本发明专利技术公开了一种热辐射红外发射和探测集成器件，其结构为：带衬底绝缘层的硅衬底上开有至少一个热隔离空腔，热隔离空腔上悬浮有相邻并排设置的至少一个发射单元和至少一个探测单元，发射单元通过至少二条支撑臂与硅衬底相连，探测单元通过至少二条支撑臂与硅衬底相连。发射单元包括由下至上叠置的第一绝缘层、非金属导电层、第一介质层和第一表面导电层；探测单元包括由下至上叠置的第二绝缘层、金属导电层、隔离层、红外敏感层和光子晶体微结构层。该集成器件具有结构简单、高温稳定和波长可调的优点，并且可以获得比发射单元波长谱宽更窄的窄带吸收探测。本发明专利技术的集成器件可以用于红外气体传感器和红外光谱仪。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于辐射产生和探测技术，涉及热辐射产生的红外发射器件和红外辐射的 探测器件，特别是采用微机电系统(MEMS)技术制作的具有高温窄带热红外发射单元和热 辐射探测单元的集成器件。
技术介绍
非色散红外(NDIR)气体传感器利用气体的红外特征吸收进行气体测量。其原理 是基于Lambert Beer定律，即若对两个分子以上的气体照射红外光，则分子的动能发生变 化，吸收特定波长光，这种特定波长光是由分子结构决定的，由该吸收频谱判别分子种类， 由吸收的强弱可测得气体浓度。相比于其他种类的气体传感器如半导体气体传感器和电化 学气体传感器，具有精度高、选择性强、寿命长、气体和器件非接触的优点，但是其缺点是成 本高，普及应用受到限制。成本高的原因主要是红外气体传感器是由红外光发射源、窄带滤 光片和红外光探测器等需要采用不同的技术制作封装的分离部件组装而成，而每个部件的 成本都比较高。另外采用分离器件组装的方法也导致传感器的体积和重量较大，不能实现 微小型化和阵列化，同时功耗高，可靠性低。实现低功耗、低成本和阵列化的一个方法是采用微加工技术如MEMS技术，将光学 结构、机械结构和电路制作在同一芯片上。对于窄带红外发射和探测器件，采用MEMS技术 制作发射单元和探测单元时可以直接在发射表面和红外接收表面制作微结构，调制发射谱 和吸收谱分布。美国喷气推进实验室(JPL)和Ion-Optics公司合作开发了一种MEMS红外 光源和微测辐射热计集成CO2气体探测芯片SenserChip 。这种集成芯片的红外源为微桥 型的薄膜硅细丝组成，硅细丝表面具有光子晶体结构，当硅丝加热时光子晶体对热辐射进 行调制，得到窄谱红外热辐射，峰值辐射波长由光子晶体的结构尺寸决定，通过调整结构参 数，就可以得到不同峰值的辐射波长，同时红外源还可以工作在探测状态。美国专利文献 US7119337公开了这种集成发射探测芯片的制作和气体传感器应用实例。但是SenserChip 的缺点在于硅薄膜发射源同时作为探测器使用，不能同时工作在最优的状态，为保证探测 硅薄膜的红外探测性能，发射源只能工作在较低的温度(320°C左右)，此时硅材料具有最 高的绝对值电阻温度系数(ItcrI /°c )，高于此温度，ItcrI显著下降。采用这个较 低的运行温度，导致发射源的辐射输出功率不高，为获得足够的辐射功率，需要采用较大的 发射面积，导致芯片密度降低，从而增加成本。另外，虽然通过加热源表面制作光子晶体达 到了窄带发射的目的，但是加工高深宽比二维光子晶体本身难度较大，且在高温下光子晶 体结构会产生一定的形变，导致发射源中心波长漂移，而带宽加大。美国专利申请US20070034978.A1提供了另一种具有光子带隙的多层结构来产生 窄带红外发射或吸收的方法，其结构由底层半导体层、介质层和表面金属或类金属材料层 组成，并在表面一层或往下的多层中制作周期微结构。