CN111879419B - 一种红外热探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及探测器技术领域,具体公开了一种红外热探测器,包括:控制电路;与控制电路连接的红外热敏单元;以及设置在控制电路上的封装结构;其中,控制电路包括信号读出电路接口和信号产生电路接口;封装结构包括框架、盖帽、加热器和控制线;框架固定在控制电路上,其中框架的底端固定在信号产生电路接口上;盖帽悬置于框架上,并与框架形成包围红外热敏单元的闭合空腔;加热器位于盖帽上;控制线分别位于盖帽上和框架中,其中加热器通过控制线与信号产生电路接口电学连接。本发明还公开了一种红外热探测器的制作方法。本发明提供的红外热探测器能在不影响探测器基本性能的基础上,实现模拟黑体红外‑热‑电转换下的辐射响应自测试。
Description
技术领域
本发明涉及探测器技术领域,尤其涉及一种红外热探测器及红外热探测器的制作方法。
背景技术
红外辐射是一种在自然界普遍存在的电磁波能量,一切温度高于绝对零度的物体都会产生该辐射;探测物体的红外辐射,在众多领域有着广泛的应用需求;根据对红外辐射响应方式的不同,红外探测器有光子探测和热探测两种类型;其中,红外光子探测器主要基于红外辐射的光电效应,红外热探测器则是利用红外辐射的热效应,红外热探测器由于避免了电子热运动产生的影响,因此可在室温条件下工作,具有质量轻、体积小、功耗小、成本低等特点。
信号响应是入射辐射引起的红外热探测器输出信号,根据国标,在红外热探测器的响应测试与标定中,通常需要用到黑体以提供标准的辐射功率,由此,带来了测试设备昂贵、测试系统复杂的问题;为简化测试,专利CN106289537A、CN105444893B、以及CN107036717B均提出利用发热电阻替代黑体为热电堆提供热辐射源,以实现热电堆的内建自测试,但这些专利都未涉及如何从器件层面具体实现。
论文《Electrically Induced Stimuli For MEMS Self-Test》、《Built-in-self-test techniques for MEMS》中提出了在器件中引入自测试结构的方法,即:在红外热敏单元敏感区中引入加热电阻,通过加热电阻产热模拟黑体引起的敏感区温度变化;该结构存在两个问题:首先,黑体的红外辐射到探测器输出响应,经历了红外-热-电三种能量形式的转换,而敏感区中的加热电阻只能模拟热-电转换,因此这里的加热电阻并不能与黑体完全等效;其次,敏感区中增加加热电阻,会改变红外热敏单元的热容、热导,并最终影响探测器的信号响应。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足,提供了一种红外热探测器及红外热探测器的制作方法,在不影响探测器基本性能的基础上,实现模拟黑体红外-热-电转换下的辐射响应自测试。
作为本发明的一个方面,提供一种红外热探测器,包括:
控制电路;
与所述控制电路连接的红外热敏单元;以及
设置在所述控制电路上的封装结构;
其中,所述控制电路包括信号读出电路接口和信号产生电路接口;
其中,所述封装结构包括框架、盖帽、加热器和控制线;所述框架固定在所述控制电路上,其中所述框架的底端固定在所述信号产生电路接口上;所述盖帽悬置于所述框架上,并与所述框架形成包围所述红外热敏单元的闭合空腔;所述加热器位于所述盖帽上;所述控制线分别位于所述盖帽上和所述框架中,其中所述加热器通过所述控制线与所述信号产生电路接口电学连接。
进一步地,所述红外热敏单元包括支撑梁、悬臂梁、敏感区和信号线;
其中,所述支撑梁纵向垂直固定在所述控制电路上,其中所述支撑梁的底端固定在所述信号读出电路接口上;所述悬臂梁的一端与所述支撑梁相连,另一端与所述敏感区相连;
所述敏感区悬空设置;所述信号线内嵌于所述支撑梁和悬臂梁中,所述敏感区通过所述信号线与所述信号读出电路接口电学连接。
进一步地,所述红外热敏单元包括支撑梁、悬臂梁、敏感区、信号线和红外热敏单元衬底,所述红外热敏单元衬底上设置有凹槽;
其中,所述支撑梁横向垂直固定在所述控制电路上,其侧面与所述信号读出电路接口连接,其底部与所述红外热敏单元衬底连接;所述悬臂梁的一端与所述支撑梁相连,另一端与所述敏感区相连;所述敏感区位于所述红外热敏单元衬底的凹槽的上方,并悬空设置;所述信号线内嵌于所述支撑梁和悬臂梁中,所述敏感区通过所述信号线与所述信号读出电路接口电学连接。
作为本发明的另一个方面,提供一种红外热探测器的制作方法,其中,所述红外热探测器的制作方法包括:
提供控制电路,在所述控制电路上淀积金属或半导体,并图形化,形成信号读出电路接口和信号产生电路接口;
淀积牺牲层,并图形化,在所述信号读出电路接口上形成第一开口;
在所述牺牲层上形成红外热敏单元;
