一改进的红外传感微型机械装置的制作方法

专利名称：一改进的红外传感微型机械装置的制作方法
一改进的红外传感微型机械装置
申请相关资料
本申请以35 U.S.C. § U9(e)， 2007年6月29日从美国提交的临时申请号 60/929,518的申请为基础并要求优先权，标题为高灵敏辐射探测(检测)器和辐射 成像装置，于此参考的该申请文件内容完全合为一体。
背景技术：
1. 发明领域
本发明一般涉及到一种用在红外成像装置(仪器)(infrared imaging devices) 内的微机械装置(micromechanical device)。特别的，本发明是一种微机械像素包 括改进的传感和弯曲元件(sensing and bending elements),该传感和弯曲元件分别 并且组合地增加敏感性和减少像素的反应(响应)时间。
2. 相关技术描述
红外热成像仪使用户透过红外波段的频谱观察物体，否则用人眼看不见(该物 体)的。红外成像仪，适用于安保和监视、消防、汽车安全系统及工业监测，因为 在这些应用中物体散发热量的峰值处于红外区域的中央位置。然而，红外成像仪的 高成本仍然是一个挑战，从而限制其使用。
用于成像装置辐射探测(检测)器是光子探测器或热能探测器。
当入射辐射在感光材料内被吸收时通过与点阵(晶格)或杂质原子耦合的电子 或自由电子相互作用，光子探测器产生一图像。以电压或电流变化的形式，通过改 变电子能量分布产生一输出信号。光子探测器应用的材料，通常是碲镉汞(HgCdTe) 和锑化铟(InSb)，在红外波段中展示出很高的量子效率。然而，光子探测器必须 低温制冷，因而增加了现有装置的重量、体积和能量消耗。此外，高量子效率的材 料以处理困难和成本昂贵广泛知晓。这样，基于光子探测器技术的成像装置仅限于 专门国防和天文学领域内的应用。
当入射辐射被热量敏感材料吸收时，该热量敏感材料改变一些物理特性如包括 电阻和电容，热量探测器产生一图像。这些物理特性的改变通常被读出集成电路 (ROIC)检测到，产生一输出信号。热量探测器的在室温下工作，因而避免了光子探 测器的冷却需要以及复杂性；然而，温度探测器的性能，正如由它们的噪声相当温 度差异(NETD)测得的，大约比光子探测器的敏感性低十倍。热量敏感探测材料，例 如，包括钒氧化物(vanadium oxide)或非晶硅(amorphous silicon)，特征是在2%/K to 3。/。/K范围内。从集成电路读出器(ROIC)的询问脉冲的斜线(Bias)，它控制 了探测器的响应率，被限制去防止一像素的自热。由于比光子探测器装置成本低， 热探测装置能够供应在工业监测和消防领域，对大部分消费者其它工业领域内应用 来说仍然十分昂贵。
热成像装置采用被动的热量弯曲，它由温度和热辐射感应以及电气、电容或者 光学读出器的微型双层悬臂组成，这已在相关技术中描述。例如图la显示了一个例
子的双层悬臂50，它包括第一层1接触并依附在第二层2上，这两层此后依附在固 定支持物51上。第一层1的热膨胀系数不同于第二层2。图lb表明同样的双层悬 臂50，第一层1和第二层2在用红外线辐射52之后，引起双层悬臂50弯曲。这种 热成像方法省去了像素水平集成电路读出器ROIC的单片集成，进一步消除电子噪 声，并简化装置构成。.然而，现有悬臂由于其吸收效率低和体积大造成敏感性差。
一种改进的微机械热成像仪由Ishizuya等人在美国专利号6，080，988， 6,339,219, 6,469,301,和6,835,932专利中所描述。现参考如图2_4，显示的微机械像素3包 括一传感元件4，它设置在弯曲元件5a和5b之间并与5a、 5b隔开，弯曲原件5a 和5b与底层9相邻。传感元件4包括一由吸收体层8和反射体6限定边界的光吸 收腔7，吸收体层8和反射体6由支持柱29分隔开来，并与该支持柱29连接，参 见图3。每个U形弯曲元件5a 、 5b由一对双层悬臂10a、 lla和10b、 lib组 成。每对双层悬臂10a、 lla和10 b， 11 b的配对结构是由一有一低热导性的 热隔离区域12a、 12b隔开。每个双层悬臂10a、 lla、 10b和lib由一高膨胀层 33组成，相对于底层9，它接触并附着在一部分低膨胀层34上，如图4所示。最 里面双层悬臂梁的lla， lib的该低膨胀层34与吸收体层8的侧面相连接，如 图2所示。弯曲元件5a、 5b通过一对锚定柱13 a、 13b连接到底层9，以便在 传感元件4和底层9之间以及弯曲元件5a、 5b与底层9之间设有间隙49。缝隙 49的高度可以通过使最里面的双层悬臂梁的lla、 lib的长度短于最外面的双层 悬臂10a 、 10b的长度来调整。
在缺少红外照明时，最外层的双层悬臂10a 、 10b抵消最里面双层悬臂lla 、 llb的偏转(倾斜)，从而产生了零度净弯曲，以使不论周围温度如何变化传感元 件4保持零度倾斜。当通过一红外光源照明时，光吸收腔7接收和转换红外辐射为 热能，热能被传导到最里面的双层悬臂的lla 、 llb，导致相对于最外层的双层悬 臂10a 、 10b的额外弯曲，并造成传感元件4相对于底层9的平面倾斜。在图2 的该装置适当的功能需要微机械像素3被背面照明32 ,在那里红外透过底层9传 输。通过一个有效率的但重量轻的传感元件4和薄双层悬臂10a 、 10b、 lla 、 lib实现高敏感度。然而，在图2中的微机械像素3还有一些不足包括一个填充因 子低、反射体平坦度差和机械复杂性，限制了灵敏度，并产生传感器噪音。
