CN110323240B - 一种可拼接红外微桥结构电阻矩阵 - Google Patents
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Abstract
本发明属于红外动态场景仿真领域，具体提供一种红外微桥结构电阻矩阵及其制备方法，本发明在mini‑LED工艺及倒装mini‑LED工艺的基础上，使用微桥结构电阻、IC驱动和载体制备微桥结构电阻矩阵，实现了大规模微桥结构电阻阵列，其规模不少于640×640，且制备工艺简单、制备成本低；有效解决了现有红外景象生成器不能制成大面积、占空比低和造价昂贵等问题。
Description
技术领域
本发明属于红外动态场景仿真领域，涉及一种电阻阵列红外景像产生器，特别是一种微桥结构的电阻阵列，具体为一种红外微桥结构电阻矩阵。
背景技术
随着科技的发展，在国防和民用领域红外系统的应用日益广泛；作为一种典型的测试系统，动态红外景物模拟系统可对红外热像仪、导弹寻的器及各种红外探测系统的动态性能进行测试与评估。因此，红外仿真技术是降低武器系统研制成本、缩短研制周期，提高效费比的关键。
动态红外景物模拟系统的核心器件是红外景像产生器，也就是通常所说的红外目标模拟器；红外景像产生器能产生动态红外景物，用来模拟真实物体及其环境的红外辐射特性。红外景像产生方法有多种，主要技术有数字微镜器件(DMD)、光纤面阵和电阻阵列；其中，发展最快且最有潜力的是电阻阵列，电阻阵列的工作原理相对来说比较简单：电流流过电阻阵列单元产生热量，发射红外辐射，通过控制电流，可以控制电阻阵列单元的温度；通过驱动电路同时驱动不同电阻阵列单元，可以产生动态的红外图像。依据普朗克定理，辐射的能量大小由电阻的温度、占空因子和辐射率决定。电阻阵列具有其他红外景像产生技术所不具有的特点，如低功耗、大温度范围、高分辨率、高占空比等，适合于各种红外目标的模拟。
电阻阵列的单元结构有三种：硅桥电阻，薄膜电阻和微桥电阻，但前两种阵列在占空因子和温度范围等方面的发展存在局限性。微桥电阻通过电阻加热绝热微桥，相比其他两种结构具有宽光谱、大动态范围、高分辨率、高帧频，无闪烁等优点。因此，很大程度上，微桥结构的电阻阵列及其驱动方式决定了红外动态场景产生器领域的实用价值和发展前景。
目前，常见的电阻阵列为CMOS微桥结构电阻阵列：即是采用微桥工艺和微机电系统(MEMS)的工艺方法制备的电阻阵列；其有两种制备方法：单片集成式和混成式，其中，单片集成式：一般采用牺牲层技术在CMOS读出电路上直接制备微桥阵列，释放牺牲层后，获得微桥结构，但是，上述工艺还面临着如何保护微桥结构的问题；混成式：在一个衬底上制备出CMOS控制电路，同时在另一个衬底上先涂一层牺牲层，在其上制备微桥阵列，接着将读出电路和微桥阵列的衬底倒转互连，最后释放牺牲层，获得微桥阵列。上述两种微桥结构电阻阵列均采用CMOS工艺和微机电系统(MEMS)工艺制备，微桥阵列成品率低，且不能做成大面积的电阻阵列。如专利号为200810038328.7的专利文献中，提出一种通过去除牺牲层来进行薄膜转移的工艺方法，是一种制备CMOS工艺的电阻阵列的可行方法；但是在使用湿法腐蚀时面临着微桥结构与衬底粘连等情况。
