多孔硅基MEMS非制冷红外探测器微结构与工艺研究

【摘要】：本论文基于MEMS非制冷红外探测器,详述了非制冷红外微测辐射热计的原理、关键参数及研究现状,对器件结构及热敏材料进行了研究。提出了一套基于多孔硅(PS)技术的非制冷红外微测辐射热计工艺流程,进行了器件的工艺流程设计,研究了绝热结构对器件性能的影响,并进行热学和力学分析;对MEMS工艺中关键问题进行分析讨论,通过工艺改进、优化探测器制备工艺及测辐射热计支撑结构的设计,进行工艺流程的调整。 提出多孔硅作为微测辐射热计绝热层的新思路,在微热敏系统中采用多孔硅作为绝热层可以获得快速的温度变化响应和低的热损耗,提高了系统的稳定性和可靠性。本文对多孔硅的制备方法、孔隙率、厚度、硅片类型及微观结构与性能的关系进行详细研究,并进行了相应的计算机模拟;介绍了多孔硅材料纳米力学及热学测试的一些基本方法;利用显微拉曼光谱法研究了多孔硅绝热层材料的微观结构与其绝热性能的关系;利用纳米压痕仪测量其硬度和杨氏模量,得到多孔硅力学性能与微观结构的关系。 利用直流对靶反应磁控溅射法制备氧化钒薄膜(VOx),研究了基底条件对氧化钒薄膜微观结构、纳米力学性能及电阻温度性能的影响;对于VOx/PS/Si结构进行了制备和性能测试,研究了多孔硅基底的表面微结构对VOx薄膜的微观结构及生长过程的影响,同时进行了VOx/PS/Si薄膜结构的纳米力学性能测试,并对其电阻温度性能进行了研究。 对于非制冷红外微测辐射热计结构进行了ANSYS结构设计及Intellisuite工艺模拟。实验通过对非制冷红外微测辐射热计结构设计中将会起主要影响作用的各种因素的理论分析,进而对各种设计思路进行实际建模分析,得到理想中的结构。同时进行了微测辐射热计的工艺流程和版图设计,并进行了工艺验证,并提出相应的工艺优化方案。利用MEMS微制造技术形成微桥结构得以实现微米量级化,进而满足制造非制冷阵列探测系统的需要,为红外成像技术的发展开拓了道路。