一种微机电红外传感器及其制备方法

1.本发明属于微机电传感器技术领域，更具体地，涉及一种微机电红外传感器及其制备方法。背景技术：2.红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件，它是红外整机系统的核心，是探测、识别和分析红外信息的关键部件。随着科技的发展，红外探测技术在在军事、工业、交通、安防监控、气象和医学等各行业具有广泛的应用。利用微电子机械系统(micro‑electro‑mechanical system，mems)技术制作的微机械红外探测器具有尺寸小，功耗低以及与互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，cmos)电路制作工艺兼容性好等优点，在各个领域的需求与日俱增。3.根据探测机理的不同，红外探测器可分为热式红外探测器和光子红外探测器两大类。热式红外探测器又称为非制冷红外探测器，其工作原理是将接收到的红外辐射转换成热能，导致红外敏感元件温度上升，然后通过测量温度上升来测量红外辐射信号的大小。光子红外探测器则是利用半导体材料的光子效应进行红外探测，探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起光伏或光电导等现象。热探测红外传感器相对光子探测红外传感器，具有体积小、质量轻和不需要制冷的优势，但是存在灵敏度低和响应时间慢的缺点，限制了其在要求较高以及复杂环境中的应用。4.非致冷红外探测器模块一般由红外敏感元件和红外滤光模块两部分组成。目前非致冷红外探测器主要采用普通的芯片封装工艺，即先将包含红外敏感元件的圆片进行划片，然后将通过划片得到的包含红外敏感元件的裸芯片置放在凸型金属底座(通常为to型)上，通过金丝球焊等方法与管脚相连，最后通过将带有滤光片的管帽焊接在底座上，完成非致冷红外探测器模块的整体制作及封装。5.传统的非致冷红外探测器存在以下问题：一、非致冷红外探测器中的红外敏感元件一般都是采用悬浮结构来进行绝热处理，因此划片过程中悬浮微结构非常容易被破坏，所以成品率很难提高；二、探测器一般采用芯片级封装，因此封装效率低；三、探测器滤光片是通过胶粘结在管帽上，管帽与底座焊接的方法来完成探测器的气密性封装，因此真空度较低，热对流对探测器性能存在负面影响；四、由于金属管壳成本一般都较高，因此普通封装制作的非致冷红外探测器成本也很难降低。技术实现要素：6.为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种微机电红外传感器及其制备方法。7.本发明提供一种微机电红外传感器，包括：衬底硅片、夹层敏感单元、薄膜封装层和金属焊盘；8.所述夹层敏感单元位于所述衬底硅片的上方，所述薄膜封装层位于所述夹层敏感单元的上方；所述薄膜封装层与所述衬底硅片构成真空腔室，所述夹层敏感单元密封于所述真空腔室中；9.所述夹层敏感单元包括从下到上次依次堆叠的金属红外反射层、压电红外干涉层和红外吸收层；所述夹层敏感单元用于选择性地吸收目标红外光；10.所述金属红外反射层作为底电极层，所述红外吸收层作为顶电极层，所述底电极层和所述顶电极层通过电学布线连接到所述金属焊盘。11.优选的，所述微机电热式红外探测器采用压电谐振、热释电中的至少一种方式探测红外光信号。12.优选的，所述微机电热式红外探测器采用压电谐振方式探测红外光信号时，通过所述底电极层和所述顶电极层激发所述夹层敏感单元谐振，通过测量所述压电红外干涉层由于吸收红外辐射引起的升温所导致的共振频率的变化，获得红外辐射信息；13.