[发明专利]一种可隔离封装应力的谐振式红外探测器结构及制作方法

说明书

本发明公开了一种可隔离封装应力的谐振式红外探测器的结构及制作方法，属于微电子机械系统领域。其特征在于：谐振式红外探测器由微桥谐振器芯片和下底板组成。其中微桥谐振器芯片由微桥谐振器(1)、矩形框架(2)、两根支撑梁(3)、衬底(4)组成。支撑梁(3)一端固支在衬底(4)上，另一端与矩形框架(2)的一对对边相连。微桥谐振器(1)两端固支在矩形框架(2)的另一对对边之间。微桥谐振器(1)、矩形框架(2)和支撑梁(3)悬浮在下底板(5)的上方。下底板(5)的热膨胀不会改变矩形框架(2)支撑微桥谐振器(1)的一对对边之间的距离，因此不会改变微桥谐振器(1)的长度、轴向应变和谐振频率。

技术领域

本发明涉及红外探测器的结构及制作方法，特别是一种可隔离封装应力的谐振式红外探测器的结构及制作方法，属于微电子机械系统(MEMS)领域。

背景技术

按照工作原理划分，红外探测器可以分为制冷型的光子探测器和非制冷型的热探测器两大类。基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应(光生伏特效应、光电导效应、光电磁效应和光发射效应)的光子探测器对波长的选择性好、响应时间短、噪声等效温差低、探测率高，已广泛应用于航空航天、导弹寻导、红外夜视等军事领域。但光子探测器只能在低温下工作，须配备价格昂贵且笨重的制冷设备。高成本和难以小型化的缺点制约着光子探测器在民用领域的应用。

热探测器的工作机理是基于红外辐射的热效应(热敏电阻效应、温差电效应、热释电效应、热膨胀效应等)引起探测器敏感材料物理特性或结构力学特性发生的变化。热探测器包括微测辐射热计、热释电红外探测器、热电堆红外探测器、热气动型红外探测器、双材料悬臂梁红外探测器、PN结二极管探测器等类型。热探测器可在室温下工作，光谱响应范围宽、体积小、重量轻、功耗低、性价比高、便于携带、工作可靠、操作和维护简便。应用范围涉及非接触式测温、功率计、红外报警、频谱仪、自动开关、气体分析仪、禁毒、危险品监测、医疗、工业探伤、电力线路检测、地球资源探测、火灾营救、污染探测等领域。然而，非制冷红外探测器的性能指标与光子探测器相比还有一定的差距，尚不能满足某些对响应率和探测率要求较高的应用领域。寻找新的红外敏感机理是研制高响应率、高探测率、低噪声红外探测器的途径之一。

谐振式传感器的输出信号是谐振元件的谐振频率，适合于远距离传输；可不经A/D转换器而方便地与数字系统或计算机连接，具有数字传感器的特征。谐振式传感器的输出信号受电路噪声影响很小，精度及分辨率很高，长期稳定性好，抗干扰能力强。研制谐振式红外探测器是提高非制冷红外探测器性能指标的一种可能途径。

实现谐振式红外探测器的技术途径之一是石英谐振器。1963年Smith指出石英温度计可以测量10^-6K数量级的温度变化。1999年John.R.V利用石英晶体的共振频率对温度的敏感特性研制了一种石英谐振式红外探测器。2007年Francis Tsow在谐振频率为34.5KHz的石英音叉谐振器的两个音叉之间连接一根聚合物细线。温度变化时聚合物细线的刚度和谐振频率随之变化，NETD达到0.5mK，热极限噪音为5μ℃，热响应时间约为50ms，温度灵敏度为10Hz/℃，谐振频率温度系数约为-290ppm/℃。2009年美国Park大学Ping.K采用Y切石英晶体谐振器探测红外辐射，器件直径1mm，厚度18μm，谐振频率90MHz，品质因数超过10000，温度灵敏度为-6.8～7.2kHz/℃，谐振频率温度系数为-90ppm/℃，响应率为-0.159ppm/μW，噪声等效功率为326nW。尽管石英晶体谐振器具有较高的品质因数，但加工比较困难，敏感元件厚度偏大、谐振频率温度系数小，例如NLSC、AC、LC、Y切面石英谐振器的温度系数为分别为-14、-20、-35.4、-90ppm/℃。SC切石英谐振器的在b模式下的温度系数为-255ppm/℃，双模式下的温度系数为-80～-100ppm/℃，限制了石英晶体谐振器在红外探测领域的应用前景。