图2-4中所描述微机械像素3是适用于各种探测器。例如Ishizuya等人，在美 国专利号6339219描述，图5所显示的一个例子的光学读出装置28，其包括一红 外透镜系统15， 一红外探测阵列16， 一第一透镜系统19， 一有孔板22， 一第二 透镜系统24，和一成像仪25，它们如所述的有序排列着。在该装置的前端内，来 自源头14的射线通过红外镜头系统15，并在此后定向到红外探测阵列16。该红 外探测阵列16包括一由微像素18组成的焦平面阵列17，微像素18是对由红外 线诱导的热负荷机械响应的。在该装置的后端内，微机械像素18反射从可见光源 23，例如有一个发光二极管(LED)，射出的入射光20，使得反射光21通过第一 镜头系统19，其压缩反射光21允许它沿有孔板22通过小孔53。反射光21，然 后通过第二透镜系统24，它扩大了反射光21，以至于撞击到成像仪25内部由受 体像素26组成的一个焦平面阵列27上，例如， 一互补金属氧化物半导体(CMOS) 装置或电荷耦合器件(CCD)。此后，由此产生的图像联接到一视频显示设备。 在图5中，探测器采用一光学系统同时测量所有微机械像素18的偏转(倾斜) 从而将一可视的空间变化的红外辐射直接投射到市场上常见的CMOS或CCD成像仪 上。在CMOS或CCD阵列内的受体像素26的数量一般选择较多于微机械像素18 的数量。在操作中，当没有照明存在时，在图5中探测器所产生的图像在整个受体 像素26的阵列上强度一致，这是因为双层悬臂10a、 11a和10b、 llb成对布置 的取消效果，正如上面图2 — 4所描述的。当有一红外光源照明时，在每一微机械 像素18内的传感元件4倾斜，且使光偏转离开小孔53，从而以与辐射水平成正比 (关系)的强度投射较黑暗的受体像素26。该探测器在可见光或近红外读出波长有 效地转换红外辐射成强度变化。
图2中微机械像素3产生与噪声有关的设计，包括(1)由每个像素及其环 境之间的辐射热交换所引起的噪音；称为背景的波动(2)每个像素和底层之间的 动态热交换所造成的噪音，称为热波动；(3)来自储存在悬臂中与热能不断交换 的机械能的噪音，称为热机械噪声；以及(4)在CMOS中/CCD成像仪中光子的随 机到达率所造成的噪音，被称为散粒噪声(shotnoise)。因为所有的噪音来源是有 概率的，微机械红外成像仪的总NETD等于贡献噪声源的平方的和的平方根，表示 为
NETDTOT "NET《+NETD;F +NETD;M +NETD〖N , (1)
其中下标BF、 TF、 TM和SN分别是指由背景的波动、热波动、热机械噪声、 散粒噪声的NETD。
由于背景波动噪声相当温度差异(NETD)由下列得到
其中/是镜头的/-数，s是像素发射率，To是光学传输，7是像素吸收效率，d尸/rfr 是辐照率微分，&是玻尔兹曼(Boltzmann)的常数，(T是斯特凡-波兹曼(Stefan-Bc)ltzm咖) 常数，S是热的带宽，Tz)是检测器温度，7i是背景温度，以及J是活动像素面积。
由于热波动引起的噪声相当温度差异(NETD)由下列得到
NETDTF =
2(4/2+i)r0V^^
其中G是热传导率。
由于热机械噪声引起的噪声相当温度差异(NETD)等于<formula>formula see original document page 7</formula>
其中《是双材料悬臂的长度，SR是像素响应率(定义为每度的Kelvin像素偏 转角度的改变)，A是悬臂刚度，e是悬臂Q-因数，以及w。是悬臂式谐振频率。 由于散粒噪声引起的噪声相当温度差异(NETD)被表达为
其中P是由CMOS/CCD像素接受的可见光能量，AP是每度开尔文的光能变化 (其中APocW)，《是元电荷，以及9^是CMOS/CCD成像仪的响应率(敏感度)。
一微机械像素中贡献噪声相当温度差异NETD的主要来源通常是发射噪声噪声 相当温度差异(NETD)。通过增加响应率W或降低绝对发射噪声，发射噪声噪声 相当温度差异(NETD)可能会降低。由此希望，仍有必要作进一步的进步和改善， 从而促进微机械像素具有改善的热敏度和响应时间。
相应地，所需要的是微机械像素增强响应率无需对像素的热性能造成不利影响。 还需要的是微机械像素增强热响应时间无需对像素响应率的造成不利影响。
本发明的目的是提供一具有增强的响应率但不会对像素的热性能产生不利影响 的微机械像素。
本发明的另一个目的是提供一具备增强的热响应时间而不会对像素的响应率造 成不利影响的微机械像素。
本发明是一具有改进的热敏度和热响应时间的用于红外传感的微机械装置。微 机械装置内传感元件的性能通过增加其吸收效率和加大对从它反射来的光控制而改 善。微机械装置内弯曲元件性能的改进是通过增加对热负荷的敏感性以及将传感元 件和最里面的双层悬臂与最外面的双层悬臂和底层隔开来实现的。下面描述的本设 计特点可能单独实施或在一个像素被合并实施，将在发明详细描述中介绍。
微机械像素的热敏度是直接与传感元件内红外辐射的吸收效率有关。传感元件 内的反射体和吸收体层之间的距离是通常设计作为一四分之一波长谐振腔(a quarter-wavelength resonant cavity)，以增强在一个特定红外波段的吸收，但在长波 长红外波段U=8-14vim)和中波长红外波段(入=3-5，) 二者的吸收峰值有可能 归于谐波效果。长波和中波长段红外热成像是优选的，这是因为在这些波长上空气 传输是非常高的。两个底层的顶部和底部表面可应用宽带红外防反光涂层，最大限 度地减少相关的红外波段的反射，以至于由传感元件最大限度地吸收。
光被一传感元件内的反射体反射之后， 一微机械像素响应率是与通过小孔缝隙 的光强度的对比度，或在像素偏转期间从光明到黑暗的强度变化有关。因此，该反 射体，通常是一种高反射金属包括，但不限于，铝和金，必须紧紧聚焦反射光，这 样，需要严格耐受反射体的平面度，以防止分散的反射或散射。为了达到可接受的 对比度，反射体的曲率半径应大于约2厘米。当光学吸收腔设置在吸收体层和反射 体之间时，反射体通过依附在位于反射体中心的柱自由悬浮，如上文所述。为了满 足平整度的标准，反光板的厚度必须大于约0.5]im ( — 0.5pm)，从而在像素内创

发明内容
造一个大热容积，其减缓热响应时间。因此，反射层厚度必须减小，以便最大地减 少像素的热响应时间。
一个微机械像素的敏感性，是与双层悬臂响应来自吸收层的传输的热的弯曲有 关。因此，任何增加双层悬臂梁弯曲的敏感程度会引起相同的温度变化反射强度对 比相应地增加。从总体上看， 一双层悬臂的弯曲敏感性是与两个组成材料的热膨胀 系数的差异成正比并且与悬臂厚度成反比。组成双层悬臂的要素材料包括一种具有 高的热膨胀系数的金属，虽然其他材料是可能的，但通常是铝或金， 一具有低的热 膨胀系数的电介质，通常是氮化硅(Si3N4 )或二氧化硅(Si02 )。因此，具有较 高的热膨胀系数和较小的厚度的材料可提高弯曲元件的热敏度。
一微机械像素灵敏度和响应时间与最里面双层悬臂和最外面的双层悬臂梁的之 间的隔离区域所提供的热隔离程度有关。隔离区域内理想的热电阻表现了热敏度和 热响应时间之间的平衡(trade-off )。大的热电阻使像素内部热量累积，从而提高热 敏度，但一小的热电阻，使其变热以更迅速地从像素移开，从而减少热响应时间。 因此，热隔离区域内的热敏电阻都必须兼顾优化设计敏感度和响应时间。
如图2中所示，微机械像素有利于像素结构内设计变化，从而不影响其中热性 能提高像素的响应率。同样，图2中微机械像素的热响应时间的特点是由热时间常 数T定义为
其中C是像素热容量(值)(capacitance)。对一微机械像素，热容量是所有 成分的总和，尤其是有较大体积的吸收体和反射体。通过縮小像素尺寸或者选择有 较低的具体热容量的材料，减少其热容量，使像素的热响应时间最小。
对本领域的一般技术人员，这里的说明书包括提供的说明性的权利要求部分的 公开，是本发明说明性和解释性的部分，但不试图将它限制或限制本发明可以达到 的优点、应用和用途。
值得注意几个示范的优点，举例来说，与相关技术相比，本发明是构成简单、 更有力，从而使制造公差更紧和较高的统一性，对热输入更敏锐的响应，和光学上 更平面样板。此外，本发明比相关的技术能达到更高的填充因子，较高的吸收效率， 更大的弯曲和更大的倾斜，


下面仅通过例子，结合附图来进一步说明本发明
图la是由一个高热膨胀系数层和一个低热膨胀系数层组成的双层悬臂元件的 立体图。
图lb是从图la双层悬臂元件的立体图，显示悬臂经红外辐射加热产生弯曲。 图2是一微机械像素的立体图，其包括一传感元件， 一对双层微悬臂和一底层。 图3显示'图2中微机械像素的传感元件和底层布置的主视图。 图4是图2中微机械像素的双层微悬臂的侧视图，显示髙和低热膨胀系数层的 布置。
图5显示一成像装置的一个实施例的原理图，其包括在一光学读出照相机内的 微悬臂像素阵列和一个成像仪内的受体像素的阵列。
图6a为本发明一包括多层反射体的实施例的主视图。
图6b为图6a中本发明另一个变化的实施例的主视图，其中通过吸收体和反射 体的顺序改变使传感元件受前照明和光学读出通过底层。
图7为本发明的一个实施例主正视图，显示反射体、吸收体和一在层布置中接 触的部分吸收层。
图8为图7的另一实施例的主视图，其中传感元件是前照明的，且相对于部分 吸收层，底层的上表面有反射(反光)涂层，使得光学读出发生透过底层。
图9a为本发明的另一变化的实施例的主视图，其中带有一电容式传感器的读 出电路相对于一个吸收层接触底层，从而让电容式传感器来测量底层和传感元件之 间的缝隙。
图9b —弯曲元件的侧视图，显示一用于低膨胀层的带有将低导热能力的导电层。
图10是图7中该装置的一个实施例的一吸收光谱图的一个例子。
图11为本发明的一的实施的俯视图，包括以一相对的方式布置的弯曲元件使 得它们在相对方向上偏转。
