專利名稱：用于光-機械式熱型紅外傳感器的高性能熱變形梁及其應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高性能熱變形梁和包含這種梁的光-機械式熱型紅外傳感器。 尤其涉及包含大量波紋結(jié)構(gòu)的熱變形梁及在光-機械式熱型紅外傳感器上的應用。
背景技術(shù)：
熱變形梁一般由兩種或兩種以上材料構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)，熱變形梁中至少有兩層 熱膨脹系數(shù)不同，因此，當溫度改變時，熱變形梁中至少有兩層在相同溫度改變下產(chǎn)生 的熱應力大小不同，這些熱應力導致了熱致變形梁彎曲，當被加熱時，熱變形梁將向著 具有低熱膨脹系數(shù)的那一層彎曲，熱變形梁的熱致彎曲效應使得熱變形梁的端部偏轉(zhuǎn)角 發(fā)生改變，基于這個原理，熱變形梁廣泛應用于光-機械式熱型紅外傳感器，例如本 申請人:的發(fā)明專利光-機械式微梁陣列熱型紅外圖像傳感器(公開號CN1556648)，光 學讀出紅外傳感器(公開號CN1760651)，玻璃基底光學讀出紅外傳感器(公開號 CN1970430)等。實現(xiàn)紅外成像時，光-機械式熱型紅外傳感器被置于一個透鏡的焦平 面處，因此也被稱為“焦平面陣列(FPA) ”。這些紅外傳感器的共同特征是包括按陣 列分布的微梁單元，微梁單元中包含熱變形機構(gòu)和紅外吸收板，整個微梁單元為側(cè)向支 撐的無底單層平面結(jié)構(gòu)，熱變形機構(gòu)由熱隔離梁和熱變形梁構(gòu)成折轉(zhuǎn)式分布。紅外成像 時，紅外吸收板吸收紅外輻射而被加熱，這些熱量傳到熱變形梁，由于熱膨脹系數(shù)的不 同，熱變形梁發(fā)生彎曲變形，進而導致與熱變形梁相連的紅外吸收板相上或者向下偏轉(zhuǎn) (取決于具體的設(shè)計)。本申請人在公開號為1474162發(fā)明專利所提到的光學讀出方法和 裝置能量化讀出紅外吸收板偏轉(zhuǎn)角度的變化，并將紅外輻射源在微梁陣列上所成的熱圖 像，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽鈱W圖像。目前，平直結(jié)構(gòu)的普通熱變形梁已經(jīng)廣泛應用于光-機械式熱型紅外傳感器， 但是仍然存在一些不足。第一熱變形梁作為光-機械式熱型紅外傳感器，兩個重要的 性能指標是空間分辨率和熱機械響應率(單位溫度變化所引起熱變形梁偏轉(zhuǎn)角的變化 量)?？臻g分辨率與熱變形梁的尺寸正反比，即熱變形梁的長度越短空間分辨率越高，而 熱機械響應率與熱變形梁的長度成正比，也就是說，熱變形梁的長度越長熱機械響應率 越高。為了提高熱變形梁的性能，需要解決的一個重要問題是在給定像素大小內(nèi)提高 熱變形梁的熱機械響應率，即提高熱變形梁的單位長度熱機械響應率(單位溫度變化所 引起單位長度熱變形梁偏轉(zhuǎn)角的變化量)。第二為了使平直結(jié)構(gòu)的普通熱變形梁具有 熱致彎曲效應，它一般是具有不同熱膨脹系數(shù)的兩層或者多層結(jié)構(gòu)，這些層一般由不同 材料構(gòu)成，這就造成了各層之間不兼容的問題，例如，層與層之間黏附性不好的問題。 為了解決這個問題，傳統(tǒng)上在黏附性不好的層之間加入一層或者多層中間層以增強黏附 性。這些中間層的材料與初始層的材料之間的兼容性，比初始層的材料之間的兼容性好 得多。然而這種方法顯著增加了制作復雜度和成本

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，提出一種用于光-機械式熱型紅 外傳感器的高性能熱變形梁及其應用。通過使熱變形梁包含大量波紋結(jié)構(gòu)來顯著提高 光_機械式熱型紅外傳感器的熱機械響應率，并同時增強熱變形梁各層之間的黏附性。本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案一種用于光-機械式熱型紅外傳感器的高性能熱變形梁，包括有梁體，其特征 在于所述的梁體具有一體連接的兩層或多層的波紋層并顯示出各波紋層的上、下表面具 有波紋，所述的各波紋層相互貼合，所述的各波紋層波紋的各個波峰、波谷及相鄰波紋 層的接合面的各個波峰、波谷具有相同的彎折或彎曲的趨勢。所述的高性能熱變形梁，其特征在于所述的梁體包含兩個主要波紋層，即第
