CN109459143B - 基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器 - Google Patents

Abstract

基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器涉及红外传感技术领域，解决了现有技术中吸收率较低的问题，包括从下至上依次连接的读出集成电路衬底、压电薄膜和表面等离激元。本发明非制冷红外传感器通过在压电薄膜表面集成表面等离激元，利用表面等离激元实现对红外光谱的增强吸收，吸收的能量作用于压电薄膜上，将非制冷红外传感器的吸收率从20％提高到80％以上，同时增加了非制冷红外传感器对入射频谱的选择性；通过压电薄膜和表面等离激元集成在读出集成电路衬底上，可集成制造、批量生产，且成本低廉；既有传统非制冷红外传感的优点，同时响应快速、传感灵敏度高。

Description

基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器

技术领域

本发明涉及红外传感技术领域，具体涉及基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器。

背景技术

非制冷型红外传感器也叫室温传感器，可在室温条件下工作。非制冷红外传感器一般是热传感器，即通过传感红外辐射的热效应来工作。非制冷红外传感器具有体积小、重量轻、寿命长、成本低、功耗低等优点，因此非制冷红外传感器在军事、安防、医疗检测等领域得到越来越广泛的应用。

近年来，随着微纳传感技术的发展，压电薄膜的应用也扩展到非制冷红外传感器领域。一方面，压电薄膜通常具有微型的尺寸，抗外界干扰能力更强；另一方面，压电薄膜通常工作在谐振模拟，且具有很高的品质因数，所以器件表现出很高的灵敏度；以上两个方面促使基于压电薄膜的非制冷红外传感器表现出优秀的信噪比指标。另外，压电薄膜采用频率读出电路方式，该种方式可以有效抑制闪烁噪声(1/f噪声)。

然而压电薄膜的敏感表面对红外辐射的吸收率较低，一般小于20％，且对入射频谱没有选择性。从而导致基于压电薄膜的非制冷红外传感器对红外辐射的吸收率较低。因此，基于压电薄膜的非制冷红外传感器的红外光谱吸收率低和对入射频谱没有选择性一直是难以攻破的难题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器，包括压电薄膜，该红外传感器还包括连接压电薄膜的读出集成电路衬底和位于压电薄膜上表面上的表面等离激元。

本发明的有益效果是：

1、通过在压电薄膜表面集成表面等离激元的结构，利用表面等离激元实现对红外光谱的增强吸收，吸收的能量作用于压电薄膜上，克服了压电薄膜的敏感表面对红外辐射的吸收率较低的问题，将非制冷红外传感器的吸收率提高到80％以上。

2、通过采用表面等离激元增加了非制冷红外传感器对入射频谱的选择性。

3、本发明的非制冷红外传感器是薄膜结构，相比于以往微桥结构的非制冷红外传感器在抗震性能和像元一致性等方面具有明显优势。

4、本发明将压电薄膜和表面等离激元集成在读出集成电路衬底上，因此具有集成制造、批量生产、成本低廉等优势。

5、本发明的基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器既有传统非制冷红外传感低成本、小型化、高稳定性、长寿命的优点，也兼具制冷型红外传感器快速响应、高传感灵敏度的优点。

