CN1556648A

CN1556648A - 光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器

Info

Publication number: CN1556648A
Application number: CNA2003101128201A
Authority: CN
Inventors: 亮潘; 潘亮; 张青川; 伍小平; 段志辉; 陈大鹏; 王玮兵
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2003-12-31
Filing date: 2003-12-31
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2023-12-31
Also published as: CN1254959C

Abstract

一种用于获取并转换红外信号的光－机械式微梁阵列热型红外图象传感器，包括按阵列分布的微梁单元，微梁单元中包含热变形机构和红外吸收板，热变形机构为两组且对称连接于红外吸收板的两侧，本发明的关键在于：整个微梁单元为侧向支撑的无底单层平面结构；热变形机构由热隔离梁和变形梁构成折转式分布；红外吸收板与变形梁连接，支撑梁与热隔高梁连接；每组热变形机构由至少一根热隔离梁和至少一根变形梁组成；所述的微梁单元采用顺序平铺的方式构成阵列。本发明不仅工艺实现简单，而且器件不发生粘连、不容易失效和破坏，对器件的真空度要求也大幅降低。无硅衬底部分反射红外线，更多的能量直接到达探测单元，使探测更灵敏。

Description

光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器

一、技术领域

本发明涉及一种用于获取并转换红外信号的传感元件，尤其涉及一种微梁阵列热型红外图象传感器。

二、背景技术

红外辐射探测装置用于将不可见的红外辐射转化为可见的图像。按照探测原理的不同，可以把传统的红外辐射探测装置大致分为两类：量子型的和热型的红外辐射探测器。

量子型的红外辐射探测器将红外光子的能量转化为电子的能量。由于8-14微米的红外光子的受激电子的能量和室温下电子热运动产生的能量相当，因此需要将探测器的温度维持在液氮温度(约77K)来抑制电子热运动，使量子型的红外辐射探测装置不仅笨重而且价格昂贵。

传统的热型红外辐射探测器吸收入射的红外光能量，使探测单元温度上升，再通过集成电路检测探测器的温升引发的热电效应，比如电阻率和电容的变化等，得到红外辐射的信息。传统的热型红外探测器中热电效应是用集成电路从每个探测器单元中读出的，由于电流输入会在探测器单元上产生附加的热量，所以这种方式难以准确地检测到入射的红外辐射。同时探测器单元与基底之间通过导热性能很好的金属导线相连，使得热隔离变得很困难，严重限制了温升性能。另外热电效应都极为微弱，为了探测信号，集成电路要有相当高的信噪比和很强的增益。这不仅增加了探测器和读出电路的设计难度，同时提高了热型的红外辐射探测装置的整机价格，不便于其广泛的运用。

基于光-机械式的微悬臂梁单元(或简称微梁单元)的热型红外辐射探测器的敏感单元为双材料微悬臂梁。入射的红外光能被探测单元吸收后转化为悬臂梁的热能，引发悬臂梁产生热致形变，再通过光学读出系统，非接触的检测出形变，例如悬臂梁的挠度或转角等，就可以得到被测物体的热辐射信息。这种热型的红外辐射探测器可以在不需要制冷的条件下工作，而且光学读出的方式不会在探测器上产生附加的热量，无需金属导线连接，更易于在探测单元与基底之间实现良好的热隔离。另外，探测器敏感单元的制作采用了通用的微加工工艺，与现有IC制作工艺兼容，大大地降低了开发和制作成本。因此基于这种光-机械微悬臂梁单元的红外探测器，有望开发出更高性能的热型红外辐射探测装置。

美国加州大学伯克利分校设计制作的新型微悬臂梁单元器件(如附图1)，器件由热隔离梁2、变形梁3、红外吸收板1和锚脚6、硅衬底7构成，热隔离梁、变形梁和红外吸收板分布在两层，并且通过站立的锚脚悬空立于硅衬底上。整个微梁单元为三层结构。热致变形量为被测微梁单元前端的红外吸收板的离面位移。而且，为了提高探测灵敏度，热隔离梁和变形梁都采用尽量细长的直杆，使红外吸收板与锚脚之间相距较远而产生较大的热致变形量。因此，就要采用多层单元结构嵌套的方式来避免由此造成的大面积空闲和浪费(如附图2)。

现有微梁单元结构的技术思路都是在硅表面上生长出一层由后继工序可以去除的物质(比如磷硅玻璃、多晶硅、高聚物、光刻胶等)所形成的薄膜，作为牺牲层，随后在牺牲层上做出所需器件结构后，再除去牺牲层，得到站立在下层硅衬底上的多层悬空器件。

