CN113390513B - 一种微测辐射热计的三层像元结构 - Google Patents
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Abstract
一种微测辐射热计的三层像元结构，包括光吸收层、热敏层、电极层及其衬底。光吸收层与热敏层之间形成光学谐振腔，通过中空桥柱相连，减小微桥热容。热敏层将热敏电阻层最大化增加对红外透过光的吸收率，电极层将电极桥腿从两端弯曲摆布，增加桥腿的长度，减少热导。热敏层与电极层上下均铺有钝化层，电极桥腿分别与热敏电阻层和衬底相连，实现电学连通和热学连通。本发明在兼顾时间响应常数的同时，具有较高的红外吸收率和较低的热导，有效提高了像元的温升，具有更高的温度响应率和热灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于非制冷红外探测器技术领域，具体涉及一种微测辐射热计的三层像元结构。
背景技术
随着红外成像技术的发展，红外成像系统的应用范围越来越广，包括通讯、医疗、化学、生物、战争多个领域，实现了低成本商业化，而在系统应用方面，热成像系统的时间响应常数、红外吸收率以及热灵敏度(等效噪声温差值)等重要参数已经成为了研究的重点。其中非制冷热探测器具有不需要制冷，重量轻，小型化，使用方便等优势。非制冷红外探测器也正向着大阵列化、像素尺寸小型化发展，在军事、医学、农业、环境科学和气象探测等领域都得到了广泛的应用，在军用和民用领域应用也越来越广泛。
红外探测器种类繁多，按对红外辐射具体的测量方式来划分，有热敏型探测器和光子型探测器两类。其中，热敏型红外探测器主要是利用红外辐射的热效应，使某些热电材料的电学性质发生变化，以此实现对目标物体的探测。常见的热敏性红外探测器有温差热电堆红外探测器、热释电红外探测器和微测辐射热计红外探测器等。在这些红外探测器中，以非制冷型微测辐射热计为代表，具有响应速度快、制作工艺相对简单，可重复性较好等特点，已成为近些年红外探测研究的热点。非制冷型微测辐射热计主要是利用敏感材料的电阻率对温度的敏感特性进行红外探测。通过微机械加工技术(MEMS)刻蚀形成微桥探测阵列，实现对目标的大面积探测和成像。
传统的微测辐射热计由单层像元结构构成，其中红外吸收层与热敏层处于同一个桥面，导致红外吸收层和热敏层的温度同时变化，难以做到在降低像元热导的同时提高对红外光的吸收率，从而限制像元的热灵敏度。若增大单层像元的红外吸收需要不断增大桥面面积，这也限制了器件的集成度，所以单层结构无法达到器件的高性能要求，单层微桥的发展有局限性。
现有的双层微测辐射热计大概分为两种，一种为双层S型结构，其分为两个独立的桥面，光吸收层和热敏层在上层桥面，下层桥面由单排弯曲成S型的电极组成，隐藏在上桥面的下方，这种结构降低了器件的热导，但是光吸收层和热敏层仍未分开，不能单独变化，限制了器件的红外吸收率，且其稳定性不佳，时间响应慢。另一种为双层伞型结构，这种结构的特点在于光吸收层独立存在于热敏层上方，增加了光学填充率，克服了传统结构光吸收层和热敏层温度同升同降的缺点，但是其热敏层的面积没有达到最大化，且桥腿长度不足，导致器件热导偏大，影响其热灵敏度。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统单层结构和现有双层结构在红外吸收率、热响应时间，尤其是像元热导等方面存在的不足，提供一种微测辐射热计的三层像元结构，该种微测辐射热计热灵敏度较高，同时提高了像元的红外吸收率，降低了器件响应时间。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种微测辐射热计的三层像元结构，所述三层像元结构自上而下依次为光吸收层、热敏层和电极层，所述光吸收层与热敏层通过中空桥柱相连，光吸收层与热敏层之间形成光学谐振腔，所述热敏层内嵌有两个电极，所述两个电极位于热敏层的两个相对侧，所述电极层包括电极层桥面及其上表面两排互不接触的呈中心对称的三重折叠迂回结构的桥腿一和桥腿二，每个所述三重折叠迂回结构的首端和尾端分别设有孔一和孔二，所述电极的两个对角侧均向下弯折形成桥柱一，所述桥柱一插入孔一内，所述孔二中通过插入桥柱二与硅衬底相连接，所述热敏层和电极层的上下表面均设有钝化层。
本发明相对于现有技术的有益效果为：
1、光吸收层与热敏层互相分离，由两层之间的中空桥柱相连接，形成伞状结构，对红外光的吸收面积从250～265μm2提升到270～285μm2，将像元的光学填充率从86.51～91.70％提升到93.43～98.62％，而且由于两者分离，可以自由调节光吸收层厚度进而调节器件热容和热导，也可以通过调节中空桥柱高度对谐振腔高度进行调节，从而达到对红外光的高吸收率。
