一种MEMS红外光源及其制作方法与流程

本发明涉及红外光源技术领域，尤其涉及一种MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统)红外光源及其制作方法。

背景技术：

红外技术在国防、信息技术与通讯、污染监测、温度调控、医学等领域得到广泛应用。作为红外技术应用的重要部件，红外光源的研究得到越来越多的关注。红外光源的一个重要应用是红外气体传感器。

目前，MEMS红外光源广泛应用于NDIR(non-dispersive in fra-red，非色散红外)系统中，通过加热电阻产生焦耳热对黑体辐射层进行加热，使黑体辐射层发射出热辐射红外光，红外光经过待测气体时被吸收发生衰减，通过对比衰减前后的光强计算出待测气体的浓度。

由于黑体辐射产生的红外光谱取决于辐射温度，因此红外光源的温度变化对NDIR系统中传感器的测量结果有显著影响。目前NDIR系统普遍在远离光源的探测器端放置温度传感器，当光源温度发生变化时，探测器端的温度传感器将始终存在一个滞后效应，导致温度传感器测量结果的基线发生漂移，影响测量的稳定性和精度。

目前的红外光源器件往往仅有加热发光功能，如果温度传感器仅是安装在红外光源器件的附近，所测量的温度变化会存在反应滞后、非线性等问题，因此，要实现对红外光源发光状态的实时监控，需要在红外光源最核心的芯片上集成温度传感器。

但现有技术中的红外光源将温度传感器集成在红外光源的芯片上时，存在线性度较差，并且受外界环境影响较大的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种MEMS红外光源及其制作方法，以解决现有技术中红外光源将温度传感器集成在红外光源的芯片上时，存在线性度较差，并且受外界环境影响较大的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

经由上述的技术方案可知，本发明提供的MEMS红外光源包括衬底、支撑层、第一热敏电阻层、介质层、第二热敏电阻层、隔离保护层、加热电阻层和辐射层，其中，第一热敏电阻层和第二热敏电阻层中的其中一层为温度传感器，另一层为温度补偿传感器，本发明中利用一层热敏电阻层作为温度传感器，直接在外界通过所述热敏电阻层的阻值变化测量MEMS红外光源的辐射区温度变化；利用另一层的温度补偿性能，在一定温度范围内于外围的补偿回路中抵消温漂产生的误差，即本发明提供的MEMS红外光源能够在实时监测温度漂移的同时进行实时温度补偿，从而提高MEMS红外光源的测量线性度，避免器受外界环境影响，进而提高了NDIR系统的探测精度、准确性和分辨率，在NDIR气体传感领域有应用前景。

另外，本发明还提供一种MEMS红外光源制作方法，由于所述MEMS红外光源的各个结构的制作均与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺兼容或均采用MEMS工艺制作，从而便于与MEMS红外光源内部芯片的制作工艺兼容，减小了MEMS红外光源的制作工艺难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的MEMS红外光源的俯视图；

图2为沿图1中AA’线的MEMS红外光源的剖面图；

图3为本发明实施例提供的一种MEMS红外光源制作方法的流程图；

图4-图16为本发明提供的MEMS红外光源制作工艺步骤示意图；

图17为本发明实施例提供的MEMS红外光源外围电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中提供的一种红外光源，在支撑膜上方制作图形化的第一金属薄膜作为温度传感器，两端分布的两点作为输出引线点；在绝缘层上方制作图形化的第二金属薄膜作为加热源，上下分布的两个点作为接线点。现有技术中提供的红外光源利用了铂金属热敏电阻的温度传感的性质，实时监测光源辐射区的温度变化，但是并不能进行实时的温度补偿，从而造成测量时线性度较差，受外界环境影响较大。

基于此，本发明提供一种MEMS红外光源，请参见图1和图2，其中，图1为本发明提供的MEMS红外光源的俯视图，图2为沿图1中AA’线的MEMS红外光源的剖面图，所述MEMS红外光源包括：衬底1；位于衬底1表面的支撑层(图2中的2和3所示)；位于支撑层背离衬底1表面的中心区域，沿背离衬底1的方向依次层叠设置的第一热敏电阻层102、介质层103和第二热敏电阻层104，介质层103用于电隔离第一热敏电阻层102和第二热敏电阻层104；位于第二热敏电阻层104背离支撑层表面的隔离保护层5；位于隔离保护层5背离第二热敏电阻层104表面的加热电阻层105；位于加热电阻层105背离隔离保护层5表面的辐射层6；其中，第一热敏电阻层102和第二热敏电阻层104中的其中一层为温度传感器，另一层为温度补偿传感器。