由于工艺和嵌套结构所致，以上结构中保留了硅衬底。当红外线经过硅衬底前后两个表面的时候，会发生反射现象，大约40％的红外线无法到达探测器件上，就使得红外线的吸收率严重下降，降低了探测器件的灵敏性。而镀增透膜工艺特别是对于8～14um这样一个较宽的波长段的镀膜工艺难于实现，镀膜过程不仅容易造成器件破坏，并且由于只能在前后两个表面中没有器件的一个表面镀膜，所以无法有效消除所有反射。

另外，由于受工艺限制，上述牺牲层厚度很难超过2～3微米，这样，探测单元与硅衬底的距离也就在数微米(尤其是多层单元嵌套结构的距离更小)；而每一单元的前端红外吸收板与后端锚脚之间的距离则可达到数十甚至数百微米，而且又是一端固支的悬臂梁器件，属于弱结构。由此，探测单元阵列上的温度的变化或其它原因造成的力都可能引起微梁前端因变形而触及硅衬底，使微梁前端因表面力的作用而紧紧粘连在硅衬底上、不能够恢复而失效，从而降低了探测器件的测温范围和器件的使用可靠性。而且，由于在衬底与悬空结构之间只存在数微米的间隙，空气的存在会导致结构的热量散失到衬底，所以对器件的真空度提出很高的要求，比如0.1Pa，使之难以得到实际应用。

硅衬底的存在也带来了去除牺牲层工艺的复杂性，在去除牺牲层的工艺过程中器件也极容易发生粘连，而引发器件失效甚至破坏，成品率低。同时也增加了不同器件之间的不一致性，给标定等一系列后继问题带来困难。

采用嵌套构造还会带来其它一些问题：首先，单元和单元之间存在互相嵌套和遮蔽的部分，使得入射红外光的位置与探测器件成像的位置不一致，会产生图像的混叠现象。为了避免这种情况，现有技术采用了Pt层作为红外光的遮光光阑，将带来混叠现象的入射红外光反射回去。但是这种设计就使得通过了硅衬底的红外线进一步发生损失，使得最终探测到的能量大幅下降。其次，嵌套使得结构复杂，也就进一步加大了工艺的复杂性和局限性。同时，一部分单元的失效会直接导致或者加快与之相邻的单元的失效，使成品率更低。

三、技术内容

本发明的目的在于提供一种光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器，该传感器能够克服器件粘连问题，提高了成品率和可靠性，同时减小了红外线反射损失，提高探测灵敏度。

本发明采用如下技术方案来解决其技术问题：

一种用于获取并转换红外信号的光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器，包括按阵列分布的微梁单元，微梁单元中包含热变形机构和红外吸收板，热变形机构为两组且对称连接于红外吸收板的两侧，本发明的关键在于：整个微梁单元为侧向支撑的无底单层平面结构；热变形机构由热隔离梁和变形梁构成折转式分布；红外吸收板与变形梁连接，支撑梁与热隔离梁连接；每组热变形机构由至少一根热隔离梁和至少一根变形梁组成；所述的微梁单元采用顺序平铺的方式构成阵列。

上述光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器的热变形机构还可以由热隔离梁、变形梁和热传导梁构成折转式分布。

上述光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器的热变形机构对称分布于红外吸收板的两边。

上述光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器的微梁单元由对红外有吸收作用的薄膜材料制作；红外吸收板的光学检测面上附着金属薄膜；变形梁、热传导梁和支撑梁的一面上附着金属薄膜。

上述光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器的红外吸收板、热传导梁的厚度在1～3um之间，热隔离梁和变形梁的厚度在0.3～2um之间。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明在具体的设计中采用侧向支撑的无底单层平面结构，首先在硅衬底上直接生长制作器件结构所需的薄膜、利用图形刻蚀法制作器件结构，然后去除器件结构中热隔离梁、变形梁、红外吸收板所在部分的硅衬底，仅保留支撑梁所在部分的硅衬底以加强支撑梁的支撑强度，同时提高其导热性能。由于无硅衬底，避免了红外线经过硅衬底前后两个表面的情况发生，使得红外线可直接到达红外吸收板的表面，克服了红外线损失，显著提高了探测器件的灵敏性。而且避免了采用复杂的镀增透膜工艺。另外，由于器件的探测单元完全悬空、其下方不存在相距几微米的硅衬底，所以不会由于探测阵列上的温度的变化或冲击力的影响而引起微梁前端因变形而触及其他部分，从而避免了粘连造成的失效，提高了探测器件的测温范围和器件的使用可靠性。而且，以去除硅衬底的工艺替代牺牲层工艺也大大简化了工艺的复杂性，使得器件之间的一致性更容易得到，大大减轻了标定等一系列后继问题的复杂性。所以与现有技术相比，本发明有以下几个方面的优点：

