CN110118604B - 基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计及其制备方法涉及红外探测与成像技术领域，解决了现有吸收带宽窄、厚度大以及制备工艺复杂的问题，宽光谱微测辐射热计包括从下至上依次设置的集成读出电路衬底层、热绝缘微桥、热敏电阻传感层、钝化绝缘层、金属反射层、介质间隔层和阵列层，阵列层的每个阵列单元包括谐振单元，谐振单元包括介质层和金属层，介质层中部设有通孔，金属层位于通孔内且连接介质层；金属反射层的厚度值大于红外辐射在其内的趋肤深度值。本发明通过金属反射层、介质间隔层和阵列层共同作为超表面红外吸收层，能实现宽光谱吸收，通过嵌套结构的谐振单元减小了结构的厚度、对应的制备方法简单，有利于大规模低成本制备。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测与成像技术领域，具体涉及基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计及其制备方法。
背景技术
红外探测器是一种探测、识别和分析物体红外信息的红外成像器件，可以分为制冷型和非制冷型两大类，其中非制冷红外探测器无需附加制冷机构，能够在室温条件下工作，具有小型化、低成本、低功耗、性能稳定等特点。非制冷红外探测器虽然在响应时间、探测灵敏度方面较制冷型红外探测器存在一定差距，但其凭借低廉的成本以及良好的便携性等优点，非制冷红外探测器在军用和民用领域占据越来越高的市场份额。
非制冷红外探测器主要包括微测辐射热计、热释电红外探测器、热电堆红外探测器和光机械红外探测器等，其中基于热敏电阻材料的微测辐射热计与MEMS微加工工艺兼容，并且可以和CMOS读出电路单片集成，能进行高通量生产。微测辐射热计的基本原理是红外辐射在吸收结构中被转化为热信号，热信号传输至热敏电阻层，使热敏电阻阻值发生变化，变化的阻值信息会转化为电信号输出，从而获得目标的红外信息。微测辐射热计由大量探测单元组成，探测单元结构的设计是制备高性能微测辐射热计的关键因素，它决定了探测器对目标波段红外辐射的吸收和利用率。探测器单元结构主要包括两部分，第一部分是热敏电阻层，目前微测辐射热计采用的热敏材料主要是氧化钒和多晶硅，这两种具有较高的电阻温度系数，对环境温度变化敏感。第二部分是红外吸收结构，红外吸收结构决定了微测辐射热计对红外辐射的吸收率，目前采用多层膜系结构来增强吸收，多层膜系结构是利用光在多层光学薄膜中的吸收光谱的组合来增强整个膜系对目标红外波段的吸收率，但该方法吸收模式单一，材料选择范围有限并且很难同时保证吸收率和吸收带宽，难以满足红外探测器高分辨探测和宽光谱探测的需求。近年来，基于超表面的新型红外吸收材料为满足微测辐射热计对红外辐射宽谱高吸收的需求提供了解决方案。超表面是由一系列亚波长人工微结构按照一定的排列方式构建而成的薄平面阵列，它与电磁波相互作用时能激发出多种不同的谐振模式，混合谐振模式的激发能在较宽光谱范围实现对入射红外辐射近乎完美的吸收。近年来出现了很多关于红外超表面吸收结构的设计方法，但是设计出工作在长波红外区域的宽谱高吸收结构并将其集成在微测辐射热计的研究不是很多，而且这些结构存在着吸收带宽窄、厚度大以及制备工艺复杂等问题。
发明内容
为了解决现有微测辐射热计的吸收带宽窄、厚度大以及制备工艺复杂的问题，本发明提供基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计及其制备方法。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计，包括集成读出电路衬底层、设置在集成读出电路衬底层上的热绝缘微桥、设置在热绝缘微桥上的热敏电阻传感层、设置在热敏电阻传感层上表面上的钝化绝缘层、设置在钝化绝缘层上表面上的金属反射层、设置在金属反射层上表面上的介质间隔层和设置在介质间隔层上表面上的阵列层，阵列层的每个阵列单元包括M个谐振单元，M为大于等于1的整数，当M>1时，M个谐振单元上下堆叠设置；谐振单元包括介质层和金属层，介质层中部设有通孔，金属层位于通孔内且连接介质层；金属反射层的厚度值大于红外辐射在其内的趋肤深度值。
