非制冷MEMS紅外成像系統(tǒng)

1、第36卷，增刊、，b136紅外與激光工程InfhredandLaser2007年6月Jun2007SupplementEngineemg非制冷MEMS紅外成像系統(tǒng)陳大鵬1，焦彬彬1，李超波1，石莎莉1，史海濤2，程騰2，張青川2，伍小平2(1沖科院微電子研究所，北京100029；2沖國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽合肥230037)搞耍：利用光力學(xué)效應(yīng)設(shè)計(jì)研制了非制冷MEMS紅外焦平面陣列及圖像探測(cè)系統(tǒng)，提出并制作了新型間隔鍍金的、無(wú)Si襯底的非制冷MEMS紅外成像焦平面陣列，分析了FPA熱響應(yīng)時(shí)間、NETD、像元的一致性等問(wèn)題，與光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)共同組成紅外成像系統(tǒng)，成功得到了室溫背景下人體的熱像。關(guān)鍵詞：

2、非制冷紅外焦平面；中圖分類(lèi)號(hào)：TN405MEMs；氮化硅文章編號(hào)：10072276(2007)增(器件)一o00703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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引育參量的響應(yīng)性，優(yōu)于目前大量使用的非制冷電學(xué)讀出紅外成像儀，噪聲等效溫度差可以達(dá)到mK量級(jí)，撕onalLab的Thundat等1996年，Oak融dgeN接近甚至優(yōu)于致冷型紅外成像儀。由于無(wú)讀出電路限制，F(xiàn)PA上的紅外感熱像素容易增加。從事該研(2002究的主要有美國(guó)Berkeley大學(xué)【卜21，E冊(cè)=2K人利用姬M成像系統(tǒng)，提出了采用激光掃描微懸臂梁

5、受熱變形檢測(cè)物體的紅外像的概念，開(kāi)始了基于光學(xué)讀出方法結(jié)合微懸臂梁機(jī)械結(jié)構(gòu)受熱形變探測(cè)紅外熱源信號(hào)的研究。其原理屬于非制冷紅外探測(cè)。它的每一個(gè)探測(cè)單元都是獨(dú)立的，不需要布任何電信號(hào)引線和集成任何信號(hào)處理微電路到探測(cè)單年)；洛克西德Technology馬丁公司；美國(guó)0ak鼬dgeNationalLab等；2000年至2004年，NikonCorp的PhotonicsDepanment陸續(xù)報(bào)道了采用4f系統(tǒng)的譜平面針孔濾波方式和雙材料微懸臂梁陣列的紅外探測(cè)系統(tǒng)，NETD達(dá)到了160元上，而是由非接觸的光學(xué)方法檢出陽(yáng)A上的微梁陣列熱變形圖像。實(shí)驗(yàn)和理論預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，它的mK，像素大小為55岬

6、5;55岬，陣列266×194；2005年，美國(guó)硅谷的探測(cè)單元的絕熱效果，輻射熱轉(zhuǎn)換效率和熱致變形Agil缸DnIIlc轉(zhuǎn)向了采用光學(xué)讀出方式的雙材料微收稿日期l20Cr7一0413作者介l陳大鵬(1968一)，男，安徽合肥人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事cMOS工藝，集成電路，MBMs面的研究。Email：dpchi腳饑8紅外與激光工程：紅外探測(cè)器及其在系統(tǒng)中的應(yīng)用第36謄懸臂梁紅外成像系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，提出砸硒=10mK，像素大小為25¨m×25岬的目標(biāo)：法國(guó)、德國(guó)、意大利共同成立了聯(lián)合研發(fā)組ULIS，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)低成本的車(chē)用紅外成像系統(tǒng)口4】。國(guó)內(nèi)，上海技術(shù)物理所、

7、微系統(tǒng)所、部分高校也先后開(kāi)展了類(lèi)似原理的MEMs非制冷紅外探測(cè)技術(shù)研究。在跟蹤國(guó)外利用光力學(xué)效應(yīng)的非制冷紅外探測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了一種無(wú)襯底雙材料微懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)，并與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作研制了光學(xué)信號(hào)檢測(cè)部分，成像結(jié)構(gòu)采用薄膜全鏤空式的FPA陣列，也取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果【引。1實(shí)驗(yàn)結(jié)果11系統(tǒng)組成及原理設(shè)計(jì)該系統(tǒng)由三個(gè)模塊組成：n，A設(shè)計(jì)與制作模塊；檢測(cè)光路模塊；紅外信號(hào)的集成顯示處理模塊。其中，由微懸臂梁結(jié)構(gòu)組成的紅外焦平面成像陣列(FPA)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，R)A由一系列成像單元組成面陣列，每一個(gè)像元是由一個(gè)方形微鏡面和兩條固支微懸臂梁組成。包括鏡面和梁在內(nèi)的整個(gè)像元由兩種熱膨脹系數(shù)

