[发明专利]悬浮结构的MEMS红外光源及其制备方法

说明书

本发明公开一种悬浮结构的MEMS红外光源及其制备方法。所述悬浮结构的MEMS红外光源包括薄膜悬浮结构及所述悬浮结构上的红外光源结构；所述薄膜悬浮结构为图形化的支撑层，所述支撑层为沉积在承载衬底上的凹弧状的四梁固支结构；所述红外光源结构包括：加热层、隔离层、图形化金属电极以及辐射层；所述加热层沉积在所述支撑层上面，所述图形化金属电极沉积在所述支撑层上面并且与所述加热层侧面相连；所述隔离层制备在所述加热层上面；所述辐射层制备在所述隔离层上表面；所述辐射层、隔离层、加热层和支撑层均悬浮在背部空腔的承载衬底上形成所述薄膜悬浮结构。本发明可以大幅减少热传导通路，降低热质量，提高红外光源的性能。

技术领域

本发明涉及红外光源技术领域，尤其涉及一种悬浮结构的MEMS红外光源及其制备方法。

背景技术

随着全球经济的迅速发展，地球环境持续恶化，各种有毒、有害气体的排放导致的空气污染问题日益严峻，严重影响了人类自身的生存和发展。进入二十一世纪，随着信息技术的成熟和人们对环境问题的关切，为气体传感器带来了巨大的市场需求。

基于非色散红外吸收光谱(NDIR)的气体传感器克服了传统的催化原理、电化学原理气体传感器容易中毒老化、寿命短等缺点，具有检测精度高、量程大、可靠性高、使用寿命长等公认的优点，从而成为研究的热点和气体传感器未来的发展方向。在NDIR气体传感器中，红外光源发射红外光，二氧化碳、一氧化碳、甲烷等可产生偶极矩变化的气体分子由于会与红外光产生共振而被吸收，且特定的气体分子只会与特定波长的红外光发生共振，不同的气体浓度会导致红外光被吸收的能量不同，因而探测器可在另一端检测红外辐射能量的变化，并以此来分析气体成分和计算气体浓度。由于红外探测器一般对变化的红外光敏感，传统的NDIR气体传感器需要在红外光源处安装一个机械斩波器来产生可变化的红外光，这一复杂结构不能满足气体传感器微型化、便携化和低功耗化的要求。MEMS技术的发展实现了电可调制红外光源，成功的解决了这一问题。

MEMS红外光源作为NDIR气体传感器的核心部件，其性能严重影响着气体传感器探测的准确性和灵敏度，目前小尺寸、低功耗和高发射率特点且制备工艺简单的可电调制MEMS红外光源的研制成为当前半导体气体传感器的研究热点。

中国专利CN104591076A公开了一种基于纳米结构的红外光源芯片，采用紧密排列的纳米深孔薄膜结构作为辐射层提高辐射效率，芯片设有衬底、支撑层、电加热层、纳米结构辐射层、金属电极；支撑层、电加热层、纳米结构辐射层均悬浮在衬底上方并形成悬浮桥面结构，减少热传导损耗。此专利采用干法刻蚀形成背部空腔，很容易出现释放不完全，大部分硅基与结构相连，大大减小了热辐射效率。

中国专利CN103500788A公开一种可集成的纳米结构红外光源，利用MEMS/CMOS工艺，对非晶硅表面进行纳米修饰加工，形成锥状纳米结构，再对锥状纳米结构进行TiN镀层加工；最后采用正面XeF₂释放技术，对硅衬底进行深硅刻蚀，减小热量在硅丝欧姆发热过程中的损耗，提高光源的工作功率。此专利采用最后的正面干法刻蚀形成释放空腔，容易对结构造成损伤，并且工艺操作较为复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种悬浮结构的MEMS红外光源及其制备方法，能够大幅减少热传导损失，提高光源的辐射效率，操作简单，功耗较低，稳定性高，且与CMOS工艺兼容。

本发明提供一种悬浮结构的MEMS红外光源，包括薄膜悬浮结构及所述悬浮结构上的红外光源结构；所述薄膜悬浮结构为图形化的支撑层，所述支撑层为沉积在承载衬底上的凹弧状的四梁固支结构；所述红外光源结构包括：加热层、隔离层、图形化金属电极以及辐射层；所述加热层沉积在所述支撑层上面，所述图形化金属电极沉积在所述支撑层上面并且与所述加热层侧面相连；所述隔离层制备在所述加热层上面；所述辐射层制备在所述隔离层上表面；所述辐射层、隔离层、加热层和支撑层均悬浮在背部空腔的承载衬底上形成所述薄膜悬浮结构。