CN114014256A - 一种光辐射事件驱动的智能开关及其制备方法 - Google Patents

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赖建军
徐灵祎
李科
张正辉
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Huazhong University of Science and Technology
Ezhou Institute of Industrial Technology Huazhong University of Science and Technology
Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics
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Huazhong University of Science and Technology
Ezhou Institute of Industrial Technology Huazhong University of Science and Technology
Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics
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Abstract

本发明公开了一种光辐射事件驱动的智能开关及其制备方法，属于光传感技术领域。包括基板、第一悬臂梁、第二悬臂梁、光学吸收板、光学反射板、刚性连接杆、电触头、第一电接头和第二电接头；第一悬臂梁和第二悬臂梁沿基板横向平行排列；第一悬臂梁和第二悬臂梁的一端均与基板连接，另一端通过刚性连接杆互相连接；电触头固定于刚性连接杆一端的侧部；第一电接头和第二电接头与电触头相对设置。本发明与光电探测器或其他电路联用时，可以由光辐射事件自动触发，可以有效减少事件未出现时光电传感装置或其他有源装置待机状态下的能量消耗，有利于构建超低功耗光电传感器。

Description

一种光辐射事件驱动的智能开关及其制备方法
技术领域
本发明属于光传感技术领域，更具体地，涉及一种光辐射事件驱动的智能开关及其制备方法。
背景技术
目前的光辐射传感器对光学目标的辐射探测基本上依赖于有源电子器件进行光辐射信号的采集和处理。为了能够及时探测有用信号，光辐射传感器需持续耗电以保持运行，其中绝大部分电力消耗在了处理不相关数据上。这种无论被测光辐射事件或信号是否出现都持续工作的模式，极大地降低了传感器的寿命，增加了光学传感器或传感器网络的维护成本。特别在野外和无人值守的海岛、偏僻的边境或高山等人力难以达到的地方，存在大量的发生频次较低的可见光或红外辐射事件如火焰、人员侵入、车辆进入、珍稀动物出现、火山喷发等。这些场景需要部署大量具有超低待机能耗的光辐射传感器以便减少更换能源如电池或储能器的频次，降低维护成本。
发明内容
针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种光辐射事件驱动的智能开关及其制备方法，旨在解决光电传感器或其他有源装置耗电较高的问题。
为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种光辐射事件驱动的智能开关，包括基板、第一悬臂梁、第二悬臂梁、光学吸收板、光学反射板、刚性连接杆、电触头、第一电接头和第二电接头；
第一悬臂梁和第二悬臂梁沿基板横向平行排列；第一悬臂梁和第二悬臂梁的一端均与基板连接，另一端通过刚性连接杆互相连接；电触头固定于刚性连接杆一端的侧部；第一电接头和第二电接头与电触头相对设置；
