[发明专利]一种基于MEMS技术的全波段红外焦平面阵列

权利要求书

1.一种基于MEMS技术的全波段红外焦平面阵列，由微悬臂梁像元阵列和支撑微悬臂梁像元阵列的衬底组成，微悬臂梁像元通过锚点固支在衬底上，其特征在于：所述衬底是玻璃、石英片等对可见光有高透射率的圆片材料，红外焦平面阵列工作时，红外光从微悬臂梁像元面入射，从衬底面进行红外焦平面阵列形变量的光学读出。

2.如权利要求1所述的微悬臂梁像元，由红外敏感面和微悬臂梁支腿组成，其特征在于：所述红外敏感面包括主结构层、红外吸收结构层和光学反射镜面。所述红外敏感面为长方形、方形等形状。

3.如权利要求2所述的红外敏感面，其特征在于：所述主结构层由一层或多层半导体介质材料组成，所述半导体介质材料可以是氮化硅、氧化硅等；所述主结构层也可以作为红外吸收结构层中的一部分。

4.如权利要求2所述的红外敏感面，其特征在于：所述红外吸收结构层可以位于主结构层的上表面或下表面.也可以位于多层主结构层中间；所述红外吸收结构层可以是超材料结构，也可以是一层或多层薄膜材料叠加形成。所述薄膜材料可以是薄金属层、金属化合物、碳纳米管、石墨烯、半导体介质材料、有机高分子材料等。

5.如权利要求2所述的红外吸收结构层，其特征在于：所述超材料结构是由反射层、介质材料层和周期性谐振结构组成。所述反射层为连续金属薄膜，位于超材料结构的最下层。所述介质材料层位于反射层和谐振结构之间，所述介质材料可以是有机高分子聚合物材料，如聚酰亚胺、聚对二甲苯-C(Parylene-C)等，也可以是半导体介质材料，如二氧化硅、氮化硅和碳化硅等。所述周期性结构是十字、方形、单劈裂环、双劈裂环等任何周期性结构。所述周期性谐振结构可以采用金属材料，如金、铝、银、铜等，也可以采用掺杂半导体材料，如掺杂的硅、锗等，也可以是金属硅化物材料，如钛硅化合物、钴硅化合物、钨硅化合物等。所述周期性谐振结构的尺寸及晶格常数根据探测频段设计为亚波长，所述频段可以是短波、中波和长波红外。

6.如权利要求2所述的红外敏感面，其特征在于：所述光学反射镜面位于主结构层下表面，用于反射衬底入射的可见光，所述光学反射镜面材料是一层或多层薄金属材料，可以单独淀积，也可以是红外吸收结构层中的薄膜材料，或者是超材料结构中的反射层。

7.如权利要求1所述的微悬臂梁像元，其特征在于：所述微悬臂梁支腿包括形变支腿和热隔离支腿，位于红外敏感面两侧，所述形变支腿一端连接于红外敏感面，一端连接于热隔离支腿。所述微悬臂梁支腿的排列方式可以是直线式、折线式、双折线式和多折线式等。所述形变支腿由两种热膨胀系数相差较大的材料组成，第一种材料为具有较小热导率和热膨胀系数的半导体介质材料制备，如氮化硅、氧化硅等；另一种材料为高热膨胀系数的金属、聚合物等材料；所述热隔离支腿仅包括热导率较小的半导体介质材料，该半导体介质材料可以与形变支腿的第一种材料相同，所述热隔离支腿位于形变支腿和衬底之间用于减小形变支腿上的热传导。红外光辐射到微悬臂梁像元时，红外吸收结构层吸收红外能量并将其转化成热能，双材料效应使形变支腿弯曲，从而引起光学反射镜面偏转，可见光从衬底面读出微悬臂梁像元阵列的偏转。

8.如权利要求1所述的全波段红外焦平面阵列，一种制备方法包括以下步骤：

1)以玻璃为衬底，旋涂聚酰亚胺并固化，形成大约2μm厚的牺牲层；

2)淀积金属铝作为光学反射镜面及红外吸收结构中的反射层；

3)第一次光刻，以光刻胶为掩膜腐蚀金属，再以光刻胶和金属共同作为掩膜，氧等离子体各向异性刻蚀聚酰亚胺牺牲层，形成支撑锚点；

4)第二次光刻，以光刻胶为掩膜腐蚀金属，形成反射镜面及超材料结构中的反射层；

5)淀积低应力氮化硅作为主结构层，厚度为200nm～1μm，该厚度既要保证作为主结构材料的强度，同时满足超材料结构介质层厚度的要求；

6)淀积金属铝作为形变支腿上层材料，铝的厚度与氮化硅的厚度比介于0.4～0.8，以满足双材料热膨胀失配产生可检测形变的要求；

7)第三次光刻，以光刻胶为掩膜腐蚀铝，形成形变支腿的上层结构；

8)淀积金，用于制备红外吸收结构层中的周期性谐振结构；

9)第四次光刻，以光刻胶为掩膜刻蚀金属金，形成周期性谐振结构；

10)第五次光刻，以光刻胶和铝共同作为掩膜，刻蚀氮化硅，形成包括红外吸收层中的半导体介质材料层、形变支腿下层结构、热隔离支腿及支撑结构的主结构层；

11)氧等离子体各向同性刻蚀聚酰亚胺牺牲层，释放结构。