电子科技大学 光电科学与工程学院, 成都 610054
建立了具有伞状吸收层结构的微测辐射热计探测单元的红外吸收模型。基于光学导纳矩阵法和阻抗匹配理论, 采用三维电磁仿真软件CST, 对伞状结构不同开孔尺寸和形状下模型的红外吸收特性进行了分析。结果表明, 双层伞状开孔微测辐射热计光学性能与伞状结构开孔大小有密切的关系。该伞状微测辐射热计中引入开孔后, 在保持较高的红外吸收特性的基础上, 减少了探测单元热容, 从而提升了器件响应速度。最终所得探测单元在8~14μm红外波段内的平均吸收率为85%, 满足超大规模小像元非致冷红外焦平面探测器的设计要求。
微测辐射热计 光学仿真 小像元 吸收率 微桥结构 microbolometer optical simulation small pixel absorptivity micro-bridge structure
依托半导体生产线开发了基于MEMS微桥结构的微测辐射热计（micro-bolometer）器件，其中，使用化学气相沉积（CVD）技术开发了非晶硅（α-Si）薄膜工艺，并将其用作微测辐射热计器件的敏感层材料，该材料在1000 Å厚度下的膜厚均匀性可以控制在2%以内（1-sigma，within wafer），电阻均匀性可以控制在2%以内（1-sigma，within wafer），其室温下的电阻温度系数（TCR）可以达到−2.5%左右；采用先刻沟槽工艺技术开发了MEMS微桥结构的接触模块，以无支撑柱结构实现了其支撑和电连接结构；使用Ti/TiN薄金属薄膜作为电极层，并利用电极层图形实现该敏感层电阻器件的电连接和图形定义；开发了高性能敏感层电阻工艺技术，实现了对敏感层材料工艺损失和电极层侧面腐蚀的良好工艺控制。在完成微测辐射热计器件工艺开发后，对其进行了器件级测试和评估，结果表明：该器件室温电阻值在250 kΩ左右，且具有优异的欧姆接触特性；室温下器件级TCR在−2%左右，略低于非晶硅薄膜材料TCR的测试值；同时，对该器件进行的升温和降温测试结果表明，文中开发的敏感层材料没有滞回效应。最后，对该器件进行释放工艺处理形成悬空的MEMS微桥结构，经扫描电镜（SEM）和光学显微镜测试评估，其微桥表面呈现良好的平坦度和均匀性，能够很好地满足微测辐射热计及相应的非制冷红外探测器产品的技术需求。
微测辐射热计 MEMS 微桥结构 敏感层 micro-bolometer MEMS micro-bridge sensing material layer 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220279
红外与激光工程
2021, 50(3): 20200330
电子科技大学 光电科学与工程学院 电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 四川 成都 610054
在室温太赫兹探测技术领域中, 热敏微桥结构的太赫兹探测器具有探测波段宽、阵列规模大、集成度高、实时成像等显著特点。文中对室温太赫兹探测技术、基于热敏材料的太赫兹探测技术国内外发展现状进行了综述, 分析了基于氧化钒薄膜微桥结构的非制冷长波红外焦平面探测技术, 存在着太赫兹波低吸收探测性能弱的不足, 针对太赫兹波探测进行优化设计, 同时介绍了电子科技大学在太赫兹探测阵列吸收结构方面的部分研究工作。
非制冷红外焦平面探测器 微桥结构 太赫兹探测器 金属吸收薄膜 uncooled infrared focal plane array detector microbolometer structure terahertz detector metal absorption thin film 红外与激光工程
2019, 48(1): 0102001
电子科技大学光电信息学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 四川 成都 610054
非制冷红外焦平面阵列的微桥结构在微加工工艺中，由于温度的剧烈变化，在薄膜中产生热应力而引起微桥的变形，将对器件产生不利影响。利用有限元分析方法，对微桥在热应力作用下产生的变形进行了分析，提出了两种控制热应变的途径：1)选择一种低热膨胀系数、低杨氏模量的电极材料；2)在电极材料的表面沉积一层SiNx薄膜。仿真结果表明，两种途径使微桥的最大形变值从1.4740 μm分别减小到0.4799 μm和0.0704 μm，达到了减小热应变的目的。
薄膜 非制冷红外焦平面阵列 热应力 有限元分析 微桥结构 形变
根据实验室设计的单层微测辐射热计所采用的Si3N4和SiO2双层膜复合支撑结构工艺，分别利用力学的等效截面方法和复合材料热导公式，从理论上推导了微桥桥腿正应力和热导的解析表达式.分析在其它因素不变的情况下，仅调整Si3N4和SiO2两者厚度比值(m)对微测辐射热计力学和热学性质的影响,并用ANSYS有限元仿真的方法验证了理论推导.
非制冷红外成像 支撑层 微测辐射热计 微桥结构 厚度比 uncooled infrared imaging support membranes microbolometer microbridge structure thickness ratio
Author Affiliations
Abstract
1 Micro-Optoelectrical System Laboratory, Xi'an Technological University, Xi'an 710032, China
2 Xi'an Technological University North Institute of Information Engineering, Xi'an 710025, China
The critical technology for fabrication of the micro-bridge structure based on amorphous silicon (a-Si) films is studied. As a key technology in the fabrication of the micro-bridge structure, the sacrificial layer technology, including the preparation of polyimide thin films (i.e., curing, wet etching, and plasma etching processes), is systematically researched, and a series of key parameters are obtained. An improved process °ow of self-supporting micro-bridge structure is established. Experimental results and scanning electron microscope (SEM) images show that the fabrication technology presented is simple and feasible. A 160×120 micro-bridge array is successfully fabricated using this method.
非晶硅薄膜 牺牲层 微桥结构 040.3060 Infrared 130.6010 Sensors 230.4000 Microstructure fabrication Chinese Optics Letters
2010, 8(s1): 218
1 华中科技大学激光国家重点实验室,湖北,武汉,430074
2 华中科技大学光电子工程系,湖北,武汉,430074
采用新工艺在氮化硅衬底上制备了室温时电阻温度系数为-0.021K-1的氧化钒薄膜,以此为基础,利用光刻和反应离子刻蚀工艺在硅衬底上制作了128元氧化钒红外探测器.为了降低探测器敏感元与衬底间的热导,设计制作了自支撑的微桥结构阵列.测试结果显示探测器的响应率和探测率在8～12μm的长波红外波段处分别达到104V/W和2×108cmHz1/2W-1.
红外探测器 微桥结构 微桥阵列 非致冷 氧化钒薄膜 IR detectors microbridge structure microbridge arrays uncooled vanadium oxides thin film
