MEMS红外探测器的研究与设计
MEMS红外探测器的研究与设计[20191223142025]
摘 要
本论文讨论了红外探测器的研究背景及其广阔的应用前景，以及MEMS技术的特点，并讲述了MEMS技术在红外探测器中运用的情况。接着分别介绍了三种典型的红外探测器。以MEMS非制冷红外探测器为基础，对微测辐射热计的原理、相关参数、典型结构进行讲解与分析。针对微桥结构，以通过增加红外光线的吸收率来提高探测器的探测效率为目的，本文设计了一个新型的MEMS微测辐射热计，即在空腔内的上方添加一层反射层。同时，推出了一套与所设计的器件相对应的工艺流程。并对非制冷红外探测器的发展做出了美好展望。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:非制冷红外探测器MEMS技术多孔硅微测辐射热计微桥结构
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 MEMS红外探测器的研究背景 1
1.1红外探测器的研究背景 1
1.1.1研究红外探测器的意义 1
1.1.2 红外探测器的发展历程 2
1.1.3 红外探测器的发展现状与目前存在的问题 4
1.2 MEMS技术的特点 5
1.3MEMS技术在红外探测器中的应用 5
1.4本文研究的内容和目标 6
1.4.1本文的研究内容 6
1.4.2本文的研究目标 6
第二章 红外探测器的探测原理 7
2.1典型的探测系统及原理 7
2.1.1 微机械红外热电堆探测器 7
2.1.2热释电非制冷红外探测器 8
2.1.3 探测器的对比 9
2.2 MEMS微测辐射热计原理 9
2.3本章小结 11
第三章 新型MEMS红外探测器的设计 12
3.1典型的结构 12
3.1.1平面式结构 12
3.1.2悬浮式微桥结构 13
3.1.3两类结构的对比 14
3.2 MEMS微测辐射热计的设计及其工艺流程 14
3.2.1 设计微桥结构的重要性 14
3.2.2 MEMS微测辐射热计的设计 16
3.2.3 微测辐射热计工艺流程设计 17
第四章 总结与展望 18
4.1全文总结 18
4.2工作展望 18
参考文献 19
第一章 MEMS红外探测器的研究背景
1.1红外探测器的研究背景
1.1.1研究红外探测器的意义
红外波段包含了人类周围生存环境的大量信息，更是整个宇宙中主要能够散发能量的波段。通常，我们把物质在一定温度时发射的红外能量叫做红外或者热辐射，这个辐射的强度及波长由物质的温度高低决定。整个光谱内，在0.7μm至1000μm的范围内的波长均为红外辐射的波长。室温(300K)下，黑体发射谱中心波长约为10μm，因此当处于光线猛烈、光线不足或恶劣环境条件下的探测更适合在8μm至14μm范围波段内进行，这也是我们着重于中远红外探测器的研发的原因。中远红外探测器不光光可以在夜间探测、军用制导与追踪、地面测量与绘制等地方得到很好的运用，并且在日常生活范畴中的医疗诊断、工程监制及修补等地方也拥有长远的使用前景。
图1-1 hs210f吸顶式红外探测器 图1-2 供应无线双元红外探测器pa-421
在热成像系统的各部分中，红外探测器是红外仪器中最核心的器件，可以称之为是整个仪器心脏地位的部分。红外探测器组件是整个红外仪器中制备方法最繁杂、所需资金量最大的，也因为如此，每一个国家皆仅深入研究小批的部分组件。
由于红外探测器自身拥有的商业价值与长远运用前景，我们越来越重视它的研发和批量生产。现今科技的不断发展也进一步刺激了更多拥有各自长处的新的探测器问世。如今，红外探测器技术升级为了一项综合性的科学技术，它包括了材料、物理、光电、机械、微电子、计算机等多种学科。
1.1.2 红外探测器的发展历程
战争带来的军事需求是推动红外探测器进步的首要力量，当今世界的地方战争不可避免，这就进一步催化了各国对红外探测器的研发与应用。据有关报道，到目前为止，关于红外探测器的整个应用市场的75%是作为军事用途。不过据了解，到现在为止红外探测器运用在日常生活的设备中的例子越来越多。
