红外线发射器与NDIR传感器制造技术

以微热板设备的形式提供一种红外线源。所述微热板设备包括CMOS金属层，所述CMOS金属层由至少一层嵌入由硅基板所支撑的电介质膜所构成。所述设备以接着进行背刻蚀步骤的CMOS工艺形成。所述设备对本领域设备的发展是有利的，因为它提供微机械红外线源，能够实现高温度(从而实现更高辐射)，而且同时能够被商业的CMOS工艺所制造，从而具有低制造成本、高再现性与高可靠性以及提供单片集成电路的可能性。所述设备也能够与红外线检测器集成在相同的芯片上并被封装以形成完整的NDIR传感器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】红外线发射器与ND IR传感器
本专利技术涉及使用在微芯片上制造的微热板的热红外线(IR)源。本专利技术还涉及将红外线源与红外线检测器集成以构成NDIR传感器。
技术介绍
在包含微加热器的硅基板上制造热效应红外线源是公知的，其中微加热器在通过刻蚀部分基板形成的薄膜层(由电绝缘层构成)内部形成。这种设备可以被用于以低功耗(典型地从几毫瓦到数百毫瓦)提供热量(例如，600°C )以用作红外线源/发射器。 例如，Parameswaran 等人的 ^Micro-machined thermal emitter from acommercial CMOS process, IEEE EDL 1991报道以CMOS技术制造的用于IR应用的多晶硅加热器，用正面刻蚀来使加热器悬浮，从而减少功耗。 相似地，D.Bauer 等人的.Design and fabricat1n of a thermal infraredemitter'Sens&Act A 1996也描述了使用悬浮多晶硅加热器的红外线源，尽管该设备没有被设想以CMOS工艺制造。此外，晶片键合被用来在真空中将加热器封装(这添加了额外的制造步骤并增加了制造成本)。 Muller等人的专利US5285131与Rogne等人的专利US2008/0272389两者都描述了使用多晶硅加热器的类似设备。 San 等人的 〃A silicon micromachined infrared emitter based on SOIwafer (Proc of SPIE 2007)描述了从使用多晶硅的SOI基板制造的红外线发射器作为加热器以及通过DRIE来形成膜。 由于多晶硅阻抗性在高于400°C的高温中适时地漂移，在所有这些设计中多晶硅的使用降低了设备的稳定性。 Yuasa等人的〃Single Crystal Silicon Micromachined Pulsed Infrared LightSource^Transducers 1997,描述了使用悬浮掺硼单晶娃加热器的红外线发射器。这篇论文没有设想在CMOS工艺中制造设备。 Watanabe在专利EP2056337中描述了作为红外线源的悬浮娃灯丝(filament)。通过粘合第二基板使设备真空密封。没有设想以CMOS工艺制造设备，并且设备的结构不适合于以CMOS工艺制造。 Cole 等人的Monolithic Two-Dimens1nal Arrays of MicromachinedMicrostructures for Infrared Applicat1ns (proc of IEEE 1998)描述了经CMOS加工的设备上面的红外线源。这些红外线源由在经过大量CMOS加工之后被制造的悬浮微加热器构成。这些额外的加工步骤增加了设备的制造成本。 Hildenbrand 等人的Micromachined Mid-1nfrared Emitter for FastTransient Temperature Operat1n for Optical Gas Sensing Systems,IEEESensor2008 Conference (IEEE传感器2008会议)报告了用于红外线应用的悬浮膜上的钼加热器。然而，钼不与CMOS兼容，而且其被禁止在CMOS铸造厂中使用，因为它充当深掺杂物，并且能沾染其它的CMOS工艺步骤。 相似地，Ji等人的A MEMS IR Thermal Source For NDIR GasSensors (IEEE 2006)以及 Barritault 等人的Mid-1R source based on afree-standing microhotplate for autonomous C02 sensing in indoorapplicat1ns (Sensors&Actuators A 2011)描述了基于钼加热器的微机械红外线源。Weber等人的〃Improved design for fast modulating IR sources〃描述了用于红外线源的悬浮和封闭式膜设计。两者都使用钼加热器以及包含二氧化硅层与氮化硅层的膜。 Spannhake 等人的 〃High_temperature MEMS Heater Platforms: Long-termPerformance of Metal and Semiconductor Heater Materials (Sensors 2006)描述了基于掺杂氧化锡的钼或锑的加热器的微热板。 根据已经提到的内容，钼与CMOS工艺不兼容。因此，这些设备不能以CMOS工艺制造。这增加了制造成本，并且意味着电路不能用该设备装备。 Tu 等人的 〃Micromachined, si I icon f ilament light source forspectrophotometric microsystems〃Applied Optics (应用光学)，2002,介绍了利用在SOI膜上的单晶硅加热器的光源设计。然而，悬浮的灯丝比全膜的机械稳定性差。 Sylla1s等人的美国专利6297511描述了在具有电阻式加热器的悬浮膜上制造红外线发射器，其中电阻加热器可以具有各种各样的材料，比如钛、钨、镍、单晶硅或多晶硅。Btoomberg等人的美国专利5500569、5644676及5827438报告了具有多晶硅加热器或金属(例如，钨、钽、钛钨合金及钥)加热器的红外线源。然而，这些设备没有被设想使用CMOS工艺制造。 Poltien等人的WO 02/080620 Al建议使用金属硅化物作为微热板中的加热器材料。硅化物被提及具有来自钽、锆、钨、钥、铌以及铪的硅化物多晶结构。这些设备作为红外线源的可能使用被提及。然而，金属硅化物不是在商业CMOS工艺中被使用的标准材料。