CN207964092U - 一种高红外吸收的非制冷红外辐射热计 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高红外吸收的非制冷红外辐射热计，属于红外辐射热计技术领域。包括硅基底，硅基底上布置有读出电路；热敏感微桥薄膜结构，热敏感微桥薄膜结构包括桥臂和桥面结构，桥臂的第一端连接所述桥面结构，桥臂的第二端连接在所述硅基底上，使得热敏感微桥薄膜结构悬置在所述硅基底上，桥面结构与硅基底之间具有第一光学真空间隙；桥面结构包括支撑层、红外热敏感膜和钝化层；高红外吸收结构，悬置在桥面结构上方，并通过支撑柱与热敏感微桥薄膜结构连接，高红外吸收结构与热敏感微桥薄膜结构之间具有第二光学真空间隙；高红外吸收结构包括钝化层和超薄金属层。其能够在制作小尺寸微桥结构的时候保持较高的红外辐射热吸收率。

Description

一种高红外吸收的非制冷红外辐射热计

技术领域

本实用新型涉及红外辐射热计技术领域，特别是涉及一种高红外吸收的非制冷红外辐射热计。

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8~14µm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。

现有的红外辐射热计如图 1所示，其主要由硅衬底1、微桥2组成。微桥包括有两根桥臂和桥面，两根导热导电桥臂分别是第一导热导电桥臂201a、第二导热导电桥臂201b，桥臂布置在桥面202结构的对角位置上。两根桥臂通过桥墩连接在硅衬底1上。两个桥墩分别是：第一桥墩203、第二桥墩204。硅衬底1和桥面202之间存在一个真空间隙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经过硅衬底1反射回桥面从而被桥面再次吸收，增加了结构的灵敏度。这个间隙12通常设计成入射辐射波长的1/4。对于红外热成像常用的8~14µm波长的辐射计，其间隙的高度通常设计成2~2.5µm。

如图1所示，是传统的微桥的桥面薄膜组成。由下往上依次是支撑层、热敏感层以及钝化层。其中支撑层和钝化层的材料可以是氮化硅、氧化硅，可以用作红外辐射热的吸收层。为了能够满足红外吸收的需求，通常这两个薄膜的厚度较厚，一般在3000~5000Å以上。热敏感层如氧化钒（VOx）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：当有红外辐射热3照射在桥面202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202上面的热敏材料205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。简述为：吸收辐射-热敏电阻变化-电路积分转换-信号输出的过程。

近年来，随着红外辐射热计的应用市场发展，对其制造成本、体积大小、灵敏度、并且能够工作在较宽的温度范围等特性提出了越来越高的要求。红外辐射热计的像元结构，从原来的45µm尺寸往17µm小型化的方向发展。未来可能出现更小的12µm、8µm像素结构，以降低成本，满足消费电子领域的市场需求。但是，像元面积就越变越小，而且要求桥面的厚度也越薄，整个桥面所能接收的红外辐射能量越来越少，从而会显著降低器件的响应灵敏度。所以在像元结构缩小的时候，能够保持吸收效率是非常重要的事情。

实用新型内容

本实用新型针对上述问题，提供一种高红外吸收的非制冷红外辐射热计，该红外辐射热计在制作小尺寸微桥结构的时候保持较高的红外辐射热吸收率。

特别地，本实用新型提供了一种高红外吸收的非制冷红外辐射热计，包括：

硅基底，所述硅基底上布置有读出电路；

热敏感微桥薄膜结构，所述热敏感微桥薄膜结构包括桥臂和桥面结构，所述桥臂的第一端连接所述桥面结构，所述桥臂的第二端连接在所述硅基底上，使得所述热敏感微桥薄膜结构悬置在所述硅基底上，所述桥面结构与所述硅基底之间具有第一光学真空间隙；所述桥面结构包括支撑层、红外热敏感膜和钝化层；

高红外吸收结构，悬置在所述桥面结构上方，并通过支撑柱与所述热敏感微桥薄膜结构连接，所述高红外吸收结构与所述热敏感微桥薄膜结构之间具有第二光学真空间隙；所述高红外吸收结构包括钝化层和超薄金属层。

可选地，所述第一光学真空间隙的高度是0.8~2µm。

可选地，所述第二光学真空间隙的高度是0.8~2µm。

可选地，所述支撑层材料是氮化硅或氧化硅。

可选地，所述钝化层材料是氮化硅或氧化硅。

可选地，所述超薄金属层材料是钛、氮化钛、氧化钛、镍铬合金、镍铁合金中的任意一种。

可选地，所述红外热敏感膜的材料为氧化钒、掺杂金属的氧化钒、非晶硅、非晶锗硅、氧化钛中的任意一种。

可选地，所述超薄金属层厚度为30~500Å。

可选地，所述高红外吸收结构设置了孔状结构。

本实用新型提供的一种高红外吸收的非制冷红外辐射热计，采用双层结构，在传统的非制冷红外微辐射热计上悬置高红外吸收结构层，当像元结构进一步缩小的时候，可以增加对红外波段8~14µm的吸收，提高器件的响应性能。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为现有技术中基于MEMS的红外辐射热计的结构示意图；