所述微机电热式红外探测器采用热释电方式探测红外光信号时，利用所述压电红外干涉层的热释电特性，通过检测所述压电红外干涉层由于吸收红外辐射引起的升温所得到的表面聚集的感生电荷信号，获得红外辐射信息。14.优选的，所述薄膜封装层包括支撑层和封装层；所述封装层位于所述支撑层的上方；15.所述封装层包括第一布拉格反射器、第二布拉格反射器和中间过渡层；所述第一布拉格反射器用于增强反射小于目标红外光波长的电磁波；所述第二布拉格反射器用于增强反射大于目标红外光波长的电磁波；所述中间过渡层位于所述第一布拉格反射器和所述第二布拉格反射器之间。16.优选的，所述支撑层的制备材料采用多晶硅；所述第一布拉格反射器、所述第二布拉格反射器均为非晶硅和氮化硅交替沉积的周期性堆叠薄膜；所述封装层的制备材料采用非晶硅或氮化硅。17.优选的，所述金属红外反射层采用整面结构或差分电极结构；所述差分电极结构为叉指电极结构或平面电极结构。18.优选的，所述夹层敏感单元的结构为长方体、圆盘、圆环、悬臂梁、固支梁或音叉结构中的一种。19.优选的，所述金属红外反射层的厚度大于100纳米，用于反射所有波段的红外光波；所述压电红外干涉层的厚度为目标红外光波长的四分之一；所述红外吸收层的方块电阻与电磁波的真空波阻抗相同。20.优选的，所述金属红外反射层的制备材料选自铝、金、铂或钼中的一种，所述压电红外干涉层的制备材料为氮化铝或锆钛酸铅，所述红外吸收层的制备材料采用氮化钛。21.另一方面，本发明提供上述的微机电红外传感器的其制备方法，包括以下步骤：22.步骤1、在衬底硅片的正面刻蚀凹腔和支撑柱；23.步骤2、在所述衬底硅片的正面制备一层氧化硅层，并将所述氧化硅层减薄至所述支撑柱的上表面位置；24.步骤3、在所述氧化硅层的表面沉积一层金属红外反射层，并对所述金属红外反射层进行刻蚀形成底电极层；25.步骤4、在所述底电极层的表面制备压电红外干涉层，并在所述压电红外干涉层表面沉积一层红外吸收层；26.步骤5、对所述红外吸收层进行刻蚀形成顶电极层，并在所述顶电极层的表面沉积氧化硅牺牲层；27.步骤6、在氧化硅牺牲层上刻蚀出深至所述底电极层的上表面的第一通孔；28.步骤7、在氧化硅牺牲层和所述第一通孔的表面沉积一层金属层并刻蚀，保留所述第一通孔处的所述金属层作为金属焊盘；29.步骤8、在氧化硅牺牲层上刻蚀出深至所述衬底硅片凹腔处氧化硅层的上表面的第二通孔；30.步骤9、在氧化硅牺牲层的表面继续沉积一层氧化硅牺牲层，并在氧化硅牺牲层上刻蚀出深至所述压电红外干涉层的上表面的密封通孔；31.步骤10、在氧化硅牺牲层的表面沉积一层支撑层，并在所述支撑层的表面刻蚀出深至氧化硅牺牲层的上表面的释放孔；32.步骤11、通过所述释放孔腐蚀掉夹层敏感单元区域的氧化硅牺牲层和夹层敏感单元下方的氧化硅层，形成谐振腔，并释放所述夹层敏感单元；33.步骤12、在所述支撑层的表面交替沉积氮化硅层和非晶硅层，形成封装层；34.步骤13、在所述封装层的表面刻蚀电学引出通孔至所述金属焊盘处。35.本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：36.在发明中，提供的微机电红外传感器包含衬底硅片、夹层敏感单元、金属焊盘和薄膜封装层，夹层敏感单元位于衬底硅片的上方，薄膜封装层位于夹层敏感单元的上方；薄膜封装层与衬底硅片构成真空腔室，夹层敏感单元密封于真空腔室中；夹层敏感单元包括从下到上次依次堆叠的金属红外反射层、压电红外干涉层和红外吸收层；夹层敏感单元用于选择性地吸收目标红外光；金属红外反射层作为底电极层，红外吸收层作为顶电极层，底电极层和顶电极层通过电学布线连接到金属焊盘。