需要说明的是，本实施例中不限定第一热敏电阻层102和第二热敏电阻层104中具体哪一层为温度传感器，哪一层为温度补偿传感器，本实施例中可以依据实际需求进行选择。

请参见图1，支撑层上还包括贯穿支撑层的四个隔离槽101，四个隔离槽101在支撑层上组成矩形，隔离槽101将支撑层分割为中心区域和边缘区域，边缘区域和中心区域在矩形的顶角处连接。

请参见图2，衬底1还包括空腔结构106，空腔结构106贯穿衬底1，且与支撑层上边缘区域所围的区域对应，也即，中心区域和隔离槽，以及隔离槽围城的矩形的顶角的下方均为空腔结构106，从而使得支撑层上的中心区域上的第一热敏电阻层102、介质层103、第二热敏电阻层104、隔离保护层5、加热电阻层105和辐射层6悬空，形成四梁固支结构，隔离槽101组成的矩形的各个顶角分别对应四个梁。

本实施例中采用四梁固支悬浮结构，可以释放红外光源芯片边缘的集中热应力，并起到阻隔热传导的作用，降低结构应力，有效减少热传导损耗，提高光源的电光转换效率。

为了方便外围电路与内部温度传感器、温度补偿传感器和加热电阻层相连，可选的，在支撑层的边缘区域背离衬底1的表面还设置有两个第一热敏电阻层接线点、两个第二热敏电阻层接线点和两个加热电阻层接线点，两个第一热敏电阻层接线点与第一热敏电阻层电性连接，两个第二热敏电阻层接线点与第二热敏电阻层电性连接，两个加热电阻层接线点与加热电阻层电性连接。

需要说明的是，本实施例中不限定各个接线点的位置安排，可选地，两个第一热敏电阻层接线点分别位于隔离槽组成的矩形的对角线上的两个顶点位置；两个第二热敏电阻层接线点也分别位于隔离槽组成的矩形的对角线上的两个顶点位置；两个加热电阻层接线点同样分别位于隔离槽组成的矩形的对角线上的两个顶点位置，具体位置可参见图1所示，相同的接线点位于相对的两个梁上，在本发明的其他实施例中，相同的接线点还可以位于相同侧的两个梁上，本实施例中对此不做限定。

本实施例中第一热敏电阻层102、第二热敏电阻层104和加热电阻层105在支撑层上的投影均为蛇形结构。其中，蛇形结构的热敏电阻层可以保证较大的受热面积，减小热敏电极之间的距离，从而提高温度测量灵敏度。蛇形结构的加热电阻电极之间留有空隙，可以减少热传导通路，降低热质量，并且可以大幅减小加热电阻的阻值，增大红外光源的辐射强度。

需要说明的是，本实施例中不限定第一热敏电阻层102和第二热敏电阻层104的材质，两者的材质可以相同，也可以不相同，可选的，本实施例中第一热敏电阻层102和第二热敏电阻层104的材质相同，可选的，包括铂或氧化锰。另外，本实施例中不限定第一热敏电阻层102和第二热敏电阻层104的结构，可以是单层金属结构，也可以是金属复合结构，本实施例中对此不做限定。当第一热敏电阻层102和第二热敏电阻层104的结构均为热敏金属复合结构时，包括粘附层和金属层，其中粘附层相对于热敏电阻层更加靠近支撑层。粘附层的材质可以是薄的钛或铬金属，粘附层上的金属层可以是铂或氧化锰等热阻材料。

需要说明的是，本实施例中第一热敏电阻层102和第二热敏电阻层104之间还包括介质层103，第二热敏电阻层104与加热电阻层105之间还包括隔离保护层5，介质层103和隔离保护层5均主要起到电隔离保护以及热绝缘的作用，本实施例中对介质层103和隔离保护层5的材质不进行限定，可选的，介质层和隔离保护层均可以为氧化硅层、氮化硅层、或氮化硅和氧化硅组成的多层复合膜结构。

本实施例中对衬底的材质不做限定，可采用硅框架衬底，硅框架衬底可采用矩形硅框架衬底，优选正方形硅框架衬底。更加可选的，衬底1为100单晶硅片。

支撑层主要用于对位于支撑层上方的温度传感器和温度补偿传感器提供一定的支撑，因此，本实施例中对支撑层的材质不做限定，支撑层可以为氧化硅层、氮化硅层、或氮化硅和氧化硅组成的多层复合膜结构，用于减小热应力，提高结构的强度。如图2所示，本实施例中可选的，所述支撑层为氧化硅层2和氮化硅层3组成的多层复合膜结构。