图12为一弯曲元件的侧视图，显示了低和高膨胀层的排列，使高膨胀层布置 在相对于底层的位置。
图13是图11中装置的另一个实施例的俯视图，其中弯曲元件接入到传感元件 的中央位置。
图14是图11中装置的再一个实施例的俯视图，其中弯曲元件以分支布置加入 到传感元件。
图15是图11中装置的又一个实施例的俯视图，其中一个弯曲元件是一双层元 件，另一个弯曲元件是一单层元件。
图16是一弯曲元件的侧视图，其中一超高速膨胀的聚合物连接到一低膨胀介 质上。
图17是一弯曲元件的侧视图，其中一超高速膨胀的聚合物连接到一高膨胀金
属，该金属后来再连接到一低膨胀介质上。
图18为双层悬臂没有与有聚合物涂层的偏转-温度的曲线图的一个例子。
图19a为本发明一的实施例的俯视图，包括一对联锁弯曲元件，其中传感元件
和底层没有显示。
图19b为一微机械装置的主视图，显示了图19a的设置在传感元件和底层之 间的联锁元件。ti
图20a-20d是图19a中装置的截面图，显示高和低热膨胀层的布置。 图21a-21d是显示各种非平面结构的双层悬臂的另一实施例的截面图。
具体实施例方式
本微机械装置65的实施例是参考图2所示的微机械像素3来描述的。但是， 本发明是适用于各种各样的微机械像素，其取决于来响应产生光可读信号的红外吸 收的机械偏转。
因此，下面的本发明的实施例的说明及附图描述和显示新的微机械装置65的 设计特点，没有进一步参照其它微机械装置的实施例的特征。如下所述的本实施例 可通过已知的技术的微机械制造方法和过程制造。
参见图6a，具有背面照明32的微机械装置65的传感元件4包括一层状反射 体35、 一光吸收腔7和一吸收层8。层状反射体35有一多层结构，包括一对外层 36、 38,设置在内层37周围并与之接触。外层36、 38由一高反射率的金属的组 成，例如包括，但不限于，铝、金、银、铜、铬、镍、铂、钽、钛，和它们的合金， 以适合光学读出。内层37由一微机电系统MEMS相容的介质组成，例如包括，但 不限于，氧化铝(A1203)，氧化铪(Hf02)，氧化镁(MgO)，碳化硅(SiC)， 氮化硅(Si3N4) ， 二氧化硅(Si02)，氮化锡(TiN)，和氧化锆(Zr02)。在较 佳的实施例中，层状反射体35应是位于某一程度的平面内，且有一约大于2cm的 曲率半径，以确保一将分散反射和散射的偏离最小化的平面。在一些实施例中，层 状反射体35最好是一厚度不超过约0.5pm，以确保对于大多数应用所需的平面度 和热响应时间。
外层36、 38和内层37通常是厚度一致的薄膜。外层36、 38可能具有相同 的厚度从而形成一定对称程度的层状反射体35，或不同厚度，从而形成不对称设计 的层状反射体35。两种实施方式可能抵消在制造微机械装置65期间在层状反射 35内所形成的应力梯度的存在。
外层36、 38和内层37利用已有技术的薄膜沉积方法被分层来形成一单一的 结构。层状反射体35在整个结构厚度上分布应力比一单层元件更均匀，以防止沿 层状反射体35缠绕。
薄膜外层36、 38和内层37在制作层状反射体35和微机械装置65时，可形 成一内在的-300 MPa+300 MPa(兆帕斯卡)数量级的应力。该应力可通过一温度 小于400。C的低温退火周期减少。厚度至少为0.5口m的薄膜也被发现去缓和应力 有关的缠绕；不过，希望将薄膜厚度减小，以减少微机械设备65的热容量。
在大多数实施例中，是不可能完全消除层状反射体35内的应力梯度。层状反 射体35来平衡和抵消该结构的整个中间平面的应力，以避免压力导致的缠绕。具 有平衡的内部应力的层状反射体35进一步允许它的厚度小于一由一金属组成的单 层结构的厚度，同时又不损害元件的平面度。
图6a中所示的层状反射体35，减少了微机械装置65的热容量和它的热反应， 这是因为层状反射体35比单层结构薄和介质内层37比通常组一层状反射体35的 金属具有较低的一定的热容量。
一部分吸收层41可应用于吸收层8，借以维持微机械装置65内一高的吸收效 率。部分吸收层41是一薄膜层，其提高传感元件4内的吸收。在较佳的实施例中， 部分吸收层41的厚度大约10nm。
部分吸收层41的吸收特点直接与包含该层的合成物的薄膜电阻有关。在较佳 的实施例中，部分吸收层41应该是带有一可调节薄膜电阻的合金，例如镍铬(NiCr)， 以方便在一具体的红外波段或为某一特定像素设计中最优化吸收。
再参照图6a，在一些实施例中，底层9可以包括一个防反射涂层30、 31，例 如包括，但不限于，IRX/Ge/YF3、 IRX/Ge/BaF2 and IRX/Ge/ZnS，它能传输需要的 红外区域，适用到沿底层9的顶部或底部的表面54a、 54b。防反光涂料30、 31 适用于已知的沉积方法。底层9同样能传输需要的红外波长。
现在参考图6b,所显示的微机械装置65是前面照明47的应用。在这个实施 例中，由红外辐射通过底层9的传输所造成的吸收和反射损失都是可以避免的，从 而改进了由微机械装置65的红外光吸收，并产生一较高的响应率。前面(端)照 明4 7通过红外辐射加热传感元件4。相对于图6a中传感元件4,图6b中传感元 件4是反向的，使得红外辐射先达到吸收体层8。光学吸收腔7是位于部分吸收层 41和反射体35之间，这可能构成只有一单一的高反射金属层，或如图6b显示的， 一层状反射体35。