基于此，本发明提出一种动态红外景像产生器的新制备工艺，特别是一种微桥结构的电阻矩阵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可拼接红外微桥结构电阻矩阵，用以解决现有红外景象生成器不能制成大面积、占空比低和造价昂贵等问题。本发明在mini-LED工艺的基础上，使用微桥电阻、IC驱动和载体制作得高占空比的微桥电阻矩阵，且其制备工艺简便、制备成本低廉，能够制备大规模电阻矩阵。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种可拼接红外微桥结构电阻矩阵，包括：载体1-1、IC驱动1-4及若干个微桥电阻矩阵单元；所述IC驱动1-4设置在载体1-1下表面；所述若干个微桥电阻矩阵单元呈矩阵排布于载体1-1上表面，每个微桥电阻矩阵单元通过金属引出线1-2悬空固定于载体1-1上表面；所述微桥电阻矩阵单元由从下往上依次层叠的介电薄膜1-5、电阻薄膜1-3与金属电极1-6构成，所述金属电极1-6通过金属引出线1-2与载体1-1保持电气导通。
进一步的，红外微桥结构电阻矩阵包括不少于640×640的微桥电阻矩阵单元。
进一步的，所述红外微桥结构电阻矩阵通过数字信号驱动IC驱动产生控制电流，控制微桥电阻矩阵单元产生热辐射，生成红外动态图像。
进一步的，所述载体采用PCB板，所述介电薄膜采用SiNx和SiOx绝缘绝热薄膜，所述电阻薄膜采用TiWN电阻薄膜。
一种可拼接红外微桥结构电阻矩阵，包括：载体2-1、IC驱动2-4及若干个微桥电阻矩阵单元；所述IC驱动2-4设置在载体2-1下表面；所述若干个微桥电阻矩阵单元呈矩阵排布于载体2-1上表面；每个微桥电阻矩阵单元由桥体支撑梁2-5、电阻薄膜2-3、金属膜2-2，所述微桥电阻矩阵单元通过桥体支撑梁固定于载体2-1上表面，所述电阻薄膜2-3设置于桥体支撑梁2-5上表面，所述金属膜2-2覆盖于桥体支撑梁2-5的两侧侧面，所述电阻薄膜2-3通过金属膜2-2与载体2-1保持电气导通。
进一步的，红外微桥结构电阻矩阵包括不少于640×640的微桥电阻矩阵单元。
进一步的，所述红外微桥结构电阻矩阵通过数字信号驱动IC驱动产生控制电流，控制微桥电阻矩阵单元产生热辐射，生成红外动态图像。
进一步的，所述载体采用PCB板，所述桥体支撑梁采用SiNx和SiOx绝缘绝热薄膜，所述电阻薄膜采用TiWN电阻薄膜。
需要说明的是，本发明中，牺牲层、介电薄膜、桥体支撑梁、电阻薄膜及光刻胶的厚度，以及图形化形状均可以根据实际应用需求及工艺进行调整。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种可拼接红外微桥结构电阻矩阵及其制备方法，本发明在mini-LED工艺及倒装mini-LED工艺的基础上，使用微桥结构电阻、IC驱动和载体制备微桥结构电阻矩阵，实现了大规模微桥结构电阻阵列，其规模不少于640×640，并且微桥结构电阻矩阵为可拼接的结构，多个微桥结构电阻矩阵能够组成一个大的模块，且制备工艺简单、制备成本低；有效解决了现有红外景象生成器不能制成大面积、占空比低和造价昂贵等问题。
附图说明
图1为本发明实施例1高占空比的红外微桥结构电阻矩阵的结构示意图；
图2是本发明实施例1高占空比的红外微桥结构电阻矩阵的侧视示意图；
图3是本发明实施例1高占空比的红外微桥结构电阻矩阵的仰视示意图；
图4为本发明实施例2红外倒装的微桥结构电阻矩阵的结构示意图；
