基于MEMS技术的新型氧化钒测辐射热计微结构及制备工艺研究

论文摘要

近年来,采用微机械非制冷红外探测器实现热成像是MEMS领域和光学成像领域的研究热点。本文对实验室测辐射热计器件的首次制备经历进行研究,分析了器件设计及工艺制备中存在的问题,提出优化方案,选择在氧化硅基底上获得更优热敏性能的氧化钒薄膜,确定了基于MEMS牺牲层技术和绝热层技术的多孔硅工艺制备参数,改进了原有工艺制备方案,同时开发了基于多孔硅绝热层技术的测辐射热计制造工艺。论文首先采用直流对靶反应磁控溅射的方法在氮化硅和氧化硅基底上制备氧化薄膜,并对其进行热敏性能测试,研究表明,氧化硅基底上制备的氧化钒薄膜具有更优的红外探测性能,同时对氧化硅基底上的敏感薄膜进行热处理,XPS分析表明高温退火将促使氧化钒薄膜中V的总价态降低,薄膜结晶晶粒分布均匀致密,薄膜表面更加平坦,TCR值可达-3.2%/K。其次,研究了腐蚀时间和腐蚀电流密度对多孔硅微结构性能的影响,证实电化学方法制备多孔硅的生长速率呈先增大后减小的趋势,讨论MEMS技术中对牺牲层和绝热层材料的性能要求,确定了多孔硅不同应用的工艺制备参数,并提出采用氧化多孔硅应用于器件牺牲层。对测辐射热计器件结构和制备工艺进行理论分析和结构设计优化,采用支撑层膜先行保护多孔硅,利用红外吸收膜保护氧化钒敏感层,改进了基于多孔硅牺牲层技术的测辐射热计工艺制作,提出了基于多孔硅绝热层技术的氧化钒测辐射热计制备工艺流程。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 MEMS 技术概述
• 1.1.1 微机电系统简介
• 1.1.2 MEMS 加工工艺
• 1.1.3 MEMS 技术的应用与发展
• 1.2 红外探测技术概述
• 1.2.1 红外技术简介
• 1.2.2 红外探测器类型
• 1.3 测辐射热计概述
• 1.3.1 测辐射热计工作原理
• 1.3.2 常用测辐射热计敏感材料
• 1.3.3 测辐射热计基本结构
• 1.4 MEMS 非制冷红外成像阵列的发展趋势
• 1.5 本论文研究目的及内容
• 第二章 初始制备工艺介绍及分析
• 2.1 测辐射热计结构设计
• 2.1.1 器件结构设计原理
• 2.1.2 器件支撑层微桥设计
• 2.2 测辐射热计制作工艺设计
• 2.3 测辐射热计初步工艺制备
• 2.4 问题讨论
• 第三章 测辐射热计用氧化钒敏感材料研究
• 3.1 氧化钒概述
• 3.1.1 氧化钒结构与性能介绍
• 3.1.2 氧化钒制备工艺研究
• 3.2 不同基底制备氧化钒性能研究
• 3.2.1 实验研究基础介绍
• 3.2.2 实验步骤
• 3.3 不同基底制备氧化钒性能研究
• 3.3.1 不同基底对氧化钒组分和结构影响
• 3.3.2 残余应力对氧化钒薄膜制备影响
• 3.4 热处理对氧化钒薄膜性能影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 MEMS 技术中多孔硅牺牲层与绝热性能研究
• 4.1 多孔硅概述
• 4.1.1 多孔硅性能简介
• 4.1.2 多孔硅制备技术简介
• 4.2 多孔硅制备研究
• 4.2.1 实验装置和测试设备介绍
• 4.2.2 制备参数对多孔硅性能影响
• 4.2.2.1 腐蚀时间对多孔硅微观结构影响
• 4.2.2.2 腐蚀电流密度对多孔硅微观结构影响
• 4.3 多孔硅牺牲层技术和绝热性能研究
• 4.3.1 多孔硅绝热性能研究
• 4.3.2 多孔硅牺牲层关键技术研究
• 4.3.3 氧化多孔硅在MEMS 牺牲层技术中的应用
• 4.4 本章小结
• 第五章 测辐射热计结构设计及工艺制备研究
• 5.1 制备工艺讨论及改进
• 5.2 牺牲层结构测辐射热计制备工艺设计
• 5.2.1 支撑层结构优化
• 5.2.2 工艺流程调整
• 5.2.3 工艺流程确定
• 5.3 基于多孔硅绝热层技术的测辐射热计工艺制备设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