基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计的制备方法，包括如下步骤：
S1、在集成读出电路衬底层上制备第一牺牲层，第一牺牲层覆盖衬底层上表面，采用光刻掩膜版通过刻蚀第一牺牲层制备孔洞，读出电极通过孔洞露出，得到第二牺牲层；所述第一牺牲层的材料采用聚酰亚胺、氧化的多孔硅、二氧化硅或磷硅玻璃；
S2、在第二牺牲层上制备支撑层，采用光刻掩膜版并刻蚀支撑层得到第一支撑体和第二支撑体，且露出孔洞；所述支撑层的材料采用氮化硅；
S3、在第一支撑体和第二支撑体上形成电极结构光刻胶图形，在电极结构光刻胶图形上沉积金属，剥离电极结构光刻胶图形，得到桥面电极层、第一电极层和第二电极层；
S4、在孔洞上形成接触孔光刻胶图形，在接触孔光刻胶图形上沉积金属铝，剥离接触孔光刻胶图形，得到接触孔；
S5、在桥面电极层上形成热敏电阻光刻胶图形，生长热敏电阻材料，剥离热敏电阻光刻胶图形，得到热敏电阻传感层；所述热敏电阻材料为氧化钒或非晶硅；
S6、在热敏电阻传感层上制备钝化绝缘层；所述钝化绝缘层的材料采用二氧化硅、氧化铝、氮化硅或氮化硼；
S7、在钝化绝缘层上形成金属反射层光刻胶图形，沉积金属制备金属反射层，剥离金属反射层光刻胶图形得到金属反射层；所述金属反射层的材料采用金、银、镍、铝、钛或钨；
S8、在金属反射层上制备介质间隔层；所述介质间隔层的材料采用硅、锗或硫化锌；
S9、在介质间隔层上制备阵列层；所述介质层的材料采用硅、锗、硫化锌、氧化铝、氧化硅、氮化硅或氟化镁，所述金属层的材料采用金、银、镍、铝、钛或钨；
S10、刻蚀第二牺牲层，宽光谱微测辐射热计制备完成。
本发明的有益效果是：
1、通过金属反射层、介质间隔层和阵列层共同作为超表面红外吸收层，本发明的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计提供了一种超表面红外吸收层的结构以取代传统的多层膜系结构，很大程度上减小了结构的厚度。介质层嵌套金属层的这一结构能激发出不同的谐振模式，并在镶嵌的这一层中实现模式匹配，可以同时满足目标波段所需的工作带宽和吸收效率。通过调节结构参数可以实现以目标波段为中心宽光谱范围的高吸收，获得宽光谱范围的红外光信号，提高探测器的响应度。该宽光谱微测辐射热计涉及的制备方法简单，有利于大规模低成本制备。
2、本发明基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计的制备方法是通过MEMS微加工工艺将金属反射层、介质间隔层和阵列层共同作为超表面红外吸收层集成在宽光谱微测辐射热计微桥上，与传统微测辐射热计加工工艺兼容，不增加工艺复杂度，有利于大规模低成本制备。通过该方法制备的宽光谱微测辐射热计响应度高、能实现宽光谱范围的高吸收。
附图说明
图1为本发明的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计的结构示意图。
图2为本发明的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计的截面图。
图3为本发明的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计实施例一的超表面红外吸收层侧视图。
图4为本发明的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计实施例一的超表面红外吸收层的俯视图
图5为本发明的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计实施例一的光谱吸收率和光电响应率关系图。
