CN1743959A - 基于微电子机械系统技术的红外光源及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于微电子机械系统技术的红外光源及制备方法，属于红外技术领域，具体而言是一种基于微电子机械系统技术的红外光源及制备方法。该红外光源芯片包括框架、加热电极、电极的压焊块和红外辐射膜；在框架上表面固接支撑膜，支撑膜上表面固接加热电极，电极两侧有电极压焊块；支撑膜和电极的上表面，覆有一层钝化膜；电极压焊块凸露于钝化膜的外表面；在钝化膜的外表面正中部位，固接红外辐射膜。芯片还包括测温电极和红外反射镜。其制备方法是：第一步，制备红外发光部分；第二步，制备红外反射镜；第三步，将两部分键合到一起。本发明功耗低、调制频率高、易阵列化，输出为准平行红外光束。本发明的方法实现低成本、大批量制备。
Description
技术领域：
本发明属于红外技术领域，具体而言是一种基于微电子机械系统(MEMS)技术的红外宽带光源结构及制备方法。
背景技术：
红外传感技术已经广泛应用于火灾报警，车辆、人员探测，CO2、CH4等气体检测以及测温等方面。目前广泛应用的宽带红外光源是利用加热后的螺旋状金属灯丝(多为镍铬丝)发射红外光。这种光源功耗大，而且发射出的红外光不均匀，光束发散。在螺旋状灯丝外增加陶瓷等红外辐射材料可以提高光源的发光均匀性，但其性能仍不能令人满意。特别是这些传统的红外光源由于发热体(灯丝)热容量比较大，调制频率很低，在很多应用场合中不得不使用比较复杂的机械斩波装置，使得系统可靠性降低，成本提高。
微电子机械系统(MEMS)技术的发展使得制备高调制频率、低功耗的宽带红外光源成为可能。美国专利“High frequency infraredemitter”(US6297511)介绍了一种基于微电子机械系统(MEMS)技术的高调制频率红外光源。
发明内容：
本发明的目的是提供一种基于微电子机械系统(MEMS)技术的红外光源结构及其制备方法，该结构的红外光源具有功耗低、调制频率高、易阵列化的优点，而且本发明集成了用于聚光的红外反射镜，输出为准平行红外光束。这种结构的红外光源可以采用本发明的方法实现低成本、大批量制备。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供：
一种基于微电子机械系统技术的红外光源，其芯片包括框架、加热电极、电极的压焊块和红外辐射膜；在框架上表面固接有支撑膜，支撑膜上表面固接有加热电极，电极两侧设有加热电极的压焊块；支撑膜和加热电极的上表面覆有一层钝化膜；加热电极的压焊块凸露于钝化膜的外表面；在钝化膜的外表面正中部位，固接有一片红外辐射膜。
所述的红外光源，其所述芯片还包括测温电极，测温电极与加热电极位于同一层，测温电极两侧设有测温电极的压焊块，测温电极的压焊块凸露于钝化膜的外表面。
所述的红外光源，其所述红外辐射膜为红外发光体，其上表面覆有一层类金刚石膜或碳化硅膜；其面积在0.1mm×0.1mm到5mm×5mm之间。
所述的红外光源，其所述框架，为筒形框架，其中部有通孔；或在框架上表面中部有一凹槽，支撑膜、电极和钝化膜组成的层面上，有孔与凹槽相通。
所述的红外光源，其所述框架为硅材料，电极为金属材料，支撑膜为氧化硅/氮化硅材料，钝化膜为氮化硅、氧化硅或者氮氧硅材料。
所述的红外光源，其所述芯片还包括红外反射镜，于红外辐射膜四周，在钝化膜的外表面周边缘部固接有一用于聚光的红外反射镜；红外反射镜与钝化膜的外表面键合或粘结到一起。
所述的红外光源，其所述红外反射镜，在其反射表面沉积一层金膜以增大红外反射率。
所述的红外光源，其所述红外反射镜，是以聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚酰亚胺(Polyurethane)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、SU8胶、聚甲基丙烯酸甲酯(PMk4A)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)材料中的一种制作。
所述的红外光源，其可组成红外光源阵列。