第一悬臂梁包括横向并排的第一内侧臂和第一外侧臂，第一外侧臂的长度小于第一内侧臂，且不与基板接触；第二悬臂梁包括横向并排的第二内侧臂和第二外侧臂，第二外侧臂的长度小于第二内侧臂，且不与基板接触；所述第一内侧臂和第二内侧臂为低热膨胀系数材料，第一外侧臂和第二外侧臂为高热膨胀系数材料；
光学吸收板与第一悬臂梁固定连接，用于对外界光辐射选择性吸收后转换成热量；光学反射板与第二悬臂梁固定连接，用于对外界光辐射进行反射。
进一步地，所述低热膨胀系数材料为二氧化硅，所述高热膨胀系数材料为铝。
进一步地，所述刚性连接杆的材料为二氧化硅。
进一步地，所述光学吸收板和光学反射板为尺寸相同的金属-介质-金属(MIM)三层结构，所述光学吸收板的上层金属为金属微纳结构，所述光学反射板的上层金属为均匀薄膜。
进一步地，所述光学吸收板的表面包含表面等离子体共振吸收结构。
进一步地，所述电触头面对第一电接头和第二电接头的一侧为弹性结构。
进一步地，所述第一电接头和第二电接头分别为基板表面上非连通的两处金属导电薄膜。
进一步地，所述第一悬臂梁、第二悬臂梁和刚性连接杆构成U形或Λ形的连接体。
本发明的另一方面提供了一种上述的智能开关的制备方法，包括以下步骤：
利用等离子体增强气相沉积法(PECVD)在硅衬底表面沉积二氧化硅薄膜，然后利用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀方法制作二氧化硅条；
采用原子层沉积法或倾斜沉积方法在二氧化硅条顶部和外侧壁沉积Al膜；
采用离子束正向刻蚀正面暴露的铝和侧面部分的铝；
旋涂聚酰亚胺(PI)牺牲层，并用化学机械抛光(CMP)方法平坦化至二氧化硅条暴露；
采用剥离工艺制作光学吸收板和光学反射板中的金属-介质-金属三层膜结构图形；
采用电子束曝光或投影曝光工艺对光学吸收板表面的金属层图形化，制作表面金属微纳结构；
采用湿法或干法腐蚀衬底底部硅形成空腔；
释放聚酰亚胺牺牲层。
本发明的又一方面提供了一种光电传感器，包括上述的智能开关。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的开关与光电探测器或其他电路联用时，可以由光辐射事件自动触发，可以有效减少事件未出现时光电传感装置或其他有源装置待机状态下的能量消耗，有利于构建超低功耗光电传感器，降低给电源充电或更换电源的频率。
(2)由于本发明提出的光辐射驱动微机械开关基于无源且无人工干预的光热形变效应，故对光辐射的波长范围覆盖从可见到红外的宽广范围。且可以通过吸收板上微纳结构的设计针对不同波段且具有不同特征吸收谱的光辐射事件，故具有强的事件选择性和智能性。
(3)本发明的开关可以串联或并联使用，组成较复杂的逻辑开关，对具有复杂特征谱的事件实现更精准的判断，减少误判或虚警率。
(4)本发明提出的智能开关结构是采用面内(in-plane)方式，悬臂的偏转是在与衬底平行的平面内完成，故有利于多芯片堆叠集成，如与光学芯片集成可以提高辐射能量收集能力或光学信息处理能力。
附图说明
图1是本发明实施例中智能开关的俯视示意图；
图2是图1中A-A截面的结构示意图；
图3是目标辐射出现时开关整体结构的形变示意图；
图4是一种集成芯片开关的示意图；
图5是常闭开关的俯视示意图；
图6是常闭开关的仿真结果示意图；
图7是本发明智能开关构建的逻辑开关电路；
图8是本发明智能开关的制备方法示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了说明方便，本申请将衬底形成悬臂梁的面称为“上表面”，与衬底的上表面平行的方向称为“横向”。需要说明的是，“上”和“下”的设定是相对而言，仅是为了说明方便，并不代表具体使用或制造该智能开关的方位。
