本發(fā)明涉及紅外光源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微機電系統(tǒng))紅外光源及其制作方法。

背景技術(shù)：

紅外技術(shù)在國防、信息技術(shù)與通訊、污染監(jiān)測、溫度調(diào)控、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。作為紅外技術(shù)應(yīng)用的重要部件，紅外光源的研究得到越來越多的關(guān)注。紅外光源的一個重要應(yīng)用是紅外氣體傳感器。

目前，MEMS紅外光源廣泛應(yīng)用于NDIR(non-dispersive in fra-red，非色散紅外)系統(tǒng)中，通過加熱電阻產(chǎn)生焦耳熱對黑體輻射層進行加熱，使黑體輻射層發(fā)射出熱輻射紅外光，紅外光經(jīng)過待測氣體時被吸收發(fā)生衰減，通過對比衰減前后的光強計算出待測氣體的濃度。

由于黑體輻射產(chǎn)生的紅外光譜取決于輻射溫度，因此紅外光源的溫度變化對NDIR系統(tǒng)中傳感器的測量結(jié)果有顯著影響。目前NDIR系統(tǒng)普遍在遠離光源的探測器端放置溫度傳感器，當(dāng)光源溫度發(fā)生變化時，探測器端的溫度傳感器將始終存在一個滯后效應(yīng)，導(dǎo)致溫度傳感器測量結(jié)果的基線發(fā)生漂移，影響測量的穩(wěn)定性和精度。

目前的紅外光源器件往往僅有加熱發(fā)光功能，如果溫度傳感器僅是安裝在紅外光源器件的附近，所測量的溫度變化會存在反應(yīng)滯后、非線性等問題，因此，要實現(xiàn)對紅外光源發(fā)光狀態(tài)的實時監(jiān)控，需要在紅外光源最核心的芯片上集成溫度傳感器。

但現(xiàn)有技術(shù)中的紅外光源將溫度傳感器集成在紅外光源的芯片上時，存在線性度較差，并且受外界環(huán)境影響較大的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種MEMS紅外光源及其制作方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中紅外光源將溫度傳感器集成在紅外光源的芯片上時，存在線性度較差，并且受外界環(huán)境影響較大的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的MEMS紅外光源包括襯底、支撐層、第一熱敏電阻層、介質(zhì)層、第二熱敏電阻層、隔離保護層、加熱電阻層和輻射層，其中，第一熱敏電阻層和第二熱敏電阻層中的其中一層為溫度傳感器，另一層為溫度補償傳感器，本發(fā)明中利用一層熱敏電阻層作為溫度傳感器，直接在外界通過所述熱敏電阻層的阻值變化測量MEMS紅外光源的輻射區(qū)溫度變化；利用另一層的溫度補償性能，在一定溫度范圍內(nèi)于外圍的補償回路中抵消溫漂產(chǎn)生的誤差，即本發(fā)明提供的MEMS紅外光源能夠在實時監(jiān)測溫度漂移的同時進行實時溫度補償，從而提高MEMS紅外光源的測量線性度，避免器受外界環(huán)境影響，進而提高了NDIR系統(tǒng)的探測精度、準(zhǔn)確性和分辨率，在NDIR氣體傳感領(lǐng)域有應(yīng)用前景。

另外，本發(fā)明還提供一種MEMS紅外光源制作方法，由于所述MEMS紅外光源的各個結(jié)構(gòu)的制作均與CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝兼容或均采用MEMS工藝制作，從而便于與MEMS紅外光源內(nèi)部芯片的制作工藝兼容，減小了MEMS紅外光源的制作工藝難度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明提供的MEMS紅外光源的俯視圖；

圖2為沿圖1中AA’線的MEMS紅外光源的剖面圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種MEMS紅外光源制作方法的流程圖；

圖4-圖16為本發(fā)明提供的MEMS紅外光源制作工藝步驟示意圖；

圖17為本發(fā)明實施例提供的MEMS紅外光源外圍電路示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

現(xiàn)有技術(shù)中提供的一種紅外光源，在支撐膜上方制作圖形化的第一金屬薄膜作為溫度傳感器，兩端分布的兩點作為輸出引線點；在絕緣層上方制作圖形化的第二金屬薄膜作為加熱源，上下分布的兩個點作為接線點。現(xiàn)有技術(shù)中提供的紅外光源利用了鉑金屬熱敏電阻的溫度傳感的性質(zhì)，實時監(jiān)測光源輻射區(qū)的溫度變化，但是并不能進行實時的溫度補償，從而造成測量時線性度較差，受外界環(huán)境影響較大。