一种如所述的红外光源的制备方法，包括下列两种步骤。
第一种基于微电子机械系统(MEMS)技术的红外光源制备工艺流程如下：
(一)制备微电子机械系统(MEMS)红外发光部分：
1)准备硅片；
2)热氧化；
3)淀积氮化硅；
4)第一次光刻，制备金属加热电极及测温电极；
5)淀积氮化硅、氧化硅或氮氧硅钝化膜；
6)第二次光刻，刻蚀电极压焊块通孔；
7)淀积电极压焊块；
8)淀积红外辐射层，第三次光刻，刻蚀红外辐射层图形；
9)第四次光刻：光刻背面；
10)背面刻蚀氮化硅、腐蚀氧化硅，利用硅各向异性腐蚀技术形成膜片结构。
(二)制备微电子机械系统(MEMS)红外反射镜：
1)制备微电子机械系统(MEMS)红外反射镜模具，模具为金属、陶瓷或硅材料；
2)利用模压技术或注塑技术制备红外反射镜结构，所用材料为塑料，特别是所用材料可以是聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚酰亚胺(Polyurethane)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、SU8胶、聚甲基丙烯酸甲酯(PMk4A)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)等；
3)在红外反射镜结构表面沉积金属层以提高红外反射率。
(三)将微电子机械系统(MEMS)红外发光部分与红外反射镜键合到一起，裂片、封装。
第二种基于微电子机械系统(MEMS)技术的红外光源制备工艺流程如下：
(一)制备微电子机械系统(MEMS)红外发光部分：
1)准备硅片；
2)热氧化；
3)淀积氮化硅；
4)第一次光刻，制备金属加热电极及测温电极并形成电极压焊块；
5)淀积氮化硅、氧化硅或氮氧硅钝化膜；
6)第二次光刻，刻蚀电极压焊块通孔；
7)淀积电极压焊块；
8)淀积红外辐射层，第三次光刻，刻蚀红外辐射层图形；
9)第四次光刻：光刻正面进行；
10)正面刻蚀氮化硅、腐蚀氧化硅，利用硅各向异性腐蚀技术形成膜片结构。
(二)制备微电子机械系统(MEMS)红外反射镜：
1)制备微电子机械系统(MEMS)红外反射镜模具，模具为金属、陶瓷或硅材料；
2)利用模压技术或注塑技术制备红外反射镜结构，所用材料为塑料，特别是所用材料可以是聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚酰亚胺(Polyurethane)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、SU8胶、聚甲基丙烯酸甲酯(PMk4A)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)等；
3)在红外反射镜结构表面沉积金属层以提高红外反射率。
(三)将MEMS红外发光部分与红外反射镜键合到一起，裂片、封装。
本发明的优点与积极效果：本发明提供了一种基于微电子机械系统(MEMS)技术的红外光源及其加工方法，实现了用微电子机械系统技术低成本大批量生产宽带红外光源。与传统的白炽灯型红外光源相比，本发明可以降低红外光源的功耗，提高红外光的均匀性，延长光源寿命，更为重要的是本发明的发热体热容量很小，调制频率很高(可达到100赫兹)。与其它基于基于微电子机械系统(MEMS)技术的红外光源相比，本发明的红外光源集成了用于聚光的红外反射镜，输出为红外准平行光束。此外，本发明的基于微电子机械系统(MEMS)技术的红外光源很容易实现阵列化。
附图说明：
图1是本发明的两种基于微电子机械系统(MEMS)技术的红外光源芯片结构剖面示意图，其中：图1(1)所示为一种红外光源芯片结构；图1(2)所示为另一种红外光源芯片结构；
图2是本发明的第一种基于微电子机械系统(MEMS)技术的红外光源制备工艺示意图，其中：图2(1)为制备MEMS红外发光部分的工艺示意图；图2(2)为制备MEMS红外反射镜的工艺示意图；图2(3)为将MEMS红外发光部分与红外反射镜键合到一起形成MEMS红外光源芯片；
图3是本发明的第二种基于微电子机械系统(MEMS)技术的红外光源制备工艺的示意图，其中：
