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微机械热电堆红外探测器

红外探测器是红外技术的心脏,军事的需要极大地推动了它的发展。热电堆红外探测器作为一种非致冷的热红外探测器,具有较多的优势,应用广泛。在20世纪80年代微电于机械系统(MEMS)发展起来之后,对微机械的热电堆红外探测器的研究一直没有间断,但是其实用化的进程缓慢,关键原因在于制作工艺存在难度,没有能够妥善解决。本论文以微机械热电堆红外探测器为研究对象,从理论与工艺两方面进行了探索。理论上,在稳态热传导泊松方程等基础上,以悬臂梁结构与封闭膜结构为切入点,建立了探测器中结构与性能的联系;另外,系统地阐述了薄膜、吸收区、热偶以及封装等因素对探测器性能的影响,从中发现了一些性能优化的条件,包括热偶宽度、热偶厚度、热偶对数以及以及吸收区大小等等。在悬臂梁结构探测器的制备过程中,尝试了新的正面腐蚀的工艺并提出了新的斜拉悬梁结构的探测器。实验结果显示利用该新工艺是可行的,但其中尚存在腐蚀时间较长的问题;针对工艺过程中出现的薄膜应力、台阶覆盖以及表  (本文共109页) 本文目录 | 阅读全文>>

中北大学
中北大学

CMOS兼容的微机械热电堆红外探测器的设计

目前,红外技术广泛应用于民用领域和军事领域,而红外探测器是红外技术中的核心部件之一。热电堆红外探测器是最早发展的一种热红外探测器,由于其具有可以常温下工作、响应波段宽、制作成本低廉等较多优势,发展极为迅速、应用非常广泛。自从微机电系统(MEMS)被发展以来,以MEMS技术为基础的微机械热电堆红外探测器更是凭借其众多优势迅速成为研究热点,但是由于制备工艺存在难度,其实用化的进程还比较缓慢。本论文的研究目的是设计一种制作工艺与CMOS相兼容,拥有优良性能(如较高的电压响应率、较小的噪声等效温差等)的新型微机械热电堆红外探测器结构,并以该结构为基础,设计出一套制备简单、具有可行性的工艺制作流程。本文从提高红外吸收率乃至响应率的角度出发,除了选择合适的材料作为热偶材料及吸收层材料之外,还引入了谐振腔吸收结构;在不影响响应率的情况下,通过减少热偶条对数的方式来降低器件的噪声;利用仿真软件对该器件结构进行了尺寸优化及简单的有限元分析,计算出...  (本文共71页) 本文目录 | 阅读全文>>

中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所)
中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所)

CMOS兼容的微机械P/N多晶硅热电堆红外探测器

随着红外探测技术在军事和民用领域的地位日益提高,近年来非制冷红外技术已成为红外技术低成本、小型化的主流发展方向,它采用目前日臻成熟的MEMS技术,利用光-热-电转化探测红外光,具有重量小、复杂程度低、功耗小、成本低等优势。热电堆红外探测器是最早研究并实用化的热电型红外成像器件之一。采用MEMS工艺制作的微机械红外热电堆由于能够有效降低其热传导、提高其集成度,性能比传统热电堆器件有较大幅度提升。由于微机械红外热电堆大都采用背腐蚀法或较复杂的表面加工法制备,与CMOS工艺兼容性差且需要后续工艺,对工艺要求高成品率低。在本文中,我们充分考虑了与CMOS工艺的兼容性,通过设计一种正面开口的热电堆结构,制作了微机械热电堆红外探测器。热偶材料选择方面,微机械红外热电堆常用金属热偶、多晶硅-金属热偶、硅/多晶硅—铝热偶等。在与CMOS兼容的材料中,大多数金属材料的塞贝克系数很小,而Si的塞贝克系数要大得多,因此本文制作的微机械热电堆采用p型掺...  (本文共73页) 本文目录 | 阅读全文>>