图6为本发明的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计实施例二的超表面红外吸收层侧视图。
图7为本发明的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计实施例二的超表面红外吸收层的俯视图。
图8为本发明的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计实施例二的光谱吸收率和光电响应率关系图。
图中：1、集成读出电路衬底层，2.1、桥支撑，2.11、接触孔，2.2、桥臂，2.3、桥面电极层，3、热敏电阻传感层，4、钝化绝缘层，5、金属反射层，6、介质间隔层，7、阵列层，7.1、谐振单元，7.11、金属层，7.12、介质层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计，如图1和图2，包括集成读出电路衬底层1、设置在集成读出电路衬底层1上的热绝缘微桥、设置在热绝缘微桥上的热敏电阻传感层3、设置在热敏电阻传感层3上表面上的钝化绝缘层4、设置在钝化绝缘层4上表面上的金属反射层5、设置在金属反射层5上表面上的介质间隔层6和设置在介质间隔层6上表面上的阵列层7。阵列层7的每个阵列单元包括M个谐振单元7.1，M为大于等于1的整数。当M>1时，M个谐振单元7.1上下堆叠设置，位于上侧的谐振单元7.1设置在位于下侧的谐振单元7.1的上表面上，即阵列单元为M层结构。每个谐振单元7.1包括介质层7.12和金属层7.11，介质层7.12中部设有通孔，金属层7.11位于通孔内且连接介质层7.12，谐振单元7.1为嵌套结构，金属层7.11镶嵌在介质层7.12内。其中金属反射层5的厚度值大于电磁波在其内的趋肤深度值，金属反射层5的厚度值大于红外辐射在金属反射层5内的趋肤深度值，趋肤深度由电磁波和金属反射层5的金属材质决定。
介质层7.12配合金属层7.11用于激发谐振模式。当M>1时，M个谐振单元7.1的尺寸可相同，可存在不同，也可完全不相同，例如M＝2，上层的介质层7.12的尺寸不限定是否等于下层介质层7.12的尺寸，上层的金属层7.11的尺寸也不限定是否等于下层金属层7.11的尺寸。谐振单元7.1的形状不限定，通常选用圆形或方形。基于制备方便，优选的是谐振单元7.1内同一层的金属层7.11和介质层7.12的高度相同。
宽光谱高吸收可以通过激发出多种不同的谐振模式得以实现，向上堆叠镶嵌的谐振单元7.1的层数可以更加灵活地调节谐振峰的位置并进一步增加吸收效率。
阵列单元还包括设置在谐振单元7.1上的介质帽。介质帽盖在所有的谐振单元7.1上。介质帽、介质层7.12、介质间隔层6的材料可相同。介质材料(介质帽、介质层7.12、介质间隔层6的材料)可选用硅、锗、硫化锌等低损耗材料。金属层7.11和金属反射层5的金属材料可选用镍、钛、钨等高损耗的金属材料。
金属反射层5、介质间隔层6和阵列层7统称为超表面红外吸收层。超表面红外吸收层用于最大限度地吸收覆盖目标波段范围的红外光，并且将吸收的红外辐射转化为热信号，改变热敏电阻传感层3的阻值。其中金属层7.11和金属反射层5的材料可选用金、银、镍、铝、钛、钨等金属材料，介质层7.12的材料可选用硅、锗、硫化锌、氧化铝、二氧化硅、氮化硅、氟化镁等材料。
钝化绝缘层4将超表面红外吸收层与热敏电阻传感层3隔开，避免对热敏电阻传感层3性能受到超表面红外吸收层的影响，超表面红外吸收层的热量如果直接传到热敏电阻传感层3将影响热敏电阻传感层3性能，同时钝化绝缘层4实现超表面红外吸收层与热敏电阻传感层3的电气隔离。钝化绝缘层4可采用二氧化硅、氧化铝、氮化硅、氮化硼等材料。
热敏电阻传感层3用于传感红外辐射转化成的热信号并将传感的热信号转化为阻值信息。热敏电阻传感层3可采用氧化钒、非晶硅等。热敏电阻传感层3通过热绝缘微桥电连接集成读出电路衬底层1。