在所述控制电路上形成封装结构。
进一步地,所述在所述牺牲层上形成红外热敏单元,在所述控制电路上形成封装结构中,还包括:
淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,在所述第一开口内形成支撑梁和在所述牺牲层上形成悬臂梁;
淀积金属或半导体,并图形化,形成信号线;
淀积多晶硅或金属化合物,并图形化,形成由热电偶、热阻或二极管组成的敏感区;
淀积牺牲层,并图形化,在信号产生电路接口上形成第二开口;
在牺牲层上,形成带孔的封装结构,其中,淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,在所述第二开口内形成框架;淀积非晶硅、多晶硅、锗、锗硅、硫化锌或其组合材料,并图形化,形成带孔的盖帽;在盖帽上,淀积掺杂的多晶硅、Pt、Au或Al,并图形化,形成加热器;淀积金属或半导体,并图形化,形成控制线;
通过封装结构上的孔,对牺牲层进行刻蚀,释放得到悬空的盖帽与敏感区;
通过淀积氧化硅、氮化硅或其组合填充封装结构上的孔,使得盖帽与框架形成包围所述红外热敏单元的闭合空腔,及通过淀积金属或半导体,并图形化,使得控制线电学连接所述信号产生电路接口与加热器。
进一步地,所述在所述牺牲层上形成红外热敏单元,在所述控制电路上形成封装结构中,还包括:
淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,在所述第一开口内形成支撑梁和在所述牺牲层上形成悬臂梁;
淀积金属或半导体,并图形化,形成信号线;
淀积多晶硅或金属化合物,并图形化,形成由热电偶、热阻或二极管组成的敏感区;
对所述牺牲层进行刻蚀,释放得到悬空的敏感区;
制作封装结构,其中,
在另一块衬底上,利用体硅或淀积非晶硅、多晶硅、锗、锗硅、硫化锌或其组合材料,并图形化,形成盖帽;
在盖帽上,利用体硅或淀积掺杂的多晶硅、Pt、Au、Al,并图形化,形成加热器;
淀积金属或半导体,并图形化,形成控制线;
从衬底背面,对衬底进行选择性刻蚀,使得盖帽悬空;
对保留的衬底进行钝化,形成框架;
键合集成,其中,
将封装结构与制作有红外热敏单元的控制电路进行键合,使得封装结构中的框架固定在控制电路的信号产生电路接口上;
刻蚀框架,淀积金属或半导体,并图形化,在框架中形成控制线并与盖帽上的控制线连为一体。
作为本发明的又一个方面,提供一种红外热探测器的制作方法,其中,所述红外热探测器的制作方法包括:
在同一衬底的不同区域内制作控制电路和红外热敏单元;
在所述控制电路上形成封装结构。
进一步地,还包括:
在控制电路上,淀积金属或半导体,并图形化,形成信号读出电路接口和信号产生电路接口;
在所述红外热敏单元区域,淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,形成支撑梁和悬臂梁;
淀积金属或半导体,并图形化,形成信号线;
淀积多晶硅或金属化合物,并图形化,形成由热电偶、热阻或二极管组成的敏感区;
淀积牺牲层,并图形化,在信号产生电路接口上形成开口;
在牺牲层上,形成带孔的封装结构,其中,淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,在所述开口内形成框架;淀积非晶硅、多晶硅、锗、锗硅、硫化锌或其组合材料,并图形化,形成带孔的盖帽;在盖帽上,淀积掺杂的多晶硅、Pt、Au、Al,并图形化,形成加热器;淀积金属或半导体,并图形化,形成控制线;
通过封装结构上的孔,对牺牲层进行刻蚀,释放得到悬空的盖帽;对红外热敏单元进行正面选择性湿法腐蚀或干法刻蚀,将敏感区、悬臂梁以及支撑梁下的衬底进行去除,释放形成凹槽得到悬空的敏感区;
通过淀积氧化硅、氮化硅或其组合填充封装结构上的孔,使得盖帽与框架形成包围红外热敏单元的闭合空腔;通过淀积金属或半导体,并图形化,使得控制线电学连接信号产生电路接口与加热器。
进一步地,还包括:
在控制电路上,淀积金属或半导体,并图形化,形成信号读出电路接口和信号产生电路接口;
在所述红外热敏单元区域,淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,形成支撑梁和悬臂梁;
淀积金属或半导体,并图形化,形成信号线;
淀积多晶硅或金属化合物,并图形化,形成由热电偶、热阻或二极管组成的敏感区;
对制作有控制电路和红外热敏单元的衬底,进行正面选择性湿法腐蚀或干法刻蚀,将敏感区、悬臂梁以及支撑梁下的衬底进行去除,释放形成凹槽得到悬空的敏感区;
制作封装结构,其中,在另一块衬底上,利用体硅或淀积非晶硅、多晶硅、锗、锗硅、硫化锌或其组合材料,并图形化,形成盖帽;在盖帽上,利用体硅或淀积掺杂的多晶硅、Pt、Au、Al,并图形化,形成加热器;淀积金属或半导体,并图形化,形成控制线;从衬底背面,对衬底进行选择性刻蚀,使得盖帽悬空;对保留的衬底进行钝化,形成框架;