本发明利用夹层敏感单元进行红外探测，夹层敏感单元为光学干涉腔结构，能够在增强红外光的吸收率的同时实现目标红外波长的高选择性。另一方面，本发明提供上述的微机电红外传感器的制备方法，采用薄膜封装的方式实现了真空密封，无需后续复杂的真空封装工艺，降低了器件的设计和加工的复杂度，同时减小了器件尺寸，降低了成本，提高了器件的长期稳定性和可靠性。附图说明37.图1为本发明实施例提供的一种微机电红外传感器的制备方法中工艺步骤1对应的截面示意图；38.图2为本发明实施例提供的一种微机电红外传感器的制备方法中工艺步骤2对应的截面示意图；39.图3为本发明实施例提供的一种微机电红外传感器的制备方法中工艺步骤3对应的截面示意图；40.图4为本发明实施例提供的一种微机电红外传感器的制备方法中工艺步骤4对应的截面示意图；41.图5为本发明实施例提供的一种微机电红外传感器的制备方法中工艺步骤5对应的截面示意图；42.图6为本发明实施例提供的一种微机电红外传感器的制备方法中工艺步骤6对应的截面示意图；43.图7为本发明实施例提供的一种微机电红外传感器的制备方法中工艺步骤7对应的截面示意图；44.图8为本发明实施例提供的一种微机电红外传感器的制备方法中工艺步骤8对应的截面示意图；45.图9为本发明实施例提供的一种微机电红外传感器的制备方法中工艺步骤9对应的截面示意图；46.图10为本发明实施例提供的一种微机电红外传感器的制备方法中工艺步骤10对应的截面示意图；47.图11为本发明实施例提供的一种微机电红外传感器的制备方法中工艺步骤11对应的截面示意图；48.图12为本发明实施例提供的一种微机电红外传感器的制备方法中工艺步骤12对应的截面示意图；49.图13为本发明实施例提供的一种微机电红外传感器的制备方法中工艺步骤13对应的截面示意图；50.图14为本发明实施例提供的一种微机电红外传感器中夹层敏感单元的结构截面示意图；51.图15为封装层的结构截面示意图；52.图16为金属红外反射层为叉指电极结构的示意图；53.图17为金属红外反射层为平面电极结构的示意图。54.其中，1‑衬底硅片，2‑氧化硅层，3‑金属红外反射层，4‑压电红外干涉层，5‑红外吸收层，6‑氧化硅牺牲层，7‑金属焊盘，8‑支撑层，9‑释放孔，10‑氮化硅层，11‑非晶硅层，12‑电学引出通孔，13‑夹层敏感单元，14‑封装层，15‑第一布拉格反射器，16‑第二布拉格反射器。具体实施方式55.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。56.实施例1：57.实施例1提供了一种微机电红外传感器，包括：衬底硅片、夹层敏感单元、薄膜封装层和金属焊盘。所述夹层敏感单元位于所述衬底硅片的上方，所述薄膜封装层位于所述夹层敏感单元的上方；所述薄膜封装层与所述衬底硅片构成真空腔室，所述夹层敏感单元密封于所述真空腔室中。所述夹层敏感单元包括从下到上次依次堆叠的金属红外反射层、压电红外干涉层和红外吸收层；所述夹层敏感单元用于选择性地吸收目标红外光。所述金属红外反射层作为底电极层，所述红外吸收层作为顶电极层，所述底电极层和所述顶电极层通过电学布线连接到所述金属焊盘。即所述夹层敏感单元为一个光学干涉腔，可选择性地吸收目标红外光。58.其中，所述薄膜封装层包括支撑层和封装层；所述封装层位于所述支撑层的上方。所述封装层包括第一布拉格反射器、第二布拉格反射器和中间过渡层；所述第一布拉格反射器用于增强反射小于目标红外光波长的电磁波；所述第二布拉格反射器用于增强反射大于目标红外光波长的电磁波；所述中间过渡层位于所述第一布拉格反射器和所述第二布拉格反射器之间。