠合顺序的双材料薄膜，在工艺上仅通过两次的薄膜沉积即可完成，降低了工艺制造成本和加工难度。

优选地，在步骤a中，还可首先在所述衬底如硅衬底上沉积第三组薄膜，因在后续步骤f中形成的主体桥面由所述第一组薄膜构成，因此，所述第三组薄膜可与所述主体桥面以及主体桥面与第三组薄膜之间的空隙构成干涉装置；然后，在所述第三组薄膜的表面上涂覆牺牲层材料，以形成牺牲层。在此，所述第三组薄膜包括但不限于如：1）由对长波红外（3μm～15μm）具有反射的材料构成的反射层，其与主体桥面以及两者之间的空隙共同形成红外谐振腔，用于增强主体桥面4对红外辐射的吸收；2）由对可见或近红外（0.5μm～1μm）光波具有部分透射与部分反射的材料构成的部分透射反射层，用于与主体桥面以及两者之间的空隙一起构成可见与近红外光波的干涉装置，其透射光强度和反射光强度均随空隙距离的变化而变化。

优选地，在步骤a中，还可首先在所述衬底上沉积电极，以与所述主体桥面及所述空隙构成电容；然后，在沉积有电极的所述衬底上涂覆牺牲层材料，以形成牺牲层。在此，所述电极可为金属的，也可为非金属的。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (16)

1.一种微桥结构，包括：衬底、主体桥面，以及：

第一悬梁臂与第二悬梁臂，用于支撑所述主体桥面悬于所述衬底上方，使得所述主体桥面与所述衬底相分离；

第一连接柱，用于连接所述衬底与所述第一悬臂梁；

第二连接柱，用于连接所述衬底与所述第二悬梁臂；

其中，所述第一悬臂梁与所述第二悬梁臂分别由第一双材料梁、第二双材料梁及用于连接所述第一双材料梁与所述第二双材料梁的绝热梁组成，所述第一双材料梁与所述第二双材料梁分别由热膨胀系数不同的两组薄膜以相同顺序叠合而成，所述第一双材料梁通过所述第一连接柱与所述衬底连接并保持热导通，所述第二双材料梁与所述主体桥面相连接并保持热导通。

2.根据权利要求1所述的微桥结构，其中，所述第一悬梁臂与所述第二悬梁臂以所述主体桥面的中心为中心呈中心对称分布。

3.根据权利要求1所述的微桥结构，其中，所述第一悬梁臂与所述第二悬梁臂位于所述主体桥面的对角位置并分别沿远离所述主体桥面的方向延伸。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的微桥结构，其中，所述第一双材料梁与所述第二双材料梁平行并排。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的微桥结构，其中，所述绝热梁包括多次弯折的绝热梁。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的微桥结构，其中，所述主体桥面包含热辐射吸收材料，或电加热元件。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的微桥结构，其中，所述主体桥面、所述衬底，以及两者之间的空隙构成电容，所述主体桥面的一部分或全部及所述衬底为所述电容的电极，所述电容的电容值与所述空隙的距离相关。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的微桥结构，其中，所述主体桥面朝向所述衬底的端面上具有第一复合光学薄膜，所述衬底朝向所述主体桥面的端面上具有第二复合光学薄膜，所述第一复合光学薄膜、所述第二复合光学薄膜，以及两者之间的空隙构成干涉装置。

9.根据权利要求8所述的微桥结构，其中，该微桥结构还包括：

红外探测装置，用于根据所述干涉装置的参考光的透射光强度和/或反射光强度随所述空隙的距离变化而发生的变化，确定探测目标的温度，其中，所述参考光的波长不同于所述入射红外线的波长。

10.一种微传感器，其中，该微传感器包括权利要求1至9中任一项所述的微桥结构。

11.一种红外传感器，其中，该红外传感器包括权利要求1至9中任一项所述的微桥结构。

12.一种温度补偿设备，包括权利要求1至9中任一项所述的微桥结构。

13.一种焦平面阵列，其中，该焦平面阵列包括权利要求1至9中任一种或多种所述微桥结构形成的阵列。

14.一种用于制备如权利要求1所述的微桥结构的方法，其中，该方法包括以下步骤：

a在衬底表面涂覆牺牲层材料，以形成牺牲层；

b在所述牺牲层上形成用于所述微桥结构的连接柱的凹槽；

c在所述凹槽内及所述牺牲层上沉积第一组薄膜，以由所述第一组薄膜构成所述连接柱；

d在所述第一组薄膜上沉积具有与所述第一组薄膜不同热膨胀系数的第二组薄膜；

e确定所述微桥结构的双材料梁的位置，去除所述双材料梁的位置外的所述第二组薄膜，以形成所述双材料梁；

f确定所述微桥结构的悬梁臂、绝热梁与主体桥面的对应位置，去除所述对应位置外的所述第一组薄膜，以形成所述悬梁臂、所述绝热梁与所述主体桥面，其中，所述悬梁臂用于支撑所述主体桥面悬于所述衬底上方，所述悬梁臂由两段所述双材料梁与用于连接该两段双材料梁的绝热梁组成，所述衬底与所述悬臂梁通过所述连接柱相连；

g去除所述牺牲层材料，以获得所述微桥结构，其中，所述主体桥面与所述衬底之间存在空隙。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述步骤a包括：

-在所述衬底上沉积第三组薄膜，以与所述主体桥面及所述空隙构成干涉装置；

-在所述第三组薄膜的表面上涂覆牺牲层材料，以形成牺牲层。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述步骤a包括：

-在所述衬底上沉积电极，以与所述主体桥面及所述空隙构成电容；

-在沉积有电极的所述衬底上涂覆牺牲层材料，以形成牺牲层。