非制冷MEMS红外成像系统

1、第36卷，增刊、，b136红外与激光工程InfhredandLaser2007年6月Jun2007SupplementEngineemg非制冷MEMS红外成像系统陈大鹏1，焦彬彬1，李超波1，石莎莉1，史海涛2，程腾2，张青川2，伍小平2(1冲科院微电子研究所，北京100029；2冲国科学技术大学，安徽合肥230037)搞耍：利用光力学效应设计研制了非制冷MEMS红外焦平面阵列及图像探测系统，提出并制作了新型间隔镀金的、无Si衬底的非制冷MEMS红外成像焦平面阵列，分析了FPA热响应时间、NETD、像元的一致性等问题，与光学检测系统共同组成红外成像系统，成功得到了室温背景下人体的热像。关键词：

2、非制冷红外焦平面；中图分类号：TN405MEMs；氮化硅文章编号：10072276(2007)增(器件)一o00703文献标识码：AUncooledMEMSIRima西ngsyst哪Haita02，C腿NGTen92，Xia0pin92CHENDIChao-b01，SHIShalil，SHIa-pen91，JIAOBin-binl，LZHANGQingchuan2，wu(1hstitIlteofMicroelectronics，chineseAcademy2UniVe璐ityof0029，aliIm；ofsciences，BeijinglOScicc柏d砥h109yofChillaHcfei2

3、30027，Chilla)infraredAbst您ct：Anopto-mechaIlicaLluncooledMEMSH'AdeViceandimeredeVelopedbasedagmgsystemwone虢ctandusingMEMSasfabricationtechnologyThefabricationprocessoftheFPAw7sicewasreaHzedAhumallpresentedaIldtlledeVftlleFf'AsystemcoInposedOiIl行aredimereagingsystemwasobtainedusingmei11fraredi

4、mtllernlalimagewagingaIld叩ticalstudiedailldetectingsystemThempe面maIlceparameterofmeords：UncooledinnaredF】)A；MEMS；KeywSiNJO引育参量的响应性，优于目前大量使用的非制冷电学读出红外成像仪，噪声等效温度差可以达到mK量级，撕onalLab的Thundat等1996年，Oak融dgeN接近甚至优于致冷型红外成像仪。由于无读出电路限制，FPA上的红外感热像素容易增加。从事该研(2002究的主要有美国Berkeley大学【卜21，E册=2K人利用姬M成像系统，提出了采用激光扫描微悬臂梁

5、受热变形检测物体的红外像的概念，开始了基于光学读出方法结合微悬臂梁机械结构受热形变探测红外热源信号的研究。其原理属于非制冷红外探测。它的每一个探测单元都是独立的，不需要布任何电信号引线和集成任何信号处理微电路到探测单年)；洛克西德Technology马丁公司；美国0ak鼬dgeNationalLab等；2000年至2004年，NikonCorp的PhotonicsDepanment陆续报道了采用4f系统的谱平面针孔滤波方式和双材料微悬臂梁阵列的红外探测系统，NETD达到了160元上，而是由非接触的光学方法检出阳A上的微梁阵列热变形图像。实验和理论预测结果显示，它的mK，像素大小为55岬

6、5;55岬，阵列266×194；2005年，美国硅谷的探测单元的绝热效果，辐射热转换效率和热致变形Agil缸DnIIlc转向了采用光学读出方式的双材料微收稿日期l20Cr7一0413作者介l陈大鹏(1968一)，男，安徽合肥人，研究员，博士生导师，主要从事cMOS工艺，集成电路，MBMs面的研究。Email：dpchi脚饥8红外与激光工程：红外探测器及其在系统中的应用第36誊悬臂梁红外成像系统的开发，提出砸硒=10mK，像素大小为25¨m×25岬的目标：法国、德国、意大利共同成立了联合研发组ULIS，目标是开发低成本的车用红外成像系统口4】。国内，上海技术物理所、

7、微系统所、部分高校也先后开展了类似原理的MEMs非制冷红外探测技术研究。在跟踪国外利用光力学效应的非制冷红外探测技术的基础上，研制了一种无衬底双材料微悬臂梁阵列结构，并与中国科学技术大学合作研制了光学信号检测部分，成像结构采用薄膜全镂空式的FPA阵列，也取得了较好的实验结果【引。1实验结果11系统组成及原理设计该系统由三个模块组成：n，A设计与制作模块；检测光路模块；红外信号的集成显示处理模块。其中，由微悬臂梁结构组成的红外焦平面成像阵列(FPA)是该系统的关键器件，R)A由一系列成像单元组成面阵列，每一个像元是由一个方形微镜面和两条固支微悬臂梁组成。包括镜面和梁在内的整个像元由两种热膨胀系数

8、差别很大的材料构成，例如SiNAl、SiNAu组合。当成像单元受到红外辐射照射时，入射的红外能量转化为像元镜面和微悬臂梁的温升，从而引起梁的变形，导致像元的转角发生变化，温升不同，每个像元的转角变化也不同，光学检测部分通过检测方形微镜面输出光谱的变化解读出悬臂梁的转角变化及分布，以光强图像的方式将被测物体的温度场显示出来。这个光学图像可以是通过光学系统聚焦在屏幕上的图像，也可以是利用其他光电转换器接收到的图像，如cCD相机或光电二极管接收到的图像，如图1所示。为提高FPA的热响应灵敏度，采用数值仿真，设计并模拟计算了不同尺寸和材料结构的FPA热响应灵敏度，热响应频率和像素热驰豫时间等问题，在此