由于整个微梁单元是单层器件，不仅工艺实现简单，而且器件不发生粘连、不容易失效和破坏，对器件的真空度要求也大幅降低。

无硅衬底部分反射红外线，更多的能量直接到达探测单元，使探测更灵敏。

通过热隔离梁及变形梁的折转式设计，不仅大大增加了热隔离梁及变形梁的总长度，而且有利于红外吸收板形成窄长的矩形结构，还可使红外吸收板处在由于变形角度叠加所致的角度偏转最大方向上，以获取光学测量上的最大灵敏度。从而提高了探测单元的热变形灵敏度。

由于热隔离梁及变形梁的折转式设计，可以使其在红外吸收板的两边或两端紧密排列，因此，大大提高了平面利用率，各单元可采用顺序平铺的方式构成探测阵列，不会出现大面积的空闲和浪费，从而避免了采用多层单元嵌套的结构以及由此造成的缺陷。

四、附图说明

图1是伯克利的微悬臂梁单元结构简图(侧视图)。

图2是伯克利的微悬臂梁多个单元嵌套结构示意图(俯视图)。

图3、4是本发明实施方式之一(每组热变形机构由一根热隔离梁和一根变形梁组成)的结构示意图(俯视图及其剖面图)。

图5是本发明实施方式之二(每组热变形机构由一根折转的热隔离梁和一根变形梁组成)的结构示意图(俯视图)。

图6是本发明实施方式之三(每组热变形机构由两根热隔离梁和两根变形梁组成)的结构示意图(俯视图)。

图7是本发明实施方式之四(每组热变形机构由一根热隔离梁、两根变形梁和一根热传导梁组成)的结构示意图(俯视图)。

图8是本发明实施方式之五(热变形机构位于红外吸收板的端部)的结构示意图(俯视图)。

图9是本发明的角度偏转变形量示意图。

图10、11是本发明的变形角度叠加示意图。当发生热变形时，变形情况如下。图10：热隔离梁2a不弯曲，变形梁3a弯曲在末端得到转角为θ1(变形梁3a自身弯曲的转角)；图11：热隔离梁2b不弯曲，在末端转角保持为θ1，变形梁3b弯曲，转角θ2(变形梁3b自身弯曲的转角)与变形梁3a的转角为θ1发生叠加，在变形梁3b末端大小为θ1+θ2；由于吸收板几乎不变形，所以在吸收板上得到的转角为θ1+θ2。

图12是本发明的阵列平铺示意图。

五、具体实施方案

一种用于获取并转换红外信号的光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器，包括按阵列分布的微梁单元，微梁单元由热变形机构和红外吸收板1、支撑梁4组成，热变形机构由一根热隔离梁2和一根变形梁3组成(所述的一根是指本构件与其他构件相连的两端之间的连续部分)，红外吸收板1与变形梁3的一端连接，变形梁另一端与热隔离梁2连接，热隔离梁2的另一端设在支撑梁4上(参见图3、4)。亦即整个微梁单元为侧向支撑的无底单层平面结构，各构件均位于同一层而非不同层(所述的层是指构件的结构层，而非构件的组成材料的复合层，即某些构件为金属和非金属复合而成，但是在结构上称为同一层)，热变形机构和红外吸收板1的下方没有硅衬底，支撑梁4位于热变形机构和红外吸收板1的侧向，没有站立的锚脚。热隔离梁2和变形梁3构成折转式分布，即热隔离梁2和变形梁3位于红外吸收板1的两边来回折转，与红外吸收板1的纵向平行并与之等长，形成紧凑、规矩的平面结构。还可以将热隔离梁2的长度增加，即每根热隔离梁2本身可形成一次或多次折转(参见图5)，以增加热隔离的效果。红外吸收板1与变形梁3连接、支撑梁4与热隔离梁2连接，本发明是通过测量红外吸收板1的角度偏转变形量来反映红外图象的温度变化(参见图9)。或者，还可以在热隔离梁2和变形梁3之间增加一对或更多的热隔离梁2和变形梁3并且间隔排列，即由两根或更多的热隔离梁2和变形梁3组成热变形机构(参见图6)；在此基础上，还可以在热隔离梁2和变形梁3之间增设热传导梁5(参见图7)，热传导梁5和变形梁3间隔排列，即每根热传导梁5位于两根变形梁3之间(还可以位于变形梁3和红外吸收板1之间、变形梁3和热隔离梁2之间)，这样，红外吸收板1的最终角度偏转变形量可以进一步提高(因多根变形梁的变形角度会产生叠加效果，参见图10、11)。当采用热传导梁的时候，由于热传导梁的导热性能好却不变形，使得两端连接的变形梁的温度相同，从而提高构件总体的变形效果。上述结构构成的微梁单元就可以直接采用顺序平铺的方式构成阵列(如图12)，得到的阵列紧密、规则、一致、无嵌套。热变形机构还可以位于红外吸收板的端部(参见图8)，或同时位于红外吸收板的两边和端部。