给出了通过标准CMOS工艺制造微热板的优势，然而，没有提及怎样实现使得金属硅化物不是CMOS工艺中能找到的材料。另外，在本专利的权利要求书中未提及CMOS工艺。 使用娃技术制造红外线检测器也是公知的。Kim等人的〃A new uncooled thermalinfrared detector using silicon d1de〃Sens&Act A 89 (2001) 22-27 描述了用作红外线检测器的二极管。美国专利6597051描述了通过精密加工制造的热电堆用作红外线检测器。Eminoglu 等人的 〃Low_cost uncooled infrared detectors in CMOS process〃Sens&ActA 109(2003) 102-113，描述了使用在微桥膜上二极管的红外线检测器，其中微桥膜以CMOS工艺制造° A.Graf 等人的〃Re view of micromachined thermopilers for infrareddetect1n, 〃Meas.Sc1.Technol.18 (2007) R59-R75,描述了在文献中提到的各种各样基于微机械的红外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外线源，该红外线源包括电阻加热器，所述电阻加热器由电介质膜上的CMOS金属制成，所述电解质膜以接着进行背刻蚀的CMOS工艺制造。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.08 US 13/466,6261.一种红外线源，该红外线源包括电阻加热器，所述电阻加热器由电介质膜上的CMOS金属制成，所述电解质膜以接着进行背刻蚀的CMOS工艺制造。2.根据权利要求1所述的红外线源，其中所述CMOS金属在CMOS电路中形成互连金属，所述CMOS电路形成在与所述电介质膜相同的芯片上。3.根据权利要求1或2所述的红外线源，其中所述CMOS金属包括至少一层钨。4.根据权利要求1、2或3中任一项权利要求所述的红外线源，其中所述电介质膜在包括绝缘体上硅结构SOI或硅片的起始基板上被制造。5.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，其中所述加热器包括金属层，所述金属层下面具有钛/钛氮化物衬层。6.一种红外线源，该红外线源包括在芯片上形成的基于CMOS的电介质膜上的电阻加热器，其中至少一层钨在所述芯片上的CMOS电路中形成所述电阻加热器与互连金属两者。7.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，所述红外线源还包括在所述加热器正下方或正上方的一个或多个金属热扩散板。8.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，其中在所述加热器正下方具有单晶硅热扩散板和/或多晶硅板，所述单晶硅热扩散板和/或多晶硅板被配置成反射来自所述加热器红外线辐射。9.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，该红外线源被集成到包括控制电路的芯片。10.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，所述红外线源还包括与所述加热器串联的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET以控制所述加热器的温度。11.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，其中所述膜通过从以下中选择的一种工艺形成:DRIE、各向异性湿式刻蚀、KOH以及TMAH。12.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，所述红外线源被构成为微热板的阵列，每个微热板包括所述电阻加热器，所述电阻加热器由电介质膜上的CMOS金属制成，所述电解质膜以接着进行背刻蚀的CMOS工艺制造。13.根据权利要求12所述的红外线源，所述红外线源被配置以便在阵列中的所有的所述微热板被同时操作或被单个操作。14.根据权利要求3到12中任一项权利要求所述的红外线源，其中用于所述加热器的所述钨层接近于所述膜上的零应力轴。15.根据权利要求7到13中任一项权利要求所述的红外线源，其中所述金属热扩散板通过刻蚀钝化层而被暴露。16.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，所述红外线源还包括嵌入所述膜内并安置于所述加热器的下方或与所述加热器毗邻的温度传感器，所述温度传感器包括以下中任一者:二极管温度传感器(热二极管)、双极型晶体管温度传感器(热晶体管)、电阻式硅温度传感器以及电阻式金属温度传感器。17.根据权利要求16所述的红外线源，其中所述温度传感器与所述加热器一样宽，或者比所述加热器小，或者比所述加热器大。18.根据权利要求16或17所述的红外线源，其中所述温度传感器被配置成反射来自所述加热器红外线辐射。19.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，其中所述膜的上表面被配置有二氧化硅钝化层与氮化硅钝化层中的任一者。20.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，其中所述膜上的上表面被配置有涂层，所述涂层包括从包括聚合物、碳黑、碳纳米管、石墨烯以及具有高红外线辐射率的材料的组中选择的材料。21.根据权利要求20所述的红外线源，所述涂层兼容后CMOS过程，并通过以下中的一者或多者来形成:CVD技术、局部生长技术与喷墨沉积技术。22.根据前述任一项权利要求所述的红外线源，所述红外线源还包括由安置于由所述电阻加热器的顶部的CMOS金属层构成的网格以增加辐射率，以及其中所述网格的大小被选择以在特定的波长过滤期望的信号和/或在特定的波长增加所述辐射。23.根据前述任一项权利要求所述的红外线...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·Z·阿里，F·乌德雷亚，J·加德纳，M·F·乔杜里，I·波埃纳鲁，
申请(专利权)人：剑桥CMOS传感器有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB