[发明专利]高性能MEMS热电堆红外探测器结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种红外探测器结构及其制备方法，尤其是一种高性能MEMS热电堆红外探测器结构及其制备方法，具体地说是一种基于纳米纤维体的高性能热电堆红外探测器结构及其制备方法，属于MEMS的技术领域。

背景技术

MEMS热电堆红外探测器是传感探测领域的一种典型器件，是组成温度传感器、均方根转换器、气敏传感器、热流量计等传感探测器件的核心部件之一，与此同时，小尺寸热电堆红外探测器还可构建红外焦平面阵列（FPA）器件实现红外成像。热电堆红外探测器与基于其它工作原理的红外探测器（如热释电型红外探测器和热敏电阻型红外探测器等）相比具有可测恒定辐射量、无需加偏置电压、无需斩波器、更适用于移动应用与野外应用等明显的综合优点。因而，MEMS（（Micro-Electro-Mechanical Systems））热电堆红外探测器对于实现更为宽广的红外探测应用具有非常重要的意义，其民用、军用前景广阔，商业价值和市场潜力非常巨大。可以说，关于MEMS热电堆红外探测器的研究开发工作已形成21世纪一个新的高技术产业增长点。可以预见，MEMS热电堆红外探测器将在传感探测的众多方面形成更加广泛的应用。特别是，随着微机电技术，包括器件设计、制造、封装和测试等技术手段的日益成熟，MEMS热电堆红外探测器将凸显更加重要的地位。

响应率和探测率是描述红外探测器的两个重要性能指标，决定了红外探测器在不同领域的应用潜力。其中，响应率是器件输出电信号与入射红外辐射功率的比值，表征了红外探测器响应红外辐射的灵敏度，同时又很大程度地影响着探测率的值。对于一定尺寸的器件结构，增大吸收区面积占总体面积的比例，同时增加热电偶的对数，有利于提高器件的响应率与探测率。此外，对于结构、尺寸参数以及热偶材料等均已确定的热电堆红外探测器，其响应率和探测率的值取决于红外吸收区对红外辐射的吸收效率。氮化硅薄膜在红外传感器的研究中常用作红外吸收区的材料，然而在常用红外波长范围内其吸收效率不高，进而，基于氮化硅红外吸收层的红外传感器无法获得很高的响应率和探测率。鉴于此，要提高探测器的性能指标，应增大红外吸收区的吸收效率。在对红外探测器进行研究的数十年中，科研人员已经开发出了多种具有高吸收率且可作为红外吸收区的材料或结构。其中，金黑因其表面的纳米粗糙结构而具有很好的红外吸收效果，又因其热容较低，在红外探测器的研究中成为一种倍受欢迎的材料。采用金黑材料为红外吸收区时，器件的响应率和探测率可相应提高。然而，金黑的制备工艺涉及到金属蒸发和金属纳米颗粒的凝集等工序，过程较为复杂，且其与CMOS工艺的兼容性也较差，一般只能在器件结构加工完成后再将其制作在结构的表面。鉴于此，以黑金为吸收区的探测器其大批量的生产就受到了限制。1/4波长谐振结构利用介质层厚度与入射红外光波的1/4波长相匹配时所产生的谐振效果使红外吸收区的吸收效率达到最大。然而，受谐振条件的制约，以1/4波长谐振结构为吸收区的探测器只能敏感中心波长为某一特定值的红外辐射。此外，制备1/4波长谐振结构时对工艺参数的要求极其严格苛刻，若介质层厚度与波长之间稍有不匹配，将造成红外吸收效率的极大衰减。大面积的纳米柱森林结构所形成的黑硅亦被用于红外吸收区，但在对器件结构进行释放时需要对黑硅进行特殊保护，以免黑硅结构被破坏，这就在一定程度上增加了器件制备方法的复杂程度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种高性能MEMS热电堆红外探测器结构及其制备方法，其纳米纤维体的制备过程便捷，MEMS热电堆红外探测器的结构简单易于实现，便于单片集成，同时器件的响应率、探测率高，又能与CMOS工艺相兼容，适用范围广，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述高性能MEMS热电堆红外探测器结构，包括衬底；所述衬底的上表面设置介质支撑膜，所述介质支撑膜与衬底内的释放阻挡体共同形成释放阻挡带，衬底内的上部通过释放阻挡带形成热隔离腔体；热隔离腔体的正上方设有吸收材料支撑膜，所述吸收材料支撑膜上设有用于吸收红外辐射的纳米纤维体；吸收材料支撑膜的外侧设有若干热电堆，且所述吸收材料支撑膜外侧的若干热电堆串接后电连接成一体；热电堆对应邻近吸收材料支撑膜的一端形成探测热端，热电堆对应远离吸收材料支撑膜的一端形成探测冷端，热电堆的探测热端与吸收材料支撑膜相接触，热电堆的探测冷端通过介质支撑膜与衬底接触；相互串接的热电堆外侧设置用于将探测电压输出的金属电极，热电堆的探测冷端位于热隔离腔体的外侧上方。 

所述吸收材料支撑膜及位于所述吸收材料支撑膜上的纳米纤维体呈四角补偿结构，衬底的上方通过四角补偿结构形成长短不同分布的热电堆。