图3(1)为一种制备MEMS红外发光部分的工艺示意图，其中：(a)为热氧化氧化硅、淀积氮化硅；(b)为第一次光刻，淀积金属形成加热电极和测温电极；(c)为淀积氮化硅、氧化硅或者氮氧硅钝化膜；(d)为第二次光刻，在钝化膜上刻蚀电极压焊块通孔；(e)为淀积电极压焊块；(f)为淀积红外辐射层，光刻并刻蚀红外辐射层图形；(g)为第四次(正面)光刻，正面刻蚀氮化硅、腐蚀氧化硅形成硅腐蚀窗口；(h)为利用硅各向异性腐蚀与各向同性腐蚀技术，正面腐蚀硅形成膜片结构；
图3(2)为制备MEMS红外反射镜的工艺示意图，其中：(a)为制备MEMS红外反射镜模具；(b)为利用模压技术或注塑技术制备红外反射镜结构；(c)为脱模并在反射镜表面制备红外反射层；
图3(3)为将MEMS红外发光部分与红外反射镜键合到一起形成MEMS红外光源芯片。
具体实施方法：
结合附图说明本发明的具体实施方法。
图1是本发明的两种基于微电子机械系统(MEMS)技术的红外光源芯片结构剖面示意图。其中，1为硅框架，2为氧化硅/氮化硅支撑膜，3为金属加热电极及测温电极，4为钝化膜(氮化硅、氧化硅或者氮氧硅)，5为加热电极及测温电极的压焊块，6为红外辐射膜，7为用于聚光的红外反射镜。
图1(1)所示，一种红外光源芯片结构是：硅框架1为筒形框架，其中部有通孔8。在硅框架1上表面固接有氧化硅/氮化硅支撑膜2，支撑膜2上表面固接有金属加热电极及测温电极3，电极3两侧设有加热电极及测温电极的压焊块5。支撑膜2和金属加热电极及测温电极3的上表面，覆有一层钝化膜4，钝化膜4为氮化硅、氧化硅或者氮氧硅材料。电极的压焊块5凸露于钝化膜4的外表面。在钝化膜4的外表面正中部位，固接有一片红外辐射膜6，红外辐射膜6四周，在钝化膜4的外表面周边缘部固接有一用于聚光的红外反射镜7。
图1(2)所示，另一种红外光源芯片结构是：在硅框架1上表面中部有一凹槽9。硅框架1上表面固接有氧化硅/氮化硅支撑膜2，支撑膜2上表面固接有金属加热电极及测温电极3，周边设有加热电极及测温电极的压焊块5。支撑膜2和金属加热电极及测温电极3的上表面，覆有一层钝化膜4，钝化膜4为氮化硅、氧化硅或者氮氧硅材料。电极的压焊块5凸露于钝化膜4的外表面。在钝化膜4的外表面正中部位，固接有一片红外辐射膜6，红外辐射膜6四周，在钝化膜4的外表面周边固接有一用于聚光的红外反射镜7。
支撑膜2、电极3和钝化膜4组成的层面上，有孔与凹槽9相通。
所述红外反射镜7，可以是由聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚酰亚胺(Polyurethane)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、SU8胶、聚甲基丙烯酸甲酯(PMk4A)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)等材料中的一种制作。
图1中红外准平行光束向上发射。本发明的MEMS红外光源芯片采用膜片结构，红外辐射膜6膜片为红外发光体，膜片周围下方为起支撑作用的硅框架1，在红外辐射膜6的膜片上表面有一层类金刚石膜或碳化硅膜以增大膜片的红外辐射能力。图1(1)、图1(2)的红外反射镜7由聚碳酸酯(PC)塑料模压而成，在红外反射镜7表面沉积金膜以增大红外反射率。
本发明的红外辐射膜6的膜片为一个平面，红外光束的均匀性得到提高；本发明的红外辐射膜片6热容量很小，使得光源可以快速调制(可达到100赫兹)；本发明的红外发光膜片6面积很小(在0.1mm ×0.1mm到5mm×5mm之间，典型值为1mm×1mm)，使得红外光源的功耗大大降低；本发明集成了红外反射镜7，输出为红外准平行光束。
图2是本发明的第一种基于微电子机械系统(MEMS)技术的红外光源制备工艺示意图。图2(1)为制备MEMS红外发光部分的工艺示意图，(2)为制备MEMS红外反射镜的工艺示意图，(3)为将MEMS红外发光部分与红外反射镜键合到一起形成MEMS红外光源芯片。
图2(1)：(a)为热氧化氧化硅、淀积氮化硅；(b)为第一次光刻，淀积金属形成加热电极和测温电极；(c)为淀积氮化硅、氧化硅或者氮氧硅钝化膜；(d)为第二次光刻，在钝化膜上刻蚀电极压焊块通孔；(e)为淀积电极压焊块；(f)为淀积红外辐射层，第三次光刻并刻蚀红外辐射层图形；(g)为第四次(背面)光刻，背面刻蚀氮化硅、腐蚀氧化硅；(h)为利用硅各向异性腐蚀技术，背面腐蚀硅形成膜片结构。