本实施例中不限定加热电阻层105的具体材质和具体形状，可以是图形化的金属电阻丝，金属电阻丝之间留有空隙，从而减少热传导通路，降低热质量，提高红外光源的动态性能，电阻材料可采用单层材料，如铜、铂、铝、钛、钨等，也可使用金属复合金属层材料，可在底层采用钛或铬金属作为粘附层，在粘附层上再沉积金属，如金、铂或铝等。

辐射层6覆盖在加热电阻层105上，可以极大改善和提高加热电阻层105的红外发射率，进而提高红外光源的热辐射性能，辐射层6的材料可以为以下任意一种：氮化钛、金黑、银黑、铂黑或者纳米硅材料，本实施例中对辐射层的材质不做限定。

本发明提供的MEMS红外光源包括衬底、支撑层、第一热敏电阻层、介质层、第二热敏电阻层、隔离保护层、加热电阻层和辐射层，其中，第一热敏电阻层和第二热敏电阻层中的其中一层为温度传感器，另一层为温度补偿传感器，本发明中利用一层热敏电阻层作为温度传感器，直接在外界通过所述热敏电阻层的阻值变化测量MEMS红外光源的辐射区温度变化；利用另一层的温度补偿性能，在一定温度范围内于外围的补偿回路中抵消温漂产生的误差，即本发明提供的MEMS红外光源能够在实时监测温度漂移的同时进行实时温度补偿，从而提高MEMS红外光源的测量线性度，避免器受外界环境影响，进而提高了NDIR系统的探测精度、准确性和分辨率，在NDIR气体传感领域有应用前景。

另外，本发明采用的四梁固支悬浮的结构，能够大幅改善辐射区应力不均匀以及减少热传导损失，从而提高光源的辐射温度；并且能够有效地减小因衬底和支撑层散热导致的辐射温度不均和温度变化较大的弊端，制备工艺简单，与红外光源内部芯片工艺兼容。并且利用四梁固支的特点，可以分别将所述温度传感器和所述加热源的电极通过四梁引出，作为引线点和接线点，同时增加固支梁的结构强度。

本发明实施例还提供一种MEMS红外光源制作方法，用于制作上面实施例所述MEMS红外光源，如图3所示，为本发明实施例提供的一种MEMS红外光源制作方法的流程图，所述MEMS红外光源制作方法具体包括：

步骤S101：提供衬底；

本实施例中对衬底的材质不做限定，可采用硅框架衬底，硅框架衬底可采用矩形硅框架衬底，优选正方形硅框架衬底。更加可选的，衬底为100单晶硅片。

步骤S102：在所述衬底的一个表面上形成支撑层；

请参见图4，在衬底1上热氧一层400nm～500nm氧化硅支撑层2，需要说明的是，支撑层还可以是氮化硅层，或氧化硅层和氮化硅层的复合结构，本实施例中对此不做限定，可以依据实际需求而设定。本实施例中，在氧化硅支撑层2上还可以通过LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition低压力化学气相沉积法)或PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)沉积一层100nm～150nm的低应力氮化硅支撑层3，并在衬底1背离氧化硅支撑层2的表面沉积氮化硅掩膜层4。

本实施例中提供的MEMS红外光源制作方法还可以制作形成四梁固支结构的步骤，可选的，请参见图5，在所述衬底的一个表面上形成支撑层之后还包括：刻蚀支撑层，形成四个隔离槽结构，四个隔离槽101在支撑层上组成矩形，隔离槽101将支撑层分割为中心区域和边缘区域，边缘区域和中心区域在矩形的顶角处连接，俯视图可参照图6。

需要说明的是，可选的，制作隔离槽的步骤还可以在完成辐射层的制作后形成，本实施例中对此不做限定。

步骤S103：在所述支撑层背离所述衬底的表面依次形成第一热敏电阻层、介质层、第二热敏电阻层、隔离保护层和加热电阻层；

需要说明的是，本实施例中不限定第一热敏电阻层、介质层、第二热敏电阻层、隔离保护层和加热电阻层的具体材质以及形成的具体过程，可选的，在支撑层背离衬底的表面形成第一薄膜；图形化第一薄膜，形成第一热敏电阻层；在第一热敏电阻层背离支撑层的表面沉积介质膜，形成覆盖支撑层中心区域的介质层；在介质层背离第一热敏电阻层的表面沉积第二薄膜；图形化第二薄膜，形成第二热敏电阻层；在第二热敏电阻层背离介质层的表面沉积隔离保护膜，形成覆盖支撑层中心区域的隔离保护层；在隔离保护层背离第二热敏电阻层的表面沉积第三薄膜；图形化第三薄膜，形成加热电阻层。