布拉格反射器为两种半导体或介质材料交替沉积的周期性堆叠薄膜。59.所述金属红外反射层采用整面结构或差分电极结构；所述差分电极结构为叉指电极结构或平面电极结构。60.所述夹层敏感单元的结构为长方体、圆盘、圆环、悬臂梁、固支梁或音叉结构中的一种。61.所述金属红外反射层的厚度大于100纳米，用于反射所有波段的红外光波；所述压电红外干涉层的厚度为目标红外光波长的四分之一；所述红外吸收层的方块电阻与电磁波的真空波阻抗相同，所述红外吸收层的厚度可根据方块电阻确定。62.所述金属红外反射层的制备材料可选为金属材料如铝(al)、金(au)、铂(pt)或钼(mo)等，所述压电红外干涉层的制备材料可选为压电材料如氮化铝(aln)或锆钛酸铅(pzt)，所述红外吸收层的制备材料可采用氮化钛(tin)。63.所述支撑层的制备材料可采用多晶硅；所述第一布拉格反射器、所述第二布拉格反射器均可为非晶硅和氮化硅交替沉积的周期性堆叠薄膜；所述封装层的制备材料可采用非晶硅(α‑si)或氮化硅(sinx)。64.所述微机电热式红外探测器可采用压电谐振和热释电两种方式探测红外光信号。采用压电谐振方式探测红外光信号时，通过所述底电极层和所述顶电极层激发所述夹层敏感单元谐振，通过测量所述压电红外干涉层由于吸收红外辐射引起的升温所导致的共振频率的变化，获得红外辐射信息。采用热释电方式探测红外光信号时，利用所述压电红外干涉层的热释电特性，通过检测所述压电红外干涉层由于吸收红外辐射引起的升温所得到的表面聚集的感生电荷信号，获得红外辐射信息。65.实施例2：66.实施例2提出了一种如实施例1所述的微机电红外传感器的制备方法，包括以下步骤：67.步骤1、在衬底硅片的正面刻蚀凹腔和支撑柱；68.步骤2、在所述衬底硅片的正面制备一层氧化硅层，并将所述氧化硅层减薄至所述支撑柱的上表面位置；69.步骤3、在所述氧化硅层的表面沉积一层金属红外反射层，并对所述金属红外反射层进行刻蚀形成底电极层；70.步骤4、在所述底电极层的表面制备压电红外干涉层，并在所述压电红外干涉层表面沉积一层红外吸收层；71.步骤5、对所述红外吸收层进行刻蚀形成顶电极层，并在所述顶电极层的表面沉积氧化硅牺牲层；72.步骤6、在氧化硅牺牲层上刻蚀出深至所述底电极层的上表面的第一通孔；73.步骤7、在氧化硅牺牲层和所述第一通孔的表面沉积一层金属层并刻蚀，保留所述第一通孔处的所述金属层作为金属焊盘；74.步骤8、在氧化硅牺牲层上刻蚀出深至所述衬底硅片凹腔处氧化硅层的上表面的第二通孔；75.步骤9、在氧化硅牺牲层的表面继续沉积一层氧化硅牺牲层，并在氧化硅牺牲层上刻蚀出深至所述压电红外干涉层的上表面的密封通孔；76.步骤10、在氧化硅牺牲层的表面沉积一层支撑层，并在所述支撑层的表面刻蚀出深至氧化硅牺牲层的上表面的释放孔；77.步骤11、通过所述释放孔腐蚀掉夹层敏感单元区域的氧化硅牺牲层和夹层敏感单元下方的氧化硅层，形成谐振腔，并释放所述夹层敏感单元；78.步骤12、在所述支撑层的表面交替沉积氮化硅层和非晶硅层，形成封装层；79.步骤13、在所述封装层的表面刻蚀电学引出通孔至所述金属焊盘处。80.下面结合具体的工艺方法，对实施例2作进一步的说明。81.(1)如图1所示，采用深反应离子刻蚀的方法在衬底硅片1的正面刻蚀凹腔和支撑柱结构；82.(2)如图2所示，采用热氧化或者化学气相沉积的方法在所述衬底硅片1的正面制备一层氧化硅层2；采用化学机械抛光的方法将氧化硅层2减薄至支撑柱的上表面位置；83.