由于发射特性受微结构图形的尺寸 参数影响大，故该方法同样存在微结构加工精度和高温下表面微结构的形变引起的发射波 长和谱宽的稳定性问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种热辐射红外发射和探测集成器件，该集成器件具有结 构简单、高温稳定和波长可调的优点，并且可以获得比发射单元波长谱宽更窄的窄带吸收 探测。本专利技术提供的一种热辐射红外发射和探测集成器件，其特征在于，带衬底绝缘层 的硅衬底上开有至少一个热隔离空腔，热隔离空腔上悬浮有相邻并排设置的至少一个发射 单元和至少一个探测单元，发射单元通过至少二条支撑臂与硅衬底相连，探测单元通过至 少二条支撑臂与硅衬底相连；发射单元包括由下至上叠置的第一绝缘层、非金属导电层、第一介质层和第一表 面导电层；其中，非金属导电层的材料为TiN或&N，优选TiN，电阻率为100 800 ii Q cm， 厚度为100 300nm ；第一介质层为Si3N4、Si或Ge，优选Si、Ge高折射率材料，厚度为200 800nm ；第一表面导电层厚度为10 lOOnm ；探测单元包括由下至上叠置的第二绝缘层、金属导电层、隔离层、红外敏感层和光 子晶体微结构层；所述光子晶体微结构层以周期晶格形式排布在红外敏感层上，各个晶格 为下至上叠置的第二介质层和第二表面导电层的二层结构，并且均为圆柱状。金属导电层 的材料为Ag、Au、Ti、Al、Ni或P，隔离层为Si02或Si3N4，厚度为50 300nm ；红外敏感层 为热敏材料或热释电材料，厚度为50 300nm ；第二介质层为Si02、Si3N4、硅、锗，厚度为 200 800nm ；第二表面导电层为Au、Pt、Ag、Ti、A1或Ni，厚度为50 300nm。本专利技术是在同一衬底上相对独立的窄谱红外发射单元和探测单元的集成器件，可 以分别优化发射和探测性能。发射单元采用以高温稳定非金属导电材料为基础的导电层/ 介质层/导电层(MDM)多层平板结构发射体代替传统的表面周期微结构发射体，减少因微 结构加工精度和高温条件下微结构形变带来的发射波长漂移影响。这种多层平板结构的工 作原理是通过在MDM激发表面等离极化激元(SPP)模式实现介质中的强窄谱发射或吸收， 具有结构简单、高温稳定和波长可调的优点。而探测单元由于室温运行，不需要考虑高温的 影响，故采用具有表面周期微结构的以金属导电层为基础的MDM结构，以获得比发射单元 波长谱宽更窄的窄带吸收探测。具体而言，本专利技术的有益效果是(1)由于采用独立的发射和探测单元，发射单元的温度工作点和探测器的工作参 数可以优化设置。发射源可以工作在更高的温度下从而采用较小面积的发射面积即可获得 大的红外辐射输出；同时探测器可以采用高TCR的敏感材料，且探测器面积和电阻可以优 化选取以获得最佳的辐射响应；(2)发射单元采用多层平板结构和非金属导电陶瓷薄膜材料，相比传统的金属周 期微结构制作工艺简单，还可以减轻高温下发射结构的热应力和热形变问题，维持发射中 心波长的稳定。(3)非金属导电陶瓷薄膜材料可通过制备工艺条件控制薄膜的电学和光学性质， 增加了针对发射波长调节的自由度。附图说明图1是MDM结构的色散关系和不同的模式示意4图2是具有发射和探测单元的两单元集成器件俯视图；图3是两单元集成器件的截面图；图4是采用TiN作为导电层材料的发射单元的发射谱曲线；图5是采用Ag作为导电层材料的探测单元对不同入射角红外辐射的吸收率曲线。具体实施例方式本专利技术的窄带热红外发射和红外吸收集成器件的基本光学多层结构采用MDM结 构，其中M代表金属或非金属导电化合物等导电层，D代表绝缘或半导体介质层，可以是一 种或多种介质材料的组合层。其基本原理是当结构中的热激发辐射或外界入射辐射耦合激 发了 MDM中的SPP模式时，SPP模式将被约束在介质层D中，增强发射或吸收。MDM结构中 的SPP模式可分为三种，对应于如图1所示MDM色散关系中的I、11和III曲线，图1中的ωρ 和、分别为M中的等离子体频率和波矢，Osp为激发的SPP模式的频率。