迄今为止，红外成像阵列一共经历了四个时代，每个时代的不同点主要是使用了不同的材料并且获得了更高的性能。分别是:
第一代:运用了HgCdTe体材料。中小规模的集成电路，多应用在多元线阵列或小面阵探测器中，带有繁杂的光机扫描装置，信号处理过程不繁杂，拥有视觉效果和黑白电视机画面差不多的像素。
图1-4 HgCdTe红外探测器
第二代:运用了体材料或是薄膜材料。大规模集成的读出电路，带有简单的或者直接不需要光机扫描装置，能进行繁杂的讯息处理操作，与上一代热像仪相比，有效距离和空间分辨率得到了显著改善。
图1-5 薄膜热释电红外探测器
第三代:使用了先进薄膜材料。达到了和高清电视图像像素差不多的凝视型FPA，读出电路超大规模集成、功能复杂，带有简单的光机扫描机构或没有扫描机构。与上一代热像仪相比，有效距离和空间分辨率得到了进一步的大改善。
图1-6 先进薄膜热释电红外探测器
第四代:应用了先进的多层薄膜材料。超大规模集成的读出电路拥有极强的讯息处理能力，再加上与图像融合技术相结合，就能够获得清晰的多个光谱或者是全光谱的多色图像。与上一代热像仪相比，其空间分辨率、获得讯息量以及数据处理功能都得到了很好的改善。
图1-7 多层热电阻薄膜红外探测器
总的来说，在60年代左右，红外探测器大部分是单元探测器，要采用二维光机扫描方式来进行红外成像；到了70年代，多元红外探测器线列的推出使用一维光机扫描就能进行红外成像；到了80年代，焦平面器件的问世使红外成像的完成可以只采用凝视成像，不再需使用光机扫描。
1.1.3 红外探测器的发展现状与目前存在的问题
红外探测器可以分为制冷探测器（低温探测器）和非制冷探测器（室温探测器）
图1-8 制冷型量子阱红外探测器 图1-9 2-12umpem/pemi系列非制冷光导红外探测器
制冷探测器需要在低温的环境条件下才可以进行正常工作来得到理想的使用效果，然而它的制冷系统和繁杂的扫描结构不时会发生故障，其性能高，但价格也高，并且质量与体积都相对较大，导致了它的使用遭到了很大的制约。
非制冷探测器的工作环境不需要进行降温，它的探测效果比不上制冷型探测器，但它的价格低、小巧轻便，而且维护简单、工作寿命长、具有很高的可靠性，使其在军事上的低端利用及日常生活中的使用中有非常长远的运用前景。非制冷红外探测器的出现促使很多研究者们着力于寻求新的材料、新的工艺等方面，来解决制作探测器时发现的问题，如功耗、尺寸、成本、探测效率等。伴随着与MEMS新技术的不断融合运用，将会非常明显地增强非制冷红外探测器的使用效果和可靠性。
总的来说，非制冷红外探测器相比之下拥有巨大的优势和市场推广潜力，相信测辐射热计的性能会得到进一步的提升，现存在的问题也将一一逐步解决：非制冷红外探测器红外焦平面阵列桥式结构的尺寸还需进一步精减，并且提高单位面积上的像素；在保证或提高性能的基础上不断减小质量并降低成本。
1.2 MEMS技术的特点
随着半导体技术的发展，我们越来越追求器件的微型化。微机电系统是把微电子制造工艺和其它制造工艺相结合的一项新产生的制造工艺，能够将微传感器、微执行器、微能源和电子线路系统等部分同时集成在一块芯片上，做成一个兼顾了获得并处理讯息及执行操作命令的集成器件。
一门复合的科学技术：微机电系统关系到微电子学，光学，力学，流体力学和声学磁学等多类学科技术，并结合了现今科技发展的许多顶尖的成果。
研究的主要范围：微型传感器，微型执行器和复杂的微系统。
超小型化：可以获得微米和亚微米的尺寸。通常，MEMS器件的大小在1um~lmm区间内，元器件的大小则是微米级或者纳米级的。伴随微型的特点，还具有轻便、功率消耗低、谐振频率高、响应过程快速的优点。
通常使用的材料：单晶硅，多晶硅和氮化硅等。当今加工材料以硅基为主，进来研究人员渐渐把目光分散到金属、玻璃、陶瓷和Ⅲ，V族化合物等新型材料上。
可大规模生产：使用硅微加工工艺能够同时把大量的微型器件或是整个的MEMS器件制作在一个硅片上，在一定程度上明显地减少了制造成本。
方便扩展：MEMS技术使用得是模块设置的概念，所以如果想要加大正在使用中的器件的系统容量，我们只须采用增加器件的个数的方法就可以实现，可以不用提前算好须要的器件个数，极其便利。
摘 要