(3)如图3所示，采用物理气相沉积的方法在氧化硅层的表面沉积一层金属红外反射层3，并采用图案化光刻和刻蚀的方法刻蚀所述金属红外反射层3，制作底电极结构，形成底电极层；84.(4)如图4所示，采用物理气相沉积如磁控溅射的方法在底电极层的表面制备压电红外干涉层4，采用原子层沉积(atomic layer deposition，ald)技术在所述压电红外干涉层的表面制备一层红外吸收层5；85.(5)如图5所示，采用图案化光刻和刻蚀的方法刻蚀所述红外吸收层5，制作顶电极层，并在所述顶电极层的表面沉积氧化硅牺牲层6；86.(6)如图6所示，采用图案化光刻和刻蚀技术在氧化硅牺牲层6上刻蚀出连接其下方底电极层的通孔(记为第一通孔)；87.(7)如图7所示，在氧化硅牺牲层6和第一通孔的表面沉积一层金属层，并采用图案化光刻和刻蚀技术刻蚀金属层，保留第一通孔处的金属层用作金属焊盘7；88.(8)如图8所示，采用图案化光刻和深反应离子刻蚀的方法在氧化硅牺牲层6表面刻蚀通孔(记为第二通孔)至衬底硅片凹腔处氧化硅层2的位置；89.(9)如图9所示，采用化学气相沉积的方法氧化硅牺牲层6的表面继续沉积一层氧化硅牺牲层6，并采用图案化光刻和刻蚀的方法在氧化硅牺牲层6表面刻蚀密封通孔至压电红外干涉层4的上表面；90.(10)如图10所示，采用化学气相沉积的方法在氧化硅牺牲层6表面沉积一层多晶硅的支撑层8结构，并采用图案化光刻和刻蚀的方法在所述支撑层8的表面刻蚀释放孔9至牺牲层氧化硅6的上表面；91.(11)如图11所示，采用气相化学腐蚀介质通过释放孔9腐蚀掉夹层敏感单元13区域的氧化硅牺牲层6和夹层敏感单元13下方的氧化硅层2，形成谐振腔，并释放夹层敏感单元13；92.(12)如图12所示，采用分子束外延生长、低压化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积等方法在所述支撑层8的表面交替沉积氮化硅层10和非晶硅层11，形成封装层14，完成真空薄膜封装；93.(13)如图13所示，采用图案化光刻和刻蚀的方法在封装层表面刻蚀电学引出通孔12至金属焊盘7处，用于电学互连，最终完成热式红外探测器的制备和封装。94.所述夹层敏感单元13的截面结构示意图如图14所示，从下到上依次由所述金属红外反射层3、所述压电红外干涉层4和所述红外吸收层5堆叠而成。所述夹层敏感单元13中金属红外反射层3材料可选为金属材料钼(mo)，当其厚度a大于100纳米时，可以反射所有波段红外光波；所述压电红外干涉层4可选为压电材料氮化铝(aln)，其厚度b为目标红外光波长的四分之一；所述红外吸收层5可选自氮化钛(tin)材料，其方块电阻与电磁波的真空波阻抗相同，其厚度c可根据方阻确定。所述夹层敏感单元13为一个光学干涉腔，用于选择性地吸收目标红外光。95.本发明提供的一种微机电热式红外探测器主要应用于探测近红外以及中红外波段的红外光(波长λ范围：(1～0.75)μm～(40～25)μm)。假设目标红外光波长λ为1μm时，此时压电红外干涉层4的厚度a可设置为0.25μm。红外吸收层5氮化钛的电阻率为2e‑6ω*m～3e‑6ω*m，真空波阻抗为377ω，此时红外吸收层5的方块电阻与真空波阻抗匹配时，可以更大程度地提高红外光的透射率，当红外吸收层5的方块电阻为377ω时，红外吸收层5氮化钛的厚度c约为0.53nm至0.79nm之间。96.所述封装层14的截面结构示意图如图15所示，所述封装层14由第一布拉格反射器15、第二布拉格反射器16以及中间过渡层组成。布拉格反射器为两种半导体或介质材料交替沉积的周期性堆叠薄膜。