热绝缘微桥包括桥面电极层2.3、桥臂2.2和桥支撑2.1。桥支撑2.1连接集成读出电路衬底层1的上表面，桥臂2.2一端连接桥面电极层2.3，另一端连接桥支撑2.1，桥支撑2.1用于支撑桥臂2.2，桥臂2.2用于支撑着桥面电极层2.3。桥支撑2.1上设有接触孔2.11，接触孔2.11电连接桥臂2.2和集成读出电路衬底层1，具体为桥支撑2.1包括第一支撑体和第一电极层，第一电极层位于第一支撑体上表面上，接触孔2.11设置在第一支撑体上，且连接第一电极层。桥臂2.2包括第二支撑体和位于第二支撑体上表面的第二电极层，第二电极层电连接桥面电极层2.3。第一支撑体连接集成读出电路衬底层1和第二支撑体。集成读出电路衬底层1电连接接触孔2.11，接触孔2.11电连接第一电极层，第一电极层电连接第二电极层，第二电极层电连接桥面电极层2.3。热敏电阻传感层3设置在桥面电极层2.3的上表面上，热敏电阻传感层3依次通过桥面电极层2.3、桥臂2.2的第二电极层、桥支撑2.1的第二电极层和桥支撑2.1的接触孔2.11电连接集成读出电路衬底层1。
集成读出电路衬底层1可选用为硅或锗衬底，在衬底上集成CMOS电路得到集成读出电路衬底层1。集成读出电路衬底层1具备电路放大和降低噪声功能，每个像元具备两个读出电极，即集成读出电路衬底层1上表面上设有两个读出电极，读出电极连接接触孔2.11，即集成读出电路衬底层1通过读出电极电连接接触孔2.11。
超表面红外吸收层吸收的红外辐射在超表面红外吸收层中被转化为热信号(金属反射层5、介质间隔层6和阵列层7共同吸收红外辐射，共同将吸收的红外辐射转化为热信号)，热信号经钝化绝缘层4传输至热敏电阻传感层3，热敏电阻传感层3接收热信号，热信号使热敏电阻阻值发生变化得到阻值信息，热敏电阻传感层3将阻值信息转化为电信号，电信号通过热绝缘微桥传输至读出电级，也就是传输至集成读出电路衬底层1，集成读出电路衬底层1获得目标的红外信息，实现宽谱红外探测成像。
本发明的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计提供了一种超表面红外吸收层的结构以取代传统的多层膜系结构，很大程度上减小了结构的厚度。介质层7.12嵌套金属层7.11的这一结构能激发出不同的谐振模式，并在镶嵌的这一层中实现模式匹配，可以同时满足目标波段所需的工作带宽和吸收效率。这种金属层7.11镶嵌在介质层7.12内的单层或多层的嵌套结构能有效地激发谐振腔模式与介质波导模式的混合模式，混合谐振模式的激发能显著增强超表面吸收器在目标波段对红外辐射的吸收。通过调节结构参数可以实现以目标波段为中心宽光谱范围的高吸收，获得宽光谱范围的红外光信号，提高探测器的响应度。该宽光谱微测辐射热计涉及的制备方法简单，有利于大规模低成本制备。
基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计的制备方法，包括如下步骤：
S1、在集成读出电路衬底层1上制备第一牺牲层，第一牺牲层覆盖衬底层上表面，采用光刻掩膜版通过刻蚀第一牺牲层制备孔洞，读出电极通过孔洞露出，第一牺牲层被部分刻蚀后得到第二牺牲层。第一牺牲层材料选用聚酰亚胺、氧化的多孔硅、二氧化硅和磷硅玻璃中的一种。
S2、在第二牺牲层上制备支撑层，采用光刻掩膜版并刻蚀支撑层得到第一支撑体和第二支撑体，且露出孔洞。支撑层厚度为300nm-400nm。支撑层的材料采用氮化硅。
S3、在第一支撑体和第二支撑体上形成电极结构光刻胶图形，在电极结构光刻胶图形上沉积金属，剥离电极结构光刻胶图形，得到桥面电极层2.3、第一电极层和第二电极层；沉积的金属厚度为100nm-200nm，即桥面电极层2.3、第一电极层和第二电极层的厚度均为100nm-200nm。
S4、在孔洞上形成接触孔2.11光刻胶图形，在接触孔2.11光刻胶图形上沉积金属，剥离接触孔2.11光刻胶图形，得到接触孔2.11。沉积金属的厚度为200-500nm，材料选用铝。
