專利名稱：可調(diào)式基于mems濾波的紅外探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種可調(diào)式基于微機電系統(tǒng)(MEMS)濾波的紅外探測器。
背景技術(shù)：
許多的新技術(shù)應(yīng)用，比如安全防御、生物醫(yī)療設(shè)備和光譜探測等，要求獲得紅外波段特征光譜的輻射信息，用于分析目標圖像中的目標識別和成分分析。比如大部分氣體和化學(xué)分子在I 15微米的紅外波段有很強的旋轉(zhuǎn)和振動吸收，形成明顯的特征譜線，可以用來進行化學(xué)元素和成分的識別和鑒定。在電力、石化以及環(huán)保行業(yè)，對于VOC、SF6類型以及溫室氣體排放，有很大的檢測需求，需要直觀準確的檢測到氣體目標，進而采取補救措施。但是常規(guī)的紅外探測器響應(yīng)波段是較寬的波段，通常是截止波長以下幾個微米。對應(yīng)·的信號輸出正比于整個響應(yīng)波段的紅外輻射總量，紅外圖像的光譜分辨率很低，不能滿足目標設(shè)別和成分分析的要求。為此人們研發(fā)了一系列的商用光譜儀，但基本上只適用于實驗室需求，不能滿足安防識別、醫(yī)療影像和工業(yè)檢測等應(yīng)用的要求。一方面，這些紅外光譜儀基本上是單元器件，不能實現(xiàn)多光譜下的快速成像，不能進行實時的圖像分析、檢測和目標識別；另一方面，傳統(tǒng)紅外光譜儀都是桌上型設(shè)備，較大的體積和較高的價格使其不能在工藝過程控制或者物品檢驗光譜探測器中得到廣泛的應(yīng)用。這些光譜儀容易損壞，對環(huán)境因素非常敏感(溫度變化、灰塵和振動等)。它們通常固定放置在專門的實驗室內(nèi)，只做專門的測試，需要進行復(fù)雜的樣品制備，不適于用作在線檢測。整套系統(tǒng)的使用成本包括設(shè)備、軟件、校正、調(diào)試和日常維護，很多時候，復(fù)雜的安裝和頻繁的維護費用甚至比設(shè)備費用還高很多。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，而提供一種可調(diào)式基于MEMS濾波的紅外探測器，集成了利用MEMS技術(shù)制備的微型法布里-泊羅干涉儀作為可調(diào)式濾波器和利用紅外工藝線制備的紅外探測器。只有滿足干涉條件的特定波長的紅外輻射才能透過微型法布里-泊羅干涉儀，并被下面的紅外探測器吸收和成像。通過改變外部的偏置電壓，可以調(diào)節(jié)微型法布里-泊羅干涉儀的上下反射面距離，從而改變透過的紅外輻射波長，就可以實現(xiàn)特定光譜或者多光譜的紅外成像。集成的技術(shù)方法包括分離集成法和整體集成法。分離集成法是在MEMS線、紅外探測器工藝線分別研發(fā)、優(yōu)化和制備濾波器和紅外探測器，通過金屬焊接技術(shù)完成兩部分的集成。整體集成法是在紅外探測器上直接用MEMS工藝制備可調(diào)式微型法布里-泊羅干涉儀濾波器。本實用新型集成MEMS技術(shù)和紅外技術(shù)，制備出的帶MEMS濾波器的紅外探測器組件，可用于制備出低成本、微型化的多光譜紅外熱像儀系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)紅外輻射探測、光譜數(shù)據(jù)分析和多光譜成像等功能。本實用新型所述技術(shù)方案如下可調(diào)式基于MEMS濾波的紅外探測器，主要包括微型法布里-泊羅干涉儀、紅外探測器1，其特征在于在紅外探測器I表面設(shè)有金屬焊盤8 ;所述的微型法布里-泊羅干涉儀由上層平行板、下層平行板和中間的空腔6構(gòu)成，所述的上層平行板包括SiN材料制備的平行板、可動懸臂梁(3)、金屬電極5、布拉格反射鏡7和單面的金屬焊盤8，在SiN材料制備的平行板上設(shè)有可動懸臂梁3、金屬電極5、外部偏置電壓的引線4、布拉格反射鏡7和單面的金屬焊盤8 ;所述的下層平行板包括SiN材料制備的平行板、金屬電極5、布拉格反射鏡7和雙面的金屬焊盤8，在SiN材料制備的平行板上對應(yīng)地設(shè)有金屬電極5、外部偏置電壓的引線4、布拉格反射鏡7和雙面的金屬焊盤8 ;紅外探測器I的金屬焊盤與下層平行板的下表面金屬焊盤8焊接在一起，下層平行板的上表面金屬焊盤8與上層平行板的金屬焊盤8焊接在一起?？