8、差別很大的材料構(gòu)成，例如SiNAl、SiNAu組合。當(dāng)成像單元受到紅外輻射照射時(shí)，入射的紅外能量轉(zhuǎn)化為像元鏡面和微懸臂梁的溫升，從而引起梁的變形，導(dǎo)致像元的轉(zhuǎn)角發(fā)生變化，溫升不同，每個(gè)像元的轉(zhuǎn)角變化也不同，光學(xué)檢測(cè)部分通過(guò)檢測(cè)方形微鏡面輸出光譜的變化解讀出懸臂梁的轉(zhuǎn)角變化及分布，以光強(qiáng)圖像的方式將被測(cè)物體的溫度場(chǎng)顯示出來(lái)。這個(gè)光學(xué)圖像可以是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦在屏幕上的圖像，也可以是利用其他光電轉(zhuǎn)換器接收到的圖像，如cCD相機(jī)或光電二極管接收到的圖像，如圖1所示。為提高FPA的熱響應(yīng)靈敏度，采用數(shù)值仿真，設(shè)計(jì)并模擬計(jì)算了不同尺寸和材料結(jié)構(gòu)的FPA熱響應(yīng)靈敏度，熱響應(yīng)頻率和像素?zé)狁Y豫時(shí)間等問(wèn)題，在此

9、基礎(chǔ)上，提出了全鏤空、無(wú)襯底、多級(jí)回折懸臂梁結(jié)構(gòu)和間隔鍍金工藝制作FPA，全鏤空無(wú)Si襯底的FPA結(jié)構(gòu)與帶Si襯底結(jié)構(gòu)的FPA相比，消除了si基底界面對(duì)紅外輻射的反射，提高了成像單元接收到的紅外輻射40，間隔鍍金工藝的實(shí)現(xiàn)降低了懸臂梁的熱流失，保證成像響應(yīng)。圖1基于光學(xué)信號(hào)檢測(cè)方法的MEMS紅外熱像儀系統(tǒng)原理示意圖Fig1Sketchof瓜imagingsystemb鼬edonoptic-rcadoutm晌od其次，針對(duì)微機(jī)械熱敏結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)頻率較慢和熱馳豫問(wèn)題，建立了等效電路分析模型，利用數(shù)值分析，模擬單個(gè)像元的熱響應(yīng)頻率和熱馳豫時(shí)間：吼：一(瓦一乙)+p要(1)卜去(璣訓(xùn)+cc警(2)氣=害

10、(3)LJT咖Ll公式(1)第一項(xiàng)為單元熱導(dǎo)，第二項(xiàng)為單元熱容，其中GT0“=吒+吒+吒，cov+。，瓦和瓦分別為單個(gè)單元像素和環(huán)境溫度，該式可以簡(jiǎn)化等效于一個(gè)RC振蕩電路。單個(gè)像素?zé)犴憫?yīng)馳豫時(shí)間曲線如下圖所示，采用數(shù)值擬合，其反應(yīng)在CCD探測(cè)部分的光強(qiáng)表達(dá)式為，=，。+比。佃。百圖2單個(gè)像素的熱馳豫時(shí)間Fig2simIlla曲nresunofmc徹alrelaxationtimewimap岫l針對(duì)模擬的熱馳豫時(shí)間結(jié)果，分析了面陣器件中，各個(gè)熱成像單元之間的熱串?dāng)_現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)溫度噪聲帶來(lái)的影響，熱串?dāng)_主要發(fā)生在一級(jí)串?dāng)_單元之問(wèn)，級(jí)聯(lián)串?dāng)_單元雖然數(shù)目較多，對(duì)于目標(biāo)單元的影響卻小，但是，對(duì)于面陣熱成