底层9的材料包括，但不限于，硅和玻璃。光学读出现在通过底层9发生，迫 使底层9对可见或近红外区域能传输的。为了传感元件4最大限度地吸收红外线， 由在有形或近红外区域传输的并且在中波长红外波段(MWIR)和/或长波长红外线 波段(LWIR)区域可反射的材料组成的薄膜涂层30、 31适用于底层9的54a、 54b 这两个表面；然而，薄膜涂层30、 31应允许光学读出。举一个例子，薄膜涂层30、 31是铟锡氧化物(indium tin oxide) (ITO)。可见或近红外区域设计的防反光(射) 涂层也可能适用于54a、 54b两个表面，以增加读出光的传输。
现参照图7, —微机械装置65的传感元件4包括一反射体6、 一吸收体层8 和一部分吸收层41，它们以描述的顺序排列和接触。本实施例中，反射体6的厚 度减少，以减少传感元件4的热响应时间，而又不损害其平面度。光学吸收腔7现 在是位于部分吸收层41及底层9之间。
反射体6是想要在可见光或近红外区域有良好的反射率和吸收率低，以便利于 光学读出。反射体6的材料可能包括，但不限于，铝、金、银、铜、铬、镍、铂、 钽、钛和其合金。反射体6的厚度约为0.2pm，因为它现在是由吸收体层8支持。 首选的实施例中，反射体6的厚度应小于吸收体层8的厚度，以减少传感元件4内 的热导致的弯曲。
再参照图7，在一些实施例中微机械装置65的背面照明32可需要沿底层9的 最接近的红外光源的表面54b设置一个防反光涂层31，以最大限度地传输(红外 线)。该防反光涂层31是有能在需要的红外区域的传输。这是没有必要沿底层9 的另一表面54a采用防反光涂层，因为在光学吸收腔7需要较高的反射率。
现在参照图10，它显示了具有图7的结构的一微机械装置65的吸收光谱的例 子。微机械装置65包括一传感元件，该传感元件包括一由镍铬(NiCr)组成的的 部分吸收层41， 一由氮化硅(SiN)组成的吸收体层8， 一由镍铬/铜(NiCr/Au) 组成的反光体6， 一由硅组成的底层9，以及一由IRX/Ge/ZnS组成的防反光涂层 31。光学吸收腔7是一缝隙，或三维空间，形成一半波长谐振腔。图10显示该吸
收是能够由一单一像素设计在中波长红外(MWIR)和/或长波长红外(LWIR)波 段内实现的。
现在参照图8，微机械装置65的传感元件4被显示，其中，吸收体层8与反 射体6相接触。在本实施例中，光学吸收腔7是位于部分吸收层41和底层9之间。 前端照明4 7通过红外辐射加热传感元件4。吸收体层8和反射体6相组合成一单 独的块，通过比其它可以分层实现低的总厚度，有利于2cm平面度的要求。组合的 块内的较低的材料体积产生的热容量有利于更快的响应时间。
反射体6必须传输中波长红外线(MWIR)和长波长红外线(LWIR)，并在可 见或近红外区域反射。组成反射体6的材料例如包括Yb203，氧化钇(Y203),
(Zr203)和(Hf203)。吸收层8由氧化铝、Hf02、氧化镁(MgO)、碳化硅、 氮化硅、二氧化硅、锡和Zr02组成。部分吸收层41可由镍铬(NiCr)组成以加 强吸收。在一些实施例中，反射体6可以通过精心的设计吸收体层8和部分吸收层 41而被省略。
现在参照图9a，它显示了微机械装置65，它使用电容读出检测一传感元件4 的倾斜，而不是在图6a、 6b、 7和8的实施例中的所述光学读出。传感元件4包 含一导电层56，其接触和依附于一吸收体层8 。吸收体层8的组成材料包括，但 不限于，氧化铝、Hf02 、氧化镁、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、锡和Zr0，。微机 械装置65还包含一个带有读出电路的电容传感器48，其沿底层9的一表面54a 设置。导电层56和带有读出电路的电容传感器48方便测量底层9和传感元件4 之间的缝隙55，这取决于像素吸收的红外辐射的强度。
导电层56充当一平行板电容器的一平板。导电层56可由一金属或金属合金组 成，它是导电或部分吸收的金属或合金，例如包括，但不限于，镍铬(NiCr)，以 加强吸收。平行板电容器的第二个板是位于带有读出电路的电容传感器48内使用 常用技术的薄膜沉积的方法连接到底层9。第二个板可由一个金属或金属合金组成。 在这个实施了中，弯曲元件5a、 5b沿其长度方向也包含一导电层56，如图9b所 示，以电气连接传感元件4到沿底层9设置的读出电路。因为沿着弯曲元件5a、 5b的热隔离区域12a、 12b必须有低导热性，导电层56也必须有低的热传导率。 导电层56的成分的例子可包括铟锡氧化物(indium tin oxide)和氮化钛(titanium nitride)。
传感元件4吸收红外辐射，偏转传感元件4并减少两个平行板之间的距离，从 而改变平行板电容器的电容。该带有读出电路的电容传感器48测量由此产生的缝 隙55 。在这个实施中，双层悬臂10a、 10b、 lla、 lib提供自动补偿周围温度的 变化。本实施例消除了散粒噪声(shotnoise)，这是光学读出装置中很常见的。