S5、在桥面电极层2.3上形成热敏电阻光刻胶图形，生长热敏电阻材料，剥离热敏电阻光刻胶图形，得到热敏电阻传感层3。热敏电阻传感层3的厚度为50nm-150nm，优选的是热敏电阻材料为氧化钒或非晶硅。
S6、在热敏电阻传感层3上制备钝化绝缘层4。钝化绝缘层4的厚度为100nm-300nm，材料采用二氧化硅、氧化铝、氮化硅或氮化硼。
S7、在钝化绝缘层4上形成金属反射层5光刻胶图形，沉积金属制备金属反射层5，剥离金属反射层5光刻胶图形得到金属反射层5。
S8、在金属反射层5上制备介质间隔层6。介质间隔层6的材料采用硅、锗或硫化锌。
S9、在介质间隔层6上制备阵列层7；
S9具体为采用光刻技术制备金属层7.11；再采用沉积技术制备介质层7.12。
当M>1时，S9具体过程为从下至上依次制备第i层谐振单元7.1，i为大于等于1的整数，直至阵列层7制备完成；当i＝1时，在介质间隔层6上制备金属层7.11和介质层7.12，当i＞1时，在第i-1层谐振单元7.1上制备金属层7.11和介质层7.12。也就是先制备最底层的谐振单元7.1即第一层谐振单元7.1，再制备第一层谐振单元7.1，然后制备第二层谐振单元7.1，以此类推，直至最上层的谐振单元7.1制备完成，则阵列层7制备完成。介质层7.12的材料采用硅、锗、硫化锌、氧化铝、氧化硅、氮化硅或氟化镁，所述金属层7.11的材料采用金、银、镍、铝、钛或钨。
S10、刻蚀第二牺牲层，宽光谱微测辐射热计制备完成。
实施方式一
超表面红外吸收层如图3和图4所示，金属反射层5采用金属钛，金属反射层5厚度150nm。介质间隔层6选用锗，厚度550nm。阵列层7的每个阵列单元包括1个谐振单元7.1，金属层7.11选用钛，介质层7.12选用锗，金属层7.11和介质厚度相等，均为30nm，金属层7.11为半径为400nm圆盘形，介质层7.12为圆环形，外径的半径600nm。阵列层7的阵列单元间隔2000nm。通过数值模拟，得到该超表面红外吸收层在长波红外波段的吸收光谱图如图5所示，该超表面红外吸收层在8-13.6μm范围超过90％的平均吸收率，并且在9μm和12.3μm处有两个完美吸收峰，宽带高吸收源于混合谐振模式的激发。
本实施方式的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计的制备方法，具体步骤如下：
预先测试和清洗集成读出电路衬底层1，然后进行S1，
S1、在集成读出电路衬底层1上制备第一牺牲层，第一牺牲层覆盖衬底层上表面，采用光刻掩膜版通过刻蚀第一牺牲层制备孔洞，读出电极通过孔洞露出，得到第二牺牲层；
S2、在第二牺牲层上用等离子体增强化学气相淀积法制备氮化硅支撑层，支撑层覆盖了第二牺牲层也覆盖了空洞，厚度为300-400nm，并用正胶工艺光刻掩膜定义支撑层图形，刻蚀暴露的支撑层并露出读出电极，且通过刻蚀暴露的支撑层得到第一支撑体和第二支撑体。
S3、采用负胶工艺在第一支撑体和第二支撑体上形成电极结构光刻胶图形，用电子束蒸发设备在电极结构光刻胶图形上沉积金属，沉积厚度为100-200nm，湿化学方法剥离电极结构光刻胶图形，得到桥面电极层2.3、第一电极层和第二电极层，桥面电极层2.3、第二电极层和第一电极层依次连接。
S4、采用负胶工艺在孔洞上形成接触孔2.11光刻胶图形，用电子束蒸发设备在接触孔2.11光刻胶图形上沉积金属铝，沉积厚度为200-500nm，湿化学方法剥离接触孔2.11光刻胶图形，得到接触孔2.11。
S5、采用负胶工艺在桥面电极层2.3上形成热敏电阻光刻胶图形，并用磁控溅射设备生长热敏电阻材料非晶硅，非晶硅厚度为50-150nm，湿化学方法剥离热敏电阻光刻胶图形，得到热敏电阻传感层3。
S6、采用等离子体增强化学气相淀积法在热敏电阻传感层3上制备钝化绝缘层4，材料为二氧化硅，厚度为100-300nm；
