HEHS技術簡介

MEMS技術是在微電子製造工藝基礎上吸收融合其它加工工藝技術逐漸發展起來的。它是實現微型傳感器
、微型執行器、微能源及電子線路集成為一體的新興特殊微加工技術r3）， 由較小的0．5～500gm的可動子元件構成的器件係統。60年代初開發出了MEMS的重要技術一一晶體各向異性腐蝕和陽極鍵合技術；80年代末開發出LIGA技術
，並取得初步成果，研製出了齒輪
、曲柄、彈簧和微型電極以及更為複雜的MEMS

；90年代，MEMS技術已經進入實際應用，如汽車防撞氣囊用的加速度傳感器，成本僅為5美元左右。

通常，MEMS技術可分為體微機械加工（腐蝕
、鍍膜
、摻雜
、鍵合）、表麵微加工


、高深寬比微加工及超微精密加工等，同時還借助了一些成熟的半導體工藝，如光刻
、氧化、擴散、離子注入、濺射
、外延生長和澱積等技術。目前加工材料以矽基為主，同時對金屬、玻璃、陶瓷、塑料和Ⅲ，V族化合物等材料的研究也逐漸增多。
微電子技術是MEMS技術的重要基礎，其加工手段是MEMS技術重要加工手段之一。MEMS也有它自己的特點，如工藝多樣化，能製作梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞
、錐
、針尖、彈簧及所構成的複雜機械結構，同時它能與微電子工藝兼容，器件實現批量生產
，成本降低。MEMS技術幾乎可應用到各個領域
，尤其是要求小尺寸
、高精度、高可靠性及低功耗的高科技領域。

 

 
圖1：MEMS產業

MEMS技術在非製冷紅外探測器中的應用

近年來
，MEMS技(ji)術(shu)得(de)到(dao)了(le)迅(xun)速(su)發(fa)展(zhan)，將(jiang)其(qi)應(ying)用(yong)於(yu)非(fei)製(zhi)冷(leng)紅(hong)外(wai)探(tan)測(ce)器(qi)有(you)了(le)比(bi)較(jiao)成(cheng)功(gong)的(de)例(li)子(zi)，為(wei)現(xian)有(you)單(dan)元(yuan)器(qi)件(jian)小(xiao)型(xing)化(hua)和(he)高(gao)密(mi)度(du)陣(zhen)列(lie)集(ji)成(cheng)開(kai)辟(pi)了(le)一(yi)條(tiao)新(xin)的(de)途(tu)徑(jing)。

微機械紅外熱電堆探測器

紅外熱電堆探測器的工作原理為塞貝克效應（Seebeckeffect）。早(zao)先(xian)的(de)紅(hong)外(wai)熱(re)電(dian)堆(dui)探(tan)測(ce)器(qi)是(shi)利(li)用(yong)掩(yan)膜(mo)真(zhen)空(kong)鍍(du)膜(mo)的(de)方(fang)法(fa)

，將(jiang)熱(re)電(dian)偶(ou)材(cai)料(liao)沉(chen)積(ji)到(dao)塑(su)料(liao)或(huo)陶(tao)瓷(ci)襯(chen)底(di)上(shang)獲(huo)得(de)的(de)
，但(dan)器(qi)件(jian)的(de)尺(chi)寸(cun)較(jiao)大(da)，且(qie)不(bu)易(yi)批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)。隨(sui)著(zhe)MEMS技術的應用，出現了微機械紅外熱電堆探測器。K．D．Wise等人

，最先利用MEMS技術於20世紀80年代初製造獲得了矽基紅外熱電堆探測器。

器件製作一般采用體矽，從矽片背麵利用矽的各向異性腐蝕而得到呈金字塔型的腐蝕孔，側壁為慢腐蝕麵。現在主要通過薄膜結(jie)構(gou)來(lai)實(shi)現(xian)熱(re)結(jie)區(qu)與(yu)冷(leng)結(jie)區(qu)的(de)隔(ge)熱(re)結(jie)構(gou)。應(ying)用(yong)的(de)薄(bo)膜(mo)結(jie)構(gou)有(you)兩(liang)類(lei)
，即(ji)封(feng)閉(bi)膜(mo)結(jie)構(gou)和(he)懸(xuan)梁(liang)結(jie)構(gou)
，其(qi)中(zhong)封(feng)閉(bi)膜(mo)是(shi)指(zhi)熱(re)堆(dui)的(de)支(zhi)撐(cheng)膜(mo)為(wei)整(zheng)層(ceng)的(de)複(fu)合(he)介(jie)質(zhi)膜(mo)
，一(yi)般(ban)為(wei)氮(dan)化(hua)矽(gui)膜(mo)或(huo)氮(dan)化(hua)矽(gui)與(yu)氧(yang)化(hua)矽(gui)複(fu)合(he)膜(mo)。懸(xuan)梁(liang)則(ze)是(shi)指(zhi)周(zhou)圍(wei)為(wei)氣(qi)氛(fen)介(jie)質(zhi)所(suo)包(bao)圍(wei)，一(yi)端(duan)固(gu)支(zhi)
、yiduanxuankongdemojiegou。conggerexiaoguolaishuo
，xuanliangbifengbimogengjuyoushi，yinweizaifengbimojiegouzhongrekeyiyanzhejiezhizhichengmochuanbo，erbingbuwanquanyanzhereouduichuanbo
，shirehaosanjiaoda，redianzhuanhuanxiaolvdi，lingminduxiao。danconggongyizhizaoguochengyijichengpinlvjiaodulaishuo，fengbimogengjuyoushi