图5是本发明实施例2红外倒装的微桥结构电阻矩阵的侧视示意图；
图6是本发明实施例2红外倒装的微桥结构电阻矩阵的仰视示意图；
其中，1-1、2-1为载体，1-2为金属引出线，2-2为金属膜，1-3、2-3为微桥电阻薄膜，1-4、2-4为IC驱动，1-5为介电薄膜，2-5位桥体支撑梁，1-6为金属电极。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
实施例1
本实施例提供一种可拼接高占空比的红外微桥结构电阻矩阵，其结构如图1～图3所示，包括：载体1-1、IC驱动1-4及若干个微桥电阻矩阵单元；所述IC驱动1-4设置在载体1-1下表面；所述若干个微桥电阻矩阵单元呈矩阵排布于载体1-1上表面，每个微桥电阻矩阵单元通过金属引出线1-2悬空固定于载体1-1上表面；所述微桥电阻矩阵单元由从下往上依次层叠的介电薄膜1-5、电阻薄膜1-3与金属电极1-6构成，所述金属电极1-6通过金属引出线1-2与载体1-1保持电气导通；所述红外微桥结构电阻矩阵通过数字信号驱动IC驱动产生控制电流，控制微桥电阻矩阵单元产生热辐射，生成红外动态图像。
本实施例中，所述载体1-1采用PCB板，IC驱动1-4焊接于PCB板下表面，微桥电阻矩阵单元采用邦定工艺使用金属引出线1-2将引出电极与PCB板封装管脚相连接，所述金属引出线1-2采用金线；所述红外微桥结构电阻矩阵包括不少于640×640的微桥电阻矩阵单元，所述微桥电阻矩阵单元的规格为50μm×30μm，所述电阻薄膜1-3采用TiWN电阻薄膜、厚度为200nm，所述介电薄膜1-5采用SiNx薄膜。
上述可拼接高占空比的红外微桥结构电阻矩阵的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.在蓝宝石衬底上表面淀积厚度为5μm的聚酰亚胺、作为牺牲层，并对聚酰亚胺进行固化热处理、温度为160℃、时间为30分钟；然后在聚酰亚胺上旋涂光刻胶、厚度为2μm，再采用光刻机曝光，之后用四甲基氢氧化铵(TMAH、显影液)显影并腐蚀聚酰亚胺，腐蚀结束后用离子水冲洗，即完成牺牲层图形化；最后对聚酰亚胺进行硬化快速热处理、温度为250℃、时间为1小时，得到聚酰亚胺牺牲层；
步骤2.在牺牲层上采用PECVD沉积厚度为100nm的SiNx薄膜，并采用光刻与干法刻蚀工艺来图形化SiNx薄膜，得到尺寸为50μm×30μm的介电薄膜；PECVD沉积的工艺参数为：基底温度为250℃，SiH4/Ar混合气体流量为120sccm，N2O流量为60sccm，压强为220Pa，射频功率为30W，SiH4/Ar混合气体中SiH4的体积比为10％，时间为10min；
步骤3.在介电薄膜上淀积一定厚度的光刻胶，通过光刻技术形成具有“底切”剖面的光刻胶图形，然后通过直流溅射工艺沉积厚度为200nm的TiWN电阻薄膜，通过腐蚀方法将光刻胶去除，实现电阻薄膜的图形转移，得到尺寸为50μm×30μm的微桥电阻薄膜；直流溅射工艺参数为：O2流量120sccm，射频功率200W；衬底温度为室温，靶材为TiWN，靶基距为120mm，N2分压比为8％，压强为1.5Pa，溅射时间为15min；