附图说明

图1为本发明的非制冷红外传感器的三维结构示意图。

图2为本发明的非制冷红外传感器的表面等离激元的结构示意图。

图3为本发明的非制冷红外传感器的压电薄膜的结构示意图。

图4为本发明的非制冷红外传感器的制备过程S1对应的状态图。

图5为本发明的非制冷红外传感器的制备过程S2对应的状态图。

图6为本发明的非制冷红外传感器的制备过程S3对应的状态图。

图7为本发明的非制冷红外传感器的制备过程S4对应的状态图。

图8为本发明的非制冷红外传感器的制备过程S5对应的状态图。

图9为本发明的非制冷红外传感器的制备过程S6对应的状态图。

图10为本发明的非制冷红外传感器的制备过程S7对应的状态图。

图11为本发明的非制冷红外传感器的制备过程S8对应的状态图。

图12为本发明的非制冷红外传感器的制备过程S9对应的状态图。

图13为本发明的非制冷红外传感器的制备过程S10对应的状态图。

图14为本发明的非制冷红外传感器的制备过程S11对应的状态图。

图15为本发明的非制冷红外传感器的制备过程S12对应的状态图。

图16为本发明的非制冷红外传感器的制备过程S13对应的状态图。

图17为本发明的非制冷红外传感器的制备过程S14对应的状态图。

图18为本发明的非制冷红外传感器的制备过程S15对应的状态图。

图中：1、读出集成电路衬底，1-1、第一衬底电极，1-2、第二衬底电极，1-3、衬底，2、压电薄膜，2-1、顶电极，2-.2、压电层，2-3、底电极，2-4、第一电极，2-5、第二电极，2-6、硅基底，2-7、右通孔电极，2-8、左通孔电极，2-9、空腔，2-17、右通孔，2-18、左通孔，2-19、凹槽，2-29、牺牲层，3、表面等离激元，3-1、金属阵列层，3-2、介质层，3-3、金属反射层，4、围板，5、红外窗口。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器，如图1所示，包括读出集成电路衬底1、压电薄膜2和表面等离激元3。读出集成电路衬底1、压电薄膜2和表面等离激元3依次连接。读出集成电路衬底1位于最底层，压电薄膜2位于中间层，表面等离激元3位于最上层，表面等离激元3位于压电薄膜2上表面上。读出集成电路衬底1、压电薄膜2和表面等离激元3可直接连接，也可以压电薄膜2和表面等离激元3之间通过第一连接层连接、读出集成电路衬底1和压电薄膜2之间通过第二连接层连接。

本发明基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器，提供了一种基于表面等离激元3和压电薄膜2技术的非制冷红外传感器结构。其传感机理在于利用表面等离激元3实现对红外光谱的增强吸收，吸收的能量作用于压电薄膜2上，通过检测压电薄膜2电学参数的变化，推导出红外辐射量。本发明通过在压电薄膜2表面集成表面等离激元3的结构，克服了压电薄膜2的敏感表面对红外辐射的吸收率较低的问题，将非制冷红外传感器的吸收率提高到80％以上。同时，通过在压电薄膜2表面集成表面等离激元3克服了压电薄膜2对入射频谱没有选择性的问题，增加非制冷红外传感器对入射频谱的选择性。本发明提供的非制冷红外传感器是薄膜结构，相比于以往微桥结构的非制冷红外传感器在抗震性能和像元一致性等方面具有明显优势。通过压电薄膜2和表面等离激元3集成在读出集成电路衬底1上，因此具有集成制造、批量生产、成本低廉等优势。该非制冷红外传感器既有传统非制冷红外传感低成本、小型化、高稳定性、长寿命的优点，也兼具制冷型红外传感器快速响应、高传感灵敏度的优点。

本发明的红外传感器还包括围板4和红外窗口5。如图18所示，围板4设置在读出集成电路衬底1上，例如通过密封胶粘在读出集成电路衬底1上表面。红外窗口5设置在围板4上，而且红外窗口5位于表面等离激元3的正上方，允许红外光透过该红外窗口5照射在表面等离激元3的表面。读出集成电路衬底1、围板4和红外窗口5共同构成密封腔，根据工作条件的需求，密封腔为压电薄膜2和表面等离激元3提供真空环境。

上述读出集成电路衬底1包括衬底1-3、设置在衬底1-3上且连接衬底1-3的两个衬底电极，分别称为第一衬底电极1-1和第二衬底电极1-2，如图16所示。读出集成电路衬底1的功能是读取压电薄膜2的电学信号。通常读出集成电路衬底1工作在射频波段，更具体地，读出集成电路衬底1工作在压电薄膜2的谐振频率附近波段(约1GHz～3GHz)。

表面等离激元3由从下到上依次为金属反射层3-3、介质层3-2和金属阵列层3-1组成，如图2所示，介质层3-2位于金属反射层3-3的上表面上，金属阵列层3-1位于介质层3-2的上表面上。金属阵列层3-1的材料通常采用Au、Ag、Al等，但不限于这三种金属；金属阵列层3-1制作工艺可采用常用半导体工艺及电子束光刻技术。介质层3-2的材料通常采用Ge、MgF₂、SiO₂或AlN等，但不限于这些材料。

压电薄膜2包括硅基底2-6、空腔2-9、底电极2-3、压电层2-2、顶电极2-1、左通孔电极2-8、右通孔电极2-7、第一电极2-4和第二电极2-5，具体结构如图3所示。硅基底2-6上设有左通孔2-18和右通孔2-17，左通孔电极2-8位于左通孔2-18内、左通孔电极2-8填充左通孔2-18，右通孔电极2-7位于右通孔2-17内、右通孔电极2-7填充右通孔2-17。第一电极2-4和第二电极2-5均设置在硅基底2-6的下表面，第一电极2-4连接左通孔电极2-8的下端，可以为第一电极2-4与左通孔电极2-8一体成型，第二电极2-5连接右通孔电极2-7的下端，可以为第二电极2-5与右通孔电极2-7一体成型。第一电极2-4连接读出集成电路衬底1的第一衬底电极1-1，第二电极2-5连接读出集成电路衬底1的第二衬底电极1-2，左通孔电极2-8通过第一电极2-4连通读出集成电路衬底1，右通孔电极2-7通过第二电极2-5连通读出集成电路衬底1。空腔2-9位于硅基底2-6的上表面，底电极2-3设置在空腔2-9和硅基底2-6的上面，空腔2-9位于底电极2-3和硅基底2-6之间，底电极2-3覆盖空腔2-9，即空腔2-9在硅基底2-6上的投影面积小于底电极2-3在硅基底2-6上的投影面积，也就是底电极2-3和硅基底2-6的中间的空间称之为空腔2-9，空腔2-9作用是实现声波的反射，将机械能限制在压电薄膜2内部。压电层2-2设置在底电极2-3上表面上，顶电极2-1设置在压电层2-2上表面上，顶电极2-1与表面等离激元3的金属反射层3-3连接，金属反射层3-3设置在顶电极2-1的上表面上，底电极2-3连接左通孔电极2-8的上端，顶电极2-1连接右通孔电极2-7的上端。优选的是，压电层2-2在硅基底2-6上的投影面积大于空腔2-9在硅基底2-6上的投影面积。