烧{(diào)式基于MEMS濾波的紅外探測器，主要包括微型法布里-泊羅干涉儀、紅外探測器，其特征在于在紅外探測器16上設(shè)有SiN緩沖層17，SiN緩沖層上設(shè)有下金屬電極 15、外部偏置電壓引線14和下布拉格反射鏡13 ;在下布拉格反射鏡13上設(shè)有微懸臂梁12，并在微懸臂梁上設(shè)有上金屬電極10、外部偏置電壓引線14和上布拉格反射鏡11。所述的紅外探測器I選用采用器件工藝技術(shù)制備的紅外探測器。所述的微型法布里-泊羅干涉儀選用采用MEMS技術(shù)制備的微型法布里-泊羅干涉儀。所述的布拉格反射鏡由多層膜系構(gòu)成，對紅外波段的反射率高于90%，而吸收率低于10%。本實用新型的基于MEMS濾波的紅外探測器系統(tǒng)包括利用MEMS技術(shù)制備的可調(diào)式微型法布里-泊羅干涉儀濾波器和利用紅外工藝線制備的紅外探測器，采用分離或整體式集成法組合成為濾波器可調(diào)的紅外探測器系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)外部偏置電壓，可以選取紅外探測器響應(yīng)波段內(nèi)的任意波長進行探測成像。本實用新型的基于MEMS濾波的紅外探測器，所述的紅外探測器為具備較寬波段的紅外探測器，工作波段短波、中波或長波皆可。短波波段的紅外探測器包括但不限于Si探測器、InGaAs探測器和HgCdTe探測器，中波波段的紅外探測器包括但不限于InSb探測器、HgCdTe探測器和量子阱探測器，長波波段的紅外探測器包括但不限于HgCdTe探測器、量子阱探測器和微測輻射熱計。本實用新型的基于MEMS濾波的紅外探測器，所述的可調(diào)式微型法布里-泊羅干涉儀濾波器由兩個具備反射表面的平行板組成。紅外輻射透過其中一個反射面進入兩個反射面之間的腔體(距離為d)，經(jīng)歷一系列反射形成了薄膜干涉圖案，只有波長滿足關(guān)系式于λ = nd/2的光才能透過另一個反射面，其他波長的光都將被濾掉。這兩個平行板中至少有一個由懸臂梁支撐，可以相對運動。兩個平行板上有金屬電極，可以加上外部的偏置電壓，通過偏置電壓使兩個平行板產(chǎn)生吸引力或排斥力，從而互相靠近和遠離，使兩個反射面的間距d發(fā)生改變，使透過濾波器的紅外輻射波長發(fā)生變化。由于平面結(jié)構(gòu)和易于集成，它比傳統(tǒng)的光柵濾波器更有潛力。本實用新型的基于MEMS濾波的紅外探測器，所述的可調(diào)式微型法布里-泊羅干涉儀濾波器的平行板由MEMS工藝制備完成。它對表面的平整度要求很高，確保兩個平行板間的距離能夠精確控制，為此需要盡量減少制備過程中的殘余應(yīng)力。由于紅外探測器工藝一般對高溫比較敏感，而且高靈敏度的紅外探測器都需要在低溫下工作，需要和紅外探測器集成的MEMS工藝也不能有太高的溫度。本實用新型的基于MEMS濾波的紅外探測器，所述的可調(diào)式微型法布里-泊羅干涉儀濾波器反射面是MEMS濾波器的關(guān)鍵部件，分別制備在兩個平行板的相對面上。由于需要紅外輻射在平行板間多次反射形成法布里-泊羅干涉，反射面要求對紅外輻射有很高的反射率。但是作為濾波器的一部分，目標波長的紅外輻射要能夠透過濾波器的，因此反射面需要對紅外輻射吸收很低，常規(guī)的對紅外輻射高反射率的Au等金屬材料不再適合。本實用新型的MEMS濾波器反射面采用的是多層膜系構(gòu)成的布拉格反射鏡，通過設(shè)計實現(xiàn)整個膜層對紅外輻射的高反射率和低吸收率。 本實用新型的基于MEMS濾波的紅外探測器，所述的MEMS濾波器和紅外探測器的集成有兩種方法分離集成法和整體集成法。分離集成法是在MEMS線、紅外探測器工藝線分別研發(fā)、優(yōu)化和制備濾波器和紅外探測器，通過金屬焊接技術(shù)完成兩部分的集成。