CN203998935U - 基于薄膜体声波谐振器的mems红外传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器，依次包括金属块、压电振荡堆和声波反射层；压电振荡堆和金属块依次沉积在声波反射层上，压电振荡堆包括依次沉积在声波反射层上的底电极、压电层、上电极；上电极位于红外传感器表面即称为红外窗口薄膜，其材质为具有红外透射率的导电薄膜，便于红外光线透过上电极照射在压电层上；声波反射层包括基片、基片上沉积的支撑层、以及基片与支撑层之间的空气腔；压电振荡堆沉积在支撑层上；本实用新型中MEMS红外传感器的尺寸较小，制作成本低，制备工艺简单，并且能够反复使用，且可批量生产并集成阵列、制造成本低、易于同外部电路相兼容、无需制冷、对整个红外波段敏感等特点。

Description

基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器

技术领域

本实用新型涉及一种基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器，属于微电子技术领域。

背景技术

红外辐射技术在最近40多年中已经发展成为一门新兴技术科学。它在广泛的应用领域中，特别是在科学研究、军事工程和医学方面起着极其重要的作用。例如在红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。而红外辐射技术的重要工具就是红外传感器，红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用。尤其是在实现远距离温度检测与控制方面。红外温度传感器以其优异的性能，满足了多方面的需求，因而在产品传感器大显身手的地方，红外传感器的发展前景也是不可估量的。

随着科学技术的不断发展，新技术、新材料、新工艺和新器件的相继出现，人们对红外光学进行了深入的研究、开发。为了实现自动化、节省人力、提高效率、增加设备功能、确保安全、保护环境、节省资源和能源，对红外传感器产品在低功耗、可靠性、稳定性、低成本、小型化、微型化、复合型、标准化等技术和经济指标方面提出了更高的要求。MEMS红外传感器的优势在于批量化的制造技术，成本低、便于集成、功耗低，相比于传统技术，红外传感器技术呈现出去单一功能化特征，朝着智能化、集成化方向发展。基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器的研究越来越受到人们的重视。

薄膜体声波谐振器（FBAR）由于其高工作频率、高品质因素（Q值）、低温度系数、高功率承载能力、可集成以及体积小的特点，近年来得到广泛重视，并在无线通信领域得到了广泛的应用。有多个FBAR串并联可以构成一定带通或带阻特性的射频滤波器，滤泼器的带宽主要由所组成的单个FBAR谐振频率点决定，滤波器滚降特性主要由所组成的单个FBAR谐振峰Q值决定。如果基于单个薄膜体声波谐振器的红外传感器具有良好的传感性能，那么由其组成的滤波器、振荡器、多工器等也可以实现红外传感特性。那么，寻找一种低功耗、可靠稳定、可集成化的可基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器成为迫切的需要。

现有的红外传感技术虽然能够满足基本的传感需求，如：红外测温仪，红外成像仪，红外人体探测报警器，自动门控制系统等，但是红外传感器技术呈现出去单一元件、单一功能化特征，使得具有多功能传感器或者能够集成的传感成为各个通信领域研究的热点，受到越来越多的重视。薄膜体声波谐振器具有体积小、可靠稳定的特点，我们可以将在一个晶圆上制备多个FBAR，构成FBAR阵列，每一个FBAR可用来实现不同的传感器功能。基于薄膜体声波谐振器的红外传感器阵列，可以克服现有单一元件、单一功能化的缺点，向集成化、多功能化的方向发展。

红外探测器分为光子探测器和热探测器两种，光子探测器的一般需要在低温下工作，探测波段较窄，而热探测器由于宏观样品的加热与冷却是一个缓慢的过程，因此响应时间较长，探测灵敏度低。

实用新型内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器，其特征在于：依次包括金属块、压电振荡堆和声波反射层；所述压电振荡堆和金属块依次沉积在声波反射层上，其中：压电振荡堆包括依次沉积在声波反射层上的底电极、压电层、上电极；所述上电极位于红外传感器表面即称为红外窗口薄膜，其材质为具有红外透射率的导电薄膜或者露出压电薄膜的栅格状电极，便于红外光线透过上电极照射在压电层上；

所述声波反射层包括基片、基片上沉积的支撑层；压电振荡堆沉积在支撑层上；所述声波反射层为背腔刻蚀结构、空气隙结构或者布拉格反射层结构。

当所述声波反射层为空气隙结构时，所述基片与支撑层之间设置有空气腔。

所述上电极为左右结构、上下结构或者叉指结构。

所述上电极的红外透射率大于60%、且红外光线的波段为0.76-1000um。

所述底电极的材质为Al、Au、Pt中的一种，厚度为10-200nm。

压电层的材质为ZnO、AlN或者锆钛酸铅（PZT）中的一种，厚度为1um-4um。

作为最优选，所述压电层的材质为具有压电效应和热释电效应的95/5的PZT材料。

所述上电极的材质为石墨烯，厚度为6-10个原子层。

所述上电极为栅格状的金属电极，厚度为10-100nm。

还提供所述的基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器的制备方法，包括以下步骤：

采用标准半导体工艺在硅片上表面刻蚀3-30μm的空腔；然后在硅片表面热生长一层二氧化硅薄膜，保护硅片在后续工艺过程中不受到影响；随后淀积一层牺牲层材料(可选用磷石英玻璃PSG或者钛Ti)，并采用化学机械抛光去掉多余牺牲层；然后直流磁控溅射沉积下电极，之后用溶胶-凝胶的方法在下电极上生长压电薄膜，即压电层；化学气相沉积生长上电极并图形化后使用电子束蒸发的方式沉积金属块；最后去除牺牲层形成空气隙，释放出压电三明治结构。

有益效果：本实用新型提供的基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器，当红外光线照射在MEMS传感器的敏感薄膜上时，薄膜表面温度的上升使得压电层内产生电子-空穴对，降低了体声波的传播速度，从而导致整个谐振器谐振点漂移，通过测量谐振器谐振点漂移大小获得该像素点的红外光强，最终实现对红外物体的成像。本实用新型中基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器的尺寸较小，制作成本低，制备工艺简单，并且能够反复使用，且可批量生产并集成阵列、制造成本低、易于同外部电路相兼容、无需制冷、对整个红外波段敏感等特点。具有以下优点：（1）基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器采用薄膜堆叠结构，和外接分离元件或者集成微机电系统MEMS电容相比，可以减小器件尺寸，降低成本，同时其体积小、频率高、性能好、可集成等优点使其能够达到射频电路要求的频率，其制备工艺相对简单，能都在反复使用。（2）基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器能够在低电压电源下工作，其探测的波长范围完全在紫外光谱区，具有较高的灵敏度、高光响应特性，并且抗干扰能力强、稳定可靠寿命长、耗电少。

附图说明

图1是本实用新型中采用背腔刻蚀结的薄膜体谐振器的剖面图；

图2是本实用新型中基于FBAR器件的红外探测系统；

图3是本实用新型中薄膜体声波谐振点的阵列；

图4是本实用新型红外线的强度与探测器FBAR频率段偏移的关系图像。

图中：金属块101、上电极102、压电层103、底电极104、支撑层105、空气腔106、基片107、电振荡堆108、声波反射层109。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步详细描述。以下实例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案。

1. 基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器的制备

图1所示，本实用新型中用于红外探测薄膜体声波谐振器FBAR包括金属块101、压电振荡堆108及其下的声反射层109。其中，压电振荡堆108包括底电极104、压电层103、上电极102；声波反射层109包括基片107、支撑层105、以及空气腔106。

FBAR振动模式可以是剪切波模式、横波模式或者两者的混合模式，不同的振动模式对应于电极分布结构分别为左右结构、上下结构和叉指结构；本实施例中采用的是上下结构进行说明。

图1中基于FBAR的MEMS红外传感器的压电层103可以使用ZnO、AlN或者PZT材料，其厚度为1-4um之间，本实施例中采用具有压电效应和热释电效应的PZT材料作为压电层。PZT的高居里温度、高优值因子、低热扩散系数等性能使其成为发展非制冷红外红焦平面阵列器件的热释电材料。

图1中FBAR上电级102以及金属块101也可使用栅格状的金属电极，栅格状的金属电极使得压电层103有部分的PZT材料直接暴露在空气中，这样红外线可以之间照射在PZT材料的表面。

图1中红外窗口即基于FBAR的MEMS红外传感器的上电极102，上电极薄膜的红外线的透射率对器件的灵敏度有较大的影响，本实施例中选择石墨烯作为上电极材料，石墨烯是一种由碳原子构成的单层结构，能够探测到整个光谱的红外线，且其具有良好的化学稳定性，可避免大气或者化学物质的侵蚀。