键合集成,其中,
将封装结构与制作有控制电路和红外热敏单元的衬底进行键合,使得封装结构中的框架固定在控制电路的信号产生电路接口上;
刻蚀框架,淀积金属或半导体,并图形化,在框架中形成控制线并与盖帽上的控制线连为一体。
通过上述红外热探测器及其制作方法,将模拟黑体的加热器制作在封装结构上、与红外热敏单元及控制电路三维组合,使得探测器保持了易于制作且结构紧凑的优点;同时,能在不影响探测器基本性能的情况下,更精确地模拟黑体辐射的转化过程,实现探测器包括热转化效率、温度灵敏度、探测灵敏度等参数在内的辐射响应自测试,可为器件的原位在线校准补偿提供更多的器件状态信息。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与下面的具体实施方式一起用于解释本发明,但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明第一实施例的红外热探测器的结构示意图。
图2为本发明第二实施例的红外热探测器的结构示意图。
图3-A1至3-A7为说明本发明第一实施例的红外热探测器的薄膜释放制作方法的结构示意图。
图4-B1至4-B4、图4-C1至4-C3以及图4-D1至4-D2为说明本发明第一实施例的红外热探测器的键合制作方法的结构示意图。
图5-E1至5-E5为说明本发明第二实施例的红外热探测器的薄膜释放制作方法的结构示意图。
图6-F1至6-F2、图6-G1至6-G3以及图6-H1至6-H2为说明本发明第二实施例的红外热探测器的键合制作方法的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包括,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本发明第一实施例中提供了一种红外热探测器,图1为本发明第一实施例的红外热探测器的结构示意图,如图1所示,包括:
控制电路10;
与所述控制电路10连接的红外热敏单元20;以及
设置在所述控制电路10上的封装结构30;
其中,所述控制电路10包括信号读出电路接口101和信号产生电路接口102;
其中,所述封装结构30包括框架301、盖帽302、加热器303和控制线304;所述框架301固定在所述控制电路10上,其中所述框架301的底端固定在所述信号产生电路接口102上;所述盖帽302悬置于所述框架301上,并与所述框架301形成包围所述红外热敏单元20的闭合空腔;所述加热器303位于所述盖帽302上;所述控制线304分别位于所述盖帽302上和所述框架301中,其中所述加热器303通过所述控制线304与所述信号产生电路接口102电学连接;
其中,所述红外热敏单元20包括支撑梁201、悬臂梁202、敏感区203和信号线204;
其中,所述支撑梁201纵向垂直固定在所述控制电路10上,其中所述支撑梁201的底端固定在所述信号读出电路接口101上;所述悬臂梁202的一端与所述支撑梁201相连,另一端与所述敏感区203相连;所述敏感区203悬空设置;所述信号线204内嵌于所述支撑梁201和悬臂梁202中,所述敏感区203通过所述信号线204与所述信号读出电路接口101电学连接。
在本发明第二实施例中提供了一种红外热探测器,图2为本发明第二实施例的红外热探测器的结构示意图,如图2所示,包括:
控制电路10;
与所述控制电路10连接的红外热敏单元20;以及
设置在所述控制电路10上的封装结构30;
其中,所述控制电路10包括信号读出电路接口101和信号产生电路接口102;
其中,所述封装结构30包括框架301、盖帽302、加热器303和控制线304;所述框架301固定在所述控制电路10上,其中所述框架301的底端固定在所述信号产生电路接口102上;所述盖帽302悬置于所述框架301上,并与所述框架301形成包围所述红外热敏单元20的闭合空腔;所述加热器303位于所述盖帽302上;所述控制线304分别位于所述盖帽302上和所述框架301中,其中所述加热器303通过所述控制线304与所述信号产生电路接口102电学连接;
其中,所述红外热敏单元20包括支撑梁201、悬臂梁202、敏感区203、信号线204和红外热敏单元衬底205,所述红外热敏单元衬底205上设置有凹槽;
其中,所述支撑梁201横向垂直固定在所述控制电路10上,其侧面与所述信号读出电路接口101连接,其底部与所述红外热敏单元衬底205连接;所述悬臂梁202的一端与所述支撑梁201相连,另一端与所述敏感区203相连;所述敏感区203位于所述红外热敏单元衬底205的凹槽的上方,并悬空设置;所述信号线204内嵌于所述支撑梁201和悬臂梁202中,所述敏感区203通过所述信号线204与所述信号读出电路接口101电学连接。
