CN202599535U

CN202599535U - 可调式基于mems滤波的红外探测器

Info

Publication number: CN202599535U
Application number: CN 201220121137
Authority: CN
Inventors: 黄立; 周文洪
Original assignee: Wuhan Guide Infrared Co Ltd
Current assignee: Wuhan Guide Infrared Co Ltd
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2022-03-27

Abstract

本实用新型涉及一种可调式基于MEMS滤波的红外探测器，集成了利用MEMS技术制备的微型法布里-泊罗干涉仪滤波器和利用红外工艺线制备的红外探测器，只有满足干涉条件的特定波长的红外辐射才能透过微型法布里-泊罗干涉仪，并被下面的红外探测器吸收和成像，通过改变外部的偏置电压，可以调节微型法布里-泊罗干涉仪的上下反射面距离，从而改变透过的红外辐射波长，就可以实现特定光谱或者多光谱的红外成像。

Description

可调式基于MEMS滤波的红外探测器

技术领域

本实用新型涉及一种可调式基于微机电系统(MEMS)滤波的红外探测器。

背景技术

许多的新技术应用，比如安全防御、生物医疗设备和光谱探测等，要求获得红外波段特征光谱的辐射信息，用于分析目标图像中的目标识别和成分分析。比如大部分气体和化学分子在1～15微米的红外波段有很强的旋转和振动吸收，形成明显的特征谱线，可以用来进行化学元素和成分的识别和鉴定。在电力、石化以及环保行业，对于VOC、SF6类型以及温室气体排放，有很大的检测需求，需要直观准确的检测到气体目标，进而采取补救措施。但是常规的红外探测器响应波段是较宽的波段，通常是截止波长以下几个微米。对应的信号输出正比于整个响应波段的红外辐射总量，红外图像的光谱分辨率很低，不能满足目标设别和成分分析的要求。

为此人们研发了一系列的商用光谱仪，但基本上只适用于实验室需求，不能满足安防识别、医疗影像和工业检测等应用的要求。一方面，这些红外光谱仪基本上是单元器件，不能实现多光谱下的快速成像，不能进行实时的图像分析、检测和目标识别；另一方面，传统红外光谱仪都是桌上型设备，较大的体积和较高的价格使其不能在工艺过程控制或者物品检验光谱探测器中得到广泛的应用。这些光谱仪容易损坏，对环境因素非常敏感(温度变化、灰尘和振动等)。它们通常固定放置在专门的实验室内，只做专门的测试，需要进行复杂的样品制备，不适于用作在线检测。整套系统的使用成本包括设备、软件、校正、调试和日常维护，很多时候，复杂的安装和频繁的维护费用甚至比设备费用还高很多。

发明内容

本实用新型的目的为了克服上述现有技术存在的问题，而提供一种可调式基于MEMS滤波的红外探测器，集成了利用MEMS技术制备的微型法布里-泊罗干涉仪作为可调式滤波器和利用红外工艺线制备的红外探测器。只有满足干涉条件的特定波长的红外辐射才能透过微型法布里-泊罗干涉仪，并被下面的红外探测器吸收和成像。通过改变外部的偏置电压，可以调节微型法布里-泊罗干涉仪的上下反射面距离，从而改变透过的红外辐射波长，就可以实现特定光谱或者多光谱的红外成像。

集成的技术方法包括分离集成法和整体集成法。分离集成法是在MEMS线、红外探测器工艺线分别研发、优化和制备滤波器和红外探测器，通过金属焊接技术完成两部分的集成。整体集成法是在红外探测器上直接用MEMS工艺制备可调式微型法布里-泊罗干涉仪滤波器。本实用新型集成MEMS技术和红外技术，制备出的带MEMS滤波器的红外探测器组件，可用于制备出低成本、微型化的多光谱红外热像仪系统，能够实现红外辐射探测、光谱数据分析和多光谱成像等功能。