S7、采用负胶工艺在钝化绝缘层4上形成金属反射层5光刻胶图形，并用电子束蒸发设备沉积金属制备金属反射层5，厚度为100nm；湿化学方法剥离金属反射层5光刻胶图形得到金属反射层5；
S8、用磁控溅射设备在金属反射层5上制备介质间隔层6，厚度为500nm。
S9、制备阵列层7，具体为在介质间隔层6上制备金属层7.11光刻胶图形，并用电子束蒸发设备沉积金属制备金属层7.11，湿化学方法剥离金属层7.11光刻胶图形，金属层7.11制备完成，再采用物理气相沉积方法在介质间隔层6上沉积锗，刻蚀多余的锗得到介质层7.12。
S10、采用氧等离子体法刻蚀第二牺牲层，形成了微桥结构，得到热绝缘微桥，宽光谱微测辐射热计制备完成。
S11、打线封装步骤九制备的宽光谱微测辐射热计。
实施方式二
超表面红外吸收层如图6和图7所示，图6中超表面红外吸收层还包括了介质帽，介质帽和介质层7.12连为一体，图7中超表面红外吸收层未包括介质帽。金属反射层5采用金属钛，金属反射层5厚度150nm。介质间隔层6选用锗，厚度440nm。阵列层7的阵列单元结构周期2000nm，每个阵列单元包括2个谐振单元7.1，金属层7.11均选用钛，介质层7.12均选用锗，第一层谐振单元7.1的金属层7.11为半径500nm厚度50nm的圆盘形，介质层7.12为外半径等于800nm厚度等于50nm的圆环形；第二层谐振单元7.1的金属层7.11为半径300nm厚度35nm的圆盘形，介质层7.12为外半径等于500nm厚度等于35nm的圆环形；第一层谐振单元7.1和第二层谐振单元7.1上设有介质帽，第一层谐振单元7.1的介质层7.12、第二层谐振单元7.1的介质层7.12和介质帽总体的厚度为780nm，介质帽的俯视图为半径等于800nm的圆形。金属层7.11和介质厚度相等，均为30nm，金属层7.11为半径为400nm圆盘形，介质层7.12为圆环形，外径的半径600nm。阵列层7的阵列单元间隔2000nm。通过数值模拟，得到该超表面红外吸收层在长波红外波段的吸收光谱图如图8所示，该超表面红外吸收层8-16μm范围超过94％的平均吸收率，并且在9.4μm、11.8μm和14.2μm有三个完美吸收峰。宽带高吸收源于混合谐振模式激发。
本实施方式的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计的制备方法，具体步骤如下：
S1、在集成读出电路衬底层1上制备第一牺牲层，第一牺牲层覆盖衬底层上表面，采用光刻掩膜版通过刻蚀第一牺牲层制备孔洞，读出电极通过孔洞露出，得到第二牺牲层；
S2、在第二牺牲层上用等离子体增强化学气相淀积法制备氮化硅支撑层，支撑层覆盖了第二牺牲层也覆盖了空洞，厚度为300-400nm，并用正胶工艺光刻掩膜定义支撑层图形，刻蚀暴露的支撑层并露出读出电极，且通过刻蚀暴露的支撑层得到第一支撑体和第二支撑体。
S3、采用负胶工艺在第一支撑体和第二支撑体上形成电极结构光刻胶图形，用电子束蒸发设备在电极结构光刻胶图形上沉积金属，沉积厚度为100-200nm，湿化学方法剥离电极结构光刻胶图形，得到桥面电极层2.3、第一电极层和第二电极层，桥面电极层2.3、第二电极层和第一电极层依次连接。
S4、采用负胶工艺在孔洞上形成接触孔2.11光刻胶图形，用电子束蒸发设备在接触孔2.11光刻胶图形上沉积金属铝，沉积厚度为200-500nm，湿化学方法剥离接触孔2.11光刻胶图形，得到接触孔2.11。
S5、采用负胶工艺在桥面电极层2.3上形成热敏电阻光刻胶图形，并用磁控溅射设备生长热敏电阻材料非晶硅，非晶硅厚度为50-150nm，湿化学方法剥离热敏电阻光刻胶图形，得到热敏电阻传感层3。
S6、采用等离子体增强化学气相淀积法在热敏电阻传感层3上制备钝化绝缘层4，材料为二氧化硅，厚度为100-300nm；
S7、采用负胶工艺在钝化绝缘层4上形成金属反射层5光刻胶图形，并用电子束蒸发设备沉积金属制备金属反射层5，厚度为100nm；湿化学方法剥离金属反射层5光刻胶图形得到金属反射层5；