一、第二波紋層第一波紋層的參數(shù)包括厚度t1;楊氏模量E1,熱膨脹系數(shù)Ci1 ；第二波紋層的參數(shù)包括厚度t2，楊氏模量E2,熱膨脹系數(shù)α 2。所述兩個主要 波紋層的材料熱膨脹系數(shù)不同。所述的高性能熱變形梁，其特征在于所述各波紋層上的波峰與波谷呈對稱分布 或者非對稱分布。所述的高性能熱變形梁，其特征在于所述波紋層上的波峰、波谷的半徑為一常 數(shù)或者變數(shù)。所述的高性能熱變形梁，其特征在于所述各波紋層材料由金屬材料構(gòu)成，所述 金屬材料主要包括鋁、金、銀；或者由非金屬材料構(gòu)成，所述非金屬材料主要包括
二氧化硅、氮化硅。所述的用于光-機械式熱型紅外傳感器的高性能熱變形梁，其特征在于所述 光-機械式熱型紅外傳感器包括具有環(huán)境溫度補償結(jié)構(gòu)的光-機械式熱型紅外傳感器；所 述的具有環(huán)境溫度補償結(jié)構(gòu)的光_機械式熱型紅外傳感器包括按陣列分布的微梁單元， 每個微梁單元主要由吸熱反光板，熱變形梁、熱隔離梁和補償梁組成，熱變形梁、熱隔 離梁和補償梁在反光板兩側(cè)依次來回轉(zhuǎn)折，補償梁直接與支撐框架相連使整個結(jié)構(gòu)被側(cè) 向支撐在縱橫交錯的支撐框架上，熱變形梁和補償梁是結(jié)構(gòu)和尺寸相同的高性能熱變形 梁；所述的微梁單元采用順序平鋪的方式構(gòu)成陣列。所述的用于光-機械式熱型紅外傳感器的高性能熱變形梁，其特征在于所述 光-機械式熱型紅外傳感器是基于熱變形梁受熱彎曲使其端部偏轉(zhuǎn)角發(fā)生改變的原理， 包括專利公開號CN1556648光-機械式微梁陣列熱型紅外圖像傳感器，專利公開號 CN1760651光學讀出紅外傳感器，專利公開號CN1970430玻璃基底光學讀出紅外傳感器等。所述高性能熱變形梁在光-機械式熱型紅外傳感器的應用，其特征在于應用方 法為把所述的高性能熱變形梁代替有環(huán)境溫度補償結(jié)構(gòu)的光-機械式熱型紅外傳感器 的熱變形梁和補償梁；所述的具有環(huán)境溫度補償結(jié)構(gòu)的光_機械式熱型紅外傳感器包括 按陣列分布的微梁單元，每個微梁單元主要由吸熱反光板，熱變形梁、熱隔離梁和補償 梁組成，熱變形梁、熱隔離梁和補償梁在反光板兩側(cè)依次來回轉(zhuǎn)折，補償梁直接與支撐 框架相連使整個結(jié)構(gòu)被側(cè)向支撐在縱橫交錯的支撐框架上；所述的微梁單元采用順序平鋪的方式構(gòu)成陣列。所述高性能熱變形梁在光-機械式熱型紅外傳感器的應用，其特征在于應用方 法為把所述的高性能熱變形梁代替所述光-機械式熱型紅外傳感器的熱變形梁。與已有平直結(jié)構(gòu)的普通熱變形梁相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在1、在尺寸和材料相同的條件下，波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁的單位長度熱機 械響應率遠高于平直結(jié)構(gòu)的普通熱變形梁的單位長度熱機械響應率。圖5是同一長度 (40 μ m)兩種熱變形梁的熱機械響應率實驗結(jié)果圖，其中，一種熱變形梁是含有許多波 紋結(jié)構(gòu)即高性能熱變形梁，另外一種是平直結(jié)構(gòu)的普通熱變形梁。從圖中可見，高性能 熱變形梁的熱機械響應率(0.37° /°C)遠高于同長度的普通變形梁(0.09° /°C)，即實驗 證明，波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁的單位長度熱機械響應率比平直結(jié)構(gòu)的普通熱變形梁 高4倍。2、與平直結(jié)構(gòu)的普通熱變形梁相比，高性能熱變形梁兩個主要層都有許多波 紋結(jié)構(gòu)，在高性能梁受熱變形時，波紋結(jié)構(gòu)的波峰和波谷的曲率半徑都將發(fā)生變化，波 峰曲率半徑變化趨勢和波谷曲率半徑變化趨勢將相反，至于波峰曲率半徑的變化趨勢是 變大還是變小取決于具體的設(shè)計，為了便于說明下面設(shè)波峰曲率半徑的變化趨勢是變大 (如果是變小，那么波谷的曲率半徑將變大，所以此處舉例說明用波谷代替波峰即可)。 那么波峰的內(nèi)層比外層熱膨脹系數(shù)大，受熱膨脹時，內(nèi)層比外層膨脹得大，也就是說內(nèi) 層往外層“擠”，使得高性能變形梁的兩個主要層呈相互擠在一起，這樣使得，兩個主 要層在波峰處的黏附性更強，對整條梁來說，每個波峰相當于一個“釘子”把兩個主要 層“釘”在一起，因此，高性能熱變形層與層之間的黏附性得到明顯增強。