1 MEMS紅外探測器概述

紅外探測是以紅外成像為核心的一項(xiàng)探測技術(shù)，它通過把紅外輻射轉(zhuǎn)換成其它可測量物理信號（如：電壓），并對該物理信號做相應(yīng)的模擬或數(shù)字信號處理，從而得到可供人類視覺分辨的圖像。發(fā)展至今，紅外探測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、安防等多個(gè)領(lǐng)域。

MEMS（micro electromechanical system）又稱為微機(jī)電系統(tǒng)，它現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于電腦、汽車、醫(yī)療儀器和航空航天等的微芯片制造中，因?yàn)樗粌H具有體積小、重量輕、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)、還能持續(xù)提升芯片性能并降低成本，利于大批量生產(chǎn)，因此受到高技術(shù)產(chǎn)業(yè)市場的歡迎。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 紅外探測器的分類

紅外探測器主要包括四大部分。（1）紅外成像鏡頭，主要作用是把探測目標(biāo)成像到探測器組件上；（2）紅外焦平面陣列FPA（focus plane array），這部分的作用是把紅外輻射轉(zhuǎn)化為其它便于測量的物理信號，如：電信號；（3）信號處理部分，對紅外焦平面陣列輸出的物理信號做放大、濾波等處理，然后轉(zhuǎn)換為視頻信號；（4）顯示器，接收視頻信號，顯示出圖像。

紅外探測器中的核心組件是紅外焦平面陣列部分，該組件是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。根據(jù)探測機(jī)理可將紅外焦平面陣列的探測單元分成兩大類：光子型探測器（制冷型探測器）和熱型探測器（非制冷型探測器）。具體分類如下：

光子型紅外探測器，其工作基礎(chǔ)是半導(dǎo)體材料的內(nèi)光電效應(yīng)—光電導(dǎo)效應(yīng)或光生伏特效應(yīng)，具體可以分為以下幾種：光電導(dǎo)型探測器、光電子發(fā)射型探測器、光伏型探測器。光子型紅外成像系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是探測靈敏度高，其缺點(diǎn)是工作時(shí)需要用液氮進(jìn)行冷卻，以消除探測器的熱噪聲，整個(gè)成像系統(tǒng)就需要增加制冷器和杜瓦瓶等額外設(shè)備，使得系統(tǒng)制造成本偏高，功耗、體積和重量都較大。這些缺點(diǎn)導(dǎo)致光子型紅外成像系統(tǒng)基本只應(yīng)用于天文、軍事和學(xué)術(shù)研究等領(lǐng)域。

熱型紅外探測器，其主要是基于紅外輻射的熱效應(yīng)—像素（內(nèi)含敏感元）吸收紅外輻射導(dǎo)致其溫度上升，從而引起敏感元的某些可測量的物理特性的變化，通過測量這種變化完成紅外探測。這些可測量的變化包括：電阻變化、電容變化、熱釋電效應(yīng)、賽貝克（Seebeck）效應(yīng)、氣體壓力變化、液晶色變和熱彈性效應(yīng)等等。傳統(tǒng)的熱型探測器可以分為以下幾種：熱敏電阻探測器、熱釋電型探測器、熱電偶型探測器。熱型紅外成像系統(tǒng)不需要液氮制冷，整個(gè)成像系統(tǒng)的功耗、體積和重量較小，容易維護(hù)，價(jià)格相對低廉。熱型紅外成像系統(tǒng)的探測靈敏度低于制冷型成像系統(tǒng)，其噪聲等效溫差在0.1K左右。熱型紅外成像系統(tǒng)已廣泛用于人類日常生活中，如：夜視儀、安全監(jiān)控和熱像儀。

熱型紅外探測器的發(fā)展一直落后于光子型紅外探測器，隨著材料科學(xué)的發(fā)展和加工手段的改進(jìn)，尤其是薄膜工藝和MEMS 技術(shù)等關(guān)鍵支撐技術(shù)的逐漸成熟，熱型紅外焦平面陣列技術(shù)不斷取得突破，熱型紅外探測器已逐漸成為紅外研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。熱型紅外探測器的最大優(yōu)點(diǎn)是能在熱下工作，為實(shí)現(xiàn)低成本、小型化、便攜式紅外探測系統(tǒng)開辟了道路，目前熱型紅外探測系統(tǒng)的生產(chǎn)成本與市場價(jià)格已大為降低，為量子型紅外探測器的幾分之一。雖然與量子型紅外探測器相比較，熱型紅外探測器響應(yīng)速度較慢，但隨著技術(shù)的發(fā)展，熱型紅外探測器已完全能滿足凝視成像的要求。

