[发明专利]一种电容式MEMS非制冷红外探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于红外探测和微电子机械系统(MEMS-microelectronic mechainicalsystems)加工工艺技术领域，涉及红外辐射成像技术，特别是涉及一种电容式MEMS非制冷红外探测器及其制备方法。

背景技术

红外传感器包括有光电型红外传感器和非制冷热传感器，光电型红外传感器是直接利用红外光子激发电子在能级间跃迁而工作的，现在光电型红外传感器已经发展的比较成熟，达到了很高的探测精度，但由于热载流子暗电流的干扰，这类传感器都需在低温下工作，需要昂贵且笨重的制冷系统。相比之下，非制冷红外传感器能工作在室温条件下，不需要制冷设备，降低了成本和系统功耗。

非制冷热传感器是吸收红外辐射，使器件或材料温度变化，引起器件或材料性能发生变化，从而达到红外探测目的的器件。它主要包括测辐射热计、温差电偶和热释电传感器等几种类型。热传感器一般不需致冷(超导除外)，而且易于使用、维护，可靠性好；制备工艺相对简易，成本较低。但目前商用热传感器的灵敏度均较低，响应速度慢。

近几年微悬臂梁式非制冷红外传感器得到了广泛重视，这种热辐射传感器的主要结构为由许多相同结构的微悬臂梁像元组成的焦平面阵列。利用金属材料的热膨胀系数很大，而半导体材料的热膨胀系数比较小，把两种薄膜材料粘合在一起形成双材料悬臂梁。当像元吸收红外辐射温度变化时，双材料悬臂梁由于材料热膨胀系数的差别，会响应不同温升产生热致形变。这类红外探测器的理论噪声等效温差(NETD)达到5mK，帧频可达到1000，探测灵敏度可与制冷型红外探测器相比拟，而制备成本、功耗、体积却低的多。

发明内容

本发明的目的是提供一种电容式MEMS非制冷红外探测器及其制备方法。该红外焦平面阵列的像元是微悬臂梁形式的可变电容结构，像元吸收红外辐射使得结构形变，表现为电容变化，最后采用集成的读出电路测量电容的变化量。该读出方式检测避免使用庞大的光学读出系统，所以该微机械式红外焦探测非常利于小型化和广泛应用。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种电容式MEMS非制冷红外探测器包括：包括微悬臂梁阵列、读出悬臂梁形变的电路以及支撑悬臂梁的衬底，微悬臂梁阵列构成探测器的红外焦平面阵列，微悬臂梁阵列即为像元阵列，可有64×64、128×128、256×256、512×512或1024×1024等，每个像元结构相同；每一个像元为一双材料悬臂梁结构，其包括上电极板、电互连引线、红外吸收面和悬臂梁支腿，红外吸收面可由一种或多种吸收红外又具有较小热导率和热膨胀系数的材料制备，如Si₃N₄、SiC，也可以由具有较小热导率和热膨胀系数的结构材料和覆盖在其上面的红外吸收材料组成，如黑金属、聚合物、碳纳米管等其它具有良好红外吸收特性的材料。红外吸收面通过悬臂梁支腿与锚点连接，固定在衬底上。锚点可以是一个或多个，位于悬臂梁像元的线对称或点对称位置处，支撑悬臂梁结构。下电极板位于衬底上，并通过介质层与衬底进行电隔离；悬臂梁的上极板位于红外吸收面的下面，与下极板之间有一定的空气间隙；电互连引线用于连接上下电极板到读出电路系统。

亦可将上、下极板都制作在衬底上并通过红外吸收面下面的电极板形成两个串联电容，方便制备，即原上极板变成一公共极板，这个公共极板与位于衬底上的两个极板，分别构成了两个电容，并且这两个电容串联，形成了一个串联电容。

悬臂梁支腿包括形变支腿部分和热隔离支腿部分，形变支腿部分由两种热膨胀系数相差较大的材料组成，一种材料与红外吸收面结构材料相同，另一种材料为高热膨胀系数的金属、聚合物等材料，从而实现尽可能大的形变量；热隔离支腿部分仅包括热导率小的红外吸收面结构材料。悬臂梁支腿的排列方式包括直线式、折线式和双折线式，多折线式，支腿的一端与固定在衬底的热隔离支腿相连，另一端与红外吸收面相连。形变支腿部分和热隔离支腿部分交替构成了完整的支腿。形变支腿部分的设计的原则是获得最高灵敏度和帧频，热隔离支腿部分的设计原则是获得最大隔热效率，即使其热阻尽可能大。

微机械式红外探测器的衬底是标准硅材料，在衬底上是制备的读出悬臂梁形变的电路，他的主要功能是对红外焦平面阵列的微弱电容信号进行预处理(如，积分、放大、滤波、采样/保持等)和阵列信号的串并行转换，以在红外焦平面阵列和随后的信号处理级间提供一个好的接口。