图2为根据本实用新型一个实施例的高红外吸收的非制冷红外辐射热计的结构剖面图；

图3为图2所示的高红外吸收的非制冷红外辐射热计的热敏感微桥薄膜结构俯视图；

图4为图2所示的高红外吸收的非制冷红外辐射热计的俯视图；

图5为图2所示的高红外吸收的非制冷红外辐射热计的高红外吸收结构层的红外辐射吸收图谱。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。

图2为根据本实用新型一个实施例的高红外吸收的非制冷红外辐射热计的结构剖面图。如图2所示，一种高红外吸收的非制冷红外辐射热计，包括硅基底4、热敏感微桥薄膜结构5和高红外吸收结构6。硅基底4上布置有读出电路。热敏感微桥薄膜结构5包括桥臂51和桥面结构52。桥臂51的第一端连接桥面结构52。桥臂51的第二端连接在硅基底4上，使得热敏感微桥薄膜结构5悬置在硅基底4上。桥面结构52与硅基底4之间具有第一光学真空间隙d1；桥面结构52包括支撑层、红外热敏感膜和钝化层。高红外吸收结构6悬置在桥面结构52的上方，并通过支撑柱61与热敏感微桥薄膜结构5连接。高红外吸收结构6与所述热敏感微桥薄膜结构5之间具有第二光学真空间隙d2。高红外吸收结构6包括钝化层和超薄金属层。其中，支撑层材料是氮化硅或氧化硅，钝化层材料是氮化硅或氧化硅。超薄金属层材料是钛、氮化钛、氧化钛、镍铬合金、镍铁合金中的任意一种。超薄金属层厚度为30~500Å。红外热敏感膜的材料为氧化钒、掺杂金属的氧化钒、非晶硅、非晶锗硅、氧化钛中的任意一种。

具体地，如图2所示，一种高红外吸收的非制冷红外辐射热计，大小为17µm×17µm，其主要由硅基底4、热敏感微桥薄膜结构5和高红外吸收结构6组成。硅基底4上布置有读出电路，用于读出像元吸收红外热辐射后的电阻信号变化。

硅衬底4和热敏感微桥薄膜结构5之间存在一个间隙，即为第一光学真空间隙d1。对于红外热成像常用的8~14µm波段的辐射计来说，其间隙的高度通常为0.8~2µm。本实用新型中，间隙高度设计为1.25µm。该间隙为光学真空间隙。该间隙可以通过释放聚酰亚胺（Polyimide，PI）材料来实现。

高红外吸收结构6悬置在桥面上方，并通过支撑柱61与热敏感微桥薄膜结构5连接，形成第二光学真空间隙d2，其高度通常为0.8~2µm之间。本实用新型中，间隙高度设计亦为1.25µm。该间隙亦可以通过释放聚酰亚胺（PI）材料来实现。

如图3所示，热敏感微桥薄膜结构5包括桥臂51、桥面结构52组成。桥臂51的一端是连接桥面，另外一个终端是通过桥墩连接在硅衬底4上。桥臂51包含有导电的金属薄膜，例如金属钛、NiCr、FeNi、TiN、TiAlV合金等，金属薄膜厚度在50Å~500Å之间，以实现导电、绝热的作用。

热敏感微桥薄膜结构5的桥面上包括支撑层、红外热敏感膜、钝化层，其中支撑层和钝化层的材料是氧化硅、氮化硅等，厚度一般较薄，在300Å~1000Å之间。热敏感层材料可以是氧化钒（VOx）、掺杂金属的氧化钒、非晶硅、非晶锗硅、氧化钛（TiOx）。本实施案例中，热敏感层为氧化钒（VOx）薄膜，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。在室温下，可以测得其电阻随温度变化的特性（TCR）为-2.3%左右。另外，该材料闪烁噪声（1/f噪声）较低，典型的1/f噪声系数为1E-13，是一种性能比较优异的材料。

在上述热敏感微桥薄膜结构5中，支撑层、钝化层、氧化钒薄膜的实施方式：

1、氮化硅可以通过等离子增加气相沉积（PECVD）的方式制备，厚度一般在300~1000Å以上，薄膜应力控制为低应力，一般控制在-50Mpa~250Mpa之间，可以通过调整工艺过程中的工艺参数如工艺气体种类、工艺气体流量、腔室温度、热盘温度、射频电源功率、高低频射频电源的功率配比等。本实施案例中，采用美国Novellus公司的Concept One 薄膜沉积设备。