9、基础上，提出了全镂空、无衬底、多级回折悬臂梁结构和间隔镀金工艺制作FPA，全镂空无Si衬底的FPA结构与带Si衬底结构的FPA相比，消除了si基底界面对红外辐射的反射，提高了成像单元接收到的红外辐射40，间隔镀金工艺的实现降低了悬臂梁的热流失，保证成像响应。图1基于光学信号检测方法的MEMS红外热像仪系统原理示意图Fig1Sketchof瓜imagingsystemb鼬edonoptic-rcadoutm晌od其次，针对微机械热敏结构热响应频率较慢和热驰豫问题，建立了等效电路分析模型，利用数值分析，模拟单个像元的热响应频率和热驰豫时间：吼：一(瓦一乙)+p要(1)卜去(玑训+cc警(2)气=害

10、(3)LJT咖Ll公式(1)第一项为单元热导，第二项为单元热容，其中GT0“=吒+吒+吒，cov+。，瓦和瓦分别为单个单元像素和环境温度，该式可以简化等效于一个RC振荡电路。单个像素热响应驰豫时间曲线如下图所示，采用数值拟合，其反应在CCD探测部分的光强表达式为，=，。+比。佃。百图2单个像素的热驰豫时间Fig2simIlla曲nresunofmc彻alrelaxationtimewimap岫l针对模拟的热驰豫时间结果，分析了面阵器件中，各个热成像单元之间的热串扰现象对系统温度噪声带来的影响，热串扰主要发生在一级串扰单元之问，级联串扰单元虽然数目较多，对于目标单元的影响却小，但是，对于面阵热成

11、像器件来说，热增刊陈大鹏等：非制冷MEMs红外成像系统温下人体热成像探测结果，估算卜厄TD约为160InK。9串扰的发生是同时进行的，单元之问的影响也是相互同时发生的，需要建立的模拟模型和边界条件确立极为复杂，目前，笔者只能从热串扰发生后，对系统温度噪声的宏观影响来作大概的趋势模拟。进一步的影响分析需要更为复杂的模型和实验验证。12FPIA红外成像阵列的制造该部分工作是整个系统中最为核心和关键的部分，采用独有的全镂空薄膜结构结合表面保护工艺，解决了非制冷红外焦平面成像系统的核心器件一FPA一的制作工艺中牺牲层释放的瓶颈问题，大大降低了该器件的盲元率，同时，表面保护工艺的采用，也提高了整个阵列结

12、构的释放成功率。通过对薄膜结构的应力控制、机械强度控制、干法刻蚀工艺、湿法腐蚀释放工艺、热导与热隔离结构的制作等一系列单项工艺整合，完成的FPA面阵器件；单个像素的空间姿态分布一致性基本可用；双层材料应力匹配良好，FI)A反光板表面曲率为22蚴。图3FI，A器件空间姿态测试及显微镜照片Fig31hrcedimensionconfigurationofFPAandlicmscopephotography13n'A检测光路目前采用的是非相干光测量方法，将平行光束照在FPIA上，反射出来的光经光学傅里叶变换，在谱平面上对微镜反射面的零级谱进行滤波检测，像元的转角信号通过光学傅里叶变换和滤波转

13、变为光强变化，再由CCD接收，使FPA上的热变形图像转变为CCD辉度变化的数字光学图像。14成像结果图4是采用本文报导的无衬底双材料微悬臂梁阵列作为红外探测用FE久，结合光学信号读出获得的室图4热成像结果Fig411le】m】Ialimagingresults2结论文中报导的全镂空双材料悬臂梁阵列结构制作非制冷MEMS红外焦平面阵列，消除了国外提出的非制冷MEMS红外焦平面阵列中的硅衬底，降低红外辐射衰减约40左右，大大提高了器件的温度探测灵敏度，同时，没有硅衬底也避免了MEMS活动结构的粘连失效问题，具有较高的技术创新和实用价值。此外，由于采用光学信号检测方式，该系统还有以下优点：(1)探测

14、阵列的输出无需转换为电信号，在制作大面阵时，工艺难度较低；(2)读出系统与探测阵列没有热导体的互连，不会在探测阵列产生附加热量，探测器吸收红外温升后的热量也没有因为电互连而产生散失；(3)理论上，采用光学读出的红外探测系统探测灵敏度要高于采用信号读出电路的红外系统。考文献：n】MAoMIn：丘砌visiusing衄uncooledth咖lo-0pton】cchaIlicalc姗era：desigIl，microfabricadon，柚dpe响彻卸ceC】胛roc也EEMEMSConfonLosAngeles，1999，1(17_21)：lOO105【2】删AOYoptomech锄icaluncoolcdin】hDedilagingsyst锄p】DissenationofUC，Berkeley2002【3】IS玎【zUYAT，SUZUJ，AKAGA：W氏Kcta1AnoVclopdcallya出出1ebimaerialin仟areddetcctor【J】JofInstitlltcofationTelevisionImageEginecrs，2001，55：304309【4】ISHIZUYAT，SUZUKIJ，AKAGArAK，eta1160