，yinweizhezhongmojiegoudeyoudianzaiyujiegouwending
，youyumoyujitichuchuxianglian，yincishouyingliyingxiangxiao
，zhizaoguochengzhongmobenshenbuyipolie
，chengpinlvgao，yizhizaoerxuanliangyujitijianzhitongguoguzhiyiduanxianglian，lingyiduanxuankong
，yincishouyinglideyingxiangxianzhu
，zhizaoguochengzhongmorongyifashengqiaoquhuopolie，guchengpinlvjiaodi
，buyizhizao。

現在許多研究團體正致力於微機械紅外熱電堆陣列的研究
，而矽基熱電堆是其中的研究熱點，如多晶矽／金熱偶線陣列
、矽／鋁熱偶線陣列、n型多晶矽／p型多晶矽熱偶麵陣列。與一般的紅外探測器相比，微機械紅外熱堆探測器的優點在於：①具有較高的靈敏度

，寬鬆的工作環境與非常寬的頻譜響應：②與標準IC工藝兼容，成本低廉且適合批量生產。

熱釋電非製冷紅外探測器

reshidiantanceqidegongzuoyuanliweiredianjingtidereshidianxiaoying。youyureshidiantanceqidexingnengsuizhereliangdexiajiangerjiangdi
，suoyilianghaoderejueyuanjiegoushizhizuogaoxingnengreshidiantanceqideguanjian。zuizaocaiyongdejueyuanjishu
，shibareshidianhongwaitanceqihuozhenlietongguokesuxingjinshu（如In）台麵與Si信號處理電路對接，但In的熱絕緣性能很差，不利於製作高性能的大麵積集成熱釋電紅外焦平麵陣列。現在多采用MEMS技ji術shu製zhi作zuo橋qiao式shi結jie構gou或huo者zhe懸xuan浮fu的de膜mo式shi結jie構gou來lai改gai善shan感gan應ying單dan元yuan的de熱re鄉xiang這zhe樣yang當dang紅hong外wai光guang照zhao射she時shi
，每mei個ge感gan應ying單dan元yuan可ke以yi獲huo得de一yi個ge相xiang對dui大da的de溫wen度du升sheng高gao值zhi

，相xiang應ying地di提ti高gao了le探tan測ce器qi的de靈ling敏min度du。是shi一yi種zhong采cai用yong懸xuan浮fu的de膜mo式shi結jie構gou的de微wei機ji械xie熱re釋shi電dian紅hong外wai探tan測ce器qi感gan應ying單dan元yuan截jie麵mian圖tu。

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現在用於非致冷紅外焦平麵的鐵電材料主要有BST，PZT和PST三種。下麵是一種BST薄膜紅外探測器膜式絕緣結構的製作方法。先用Pt／Ti／pSi／n-Si作襯底
，采用溶膠-凝膠法沉積BST薄膜
，然後利用光刻和離子束刻蝕技術，將BST薄膜與pt底電極刻成列陣圖案，接著采用光刻和離子束濺射技術
，在每個BST薄膜探測單元上麵濺射Pt薄膜作為上電極
，再使用雙麵光刻技術
，與正麵探測單元相對應，在基片的背麵套刻彼此互不相連的麵單元圖案，使用EDP腐蝕去探測單元背麵的Si襯底
，使得每個探測單元懸空，形成膜式絕緣結構。

 
圖2：非製冷紅外探測器

MEMS技術製作橋式結構或者懸浮的膜式結構有兩個關鍵問題需要解決：一是找到沉積高質量鐵電材料薄膜的技術
，該技術必須與Si-CMOS電路的工藝溫度和刻蝕技術相兼容；二是沉積膜與矽基底之間必須有高的熱絕緣。