具体的，请参见图7，在支撑层2和3上分别利用溅射或者蒸发一层200nm～400nm Ti(钛)和600nm～800nm Pt(铂)，并采用湿法腐蚀或剥离工艺图形化，形成第一热敏电阻层102，做为温度传感器，需要说明的是，同时还可以图形化出两个第一热敏电阻层接线点，通过相对或者相同侧的梁引出，俯视图形可参照图8。可选的，第一热敏电阻层102在支撑层上的投影为蛇形结构。

请参见图9，在第一热敏电阻层102上采用PECVD沉积一层20nm～50nm的氮化硅，并且图形化形成介质层103，俯视图形可参照图10。可选的，介质层103可以为氧化硅层、氮化硅层、或氮化硅和氧化硅组成的多层复合膜结构，本实施例中对此不做限定。

请参见图11，在介质层103上分别利用溅射或者蒸发一层200nm～400nm Ti和600nm～800nm Pt，并采用湿法腐蚀或剥离工艺图形化，形成第二热敏电阻层104，作为温度补偿传感器，第二热敏电阻层104的两个引线点通过相对或者相同侧的梁引出，俯视图形可参照图12。

请参见图13，在第二热敏电阻层104上采用PECVD沉积一层20nm～50nm的氧化硅，并且图形化形成隔离保护层5，俯视图形可参照图14。同样可选的，隔离保护层层5可以为氧化硅层、氮化硅层、或氮化硅和氧化硅组成的多层复合膜结构，本实施例中对此不做限定。

请参见图15，在隔离保护层层5分别利用溅射或者蒸发一层200nm～400nmTi和600nm～800nm Pt，并采用湿法腐蚀或剥离工艺图形化，形成红外光源的加热电阻层105，本实施例中加热电阻层105优选为蛇形结构，蛇形结构中留有空隙，可以减少热传导通路，降低热量，提高红外光源的动态性能，加热电阻层材料可采用单层材料，如铜、铂、铝、钛、钨等，也可使用金属复合金属层材料，可在底层采用钛或铬金属作为粘附层，在粘附层上再沉积金属，如金、铂或铝等。加热电阻层105的两个接线点通过另外一侧的相同或者相对的梁引出，俯视图形可参照图16。

需要说明的是，本实施例中，第一热敏电阻层、第二热敏电阻层和加热电阻层还可以采用其他金属图形化的工艺形成，本实施例中对此不做限定。

步骤S104：在所述加热电阻层背离所述支撑层的表面形成辐射层。

请参见图2，在加热电阻层105的辐射区域上利用气相、电镀或者喷墨的方法，沉积一层辐射层6，辐射层的材料可以选择金黑、银黑、铂黑、纳米硅等，提高图形化电极的红外发射率，从而提高光源的辐射效率，俯视图可参照图1。

最后，在衬底背离支撑层的表面刻蚀形成空腔结构，空腔结构贯穿衬底，且与支撑层上边缘区域所围的区域对应，使得支撑层上的中心区域上的第一热敏电阻层、介质层、第二热敏电阻层、隔离保护层、加热电阻层和辐射层悬空，形成四梁固支结构。

具体的，请参见图2，在衬底背离支撑层的表面上氮化硅掩膜层4的作用下，刻蚀形成贯穿衬底1的空腔结构106，空腔结构106采用干法DRIE或者湿法KOH腐蚀释放形成，至此四梁固支的悬浮结构完成，整个红外光源器件制备完成，俯视图可参照图1。

需要说明的是，本实施例中提供的MEMS红外光源温度补偿外围电路可以如图17所示，选择电桥(图中R₁、R₂、R₃和R₄组成的结构)的温度补偿回路，其中，图中R_T表示MEMS红外光源中的加热电阻结构。采用热敏电阻并联的补偿方法，通过调节可变电阻Rp，调节热敏电阻的电压及电阻，实现红外光源芯片温度的补偿。

综上所述，本发明提供的MEMS红外光源制作方法，加热电阻层下方制作了第一热敏电阻层和第二热敏电阻层中的其中一层为温度传感器，另一层为温度补偿传感器，通过对所述温度传感器的电阻值或者分压的测量，可以实时反馈红外光源的温度漂移情况，并在一定温度范围内于外围的补偿回路中进行温度补偿，抵消红外光源的温漂对NDIR探测器测试的误差影响，从而提高探测器测试的准确性和稳定性。

加之利用四梁固支的优势特点，不仅改善了封闭薄膜结构导致的应力不均匀问题，提高了光源的辐射效率，而且温度传感器的引线点以及加热电阻层的接线点都可以方便快捷地引出，增加了固支梁的结构强度，增加了稳定性，减小了工艺难度并且与红外光源内部芯片工艺兼容。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。