优选地,所述信号读出电路接口101和信号产生电路接口102均为金属接触口或半导体接触口,所述金属接触口的材质为Pt、Au或Al,所述半导体接触口的材质为单晶硅或多晶硅。
优选地,所述控制电路10为以硅或SOI为衬底采用集成电路工艺制作的电路。
优选地,所述信号读出电路接口通过信号线与敏感区连接,用于读出敏感区转化红外辐射产生的电信号。
优选地,所述信号产生电路接口通过控制线与加热器连接,用于给加热器提供加热功率。
优选地,所述支撑梁和悬臂梁为介质梁,其材料是氧化硅、氮化硅或其组合。
优选地,所述敏感区进行红外-热-电的转化机理是热电偶型、热敏电阻型、或二极管型。
优选地,所述信号线是Pt、Au、Al等金属导线,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体导线。
优选地,所述框架不导电,可以是氧化硅、氮化硅或其组合形成的介质,也可以是覆盖有介质的导体或半导体。
优选地,所述盖帽是透红外的窗,可以是硅、锗、锗硅、硫化锌或其组合材料。
优选地,所述加热器是通电时能发热的器件,如:电阻、二极管、MOS管。
优选地,所述控制线是Pt、Au、Al等金属导线,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体导线。
具体地,为进一步说明本发明提出的红外热探测器的制作实现,图3-A1至3-A7以控制电路和红外热敏单元纵向集成的红外热探测器为例,图4-B1至4-B4、图4-C1至4-C3以及图4-D1至4-D2以控制电路和红外热敏单元纵向集成的红外热探测器为例,图5-E1至5-E5以控制电路和红外热敏单元横向集成的红外热探测器为例,图6-F1至6-F2、图6-G1至6-G3以及图6-H1至6-H2以控制电路和红外热敏单元横向集成的红外热探测器为例。
图3-A1至3-A7为说明本发明第一实施例的红外热探测器的薄膜释放制作方法的结构示意图,如图3-A1至3-A7所示,包括:
如图3-A1所示,提供控制电路10,在所述控制电路10上淀积Pt、Au、Al等金属,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体,并图形化,形成信号读出电路接口101和信号产生电路接口102;
如图3-A2所示,淀积牺牲层40,并图形化,在所述信号读出电路接口101上形成第一开口;
如图3-A3所示,在所述牺牲层40上形成红外热敏单元20,包括:淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,在所述第一开口内形成支撑梁201和在所述牺牲层40上形成悬臂梁202;淀积Pt、Au、Al等金属,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体,并图形化,形成信号线204;淀积掺杂的多晶硅、VOx等功能材料,并图形化,形成由热电偶、热阻或二极管组成的敏感区203;
如图3-A4所示,淀积牺牲层40,并图形化,在信号产生电路接口102上形成第二开口;
如图3-A5所示,在所述控制电路10上形成封装结构30,包括:在牺牲层40上,形成带孔的封装结构30,其中,淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,在所述第二开口内形成框架301;淀积非晶硅、多晶硅、锗、锗硅、硫化锌或其组合材料,并图形化,形成带孔的盖帽302;在盖帽302上,淀积掺杂的多晶硅、Pt、Au或Al,并图形化,形成加热器303;淀积Pt、Au、Al等金属,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体,并图形化,形成控制线304;
如图3-A6所示,通过封装结构30上的孔,对牺牲层40进行刻蚀,释放得到悬空的盖帽302与敏感区203;
如图3-A7所示,通过淀积氧化硅、氮化硅或其组合填充封装结构30上的孔,使得盖帽302与框架301形成包围所述红外热敏单元20的闭合空腔,及通过淀积Pt、Au、Al等金属,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体,并图形化,使得控制线304电学连接所述信号产生电路接口102与加热器303。
图4-B1至4-B4、图4-C1至4-C3以及图4-D1至4-D2为说明本发明第一实施例的红外热探测器的键合制作方法的结构示意图,如图4-B1至4-B4、图4-C1至4-C3以及图4-D1至4-D2所示,包括:
如图4-B1所示,提供控制电路10,在所述控制电路10上淀积Pt、Au、Al等金属,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体,并图形化,形成信号读出电路接口101和信号产生电路接口102;
如图4-B2所示,淀积牺牲层40,并图形化,在所述信号读出电路接口101上形成第一开口;
如图4-B3所示,在所述牺牲层40上形成红外热敏单元20,包括:淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,在所述第一开口内形成支撑梁201和在所述牺牲层40上形成悬臂梁202;淀积Pt、Au、Al等金属,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体,并图形化,形成信号线204;淀积掺杂的多晶硅、VOx等功能材料,并图形化,形成由热电偶、热阻或二极管组成的敏感区203;
如图4-B4所示,对所述牺牲层40进行刻蚀,释放得到悬空的敏感区203;
在所述控制电路10上形成封装结构30,包括:
如图4-C1所示,在另一块衬底上,利用体硅或淀积非晶硅、多晶硅、锗、锗硅、硫化锌或其组合材料,并图形化,形成盖帽302;在盖帽302上,利用体硅或淀积掺杂的多晶硅、Pt、Au、Al金属,并图形化,形成加热器303;淀积Pt、Au、Al等金属,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体,并图形化,形成控制线304;
如图4-C2所示,从衬底背面,对衬底进行选择性刻蚀,使得盖帽302悬空;
如图4-C3所示,对保留的衬底进行钝化,形成框架301;
键合集成,包括:
如图4-D1所示,将封装结构30与制作有红外热敏单元20的控制电路10进行键合,使得封装结构30中的框架301固定在控制电路10的信号产生电路接口102上;
如图4-D2所示,刻蚀框架301,淀积Pt、Au、Al等金属,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体,并图形化,在框架301中形成控制线304并与盖帽302上的控制线304连为一体。
图5-E1至5-E5为说明本发明第二实施例的红外热探测器的薄膜释放制作方法的结构示意图,如图5-E1至5-E5所示,包括:
如图5-E1所示,在同一衬底的不同区域内制作控制电路10和红外热敏单元20;其中,在控制电路10上,淀积Pt、Au、Al等金属,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体,并图形化,形成信号读出电路接口101和信号产生电路接口102;在所述红外热敏单元20区域,淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,形成支撑梁201和悬臂梁202;淀积Pt、Au、Al等金属,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体,并图形化,形成信号线204;淀积掺杂的多晶硅、VOx等功能材料,并图形化,形成由热电偶、热阻或二极管组成的敏感区203;
如图5-E2所示,淀积牺牲层40,并图形化,在信号产生电路接口102上形成开口;
如图5-E3所示,在牺牲层40上,形成带孔的封装结构30,其中,淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,在所述开口内形成框架301;淀积非晶硅、多晶硅、锗、锗硅、硫化锌或其组合材料,并图形化,形成带孔的盖帽302;在盖帽302上,淀积掺杂的多晶硅、或Pt、Au、Al等金属,并图形化,形成加热器303;淀积Pt、Au、Al等金属,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体,并图形化,形成控制线304;
如图5-E4所示,通过封装结构30上的孔,对牺牲层40进行刻蚀,释放得到悬空的盖帽302;对红外热敏单元20进行正面选择性湿法腐蚀或干法刻蚀,将敏感区203、悬臂梁202以及支撑梁201下的衬底进行去除,释放形成凹槽得到悬空的敏感区203;
如图5-E5所示,通过淀积氧化硅、氮化硅或其组合填充封装结构30上的孔,使得盖帽302与框架301形成包围红外热敏单元20的闭合空腔;通过淀积Pt、Au、Al等金属,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体,并图形化,使得控制线304电学连接信号产生电路接口102与加热器303。