值得关注的是图 1中的第I类和第II类曲线所代表的模式。第II类的曲线由于处于空气光线之上，故当表面 金属足够薄时外光线可直接从空气侧耦合到这种模式中，如果在介质层中存在吸收物质， 则将大大增强对本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种热辐射红外发射和探测集成器件，其特征在于，带衬底绝缘层（４）的硅衬底（１）上开有至少一个热隔离空腔（２），热隔离空腔（２）上悬浮有相邻并排设置的至少一个发射单元（１０）和至少一个探测单元（２０），发射单元（１０）通过至少二条支撑臂（３１）与硅衬底（１）相连，探测单元（２０）通过至少二条支撑臂（３２）与硅衬底（１）相连；发射单元（１０）包括由下至上叠置的第一绝缘层（４１）、非金属导电层（１２）、第一介质层（１３）和第一表面导电层（１４）；其中，非金属导电层（１２）的材料为ＴｉＮ或ＺｒＮ，优选ＴｉＮ，电阻率为１００～８００μΩ.ｃｍ，厚度为１００～３００ｎｍ；第一介质层（１３）为Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］、Ｓｉ或Ｇｅ，优选Ｓｉ、Ｇｅ高折射率材料，厚度为２００～８００ｎｍ；第一表面导电层（１４）厚度为１０～１００ｎｍ；探测单元（２０）包括由下至上叠置的第二绝缘层（４２）、金属导电层（２２）、隔离层（２３）、红外敏感层（２４）和光子晶体微结构层（３０）；所述光子晶体微结构层（３０）以周期晶格形式排布在红外敏感层（２４）上，各个晶格为下至上叠置的第二介质层（２５）和第二表面导电层（２６）的二层结构，并且均为圆柱状。金属导电层（２２）的材料为Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ或Ｐ，隔离层（２３）为ＳｉＯ↓［２］或Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］，厚度为５０～３００ｎｍ；红外敏感层（２４）为热敏材料或热释电材料，厚度为５０～３００ｎｍ；第二介质层（２５）为ＳｉＯ↓［２］、Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］、硅、锗，厚度为２００～８００ｎｍ；第二表面导电层（２６）为Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｔｉ、Ａｌ或Ｎｉ，厚度为５０～３００ｎｍ。...
【技术特征摘要】
一种热辐射红外发射和探测集成器件，其特征在于，带衬底绝缘层(4)的硅衬底(1)上开有至少一个热隔离空腔(2)，热隔离空腔(2)上悬浮有相邻并排设置的至少一个发射单元(10)和至少一个探测单元(20)，发射单元(10)通过至少二条支撑臂(31)与硅衬底(1)相连，探测单元(20)通过至少二条支撑臂(32)与硅衬底(1)相连；发射单元(10)包括由下至上叠置的第一绝缘层(41)、非金属导电层(12)、第一介质层(13)和第一表面导电层(14)；其中，非金属导电层(12)的材料为TiN或ZrN，优选TiN，电阻率为100～800μΩ·cm，厚度为100～300nm；第一介质层(13)为Si3N4、Si或Ge，优选Si、Ge高折射率材料，厚度为200～800nm；第一表面导电层(14)厚度为10～100nm；探测单元(20)包括由下至...
【专利技术属性】
技术研发人员：赖建军，叶红，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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