一種耐受振動和衝擊的紅外焦平面微橋結構的製作方法
2023-08-05 06:28:21
一種耐受振動和衝擊的紅外焦平面微橋結構的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種耐受振動和衝擊的紅外焦平面微橋結構，涉及非製冷紅外焦平面【技術領域】，其包括L型橋腿和橋面，L型橋腿與橋面刻蝕連接，還包括外圍固定框、位於L型橋腿拐角處的連接橋腿，所述L型橋腿經連接橋腿與外圍固定框連接；外圍固定框和短橋腿均由絕緣材料構成。本發明引入外圍固定框極大地解決了傳統微橋結構在經受外部振動和衝擊激勵時，微橋結構橋面整體形變最大、結構不穩定的問題。
【專利說明】 一種耐受振動和衝擊的紅外焦平面微橋結構
【技術領域】
[0001]本發明屬於非製冷紅外焦平面【技術領域】，具體涉及一種耐受振動和衝擊的紅外焦平面微橋結構，其引入減震和減衝擊措施，以實現焦平面微橋結構耐受力學振動和衝擊的可靠性設計。
【背景技術】
[0002]紅外探測技術作為對人類感官的補充和擴展，在民用和軍用方面得到了廣泛的應用。目前比較成熟的光子型紅外探測器已經廣泛的應用到通信、醫學、軍事和工業等領域，但因為其工作必須低溫致冷，造成整個系統龐大，結構複雜而且成本偏高，從而無法大規模的推廣應用。大規模集成電路技術的發展使非致冷紅外擦測器的研製成為可能，目前非致冷紅外焦平面陣列技術已經成為紅外探測技術最流行的方向，這種技術使我們有能力在常溫下就獲得具有很高敏感性能的紅外探測器，另外，其成本低、體積小、重量輕、功耗小和響應波段寬的優勢，使其大規模的市場化成為可能。
[0003]非致冷紅外焦平面器件的基本工作原理是，目標物體的紅外輻射被非致冷紅外焦平面器件的紅外吸收層所吸收，從面引起熱敏薄膜溫度升高，由於熱敏感薄膜具有溫度-電阻(TCR)特性，其電阻將發生變化，並通過其中的電學通道將這種變化傳遞給讀出電路，從而檢測出該電阻值的變化，最終實現對紅外輻射的探測。
[0004]在非致冷紅外焦平面器件的根本是要實現室溫下的紅外探測，因而其探測結構的設計就成為整個器件的關鍵。長期以來一種典型的探測結構就是採用微橋結構。整個微橋是直接製作在器件襯底上的微腔結構，主要由橋墩、橋腿和橋面組成，橋墩支撐起橋腿和橋面，使橋腿和橋面懸浮於襯底之上，並且在橋面上澱積熱敏薄膜和紅外探測薄膜。那麼在器件工兒時，目標紅外輻射的變化反映到熱敏感薄膜電阻的變化，製作在微橋中的電學通道將這一變化傳遞到後端讀出電路即探測到目標信號。
[0005]非製冷紅外焦平面器件的工作原理為:被探測物體紅外輻射被焦平面器件的光敏面所吸收，紅外吸收層吸收輻射後可引起多層薄膜體系溫度升高，同時，透射紅外光還可以進一步被非晶矽、氧化釩等熱敏感薄膜所吸收，引起光敏面溫度的升高。由於熱敏感薄膜的電阻溫度特性，電阻值將發生相應的變化，通過電學方式讀出這種變化來實現對紅外輻射的探測。
[0006]基於MEMS工藝的薄膜器件在製備過程中不可避免地會產生殘餘應力，使得製備的薄膜器件在犧牲層釋放後呈現出一定的變形，甚至屈曲。較大的應力屈曲可能會導致器件的探測效率降低甚至失效。此外，振動和衝擊是現實工業活動和生活中普遍存在的一種激勵，在許多精密製造行業都需要重點考慮這種力學激勵帶來的影響，這便是器件可靠性設計和試驗的初衷。超過器件結構耐受能力的任何振動和衝擊，會使得器件結構受到嚴重的變形，甚至破壞。因而，在焦平面器件結構的設計中，必須進行力學和環境適應性可靠性設計，既可以通過結構本身的改進設計，降低共振和衝擊等力學激勵的影響，同時還可以通過器件與使用環境適應性的改善，在器件結構設計中引入減震和減衝擊措施，最終實現焦 平面微橋結構耐受力學振動和衝擊的可靠性設計。
【發明內容】