S8、用磁控溅射设备在金属反射层5上制备介质间隔层6，厚度为440nm。
S9、制备阵列层7，具体为在介质间隔层6上制备金属层7.11光刻胶图形，并用电子束蒸发设备沉积金属制备金属层7.11，厚度50nm，湿化学方法剥离金属层7.11光刻胶图形，金属层7.11制备完成，再采用物理气相沉积方法在在介质间隔层6上沉积锗，刻蚀多余的锗得到介质层7.12，第一层谐振单元7.1制备完成；在第一层谐振单元7.1上制备金属层7.11光刻胶图形，并用电子束蒸发设备沉积金属制备金属层7.11，厚度35nm，湿化学方法剥离金属层7.11光刻胶图形，金属层7.11制备完成，再采用物理气相沉积方法在第一层谐振单元7.1沉积锗，刻蚀多余的锗得到介质层7.12，第二层谐振单元7.1制备完成；在第一层谐振单元7.1和第二层谐振单元7.1上采用物理气相沉积方法沉积锗，刻蚀多余的锗得到介质帽，阵列层7制备完成。
S10、采用氧等离子体法刻蚀第二牺牲层，形成了微桥结构，得到热绝缘微桥，宽光谱微测辐射热计制备完成。
S11、打线封装步骤九制备的宽光谱微测辐射热计。
本发明的制备方法是通过MEMS微加工工艺将超表面红外吸收层集成在宽光谱微测辐射热计微桥上，与传统微测辐射热计加工工艺兼容，不增加工艺复杂度，有利于大规模低成本制备。通过该方法制备的宽光谱微测辐射热计响应度高、能实现宽光谱范围的高吸收。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计，其特征在于，包括集成读出电路衬底层(1)、设置在集成读出电路衬底层(1)上的热绝缘微桥、设置在热绝缘微桥上的热敏电阻传感层(3)、设置在热敏电阻传感层(3)上表面上的钝化绝缘层(4)、设置在钝化绝缘层(4)上表面上的金属反射层(5)、设置在金属反射层(5)上表面上的介质间隔层(6)和设置在介质间隔层(6)上表面上的阵列层(7)，阵列层(7)的每个阵列单元包括M个谐振单元(7.1)，M为大于等于1的整数，当M>1时，M个谐振单元(7.1)上下堆叠设置；谐振单元(7.1)包括介质层(7.12)和金属层(7.11)，介质层(7.12)中部设有通孔，金属层(7.11)位于通孔内且连接介质层(7.12)；金属反射层(5)的厚度值大于红外辐射在其内的趋肤深度值。
2.如权利要求1所述的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计，其特征在于，当M>1时，M个所述谐振单元(7.1)的尺寸互不相同。
3.如权利要求1所述的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计，其特征在于，所述阵列单元还包括设置在谐振单元(7.1)上的介质帽。
4.如权利要求1所述的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计，其特征在于，所述金属反射层(5)、介质间隔层(6)和阵列层(7)用于吸收红外辐射、将吸收的红外辐射转化为热信号、将热信号传输至钝化绝缘层(4)，钝化绝缘层(4)用于将热信号传输至热敏电阻传感层(3)，热敏电阻传感层(3)用于接收热信号、根据热信号其内的热敏电阻阻值发生变化得到阻值信息、将阻值信息转化为电信号传输至热绝缘微桥，热绝缘微桥用于将电信号传输至集成读出电路衬底层(1)。
5.如权利要求1所述的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计，其特征在于，所述热绝缘微桥包括桥支撑(2.1)、桥臂(2.2)和桥面电极层(2.3)，所述桥支撑(2.1)设置在集成读出电路衬底层(1)的上表面上，所述桥臂(2.2)一端连接桥支撑(2.1)、另一端连接桥面电极层(2.3)，所述桥面的上表面上设有热敏电阻传感层(3)，所述热敏电阻传感层(3)依次通过桥面电极层(2.3)、桥臂(2.2)和桥支撑(2.1)电连接集成读出电路衬底层(1)。