针对现有技术的以上问题，本发明提供了一种光辐射事件驱动的智能微机械光热开关，用于控制光电传感或其他有源装置(如红外相机、气体传感器、LED照明灯和无人值守车辆登记系统等，以下统称为有源装置)的运行和休眠，使之在未有光辐射事件发生装置处于关断状态(或休眠状态)，功耗几乎为零；在光辐射事件来临时可以及时启动装置，进入工作状态。此处，智能微机械光热开关，无需人工干预，也无需供电，全程由外界光辐射事件触发并驱动装置运行，显示其智能开关特性。
本发明所提供的一种光辐射事件驱动智能微机械开关，该开关包括含有二氧化硅膜层的硅衬底、第一悬臂梁、第二悬臂梁、刚性连接杆、至少一个电触头、光学吸收板、光学反射板、第一电接头和第二电接头，其中第一和第二悬臂梁的一端分别与衬底连接，另一端通过刚性连接杆互相连接，且连接的两个悬臂梁在温度发生变化时倾向于横向运动；光学吸收板与第一悬臂梁物理连接，光学反射板与第二悬臂梁物理连接；电触头固定于刚性连接杆一端侧部。光学吸收板具有对外界光辐射选择性吸收后转换成热量的功能，并通过与第一悬臂梁的接触将热量传递到该梁上而产生温升。与此相反，光学反射板对外界光辐射具有强反射作用。因而几乎不产生来自外界光辐射的温升。第一和第二电接头分别为衬底表面上的非连通的两处金属导电薄膜，它们均延伸至衬底侧壁。两个电接头分别与有源装置的电路两端连接，构成电气回路。
优选地，所述的第一和第二悬臂梁以及刚性连接杆组成U形、Λ形或其他形状的连接体；
优选地，所述的第一和第二悬臂梁的中间一段由具有高热膨胀系数和低热膨胀系数的两种材料组成，优选金属铝和二氧化硅的组合；
优选地，所述的双材料悬臂梁中的两种不同材料采用侧面接触连接；
优选地，所述的光学吸收板表面含有表面等离子体共振吸收结构，可以产生一个或多个谐振吸收峰；
优选地，所述的光学吸收板和光学反射板具有相同的结构层，并具有基本相同的面积和质量，除了吸收板上表面是金属微纳结构层，而反射板表面是均匀金属薄膜层；
优选地，所述的第一悬臂梁和第二悬臂梁具有对称的结构，除了吸收板和反射板上表面金属层的差异。
优选地，所述的刚性连接杆材料为二氧化硅，具有较低的热导系数；
优选地，所述的电触头含有弹性结构，可以使在悬臂梁形变时与第一和第二电接头的侧面导电膜同时保持较大面积的电接触；
优选地，所述的开关为常开开关，即电触头在两个悬臂梁的温度接近时与两个电接头保持至少100nm的间隙(即开关关断)，在温度差大于5℃时，电触头与两个电接头发生接触(即开关导通)；
优选地，所述的开关为常闭开关，即电触头在两个悬臂梁的温度接近时(相差5℃以内)与两个电接头接触(即开关导通)；在温度差大于5℃时，电触头与两个电接头保持至少100nm的间隙(即开关关断)。
本发明的智能微机械开关的工作原理如下：在没有特定的光辐射照射到光吸收板上或者照射到吸收板上的光辐射能量达不到一定值时(称为阈值)，两个悬臂梁上的温度接近或相差不大(如小于5℃)，由于两个悬臂的对称性，电触头保持在相对固定的位置。对于常开开关，电触头与两个电接头保持一定的空隙，即开关处于断开状态，使得由该开关控制的光辐射探测电路维持断开；对于常闭开关，电触头与两个电接头保持接触，即开关处于常闭状态，使得由该开关控制的光辐射探测电路维持连接。当具有特定红外辐射特征的目标进入开关的视场，其辐射能量被光学吸收板所接收并转换成热量，导致悬臂梁中的双材料发生热致形变而发生面内偏转。对于常开开关，电接触头将与第一和第二电接头的侧部同时接触，于是开关处于闭合状态，使得由该开关控制的光电传感装置或其他有源装置的电路接通并开始工作；对于常闭开关，电接触头将与第一和第二电接头的侧部分离，于是开关处于关断状态，使得由该开关控制的光电传感装置或其他有源装置的电路断开，停止工作。
下面结合若干优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。
