用于气体传感的红外探测器材料与器件制备

论文摘要

近年来，基于微机电系统（Micro-electro-Mechanical Systems：MEMS）技术的非致冷红外气体探测器成为传感领域的研究热点。它在监测特定气体如可燃性气体和有毒气体等领域有着极大的发展潜力。非致冷红外气体探测器具有响应时间短、制备成本低、低功耗、与CMOS工艺兼容等特点。器件采用悬浮微桥结构具有良好的热绝缘效果，无需致冷的特点提高了系统的可靠性。本论文选择二氧化钒（VO2）与氮化钛（TiN）作为红外气体探测器的热敏层材料和吸收层材料，对器件结构进行了研究与制备，主要内容包括以下几个方面：（1）论文首先利用反应磁控溅射法制备VO2薄膜，介绍了制备的原理和工艺流程并且确定了能够满足非致冷红外气体探测器性能要求的二氧化钒薄膜的工艺参数并介绍了X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）对VO2的测试和数据分析。通过傅立叶红外光谱仪（FTIR）测试VO2在红外波段的反射谱，结合传输矩阵用光学拟合的方式计算出VO2的介电常数。（2）通过反应磁控溅射法制备TiN薄膜，改变氮气与氩气的比例来研究不同条件下制备的TiN薄膜的电学性能和光学性能的变化规律，并且通过测试得到的红外反射谱拟合计算出不同条件下制备的TiN的介电常数及变化规律。（3）本论文接着设计了基于TiN/VO2/TiN组成的三层膜系结构，并且通过tfcalc软件仿真了该膜系在红外波段的吸收特性，通过实验制备将测试结果与仿真结果对比，得到了较好的一致性。（4）将VO2的热敏特性以及三层膜系在红外的吸收特性与非致冷红外气体探测器的结构结合，设计了整套器件制备工艺流程，确定了多孔硅牺牲层的工艺参数，利用光刻、刻蚀、镀膜与剥离等工艺成功制备出具有悬浮微桥结构的红外气体探测器，利用扫描电子显微镜（SEM）观察了非致冷红外气体探测器的表面形貌。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 MEMS 技术简介
• 1.2 红外探测器简介
• 1.3 本论文的研究意义和主要研究内容
• 2 氧化钒薄膜的制备与性能测试
• 2.1 氧化钒薄膜的性质
• 2.2 氧化钒薄膜的制备方法
• 2薄膜的工艺制备'>2.3 VO₂薄膜的工艺制备
• 2薄膜的性能测试'>2.4 VO₂薄膜的性能测试
• 2光学常数的测试'>2.5 VO₂光学常数的测试
• 2.6 本章小结
• 3 氮化钛薄膜的制备与分析
• 3.1 氮化钛的介绍
• 3.2 氮化钛的制备
• 3.3 氮化钛薄膜的电学常数和光学常数的测试
• 3.4 多层膜系的设计与应用
• 3.5 本章小结
• 4 非致冷红外气体探测器的制备工艺
• 4.1 多孔硅牺牲层的制备
• 4.2 氮化硅支撑层的制备
• 4.3 制作金属电极
• 4.4 制备氮化硅隔离层
• 2热吸收层'>4.5 制备 VO₂热吸收层
• 4.6 制备 MIM 三层膜系
• 4.7 释放多孔硅
• 4.8 本章小结
• 5 总结与展望
• 致谢
• 参考文献