分離集成法對MEMS工藝和紅外探測器工藝的兼容性要求不高，但是需要采用SOI、雙面對準和倒裝焊等復(fù)雜工藝。整體集成法是在紅外探測器上直接用優(yōu)化的MEMS工藝制備可調(diào)式微型法布里-泊羅干涉儀濾波器。整體集成法工藝集成度高，更容易實現(xiàn)器件的批量化和小型化，但是需要優(yōu)化的MEMS工藝能夠和紅外探測器工藝完全兼容。本實用新型集成了利用MEMS技術(shù)制備的微型法布里-泊羅干涉儀作為可調(diào)式濾波器和利用紅外工藝線制備的紅外探測器。只有滿足干涉條件的特定波長的紅外輻射才能透過微型法布里-泊羅干涉儀，并被下面的紅外探測器吸收和成像。通過改變外部的偏置電壓，可以調(diào)節(jié)微型法布里-泊羅干涉儀的上下反射面距離，從而改變透過的紅外輻射波長，就可以實現(xiàn)特定光譜或者多光譜的紅外成像。

圖I為本實用新型的微型法布里-泊羅干涉儀的工作原理圖。圖2為本實用新型的一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 其中I-紅外探測器，2-紅外入射光，3-懸臂梁，4-外部偏置電壓，5-金屬電極，6-干涉空腔，7-布拉格反射鏡，8-金屬焊接；圖3本實用新型的另一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；其中9-紅外入射光，10-上金屬電極，11-上布拉格反射鏡，12-懸臂梁，13-下布拉格反射鏡，14-外部偏置電壓引線，15-下金屬電極，16-紅外探測器，17-SiN緩沖層。圖4為為模擬計算的集成MEMS濾波器的紅外探測器響應(yīng)光譜隨外部偏置電壓的變化圖。
具體實施方式
結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的描述。為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本實用新型實施方式作進一步的詳細描述。圖I為本實用新型的微型法布里-泊羅干涉儀的工作原理圖。兩個平行鏡面加上中間的空腔就可以構(gòu)成簡單的法布里-泊羅干涉儀。根據(jù)光的干涉原理，紅外輻射通過法布里-泊羅干涉儀的透射率與波長密切相關(guān)。如果兩個平行鏡面的距離為山當(dāng)紅外輻射的波長λ = nd/2 (η為任意整數(shù))時，透射率最大，波長偏離后透射率衰減很快，形成一個很尖銳的響應(yīng)光譜。如果能夠調(diào)節(jié)兩個平行鏡面的距離d，就可以得到一系列尖銳的響應(yīng)光
-i'TfeP曰。本實用新型所用的紅外探測器I選用采用器件工藝技術(shù)制備的紅外探測器。本實用新型所用的微型法布里-泊羅干涉儀選用采用MEMS技術(shù)制備的微型法布里-泊羅干涉儀。本實用新型所用的布拉格反射鏡由多層膜系構(gòu)成，對紅外波段的反射率高于90%，而吸收率低于10%。實例一如圖2所示，可調(diào)式基于MEMS濾波的紅外探測器，主要包括微型法布里-泊羅干涉儀、紅外探測器1，其特征在于在紅外探測器I表面設(shè)有金屬焊盤8 ;所述的微型法布里-泊羅干涉儀由上層平行板、下層平行板和中間的空腔6構(gòu)成，所述的上層平行板包括SiN材料制備的平行板、可動懸臂梁(3)、金屬電極5、布拉格反射鏡7和單面的金屬焊盤8，在SiN材料制備的平行板上設(shè)有可動懸臂梁3、金屬電極5、外部偏置電壓的引線4、布拉格反射鏡7和單面的金屬焊盤8 ;所述的下層平行板包括SiN材料制備的平行板、金屬電極5、布拉格反射鏡7和雙面的金屬焊盤8，在SiN材料制備的平行板上對應(yīng)地設(shè)有金屬電極5、外部偏置電壓的引線4、布拉格反射鏡7和雙面的金屬焊盤8 ;紅外探測器I的金屬焊盤與下層平行板的下表面金屬焊盤8焊接在一起，下層平行板的上表面金屬焊盤8與上層平行板的金屬焊盤8焊接在一起。一方面根據(jù)選用紅外探測器的波段和種類，選擇相應(yīng)的紅外探測器制備工藝完成紅外探測器芯片I的加工。