[发明专利]一种基于微桥谐振器的新型红外探测器结构及制作方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及红外探测器的结构及制造方法，特别是一种采用具有负电阻温度系数的非晶硅电阻或多晶硅电阻作为激励电阻的电热激励微桥谐振器实现的非制冷红外探测器的结构及制作方法，属于微电子机械系统(Micro Electro Mechanical systems，MEMS)领域。

二、背景技术

红外探测技术是信息获取的主要手段之一。按照工作原理划分，红外探测器可以分为制冷型的光子探测器和非制冷型的热探测器两大类。基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应(光生伏特效应、光电导效应、光电磁效应和光发射效应等)的光子探测器，对不同波长的红外线选择性好、响应时间短、噪声等效温差低、探测率高，是陆、海、空、天各类武器系统中重要的传感器，是获得战场信息优势和战争主动权的关键因素之一，可用于弹道导弹和远程巡航导弹的早期预警、跟踪、识别和拦截，对迅速发展的光电对抗、光通信、定向能武器等方面具有基础作用。光子探测器热噪声随温度升高呈指数规律上升，工作时需要低温制冷装置将其冷却到很低的温度，主要用于军事和天文领域。

热探测器的工作机理是基于入射红外线的热效应(热敏电阻效应、温差电效应、热释电效应、热膨胀效应等)引起探测器敏感材料的物理特性或探测器结构的力学特性发生的变化。热探测器可在室温下工作，光谱响应范围宽、体积小、重量轻、功耗低、性价比高、便于携带、工作可靠、操作和维护简便，可应用于非接触式测温、功率计、红外报警、频谱仪、自动开关、气体分析仪、禁毒、危险品监测、医疗、工业探伤、电力线路检测、地球资源探测、火灾营救、污染探测等领域。热探测器包括微测辐射热计、热释电红外探测器、热电堆红外探测器、热气动型红外探测器、双材料悬臂梁红外探测器、石英晶体谐振式红外探测器等类型。

微测辐射热计基于具有热敏特性的探测材料在温度变化时电阻值发生变化的热敏电阻效应。工作时对支撑在绝热结构上的热敏电阻两端施加固定的偏置电压，入射红外辐射引起的温度变化使得热敏电阻阻值减小，从而使电流增大，并由读出电路读出。微测辐射热计的响应率比热电堆型高，制作工艺比热释电红外探测器简单，工作时无需斩波器，具有较低的串音和图像模糊、较低的1/f噪声、较高的帧速，是非制冷红外探测器的主流技术之一。目前已经有利用氧化钒(VOx)、多晶硅、非晶硅、非晶锗、多晶锗硅、金属材料以及高温超导材料(YBaCuO)等各种敏感材料制作的微测辐射热计的研究报道。微测辐射热计的探测单元对所施加的偏置脉冲电压精度要求较高，流过热敏电阻的偏置电流不能太大。

热电堆红外探测器是基于塞贝克效应制成的，由热电堆、支撑膜以及红外吸收层组成。从热偶组成的角度分类，热电堆红外探测器可分为金属热偶，硅-金属热偶以及N型多晶硅-P型多晶硅热偶等。微机械红外热电堆探测器是一种自发电型传感器，不需要外加电源。从提高热电堆的探测灵敏度、减小热偶向衬底传导热量的角度考虑，热电偶材料需要同时具备高塞贝克系数、低电阻率、低热导率等特点。但根据魏德曼一弗兰茨(Wedman-Franze)定律，材料的热导率与电阻率之积为常数，难以同时减小热导率和电阻率。

热释电效应是指热释电晶体的温度在一定频率下变化时晶体的自发极化电荷来不及被中和，随温度周期性变化而产生交变电场的效应。热释电红外探测器常用材料为钛酸锶钡(BST)、锆钛酸铅铁电陶瓷、聚偏氟乙烯聚合物、复合热释电薄膜等。热释电红外探测器没有直流响应，必须使用斩波器以适当的频率周期性调制入射辐射，才能得到输出信号。

热气动型红外探测器的实现需要将低热容量气体密封于红外窗口和弹性敏感膜之间的气腔中，由红外窗口入射的红外辐射被气体吸收后，气体分子能量和气体压强增加，弹性敏感膜产生形变，通过隧道效应或电容检测方法检测弹性敏感膜的变形得到入射红外辐射的信息。然而电容检测方法需要将电容检测电路与探测器集成在一起以实现高的检测精度，制作工艺复杂。