基于压电效应及复合等离激元的宽光谱红外传感器的制作方法

本发明涉及红外传感技术领域，具体涉及基于压电效应及复合等离激元的宽光谱红外传感器。

背景技术：

根据工作的温度不同，红外传感器一般分为制冷型和非制冷型两大类。制冷型红外传感器通常由半导体材料制成。利用某些材料的光电效应，光敏材料吸收光子后，引起电学参数的改变。为了抑制热载流子及噪声，制冷型红外传感器工作温度通常在77k以下。需要利用制冷机或者液氮等制冷，这将导致其体积和重量相对较大，价格也比较昂贵。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而无需制冷，因此具有更易于便携等优点。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。非制冷红外传感器因其省略了体积庞大、价格昂贵的制冷机构，在体积、重量、寿命、成本、功耗、启动速度及稳定性等方面相比于制冷型红外传感器具有优势。但在响应时间、传感灵敏度方面较制冷型红外传感器存在差距。

近年来，随着微纳传感技术的发展，微机电谐振器(fbar)由于其压电效应其的应用也扩展到非制冷红外传感器领域。一方面，fbar通常具有微型的尺寸，抗外界干扰能力更强；另一方面，fbar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效应的非制冷红外传感器表现出优秀的信噪比指标。另外，微机电谐振器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)。

然而微机电谐振器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。从而导致基于压电效应的非制冷红外传感器对红外辐射的吸收率较低。

同时，基于压电效应的非制冷红外传感器还主要面临红外辐射吸收带宽受限的问题，吸收层的宽带吸收可提高非制冷红外传感器性能。目前增加吸收带宽通常采用多层结构吸收，利用不同层吸收谱段的拼接以拓宽吸收层的吸收带宽，具体包括：采用不同材料制备吸收层，但该方法受材料制备应力限制，材料选择范围有限并且增加吸收层厚度，会影响红外传感器性能；采用多层微桥结构，然而受工艺难度限制且堆叠层数有限，因此吸收宽度有限，此外该方法大幅提高工艺复杂度，并且降低红外传感器的可靠性。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供基于压电效应及复合等离激元的宽光谱红外传感器。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

基于压电效应及复合等离激元的宽光谱红外传感器，包括微机电谐振器，该红外传感器还包括连接微机电谐振器的读出集成电路衬底、位于微机电谐振器上表面上的介质层和位于介质层上表面上的金属阵列层，所述金属阵列层包括复数个金属单元，每个金属单元由至少三种不同尺寸的金属块组成。

本发明的有益效果是：

1、通过在微机电谐振器表面集成介质层和金属阵列层的结构，利用金属阵列层实现对红外光谱的增强吸收，吸收的能量作用于微机电谐振器上，克服了微机电谐振器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、通过包括至少三种不同尺寸的金属块的金属阵列层实现宽波段吸收，克服了非制冷红外传感器对红外辐射吸收带宽受限的问题，同时金属阵列层的制备采用一种材料即可实现，也无需增加吸收层厚度或是堆叠层数，吸收宽度易调整、易扩宽，工艺制作简单，对应的红外传感器拥有优良、稳定、可靠的红外传感性能。

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、本发明将微机电谐振器、介质层和金属阵列层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、本发明的基于压电效应及复合等离激元的宽光谱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结构示意图。

图2为本发明的非制冷红外传感器的读出集成电路衬底的结构示意图。

图3为本发明的非制冷红外传感器的金属阵列层的一种具体结构图。

图4为本发明的非制冷红外传感器的金属阵列层的另一种具体结构图。

图5为本发明的非制冷红外传感器的微机电谐振器的结构示意图。

图6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7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8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9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10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11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12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13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14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15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16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17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18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、微机电谐振器，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、介质层，4、金属阵列层，4-1、金属单元，5、连接层。

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。

基于压电效应及复合等离激元的宽光谱红外传感器，如图1所示，该红外传感器还包括读出集成电路衬底1(又称roic衬底)、微机电谐振器2、介质层3和金属阵列层4，读出集成电路衬底1、微机电谐振器2、介质层3和金属阵列层4依次连接，微机电谐振器2位于读出集成电路衬底1上、介质层3位于微机电谐振器2上表面，金属阵列层4位于介质层3上表面。金属阵列层4包括复数个金属单元4-1，每个金属单元4-1由至少三种不同尺寸的金属块组成。

