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悬浮吸收层的MEMS热电堆红外传感器的结构设计及制备方法研究

作　者: 陈媛婧
导　师: 谭秋林
学　校: 中北大学
专　业: 电路与系统
关键词: 热电堆聚酰亚胺 MEMS CMOS兼容纳米结构悬浮结构
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

红外传感器是一种基于红外辐射导致半导体材料产生物理特性变化的传感器，是物联网技术发展的关键点之一。随着红外传感器越来越深入的应用到民用和军事领域，热电堆红外传感器以其无需斩波器、体积小、无需制冷装置、低成本、低噪声等优点，吸引了越来越多的学者对其进行研究。同时，诸多研究集中于实现红外传感器小型化、集成化、低功耗化的目标，取得了令人瞩目的成绩，但是研究过程中产生了诸如工艺兼容性差，能效低等问题，始终是困扰研究人员的重要问题。本文针对上述问题，设计了一种悬浮吸收层的热电堆红外传感器，并且采用一维导热模型对热电堆红外传感器进行尺寸优化，对工艺进行合理优化后，实现了其与标准CMOS工艺的高度兼容性，得到一种小体积、高能效、低噪声的热电堆红外传感器结构设计和制备方法。本文的研究重点是：（1）理论计算方法：基于塞贝克系数的修正算法，建立一维热平衡模型，对器件性能进行优化计算，确定最佳尺寸模型。（2）结构设计方法：为实现低成本和高能效的目标，采用聚酰亚胺材料作为牺牲层，优化刻蚀条件实现其进行选择性刻蚀后，淀积吸收层薄膜，仅热电偶热端和吸收层接触，其他吸收层部分悬浮于热电偶之上。同时为了克服正面释放采用SOI结构，避免隔离槽刻蚀工艺和填充工艺的复杂性，将热电偶的热端置于器件对称轴上，从两侧的冷端开正面窗口对器件进行SF6释放。（3）另外针对传统介质材料吸收率差和金属黑化材料的工艺兼容性差问题，开展了关于热电堆红外传感器吸收层的纳米结构的制备方法研究和红外吸收率测试。综上，本文通过对已有热电堆红外传感器产品进行对比研究，设计了悬浮吸收层的热电堆红外传感器结构，并对其工艺流程中的关键步骤进行裂片后并借助电子显微镜观察。通过分析测试结果，验证了设计中的工艺方法的高度兼容性和结构的稳定性。通过开展聚酰亚胺牺牲层结构干法刻蚀实验以及其释放实验，以及吸收层纳米结构化的探索性研究，成功得出悬浮吸收层结构的热电堆红外传感器制备流程。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-19
  1.1 课题研究背景  9
  1.2 红外传感器的分类及进展  9-11
  1.3 热电堆红外传感器国内研究现状  11-17
    1.3.1 国外研究现状  11-15
    1.3.2 国内研究现状  15-17
  1.4 研究内容总结  17-19
第二章热电堆红外传感器的设计  19-28
  2.1 热电堆红外传感器概述  19-24
    2.1.1 热电堆红外传感器的工作原理  19-20
    2.1.2 热电堆红外传感器参数  20-22
    2.1.3 热电堆红外传感器材料选择  22-24
  2.2 悬浮吸收层热电堆红外传感器结构设计  24-27
    2.2.1 悬浮吸收层热电堆红外传感器导热过程  24-26
    2.2.2 悬浮吸收层热电堆红外传感器尺寸优化过程及结果  26-27
  2.3 本章小结  27-28
第三章悬浮吸收层热电堆红外传感器结构仿真  28-37
  3.1 热电耦合模块的仿真原理  28-30
  3.2 悬浮吸收层热电堆红外传感器电势、温度分布  30-32
    3.2.1 热电仿真过程的实现  30-31
    3.2.2 热电仿真结果分析  31-32
  3.3 悬浮吸收层热电堆红外传感器应力仿真  32-33
    3.3.1 应力仿真实现过程  32
    3.3.2 应力仿真结果分析  32-33
  3.4 注入实验 TCAD 仿真  33-36
    3.4.1 TCAD 仿真实现过程  33-34
    3.4.2 掺杂实验仿真结果分析  34
    3.4.3 电阻率及掺杂浓度仿真过程及结果分析  34-36
  3.5 本章小结  36-37
第四章器件版图及关键工艺实现方法  37-64
  4.1 器件版图设计及说明  37-43
  4.2 CMOS 工艺概述与 MEMS 工艺概述  43-47
    4.2.1 CMOS 工艺概述  43
    4.2.2 MEMS 工艺概述  43-47
  4.3 悬浮吸收层热电堆红外传感器工艺流程  47-51
  4.4 悬浮吸收层热电堆红外传感器关键工艺  51-57
    4.4.1 隔离槽刻蚀与填充实验  51-52
    4.4.2 隔离槽填充实验  52-53
    4.4.4 聚酰亚胺牺牲层制备  53-57
  4.5 纳米结构红外吸收层制备方法研究  57-63
    4.5.1 纳米结构红外吸收层的实现方法  58-59
    4.5.2 基于金属诱导晶化原理的纳米结构红外吸收层制备过程  59-60
    4.5.3 基于金属诱导晶化原理的纳米结构红外吸收层形成机理分析  60-61
    4.5.4 基于金属诱导晶化原理的纳米结构红外吸收层的红外特性  61-63
  4.6 本章小结  63-64
第五章结论与展望  64-66
  5.1 本文研究工作  64
  5.2 创新点  64-65
  5.3 工作展望  65-66
参考文献  66-70
攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果  70-72
致谢  72-73

悬浮吸收层的MEMS热电堆红外传感器的结构设计及制备方法研究

内容摘要

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