步骤4.采用离子束真空蒸镀在TiWN电阻薄膜上制备金属电极，所述的电极依次包括：Cr金属层、Al金属层、Ti金属层；具体工艺为：在所述电阻薄膜上制作光刻胶，通过离子束真空蒸镀，在所述电阻薄膜的光刻胶表面蒸镀Cr金属层，厚度为5nm至10nm，蒸镀温度为20℃至50℃，蒸镀速率0.3nm/s，在所述Cr金属层表面蒸镀Al金属层，其中，所述Al金属层的厚度为80nm至100nm，蒸镀温度为20℃至50℃，蒸镀速率1nm/s，在所述Al金属层表面蒸镀Ti金属层，其中，所述Ti金属层的厚度为5nm至10nm，蒸镀温度为20℃至50℃，蒸镀速率0.5nm/s，得到所述的金属电极；
步骤5.在上述薄膜电阻矩阵结构沉积光刻胶，在所述光刻胶上形成划片槽图案；以被图形化的光刻胶为掩模，对所述光刻胶进行干法刻蚀，在蓝宝石衬底刻蚀出划片槽，深度10-20nm，去除光刻胶，对薄膜电阻矩阵结构清洗；对薄膜电阻矩阵结构进行裂片及扩张，形成薄膜电阻矩阵单元；采用电阻筛选设备实现阻值筛选，再通过巨量转移设备将若干个薄膜电阻矩阵单元放置于PCB板上表面，并通过邦定工艺使用金属引出线2将薄膜电阻的电极与PCB板1的封装管脚相连接，得到悬空的微桥结构；
步骤6.在PCB板的下表面焊接IC驱动，得到如图1所示的大规模高占空比的红外微桥结构电阻矩阵。
实施例2
本实施例提供一种可拼接红外倒装的微桥结构电阻矩阵，其结构如图4～图5所示，包括：载体2-1、IC驱动2-4及若干个微桥电阻矩阵单元；所述IC驱动2-4设置在载体2-1下表面；所述若干个微桥电阻矩阵单元呈矩阵排布于载体2-1上表面；每个微桥电阻矩阵单元由桥体支撑梁2-5、电阻薄膜2-3、金属膜2-2，所述微桥电阻矩阵单元通过桥体支撑梁固定于载体2-1上表面，所述电阻薄膜2-3设置于桥体支撑梁2-5上表面，所述金属膜2-2覆盖于桥体支撑梁2-5的两侧侧面，所述电阻薄膜2-3通过金属膜2-2与载体2-1保持电气导通；所述红外微桥结构电阻矩阵通过数字信号驱动IC驱动产生控制电流，控制微桥电阻矩阵单元产生热辐射，生成红外动态图像。
本实施例中，所述载体2-1采用PCB板，IC驱动2-4焊接于PCB板下表面，所述金属膜2-2采用铜膜、厚度为20nm；所述红外微桥结构电阻矩阵包括至少1024×1024的微桥电阻矩阵单元，所述微桥电阻矩阵单元的规格为50μm×30μm，所述电阻薄膜2-3采用TiWN电阻薄膜、厚度为200nm，所述桥体支撑梁2-5采用SiNx薄膜，薄膜的厚度为1000nm。
上述可拼接红外倒装的微桥结构电阻矩阵的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.在蓝宝石衬底上表面淀积厚度为5μm的聚酰亚胺、作为牺牲层，并对聚酰亚胺进行固化热处理、温度为160℃、时间为30分钟；然后在聚酰亚胺上旋涂光刻胶、厚度为2μm，再采用光刻机曝光，之后用四甲基氢氧化铵(TMAH、显影液)显影并腐蚀聚酰亚胺，腐蚀结束后用离子水冲洗，即完成牺牲层图形化；最后对聚酰亚胺进行硬化快速热处理、温度为250℃、时间为1小时，得到聚酰亚胺牺牲层；
步骤2.在牺牲层上淀积一定厚度的光刻胶，通过光刻技术形成具有“底切”剖面的光刻胶图形，然后通过直流溅射工艺沉积厚度为200nm的TiWN电阻薄膜，通过腐蚀方法将光刻胶去除，实现电阻薄膜的图形转移，得到尺寸为50μm×30μm的微桥电阻薄膜；直流溅射工艺参数为：O2流量120sccm，射频功率200W；衬底温度为室温，靶材为TiWN，靶基距为120mm，N2分压比为8％，压强为1.5Pa，溅射时间为15min；