為了充分利用MEMS濾波器的可調(diào)功能，紅外探測器選用較寬的工作波段。短波波段的紅外探測器包括但不限于Si探測器、InGaAs探測器和HgCdTe探測器，中波波段的紅外探測器包括但不限于InSb探測器、HgCdTe探測器和量子阱探測器，長波波段的紅外探測器包括但不限于HgCdTe探測器、量子阱探測器和微測輻射熱計。本實例選用的是中波段的HgCdTe紅外探測器，它有較好的可調(diào)性能、較高的靈敏度和較低的噪聲。首先采用器件工藝技術(shù)制備紅外探測器1，在其表面制備金屬焊盤8。另一方面利用先進的MEMS工藝制備可調(diào)式的微型法布里-泊羅干涉儀濾波器。本實例采用的工藝是絕緣體上的硅技術(shù)分別制備微型法布里-泊羅干涉儀的兩個平行板。MEMS制備工藝主要步驟包括首先采用SiN材料制備平行板的主體結(jié)構(gòu)。SiN對中波紅外不吸收，而且MEMS制備工藝比較成熟，有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度。制備過程中對SiN材料的表面平整度、殘余壓力等有特別高的要求。再通過圖形化處理和刻蝕技術(shù)在上平行板上制備出懸臂梁3。然后再上下平行板上通過PVD技術(shù)制備出布拉格反射鏡7。針對波段和透射光譜要求，設(shè)計多層布拉格膜層，實現(xiàn)反射鏡對中波紅外有很高的反射率和很低的吸收率。在上下平行板上通過PVD技術(shù)制備出金屬電極5和外部偏置電壓的引線4。在上下平行板上制備出焊接用的金屬焊盤8。釋放上下平行板結(jié)構(gòu)，采用倒裝焊技術(shù)將上下平行板的金屬焊盤8對準焊接，形成微型法布里-泊羅干涉儀。分別制備出可調(diào)式微型法布里-泊羅干涉儀濾波器和紅外探測器后，再通過倒裝焊技術(shù)完成兩部分的集成。工作時，圖像的紅外輻射首先透過寬帶濾波片，只有3 5μπι的中波紅外輻射進入MEMS濾波器。選擇合適的外部偏置電壓，使上下布拉格反射鏡的間距為要求的d。只有波長為nd/2 (η為任意整數(shù))的紅外輻射能夠透過MEMS濾波器，進入下面的HgCdTe紅外探測器，得到該波長的紅外信號和圖像。通過改變外部偏置電壓，可以改變進入HgCdTe紅外探測器的紅外輻射波長，得到不同波長紅外輻射的信號和圖像。圖4是模擬計算的集成MEMS濾波器的紅外探測器響應(yīng)光譜隨外部偏置電壓的變化圖。實例2 如圖3所示，可調(diào)式基于MEMS濾波的紅外探測器，主要包括微型法布里-泊羅干涉儀、紅外探測器，在紅外探測器16上設(shè)有SiN緩沖層17，SiN緩沖層上設(shè)有下金屬電極15、外部偏置電壓引線14和下布拉格反射鏡13 ;在下布拉格反射鏡13上設(shè)有微懸臂梁12，并在微懸臂梁上設(shè)有上金屬電極10、外部偏置電壓引線14和上布拉格反射鏡11。是采用整體式集成法制備基于MEMS濾波器的紅外探測器的實施方法，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。同實例1，整體式集成法對紅外探測器也沒有特殊的要求，也可選用中波HgCdTe探測器。它的主要特點是紅外探測器和MEMS濾波器不是分別制備，而是直接在紅外探測器上用優(yōu)化的MEMS工藝制備可調(diào)式微型法布里-泊羅干涉儀濾波器。實例2的MEMS濾波器制備工藝主要步驟包括首先在紅外探測器表面利用CVD技術(shù)制備SiN緩沖層17作為下平行板主體結(jié)構(gòu)。由于考慮到與HgCdTe紅外探測器技術(shù)的兼容性，采用低溫的CVD制備技術(shù)。對SiN材料制備技術(shù)要求同實例I。再利用PVD技術(shù)依次制備下金屬電極15、外部偏置電壓引線14和下布拉格反射鏡13。布拉格反射鏡的特點和設(shè)計同實例I。然后利用polyimide技術(shù)和低溫CVD技術(shù)制備SiN懸臂梁12和上平行板主體結(jié)構(gòu)。再利用PVD技術(shù)依次制備上布拉格反射鏡11、外部偏置電壓引線14和上金屬電極10。