基于此，本發(fā)明提供一種MEMS紅外光源，請參見圖1和圖2，其中，圖1為本發(fā)明提供的MEMS紅外光源的俯視圖，圖2為沿圖1中AA’線的MEMS紅外光源的剖面圖，所述MEMS紅外光源包括：襯底1；位于襯底1表面的支撐層(圖2中的2和3所示)；位于支撐層背離襯底1表面的中心區(qū)域，沿背離襯底1的方向依次層疊設(shè)置的第一熱敏電阻層102、介質(zhì)層103和第二熱敏電阻層104，介質(zhì)層103用于電隔離第一熱敏電阻層102和第二熱敏電阻層104；位于第二熱敏電阻層104背離支撐層表面的隔離保護層5；位于隔離保護層5背離第二熱敏電阻層104表面的加熱電阻層105；位于加熱電阻層105背離隔離保護層5表面的輻射層6；其中，第一熱敏電阻層102和第二熱敏電阻層104中的其中一層為溫度傳感器，另一層為溫度補償傳感器。

需要說明的是，本實施例中不限定第一熱敏電阻層102和第二熱敏電阻層104中具體哪一層為溫度傳感器，哪一層為溫度補償傳感器，本實施例中可以依據(jù)實際需求進行選擇。

請參見圖1，支撐層上還包括貫穿支撐層的四個隔離槽101，四個隔離槽101在支撐層上組成矩形，隔離槽101將支撐層分割為中心區(qū)域和邊緣區(qū)域，邊緣區(qū)域和中心區(qū)域在矩形的頂角處連接。

請參見圖2，襯底1還包括空腔結(jié)構(gòu)106，空腔結(jié)構(gòu)106貫穿襯底1，且與支撐層上邊緣區(qū)域所圍的區(qū)域?qū)?yīng)，也即，中心區(qū)域和隔離槽，以及隔離槽圍城的矩形的頂角的下方均為空腔結(jié)構(gòu)106，從而使得支撐層上的中心區(qū)域上的第一熱敏電阻層102、介質(zhì)層103、第二熱敏電阻層104、隔離保護層5、加熱電阻層105和輻射層6懸空，形成四梁固支結(jié)構(gòu)，隔離槽101組成的矩形的各個頂角分別對應(yīng)四個梁。

本實施例中采用四梁固支懸浮結(jié)構(gòu)，可以釋放紅外光源芯片邊緣的集中熱應(yīng)力，并起到阻隔熱傳導(dǎo)的作用，降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力，有效減少熱傳導(dǎo)損耗，提高光源的電光轉(zhuǎn)換效率。

為了方便外圍電路與內(nèi)部溫度傳感器、溫度補償傳感器和加熱電阻層相連，可選的，在支撐層的邊緣區(qū)域背離襯底1的表面還設(shè)置有兩個第一熱敏電阻層接線點、兩個第二熱敏電阻層接線點和兩個加熱電阻層接線點，兩個第一熱敏電阻層接線點與第一熱敏電阻層電性連接，兩個第二熱敏電阻層接線點與第二熱敏電阻層電性連接，兩個加熱電阻層接線點與加熱電阻層電性連接。

需要說明的是，本實施例中不限定各個接線點的位置安排，可選地，兩個第一熱敏電阻層接線點分別位于隔離槽組成的矩形的對角線上的兩個頂點位置；兩個第二熱敏電阻層接線點也分別位于隔離槽組成的矩形的對角線上的兩個頂點位置；兩個加熱電阻層接線點同樣分別位于隔離槽組成的矩形的對角線上的兩個頂點位置，具體位置可參見圖1所示，相同的接線點位于相對的兩個梁上，在本發(fā)明的其他實施例中，相同的接線點還可以位于相同側(cè)的兩個梁上，本實施例中對此不做限定。

本實施例中第一熱敏電阻層102、第二熱敏電阻層104和加熱電阻層105在支撐層上的投影均為蛇形結(jié)構(gòu)。其中，蛇形結(jié)構(gòu)的熱敏電阻層可以保證較大的受熱面積，減小熱敏電極之間的距離，從而提高溫度測量靈敏度。蛇形結(jié)構(gòu)的加熱電阻電極之間留有空隙，可以減少熱傳導(dǎo)通路，降低熱質(zhì)量，并且可以大幅減小加熱電阻的阻值，增大紅外光源的輻射強度。