图6-F1至6-F2、图6-G1至6-G3以及图6-H1至6-H2为说明本发明第二实施例的红外热探测器的键合制作方法的结构示意图,如图6-F1至6-F2、图6-G1至6-G3以及图6-H1至6-H2所示,包括:
如图6-F1所示,在同一衬底的不同区域内制作控制电路10和红外热敏单元20;其中,在控制电路10上,淀积金属Pt、Au、Al等金属,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体,并图形化,形成信号读出电路接口101和信号产生电路接口102;在所述红外热敏单元20区域,淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,形成支撑梁201和悬臂梁202;淀积Pt、Au、Al等金属,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体,并图形化,形成信号线204;淀积多晶硅、VOx等功能材料,并图形化,形成由热电偶、热阻或二极管组成的敏感区203;
如图6-F2所示,对制作有控制电路10和红外热敏单元20的衬底,进行正面选择性湿法腐蚀或干法刻蚀,将敏感区203、悬臂梁202以及支撑梁201下的衬底进行去除,释放形成凹槽得到悬空的敏感区203;
制作封装结构30,包括:
如图6-G1所示,在另一块衬底上,利用体硅或淀积非晶硅、多晶硅、锗、锗硅、硫化锌或其组合材料,并图形化,形成盖帽302;在盖帽302上,利用体硅或淀积掺杂的多晶硅、Pt、Au、Al等金属,并图形化,形成加热器303;淀积Pt、Au、Al等金属,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体,并图形化,形成控制线304;
如图6-G2所示,从衬底背面,对衬底进行选择性刻蚀,使得盖帽302悬空;
如图6-G3所示,对保留的衬底进行钝化,形成框架301;
键合集成,包括:
如图6-H1所示,将封装结构30与制作有控制电路10和红外热敏单元20的衬底进行键合,使得封装结构30中的框架301固定在控制电路10的信号产生电路接口102上;
如图6-H2所示,刻蚀框架301,淀积Pt、Au、Al等金属,或掺杂的单晶硅、多晶硅等半导体,并图形化,在框架301中形成控制线304并与盖帽302上的控制线304连为一体。
通过上述红外热探测器及其制作方法,将模拟黑体的加热器制作在封装结构上、与红外热敏单元及控制电路三维组合,使得探测器保持了易于制作且结构紧凑的优点;同时,能在不影响探测器基本性能的情况下,更精确地模拟黑体辐射的转化过程,实现探测器包括热转化效率、温度灵敏度、探测灵敏度等参数在内的辐射响应自测试,可为器件的原位在线校准补偿提供更多的器件状态信息。
可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式,然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种红外热探测器,其特征在于,包括:
控制电路(10);
与所述控制电路(10)连接的红外热敏单元(20);以及
设置在所述控制电路(10)上的封装结构(30);
其中,所述控制电路(10)包括信号读出电路接口(101)和信号产生电路接口(102);
其中,所述封装结构(30)包括框架(301)、盖帽(302)、加热器(303)和控制线(304);所述框架(301)固定在所述控制电路(10)上,其中所述框架(301)的底端固定在所述信号产生电路接口(102)上;所述盖帽(302)悬置于所述框架(301)上,并与所述框架(301)形成包围所述红外热敏单元(20)的闭合空腔;所述加热器(303)位于所述盖帽(302)上;所述控制线(304)分别位于所述盖帽(302)上和所述框架(301)中,其中所述加热器(303)通过所述控制线(304)与所述信号产生电路接口(102)电学连接。
2.根据权利要求1所述的红外热探测器,其特征在于,所述红外热敏单元(20)包括支撑梁(201)、悬臂梁(202)、敏感区(203)和信号线(204);
其中,所述支撑梁(201)纵向垂直固定在所述控制电路(10)上,其中所述支撑梁(201)的底端固定在所述信号读出电路接口(101)上;所述悬臂梁(202)的一端与所述支撑梁(201)相连,另一端与所述敏感区(203)相连;
所述敏感区(203)悬空设置;所述信号线(204)内嵌于所述支撑梁(201)和悬臂梁(202)中,所述敏感区(203)通过所述信号线(204)与所述信号读出电路接口(101)电学连接。
3.根据权利要求1所述的红外热探测器,其特征在于,所述红外热敏单元(20)包括支撑梁(201)、悬臂梁(202)、敏感区(203)、信号线(204)和红外热敏单元衬底(205),所述红外热敏单元衬底(205)上设置有凹槽;