作为本发明提供的一种常开开关实施例，这种光辐射驱动微机械开关为一种面内U型悬臂梁结构的常开开关，其俯视图如图1所示，部分截面如图2所示。该开关主要由基板10、第一悬臂梁20、第二悬臂梁30、刚性连接杆40、电触头41、第一电接头42、第二电接头43、光学吸收板44、光学反射板45和空腔100组成，其中第一悬臂梁20和第二悬臂梁30的一端分别与基板10连接，另一端通过刚性连接杆40互相连接，该刚性连接杆40的一端侧部与电触头41连接。电触头41在两个悬臂梁20和30发生面内弯曲时可以与基板10上的两个电接头42和43接触，实现两个电接头42和43的电学导通。光学吸收板44和反射板45分别与第一悬臂梁30和第二悬臂梁20物理接触。光学吸收板44具有对外界光辐射选择性吸收并转换成热量的功能，并通过与第一悬臂梁20的接触将热量传递到该梁上；而光学反射板45对外界光辐射具有强反射作用使得其因光辐射照射产生的热量很少。两个悬臂梁20和30具有相同的结构，在与光吸收板44和光反射板45连接的一段由具有低热膨胀系数的材料301和高热膨胀系数的材料302横向叠合组成，如图2所示。在与基板10相连的一段悬臂梁仅由低热膨胀系数材料301组成，以减少悬臂梁到基板的热导，增强悬臂梁的热隔离效果。对于双材料的组合，优选二氧化硅作为低热膨胀系数材料301，其厚度为10μm，宽度1.5μm；优选金属Al作为高热膨胀系数材料302，其厚度为10μm，宽度为0.2μm。由于双材料的热膨胀系数差异较大，单独的悬臂梁20或30在受热时因形变会产生往介质侧的横向偏移。当具有对称的结构的第一悬臂梁20和第二悬臂梁30的一端用刚性连接杆40连接时，在相同的环境温度或悬臂梁获得的温度相同/相近的情况下，因热致形变发生的横向偏移，大小一致但方向相反，导致刚性连接杆保持基本固定，不受环境温度变化的影响。
光学吸收板44和光学反射板45具有基本相同的结构层和外形尺寸，以保证它们具有基本相同的热质量，例如，两板的结构层可以是相同的金属-介质-金属(MIM)三层结构，参见图2中的441-442-443和451-452-453，其中441与451为相同的金属薄膜，442与452为相同的介质薄膜，差别在于光学吸收板44的上层金属443为金属微纳结构，可以激发表面等离子体谐振吸收，而光学反射板45的上层金属453为均匀薄膜，对入射的光学辐射具有高反射特性。选择合适的MIM的材料和结构参数，光学吸收板44可以对特定的入射光辐射波长或特定波段实现高吸收，如4.26μm的CO2气体吸收波长，或者长波红外8-12μm的人体辐射波段。大量的研究文献报道涉及通过MIM结构实现特定窄谱或宽谱段的完美吸收方案。MIM结构除了具有可以通过其结构参数调节吸收波长的优势外，还具有偏振可调节和宽角度响应特性，因而适合以小面积吸收板接收前端大口径光学系统会聚的光辐射能量，提高对目标辐射的响应速度。两板的结构层还可以是其他形式的谐振吸收层，如基于全介质材料的的超表面吸收层(参见Jingyi Tian，et.al.，High-Q All-Dielectric Metasurface：Super andSuppressed Optical Absorption，ACS photonics，2020，7，1436-1443等).这些基于表面微纳结构的谐振吸收对结构参数十分敏感，轻微的结构参数改变将显著改变其谐振吸收特性，因此，吸收板和反射板的细微差别显示出显著的光学特性差异，但是热质量变化甚微，有利于两个悬臂梁产生对比悬殊的温度变化。
由于光吸收板44针对目标的特征光辐射光进行选择性吸收，而光学反射板45则会对该辐射进行反射，导致在有目标辐射出现时光吸收板44的温度会高于光反射板45的温度。由于两个悬臂梁发生形变的程度不同，导致U型悬臂梁顶端的电触头40发生往电接头所在一侧的偏移。图3给出了光学吸收板44的温度比光学反射板45的温度高20℃时开关整体结构的形变示意图。电触头40在面内(横向上)的偏移距离达到350nm。当电触头40的偏移距离超过电触头40到基板10上电接头42和43侧壁的静态距离(或两板温差为零时电触头至电接头侧壁的距离)时，电触头40与第一电接头42和第二电接头43的侧面同时接触，则两个电接头导通。于是与这两个电接头分别相连的外电路的两端处于导通状态，表明本U型开关实现了导通功能。