需要說明的是，本實施例中不限定第一熱敏電阻層102和第二熱敏電阻層104的材質(zhì)，兩者的材質(zhì)可以相同，也可以不相同，可選的，本實施例中第一熱敏電阻層102和第二熱敏電阻層104的材質(zhì)相同，可選的，包括鉑或氧化錳。另外，本實施例中不限定第一熱敏電阻層102和第二熱敏電阻層104的結(jié)構(gòu)，可以是單層金屬結(jié)構(gòu)，也可以是金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)，本實施例中對此不做限定。當(dāng)?shù)谝粺崦綦娮鑼?02和第二熱敏電阻層104的結(jié)構(gòu)均為熱敏金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)時，包括粘附層和金屬層，其中粘附層相對于熱敏電阻層更加靠近支撐層。粘附層的材質(zhì)可以是薄的鈦或鉻金屬，粘附層上的金屬層可以是鉑或氧化錳等熱阻材料。

需要說明的是，本實施例中第一熱敏電阻層102和第二熱敏電阻層104之間還包括介質(zhì)層103，第二熱敏電阻層104與加熱電阻層105之間還包括隔離保護層5，介質(zhì)層103和隔離保護層5均主要起到電隔離保護以及熱絕緣的作用，本實施例中對介質(zhì)層103和隔離保護層5的材質(zhì)不進行限定，可選的，介質(zhì)層和隔離保護層均可以為氧化硅層、氮化硅層、或氮化硅和氧化硅組成的多層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。

本實施例中對襯底的材質(zhì)不做限定，可采用硅框架襯底，硅框架襯底可采用矩形硅框架襯底，優(yōu)選正方形硅框架襯底。更加可選的，襯底1為100單晶硅片。

支撐層主要用于對位于支撐層上方的溫度傳感器和溫度補償傳感器提供一定的支撐，因此，本實施例中對支撐層的材質(zhì)不做限定，支撐層可以為氧化硅層、氮化硅層、或氮化硅和氧化硅組成的多層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，用于減小熱應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)的強度。如圖2所示，本實施例中可選的，所述支撐層為氧化硅層2和氮化硅層3組成的多層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。

本實施例中不限定加熱電阻層105的具體材質(zhì)和具體形狀，可以是圖形化的金屬電阻絲，金屬電阻絲之間留有空隙，從而減少熱傳導(dǎo)通路，降低熱質(zhì)量，提高紅外光源的動態(tài)性能，電阻材料可采用單層材料，如銅、鉑、鋁、鈦、鎢等，也可使用金屬復(fù)合金屬層材料，可在底層采用鈦或鉻金屬作為粘附層，在粘附層上再沉積金屬，如金、鉑或鋁等。

輻射層6覆蓋在加熱電阻層105上，可以極大改善和提高加熱電阻層105的紅外發(fā)射率，進而提高紅外光源的熱輻射性能，輻射層6的材料可以為以下任意一種：氮化鈦、金黑、銀黑、鉑黑或者納米硅材料，本實施例中對輻射層的材質(zhì)不做限定。

本發(fā)明提供的MEMS紅外光源包括襯底、支撐層、第一熱敏電阻層、介質(zhì)層、第二熱敏電阻層、隔離保護層、加熱電阻層和輻射層，其中，第一熱敏電阻層和第二熱敏電阻層中的其中一層為溫度傳感器，另一層為溫度補償傳感器，本發(fā)明中利用一層熱敏電阻層作為溫度傳感器，直接在外界通過所述熱敏電阻層的阻值變化測量MEMS紅外光源的輻射區(qū)溫度變化；利用另一層的溫度補償性能，在一定溫度范圍內(nèi)于外圍的補償回路中抵消溫漂產(chǎn)生的誤差，即本發(fā)明提供的MEMS紅外光源能夠在實時監(jiān)測溫度漂移的同時進行實時溫度補償，從而提高MEMS紅外光源的測量線性度，避免器受外界環(huán)境影響，進而提高了NDIR系統(tǒng)的探測精度、準(zhǔn)確性和分辨率，在NDIR氣體傳感領(lǐng)域有應(yīng)用前景。

另外，本發(fā)明采用的四梁固支懸浮的結(jié)構(gòu)，能夠大幅改善輻射區(qū)應(yīng)力不均勻以及減少熱傳導(dǎo)損失，從而提高光源的輻射溫度；并且能夠有效地減小因襯底和支撐層散熱導(dǎo)致的輻射溫度不均和溫度變化較大的弊端，制備工藝簡單，與紅外光源內(nèi)部芯片工藝兼容。并且利用四梁固支的特點，可以分別將所述溫度傳感器和所述加熱源的電極通過四梁引出，作為引線點和接線點，同時增加固支梁的結(jié)構(gòu)強度。

