CN108562360B - 一种新型红外传感器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型红外传感器结构，包括一组悬臂梁式开关阵列，各悬臂梁式开关包括一个悬臂梁和一个与其对应的开关，不同悬臂梁式开关的悬臂梁与开关之间的垂直高度不同，当悬臂梁发生朝向开关的形变而与开关接触时使开关导通；其中，利用不同悬臂梁吸收红外信号时所产生形变量的不同，以根据开关的导通数量量化红外信号的强弱，实现对红外信号的探测。本发明的新型红外传感器结构的制作可与现有的半导体CMOS工艺相兼容。

Description

一种新型红外传感器结构
技术领域
本发明涉及半导体集成电路和红外传感器技术领域，更具体地，涉及一种与CMOS相兼容的新型红外传感器结构。
背景技术
微电子机械系统(MEMS)技术具有微小、智能、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等诸多优点，故其已开始广泛应用在包括红外探测技术领域的诸多领域。
红外传感器是红外探测技术领域中应用非常广泛的一种产品，其一般是采用在CMOS电路上集成MEMS微桥结构，利用热敏电阻(通常为负温度系数的非晶硅或氧化矾)吸收红外线，且通过电路将其变化的信号转化成电信号放大输出，据此来实现热成像功能。
在现有的红外传感器的微桥结构中，微桥结构的桥面通常由具有负温度系数的负性敏感材料层和金属电极层组成，通过负性敏感材料层吸收红外线引起电阻的变化，并通过金属电极层连接微桥桥面两端的两个支撑柱，再经支撑柱电连接至外围读出电路，将负性敏感材料层变化的电阻信号转化成电信号放大输出，据此来实现热成像功能。
然而，MEMS与CMOS之间的工艺兼容性问题始终是困扰CMOS-MEMS技术的关键。
因此，如何借鉴现有的半导体CMOS工艺改进红外传感器的结构及加工制造技术，已成为业界亟待解决的重要课题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种新型红外传感器结构。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种新型红外传感器结构，包括一组悬臂梁式开关阵列，各悬臂梁式开关包括一个悬臂梁和一个与其对应的开关，不同悬臂梁式开关的悬臂梁与开关之间的垂直高度不同，当悬臂梁发生朝向开关的形变而与开关接触时使开关导通；其中，利用不同悬臂梁吸收红外信号时所产生形变量的不同，以根据开关的导通数量量化红外信号的强弱。
优选地，所述悬臂梁的端部设有用于控制开关导通的金属。
优选地，所述悬臂梁式开关阵列建立在一半导体衬底上，所述开关设于所述半导体衬底的表面上，各所述悬臂梁水平连接在设于半导体衬底表面上的支撑柱侧部。
优选地，所述支撑柱采用介质材料形成。
优选地，所述开关为CMOS开关。
优选地，所述悬臂梁式开关阵列包括至少两个悬臂梁式开关。
优选地，所述悬臂梁由热敏感材料形成。
优选地，不同悬臂梁由具有不同热膨胀系数的热敏感材料形成。
优选地，悬臂梁式开关阵列中各悬臂梁与对应开关之间的垂直高度按照递增或递减方式设置。
优选地，当悬臂梁式开关阵列中各悬臂梁与对应开关之间的垂直高度按照递增方式设置时，各悬臂梁材料的热膨胀系数依次增大；当悬臂梁式开关阵列中各悬臂梁与对应开关之间的垂直高度按照递减方式设置时，各悬臂梁材料的热膨胀系数依次减小。
从上述技术方案可以看出，本发明通过建立一组悬臂梁式开关阵列，并使各悬臂梁式开关中的悬臂梁与开关之间具有不同的垂直高度，当悬臂梁吸收红外信号产生形变时，即可产生不同悬臂梁之间形变量不同的特征，利用该形变特征，就可以根据开关的导通情况量化红外信号的强弱，实现对红外信号的探测。本发明的新型红外传感器结构的制作可与现有的半导体CMOS工艺相兼容。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例的一种新型红外传感器结构俯视图；
图2是本发明较佳实施例一的一种新型红外传感器结构局部截面图；
图3是本发明较佳实施例二的一种新型红外传感器结构局部截面图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1和图2，图1是本发明一较佳实施例的一种新型红外传感器结构俯视图，图2是本发明一较佳实施例的一种新型红外传感器结构局部截面图。如图1和图2所示，本发明的一种新型红外传感器结构，可建立在一个半导体衬底(图略)上，新型红外传感器结构包括一组由多个悬臂梁式开关所组成的悬臂梁式开关阵列20。悬臂梁式开关阵列20包括至少两个悬臂梁式开关，例如图示例举了四个悬臂梁式开关。
请参阅图1。在上述的悬臂梁式开关阵列20中，每个悬臂梁式开关都包括一个位于上方的悬臂梁21和一个位于下方并与悬臂梁21对应的开关22。初始状态下，悬臂梁21与开关22不相接触，两者之间保持一定的垂直高度(距离)。当悬臂梁21发生朝向开关22的形变(翘曲)而与开关22接触时，则可使开关22导通。
悬臂梁式开关阵列20建立在半导体衬底上。其中，各悬臂梁式开关中的开关22可设于半导体衬底的表面上；半导体衬底表面上可竖直设有支撑柱10，各悬臂梁式开关中的悬臂梁21则可水平连接设置在支撑柱10的侧部。