本实用新型所述技术方案如下：

可调式基于MEMS滤波的红外探测器，主要包括微型法布里-泊罗干涉仪、红外探测器1，其特征在于：在红外探测器1表面设有金属焊盘8；所述的微型法布里-泊罗干涉仪由上层平行板、下层平行板和中间的空腔6构成，所述的上层平行板包括SiN材料制备的平行板、可动悬臂梁(3)、金属电极5、布拉格反射镜7和单面的金属焊盘8，在SiN材料制备的平行板上设有可动悬臂梁3、金属电极5、外部偏置电压的引线4、布拉格反射镜7和单面的金属焊盘8；所述的下层平行板包括SiN材料制备的平行板、金属电极5、布拉格反射镜7和双面的金属焊盘8，在SiN材料制备的平行板上对应地设有金属电极5、外部偏置电压的引线4、布拉格反射镜7和双面的金属焊盘8；红外探测器1的金属焊盘与下层平行板的下表面金属焊盘8焊接在一起，下层平行板的上表面金属焊盘8与上层平行板的金属焊盘8焊接在一起。

可调式基于MEMS滤波的红外探测器，主要包括微型法布里-泊罗干涉仪、红外探测器，其特征在于：在红外探测器16上设有SiN缓冲层17，SiN缓冲层上设有下金属电极15、外部偏置电压引线14和下布拉格反射镜13；在下布拉格反射镜13上设有微悬臂梁12，并在微悬臂梁上设有上金属电极10、外部偏置电压引线14和上布拉格反射镜11。

所述的红外探测器1选用采用器件工艺技术制备的红外探测器。

所述的微型法布里-泊罗干涉仪选用采用MEMS技术制备的微型法布里-泊罗干涉仪。

所述的布拉格反射镜由多层膜系构成，对红外波段的反射率高于90％，而吸收率低于10％。

本实用新型的基于MEMS滤波的红外探测器系统包括利用MEMS技术制备的可调式微型法布里-泊罗干涉仪滤波器和利用红外工艺线制备的红外探测器，采用分离或整体式集成法组合成为滤波器可调的红外探测器系统，通过调节外部偏置电压，可以选取红外探测器响应波段内的任意波长进行探测成像。

本实用新型的基于MEMS滤波的红外探测器，所述的红外探测器为具备较宽波段的红外探测器，工作波段短波、中波或长波皆可。短波波段的红外探测器包括但不限于Si探测器、InGaAs探测器和HgCdTe探测器，中波波段的红外探测器包括但不限于InSb探测器、HgCdTe探测器和量子阱探测器，长波波段的红外探测器包括但不限于HgCdTe探测器、量子阱探测器和微测辐射热计。

本实用新型的基于MEMS滤波的红外探测器，所述的可调式微型法布里-泊罗干涉仪滤波器由两个具备反射表面的平行板组成。红外辐射透过其中一个反射面进入两个反射面之间的腔体(距离为d)，经历一系列反射形成了薄膜干涉图案，只有波长满足关系式于λ＝nd/2的光才能透过另一个反射面，其他波长的光都将被滤掉。这两个平行板中至少有一个由悬臂梁支撑，可以相对运动。两个平行板上有金属电极，可以加上外部的偏置电压，通过偏置电压使两个平行板产生吸引力或排斥力，从而互相靠近和远离，使两个反射面的间距d发生改变，使透过滤波器的红外辐射波长发生变化。由于平面结构和易于集成，它比传统的光栅滤波器更有潜力。

本实用新型的基于MEMS滤波的红外探测器，所述的可调式微型法布里-泊罗干涉仪滤波器的平行板由MEMS工艺制备完成。它对表面的平整度要求很高，确保两个平行板间的距离能够精确控制，为此需要尽量减少制备过程中的残余应力。由于红外探测器工艺一般对高温比较敏感，而且高灵敏度的红外探测器都需要在低温下工作，需要和红外探测器集成的MEMS工艺也不能有太高的温度。

