微电子技术是MEMS技术的重要基础,其加工手段是MEMS技术重要加工手段之一。MEMS也有它自己的特点,如工艺多样化,能制作梁、隔膜、凹槽、孔、密封洞、锥、针尖、弹簧及所构成的复杂机械结构,同时它能与微电子工艺兼容,器件实现批量生产,成本降低。MEMS技术几乎可应用到各个领域,尤其是要求小尺寸、高精度、高可靠性及低功耗的高科技领域。
3 MEMS技术在非制冷红外探测器中的应用
近年来,MEMS技术得到了迅速发展,将其应用于非制冷红外探测器有了比较成功的例子,为现有单元器件小型化和高密度阵列集成开辟了一条新的途径。
3.1微机械红外热电堆探测器
红外热电堆探测器的工作原理为塞贝克效应(Seebeckeffect)。早先的红外热电堆探测器是利用掩膜真空镀膜的方法,将热电偶材料沉积到塑料或陶瓷衬底上获得的,但器件的尺寸较大,且不易批量生产。随着MEMS技术的应用,出现了微机械红外热电堆探测器。K.D.Wise等人,最先利用MEMS技术于20世纪80年代初制造获得了硅基红外热电堆探测器。
微机械红外热电堆芯片的基本结构如图1所示‘刮。器件制作一般采用体硅,从硅片背面利用硅的各向异性腐蚀而得到呈金字塔型的腐蚀孔,侧壁为慢腐蚀面(111)。现在主要通过薄膜结构来实现热结区与冷结区的隔热结构。应用的薄膜结构有两类,即封闭膜结构(图1(a))和悬梁结构(图1(b)),其中封闭膜是指热堆的支撑膜为整层的复合介质膜,一般为氮化硅膜或氮化硅与氧化硅复合膜。悬梁则是指周围为气氛介质所包围,一端固支、一端悬空的膜结构。从隔热效果来说,悬梁比封闭膜更具优势,因为在封闭膜结构中热可以沿着介质支撑膜传播,而并不完全沿着热偶对传播,使热耗散较大,热电转换效率低,灵敏度小。但从工艺制造过程以及成品率角度来说,封闭膜更具优势,因为这种膜结构的优点在于结构稳定,由于膜与基体处处相连,因此受应力影响小,制造过程中膜本身不易破裂,成品率高,易制造而悬梁与基体间只通过固支一端相连,另一端悬空,因此受应力的影响显著,制造过程中膜容易发生翘曲或破裂,故成品率较低,不易制造。
现在许多研究团体正致力于微机械红外热电堆阵列的研究,而硅基热电堆是其中的研究热点,如多晶硅/金热偶线阵列、硅/铝热偶线阵列、n型多晶硅/p型多晶硅热偶面阵列。与一般的红外探测器相比,微机械红外热堆探测器的优点在于:①具有较高的灵敏度,宽松的工作环境与非常宽的频谱响应:②与标准IC工艺兼容,成本低廉且适合批量生产。