最后進行上下平行板間的空腔釋放。實例I和實例2的結(jié)構(gòu)各有特點，都可以實現(xiàn)本實用新型內(nèi)容。由實例可知，利用MEMS技術(shù)制備的可調(diào)式法布里-泊羅干涉儀濾波器其大小同常規(guī)的紅外探測器基本一致，沒有復(fù)雜的光機電系統(tǒng)。特別是MEMS技術(shù)產(chǎn)能高，大規(guī)模集成后MEMS濾波器的成本可以降得很低，使基于MEMS濾波器的紅外探測器體積和成本變化不大。本實用新型的基于MEMS濾波的紅外探測器可用于制備出低成本、微型化的多光譜紅外熱像儀系統(tǒng)，它的外觀尺寸和成本接近于常規(guī)的紅外熱成像系統(tǒng)，但是可以實現(xiàn)紅外輻射探測、光譜數(shù)據(jù)分析和多光譜成像等功能。
權(quán)利要求1.可調(diào)式基于MEMS濾波的紅外探測器，主要包括微型法布里-泊羅干涉儀、紅外探測器(I)，其特征在于在紅外探測器(I)表面設(shè)有金屬焊盤(8);所述的微型法布里-泊羅干涉儀由上層平行板、下層平行板和中間的空腔(6)構(gòu)成，所述的上層平行板包括SiN材料制備的平行板、可動懸臂梁(3)、金屬電極(5)、布拉格反射鏡(7)和單面的金屬焊盤(8)，在SiN材料制備的平行板上設(shè)有可動懸臂梁(3)、金屬電極(5)、外部偏置電壓的引線(4)、布拉格反射鏡(7)和單面的金屬焊盤(8);所述的下層平行板包括SiN材料制備的平行板、金屬電極(5)、布拉格反射鏡(7)和雙面的金屬焊盤(8)，在SiN材料制備的平行板上對應(yīng)地設(shè)有金屬電極(5)、外部偏置電壓的引線(4)、布拉格反射鏡(7)和雙面的金屬焊盤(8)；紅外探測器(I)的金屬焊盤與下層平行板的下表面金屬焊盤(8)焊接在一起，下層平行板的上表面金屬焊盤(8)與上層平行板的金屬焊盤(8)焊接在一起。
2.可調(diào)式基于MEMS濾波的紅外探測器，主要包括微型法布里-泊羅干涉儀、紅外探測器，其特征在于在紅外探測器(16)上設(shè)有SiN緩沖層(17)，SiN緩沖層上設(shè)有下金屬電 極(15)、外部偏置電壓引線(14)和下布拉格反射鏡(13);在下布拉格反射鏡(13)上設(shè)有微懸臂梁(12)，并在微懸臂梁上設(shè)有上金屬電極(10)、外部偏置電壓引線(14)和上布拉格反射鏡(11)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的可調(diào)式基于MEMS濾波的紅外探測器，其特征在于所述的紅外探測器(I)選用采用器件工藝技術(shù)制備的紅外探測器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的可調(diào)式基于MEMS濾波的紅外探測器，其特征在于所述的微型法布里-泊羅干涉儀選用采用MEMS技術(shù)制備的微型法布里-泊羅干涉儀。
5.如權(quán)利要求I或2所述的可調(diào)式基于MEMS濾波的紅外探測器，其特征在于所述的布拉格反射鏡由多層膜系構(gòu)成，對紅外波段的反射率高于90%，而吸收率低于10%。
專利摘要本實用新型涉及一種可調(diào)式基于MEMS濾波的紅外探測器，集成了利用MEMS技術(shù)制備的微型法布里-泊羅干涉儀濾波器和利用紅外工藝線制備的紅外探測器，只有滿足干涉條件的特定波長的紅外輻射才能透過微型法布里-泊羅干涉儀，并被下面的紅外探測器吸收和成像，通過改變外部的偏置電壓，可以調(diào)節(jié)微型法布里-泊羅干涉儀的上下反射面距離，從而改變透過的紅外輻射波長，就可以實現(xiàn)特定光譜或者多光譜的紅外成像。
文檔編號G01J5/10GK202599535SQ20122012113
公開日2012年12月12日 申請日期2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月27日
發(fā)明者黃立, 周文洪 申請人:武漢高德紅外股份有限公司