2、将电极层的桥腿一和桥腿二单独置于热敏层下，使热敏层面积最大化，增加光学谐振腔对透射进来的红外光的吸收率，最终对红外光的最大吸收率提高至90～93％，比与其除优化部分外其他结构参数完全相同的传统双层结构提升了14～17％。
3、中空桥柱减小了器件热容，进而减小像元的热时间响应常数，使像元的热时间响应时间降低到9.41～9.60ms，比与其除优化部分外其他结构参数完全相同的传统双层结构响应时间快了0.52～0.71ms。
4、将桥腿一和桥腿二排成弓型三重迂回结构，相比传统的单层与双层像元结构增加了桥腿长度，并进一步将桥腿设计成双排对称结构，将其长度扩大到原来的二倍，大幅度减小热导，可降低到4.31×10-8～4.40×10-8W/K，比与其除优化部分外其他结构参数完全相同的传统双层结构降低了1.60×10-7～1.61×10-7W/K，进而噪声等效温差(NETD)值更小，热灵敏度得到提高，大幅提高微测辐射热计的热学性能。
附图说明
图1为本发明提供的三层像元结构示意图；
图2为本发明提供的三层像元结构的俯视图；
图3为本发明提供的三层像元结构的侧视图；
图4为本发明提供的三层像元结构的内部细节图；
图5为本发明提供的三层像元结构的电极桥腿图；
图6为本发明提供的三层像元结构的温升图；
图7为本发明提供的三层像元结构和传统双层像元结构的红外吸收率曲线对比图；
图8为本发明提供的三层像元结构改进前后的热时间响应曲线图。
具体实施方式
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种微测辐射热计的三层像元结构，所述三层像元结构自上而下依次为光吸收层1、热敏层2和电极层3，所述光吸收层1与热敏层2通过中空桥柱4相连，光吸收层1与热敏层2之间形成光学谐振腔，所述热敏层2内嵌有两个电极5，所述两个电极5位于热敏层2的两个相对侧，所述电极层3包括电极层桥面及其上表面两排互不接触的呈中心对称的三重折叠迂回结构的桥腿一6和桥腿二7，每个所述三重折叠迂回结构的首端和尾端分别设有孔一8和孔二9，所述电极5的两个对角侧均向下弯折形成桥柱一10，所述桥柱一10插入孔一8内，所述孔二9中通过插入桥柱二11与硅衬底12相连接，所述热敏层2和电极层3的上下表面均设有钝化层。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，所述光吸收层1厚度为0.1um-0.2um，位于微桥顶部。使光吸收层1与像元面积相等。与热敏层2形成光学谐振腔。由matlab程序调试可得当光吸收层1厚度为0.1um-0.2um时，红外吸收率可以达到90％以上，厚度过高，红外吸收率下降过快，厚度过低现有工艺难以完成。
具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，所述中空桥柱4的高度为2um-2.5um，厚度为0.2um-0.5um，半径为2um-3um。上表面为光吸收层1，下表面为热敏层2。中空桥柱4根据光学谐振腔的理论，腔高为λ/4时谐振腔吸收光的效率最高，由于像元对8um-10um的红外光吸收率最高，所以选用的高度为2um-2.5um。由于考虑其力学稳定性圆柱顶部和底部面积不可过低，考虑到光吸收层1和热敏层2圆柱顶部和底部面积不可过高。考虑其热容的减小量圆柱侧壁厚度不可过高，考虑其力学稳定性圆柱侧壁厚度不可过低。经过多次优化仿真得到折中的中空圆柱厚度为0.2um-0.5um，半径为2um-3um。
具体实施方式四：具体实施方式三所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，所述中空桥柱4的半径为2um，厚度为0.2um。
具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，所述热敏层2与两个电极5电连接，热敏层2与光吸收层1面积相同，即使热敏层2面积最大化，增加其对透射光吸收层1的红外光的吸收量，增加像元红外吸收率。
具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，所述热敏层2对角处设置两倒角，其上下两层钝化层厚度均为0.05um-0.1um，起到支撑和抗氧化的作用。考虑钝化层厚度过厚影响热敏层2对红外光的吸收，钝化层厚度过小现有工艺难以完成，所以选定尽可能小的厚度为0.05um-0.1um。根据仿真可得到结论，热敏层2对角处设置两倒角可以降低热敏层的热应力。
具体实施方式七：具体实施方式一所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，所述桥柱一10厚度为1um，且桥柱一10被厚度为0.1um的钝化层包围。考虑其力学稳定性，桥柱一10厚度不可过大，桥柱厚度过小现有工艺难以完成，经过多次仿真选定其高度为1um，钝化层厚度选择原因同理。