本论文讨论了红外探测器的研究背景及其广阔的应用前景，以及MEMS技术的特点，并讲述了MEMS技术在红外探测器中运用的情况。接着分别介绍了三种典型的红外探测器。以MEMS非制冷红外探测器为基础，对微测辐射热计的原理、相关参数、典型结构进行讲解与分析。针对微桥结构，以通过增加红外光线的吸收率来提高探测器的探测效率为目的，本文设计了一个新型的MEMS微测辐射热计，即在空腔内的上方添加一层反射层。同时，推出了一套与所设计的器件相对应的工艺流程。并对非制冷红外探测器的发展做出了美好展望。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:非制冷红外探测器MEMS技术多孔硅微测辐射热计微桥结构
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 MEMS红外探测器的研究背景 1
1.1红外探测器的研究背景 1
1.1.1研究红外探测器的意义 1
1.1.2 红外探测器的发展历程 2
1.1.3 红外探测器的发展现状与目前存在的问题 4
1.2 MEMS技术的特点 5
1.3MEMS技术在红外探测器中的应用 5
1.4本文研究的内容和目标 6
1.4.1本文的研究内容 6
1.4.2本文的研究目标 6
第二章 红外探测器的探测原理 7
2.1典型的探测系统及原理 7
2.1.1 微机械红外热电堆探测器 7
2.1.2热释电非制冷红外探测器 8
2.1.3 探测器的对比 9
2.2 MEMS微测辐射热计原理 9
2.3本章小结 11
第三章 新型MEMS红外探测器的设计 12
3.1典型的结构 12
3.1.1平面式结构 12
3.1.2悬浮式微桥结构 13
3.1.3两类结构的对比 14
3.2 MEMS微测辐射热计的设计及其工艺流程 14
3.2.1 设计微桥结构的重要性 14
3.2.2 MEMS微测辐射热计的设计 16
3.2.3 微测辐射热计工艺流程设计 17
第四章 总结与展望 18
4.1全文总结 18
4.2工作展望 18
参考文献 19
第一章 MEMS红外探测器的研究背景
1.1红外探测器的研究背景
1.1.1研究红外探测器的意义
红外波段包含了人类周围生存环境的大量信息，更是整个宇宙中主要能够散发能量的波段。通常，我们把物质在一定温度时发射的红外能量叫做红外或者热辐射，这个辐射的强度及波长由物质的温度高低决定。整个光谱内，在0.7μm至1000μm的范围内的波长均为红外辐射的波长。室温(300K)下，黑体发射谱中心波长约为10μm，因此当处于光线猛烈、光线不足或恶劣环境条件下的探测更适合在8μm至14μm范围波段内进行，这也是我们着重于中远红外探测器的研发的原因。中远红外探测器不光光可以在夜间探测、军用制导与追踪、地面测量与绘制等地方得到很好的运用，并且在日常生活范畴中的医疗诊断、工程监制及修补等地方也拥有长远的使用前景。
图1-1 hs210f吸顶式红外探测器 图1-2 供应无线双元红外探测器pa-421
在热成像系统的各部分中，红外探测器是红外仪器中最核心的器件，可以称之为是整个仪器心脏地位的部分。红外探测器组件是整个红外仪器中制备方法最繁杂、所需资金量最大的，也因为如此，每一个国家皆仅深入研究小批的部分组件。
由于红外探测器自身拥有的商业价值与长远运用前景，我们越来越重视它的研发和批量生产。现今科技的不断发展也进一步刺激了更多拥有各自长处的新的探测器问世。如今，红外探测器技术升级为了一项综合性的科学技术，它包括了材料、物理、光电、机械、微电子、计算机等多种学科。
1.1.2 红外探测器的发展历程
战争带来的军事需求是推动红外探测器进步的首要力量，当今世界的地方战争不可避免，这就进一步催化了各国对红外探测器的研发与应用。据有关报道，到目前为止，关于红外探测器的整个应用市场的75%是作为军事用途。不过据了解，到现在为止红外探测器运用在日常生活的设备中的例子越来越多。
迄今为止，红外成像阵列一共经历了四个时代，每个时代的不同点主要是使用了不同的材料并且获得了更高的性能。分别是:
第一代:运用了HgCdTe体材料。中小规模的集成电路，多应用在多元线阵列或小面阵探测器中，带有繁杂的光机扫描装置，信号处理过程不繁杂，拥有视觉效果和黑白电视机画面差不多的像素。
图1-4 HgCdTe红外探测器
第二代:运用了体材料或是薄膜材料。大规模集成的读出电路，带有简单的或者直接不需要光机扫描装置，能进行繁杂的讯息处理操作，与上一代热像仪相比，有效距离和空间分辨率得到了显著改善。
图1-5 薄膜热释电红外探测器
第三代:使用了先进薄膜材料。达到了和高清电视图像像素差不多的凝视型FPA，读出电路超大规模集成、功能复杂，带有简单的光机扫描机构或没有扫描机构。与上一代热像仪相比，有效距离和空间分辨率得到了进一步的大改善。
图1-6 先进薄膜热释电红外探测器
第四代:应用了先进的多层薄膜材料。超大规模集成的读出电路拥有极强的讯息处理能力，再加上与图像融合技术相结合，就能够获得清晰的多个光谱或者是全光谱的多色图像。与上一代热像仪相比，其空间分辨率、获得讯息量以及数据处理功能都得到了很好的改善。
图1-7 多层热电阻薄膜红外探测器
总的来说，在60年代左右，红外探测器大部分是单元探测器，要采用二维光机扫描方式来进行红外成像；到了70年代，多元红外探测器线列的推出使用一维光机扫描就能进行红外成像；到了80年代，焦平面器件的问世使红外成像的完成可以只采用凝视成像，不再需使用光机扫描。
1.1.3 红外探测器的发展现状与目前存在的问题
红外探测器可以分为制冷探测器（低温探测器）和非制冷探测器（室温探测器）
图1-8 制冷型量子阱红外探测器 图1-9 2-12umpem/pemi系列非制冷光导红外探测器
制冷探测器需要在低温的环境条件下才可以进行正常工作来得到理想的使用效果，然而它的制冷系统和繁杂的扫描结构不时会发生故障，其性能高，但价格也高，并且质量与体积都相对较大，导致了它的使用遭到了很大的制约。
非制冷探测器的工作环境不需要进行降温，它的探测效果比不上制冷型探测器，但它的价格低、小巧轻便，而且维护简单、工作寿命长、具有很高的可靠性，使其在军事上的低端利用及日常生活中的使用中有非常长远的运用前景。非制冷红外探测器的出现促使很多研究者们着力于寻求新的材料、新的工艺等方面，来解决制作探测器时发现的问题，如功耗、尺寸、成本、探测效率等。伴随着与MEMS新技术的不断融合运用，将会非常明显地增强非制冷红外探测器的使用效果和可靠性。
总的来说，非制冷红外探测器相比之下拥有巨大的优势和市场推广潜力，相信测辐射热计的性能会得到进一步的提升，现存在的问题也将一一逐步解决：非制冷红外探测器红外焦平面阵列桥式结构的尺寸还需进一步精减，并且提高单位面积上的像素；在保证或提高性能的基础上不断减小质量并降低成本。
1.2 MEMS技术的特点
随着半导体技术的发展，我们越来越追求器件的微型化。微机电系统是把微电子制造工艺和其它制造工艺相结合的一项新产生的制造工艺，能够将微传感器、微执行器、微能源和电子线路系统等部分同时集成在一块芯片上，做成一个兼顾了获得并处理讯息及执行操作命令的集成器件。
一门复合的科学技术：微机电系统关系到微电子学，光学，力学，流体力学和声学磁学等多类学科技术，并结合了现今科技发展的许多顶尖的成果。
研究的主要范围：微型传感器，微型执行器和复杂的微系统。
超小型化：可以获得微米和亚微米的尺寸。通常，MEMS器件的大小在1um~lmm区间内，元器件的大小则是微米级或者纳米级的。伴随微型的特点，还具有轻便、功率消耗低、谐振频率高、响应过程快速的优点。
通常使用的材料：单晶硅，多晶硅和氮化硅等。当今加工材料以硅基为主，进来研究人员渐渐把目光分散到金属、玻璃、陶瓷和Ⅲ，V族化合物等新型材料上。
可大规模生产：使用硅微加工工艺能够同时把大量的微型器件或是整个的MEMS器件制作在一个硅片上，在一定程度上明显地减少了制造成本。
方便扩展：MEMS技术使用得是模块设置的概念，所以如果想要加大正在使用中的器件的系统容量，我们只须采用增加器件的个数的方法就可以实现，可以不用提前算好须要的器件个数，极其便利。
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