6.如权利要求5所述的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计，其特征在于，所述桥支撑(2.1)包括设置在集成读出电路衬底层(1)上的第一支撑体和位于第一支撑体上表面的第一电极层，所述第一支撑体上设有接触孔(2.11)，所述接触孔(2.11)电连接第一电极层和集成读出电路衬底层(1)；桥臂(2.2)包括连接第一支撑体的第二支撑体和位于第二支撑体上表面的第二电极层，所述第二电极层电连接第一电极层和桥面电极层(2.3)；
所述集成读出电路衬底层(1)的上表面上设有两个读出电极，所述集成读出电路衬底层(1)通过读出电极电连接接触孔(2.11)。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在集成读出电路衬底层(1)上制备第一牺牲层，第一牺牲层覆盖衬底层上表面，采用光刻掩膜版通过刻蚀第一牺牲层制备孔洞，读出电极通过孔洞露出，得到第二牺牲层；所述第一牺牲层的材料采用聚酰亚胺、氧化的多孔硅、二氧化硅或磷硅玻璃；
S2、在第二牺牲层上制备支撑层，采用光刻掩膜版并刻蚀支撑层得到第一支撑体和第二支撑体，且露出孔洞；所述支撑层的材料采用氮化硅；
S3、在第一支撑体和第二支撑体上形成电极结构光刻胶图形，在电极结构光刻胶图形上沉积金属，剥离电极结构光刻胶图形，得到桥面电极层(2.3)、第一电极层和第二电极层；
S4、在孔洞上形成接触孔(2.11)光刻胶图形，在接触孔(2.11)光刻胶图形上沉积金属铝，剥离接触孔(2.11)光刻胶图形，得到接触孔(2.11)；
S5、在桥面电极层(2.3)上形成热敏电阻光刻胶图形，生长热敏电阻材料，剥离热敏电阻光刻胶图形，得到热敏电阻传感层(3)；所述热敏电阻材料为氧化钒或非晶硅；
S6、在热敏电阻传感层(3)上制备钝化绝缘层(4)；所述钝化绝缘层(4)的材料采用二氧化硅、氧化铝、氮化硅或氮化硼；
S7、在钝化绝缘层(4)上形成金属反射层(5)光刻胶图形，沉积金属制备金属反射层(5)，剥离金属反射层(5)光刻胶图形得到金属反射层(5)；所述金属反射层(5)的材料采用金、银、镍、铝、钛或钨；
S8、在金属反射层(5)上制备介质间隔层(6)；所述介质间隔层(6)的材料采用硅、锗或硫化锌；
S9、在介质间隔层(6)上制备阵列层(7)；所述介质层(7.12)的材料采用硅、锗、硫化锌、氧化铝、氧化硅、氮化硅或氟化镁，所述金属层(7.11)的材料采用金、银、镍、铝、钛或钨；
S10、刻蚀第二牺牲层，宽光谱微测辐射热计制备完成。
8.如权利要求7所述的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计的制备方法，其特征在于，S9具体为采用光刻技术制备金属层(7.11)；再采用沉积技术制备介质层(7.12)。
9.如权利要求8所述的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计的制备方法，其特征在于，当M>1时，S9具体过程为从下至上依次制备第i层谐振单元(7.1)，直至阵列层(7)制备完成，i为大于等于1的整数；当i＝1时，在介质间隔层(6)上制备金属层(7.11)和介质层(7.12)，当i＞1时，在第i-1层谐振单元(7.1)上制备金属层(7.11)和介质层(7.12)。
10.如权利要求7所述的基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计的制备方法，其特征在于，所述支撑层厚度为300nm-400nm，桥面电极层(2.3)、第一电极层和第二电极层的厚度均为100nm-200nm，热敏电阻传感层(3)厚度为50-150nm；钝化绝缘层(4)的厚度为100-300nm。
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