其中,所述支撑梁(201)横向垂直固定在所述控制电路(10)上,其侧面与所述信号读出电路接口(101)连接,其底部与所述红外热敏单元衬底(205)连接;所述悬臂梁(202)的一端与所述支撑梁(201)相连,另一端与所述敏感区(203)相连;所述敏感区(203)位于所述红外热敏单元衬底(205)的凹槽的上方,并悬空设置;所述信号线(204)内嵌于所述支撑梁(201)和悬臂梁(202)中,所述敏感区(203)通过所述信号线(204)与所述信号读出电路接口(101)电学连接。
4.一种红外热探测器的制作方法,其特征在于,所述红外热探测器的制作方法包括:
提供控制电路(10),在所述控制电路(10)上淀积金属或半导体,并图形化,形成信号读出电路接口(101)和信号产生电路接口(102);
淀积牺牲层(40),并图形化,在所述信号读出电路接口(101)上形成第一开口;
在所述牺牲层(40)上形成红外热敏单元(20);
在所述控制电路(10)上形成封装结构(30);
其中,所述封装结构(30)包括框架(301)、盖帽(302)、加热器(303)和控制线(304);所述框架(301)固定在所述控制电路(10)上,其中所述框架(301)的底端固定在所述信号产生电路接口(102)上;所述盖帽(302)悬置于所述框架(301)上,并与所述框架(301)形成包围所述红外热敏单元(20)的闭合空腔;所述加热器(303)位于所述盖帽(302)上;所述控制线(304)分别位于所述盖帽(302)上和所述框架(301)中,其中所述加热器(303)通过所述控制线(304)与所述信号产生电路接口(102)电学连接;
其中,所述红外热敏单元(20)的支撑梁(201)底端固定在所述信号读出电路接口(101)上。
5.根据权利要求4所述的红外热探测器的制作方法,其特征在于,所述在所述牺牲层(40)上形成红外热敏单元(20),在所述控制电路(10)上形成封装结构(30)中,还包括:
淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,在所述第一开口内形成支撑梁(201)和在所述牺牲层(40)上形成悬臂梁(202);
淀积金属或半导体,并图形化,形成信号线(204);
淀积多晶硅或金属化合物,并图形化,形成由热电偶、热阻或二极管组成的敏感区(203);
淀积牺牲层(40),并图形化,在信号产生电路接口(102)上形成第二开口;
在牺牲层(40)上,形成带孔的封装结构(30),其中,淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,在所述第二开口内形成框架(301);淀积非晶硅、多晶硅、锗、锗硅、硫化锌或其组合材料,并图形化,形成带孔的盖帽(302);在盖帽(302)上,淀积掺杂的多晶硅、Pt、Au或Al,并图形化,形成加热器(303);淀积金属或半导体,并图形化,形成控制线(304);
通过封装结构(30)上的孔,对牺牲层(40)进行刻蚀,释放得到悬空的盖帽(302)与敏感区(203);
通过淀积氧化硅、氮化硅或其组合填充封装结构(30)上的孔,使得盖帽(302)与框架(301)形成包围所述红外热敏单元(20)的闭合空腔,及通过淀积金属或半导体,并图形化,使得控制线(304)电学连接所述信号产生电路接口(102)与加热器(303)。
6.根据权利要求4所述的红外热探测器的制作方法,其特征在于,所述在所述牺牲层(40)上形成红外热敏单元(20),在所述控制电路(10)上形成封装结构(30)中,还包括:
淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,在所述第一开口内形成支撑梁(201)和在所述牺牲层(40)上形成悬臂梁(202);
淀积金属或半导体,并图形化,形成信号线(204);
淀积多晶硅或金属化合物,并图形化,形成由热电偶、热阻或二极管组成的敏感区(203);
对所述牺牲层(40)进行刻蚀,释放得到悬空的敏感区(203);
制作封装结构(30),其中,
在另一块衬底上,利用体硅或淀积非晶硅、多晶硅、锗、锗硅、硫化锌或其组合材料,并图形化,形成盖帽(302);
在盖帽(302)上,利用体硅或淀积掺杂的多晶硅、Pt、Au、Al,并图形化,形成加热器(303);
淀积金属或半导体,并图形化,形成控制线(304);
从衬底背面,对衬底进行选择性刻蚀,使得盖帽(302)悬空;
对保留的衬底进行钝化,形成框架(301);
键合集成,其中,
将封装结构(30)与制作有红外热敏单元(20)的控制电路(10)进行键合,使得封装结构(30)中的框架(301)固定在控制电路(10)的信号产生电路接口(102)上;