上述红外吸收板1由对红外线有强烈吸收作用的薄膜材料(如SiN_x，SiO₂，多晶硅等)制成，吸收面积应尽可能的大，以增加吸收的热量。而且，在角度偏转的灵敏方向上，光学探测灵敏度和红外吸收板的长度成正比，所以在有限的区域内，应尽可能的设计为窄长的矩形结构(本发明正好有利于此)，可以获得更高的光学探测灵敏度。以SiN_x为例，红外线对其的穿透深度大约为1um，并考虑到系统热容量过大会减慢系统对红外的热响应速度，所以薄膜最佳厚度应该在1～3um之间，使得红外线能被充分吸收，同时具有较高的热响应速度。但是，该厚度不足以吸收全部的入射红外线，为了达到最佳的吸收效果，可以利用红外吸收板的光学检测面上附着的金属薄膜作为反射面，使入射红外线在穿过SiN_x后，未被吸收的部分在到达金属层后发生反射，沿着入射方向的反方向第二次经过SiN_x薄膜、再次被吸收。热隔离梁由导热系数小的材料(例如SiN_x，SiO₂，多晶硅，高聚物等)构成，为了简化加工工艺，可采用与红外吸收板1同样的材料。一般为矩形截面的薄膜梁，在满足支撑强度的前提下，更小的横截面积和更长的梁长可以会得到更佳的隔热效果。变形梁为双材料梁，两种材料的选择应该考虑到热膨胀系数相差尽可能大而杨氏模量相差尽可能小。一般可以采用金属和非金属的组合(例如将金属附着到非金属薄膜上)，比如Au、Al和SiN_x、SiO₂的组合。在变形梁的两种材料的厚度选择上，为了使梁达到最大变形从而得到最高灵敏度，两层材料厚度比值应接近相应的材料杨氏模量的反比平方根值，而梁的总厚度在满足工艺条件和支撑条件的前提下应该尽量小。热隔离梁和变形梁的厚度在0.3～2um之间。热传导梁为导热性能好且热变形小的结构构成，为了简化加工工艺，可以采用附着薄金属层(金属层厚度不足以引起可观热变形)的非金属梁构成。支撑梁由导热性能好而刚度大的材料构成(例如金属和单晶硅)，以保证每个单元处于相同的支撑和导热状态，而具有较好的一致性，为了简化加工工艺，可采用与热隔离梁同样的材料与之加工成一体，然后在支撑梁的部位附着金属薄膜和保留部分单晶硅衬底以增加导热性能和支撑强度。热传导梁的厚度在1～3um之间。整个微梁单元一般为方形或者矩形，边长大小在30～200um的范围。

本发明的实施例为：红外吸收板由厚度为2um的SiN_x和0.1um的Au复合薄膜构成，变形梁由厚度为0.5um的SiN_x和0.4um的Au复合薄膜构成，热隔离梁由厚度为0.5um的SiN_x单一薄膜构成，热传导梁由厚度为2um的SiN_x和0.1um的Au复合薄膜构成，支撑梁由厚度为2um的SiN_x和0.5um的Au复合薄膜构成，下方保留了硅衬底。

Claims

1、一种用于获取并转换红外信号的光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器，包括按阵列分布的微梁单元，微梁单元中包含热变形机构和红外吸收板，热变形机构为两组且对称连接于红外吸收板的两侧，其特征在于：整个微梁单元为侧向支撑的无底单层平面结构；热变形机构由热隔离梁和变形梁构成折转式分布；红外吸收板与热变形机构连接，热变形机构与支撑梁连接；每组热变形机构由至少一根热隔离梁和至少一根变形梁组成；所述的微梁单元采用顺序平铺的方式构成阵列。

2、根据权利要求1所述的光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器，其特征在于所述的热变形机构由热隔离梁、变形梁和热传导梁构成折转式分布。

3、根据权利要求1或2所述的光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器，其特征在于热变形机构对称分布于红外吸收板的两边。

4、根据权利要求1或2所述的光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器，其特征在于所述的微梁单元由对红外有吸收作用的薄膜材料制作；红外吸收板的光学检测面上附着金属薄膜；变形梁、热传导梁和支撑梁的一面上附着金属薄膜。

5、根据权利要求3所述的光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器，其特征在于所述的微梁单元由对红外有吸收作用的薄膜材料制作；红外吸收板的光学检测面上附着金属薄膜；变形梁、热传导梁和支撑梁的一面上附着金属薄膜。

6、根据权利要求4所述的光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器，其特征在于所述的红外吸收板、热传导梁的厚度在1～3um之间，热隔离梁和变形梁的厚度在0.3～2um之间。

7、根据权利要求5所述的光-机械式微梁阵列热型红外图象传感器，其特征在于所述的红外吸收板、热传导梁的厚度在1～3um之间，热隔离梁和变形梁的厚度在0.3～2um之间。