为了实现电触头40与电接头42和43的物理接触，电触头40的偏移需达到足够的位移量，对应的光学吸收板44接收的光学辐射能量需要高于一个阈值。该阈值越小，则开关的响应越灵敏。另外，电触头40的设计可以采用由低热导率SiO2材料组成的蜂窝状框架结构，既有较低的质量，同时具有一定的弹性，以实现在偏移时与两个电极焊盘侧面的接触面积尽可能大，从而降低接触电阻。
本发明的微机械开关的悬臂梁带动电接触头的移动主要在硅基片的空腔100内沿平行于基片表面的平面内完成，相比于其他悬臂梁的面外或上下的移动，优点在于有利于实现多芯片集成。图4所示的是一种集成芯片开关的示意图。在开关芯片的基板10(由硅衬底102和SiO2绝缘层103组成)上集成了含有一个或多个较大口径的微透镜51和滤光膜52的光学芯片50。通过大口径微透镜可以收集更多的光学辐射能量，并汇聚到小面积的光学吸收板44和光学反射板45上。光学吸收板44和光学反射板45面积的缩小，可以降低它们的体积和质量，从而可以提高光学吸收板44的温升和响应速度，有利于响应高速光学辐射目标如闪光、脉冲激光等。
本发明的另一实施例是与常开开关上稍有不同的常闭开关，如图5所示。与图1不同，光学吸收板44位于靠近电接头42和43的一侧。图6给出了针对该开关的仿真结果。在未有特定目标辐射照射时，光学吸收板44和光学反射板45都处于近似相同的温度T，两个悬臂20和30的形变对称，使得刚性连接杆40保持在中心位置。此时电触头41与两个电接头42和43侧壁接触，开关处于闭合状态。在有特定红外辐射谱照射时，光学吸收板44从温度T升高到T+ΔT，两个悬臂20和30由于温度差的存在使得它们的形变不对称，从而产生刚性连接杆40朝远离电接头一侧偏移的现象，最终导致开关处于断开状态。
本发明的开关可以用于构建简单的逻辑开关如“与”、“非”、“或”门开关。如由针对两个不同特征辐射波长λ1和λ2事件的常开开关串联构成“与”门逻辑开关。设开关闭合时真值为1，断开时真值为0。“与”门逻辑开关表示只有在两个特征波长的辐射同时出现时开关才闭合，真值为1，在其他情况下开关断开，真值为0。“非”门开关则是常闭开关，即特征辐射波长λ未出现时开关闭合，真值为1，而当其出现时开关断开，真值为0。“或”门则是由两个特征辐射波长λ1和λ2事件的常开开关并联构成，任何一个或两个事件出现，真值为1，当均未出现时真值为0。
本发明还可以通过多个特征辐射事件开关的组合，产生较复杂的逻辑开关控制功能。比如，具有不同特征波长的两个红外辐射事件，特征波长分别为λ1和λ2。设对应λ1事件的常开开关为A，相应的常闭开关为
Figure BDA0003309795430000102
；对应波长λ2的常开开关为B，相应的常闭开关为
Figure BDA0003309795430000103
。构建如图7的逻辑开关电路，其中开关A和
Figure BDA0003309795430000104
串联组成工路，开关
Figure BDA0003309795430000105
和B串联组成II路，然后两路并联。其真值表如表1所示。该逻辑电路保证只有两个事件独立出现时，电路才会接通。无事件或两个事件都出现时，电路断开。
表1
Figure BDA0003309795430000101
作为本发明提供一种制备实施例，图8中展示了一种开关的制备方法：
(a)准备硅衬底；
(b)等离子体增强气相沉积(PECVD)方法在硅衬底表面沉积二氧化硅薄膜，随后利用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀方法制作二氧化硅条；