2、氧化钒薄膜可以通过物理溅射（sputter）、离子束沉积（IBD）等的方式制备。本案例中，氧化钒薄膜采用DC溅射的方式实现，机台采用Endura5500，靶材采用99.95%的纯钒靶，气体为流量3.2sccm O₂和35sccm Ar气，溅射功率为600W，溅射过程要控制阴极电压（cathode voltage）的稳定，以得到组分均匀的VO_x薄膜材料。

以上工艺菜单以及实施此工艺的设备仅用于说明工艺的可行性，本实用新型并不限于此设备和此工艺菜单。

在一个具体的实施方式中，高红外吸收结构设置了孔状结构。如图4所示，为本实用新型的一种高红外吸收的非制冷红外辐射热计的高红外吸收结构3。超薄金属嵌入在钝化层内部，形成三明治夹层结构。本实用新型并不局限该超薄金属的位置分布，任何变动都属于本实用新型的保护范围。

本实施案例中，高红外吸收结构6依次包括钝化层/超薄金属/钝化层材料。钝化层材料是氧化硅、氮化硅等，厚度在200~1000Å之间，本实施案例中为500Å。超薄金属层是钛、氮化钛、氧化钛、镍铬合金、镍铁合金等。本实施案例中，超薄金属为氮化钛，方块电阻一般在180~1000Kohm之间，本实施案例中，为350Kohm左右。

图5为本实用新型的高红外吸收结构层的红外辐射吸收图谱。为了降低该红外辐射热计的热容，在其上设置了孔状结构，而且这些孔穿透高红外吸收结构层，如表1所示。

表1 高红外吸收结构层上开孔划分

	孔间距划分	对应图5中：
			1	孔的大小1.4µm（d1），间距0.8µm（d2）；	1区
2	孔的大小1.4µm（d1），间距0.9µm（d2）；	2区
			3	孔的大小1.4µm（d1），间距1.0µm（d2）；	3区
4	孔的大小1.4µm（d1），间距1.1µm（d2）；	4区
			5	孔的大小1.4µm（d1），间距1.2µm（d2）；	5区
6	像素上无孔	6区

根据测试结果表明：高红外吸收结构层上孔的大小1.4µm、间距1.0µm的条件下对红外辐射的反射率较低，对应的吸收率较高，在8~14µm红外波段的平均吸收率约达90%以上。本实用新型不限制红外辐射热计的高红外吸收层上开孔与否、开孔数量、形状、大小以及排列方式等，凡是对本实用新型实施案例的修改都属于本实用新型保护范围内。

本实用新型提供的一种高红外吸收的非制冷红外辐射热计，采用双层结构，在传统的非制冷红外微辐射热计上悬置高红外吸收结构层，当像元结构进一步缩小的时候，可以增加对红外波段8~14µm的吸收，提高器件的响应性能。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本实用新型的示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种高红外吸收的非制冷红外辐射热计，其特征在于，包括：

硅基底，所述硅基底上布置有读出电路；

热敏感微桥薄膜结构，所述热敏感微桥薄膜结构包括桥臂和桥面结构，所述桥臂的第一端连接所述桥面结构，所述桥臂的第二端连接在所述硅基底上，使得所述热敏感微桥薄膜结构悬置在所述硅基底上，所述桥面结构与所述硅基底之间具有第一光学真空间隙；所述桥面结构包括支撑层、红外热敏感膜和钝化层；

高红外吸收结构，悬置在所述桥面结构上方，并通过支撑柱与所述热敏感微桥薄膜结构连接，所述高红外吸收结构与所述热敏感微桥薄膜结构之间具有第二光学真空间隙；所述高红外吸收结构包括钝化层和超薄金属层。

2.根据权利要求1所述的高红外吸收的非制冷红外辐射热计，其特征在于，所述第一光学真空间隙的高度是0.8~2µm。

3.根据权利要求1所述的高红外吸收的非制冷红外辐射热计，其特征在于，所述第二光学真空间隙的高度是0.8~2µm。

4.根据权利要求1所述的高红外吸收的非制冷红外辐射热计，其特征在于，所述支撑层材料是氮化硅或氧化硅。

5.根据权利要求1所述的高红外吸收的非制冷红外辐射热计，其特征在于，所述钝化层材料是氮化硅或氧化硅。

6.根据权利要求1所述的高红外吸收的非制冷红外辐射热计，其特征在于，所述超薄金属层材料是钛、氮化钛、氧化钛、镍铬合金、镍铁合金中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的高红外吸收的非制冷红外辐射热计，其特征在于，所述红外热敏感膜的材料为氧化钒、掺杂金属的氧化钒、非晶硅、非晶锗硅、氧化钛中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的高红外吸收的非制冷红外辐射热计，其特征在于，所述超薄金属层厚度为30~500Å。

9.根据权利要求1所述的高红外吸收的非制冷红外辐射热计，其特征在于，所述高红外吸收结构设置了孔状结构。