2.2 基于MEMS技術(shù)的非致冷紅外探測器的發(fā)展

熱型紅外探測的關(guān)鍵是如何制作具有良好熱絕緣特性的結(jié)構(gòu)。一般而言，懸空結(jié)構(gòu)具有良好的熱絕緣性能，而制作這種懸空結(jié)構(gòu)正是MEMS技術(shù)的優(yōu)勢。紅外探測技術(shù)的發(fā)展歷史已經(jīng)證明：正是日益成熟的MEMS技術(shù)和成熟的IC技術(shù)共同推動了非致冷紅外探測器的發(fā)展。

按照信號讀出方式的差別，基于MEMS技術(shù)的非致冷紅外探測器可分為電學(xué)讀出方式和光學(xué)讀出方式非致冷紅外探測器。電學(xué)讀出方式是一種傳統(tǒng)信號檢出方式，目前正在使用的紅外探測器都采用電學(xué)讀出方式；采用光學(xué)方法讀出紅外信號則是一種新型的信號檢出方式，它具有高靈敏度、高分辨率等特點(diǎn)，是近年來廣受關(guān)注的一項(xiàng)新型檢出技術(shù)。

3 MEMS紅外探測典型案例

3.1 MEMS熱電堆紅外探測器

MEMS熱電堆紅外探測器屬于一種電學(xué)讀出非制冷紅外探測器的。熱電堆紅外探測器的工作原理是基于塞貝克效應(yīng)的紅外輻射探測。把兩種不同材料的一端相連，另一端不相連，形成一對熱電偶。當(dāng)相連的一端受熱溫度增加時(shí)，會在材料的兩端形成溫差ΔT，那么兩種材料不相連的兩端會有電勢差產(chǎn)生ΔV。通過對輸出信號的處理可以探測到最初的紅外光源的強(qiáng)度和波長大小等特性。關(guān)于熱電堆紅外探測器的研究重點(diǎn)在于吸收層材料的改進(jìn)和如何與CMOS工藝更好的兼容，而傳統(tǒng)的熱電堆紅外探測器的缺點(diǎn)首先是吸收層材料對紅外的吸收率低，對不同波段的紅外光吸收率相差較大。其次熱電偶材料主要采用金屬，不能與CMOS兼容；另外“三明治”結(jié)構(gòu)采用多層介質(zhì)膜，因?yàn)槭嵌鄬铀匀菀壮霈F(xiàn)各層應(yīng)力不匹配的問題。

中北大學(xué)、中國科學(xué)院微電子研究所針對吸收層材料對紅外的吸收率低的缺點(diǎn)，提出一種通過制作“黑硅”的方法處理多晶硅或非晶硅得到錐狀森林結(jié)構(gòu)提高紅外吸收率（專利申請?zhí)枮镃N201110104209.9）。該MEMS熱電堆紅外探測器的主要結(jié)構(gòu)包括：硅襯底、介質(zhì)支撐膜、多組由P/N型多晶硅熱偶條上下疊置構(gòu)成的熱電堆以及紅外吸收層材料。

圖1 MEMS熱電堆紅外探測器結(jié)構(gòu)示意圖

UD控股有限責(zé)任公司提出了一種“超點(diǎn)陣量子阱紅外探測器”（專利申請?zhí)枮镃N201180057683.9），該專利申請的技術(shù)方案中，通過對懸臂14、15制作方法和材料的改進(jìn)，降低了吸收器12與懸臂14、15之間的導(dǎo)熱性，從而降低熱泄露，改善紅外探測器的性能。見圖2。

圖2 超點(diǎn)陣量子阱紅外探測器結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 法布里-泊羅干涉型光學(xué)讀出紅外傳感器

由于電讀出紅外成像系統(tǒng)需要在紅外焦平面陣列（FPA）的探測單元內(nèi)部集成高信噪比的讀出電路，通過該集成電路將與紅外輻射強(qiáng)弱成比例的電學(xué)信號以逐行的方式讀出，經(jīng)過處理，合成用于顯示器顯示的視頻信號。電讀出的方式已經(jīng)十分成熟，然而仍存在一些不足之處：（1）在探測單元內(nèi)部集成的讀出電路會產(chǎn)生額外的熱量引起焦耳噪聲，使探測靈敏度降低；（2）隨著紅外焦平面陣列像素的增加，很難做到同時(shí)兼顧高分辨率和高幀率的技術(shù)需求；（3）針對熱型的紅外探測器，讀出電路中使用的金屬材料會增加整個(gè)探測單元的熱導(dǎo)，導(dǎo)致探測靈敏度降低。電讀出方式的這些不足，使得光讀出方式逐漸受到研究者的關(guān)注。