基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器的声波反射层在本实施例中采用空气腔结构。本实施例中MEMS红外传感器的制备步骤是采用深反应离子刻蚀（DeepRIE）在硅片上表面刻蚀3-30μm的空腔；然后采用等离子体增强化学气相沉积的方法在硅片表面热生长一层二氧化硅薄膜，作为器件的支撑层，其厚度为300nm；随后淀积一层牺牲层材料(可选用磷石英玻璃PSG或者钛Ti)，并使用化学机械抛光的的方法去掉多余的牺牲层；随后使用正胶剥离（lift-off）工艺对硅片正面（抛光面）进行曝光显影，并采用电子束蒸发的方式沉积5nm的Cr、50nm的Au作为底电极104，剥离完成后形成底电极形状。然后使用溶胶-凝胶Sol-gel法生长2um左右的PZT压电层103陶瓷压电薄膜。随后将衬片置于快速退火炉中，退火的条件为常压400℃,10min，完成第一次退火以后将PZT刻蚀出通孔；然后使用化学气相沉积（CVD）沉积6-10层石墨烯并使用电感耦合等离子的方法刻蚀出上电极102；随之使用与底电极相同的工艺步骤沉积100nm的金属块101；最后去将基片置于丙酮溶液中除牺牲层形成空气腔106，释放出压电三明治结构。

2．红外探测器件的组装

本实施例中使用银浆烘电极引线，所述形成的金属块用银浆引出电极引线，然后在薄膜的电极引线孔上涂满银浆，然后把金属丝放在银浆上，在烘箱内烘干，烘烤条件为150℃/1h。要注意的是银浆不能再空气中放置时间过长。将焊接好的基片置于用于测试的PCB板上，并用银浆将电极引线的另一端焊接。

3.基于的薄膜体声波谐振器的红外探测

图2为FBAR器件的红外探测系统，本实施例中网络分析仪的型号为Agilent 8714ET，其用于显示FBAR器件的谐振曲线，其谐振峰值的变化使用Labview软件实时监测。

4.基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器阵列

图3是基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器的阵列，薄膜体声波谐振器因具有体积小、可靠稳定的特点，可以将在一个晶圆上制备多个FBAR，构成FBAR阵列，每一个FBAR可用来实现不同的传感器功能。基于薄膜体声波谐振器的红外传感器阵列，可以克服现有单一元件、单一功能化的缺点，向集成化、多功能化的方向发展。

图4是基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器的频率偏移与红外线光强的关系。

本实用新型中基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外探测器具有体积小、分辨率高、可批量生产并集成阵列、制造成本低、易于同外部电路相兼容、无需制冷、对整个红外波段敏感等特点，弥补了一般热型探测器件与光量子型探测器件的不足，因而适用于受到功耗、体积和制冷能力限制，同时要求具有卓越性能的制导、卫星侦察及空间技术等领域。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器，其特征在于：依次包括金属块、压电振荡堆和声波反射层；所述压电振荡堆和金属块依次沉积在声波反射层上，其中：压电振荡堆包括依次沉积在声波反射层上的底电极、压电层、上电极；所述上电极位于红外传感器表面即称为红外窗口薄膜，其材质为具有红外透射率的导电薄膜或者露出压电薄膜的栅格状电极，便于红外光线透过上电极照射在压电层上；

所述声波反射层包括基片、基片上沉积的支撑层；压电振荡堆沉积在支撑层上；所述声波反射层为背腔刻蚀结构、空气隙结构或者布拉格反射层结构。

2.根据权利要求1所述的基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器，其特征在于：当所述声波反射层为空气隙结构时，所述基片与支撑层之间设置有空气腔。

3.根据权利要求1所述的基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器，其特征在于：所述上电极为左右结构、上下结构或者叉指结构。

4.根据权利要求1所述的基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器，其特征在于：所述上电极的红外透射率大于60%、且红外光线的波段为0.76-1000um。

5.根据权利要求1所述的基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器，其特征在于：所述底电极的材质为Al、Au、Pt中的一种，厚度为10-200nm。

6.根据权利要求1所述的基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器，其特征在于：压电层的材质为ZnO、AlN或者锆钛酸铅PZT中的一种，厚度为1um-4um。

7.根据权利要求1所述的基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器，其特征在于：所述压电层的材质为具有压电效应和热释电效应的95/5的PZT材料。

8.根据权利要求1所述的基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器，其特征在于：所述上电极的材质为石墨烯，厚度为6-10个原子层。

9.根据权利要求1所述的基于薄膜体声波谐振器的MEMS红外传感器，其特征在于：所述上电极为栅格状的金属电极，厚度为10-100nm。