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)廣泛應用于軍事、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、安防等多個領(lǐng)域。

MEMS（micro electromechanical system）又稱為微機電系統(tǒng)，它現(xiàn)已被廣泛應用于電腦、汽車、醫(yī)療儀器和航空航天等的微芯片制造中，因為它不僅具有體積小、重量輕、可靠性高的優(yōu)點、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。根據(jù)探測機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，其工作基礎是半導體材料的內(nèi)光電效應—光電導效應或光生伏特效應，具體可以分為以下幾種：光電導型探測器、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)點是探測靈敏度高，其缺點是工作時需要用液氮進行冷卻，以消除探測器的熱噪聲，整個成像系統(tǒng)就需要增加制冷器和杜瓦瓶等額外設備，使得系統(tǒng)制造成本偏高，功耗、體積和重量都較大。這些缺點導致光子型紅外成像系統(tǒng)基本只應用于天文、軍事和學術(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—像素（內(nèi)含敏感元）吸收紅外輻射導致其溫度上升，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、賽貝克（Seebeck）效應、氣體壓力變化、液晶色變和熱彈性效應等等。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，整個成像系統(tǒng)的功耗、體積和重量較小，容易維護，價格相對低廉。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，隨著材料科學的發(fā)展和加工手段的改進，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。熱型紅外探測器的最大優(yōu)點是能在熱下工作，為實現(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讀出方式和光學讀出方式非致冷紅外探測器。電學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讀出方式；采用光學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，是近年來廣受關(guān)注的一項新型檢出技術(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。當相連的一端受熱溫度增加時，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在于吸收層材料的改進和如何與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，因為是多層所以容易出現(xiàn)各層應力不匹配的問題。

中北大學、中國科學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，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控股有限責任公司提出了一種“超點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，降低了吸收器12與懸臂14、15之間的導熱性，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弱成比例的電學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探測單元的熱導，導致探測靈敏度降低。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-泊羅干涉型光學讀出熱成像系統(tǒng)的工作機理是紅外熱效應、雙金屬片效應和光的干涉原理。換而言之，該系統(tǒng)就是利用雙材料梁由于紅外熱效應和雙金屬片效應而產(chǎn)生的位移對可見光的強度進行調(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讀出型MEMS紅外探測器結(jié)構(gòu)。其工作原理是：當紅外光輻射到焦平面陣列時，設計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，微懸臂梁像元發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光學檢測系統(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置的超材料結(jié)構(gòu)，可進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 光學讀出型MEMS紅外探測器結(jié)構(gòu)正視圖

中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所提出了一種光學讀出紅外探測器結(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置于玻璃襯底上，并且紅外吸收層空于可見光反射層上，實現(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導致變形，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滿足對器件各方面的要求，提高器件的綜合性能。

圖4 光學讀出型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，由半導體薄膜材料制成。半導體薄膜材料吸收紅外輻射，溫度升高導致其電阻發(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，但是近年仍有研究機構(gòu)對熱敏電阻型MEMS紅外傳感器做出技術(shù)上的改進，例如以下這項專利：

中國科學院上海微系統(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械熱紅外探測器及陣列是實現(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。