具体实施方式八：具体实施方式一所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，所述桥腿一6和桥腿二7在电极层3上呈弓字型排列。选定四重及以上迂回结构时，热导过低导致热时间相应过长，选定三重以下时热导减少过小，所以选用三重迂回结构，对称结构是为了尽可能减少桥腿的热导。
具体实施方式九：具体实施方式八所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，所述桥腿一6和桥腿二7的宽度用W1表示，W1均为0.6um，两者之间间距W2为0.2um-0.4um，末端延伸至桥面对角处，其上下两层钝化层厚度为0.05um-0.1um。电极层3桥腿宽度过小会导致像元电阻过高，宽度过大会导致热导增大，经过多次仿真优化选用宽度为0.6um，尽可能使桥腿铺满电极层3，所以桥腿一6和桥腿二7之间间距为0.2um-0.4um。钝化层厚度选择同具体实施方式六和七。
具体实施方式十：具体实施方式一所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，所述电极层3通过桥柱二11与硅衬底12电连接并固定；所述桥柱二11为四周包裹有钝化层的金属电极，作为两点支撑的平稳结构。金属电极用来传递电流，钝化层起到抗氧化和增加结构稳定性的作用，选用两个支撑柱可减小热量的损耗。
具体实施方式十一：具体实施方式一所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，所述光吸收层1和钝化层材料均为Si3N4，热敏层2的材料为VOx，电极层3和热敏层2上含有的电极材料均为Ti。经过多次仿真，光吸收层1和钝化层材料从多孔硅，SiO2和Si3N4中选择了吸收率较大，力学形变较小，热导率低的Si3N4，热敏层2材料从多晶硅和VOx中选择电阻温度系数更高的VOx，电极从Al，NiCr和Ti中选择电阻率更低，热导率更低的Ti电极。
实施例1：
程序运行环境：Windows 10、MATLAB(R2016a)、COMSOL5.5；
参见图1-图5，本发明实施例提供一种三层像元结构，包括具有读出电路的硅衬底12以及位于硅衬底12正上方的微桥结构，硅衬底12为固定底座，其上设置有读出电路，可以与外设电子元件电连接，光吸收层1是Si3N4红外吸收层，位于微桥顶部，厚度为0.1um-0.2um，用来增强对红外光的吸收率。热敏层2和光吸收层1通过材质为Si3N4的中空桥柱4连接，中空桥柱4起到热连通和力学支撑作用，这里中空桥柱4的半径为2um-3um，高度为2um-2.5um，厚度为0.2um-0.5um，热敏层2由热敏材料和双排电极5组成，热敏材料采用VOx，电极5材质为Ti，双排电极5与热敏材料相连，电极5宽度为1um。热敏层2上下均设有厚度为0.05um-0.1um的钝化层，起到抗氧化和支撑作用。透射进光吸收层1的红外光在光吸收层1和热敏层2之间不断反射，形成光学谐振腔，进一步增加对红外光的吸收。电极5在对角处向下弯折延伸为桥柱一10，桥柱一10被厚度为0.1um的Si3N4钝化层包围，与第三层电极层3相连。桥柱一10通过孔一8与电极层3上的桥腿一6和桥腿二7相连，完成电学连通和热量传导。这里桥柱一10长度为1um，宽度为0.5um。桥腿一6和桥腿二7又通过孔二9与含有金属电极和钝化层的桥柱二11连接，桥柱二11的宽度为0.6um，长度为2um。桥柱二11与硅衬底11固定，支撑其上方桥面。这样，光吸收层1所吸收的红外辐射通过中空桥柱4的热传导以及光吸收层1和热敏层2之间的红外光的反射将热量传至热敏材料，进而引起其内热敏感材料的电阻变化，且在电极5、桥腿一6、桥腿二7、桥柱一10和桥柱二11的传递作用下，将该电阻变化传递至硅衬底12上的读出电路，将热信号转化成电信号读出。
参见图2和图3，根据公式热容计算公式：
C＝∑ViρiCi
式中，ρi、Vi、Ci分别为第i层材料的密度、体积以及比热容。所以将其设计成中空桥柱4，减小了它的体积，进而使像元的热容下降，又根据热时间响应的公式：
式中，G为像元总热导，当像元的热容下降的时候，根据公式可知，像元的热时间响应就会随之下降，如图8，优化前后时间响应从10.12ms降到9.41ms。
参见图2-4，由于传统结构的热敏层的填充率低，影响光学谐振腔的效率，所以如图3的优化，将热敏层的面积最大化，使其面积与谐振腔上层面积大致相同，增加对红外光的反射次数，进而增加对红外光的吸收率。利用仿真可以得到，同样结构参数的双层传统结构(即红外吸收层和热敏层在同一桥面上)和新型三层结构的红外吸收率对比，可以使其最大红外吸收率从78.418％提高至92.882％。
参见图5，由桥腿热导公式：