本实用新型的基于MEMS滤波的红外探测器，所述的可调式微型法布里-泊罗干涉仪滤波器反射面是MEMS滤波器的关键部件，分别制备在两个平行板的相对面上。由于需要红外辐射在平行板间多次反射形成法布里-泊罗干涉，反射面要求对红外辐射有很高的反射率。但是作为滤波器的一部分，目标波长的红外辐射要能够透过滤波器的，因此反射面需要对红外辐射吸收很低，常规的对红外辐射高反射率的Au等金属材料不再适合。本实用新型的MEMS滤波器反射面采用的是多层膜系构成的布拉格反射镜，通过设计实现整个膜层对红外辐射的高反射率和低吸收率。

本实用新型的基于MEMS滤波的红外探测器，所述的MEMS滤波器和红外探测器的集成有两种方法：分离集成法和整体集成法。分离集成法是在MEMS线、红外探测器工艺线分别研发、优化和制备滤波器和红外探测器，通过金属焊接技术完成两部分的集成。分离集成法对MEMS工艺和红外探测器工艺的兼容性要求不高，但是需要采用SOI、双面对准和倒装焊等复杂工艺。整体集成法是在红外探测器上直接用优化的MEMS工艺制备可调式微型法布里-泊罗干涉仪滤波器。整体集成法工艺集成度高，更容易实现器件的批量化和小型化，但是需要优化的MEMS工艺能够和红外探测器工艺完全兼容。

本实用新型集成了利用MEMS技术制备的微型法布里-泊罗干涉仪作为可调式滤波器和利用红外工艺线制备的红外探测器。只有满足干涉条件的特定波长的红外辐射才能透过微型法布里-泊罗干涉仪，并被下面的红外探测器吸收和成像。通过改变外部的偏置电压，可以调节微型法布里-泊罗干涉仪的上下反射面距离，从而改变透过的红外辐射波长，就可以实现特定光谱或者多光谱的红外成像。

附图说明

图1为本实用新型的微型法布里-泊罗干涉仪的工作原理图。

图2为本实用新型的一实施例的结构示意图。

其中1-红外探测器，2-红外入射光，3-悬臂梁，4-外部偏置电压，5-金属电极，6-干涉空腔，7-布拉格反射镜，8-金属焊接；

图3本实用新型的另一实施例的结构示意图；

其中9-红外入射光，10-上金属电极，11-上布拉格反射镜，12-悬臂梁，13-下布拉格反射镜，14-外部偏置电压引线，15-下金属电极，16-红外探测器，17-SiN缓冲层。

图4为为模拟计算的集成MEMS滤波器的红外探测器响应光谱随外部偏置电压的变化图。

具体实施方式

结合附图对本实用新型作进一步的描述。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步的详细描述。

图1为本实用新型的微型法布里-泊罗干涉仪的工作原理图。两个平行镜面加上中间的空腔就可以构成简单的法布里-泊罗干涉仪。根据光的干涉原理，红外辐射通过法布里-泊罗干涉仪的透射率与波长密切相关。如果两个平行镜面的距离为d，当红外辐射的波长λ＝nd/2(n为任意整数)时，透射率最大，波长偏离后透射率衰减很快，形成一个很尖锐的响应光谱。如果能够调节两个平行镜面的距离d，就可以得到一系列尖锐的响应光谱。

本实用新型所用的红外探测器1选用采用器件工艺技术制备的红外探测器。本实用新型所用的微型法布里-泊罗干涉仪选用采用MEMS技术制备的微型法布里-泊罗干涉仪。本实用新型所用的布拉格反射镜由多层膜系构成，对红外波段的反射率高于90％，而吸收率低于10％。