法布里-泊羅干涉型光學(xué)讀出熱成像系統(tǒng)的工作機(jī)理是紅外熱效應(yīng)、雙金屬片效應(yīng)和光的干涉原理。換而言之，該系統(tǒng)就是利用雙材料梁由于紅外熱效應(yīng)和雙金屬片效應(yīng)而產(chǎn)生的位移對可見光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，從而直接將紅外圖像直接轉(zhuǎn)化為可見光圖像。

北京大學(xué)提出了“一種基于MEMS技術(shù)的全波段紅外焦平面陣列”（專利申請?zhí)枮镃N201310416650.X），其為一種典型的光學(xué)讀出型MEMS紅外探測器結(jié)構(gòu)。其工作原理是：當(dāng)紅外光輻射到焦平面陣列時(shí)，設(shè)計(jì)在紅外敏感面上的紅外吸收結(jié)構(gòu)將吸收的能量轉(zhuǎn)換成熱能，由于雙材料效應(yīng)，微懸臂梁像元發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光學(xué)檢測系統(tǒng)通過透明襯底讀出微懸臂梁像元陣列的形變量和分布。該發(fā)明提供的紅外焦平面陣列通過在紅外敏感面上設(shè)置的超材料結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行全波段紅外探測和成像，工作在非制冷環(huán)境下，可采用簡單的聚酰亞胺犧牲層工藝制造。

圖3 光學(xué)讀出型MEMS紅外探測器結(jié)構(gòu)正視圖

中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所提出了一種光學(xué)讀出紅外探測器結(jié)構(gòu)（專利申請?zhí)枮镃N201510341090.5），其改善了可見光利用率。其結(jié)構(gòu)包括：玻璃襯底和通過錨結(jié)構(gòu)懸空于玻璃襯底上的懸浮結(jié)構(gòu)；懸浮結(jié)構(gòu)包括可見光反射層、紅外吸收層以及支撐梁；通過將可見光反射層懸空地設(shè)置于玻璃襯底上，并且紅外吸收層空于可見光反射層上，實(shí)現(xiàn)了可見光反射層和紅外吸收層分離，從而避免了可見光反射層由于雙材料效應(yīng)導(dǎo)致變形，且可見光反射層面積的增加提高了可見光的利用率，從而使紅外探測器同時(shí)滿足對器件各方面的要求，提高器件的綜合性能。

圖4 光學(xué)讀出型MEMS紅外探測器結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 熱敏電阻型MEMS紅外傳感器

熱敏電阻探測器，由半導(dǎo)體薄膜材料制成。半導(dǎo)體薄膜材料吸收紅外輻射，溫度升高導(dǎo)致其電阻發(fā)生變化，信號讀出電路把電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化。信號讀出電路輸出電壓的穩(wěn)定值與入射輻射的功率成正比。雖然熱敏電阻探測器并非MEMS紅外傳感器的熱點(diǎn)，但是近年仍有研究機(jī)構(gòu)對熱敏電阻型MEMS紅外傳感器做出技術(shù)上的改進(jìn)，例如以下這項(xiàng)專利：

中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究院提出了一種具有較高信噪比的紅外探測器陣列及其制作方法（專利申請?zhí)枮镃N201510368985.8），該紅外探測器陣列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于在非致冷紅外探測器像素的懸橋結(jié)構(gòu)上制作兩組熱敏單元B1和B2，在襯底上制作另外兩組熱敏單元S1和S2，再通過惠斯通電橋形式將這四組熱敏單元連接起來，差分輸出電信號，從而抑制了電路噪聲，可顯著地提高器件的信噪比。

圖5 熱敏電阻型MEMS紅外探測器結(jié)構(gòu)

4 MEMS紅外探測器發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景

繼續(xù)提高芯片性能和集成度、降低制造成本，一直并且仍然是熱紅外探測器的發(fā)展方向。從性能角度來看，在微機(jī)械加工技術(shù)日益成熟的情況下，靈敏度的提高主要涉及到熱敏感材料或元件的選擇。從集成度來看，非制冷列陣正循著可見光圖像傳感器的路徑發(fā)展。隨著探測器的日益復(fù)雜和完善，將開發(fā)與之兼容的多芯片組件和表面安裝技術(shù)，以制作更高集成度的攝像器件。從實(shí)現(xiàn)低成本角度來看，制作與CMOS工藝完全兼容的單片集成式微機(jī)械熱紅外探測器及陣列是實(shí)現(xiàn)低成本的有效途徑，這需要開發(fā)更合理的集成方案的提出。