上述的底电极2-3和顶电极2-1通常采用Mo、W、Al、Pt或者Ni等材料。压电层2-2通常采用AlN、ZnO、LiNbO₃或石英等材料。右通孔电极2-7、左通孔电极2-8、第一电极2-4和第二电极2-5通常采用电镀工艺制作，可选材料包括Au、Cu或Ni，但不限于这几种材料。

根据本发明基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器，提供了基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器的制备方法。具体步骤如下：

S1、取得硅基底2-6

如图4所示，取得硅基底2-6；硅基底2-6为半导体行业中常用的高阻双抛硅片。

S2、在硅基底2-6上制备左通孔2-18、右通孔2-17和凹槽2-19

如图5所示，在硅基底2-6上制备左通孔2-18、右通孔2-17和凹槽2-19(在S12中，凹槽2-19配合底电极2-3成为空腔2-9)。左通孔2-18和右通孔2-17的制备工艺通常采用深硅离子反应刻蚀(DRIE)。凹槽2-19的制备工艺可以采用干法或湿法刻蚀。

S3、制作导电电极

如图6所示，在左通孔2-18内制备左通孔电极2-8，在右通孔2-17内制备右通孔电极2-7，在左通孔电极2-8下端、硅基底2-6的下表面制作第一电极2-4，在右通孔电极2-7下端、硅基底2-6的下表面制作第二电极2-5。左通孔电极2-8、右通孔电极2-7、第一电极2-4和第二电极2-5的制备工艺通常采用电镀的方法，电镀的材料可以选用Cu、Au或Ni等。

S4、利用牺牲层材料填充凹槽2-19

如图7所示，在硅基底2-6上表面沉积第一牺牲层，第一牺牲层覆盖凹槽2-19和硅基底2-6上表面。第一牺牲层的厚度要大于凹槽2-19的深度。第一牺牲层的材料通常采用硼硅玻璃。第一牺牲层以及下述的第二牺牲层统称为牺牲层2-29。

S5、将硅基底2-6上表面磨平

如图8所示，将硅基底2-6上表面进行平坦化处理。平坦化通常采用化学机械研磨的工艺。硅基底2-6平坦化后，硅基底2-6上表面露出左通孔电极2-8和右通孔电极2-7，第一牺牲层平坦化后称为第二牺牲层，第二牺牲层仅存在于凹槽2-19中，第二牺牲层上表面与硅基底2-6上表面共面。

S6、制备底电极2-3

如图9所示，在S5完成后的硅基底2-6上表面和第二牺牲层上表面制备底电极2-3。底电极2-3一端与左通孔电极2-8的上端连接，底电极2-3覆盖第二牺牲层。底电极2-3的制备通常采用磁控溅射的工艺。

S7、制备压电层2-2

如图10所示，在底电极2-3上表面上制备压电层2-2。优选的是，压电层2-2在硅基底2-6上的投影面积大于凹槽2-19(即S12的空腔2-9)在硅基底2-6上的投影面积。压电层2-2通常采用气相化学沉积的方法制备。

S8、制备顶电极2-1

如图11所示，在压电层2-2上表面上制备顶电极2-1。顶电极2-1的一端与右通孔电极2-7连接。顶电极2-1的制备通常采用磁控溅射的工艺。

S9、制备金属反射层3-3

如图12所示，在顶电极2-1上表面上制备表面等离激元3的金属反射层3-3。金属反射层3-3通常采用溅射或者真空蒸镀的方法制备，金属反射层3-3的面积要小于顶电极2-1。

S10、制备介质层3-2

如图13所示，在金属反射层3-3上表面上制备介质层3-2。介质层3-2的制备通常采用溅射或者真空蒸镀等工艺方法。介质层3-2面积通常小于等于金属反射层3-3面积，介质层3-2的下表面的面积小于等于金属反射层3-3上表面的面积。

S11、制备金属阵列层3-1

如图14所示，在介质层3-2上表面上制备金属阵列层3-1，此时得到表面等离激元3。金属阵列层3-1可以采用光刻或者电子束光刻、剥离等工艺完成。

S12、刻蚀牺牲层2-29以得到空腔2-9

如图15所示，释放第二牺牲层，得到空腔2-9，即此时得到了压电薄膜2，此时表面等离激元3与压电薄膜2为连接状态。上述空腔2-9可以采用HF溶液湿法刻蚀第二牺牲层或者采用气态HF干法刻蚀第二牺牲层得到。

S13、制备读出集成电路衬底1

如图16所示，制备读出集成电路衬底1。

S14、将读出集成电路衬底1与压电薄膜2进行键合

如图17所示，通过键合的方式，将压电薄膜2与读出集成电路衬底1连接，得到非制冷红外传感器。也就是将第一衬底电极1-1和第一电极2-4连接、将第二衬底电极1-2和第二电极2-5连接。键合方式通常采用金属热压键合工艺。

S15、封装

如图18所示，对S14所得到的器件进行封装。围板4胶在读出集成电路衬底1上，再将红外窗口5胶连围板4的上部，读出集成电路衬底1、围板4和红外窗口5组成密封腔。围板4可以采用硅片晶圆、玻璃片或者陶瓷封装结构等。该密封腔可根据压电薄膜2和表面等离激元3的要求，对密封腔抽真空。制备完成。

上述制造方法是通过MEMS微加工方法，将压电薄膜2和表面等离激元3集成在读出集成电路衬底1上，因此具有集成制造、批量生产、成本低廉等优势。

Claims (6)

1.基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器，包括压电薄膜(2)，其特征在于，该红外传感器还包括连接压电薄膜(2)的读出集成电路衬底(1)和位于压电薄膜(2)上表面上的表面等离激元(3)；

所述读出集成电路衬底(1)包括衬底(1-3)和衬底电极，所述衬底电极的数量为两个，衬底电极位于衬底(1-3)上表面上，衬底电极连接衬底(1-3)和压电薄膜(2)；

所述压电薄膜(2)包括硅基底(2-6)、空腔(2-9)、底电极(2-3)、压电层(2-2)、顶电极(2-1)、左通孔电极(2-8)、右通孔电极(2-7)、第一电极(2-4)和第二电极(2-5)，第一电极(2-4)和第二电极(2-5)位于硅基底(2-6)下表面、且一一对应的连接两个衬底电极，左通孔电极(2-8)和右通孔电极(2-7)均位于硅基底(2-6)内且一一对应连接第一电极(2-4)和第二电极(2-5)，底电极(2-3)连接左通孔电极(2-8)且位于硅基底(2-6)上，空腔(2-9)位于硅基底(2-6)和底电极(2-3)之间，且空腔(2-9)在硅基底(2-6)上的投影面积小于底电极(2-3)在硅基底(2-6)上的投影面积，压电层(2-2)设置在底电极(2-3)上表面上，顶电极(2-1)设置在压电层(2-2)上表面上且连接右通孔电极(2-7)，顶电极(2-1)的上表面上设置金属反射层(3-3)。

2.如权利要求1所述的基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器，其特征在于，所述表面等离激元(3)包括从下到上依次连接的金属反射层(3-3)、介质层(3-2)和金属阵列层(3-1)。

3.如权利要求1所述的基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器，其特征在于，所述压电层(2-2)在硅基底(2-6)上的投影面积大于空腔(2-9)在硅基底(2-6)上的投影面积。

4.如权利要求1所述的基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器，其特征在于，所述金属阵列层(3-1)的材料为Au、Ag或Al；介质层(3-2)的材料为Ge、MgF₂、SiO₂或AlN；底电极(2-3)和顶电极(2-1)的材料为Mo、W、Al、Pt或Ni；压电层(2-2)的材料为AlN、ZnO、LiNbO₃或石英；左通孔电极(2-8)、右通孔电极(2-7)、第一电极(2-4)和第二电极(2-5)的材料为Au、Cu或Ni。

5.如权利要求1所述的基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器，其特征在于，红外传感器还包括设置在读出集成电路衬底(1)上的围板(4)和设置在围板(4)上的红外窗口(5)，所述红外窗口(5)位于表面等离激元(3)的正上方，读出集成电路衬底(1)、围板(4)和红外窗口(5)共同构成密封腔。

6.如权利要求1所述的基于等离激元及压电薄膜温度频率特性的红外传感器，其特征在于，红外传感器还包括第一连接层和第二连接层，压电薄膜(2)通过第一连接层连接表面等离激元(3)，读出集成电路衬底(1)通过第二连接层连接压电薄膜(2)。

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