实例一：

如图2所示，可调式基于MEMS滤波的红外探测器，主要包括微型法布里-泊罗干涉仪、红外探测器1，其特征在于：在红外探测器1表面设有金属焊盘8；所述的微型法布里-泊罗干涉仪由上层平行板、下层平行板和中间的空腔6构成，所述的上层平行板包括SiN材料制备的平行板、可动悬臂梁(3)、金属电极5、布拉格反射镜7和单面的金属焊盘8，在SiN材料制备的平行板上设有可动悬臂梁3、金属电极5、外部偏置电压的引线4、布拉格反射镜7和单面的金属焊盘8；所述的下层平行板包括SiN材料制备的平行板、金属电极5、布拉格反射镜7和双面的金属焊盘8，在SiN材料制备的平行板上对应地设有金属电极5、外部偏置电压的引线4、布拉格反射镜7和双面的金属焊盘8；红外探测器1的金属焊盘与下层平行板的下表面金属焊盘8焊接在一起，下层平行板的上表面金属焊盘8与上层平行板的金属焊盘8焊接在一起。

一方面根据选用红外探测器的波段和种类，选择相应的红外探测器制备工艺完成红外探测器芯片1的加工。为了充分利用MEMS滤波器的可调功能，红外探测器选用较宽的工作波段。短波波段的红外探测器包括但不限于Si探测器、InGaAs探测器和HgCdTe探测器，中波波段的红外探测器包括但不限于InSb探测器、HgCdTe探测器和量子阱探测器，长波波段的红外探测器包括但不限于HgCdTe探测器、量子阱探测器和微测辐射热计。本实例选用的是中波段的HgCdTe红外探测器，它有较好的可调性能、较高的灵敏度和较低的噪声。首先采用器件工艺技术制备红外探测器1，在其表面制备金属焊盘8。

另一方面利用先进的MEMS工艺制备可调式的微型法布里-泊罗干涉仪滤波器。本实例采用的工艺是绝缘体上的硅技术分别制备微型法布里-泊罗干涉仪的两个平行板。MEMS制备工艺主要步骤包括：

首先采用SiN材料制备平行板的主体结构。SiN对中波红外不吸收，而且MEMS制备工艺比较成熟，有较好的化学稳定性和机械强度。制备过程中对SiN材料的表面平整度、残余压力等有特别高的要求。

再通过图形化处理和刻蚀技术在上平行板上制备出悬臂梁3。

然后再上下平行板上通过PVD技术制备出布拉格反射镜7。针对波段和透射光谱要求，设计多层布拉格膜层，实现反射镜对中波红外有很高的反射率和很低的吸收率。

在上下平行板上通过PVD技术制备出金属电极5和外部偏置电压的引线4。

在上下平行板上制备出焊接用的金属焊盘8。

释放上下平行板结构，采用倒装焊技术将上下平行板的金属焊盘8对准焊接，形成微型法布里-泊罗干涉仪。

分别制备出可调式微型法布里-泊罗干涉仪滤波器和红外探测器后，再通过倒装焊技术完成两部分的集成。工作时，图像的红外辐射首先透过宽带滤波片，只有3～5μm的中波红外辐射进入MEMS滤波器。选择合适的外部偏置电压，使上下布拉格反射镜的间距为要求的d。只有波长为nd/2(n为任意整数)的红外辐射能够透过MEMS滤波器，进入下面的HgCdTe红外探测器，得到该波长的红外信号和图像。通过改变外部偏置电压，可以改变进入HgCdTe红外探测器的红外辐射波长，得到不同波长红外辐射的信号和图像。图4是模拟计算的集成MEMS滤波器的红外探测器响应光谱随外部偏置电压的变化图。

实例2：

如图3所示，可调式基于MEMS滤波的红外探测器，主要包括微型法布里-泊罗干涉仪、红外探测器，在红外探测器16上设有SiN缓冲层17，SiN缓冲层上设有下金属电极15、外部偏置电压引线14和下布拉格反射镜13；在下布拉格反射镜13上设有微悬臂梁12，并在微悬臂梁上设有上金属电极10、外部偏置电压引线14和上布拉格反射镜11。

