[发明专利]基于MEMS的红外辐射热计及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及红外辐射热计，具体地说是一种基于MEMS的红外辐射热计及其制作方法。

背景技术

红外辐射热计是一种探测物体发出的红外辐射热的探测器。一切高于绝对零度的物体具有发射辐射热的特性，温度越高，辐射出的总能量也越大，短波的成分也越多。常温或常温附近的物体自身发射的热辐射的波长集中于远红外波段，无法被人眼识别，因此在无日光、星光、月光以及其他照明条件下，人眼对周边的物体无法识别。但这些物体发出的红外辐射热电磁波能够通过红外探测器将辐射热信号转换成容易识别的电信号，再经过处理以后达到人眼能够识别的作用，这样的探测器称之为红外辐射热计。

其中的一种红外辐射热计能够探测8-14微米的红外辐射热，这种探测器能够探测大部分物体发出的辐射热，可以用于夜视、探测火灾、过热零件诊断、物体温度量测、感应人体温度等等，在各行业有广泛的用途。同时，大气层对这个波长的辐射电磁波具有较少的吸收率，因此能够感应较长的距离，使得这一类型的探测器适用于雨、烟、雾、雪等恶劣的天气。

红外辐射热计具有多种形式，其中一种基于微机械电子系统技术(也称为MEMS技术)的红外辐射热计具有制造成本低、灵敏度高、并且能够工作在常温状态等特性得到广泛应用。其基本的探热单元是一种基于MEMS微桥结构的单元，如图1所示。整个单元大致为正方形，主要由桥面1，两根导热导电桥臂，以及支撑这个结构并提供电气连接的桥墩组件等三部分组成，两根导热导电桥臂分别是第一导热导电桥臂3、第二导热导电桥臂4，桥墩组件包括第一像元连接5、第二像元连接6，第一读出电路连接点7、第二读出电路连接点8，第一桥墩10、第二桥墩11。桥面1是一块有一定厚度比较平的面，由能够吸收红外辐射热的材料组成，如氮化硅多晶硅等。除此之外，桥面1的上方还覆盖有一层温敏层2，温敏层2由温敏材料如氧化钒等制成，此材料的特点为电阻特性合适，并且对温度变化敏感，温度的变化能够导致其电阻值发生较大的变化。整个结构的等效电路就相当于一个可变电阻Rs。

这种微桥结构单元的工作原理如图2所示，当有红外辐射热9照射在桥面的时候，大部分的红外辐射热被桥面吸收，引起桥面升温，从而导致覆盖在桥面上面的温敏材料的电阻发生变化，这个变化的电阻再由桥面下方的读出电路转化成相应的电信号，然后进行后续处理。

为使辐射热能被桥面最大程度地吸收，从而获得最大的灵敏度，桥面下方通常会设计一个由铝制成的反射层13，桥面1和反射层13之间存在一个间隙12。这个间隙12非常重要，合适的间隙能够使得部分未被桥面吸收的红外辐射热经过桥面下方的反射层13反射回桥面而被桥面再次吸收，增加了结构的灵敏度。这个间隙12通常设计成入射辐射电磁波波长的1／4。如对于红外热成像常用的8-14微米波长的辐射计，其间隙的高度通常设计成2-2.5微米。多个这样的单元可以形成阵列，如320x240阵列、640x480阵列甚至更大的阵列等等，以实现视频红外图像的输出。整个微桥结构单元的面积一般不超过45x45微米，最小的可以达到14x14微米，较小的单元尺寸能够在单位面积上形成较大的阵列、实现更高的解析度，还有更低的制造成本。显然，单元的尺寸大小对于成本来说至为关键。

为获得这样的结构，尤其是需要的桥面和反射层之间的间隙，其制造工艺流程通常需要用到一种牺牲层。牺牲层的作用是在工艺的过程中对结构进行支撑，而在工艺的最后进行去除，从而获得需要的间隙。

常见的基于MEMS的红外辐射热计的制作工艺流程如图3(a)～图3(f)所示，具体描述如下：

图3(a)：器件的衬底。器件基于一定的衬底，这个衬底可以是多种形式，如含有读出电路的圆片，或者单晶硅衬底等等。以硅衬底为例，其衬底为阻值合适的单晶硅圆片，在此基础上，先用PECVD(等离子增强的化学气相沉积)但不限于PECVD方法在单晶硅衬底21上沉积一层厚度为的氮化硅(SiNx)薄膜22。然后再沉积上一层金属用于制作金属连接。这层金属可以但不限于Al，Ti／TiN，厚度为紧接着采用光刻+金属刻蚀的方法形成金属连接图形23。