[发明专利]双材料微悬臂梁、电磁辐射探测器以及探测方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统（MEMS）领域，涉及一种双材料微悬臂梁、电磁辐射探测器以及探测方法。

背景技术

电磁辐射波谱按照波长或频率可以分为从伽马射线到无线电波的多个连续谱段。人眼所能感知的可见光波段（0.4um-0.8um）是整个电磁波谱中非常窄的一段。对于可见光之外的电磁辐射，人类必需利用各种传感器和探测器来进行检测，通过对这些电磁辐射的检测可以提供可见光图像之外的诸多信息，是对人眼视觉非常有效的补充。

电磁辐射探测器的功能是接收电磁辐射，并通过辐射引起的某种物理或化学效应，将接收到的辐射转换为与辐射强度相对应的电信号。由于整个电磁波谱范围非常宽，不同波段的辐射与物质作用时会引起不同的物理、化学效应，所以对不同谱段的电磁辐射往往需要利用不同的探测器来检测。

紧邻可见光波段而波长更长的一段电磁辐射（0.8um-1000um）称为红外波段，利用探测目标物体自身发射或者反射的红外辐射而形成的图像称为红外热像。红外热像技术广泛地应用于各种军事及民用领域。在军事领域的应用包括红外搜索与跟踪、红外制导、夜视观瞄、火控、辅助驾驶等。在民用领域，红外热像广泛应用于工业测温、预防性维护、安防监控、医学诊断、房屋建筑检测、水分检测、交通运输、科学研究等各个方面。

对于红外辐射一般可以采用半导体光电探测器或者热探测器来检测。制冷型光电探测器利用窄禁带半导体制造，工作时需要冷却至极低的温度，因此体积和重量相对较大、价格比较昂贵。热探测器利用红外辐射的热效应工作，常用的包括热堆、热释电、以及微测辐射热计。热探测器可在室温条件下工作，一般也称为非制冷型红外探测器，具有低成本、更易于便携等优点。

近年来，一种利用具有不同热膨胀系数的双材料制作的微悬臂梁辐射探测器受到比较广泛的关注。其原理是利用MEMS工艺制造双层或多层薄膜的微悬臂梁，不同薄膜材料之间的热膨胀系数具有较大差异，所以受热后会因为双材料之间不相等的热膨胀而使微悬臂梁产生形变，这种效应一般称为“双材料效应”（Bimorph Effect或Bimetallic Effect）。微悬臂梁的一端与衬底固定，另一端可以自由运动。微悬臂梁吸收辐射后产生热效应，并进一步通过双材料效应导致微悬臂梁产生形变。其形变大小与吸收的辐射强度具有一定的对应关系，通过检测形变的大小可以获得入射辐射的相关信息。

专利US5844238公开了一种利用双材料微悬臂梁支撑的平行板电容式红外传感器，传感器吸收红外辐射产生温升并进一步引起双材料微悬臂梁向上弯曲变形，该变形进一步引起平行板电容的变化，通过检测电容的变化可以检测出吸收的红外辐射强度等参数。

专利CN101561319 B也公开了一种与上述专利US5844238相似的双材料微悬臂梁电容式红外传感器。

专利US6080988公开了一种利用光学方式来检测辐射引起的双材料微悬臂梁形变的图像转换装置，用于检测各种电磁辐射。

专利US6118124A公开了利用微悬臂梁传感器及其阵列用于检测电磁辐射以及核辐射的发明。吸收的辐射与微悬臂梁发生某种物理或化学效应引起微悬臂梁形变。微悬臂梁的形变可以用光学、压阻、频率、压电、电容、隧穿等多种效应和方法来检测，从而进一步检测出吸收的辐射强度等参数。

专利申请US7616425 B2公开了一种利用电容式读出的双材料微悬臂梁支撑的热传感器，其主要特征在于双材料悬臂梁的支撑形式方面的改变。

专利US7705307 B1公开的双材料微悬臂梁红外传感器，其主要特征在于利用含有纳米颗粒的有机聚合物做为构成双材料部分的一种材料。

专利US7851759 B2公开了一种利用双材料微悬臂梁做为红外成像的装置，其特征在于利用一对吸收红外辐射后分别向上和向下弯曲形变的双材料微悬臂梁对可见光进行空间相位调制来检测微悬臂梁的形变。

专利US8026485 B2公开了一种双材料微悬臂梁红外传感器，其主要特征在于利用壳聚糖（Chitosan）或者几丁质（Chitin）做为红外吸收层。

上述发明中的微悬臂梁传感器一般设置一个辐射吸收层用于吸收被探测的辐射，一个传感器与衬底之间的热绝缘结构用于使被吸收的辐射最大化地转换为热效应，一个双材料结构用于在辐射热效应作用下产生形变。根据形变读出方式的不同以及其它需要，会另外分别设置红外反射层、上下电极、压敏电阻等结构。

双材料微悬臂梁探测器具有灵敏度高，材料和工艺与CMOS流程更加兼容，可耐受更高的工艺温度，潜在成本低等优势。但是，在实际加工时也存在以下难点。