图2(2)：(a)为制备MEMS红外反射镜模具；(b)为利用模压技术或注塑技术制备红外反射镜结构；(c)为脱模并在反射镜表面制备红外反射层。
图2(3)：将MEMS红外发光部分与反射镜部分键合或粘到一起并裂片形成MEMS红外光源芯片。
第一种基于微电子机械系统(MEMS)技术的红外光源的具体工艺流程为：
第一步，制备红外发光部分：
1)准备硅片(500微米厚，100晶向的双面抛光片)；
2)热氧化300nm的氧化硅；
3)LPCVD淀积500nm的低应力氮化硅；
4)第一次光刻加热电极(正性光刻胶，胶膜厚度在1微米到5微米之间，典型值为2微米)；
5)溅射铂/钽薄膜(500nm)，剥离制备加热电极及测温电极；
6)PECVD淀积500nm低应力氮化硅作为钝化膜；
7)第二次光刻加热电极通孔(正性光刻胶，胶膜厚度在1微米到5微米之间，典型值为2微米)，用SF6反应离子刻蚀(RIE)钝化膜露出加热电极的压焊块孔；
8)利用电镀方法在加热电极压焊块孔内淀积金形成电极的压焊块(厚度在10微米到50微米之间，典型值为30微米)；
9)PECVD淀积SiC或者类金刚石薄膜作为红外辐射材料，光刻、刻蚀形成红外辐射层图形；
10)第四次(背面)光刻(正性光刻胶，胶膜厚度在2微米到5微米之间，典型值为4微米)用SF6反应离子刻蚀(RIE)氮化硅膜，用HF缓冲液腐蚀氧化硅；
11)用KOH溶液或者四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液各向异性腐蚀硅形成膜片结构，或者深刻蚀(ICP)硅形成膜片结构。
第二步，制备MEMS红外反射镜：
12)制备MEMS红外反射镜模具，模具为金属、陶瓷或硅材料；
13)利用模压技术或注塑技术制备红外反射镜结构，所用材料为聚碳酸酯(PC)或SU8胶；
14)在红外反射镜结构表面沉积金膜作为红外反射膜。
第三步，将MEMS红外发光部分与红外反射镜键合到一起，裂片、封装。
图3是本发明的第二种基于微电子机械系统(MEMS)技术的红外光源制备工艺的示意图。图中(1)为一种制备MEMS红外发光部分的工艺示意图，(2)为制备MEMS红外反射镜的工艺示意图，(3)为将MEMS红外发光部分与红外反射镜键合到一起形成MEMS红外光源芯片。
图3(1)：(a)为热氧化氧化硅、淀积氮化硅；(b)为第一次光刻，淀积金属形成加热电极和测温电极；(c)为淀积氮化硅、氧化硅或者氮氧硅钝化膜；(d)为第二次光刻，在钝化膜上刻蚀电极压焊块通孔；(e)为淀积电极压焊块；(f)为淀积红外辐射层，光刻并刻蚀红外辐射层图形；(g)为第四次(正面)光刻，正面刻蚀氮化硅、腐蚀氧化硅形成硅腐蚀窗口；(h)为利用硅各向异性腐蚀与各向同性腐蚀技术，正面腐蚀硅形成膜片结构。
图3(2)：(a)为制备MEMS红外反射镜模具；(b)为利用模压技术或注塑技术制备红外反射镜结构；(c)为脱模并在反射镜表面制备红外反射层。
图3(3)：将MEMS红外发光部分与反射镜部分键合或粘到一起并裂片形成MEMS红外光源芯片。
第二种基于微电子机械系统(MEMS)技术的红外光源的具体工艺流程为：
第一步，制备红外发光部分：
1)准备硅片(500微米厚，100晶向的双面抛光片)；
2)热氧化300nm的氧化硅；
3)LPCVD淀积500nm的低应力氮化硅；
4)一次光刻加热电极(正性光刻胶，胶膜厚度在1微米到5微米之间，典型值为2微米)；
5)溅射铂/钽薄膜(500nm)，剥离制备加热电极及测温电极；
6)PECVD淀积500nm低应力氮化硅作为钝化膜；
7)二次光刻加热电极通孔(正性光刻胶，胶膜厚度在1微米到5微米之间，典型值为2微米)，用SF6反应离子刻蚀(RIE)钝化膜露出加热电极的压焊块孔；
8)利用电镀方法在加热电极压焊块孔内淀积金形成电极的压焊块(厚度在10微米到50微米之间，典型值为30微米)；
9)PECVD淀积SiC或者类金刚石薄膜作为红外辐射材料，光刻、刻蚀形成红外辐射层图形；