《光学学报》2010年10期
光学学报

CMOS兼容自对准微机械热电堆红外探测器

1引言红外探测技术总体上可以划分为光子红外探测和热红外探测[1,2]。和光子红外探测技术相比,热红外探测技术一般性能指标偏低,但热红外探测技术可以实现非致冷室温红外探测,从而可以减小红外探测系统的体积、能耗和成本[3]。近年来,随着微电子机械系统(MEMS)技术的发展,低成本的红外探测器的批量制作成为可能,微机械热红外探测器也得到广泛关注和研究[3~10]。微机械热电堆红外探测器利用塞贝克效应实现红外-沣热-沣电之间的转换,探测器产生的温差电动势是自激励信号,所以微机械热电堆红外探测器工作时无需偏置和斩波,工作环境温度对探测器的影响也较小,探测器的后续处理电路也较简单[1,8,9]。为了减小探测器的体积,微机械热电堆红外探测器研究的一个热点是采用前端硅腐蚀技术制作微机械热电堆结构[8,9]。传统前端腐蚀微机械热电堆红外探测器一般采用最后一步光刻工艺光刻出微机械热电堆结构的释放孔,然后通过刻蚀制作硅腐蚀所需的释放孔。由于释放孔是通...  (本文共4页) 阅读全文>>

《功能材料与器件学报》2007年03期
功能材料与器件学报

CMOS兼容的微机械P/N多晶硅热电堆红外探测器

0引言目前的微机械红外热电堆采用的热偶材料有金属热偶[1]、多晶硅-金属热偶[2]、硅/多晶硅-铝热偶[3,4]等。其中金属材料由于塞贝克系数[5]大,响应率大。例如,V lklein F发表的金属微机械热电堆红外探测器采用B i-Sb材料[1],其响应率可以达到180V/W,但由于塞贝克系数大的金属材料生长工艺与CMOS工艺不兼容,其大批量生产成本难以降低。1986年W ise K D等发表了多晶硅-金热偶材料的微机械热电堆红外探测器,响应率达到12V/W[2]。其采用封闭膜作为热隔离结构,使用深硼离子扩散的单晶硅做为热电堆冷结区和腐蚀停止区,利用背腐蚀方法[6,7]释放绝热结构,由于其制作工艺复杂,离子深扩散达数十微米,需要较长的腐蚀时间,成本高且不利于片上集成电路的保护和成品率的提高。实际上,在与CMOS兼容的材料中,大多数金属材料的塞贝克系数很小,一般为10-8V/K,而Si的塞贝克系数要大得多,达到10-4~10-3V...  (本文共7页) 阅读全文>>

中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所)
中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所)

CMOS兼容的干法刻蚀释放热电堆红外探测器

作为传统的红外探测器,非制冷型的热电堆探测器由于其结构简单、尺寸较小、成本较低等特点而被广泛应用。采用微机械手段加工的MEMS热电堆探测器可以充分利用CMOS工艺实现与信号处理电路的单片集成,从而进一步提高性能降低成本。本文试图以热电堆红外探测器为例研究MEMS器件与CMOS电路的兼容性问题。针对传统微机械热电堆器件使用背面腐蚀或者正面各项异性湿法腐蚀释放结构方面的问题,本文提出了一种采用XeF_2气体各项同性干法刻蚀单晶硅释放工艺的热电堆结构,并讨论了不同形状的刻蚀开口对释放结构的影响。采用正交矩阵实验方法研究了器件制作过程中的两项关键工艺:PECVD淀积低应力Si_3N_4薄膜和XeF_2刻蚀硅工艺。实验结果显示,对于前者,低频脉冲持续时间对Si_3N_4薄膜应力影响最大,并且该时间越长,压应力越大。对于后者,实际器件释放工艺所用的优化参数为:20个刻蚀循环,每个循环的刻蚀时间为60s,XeF_2压力为4torr。本文还提出...  (本文共79页) 本文目录 | 阅读全文>>