[发明专利]一种电容式MEMS非制冷红外探测器及其制备方法

权利要求书

1.一种电容式MEMS非制冷红外探测器，包括微悬臂梁阵列、读出悬臂梁形变的电路以及支撑微悬臂梁阵列的衬底，其特征在于：所述微悬臂梁阵列构成探测器的红外焦平面阵列，每一个像元为一双材料悬臂梁结构，该悬臂梁结构通过锚点固定在衬底上，在所述悬臂梁结构上设置一电极板，在衬底上设置另一电极板，共同构成电容结构，该电容结构的电容信号的改变量由位于衬底上的读出悬臂梁形变的电路读出。

2.如权利要求1所述的电容式MEMS非制冷红外探测器，其特征在于：所述悬臂梁结构包括红外吸收面和悬臂梁支腿，所述悬臂梁支腿由形变支腿部分和热隔离支腿部分交替连接构成，所述形变支腿部分由低热膨胀系数的半导体介质材料和高热膨胀系数材料共同构成，所述热隔离支腿部分由低热导率的半导体介质材料构成，所述形变支腿部分与红外吸收面相连，所述热隔离支腿部分与锚点相连，所述红外吸收面吸收红外辐射，并传导到形变支腿部分，形变支腿部分由于温度变化发生弯曲。

3.如权利要求2所述的电容式MEMS非制冷红外探测器，其特征在于：所述悬臂梁支腿的排列方式为折线型、直线型、双折线型或多折线型，所述悬臂梁支腿的总长度介于10微米到10毫米。

4.如权利要求2所述的电容式MEMS非制冷红外探测器，其特征在于：所述红外吸收面由吸收红外光的一种或多种半导体介质材料构成，或由半导体介质材料和红外吸收材料共同构成，所述红外吸收材料是对近、中、远红外光产生吸收的材料，所述红外吸收面的面积介于10平方微米到1平方毫米。

5.如权利要求1所述的电容式MEMS非制冷红外探测器，其特征在于：所述锚点设置在衬底上，锚点位于悬臂梁像元的中心线对称位置处，用于支撑所述悬臂梁结构。

6.如权利要求1所述的电容式MEMS非制冷红外探测器，其特征在于：所述微悬臂梁结构上设置的上电极板位于红外吸收面下，下电极板位于衬底上，所述上下电极板通过互联引线连接到读出悬臂梁形变的电路中。

7.如权利要求1所述的电容式MEMS非制冷红外探测器，其特征在于：所述电容结构采用串连电容式设计，即与读出悬臂梁形变的电路相连有两个极板，分别位于衬底上，红外吸收面下设有电极板作为两个串连电容的互连电极板。

8.如权利要求1所述电容式MEMS非制冷红外探测器，其特征在于：所述读出悬臂梁形变的电路包括：

与每个悬臂梁阵列像元相匹配的运算放大器，该运算放大器分别与每个电容结构的上电极板相连；

一驱动电路，所述驱动电路为每个电容结构提供电压；

一采样电路，所述采样电路用于对放大器的输出信号进行采样和保持；

一行扫描移位寄存器，将某时刻的某一行的采样信息读取到显示处理电路的接口电路中；

一行选择器，用于选择某时刻需要扫描出的某一行像元信息；

和参考电容，与所述电容结构的电容等值。

9.一种电容式MEMS非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)采用标准的CMOS工艺在硅衬底上设计并制造读出悬臂梁形变的电路，除该电路外，该制备工艺步骤还要制造与微悬臂梁阵列像元的电容值大小一样的参考电容，以及在衬底上制备一下电极板和上、下电极板互连的通孔面，并在读出电路上淀积一层SiO₂或SiN钝化绝缘层除保护电路外，还防止上下极板形成电接触；

2)淀积制备微悬臂梁阵列的牺牲层，通过CMP保证牺牲层平坦性；

3)光刻并刻蚀牺牲层，以形成锚点，该锚点用于使悬臂梁结构与衬底形成机械互连；

4)光刻并刻蚀钝化绝缘层，定义电互连通孔，露出上、下电极板互连通孔面；

5)溅射或蒸发一金属材料，光刻并腐蚀/刻蚀该金属材料，形成上电极板；

6)淀积一微悬臂梁阵列结构层，该结构层包括红外吸收面材料、热隔离支腿部分和形变支腿部分的下层材料；

7)溅射铝或者聚合物等热膨胀系数大的材料，光刻并腐蚀/刻蚀，形成形变支腿部分的上层材料；

8)光刻并刻蚀微悬臂梁阵列结构层，形成悬臂梁结构；

9)各向同性干法刻蚀或湿法腐蚀牺牲层，释放悬臂梁结构，从而形成微悬臂梁阵列。

10.如权利要求9所述制备方法，其特征在于：所述牺牲层采用聚酰亚胺、氧化硅、多晶硅或其它聚合物材料，牺牲层厚度范围为100纳米到10微米。