本发明基于压电效应及复合等离激元的宽光谱红外传感器，提供了一种基于介质层3、金属阵列层4和微机电谐振器2技术的非制冷红外传感器结构，复合等离激元包括介质层3和金属阵列层4。其传感机理在于利用金属阵列层4和介质层3实现对红外光谱的增强吸收，吸收的能量作用于微机电谐振器2上，通过检测微机电谐振器2电学参数的变化，推导出红外辐射量。本发明通过在微机电谐振器2表面集成介质层3和金属阵列层4的结构，克服了微机电谐振器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，也增加了对入射光谱的选择性。同时，金属阵列层4包括多个重复金属单元4-1，每一个金属单元4-1由多种(大于两种)不同尺寸的金属块结构组成，不同尺寸的金属块对应不同的吸收波峰，多个吸收波峰叠加达到宽波段吸收的效果，所以通过在微机电谐振器2表面集成金属阵列层4克服了非制冷红外传感器对红外辐射吸收带宽受限的问题，不同于采用多层结构吸收来增加吸收带宽的方式，金属阵列层4的制备采用一种材料进行金属块尺寸变换即可实现，也无需增加吸收层厚度或是堆叠层数，吸收宽度易调整、易扩宽，工艺制作简单，同时红外传感器拥有优良、稳定、可靠的红外传感性能。另外，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。通过微机电谐振器2、介质层3和金属阵列层4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。

上述的读出集成电路衬底1和微机电谐振器2可直接连接也可以通过连接层5连接，所说的连接层5为连接电极。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2所示。读出集成电路衬底1的功能是读取微机电谐振器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工作在微机电谐振器2的谐振频率附近波段(约1ghz～3ghz)。

金属阵列层4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4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的材料通常采用ge、mgf2、sio2或aln等，但不限于这些材料。图3和图4为位于介质层3上的金属阵列层4的两种结构的举例，但不限于图3、图4两种结构，如图3和图4，通过设计每个金属单元4-1包括四种不同尺寸的金属块的阵列结构，实现对红外辐射的宽波段增强吸收，图3中虚线所框选的区域为金属单元4-1，金属单元4-1内的金属块为正方形(横截面为正方形)，图4中金属块为十字形(横截面为十字形)。

微机电谐振器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5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，将机械能限制在微机电谐振器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与介质层3连接，即顶电极2-1的上表面上设置介质层3，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。

本发明的红外传感器还包括围板和红外窗口。围板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。红外窗口设置在围板上，而且红外窗口位于金属阵列层4的正上方，允许红外光透过该红外窗口照射在金属阵列层4的表面。读出集成电路衬底1、围板和红外窗口共同构成密封腔，根据工作条件的需求，密封腔为微机电谐振器2、介质层3和金属阵列层4提供真空环境。

根据本发明基于压电效应及复合等离激元的宽光谱红外传感器，提供了基于压电效应及复合等离激元的宽光谱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6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7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s11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8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9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10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11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12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s11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13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、制备介质层3

如图14所示，在顶电极2-1上表面上制备介质层3。介质层3的制备通常采用溅射或者真空蒸镀等工艺方法。介质层3面积通常小于等于顶电极2-1面积，介质层3的下表面的面积小于等于顶电极2-1上表面的面积。

s10、制备金属阵列层4

如图15所示，在介质层3上表面上制备金属阵列层4。金属阵列层4可以采用光刻或者电子束光刻、剥离等工艺完成。

s11、刻蚀牺牲层2-29以得到空腔2-9

如图16所示，释放第二牺牲层，得到空腔2-9，即得到微机电谐振器2，此时介质层3与微机电谐振器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。

s12、制备读出集成电路衬底1

如图17所示，制备读出集成电路衬底1。

s13、将读出集成电路衬底1与微机电谐振器2进行键合

如图18所示，通过键合的方式，将微机电谐振器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。两个衬底电极可通过连接层5与微机电谐振器2上的第一电极2-4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。

s14、封装

对s14所得到的器件进行封装。围板胶在读出集成电路衬底1上，再将红外窗口胶连围板的上部，读出集成电路衬底1、围板和红外窗口组成密封腔。围板可以采用硅片晶圆、玻璃片或者陶瓷封装结构等。该密封腔可根据微机电谐振器2、介质层3和金属阵列层4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，将微机电谐振器2、介质层3和金属阵列层4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。