现在参照图11，它显示了一微机械装置65，弯曲元件5a,、 5b设置成以分别 予以响应,这样左弯曲元件5b朝着底层9的偏转和右弯曲元件5a远离底层9偏转。 同样如上所述偏转的顺序可能颠倒。与图2所示的微像素3不同，图2中，传感元 件4向平行于双层悬臂10a、 10b、 lla、 lib的方向扭转，本实施中，传感元件4 向垂直于双层悬臂10a， 10b， lla， lib的方向扭曲。相应的装置提高了传感元件4的 整体倾斜角度，从而提高热灵敏度。此处所述传感元件4和底层9均适用于本实施。
弯曲元件5a, 5b相对的功能的实现是将高膨胀层33沿左弯曲元件5b的低膨胀 层34的顶部表面57放置，见图4，并且将高膨胀层33沿右弯曲元件5a,的低膨胀 层34的底部表面58放置，见图12。弯曲元件5a, 5b以对称的方式在一端接触并 连接(附着)到传感元件4。
弯曲元件5a, 5b相对的功能也可通过将高膨胀层33沿低膨胀层34的顶面57 的一半长度布置和沿低膨胀层为34的底部表面58的另一半长度布置。在该结构中， 弯曲元件5a,5b呈一个S形偏转。此构造可以防止弯曲元件5a，5b接触底层，这种 现象正是它们向下偏转时发生的。
一微机械装置65响应率是与传感元件4的倾斜角度成比例的，它等于在常温 下的沿外双层悬臂10a、 10b与由射入的红外辐射加热的内双层悬臂lla、 llb二 者之间的倾斜的差。当弯曲元件5a、 5b是相互响应在同一方向偏转时，传感元件 4在与内双层悬臂lla、 llb相同的角度，或A0，倾斜，如图2所。假设一小偏转 角，在响应上述常温变化Ar游一双层悬臂10a、 10b， lla、 11b的角度变化A0 力7W,
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其中，A是双层悬臂10a、 10b、 lla 、 lib的长度，O和^是厚度，&和 五2是杨氏模量(Young's modulus) , ^和是组成悬臂的两种材料的热膨胀系数。
再参照图11，传感元件4在一由相对的弯曲元件5a、 5b的平面外偏转来确定 的角度扭曲。假设弯曲元件5a、 5b的平面外的偏转是一小的角度AA^，扭曲角度 等于2AA份w，其中w是弯曲元件5a、 5b之间的宽度或传感元件4的宽度，并且 2的因素是由于弯曲元件5a、 5b的相对偏转。由具有相对功能的弯曲元件5a、 5b 实现的增强程度大约是2A/w,，相当一个常用的微机械像素3响应率增加2至4倍。
现在参照图13， 一微机械装置65所示，其中图12中的弯曲元件5a、 5b设 置成接触和连接到从沿传感元件4的一边缘59a偏离(分支)60连接传感元件4。 在较佳的实施例中，虽然其他的设置是可能的，但是，分支60应大约为传感元件4 总高度(h)的一半。本实施例增加了微机械装置65的刚度，不过，弯曲元件5a、 5b和传感元件4之间的弯矩减少了。此处所述的传感元件4和底层9均适用于本 实施例。
传感元件4的扭曲，如上所述，在弯曲元件5a、 5b内产生扭矩。响应率程度 的增强可由弯曲元件5a、 5b的扭转刚度所限制。在一些实施例中，它可能是希望 以减少每个弯曲元件5a、 5b与传感元件4之间接触结构的厚度，以进一步减少扭 转刚度。在其它实施例中，包括在每一个弯曲元件5a、 5b与传感元件4之间的类 似弹簧或铰链类似连接可能是有利的。然而，再在其他的实施中，具有低的杨氏模 量的材料组成的接触可以有利的。
现在参照图14所示的微机械装置，其中图12中的弯曲元件5a、 5b沿传感元 件4在分支42处以一不对称的结构布置接触和附加到传感元件4。而图14显示左 弯曲元件5b对准顶部边缘59a，右弯曲元件5a对准底部边缘59b，其他结构是 有可能的，让一个或两个弯曲元件5a、 5b离各个边缘59a、 59b—段距离沿传感 元件4布置。此处所述传感元件4和底层9均适用于该实施例。 _
在本实施例中，与图2所显示的装置比较，倾斜的程度增加了约2入W^+《，
其中4是传感元件4的长度。因此，本实施例的响应率，比图2所示的一微机械像 素3大1.5到3倍。
现在参照图15，它显示一微机械装置65，其中，右弯曲元件5b，如上所述，， 包括一对双层悬臂10b、 llb及热隔离区域12b，以及左弯曲元件5a由一单一材 料或化合物组成的低膨胀层43构成。在本实施例中，弯曲元件5b朝向或远离底层 9偏转，使传感元件4在平行于弯曲元件5a、 5b的方向倾斜，以及在与垂直弯曲 元件5a、 5b的方向扭转。同样有可能的，偏转和非偏转元件颠倒布置。在此所述 的传感元件4和底层9均适用于本实施。
在本实施例，与图2显示装置相比倾斜程度的增加大约彷/w，大约为图ll的 装置(倾斜程度)的一半。
现在参照图16， 一个双层悬臂45内的高膨胀层33可能被一由聚合物组成的 超高膨胀层44，其有一约大于5xl0^5K-l的热膨胀系数，来替换，。超高膨胀的 聚合物的例子包括，但不限于，苯乙烯、丙烯腈、pentafluorostyren、甲基丙烯酸甲 酯、甲基丙烯腈、氰苯、trimethylsilylacetylene、 trimethylsilylacetonitrile。超高膨胀 层4 4接触并加入到由已知技术材料组成的低膨胀层34上。