本發(fā)明實施例還提供一種MEMS紅外光源制作方法，用于制作上面實施例所述MEMS紅外光源，如圖3所示，為本發(fā)明實施例提供的一種MEMS紅外光源制作方法的流程圖，所述MEMS紅外光源制作方法具體包括：

步驟S101：提供襯底；

本實施例中對襯底的材質(zhì)不做限定，可采用硅框架襯底，硅框架襯底可采用矩形硅框架襯底，優(yōu)選正方形硅框架襯底。更加可選的，襯底為100單晶硅片。

步驟S102：在所述襯底的一個表面上形成支撐層；

請參見圖4，在襯底1上熱氧一層400nm～500nm氧化硅支撐層2，需要說明的是，支撐層還可以是氮化硅層，或氧化硅層和氮化硅層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，本實施例中對此不做限定，可以依據(jù)實際需求而設(shè)定。本實施例中，在氧化硅支撐層2上還可以通過LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition低壓力化學(xué)氣相沉積法)或PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等離子體增強化學(xué)氣相沉積法)沉積一層100nm～150nm的低應(yīng)力氮化硅支撐層3，并在襯底1背離氧化硅支撐層2的表面沉積氮化硅掩膜層4。

本實施例中提供的MEMS紅外光源制作方法還可以制作形成四梁固支結(jié)構(gòu)的步驟，可選的，請參見圖5，在所述襯底的一個表面上形成支撐層之后還包括：刻蝕支撐層，形成四個隔離槽結(jié)構(gòu)，四個隔離槽101在支撐層上組成矩形，隔離槽101將支撐層分割為中心區(qū)域和邊緣區(qū)域，邊緣區(qū)域和中心區(qū)域在矩形的頂角處連接，俯視圖可參照圖6。

需要說明的是，可選的，制作隔離槽的步驟還可以在完成輻射層的制作后形成，本實施例中對此不做限定。

步驟S103：在所述支撐層背離所述襯底的表面依次形成第一熱敏電阻層、介質(zhì)層、第二熱敏電阻層、隔離保護層和加熱電阻層；

需要說明的是，本實施例中不限定第一熱敏電阻層、介質(zhì)層、第二熱敏電阻層、隔離保護層和加熱電阻層的具體材質(zhì)以及形成的具體過程，可選的，在支撐層背離襯底的表面形成第一薄膜；圖形化第一薄膜，形成第一熱敏電阻層；在第一熱敏電阻層背離支撐層的表面沉積介質(zhì)膜，形成覆蓋支撐層中心區(qū)域的介質(zhì)層；在介質(zhì)層背離第一熱敏電阻層的表面沉積第二薄膜；圖形化第二薄膜，形成第二熱敏電阻層；在第二熱敏電阻層背離介質(zhì)層的表面沉積隔離保護膜，形成覆蓋支撐層中心區(qū)域的隔離保護層；在隔離保護層背離第二熱敏電阻層的表面沉積第三薄膜；圖形化第三薄膜，形成加熱電阻層。

具體的，請參見圖7，在支撐層2和3上分別利用濺射或者蒸發(fā)一層200nm～400nm Ti(鈦)和600nm～800nm Pt(鉑)，并采用濕法腐蝕或剝離工藝圖形化，形成第一熱敏電阻層102，做為溫度傳感器，需要說明的是，同時還可以圖形化出兩個第一熱敏電阻層接線點，通過相對或者相同側(cè)的梁引出，俯視圖形可參照圖8。可選的，第一熱敏電阻層102在支撐層上的投影為蛇形結(jié)構(gòu)。

請參見圖9，在第一熱敏電阻層102上采用PECVD沉積一層20nm～50nm的氮化硅，并且圖形化形成介質(zhì)層103，俯視圖形可參照圖10。可選的，介質(zhì)層103可以為氧化硅層、氮化硅層、或氮化硅和氧化硅組成的多層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，本實施例中對此不做限定。

請參見圖11，在介質(zhì)層103上分別利用濺射或者蒸發(fā)一層200nm～400nm Ti和600nm～800nm Pt，并采用濕法腐蝕或剝離工藝圖形化，形成第二熱敏電阻層104，作為溫度補償傳感器，第二熱敏電阻層104的兩個引線點通過相對或者相同側(cè)的梁引出，俯視圖形可參照圖12。

請參見圖13，在第二熱敏電阻層104上采用PECVD沉積一層20nm～50nm的氧化硅，并且圖形化形成隔離保護層5，俯視圖形可參照圖14。同樣可選的，隔離保護層層5可以為氧化硅層、氮化硅層、或氮化硅和氧化硅組成的多層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，本實施例中對此不做限定。

請參見圖15，在隔離保護層層5分別利用濺射或者蒸發(fā)一層200nm～400nmTi和600nm～800nm Pt，并采用濕法腐蝕或剝離工藝圖形化，形成紅外光源的加熱電阻層105，本實施例中加熱電阻層105優(yōu)選為蛇形結(jié)構(gòu)，蛇形結(jié)構(gòu)中留有空隙，可以減少熱傳導(dǎo)通路，降低熱量，提高紅外光源的動態(tài)性能，加熱電阻層材料可采用單層材料，如銅、鉑、鋁、鈦、鎢等，也可使用金屬復(fù)合金屬層材料，可在底層采用鈦或鉻金屬作為粘附層，在粘附層上再沉積金屬，如金、鉑或鋁等。加熱電阻層105的兩個接線點通過另外一側(cè)的相同或者相對的梁引出，俯視圖形可參照圖16。

需要說明的是，本實施例中，第一熱敏電阻層、第二熱敏電阻層和加熱電阻層還可以采用其他金屬圖形化的工藝形成，本實施例中對此不做限定。

步驟S104：在所述加熱電阻層背離所述支撐層的表面形成輻射層。

請參見圖2，在加熱電阻層105的輻射區(qū)域上利用氣相、電鍍或者噴墨的方法，沉積一層輻射層6，輻射層的材料可以選擇金黑、銀黑、鉑黑、納米硅等，提高圖形化電極的紅外發(fā)射率，從而提高光源的輻射效率，俯視圖可參照圖1。

最后，在襯底背離支撐層的表面刻蝕形成空腔結(jié)構(gòu)，空腔結(jié)構(gòu)貫穿襯底，且與支撐層上邊緣區(qū)域所圍的區(qū)域?qū)?yīng)，使得支撐層上的中心區(qū)域上的第一熱敏電阻層、介質(zhì)層、第二熱敏電阻層、隔離保護層、加熱電阻層和輻射層懸空，形成四梁固支結(jié)構(gòu)。

具體的，請參見圖2，在襯底背離支撐層的表面上氮化硅掩膜層4的作用下，刻蝕形成貫穿襯底1的空腔結(jié)構(gòu)106，空腔結(jié)構(gòu)106采用干法DRIE或者濕法KOH腐蝕釋放形成，至此四梁固支的懸浮結(jié)構(gòu)完成，整個紅外光源器件制備完成，俯視圖可參照圖1。

需要說明的是，本實施例中提供的MEMS紅外光源溫度補償外圍電路可以如圖17所示，選擇電橋(圖中R₁、R₂、R₃和R₄組成的結(jié)構(gòu))的溫度補償回路，其中，圖中R_T表示MEMS紅外光源中的加熱電阻結(jié)構(gòu)。采用熱敏電阻并聯(lián)的補償方法，通過調(diào)節(jié)可變電阻Rp，調(diào)節(jié)熱敏電阻的電壓及電阻，實現(xiàn)紅外光源芯片溫度的補償。

綜上所述，本發(fā)明提供的MEMS紅外光源制作方法，加熱電阻層下方制作了第一熱敏電阻層和第二熱敏電阻層中的其中一層為溫度傳感器，另一層為溫度補償傳感器，通過對所述溫度傳感器的電阻值或者分壓的測量，可以實時反饋紅外光源的溫度漂移情況，并在一定溫度范圍內(nèi)于外圍的補償回路中進行溫度補償，抵消紅外光源的溫漂對NDIR探測器測試的誤差影響，從而提高探測器測試的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

加之利用四梁固支的優(yōu)勢特點，不僅改善了封閉薄膜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的應(yīng)力不均勻問題，提高了光源的輻射效率，而且溫度傳感器的引線點以及加熱電阻層的接線點都可以方便快捷地引出，增加了固支梁的結(jié)構(gòu)強度，增加了穩(wěn)定性，減小了工藝難度并且與紅外光源內(nèi)部芯片工藝兼容。

需要說明的是，本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。