11、像器件來(lái)說(shuō)，熱增刊陳大鵬等：非制冷MEMs紅外成像系統(tǒng)溫下人體熱成像探測(cè)結(jié)果，估算卜厄TD約為160InK。9串?dāng)_的發(fā)生是同時(shí)進(jìn)行的，單元之問(wèn)的影響也是相互同時(shí)發(fā)生的，需要建立的模擬模型和邊界條件確立極為復(fù)雜，目前，筆者只能從熱串?dāng)_發(fā)生后，對(duì)系統(tǒng)溫度噪聲的宏觀影響來(lái)作大概的趨勢(shì)模擬。進(jìn)一步的影響分析需要更為復(fù)雜的模型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。12FPIA紅外成像陣列的制造該部分工作是整個(gè)系統(tǒng)中最為核心和關(guān)鍵的部分，采用獨(dú)有的全鏤空薄膜結(jié)構(gòu)結(jié)合表面保護(hù)工藝，解決了非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)的核心器件一FPA一的制作工藝中犧牲層釋放的瓶頸問(wèn)題，大大降低了該器件的盲元率，同時(shí)，表面保護(hù)工藝的采用，也提高了整個(gè)陣列結(jié)

12、構(gòu)的釋放成功率。通過(guò)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制、機(jī)械強(qiáng)度控制、干法刻蝕工藝、濕法腐蝕釋放工藝、熱導(dǎo)與熱隔離結(jié)構(gòu)的制作等一系列單項(xiàng)工藝整合，完成的FPA面陣器件；單個(gè)像素的空間姿態(tài)分布一致性基本可用；雙層材料應(yīng)力匹配良好，F(xiàn)I)A反光板表面曲率為22蚴。圖3FI，A器件空間姿態(tài)測(cè)試及顯微鏡照片F(xiàn)ig31hrcedimensionconfigurationofFPAandlicmscopephotography13n'A檢測(cè)光路目前采用的是非相干光測(cè)量方法，將平行光束照在FPIA上，反射出來(lái)的光經(jīng)光學(xué)傅里葉變換，在譜平面上對(duì)微鏡反射面的零級(jí)譜進(jìn)行濾波檢測(cè)，像元的轉(zhuǎn)角信號(hào)通過(guò)光學(xué)傅里葉變換和濾波轉(zhuǎn)

13、變?yōu)楣鈴?qiáng)變化，再由CCD接收，使FPA上的熱變形圖像轉(zhuǎn)變?yōu)镃CD輝度變化的數(shù)字光學(xué)圖像。14成像結(jié)果圖4是采用本文報(bào)導(dǎo)的無(wú)襯底雙材料微懸臂梁陣列作為紅外探測(cè)用FE久，結(jié)合光學(xué)信號(hào)讀出獲得的室圖4熱成像結(jié)果Fig411le】m】Ialimagingresults2結(jié)論文中報(bào)導(dǎo)的全鏤空雙材料懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)制作非制冷MEMS紅外焦平面陣列，消除了國(guó)外提出的非制冷MEMS紅外焦平面陣列中的硅襯底，降低紅外輻射衰減約40左右，大大提高了器件的溫度探測(cè)靈敏度，同時(shí)，沒(méi)有硅襯底也避免了MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)的粘連失效問(wèn)題，具有較高的技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)用價(jià)值。此外，由于采用光學(xué)信號(hào)檢測(cè)方式，該系統(tǒng)還有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)探測(cè)

14、陣列的輸出無(wú)需轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在制作大面陣時(shí)，工藝難度較低；(2)讀出系統(tǒng)與探測(cè)陣列沒(méi)有熱導(dǎo)體的互連，不會(huì)在探測(cè)陣列產(chǎn)生附加熱量，探測(cè)器吸收紅外溫升后的熱量也沒(méi)有因?yàn)殡娀ミB而產(chǎn)生散失；(3)理論上，采用光學(xué)讀出的紅外探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)靈敏度要高于采用信號(hào)讀出電路的紅外系統(tǒng)。考文獻(xiàn)：n】MAoMIn：丘砌visiusing衄uncooledth咖lo-0pton】cchaIlicalc姍era：desigIl，microfabricadon，柚dpe響徹卸ceC】胛roc也EEMEMSConfonLosAngeles，1999，1(17_21)：lOO105【2】刪AOYoptomech鋤icaluncoolcdin】hDedilagingsyst鋤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