现在参照图17，超髙速膨胀层44可直接加入到相对低膨胀层34的高膨胀层 33，形成三层悬臂46。图18比较一举例的双层悬臂10a、 10b、 11 a、 lib及 三层悬臂4 6所得的偏转。
现在参照图19a、 19b和20a-20d，所示的微机械装置65包括一对U —形相 对布置和联锁的弯曲元件5a、5b。第一弯曲元件5a包括一个对双层悬臂10a、lla， 由一热隔离区域12a隔开。右双层悬臂10a包括一沿一低膨胀层34的上表面设置 的高膨胀层33，左双层悬臂lla包括一沿低于低膨胀层34的表面或相对表面设置 的高膨胀层33。第二弯曲元件5b，包括一对双层悬臂10b、 llb由一热隔离区域 12b分开。左双层悬臂10b包括一沿低膨胀层34的下表面设置的高膨胀层33， 左双层悬臂lib包括一沿低膨胀层34的上表面设置的高膨胀层33。当采用相对的 方式联锁时，高膨胀层33设置在双层悬臂10b和lla和双层悬臂10a及lib的 同一表面。在一些实施例中，该高膨胀层33的成对布置可反向，如图19a所示， 或如图2所示的在同一侧。
最外层双层悬臂10a、 10b分别通过锚柱13d、 13a连接到底层9的最外端63。 最里面双层悬臂lla、 lib分别通过锚柱13b、 13c连接到传感元件4的平面表面61 的最里端62。尽管对传感元件4，双层悬臂10a、 10b、 lla、 lib和底层9，各 种结构的变化都可以的，但是，图19b所示的在传感元件4和底层9之间的双层 悬臂10a、 10b、 lla、 llb是较佳的。本实施例的响应率比图2所示的典型微机
械像素3 (的响应率)大3至6倍。在此所述的传感元件4和底层9均适用于本实 施。
现在参照图21a-21d， 一非平面(non-planar)悬臂的变化，被称为折叠双层 悬臂64被描述。外形可能包括，但不限于，三角形、方形、梯形和曲线，如图21a-21d 分别显示。如图4、 12、 16所描述，沿包含双层悬臂10a、 10b， lla、 llb、 45、 4 6的平面的高膨胀层33和低膨胀34层的长度(L)折叠。折叠增加双层悬臂10a、 10b、 lla、 llb、 45、 46的有效长度，而没有增加微机械装置65的横向长度和 斜度。折叠的双层悬臂64可能通过标准的微制造技术使用三维立体制作图案来制 成。
以上的描述，本领域的一般技术人员可以很容易确定本发明的基本特征，在不 脱离(本发明的)精神和适用的范围的前提下，本发明可以做出各种变化和修改， 使它适应不同的用途和条件。
上述说明表明，本发明提供了有很大程度的灵活性。虽然本发明己经相当详细 地描述了较佳方式，但是其他方式也是可能的。因此，所附的权利要求书的精神和 范围，不应只限于包含的较佳方式的描述。
权利要求
1、一微机械像素包括(a)一传感元件，它包含一光学反射体和一被一定距离隔开的红外吸收体层，该距离等于所涉及的红外线波长的大约四分之一或倍数，从而形成一光学吸收腔；所述光学反射体由设置于一介质层的周围并与其接触的一单金属层或一对金属层组成；(b)一对弯曲元件，每个连接到所述传感元件的第一端，每个所述弯曲元件由两个多层悬臂组成，该多层悬臂由一热隔离区域分开，且每个所述多层悬臂由一低膨胀层和一高膨胀层组成，所述弯曲元件加热时相互回应；以及(c)一由能传输所述红外线波长的材料组成的底层，每一所述弯曲元件的第二端与所述底层连接。
2、 根据权利要求1所述的微机械像素，进一步包括(d) —与所述红外吸收体层相连接的部分吸收层，所述部分吸收层包括一金属。
3、 根据权利要求1所述的微机械像素，其特征在于所述光学反射体与所述红外 吸收体层以层状布置形成相接触，形成所述传感元件，所述传感元件和所述底层被 大约所述红外波长的四分之一或倍数的所述距离分隔，以形成所述光吸收腔。
4、 根据权利要求1所述的微机械像素，其特征在于所述传感元件由以一分层形 式布置的所述反光学发射体、所述红外吸收体层和一部分吸收层组成，所述反光学 发射体接触所述红外吸收层，所述红外吸收体层接触所述部分吸收层，所述传感元 件和所述底层被大约所述相关的红外波长的四分之一或倍数的所述距离分隔，以形 成所述光吸收腔。
5 、根据权利要求1所述的微机械像素，其特征在于所述在每个所述多层悬臂的 高膨胀层包含一聚合物。
6 、根据权利要求1所述的微机械像素，其特征在于所述每个所述多层悬臂有一 聚合物层，它相对所述低膨胀层沿所述高膨胀层设置。
7 、根据权利要求1所述的微机械像素，其特征在于所述每个所述多层悬臂有一 沿它长度设置的非平面外形。
8 、根据权利要求1所述的微机械像素，进一步包括-(d)—防反光涂层，它由至少有一个能沿所述底层的至少一个表面上传输所述红 外波长的材料组成。