T．Evans等人利用矽膠做沉積膜與矽基底之間的熱絕緣層，較好地解決了沉積膜與矽基底之間的熱絕緣問題。當矽膠的孔隙率為75％～95％時，有著比空氣更低的熱導率，而且該方法與標準IC工藝完全兼容（這種技術在鐵電存儲器製作中已得到成熟運用），用這種技術做出的陣列是低成本非製冷紅外探測器製作的又一選擇。

 
圖3：非製冷紅外探測器光學原理

微測輻射熱計

微wei測ce輻fu射she熱re計ji是shi利li用yong物wu體ti體ti電dian阻zu對dui溫wen度du的de敏min感gan性xing製zhi成cheng的de。為wei了le盡jin可ke能neng的de增zeng加jia器qi件jian的de熱re絕jue緣yuan性xing
，減jian小xiao熱re導dao以yi提ti高gao器qi件jian的de靈ling敏min度du，現xian在zai大da多duo采cai用yongMEMS技術實現懸浮微橋結構來解決這一問題。它采用兩臂支撐的微橋實現熱絕緣
，Si，N，作為支撐薄膜，微橋下方的矽襯底被掏空，微橋橋麵上製作多晶鍺矽Poly-Si07Ge03


，薄膜電阻作熱敏探測源
，為提高對紅外的吸收，表麵有Sio／SiN複合膜作紅外吸收層。

和he微wei機ji械xie熱re釋shi電dian探tan測ce器qi相xiang比bi較jiao而er言yan，在zai性xing能neng和he低di成cheng本ben等deng方fang麵mian，微wei測ce輻fu射she熱re計ji占zhan有you優you勢shi
，走zou單dan片pian式shi橋qiao狀zhuang熱re絕jue緣yuan探tan測ce器qi結jie構gou的de途tu徑jing，測ce輻fu射she熱re計ji也ye比bi熱re釋shi電dian探tan測ce器qi早zao走zou了le十shi多duo年nian。目mu前qian微wei測ce輻fu射she熱re計ji陣zhen列lie大da小xiao已yi達da640X 480，像素尺寸可以做到25um×25um
，性能已達到非製冷光子探測器的水平。

 
圖4：信號處理組成框圖

DenizSabuncuoglutezcan等人最新報道用一種完全與IC技術兼容的MEMS~藝做出了一種新的微測輻射熱計。它利用矽的各向異性腐蝕把CMOS結構的n阱掏空而形成懸吊結構（利用TMAH溶液的電化學腐蝕停技術）。用這種方法做成的微測輻射熱計

， 當象素單元為74LLmX 74~tm時，直流響應率達到9250V／W，探測率可達2 X 109cmHzla／W，而且由於這種方法在完成CMOS結構後不再需要任何光刻或者紅外敏感材料的沉積
，使得探測器的成本就大大降低
，幾乎可以做到與CMOS芯片的成本等價，因此這種方法具有非常大的發展前途。

相xiang比bi較jiao以yi上shang三san類lei探tan測ce器qi，熱re電dian堆dui探tan測ce器qi的de性xing能neng處chu於yu劣lie勢shi
，研yan究jiu也ye相xiang對dui較jiao少shao，而er對dui測ce輻fu射she熱re探tan測ce器qi和he熱re釋shi電dian探tan測ce器qi而er言yan
，在zai性xing能neng和he低di成cheng本ben方fang麵mian相xiang對dui較jiao好hao。但dan正zheng是shi由you於yuMEMS技術和IC工藝的應用，才使得探測器整體性能不斷提高、成本不斷降低。

其它非製冷紅外探測器

由於MEMS技術的獨特優勢
，使得探測器陣列元件集成度更高，性能更好

，有越來越多的研究團體利用MEMS技ji術shu研yan製zhi出chu了le其qi它ta種zhong類lei的de非fei製zhi冷leng紅hong外wai探tan測ce器qi。是shi一yi種zhong利li用yong真zhen空kong勢shi壘lei中zhong存cun在zai的de電dian子zi隧sui穿chuan效xiao應ying而er製zhi成cheng的de微wei機ji械xie電dian子zi隧sui道dao紅hong外wai探tan測ce器qi這zhe種zhong探tan測ce器qi采cai用yong三san層ceng矽gui結jie構gou：第一層矽結構製作隧道矽尖電極和靜電偏轉電極；第二層矽結構製作彈性敏感薄膜和一半氣腔：第三層矽結構製作紅外透射膜和另一半氣腔。這種探測器的靈敏度比較高，電子隧穿位移傳感器部分的分辨率可達10-4nm／Hzl／2。

MEMS技術作為一種新興交叉學科的產物
，在非製冷紅外探測器的發展中起到了突破性的作用，隨著各種MEMS新技術越來越多地融入，非製冷紅外探測器的發展也必定會越來越有生機。