刻蚀框架(301),淀积金属或半导体,并图形化,在框架(301)中形成控制线(304)并与盖帽(302)上的控制线(304)连为一体。
7.一种红外热探测器的制作方法,其特征在于,所述红外热探测器的制作方法包括:
在同一衬底的不同区域内制作控制电路(10)和红外热敏单元(20);
在所述控制电路(10)上形成封装结构(30);
其中,所述控制电路(10)包括信号读出电路接口(101)和信号产生电路接口(102);
其中,所述封装结构(30)包括框架(301)、盖帽(302)、加热器(303)和控制线(304);所述框架(301)固定在所述控制电路(10)上,其中所述框架(301)的底端固定在所述信号产生电路接口(102)上;所述盖帽(302)悬置于所述框架(301)上,并与所述框架(301)形成包围所述红外热敏单元(20)的闭合空腔;所述加热器(303)位于所述盖帽(302)上;所述控制线(304)分别位于所述盖帽(302)上和所述框架(301)中,其中所述加热器(303)通过所述控制线(304)与所述信号产生电路接口(102)电学连接;
其中,所述红外热敏单元(20)的支撑梁(201)侧面与所述信号读出电路接口(101)连接。
8.根据权利要求7所述的红外热探测器的制作方法,其特征在于,还包括:
在控制电路(10)上,淀积金属或半导体,并图形化,形成信号读出电路接口(101)和信号产生电路接口(102);
在所述红外热敏单元(20)区域,淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,形成支撑梁(201)和悬臂梁(202);
淀积金属或半导体,并图形化,形成信号线(204);
淀积多晶硅或金属化合物,并图形化,形成由热电偶、热阻或二极管组成的敏感区(203);
淀积牺牲层(40),并图形化,在信号产生电路接口(102)上形成开口;
在牺牲层(40)上,形成带孔的封装结构(30),其中,淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,在所述开口内形成框架(301);淀积非晶硅、多晶硅、锗、锗硅、硫化锌或其组合材料,并图形化,形成带孔的盖帽(302);在盖帽(302)上,淀积掺杂的多晶硅、Pt、Au、Al,并图形化,形成加热器(303);淀积金属或半导体,并图形化,形成控制线(304);
通过封装结构(30)上的孔,对牺牲层(40)进行刻蚀,释放得到悬空的盖帽(302);对红外热敏单元(20)进行正面选择性湿法腐蚀或干法刻蚀,将敏感区(203)、悬臂梁(202)以及支撑梁(201)下的衬底进行去除,释放形成凹槽得到悬空的敏感区(203);
通过淀积氧化硅、氮化硅或其组合填充封装结构(30)上的孔,使得盖帽(302)与框架(301)形成包围红外热敏单元(20)的闭合空腔;通过淀积金属或半导体,并图形化,使得控制线(304)电学连接信号产生电路接口(102)与加热器(303)。
9.根据权利要求7所述的红外热探测器的制作方法,其特征在于,还包括:
在控制电路(10)上,淀积金属或半导体,并图形化,形成信号读出电路接口(101)和信号产生电路接口(102);
在所述红外热敏单元(20)区域,淀积氧化硅、氮化硅或其组合,并图形化,形成支撑梁(201)和悬臂梁(202);
淀积金属或半导体,并图形化,形成信号线(204);
淀积多晶硅或金属化合物,并图形化,形成由热电偶、热阻或二极管组成的敏感区(203);
对制作有控制电路(10)和红外热敏单元(20)的衬底,进行正面选择性湿法腐蚀或干法刻蚀,将敏感区(203)、悬臂梁(202)以及支撑梁(201)下的衬底进行去除,释放形成凹槽得到悬空的敏感区(203);
制作封装结构(30),其中,在另一块衬底上,利用体硅或淀积非晶硅、多晶硅、锗、锗硅、硫化锌或其组合材料,并图形化,形成盖帽(302);在盖帽(302)上,利用体硅或淀积掺杂的多晶硅、Pt、Au、Al,并图形化,形成加热器(303);淀积金属或半导体,并图形化,形成控制线(304);从衬底背面,对衬底进行选择性刻蚀,使得盖帽(302)悬空;对保留的衬底进行钝化,形成框架(301);
键合集成,其中,
将封装结构(30)与制作有控制电路(10)和红外热敏单元(20)的衬底进行键合,使得封装结构(30)中的框架(301)固定在控制电路(10)的信号产生电路接口(102)上;
刻蚀框架(301),淀积金属或半导体,并图形化,在框架(301)中形成控制线并与盖帽(302)上的控制线(304)连为一体。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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