步骤3.在微桥电阻薄膜上采用PECVD沉积厚度为1000nm的SiNx薄膜，并采用光刻与干法刻蚀工艺来图形化SiNx薄膜，形成桥体支撑梁；并在桥腿之间沉积一定厚度的聚酰亚胺、作为牺牲层；PECVD沉积的工艺参数为：基底温度为250℃，SiH4/Ar混合气体流量为120sccm，N2O流量为60sccm，压强为220Pa，射频功率为30W，SiH4/Ar混合气体中SiH4的体积比为10％，时间为100min；
步骤4.利用化学方法使用金属膜将电阻薄膜、桥体支撑梁及桥腿之间的牺牲层包裹，在采用刻蚀工艺将桥腿之间的牺牲层及附着在其上的金属膜去除，保留附着在电阻薄膜和桥体支撑梁侧面上的金属膜；得到薄膜电阻矩阵；
步骤5.在上述薄膜电阻矩阵结构沉积光刻胶，在所述光刻胶，上形成划片槽图案；以被图形化的光刻胶为掩模，对所述光刻胶进行干法刻蚀，在蓝宝石衬底刻蚀出划片槽，深度10～20nm，去除光刻胶，对薄膜电阻矩阵结构清洗；对薄膜电阻矩阵结构进行裂片及扩张，形成薄膜电阻矩阵单元；采用电阻筛选设备实现阻值筛选，再通过巨量转移设备将若干个薄膜电阻矩阵单元放置于PCB板上表面；PCB板上表面的金属焊盘沉积有锡铅球，加热利用熔融的锡铅球使得薄膜电阻矩阵单元与载体的金属焊盘相结合；
步骤6.在PCB板的下表面焊接IC驱动，得到如图1所示的大规模高占空比的红外微桥结构电阻矩阵。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (6)
1.一种可拼接红外微桥结构电阻矩阵，包括：载体（1-1）、IC驱动（1-4）及若干个微桥电阻矩阵单元；所述IC驱动（1-4）设置在载体（1-1）下表面；其特征在于，所述若干个微桥电阻矩阵单元呈矩阵排布于载体（1-1）上表面，每个微桥电阻矩阵单元通过金属引出线（1-2）悬空固定于载体（1-1）上表面；所述微桥电阻矩阵单元由从下往上依次层叠的介电薄膜（1-5）、电阻薄膜（1-3）与金属电极（1-6）构成，所述金属电极（1-6）通过金属引出线（1-2）与载体（1-1）保持电气导通；
所述可拼接红外微桥结构电阻矩阵采用以下方法制备，包括以下步骤：
步骤1. 在蓝宝石衬底上表面淀积的聚酰亚胺、作为牺牲层，并对聚酰亚胺进行固化热处理；然后在聚酰亚胺上旋涂光刻胶，再采用光刻机曝光，之后用四甲基氢氧化铵显影并腐蚀聚酰亚胺，腐蚀结束后用离子水冲洗，完成牺牲层图形化；最后对聚酰亚胺进行硬化快速热处理，得到聚酰亚胺牺牲层；
步骤2. 在牺牲层上采用PECVD 沉积SiNx薄膜，并采用光刻与干法刻蚀工艺来图形化SiNx薄膜；
步骤3. 在SiNx薄膜上淀积光刻胶，通过光刻技术形成具有“底切”剖面的光刻胶图形，然后通过直流溅射工艺沉积TiWN电阻薄膜，最后通过腐蚀方法将光刻胶去除，实现电阻薄膜的图形转移；
步骤4. 采用离子束真空蒸镀在TiWN电阻薄膜上制备金属电极，得到薄膜电阻矩阵，所述的电极依次包括：Cr金属层、Al金属层、Ti金属层；
步骤5. 在上述薄膜电阻矩阵结构上沉积光刻胶，并在光刻胶上形成划片槽图案；以被图形化的光刻胶为掩模，对所述光刻胶进行干法刻蚀，在蓝宝石衬底刻蚀出划片槽，去除光刻胶，对薄膜电阻矩阵结构清洗；对薄膜电阻矩阵结构进行裂片及扩张，形成薄膜电阻矩阵单元；采用电阻筛选设备实现阻值筛选，再通过巨量转移设备将若干个薄膜电阻矩阵单元放置于PCB板上表面，并通过邦定工艺使用金属引出线将金属电极与载体的封装管脚相连接，得到悬空的微桥结构；