是采用整体式集成法制备基于MEMS滤波器的红外探测器的实施方法，其结构示意图见图3。同实例1，整体式集成法对红外探测器也没有特殊的要求，也可选用中波HgCdTe探测器。它的主要特点是红外探测器和MEMS滤波器不是分别制备，而是直接在红外探测器上用优化的MEMS工艺制备可调式微型法布里-泊罗干涉仪滤波器。实例2的MEMS滤波器制备工艺主要步骤包括：

首先在红外探测器表面利用CVD技术制备SiN缓冲层17作为下平行板主体结构。由于考虑到与HgCdTe红外探测器技术的兼容性，采用低温的CVD制备技术。对SiN材料制备技术要求同实例1。

再利用PVD技术依次制备下金属电极15、外部偏置电压引线14和下布拉格反射镜13。布拉格反射镜的特点和设计同实例1。

然后利用polyimide技术和低温CVD技术制备SiN悬臂梁12和上平行板主体结构。

再利用PVD技术依次制备上布拉格反射镜11、外部偏置电压引线14和上金属电极10。

最后进行上下平行板间的空腔释放。

实例1和实例2的结构各有特点，都可以实现本实用新型内容。由实例可知，利用MEMS技术制备的可调式法布里-泊罗干涉仪滤波器其大小同常规的红外探测器基本一致，没有复杂的光机电系统。特别是MEMS技术产能高，大规模集成后MEMS滤波器的成本可以降得很低，使基于MEMS滤波器的红外探测器体积和成本变化不大。本实用新型的基于MEMS滤波的红外探测器可用于制备出低成本、微型化的多光谱红外热像仪系统，它的外观尺寸和成本接近于常规的红外热成像系统，但是可以实现红外辐射探测、光谱数据分析和多光谱成像等功能。

Claims

1.可调式基于MEMS滤波的红外探测器，主要包括微型法布里-泊罗干涉仪、红外探测器(1)，其特征在于：在红外探测器(1)表面设有金属焊盘(8)；所述的微型法布里-泊罗干涉仪由上层平行板、下层平行板和中间的空腔(6)构成，所述的上层平行板包括SiN材料制备的平行板、可动悬臂梁(3)、金属电极(5)、布拉格反射镜(7)和单面的金属焊盘(8)，在SiN材料制备的平行板上设有可动悬臂梁(3)、金属电极(5)、外部偏置电压的引线(4)、布拉格反射镜(7)和单面的金属焊盘(8)；所述的下层平行板包括SiN材料制备的平行板、金属电极(5)、布拉格反射镜(7)和双面的金属焊盘(8)，在SiN材料制备的平行板上对应地设有金属电极(5)、外部偏置电压的引线(4)、布拉格反射镜(7)和双面的金属焊盘(8)；红外探测器(1)的金属焊盘与下层平行板的下表面金属焊盘(8)焊接在一起，下层平行板的上表面金属焊盘(8)与上层平行板的金属焊盘(8)焊接在一起。

2.可调式基于MEMS滤波的红外探测器，主要包括微型法布里-泊罗干涉仪、红外探测器，其特征在于：在红外探测器(16)上设有SiN缓冲层(17)，SiN缓冲层上设有下金属电极(15)、外部偏置电压引线(14)和下布拉格反射镜(13)；在下布拉格反射镜(13)上设有微悬臂梁(12)，并在微悬臂梁上设有上金属电极(10)、外部偏置电压引线(14)和上布拉格反射镜(11)。

3.根据权利要求1或2所述的可调式基于MEMS滤波的红外探测器，其特征在于：所述的红外探测器(1)选用采用器件工艺技术制备的红外探测器。

4.根据权利要求1或2所述的可调式基于MEMS滤波的红外探测器，其特征在于：所述的微型法布里-泊罗干涉仪选用采用MEMS技术制备的微型法布里-泊罗干涉仪。

5.如权利要求1或2所述的可调式基于MEMS滤波的红外探测器，其特征在于：所述的布拉格反射镜由多层膜系构成，对红外波段的反射率高于90％，而吸收率低于10％。