10)四次(正面)光刻(正性光刻胶，胶膜厚度在2微米到5微米之间，典型值为4微米)用SF6反应离子刻蚀(RIE)氮化硅膜，
用HF缓冲液腐蚀氧化硅在正面形成硅腐蚀窗口；
11)用KOH溶液或者四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液各向异性腐蚀硅形成膜片结构。
第二步，制备MEMS红外反射镜：
12)制备MEMS红外反射镜模具，模具为金属、陶瓷或硅材料；
13)利用模压技术或注塑技术制备红外反射镜结构，所用材料为聚碳酸酯(PC)或SU8胶；
14)在红外反射镜结构表面沉积金膜作为红外反射膜；第三步，将MEMS红外发光部分与红外反射镜键合到一起，裂片、封装。
Claims (12)
1.一种基于微电子机械系统技术的红外光源，其特征在于：芯片包括框架、加热电极、电极的压焊块和红外辐射膜；在框架上表面固接有支撑膜，支撑膜上表面固接有加热电极，电极两侧设有加热电极的压焊块；支撑膜和加热电极的上表面，覆有一层钝化膜；加热电极的压焊块凸露于钝化膜的外表面；在钝化膜的外表面正中部位，固接有一片红外辐射膜。
2.如权利要求1所述的红外光源，其特征在于：所述芯片还包括测温电极，测温电极与加热电极位于同一层，测温电极两侧设有测温电极的压焊块，测温电极的压焊块凸露于钝化膜的外表面。
3.如权利要求1所述的红外光源，其特征在于：所述红外辐射膜为红外发光体，其上表面覆有一层类金刚石膜或碳化硅膜；其面积在0.1mm×0.1mm到5mm×5mm之间。
4.如权利要求1所述的红外光源，其特征在于：所述框架，为筒形框架，其中部有通孔；或在框架上表面中部有一凹槽，支撑膜、电极和钝化膜组成的层面上，有孔与凹槽相通。
5.如权利要求1、2或4所述的红外光源，其特征在于：所述框架为硅材料，电极为金属材料，支撑膜为氧化硅/氮化硅材料，钝化膜为氮化硅、氧化硅或者氮氧硅材料。
6.如权利要求1所述的红外光源，其特征在于：所述芯片还包括红外反射镜，于红外辐射膜四周，在钝化膜的外表面周边缘部固接有一用于聚光的红外反射镜；红外反射镜与钝化膜的外表面键合或粘结到一起。
7.如权利要求6所述的红外光源，其特征在于：所述红外反射镜，在其反射表面沉积一层金膜以增大红外反射率。
8.如权利要求6所述的红外光源，其特征在于：所述红外反射镜，是以聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚酰业胺(Polyurethane)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、SU8胶、聚甲基丙烯酸甲酯(PMk4A)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)材料中的一种制作。
9.如权利要求1、2、3或4所述的红外光源，其特征在于：可组成红外光源阵列。
10.一种如权利要求1、2、3、4、6、7或8所述的红外光源的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：
第一步，制备MEMS红外发光部分：
1)准备硅片；
2)热氧化；
3)淀积氮化硅；
4)第一次光刻，制备金属加热电极及测温电极；
5)淀积氮化硅、氧化硅或氮氧硅钝化膜；
6)第二次光刻，刻蚀电极压焊块通孔；
7)淀积电极压焊块；
8)淀积红外辐射膜层，第三次光刻，刻蚀红外辐射层图形；
9)第四次光刻：背面光刻或正面进行光刻；
10)背面刻蚀或正面刻蚀氮化硅、腐蚀氧化硅，利用硅各向异性腐蚀技术形成膜片结构；
第二步，制备MEMS红外反射镜：
1)制备MEMS红外反射镜模具；
2)利用模压技术或注塑技术制备红外反射镜结构；
3)在红外反射镜结构表面沉积金属层以提高红外反射率；
第三步，将MEMS红外发光部分与红外反射镜键合到一起，裂片、封装。
11.如权利要求10所述的红外光源的制备方法，其特征在于：在第一步第4)项中，所述金属加热电极及测温电极为铂/钽薄膜。
12.如权利要求10所述的红外光源的制备方法，其特征在于：在第二步第1)项中，所述模具为金属、陶瓷或硅材料。
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