步骤6. 在载体的下表面焊接IC驱动。
2.按权利要求1所述红外微桥结构电阻矩阵，其特征在于，所述载体采用PCB板，所述介电薄膜采用SiNx绝缘绝热薄膜，所述电阻薄膜采用TiWN电阻薄膜。
3.一种可拼接红外微桥结构电阻矩阵，包括：载体（2-1）、IC驱动（2-4）及若干个微桥电阻矩阵单元；所述IC驱动（2-4）设置在载体（2-1）下表面；其特征在于，所述若干个微桥电阻矩阵单元呈矩阵排布于载体（2-1）上表面；每个微桥电阻矩阵单元由桥体支撑梁（2-5）、电阻薄膜（2-3）、金属膜（2-2）构成，所述微桥电阻矩阵单元通过桥体支撑梁固定于载体（2-1）上表面，所述电阻薄膜（2-3）设置于桥体支撑梁（2-5）上表面，所述金属膜（2-2）覆盖于桥体支撑梁（2-5）的两侧侧面，所述电阻薄膜（2-3）通过金属膜（2-2）与载体（2-1）保持电气导通；
所述可拼接红外微桥结构电阻矩阵采用以下方法制备，包括以下步骤：
步骤1. 在蓝宝石衬底上表面淀积的聚酰亚胺、作为牺牲层，并对聚酰亚胺进行固化热处理；然后在聚酰亚胺上旋涂光刻胶，再采用光刻机曝光，之后用四甲基氢氧化铵显影并腐蚀聚酰亚胺，腐蚀结束后用离子水冲洗，完成牺牲层图形化；最后对聚酰亚胺进行硬化快速热处理，得到聚酰亚胺牺牲层；
步骤2. 在牺牲层上淀积光刻胶，通过光刻技术形成具有“底切”剖面的光刻胶图形，然后通过直流溅射工艺沉积TiWN电阻薄膜，最后通过腐蚀方法将光刻胶去除，实现电阻薄膜的图形转移；
步骤3. 在电阻薄膜上采用PECVD 沉积厚度SiNx薄膜，并采用光刻与干法刻蚀工艺来图形化SiNx薄膜，形成桥体支撑梁；并在桥腿之间沉积聚酰亚胺、作为牺牲层；
步骤4. 利用化学方法使用金属膜将电阻薄膜、桥体支撑梁及桥腿之间的牺牲层包裹，再采用刻蚀工艺将桥腿之间的牺牲层及附着在其上的金属膜去除，保留附着在电阻薄膜和桥体支撑梁侧面上的金属膜，得到薄膜电阻矩阵；
步骤5. 在上述薄膜电阻矩阵结构上沉积光刻胶，并在光刻胶上形成划片槽图案；以被图形化的光刻胶为掩模，对所述光刻胶进行干法刻蚀，在蓝宝石衬底刻蚀出划片槽，去除光刻胶，对薄膜电阻矩阵结构清洗；对薄膜电阻矩阵结构进行裂片及扩张，形成薄膜电阻矩阵单元；采用电阻筛选设备实现阻值筛选，再通过巨量转移设备将若干个薄膜电阻矩阵单元放置于PCB板上表面，并通过邦定工艺使用金属引出线将金属电极与载体的封装管脚相连接，得到悬空的微桥结构；
步骤6. 在载体的下表面焊接IC驱动。
4.按权利要求1或3所述红外微桥结构电阻矩阵，其特征在于，红外微桥结构电阻矩阵包括不少于640×640的微桥电阻矩阵单元。
5.按权利要求1或3所述红外微桥结构电阻矩阵，其特征在于，所述红外微桥结构电阻矩阵通过数字信号驱动IC驱动产生控制电流，控制微桥电阻矩阵单元产生热辐射，生成红外动态图像。
6.按权利要求3所述红外微桥结构电阻矩阵，其特征在于，所述载体采用PCB板，所述桥体支撑梁采用SiNx绝缘绝热薄膜，所述电阻薄膜采用TiWN电阻薄膜。
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