(c)采用原子层沉积方法或倾斜沉积方法在二氧化硅条顶部和外侧壁沉积一定厚度的金属Al膜；
(d)采用离子束正向刻蚀正面暴露的铝和侧面部分铝；
(e)旋涂聚酰亚胺(PI)牺牲层，并用化学机械抛光(CMP)方法平坦化至SiO2条暴露；
(f)采用剥离(Lift-off)工艺制作吸收板和反射板中的MIM三层膜结构图形；
(g)采用电子束曝光或投影曝光工艺对吸收板表面的金属层图形化，制作表面金属微纳结构。
(h)采用湿法或干法腐蚀衬底底部硅形成空腔；
(i)释放PI牺牲层。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光辐射事件驱动的智能开关，其特征在于，包括基板、第一悬臂梁、第二悬臂梁、光学吸收板、光学反射板、刚性连接杆、电触头、第一电接头和第二电接头；
第一悬臂梁和第二悬臂梁沿基板横向平行排列；第一悬臂梁和第二悬臂梁的一端均与基板连接，另一端通过刚性连接杆互相连接；电触头固定于刚性连接杆一端的侧部；第一电接头和第二电接头与电触头相对设置；
第一悬臂梁包括横向并排的第一内侧臂和第一外侧臂，第一外侧臂的长度小于第一内侧臂，且不与基板接触；第二悬臂梁包括横向并排的第二内侧臂和第二外侧臂，第二外侧臂的长度小于第二内侧臂，且不与基板接触；所述第一内侧臂和第二内侧臂为低热膨胀系数材料，第一外侧臂和第二外侧臂为高热膨胀系数材料；
光学吸收板与第一悬臂梁固定连接，用于对外界光辐射选择性吸收后转换成热量；光学反射板与第二悬臂梁固定连接，用于对外界光辐射进行反射。
2.如权利要求1所述的智能开关，其特征在于，所述低热膨胀系数材料为二氧化硅，所述高热膨胀系数材料为铝。
3.如权利要求2所述的智能开关，其特征在于，所述刚性连接杆的材料为二氧化硅。
4.如权利要求1所述的智能开关，其特征在于，所述光学吸收板和光学反射板为尺寸相同的金属-介质-金属(MIM)三层结构，所述光学吸收板的上层金属为金属微纳结构，所述光学反射板的上层金属为均匀薄膜。
5.如权利要求1所述的智能开关，其特征在于，所述光学吸收板的表面包含表面等离子体共振吸收结构。
6.如权利要求1-5任一项所述的智能开关，其特征在于，所述电触头面对第一电接头和第二电接头的一侧为弹性结构。
7.如权利要求1-5任一项所述的智能开关，其特征在于，所述第一电接头和第二电接头分别为基板表面上非连通的两处金属导电薄膜。
8.如权利要求1-5任一项所述的智能开关，其特征在于，所述第一悬臂梁、第二悬臂梁和刚性连接杆构成U形或Λ形的连接体。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的智能开关的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用等离子体增强气相沉积法(PECVD)在硅衬底表面沉积二氧化硅薄膜，然后利用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀方法制作二氧化硅条；
采用原子层沉积法或倾斜沉积方法在二氧化硅条顶部和外侧壁沉积Al膜；
采用离子束正向刻蚀正面暴露的铝和侧面部分的铝；
旋涂聚酰亚胺(PI)牺牲层，并用化学机械抛光(CMP)方法平坦化至二氧化硅条暴露；
采用剥离工艺制作光学吸收板和光学反射板中的金属-介质-金属三层膜结构图形；
采用电子束曝光或投影曝光工艺对光学吸收板表面的金属层图形化，制作表面金属微纳结构；
采用湿法或干法腐蚀衬底底部硅形成空腔；
释放聚酰亚胺牺牲层。
10.一种光电传感器，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的智能开关。
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