3.2热释电非制冷红外探测器
热释电探测器的工作原理为热电晶体的热释电效应。由于热释电探测器的性能随着热量的下降而降低,所以良好的热绝缘结构是制作高性能热释电探测器的关键。最早采用的绝缘技术,是把热释电红外探测器或阵列通过可塑性金属(如In)台面与Si信号处理电路对接,但In的热绝缘性能很差,不利于制作高性能的大面积集成热释电红外焦平面阵列。现在多采用MEMS技术制作桥式结构或者悬浮的膜式结构来改善感应单元的热乡这样当红外光照射时,每个感应单元可以获得一个相对大的温度升高值,相应地提高了探测器的灵敏度。图2是一种采用悬浮的膜式结构的微机械热释电红外探测器感应单元截面图。
现在用于非致冷红外焦平面的铁电材料主要有BST,PZT和PST三种。下面是一种BST薄膜红外探测器膜式绝缘结构的制作方法。先用Pt/Ti/pSi/n-Si作衬底,采用溶胶-凝胶法沉积BST薄膜,然后利用光刻和离子束刻蚀技术,将BST薄膜与pt底电极刻成列阵图案,接着采用光刻和离子束溅射技术,在每个BST薄膜探测单元上面溅射Pt薄膜作为上电极,再使用双面光刻技术,与正面探测单元相对应,在基片的背面套刻彼此互不相连的面单元图案,使用EDP腐蚀去探测单元背面的Si衬底,使得每个探测单元悬空,形成膜式绝缘结构。
用MEMS技术制作桥式结构或者悬浮的膜式结构有两个关键问题需要解决:一是找到沉积高质量铁电材料薄膜的技术,该技术还必须与Si-CMOS电路的工艺温度和刻蚀技术相兼容;二是沉积膜与硅基底之间必须有高的热绝缘。
T.Evans等人利用硅胶做沉积膜与硅基底之间的热绝缘层,较好地解决了沉积膜与硅基底之间的热绝缘问题。当硅胶的孔隙率为75%~95%时,有着比空气更低的热导率(比较结果如图3所示),而且该方法与标准IC工艺完全兼容(这种技术在铁电存储器制作中已得到成熟运用),用这种技术做出的阵列是低成本非制冷红外探测器制作的又一选择。
3.3微测辐射热计