[0007]針對上述現有技術，本發明要解決的技術問題是提供一種提高紅外焦平面振動和衝擊性能的微橋結構；它保證了與矽半導體製備工藝的兼容性以及高效的紅外吸收率，同時使得器件在耐受振動、衝擊以及其它外部激勵時器件的力學穩定性能得到極大的提升。
[0008]為了解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案:
一種耐受振動和衝擊的紅外焦平面微橋結構，包括L型橋腿和橋面，L型橋腿與橋面刻蝕連接，其特徵在於，還包括外圍固定框、位於L型橋腿拐角處的連接橋腿，所述L型橋腿經連接橋腿與外圍固定框連接；外圍固定框和短橋腿均由絕緣材料構成。
[0009]在本發明中，所述橋面由複合熱敏感膜層構成，橋面上中心位置設置有圓形應力過孔。
[0010]在本發明中，所述複合熱敏感膜層至少包含熱敏感功能層和紅外吸收層，採用熱敏感的功能材料置底，紅外吸收層置頂的方式複合。
[0011]在本發明中，所述紅外吸收層材料為TiN、Si3N4、a _C:H、SiC、Si02以及多孔矽。
[0012]在本發明中，圓形應力過孔直徑和象元尺寸保持1:10的比例。
[0013]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
一、外圍固定框極大地解決了傳統微橋結構在經受外部振動和衝擊激勵時，微橋結構橋面整體形變最大、結構不穩定的問題，使得微橋結構關鍵部分的穩定性大大增強，避免了橋面的局部應力集中；微橋結構在承受外部振動和高速衝擊時，應力大部分由外圍固定框分散承受，從而避免出現大形變和撕裂而造成器件功能失效；在耐受殘餘應力以及外部振動和衝擊作用的能力得到明顯的提升；在相同的像元尺寸和外部激勵條件下，本發明的最大位移減小為原來的22%，表徵結構臨界載荷的屈曲值提高了 36% (張應力)和340% (壓應力)。
[0014]二、複合熱敏感膜層中央位置設置有圓形應力過孔，圓形應力過孔使得薄膜製備過程中的殘餘應力得到分散，減小橋面屈曲變形，還能使得由薄膜自重力、殘餘應力等因素導致的薄膜變形程度降低，從而使焦平面橋面結構能夠耐受更加劇烈的振動和衝擊。
[0015]三、採用熱敏感的功能材料置底，紅外吸收層置頂的方式複合，紅外吸收層和功能層大面積接觸，使得熱輻射被紅外吸收層大量吸收，並迅速傳遞到功能層，透射輻射經過諧振腔諧振，最大程度被熱敏感層吸收，引起功能層材料的電學性質變化，實現高效率紅外探測。
[0016]四、複合熱敏感薄膜與外圍固定框剛性連接，以及諧振腔的設計，使得紅外輻射被穩定、高效且最大程度地吸收，吸收效率可達到85%以上，紅外吸收穩定且高效。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為傳統非製冷紅外焦平面微橋結構俯視圖；
圖2為本發明提供的新型微橋結構設計圖；
圖3為本發明提供的新型微橋結構的立體示意圖；
圖4-a、圖4-b為傳統、新型微橋結構振動衝擊時中心節點位移頻率圖； 圖5-a、圖5-b為傳統、新型微橋結構Z向共振位移形變圖；
圖6_a、圖6_b為傳統、新型微橋結構的Z向的共振應力分布圖；
附圖標記為:1為外圍固定框、2為L型橋腿、3為連接橋腿、4為橋面。
【具體實施方式】
[0018]下面將結合附圖及【具體實施方式】對本發明作進一步的描述。
[0019]一種耐受振動和衝擊的紅外焦平面微橋結構，包括L型橋腿和橋面，L型橋腿與橋面刻蝕連接，其特徵在於，還包括外圍固定框、位於L型橋腿拐角處的連接橋腿，所述L型橋腿經連接橋腿與外圍固定框連接；外圍固定框和短橋腿均由絕緣材料構成。外圍固定框極大地解決了傳統微橋結構在經受外部振動和衝擊激勵時，微橋結構橋面整體形變最大、結構不穩定的問題，使得微橋結構關鍵部分的穩定性大大增強，避免了橋面的局部應力集中。微橋結構在承受外部振動和高速衝擊時，應力大部分由外圍固定框分散承受，從而避免出現大形變和撕裂而造成器件功能失效。