9 、 一微机械像素包括(a) —传感元件，它包含一光学反射体和一被一定距离隔开的红外吸收体层，该 距离等于所涉及的红外线波长的大约四分之一或倍数，从而形成一个光学吸收腔； 所述光学反射体由设置于一介质层的周围并与其接触的一单金属层或一对金属层组 成；(b) —对弯曲元件，每个连接到所述传感元件的第一端，每个所述弯曲元件由两 个多层悬臂组成，该多层悬臂由一热隔离区域分开，且每个所述多层悬臂由一低膨 胀层和一高膨胀层组成，所述弯曲元件加热时相互回应；以及 (c)一由能传输所述光波波长的材料组成的底层，每一所述弯曲元件的第二端与 所述底层连接。
10、 根据权利要求9所述的微机械像素，进一步包括-(d)—与所述红外吸收体层相连接的部分吸收层，所述部分吸收层包括一金属。
11、 根据权利要求9所述的微机械像素，其特征在于所述光学反射体与所述红外 吸收体层以层状布置形成相接触，形成所述传感元件，所述传感元件和所述底层被 大约所述红外波长的四分之一或倍数的所述距离分隔，以形成所述光吸收腔。
12、 根据权利要求9所述的微机械像素，其特征在于所述传感元件由以一分层形 式布置的所述反光学发射体、所述红外吸收体层和一部分吸收层组成，所述反光学 发射体接触所述红外吸收层，所述红外吸收体层接触所述部分吸收层，所述传感元 件和所述底层被大约所述相关的红外波长的四分之一或倍数的所述距离分隔，以形 成所述光吸收腔。
13、 根据权利要求9所述的微机械像素，其特征在于每个所述多层悬臂的所述高 膨胀层包含一聚合物。
14、 根据权利要求9所述的微机械像素，其特征在于所述每个所述多层悬臂有一 聚合物层，它相对所述低膨胀层沿所述高膨胀层设置。
15、 根据权利要求9所述的微机械像素，其特征在于所述每个所述多层悬臂有一 沿它长度设置的非平面外形。
16、 根据权利要求9所述的微机械像素，进一步包括(d)—防反光涂层，它由至少有一个能沿所述底层的至少一个表面上传输所述 红外波长的材料组成。
17、 一微机械像素包括-(a) —传感元件；(b) —对弯曲元件，每个附在所述传感元件的第一端；至少有一所述弯曲元件包 括由热隔离区域隔开的两个多层悬臂，每个所述多层悬臂由一低膨胀层和高膨胀层 组成；以及(c) 一个底层，所述弯曲元件的第二端与所述底层连接，在加热时， 一个所述弯 曲元件离所述底层的方向偏转，而另一个弯曲元件朝向所述底层方向偏转。
18、 根据权利要求17所述的微机械像素，其特征在于所述弯曲元件是以一对称 结构方式从沿所述传感元件的一边偏离的，或所述弯曲元件以不对称结构设置在所 述传感元件的周围，或一个弯曲元件加热时不偏转。
19、 一微机械像素包括(a) —传感元件；(b) —对相对设置和联锁的弯曲元件，每个所述弯曲元件包括由热隔离区分隔的 两个多层悬臂，每一所述多层悬臂包括一在平面程度的低膨胀层和一高膨胀层，从 每个所述弯曲元件的每个所述多层悬臂的成对结构使高膨胀层沿所述低膨胀层的同 一表面设置，所述弯曲元件最里端连接到所述传感元件上；以及(c) 一底层，每一所述弯曲元件的第二端连接到所述底层上。
20、根据权利要求19所述的微机械像素，其特征在于所述弯曲元件是以一对称 结构方式从沿所述传感元件的一边偏离的，或所述弯曲元件以不对称结构设置在所 述传感元件的周围，或一个弯曲元件加热时不偏转。
21 —微机械像素包括-(a) —传感元件，它包括一与第一导电层接触连接的吸收层；(b) —对弯曲元件，每个在一第一端与所述传感元件连接；每个所述弯曲元件包 括由热隔离区域分离的两个多层悬臂，每个所述多层悬臂包括一低膨胀层和一高膨 胀层，所述弯曲元件在照明时相互响应；(C)一个底层，所述弯曲元件的第二末端所述底层连接，所述传感元件和所述底 层由一段距离隔开，该距离是所述红外波长大约四分之一或倍数的，以形成所述光 吸收腔；及(d)—与所述所述底层接触和相连的设有读出电路的电容传感器，所述电容传 感器有一第二导电层，在所述微机械像素内所述第一导电层和所述第二导电层形成 一平行板电容器，每一所述弯曲元件的第二端连接所述底层，每个所述弯曲元件有 一导电层，它是低热导的，由此电气连接所述传感元件到所述电容传感器。
22、根据权利要求21所述的微机械像素，其特征在于进一步包括(d)—接触所述吸收体层的部分吸收层，所述部分吸收层包含一金属。
23、 根据权利要求21所述的微机械像素，其特征在于每一所述多层悬臂的所述 高膨胀层包含一聚合物。
24、 根据权利要求21所述的微机械像素，其特征在于每一所述多层悬臂有一聚 合物层，它相对所述低膨胀层沿所述高膨胀层布置。
25、 根据权利要求21所述的微机械像素，其特征在于每一所述多层悬臂有一个 沿其长度方向布置的非平面外形。
全文摘要
本发明描述了一微机械装置，它包括一改进的传感元件和一个改进的弯曲元件。传感元件包括比相关技术更薄、更轻、更扁平的多层结构。弯曲元件包括由分别响应红外光源照明以致扭曲该传感元件的结构。微机械像素可以设置形成两维的红外感光像素阵列。微机械像素的阵列可以应用到安全和监视、消防、汽车安全系统和工业监测领域的成像装置。
文档编号G01J5/40GK101387554SQ200810130698
公开日2009年3月18日 申请日期2008年6月29日 优先权日2007年6月29日
发明者京 赵, 金光海, 马智·欧德曼 申请人:马智·欧德曼;金光海;赵 京