支撑柱10可采用CMOS工艺中的常规介质材料进行沉积、光刻、刻蚀等步骤制作。
开关22可由采用CMOS工艺形成的CMOS开关来制作。
悬臂梁21可采用CMOS工艺中的常规沉积、光刻、刻蚀等步骤进行制作；悬臂梁21的材料可采用热敏感材料；并且，不同的悬臂梁21由具有不同热膨胀系数的热敏感材料形成。其中，对不同热敏感材料的选择应保证不同热敏感材料的热膨胀系数之间具有明显的差异。
请参阅图2，其显示开关22位于悬臂梁21下侧的一种实现方式。不同悬臂梁式开关的悬臂梁21与开关22之间的垂直高度不同；例如，图示三个悬臂梁式开关中，悬臂梁21-1与开关22-1之间的垂直高度为H1，悬臂梁21-2与开关22-2之间的垂直高度为H2，悬臂梁21-3与开关22-3之间的垂直高度为H3，H1＜H2＜H3。
当采用热敏感材料的悬臂梁21(21-1、21-2和21-3)吸收到红外信号时，将发生热形变，导致悬臂梁21(21-1、21-2和21-3)翘曲而朝向开关22(22-1、22-2和22-3)弯曲，当形变大于悬臂梁与开关之间的垂直高度H1/H2/H3时，就会与开关的接口发生接触，从而可使开关导通。这样，利用具有不同热膨胀系数的悬臂梁吸收红外信号时所产生形变量的不同，就可以根据开关的导通数量量化红外信号的强弱，即可以对吸收红外的程度进行量化评估。
悬臂梁21(21-1、21-2和21-3)的端部设有用于控制开关导通的金属211。
悬臂梁式开关阵列20中各悬臂梁21-1、21-2、21-3与对应开关22-1、22-2、22-3之间的垂直高度H1、H2、H3可按照图示递增的方式进行设置，即各悬臂梁式开关中悬臂梁与开关之间的垂直高度H1＜H2＜H3。或者相反，悬臂梁式开关阵列20中各悬臂梁与对应开关之间的垂直高度也可按照递减的方式进行设置。
当悬臂梁式开关阵列20中各悬臂梁与对应开关之间的垂直高度按照递增方式设置时，各悬臂梁的材料热膨胀系数也对应依次增大；反之，当悬臂梁式开关阵列20中各悬臂梁与对应开关之间的垂直高度按照递减方式设置时，各悬臂梁的材料热膨胀系数也对应依次减小。
请参阅图3，其显示开关22(22-1、22-2、22-3)位于悬臂梁21(21-1、21-2、21-3)上侧的另一种实现方式。开关22可以放置在能够形变的悬臂梁21上侧或者下侧，其区别是在材料选择上面。当开关22放置在能够形变的悬臂梁21上侧时，CMOS工艺中可选的材料相对较为有限。
本发明的新型红外传感器结构的制作可与现有的半导体CMOS工艺相兼容。
综上，本发明通过建立一组悬臂梁式开关阵列，并使各悬臂梁式开关中的悬臂梁与开关之间具有不同的垂直高度，当悬臂梁吸收红外信号产生形变时，即可产生不同悬臂梁之间形变量不同的特征，利用该形变特征，就可以根据开关的导通情况量化红外信号的强弱，实现对红外信号的探测。
以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种新型红外传感器结构，其特征在于，包括一组悬臂梁式开关阵列，各悬臂梁式开关包括一个悬臂梁和一个与其对应的开关，不同悬臂梁式开关的悬臂梁与开关之间的垂直高度不同，所述悬臂梁的端部设有用于控制开关导通的金属，当悬臂梁发生朝向开关的形变而与开关接触时使开关导通；其中，利用具有不同热膨胀系数的悬臂梁吸收红外信号时所产生形变量的不同，以根据开关的导通数量量化红外信号的强弱。
2.根据权利要求1所述的新型红外传感器结构，其特征在于，所述悬臂梁式开关阵列建立在一半导体衬底上，所述开关设于所述半导体衬底的表面上，各所述悬臂梁水平连接在设于半导体衬底表面上的支撑柱侧部。
3.根据权利要求2所述的新型红外传感器结构，其特征在于，所述支撑柱采用介质材料形成。
4.根据权利要求2所述的新型红外传感器结构，其特征在于，所述开关为CMOS开关。
5.根据权利要求1所述的新型红外传感器结构，其特征在于，所述悬臂梁式开关阵列包括至少两个悬臂梁式开关。
6.根据权利要求1所述的新型红外传感器结构，其特征在于，所述悬臂梁由热敏感材料形成。
7.根据权利要求6所述的新型红外传感器结构，其特征在于，不同悬臂梁由具有不同热膨胀系数的热敏感材料形成。
8.根据权利要求1所述的新型红外传感器结构，其特征在于，悬臂梁式开关阵列中各悬臂梁与对应开关之间的垂直高度按照递增或递减方式设置。
9.根据权利要求8所述的新型红外传感器结构，其特征在于，当悬臂梁式开关阵列中各悬臂梁与对应开关之间的垂直高度按照递增方式设置时，各悬臂梁材料的热膨胀系数也对应依次增大；当悬臂梁式开关阵列中各悬臂梁与对应开关之间的垂直高度按照递减方式设置时，各悬臂梁材料的热膨胀系数也对应依次减小。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Kang Xiaoxu

Inventor after: Jiang Bin

Inventor before: Kang Xiaoxu

CB03 Change of inventor or designer information
GR01 Patent grant
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