[0020]在複合熱敏感膜層中央，設計圓形應力過孔，不僅可以使得薄膜製備過程中的殘餘應力得到分散，減小橋面屈曲變形，還能使得由薄膜自重力、殘餘應力等因素導致的薄膜變形程度降低，從而使焦平面橋面結構能夠耐受更高劇烈的振動和衝擊。複合敏感膜層至少包含熱敏感的功能層材料和紅外吸收層材料，採用熱敏感的功能材料置底，紅外吸收層置頂的方式複合。收層和功能層大面積接觸，使得熱輻射被紅外吸收層大量吸收，並迅速傳遞到功能層，透射輻射經過諧振腔諧振，最大程度被熱敏感層吸收，引起功能層材料的電學性質變化，實現高效率紅外探測。
[0021]圓形應力過孔直徑和象元尺寸保持1:10的比例，該比例下焦平面微橋結構對單片集成讀出電路的設計不造成影響，使得結構應力分布最均勻，且耐受振動和衝擊的性能最佳。
[0022]該微橋結構適用於以非晶矽薄膜為熱敏感層的非製冷紅外焦平面器件結構設計，紅外吸收層材料可以是TiN、Si3N4、a -C:H、SiC、Si02以及多孔矽等。該結構對當前研究的17?45 μ m像元尺寸具有如下優勢:相同像元尺寸下的結構和傳統結構相比，新結構在張應力和壓應力下一階屈曲值分別提高36%和340%左右。在應力分布上，傳統結構應力集中於橋墩處以及橋腿橋面連接處；新結構不僅使得應力值大大降低，還使得應力分布更加均勻。相同像元尺寸的新結構和傳統結構在相同大小的壓應力或者張應力作用下，新結構最大變形只有傳統結構的22%。新結構保持了與MEMS工藝的兼容，不僅可以能夠確保焦平面器件高的紅外吸收效率，還使得微橋結構的力學穩定性得到顯著的提高，對探測器組件的可靠性設計具有重要的指導意義。
[0023]實施例一
所述橋面由複合熱敏感薄膜材料構成，所述複合熱敏感薄膜材料至少包含熱敏感的功能層材料和紅外吸收層材料，採用熱敏感的功能材料置底，紅外吸收層置頂的方式複合。紅外吸收層和功能層大面積接觸，使得熱輻射被紅外吸收層大量吸收，並迅速傳遞到功能層，透射輻射經過諧振腔諧振，最大程度被熱敏感層吸收，引起功能層材料電學性質變化，實現聞效率紅外探測。
[0024]實施例二 所述橋面也可由單層非晶矽熱敏感薄膜構成，所述單層非晶矽熱敏感薄膜不僅具有優異的紅外吸收率，同時具有良好的熱-阻效應，能夠實現高效率紅外探測。
【權利要求】
1.一種耐受振動和衝擊的紅外焦平面微橋結構，包括L型橋腿和橋面，L型橋腿與橋面刻蝕連接，其特徵在於，還包括外圍固定框、位於L型橋腿拐角處的連接橋腿，所述L型橋腿經連接橋腿與外圍固定框連接；外圍固定框和短橋腿均由絕緣材料構成。
2.根據權利要求1所述的耐受振動和衝擊的紅外焦平面微橋結構，其特徵在於，所述橋面由複合熱敏感膜層構成，橋面上中心位置設置有圓形應力過孔。
3.根據權利要求2所述的耐受振動和衝擊的紅外焦平面微橋結構，其特徵在於，所述複合熱敏感膜層至少包含熱敏感功能層和紅外吸收層，採用熱敏感功能材料置底，紅外吸收層置頂的方式複合。
4.根據權利要求3所述的耐受振動和衝擊的紅外焦平面微橋結構，其特徵在於，所述紅外吸收層材料為TiN, Si3N4、a -C:H, SiC、Si02以及多孔矽。
5.根據權利要求2所述的耐受振動和衝擊的紅外焦平面微橋結構，其特徵在於，圓形應力過孔直徑和象元尺寸保持1:10的比例。
【文檔編號】G01J5/02GK104006890SQ201410234896
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】李偉, 呂小龍, 程旭, 廖家科, 王軍, 蔣亞東 申請人:電子科技大學