[发明专利]非制冷红外焦平面探测器及其制备方法

说明书

本发明提供一种非制冷红外焦平面探测器及其制备方法，所述非制冷红外焦平面探测器包括基底及设置在所述基底上的红外传感像元，所述红外传感像元包括悬空于所述基底上方的微桥，所述微桥至少包括依次设置的热应变层、支撑层及热敏层，所述热应变层受热发生形变，并带动所述热敏层发生形变，并进一步引起所述热敏层的电阻的变化。本发明的优点在于，将热应变层的形变引起的热敏层的电阻变化与热敏层的热敏电阻的变化叠加，在相同红外辐射强度下，红外传感像元可以产生比传统像元更大的电阻变化，从而增强红外辐射热效应与红外传感像元的电阻变化之间的转换幅度的效果，达到提高非制冷红外焦平面探测器响应率和灵敏度的效果。

技术领域

本发明涉及微电子机械系统领域，尤其涉及一种非制冷红外焦平面探测器及其制备方法。

背景技术

根据芯片工作的温度，红外焦平面探测器一般分为制冷型和非制冷型两种。制冷型通常是利用窄禁带半导体材料制造的光电探测器，工作时需要冷却至液氮等温度以抑制热载流子及噪声，因此体积和重量相对较大，价格比较昂贵。非制冷型红外焦平面探测器也称为室温探测器，可在室温条件下工作而无需制冷，因此具有体积小、成本低、更易于便携等优点。非制冷红外探测器一般是热探测器，即通过探测红外辐射的热效应来工作。常用的非制冷红外焦平面探测器原理包括热电堆、热释电以及微测辐射热计。

其中，采用微桥结构的微测辐射热计(Microbolometer)目前成为绝对主流的非制冷红外焦平面探测器。微测辐射热计通过检测红外辐射热效应引起的热敏电阻的阻值变化而探测相应的辐射强度。其特点在于采用表面微加工工艺制作出悬空于CMOS读出电路(ROIC)衬底之上的，以细长悬臂梁支撑的类似于桥的微结构，在业界通称为微桥结构。每个微桥结构构成一个像元。对于非制冷红外探测器像元微桥的性能要求，第一，要具有良好的热绝缘性能，以利于把吸收的红外辐射最大化地转化为温度变化；第二，希望热敏电阻材料有较高的电阻温度系数(TCR)和较低的噪声；第三，要求微桥具有较高的红外吸收率；第四，要求具有较低的热质量，以保证在高绝热下仍能维持足够小的热时间常数，以满足一定的成像频率。

利用现有的MEMS微加工技术，可以制造出满足以上技术要求的微桥结构和灵敏度较高的红外探测器。现有的商业化技术水平已经可以制造最小10微米像元间距，1920×1080甚至更大阵列规模的微测辐射热计红外探测器。微测辐射热计探测器的灵敏度主要与像元红外吸收面积、像元微桥绝热性能、像元热敏材料的电阻温度系数(TCR)及材料噪声等有直接关系。但是，微测辐射热计像元缩小后，必然导致像元吸收面积减小，微桥绝热性能难以提高，热敏材料的电阻温度系数(TCR)基本保持不变，材料噪声增加等不利结果。像元缩小后如何保持与大像元同等的灵敏度成为最大的技术挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种非制冷红外焦平面探测器及其制备方法，其能够提高非制冷红外焦平面探测器响应率和灵敏度。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种非制冷红外焦平面探测器，其包括基底及设置在所述基底上的红外传感像元，所述红外传感像元包括悬空于所述基底上方的微桥，所述微桥至少包括依次设置的热应变层、支撑层及热敏层，所述热应变层受热发生形变，并带动所述热敏层发生形变，以减小所述热敏层的电阻。

可选地，所述热应变层的热膨胀系数与所述支撑层的热膨胀系数不同。

可选地，所述热应变层的热膨胀系数大于所述支撑层的热膨胀系数。

可选地，所述热应变层为金属铝层。

可选地，所述热敏层在所述基底表面的投影位于所述热应变层在所述基底表面的投影区域内。

可选地，所述支撑层的两端朝向所述基底延伸并与所述基底连接，以支撑所述微桥。

可选地，所述红外传感像元还包括：电极层，设置在所述支撑层上，并与所述基底及所述热敏层电连接；释放保护层，覆盖所述电极层、所述热敏层及所述基底；反射层，设置在所述基底上，且位于所述微桥下方。