布拉格反射器的两种薄膜材料可选为非晶硅(α‑si)和氮化硅(sinx)。所述第一布拉格反射器15中氮化硅10和非晶硅11的厚度e和d以及周期数可通过传输矩阵进行计算和确定，可以实现增强反射小于目标红外光波长多个波段的电磁波。同理，所述第二布拉格反射器16中氮化硅10和非晶硅11的厚度g和f以及周期数可通过传输矩阵进行计算和确定，可以实现增强反射大于目标红外光波长多个波段的电磁波。所述封装层14可起到过滤外界输入的电磁波的作用，可以提高器件的目标红外光波长选择性。97.本发明提供的一种微机电热式红外探测器可采用压电谐振方式探测红外光信号。采用压电谐振式探测方法时，所述金属红外反射层3可作为底电极层，所述红外吸收层5可作为顶电极层。所述金属红外反射层3作为底电极层时，底电极层可以设置为叉指电极结构，如图16所示。当顶电极层接地或者悬空时，在所述金属红外反射层3的第一电极3a处施加交流电压信号时，当交流电压的谐振频率和作为谐振振子的夹层敏感单元13的谐振频率相同时，由于所述红外压电干涉层4为压电材料，由于逆压电效应，夹层敏感单元13会发生谐振。当夹层敏感单元13吸收外界目标红外光时，结构自身稳度升高，此时夹层敏感单元13的谐振频率会随着温度升高并发生偏移。由于所述压电干涉层4的压电效应，通过检测所述金属红外反射层3的第二电极3b输出的输出信号，即可检测由红外辐射引起夹层敏感单元13的温度变化信息，从而实现红外传感。同样地，作为底电极层的所述金属红外反射层3可以设置为差分的平面电极结构，如图17所示，此时可设置所述金属红外反射层3中的两个电极3c和3d中的一端作为驱动，另一端作为检测，也可实现红外传感和检测。所述微机电热式红外探测器可采用压电谐振方式探测红外光信号时，读出电路简单，响应速度快，同时具有良好的检测精度。98.本发明提供的一种微机电热式红外探测器可采用热释电方式探测红外光信号。当压电红外干涉层4材料选择自氮化铝或锆钛酸铅时，由于材料的热释电特性，此时，金属红外反射层3可设置为整面铺满的底电极，红外吸收层5作为接地顶电极，通过检测压电红外干涉层4吸收的红外辐射引起的升温所引起的表面聚集的感生电荷信号，也可实现红外探测的功能。99.本发明实施例提供的一种微机电红外传感器及其制备方法至少包括如下技术效果：100.(1)本发明所提出的微机电红外探测器利用夹层敏感单元结构进行红外探测，夹层敏感单元为光学干涉腔结构，在增强红外光的吸收率的同时能够实现目标红外波长的高选择性。101.(2)本发明所提出的微机电红外探测器可采用压电谐振式探测方法，通过测量吸收的红外辐射引起的谐振振子升温所引起的共振频率的变化，可以感知红外辐射。该方法读出电路简单，响应速度快，同时具有良好的检测精度。102.(3)本发明所提出的微机电红外探测器可采用热释电式探测方法，基于压电红外干涉层材料的热释电特性，通过检测压电红外干涉层吸收的红外辐射引起的升温所引起的表面聚集的感生电荷信号，可以感知红外辐射。该检测方法抗外界噪声(振动、射频干扰等)能力强，可有效提升传感器的稳定稳定性。103.(4)本发明中的封装层由两个布拉格反射器构成，可用作滤光结构，可以实现选择性透过目标红外光的作用，能够进一步提升器件的目标红外波长的高选择性。104.(5)本发明所提出的微机电红外探测器的制备方法采用薄膜封装的方式实现了对器件的圆片级真空密封，无需后续复杂的真空封装工艺，降低了设计和加工的复杂度，同时减小了器件尺寸，降低了成本。105.最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。