式中，ki为各层材料的热导率，wi、di和li分别是各层材料的宽度、厚度和长度，由此可见，桥腿长度对热导的影响很大。传统单层结构和现有双层结构的桥腿长度不足。严重影响像元的热导进而影响其热灵敏度及其温度响应率。本发明中在电极层3中，将桥腿一6和桥腿二7均呈弓字型弯折，更优选的，考虑其热导对时间响应的关系，对其弯折三次，每次到达第三层电极层3桥腿总长度为222um，其间隙在0.3um-1.4um之间，两桥腿的末端通过孔二10与桥柱二11边缘处弯折一次，形成互不接触的对称三重盘曲结构，电极的厚度为0.2um，宽度为0.6um，热敏层2、电极层3及硅衬底12，形成电学连通。经过仿真，在功率为32400pw的红外光垂直照射下，环境温度和初始温度均为300K时，50ms后像元温度从300K上升至300.75096K。比起传统双层结构，像元热导从2.109×10-7W/K降低到4.314×10-8W/K，由温度响应率Rt和噪声等效温差(NETD)公式：
式中，G为像元热导，C为像元热容，w为帧频。由于长桥腿的设计使像元的热导大大下降，所以其温度响应率更高，噪声等效温差更小，即热灵敏度更高。
本实施例中，将上述的三层像元结构应用于微测辐射热计中，优化了其热时间响应常数，并具有较高的红外吸收率，更小的热导，优异的温度响应率和较高的热灵敏度。微测辐射热计的性能非常好。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种微测辐射热计的三层像元结构，其特征在于：所述三层像元结构自上而下依次为光吸收层(1)、热敏层(2)和电极层(3)，所述光吸收层(1)与热敏层(2)通过中空桥柱(4)相连，光吸收层(1)与热敏层(2)之间形成光学谐振腔，所述热敏层(2)内嵌有两个电极(5)，所述两个电极(5)位于热敏层(2)的两个相对侧，所述电极层(3)包括电极层桥面及其上表面两排互不接触的呈中心对称的三重折叠迂回结构的桥腿一(6)和桥腿二(7)，每个所述三重折叠迂回结构的首端和尾端分别设有孔一(8)和孔二(9)，所述电极(5)的两个对角侧均向下弯折形成桥柱一(10)，所述桥柱一(10)插入孔一(8)内，所述孔二(9)中通过插入桥柱二(11)与硅衬底(12)相连接，所述热敏层(2)和电极层(3)的上下表面均设有钝化层。
2.根据权利要求1所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，其特征在于：所述光吸收层(1)厚度为0.1um-0.2um。
3.根据权利要求1所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，其特征在于：所述中空桥柱(4)的高度为2um-2.5um，厚度为0.2um-0.5um，半径为2um-3um。
4.根据权利要求3所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，其特征在于：所述中空桥柱(4)的半径为2um，厚度为0.2um。
5.根据权利要求1所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，其特征在于：所述热敏层(2)与两个电极(5)电连接，热敏层(2)与光吸收层(1)面积相同。
6.根据权利要求1所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，其特征在于：所述热敏层(2)对角处设置两倒角，其上下两层钝化层厚度均为0.05um-0.1um。
7.根据权利要求1所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，其特征在于：所述桥柱一(10)厚度为1um，且桥柱一(10)被厚度为0.1um的钝化层包围。
8.根据权利要求1所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，其特征在于：所述桥腿一(6)和桥腿二(7)在电极层(3)上呈弓字型排列。
9.根据权利要求8所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，其特征在于：所述桥腿一(6)和桥腿二(7)的宽度用W1表示，W1均为0.6um，两者之间间距W2为0.2um-0.4um，末端延伸至桥面对角处，其上下两层钝化层厚度为0.05um-0.1um。
10.根据权利要求1所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，其特征在于：所述电极层(3)通过桥柱二(11)与硅衬底(12)电连接并固定；所述桥柱二(11)为四周包裹有钝化层的金属电极，作为两点支撑的平稳结构。
11.根据权利要求1所述的一种微测辐射热计的三层像元结构，其特征在于：所述光吸收层(1)和钝化层材料均为Si3N4，热敏层(2)的材料为VOx，电极层(3)和热敏层(2)上含有的电极材料均为Ti。
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