與平直結(jié)構(gòu)的普通熱變形梁相比，波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁具有高的單位長 度熱機械響應率，主要原因在于a)、波紋結(jié)構(gòu)的存在能夠增加高性能熱變形梁的有效變形長度，而高性能熱變 形梁兩端長度維持不變?？紤]兩條熱變形梁，這兩條梁兩端的之間的長度相同，一條是 含有波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁，另外一條是不含波紋結(jié)構(gòu)的普通熱變形梁。如果把高 性能熱變形梁的波紋結(jié)構(gòu)“拉”平，那么高性能熱變形梁的有效變形長度將大于普通熱 變形梁的有效變形長度。由于熱機械響應實事上與有效變形長度正比，所以具有更長有 效變形長度的高性能熱變形梁具有更高的熱機械響應率，但是由于梁兩端之間的長度相 同，故高性能熱變形梁具有高的單位長度熱機械響應率。b)、波紋結(jié)構(gòu)的存在能有效降低高性能變形梁受熱變形方向的抗彎剛度。由材 料力學可知，具有初始曲率的梁比直梁具有更小的抗彎剛度，并且曲率越大，抗彎剛度 越小。高性能熱變形梁由于具有較小的抗彎剛度，故能有更大的熱機械響應率。顯然，波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁能夠在小的尺寸內(nèi)具有大的熱機械響應率。 這樣，使得基于高性能熱變形梁的光-機械式熱型紅外傳感器能同時滿足高分辨率和高 響應率的要求。高性能熱變形梁在光-機械式熱型紅外傳感器中的具體應用方法為把 高性能熱變形梁代替光_機械式熱型紅外傳感器的平直結(jié)構(gòu)的普通熱變形梁。由于高性 能熱變形梁在較小的尺寸內(nèi)具有能具有較大的熱機械響應率，這種新型的紅外圖像傳感 器每個象素可以做得更小，而其熱機械響應率卻依然很高，從而從根本上滿足紅外圖像 傳感器高空間分辨率、高響應率的要求。


圖1是基于波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁的具有環(huán)境溫度補償結(jié)構(gòu)的光-機械式熱 型紅外傳感器，和關(guān)于這種具有環(huán)境溫度補償結(jié)構(gòu)的光_機械式熱型紅外傳感器用于紅 外熱成像儀的系統(tǒng)概圖。圖2是圖1中具有環(huán)境溫度補償結(jié)構(gòu)的光-機械式熱型紅外傳感器111的俯視 圖。圖3A是圖2中單個微梁單元201的三維示意圖。圖3B是在吸收紅外輻射前圖2中單個微梁單元201的側(cè)視圖(圖中沒有畫出補 償梁304)。圖3C是在吸收紅外輻射后圖2中單個微梁單元201的側(cè)視圖(圖中沒有畫出補 償梁304)。圖4A是圖3中非對稱波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁302的一部分三維示意圖。圖4B-4I是圖4A中所描述的非對稱波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁302的各種變 體。圖4J對稱波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁302J的示意圖。圖5是長度相同(40 μ m)，平直結(jié)構(gòu)的普通熱變形梁和波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形 梁的實驗結(jié)果。圖6是波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁在發(fā)明專利光-機械式微梁陣列熱型紅外圖像 傳感器(公開號CN1556648)中的應用實例
具體實施方案為了更好的理解波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁，這里首先給出基于高性能熱變形 梁的具有環(huán)境溫度補償結(jié)構(gòu)的光-機械式熱型紅外傳感器及其在紅外成像儀中的應用。 圖1、圖2、和圖3A-3C描述了該紅外熱像儀的成像原理，和該紅外熱像儀中具有環(huán)境溫 度補償結(jié)構(gòu)的光_機械式熱型紅外傳感器的環(huán)境溫度補償原理和傳感原理。然后具體描 述了波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁，圖4A到41給出了波紋結(jié)構(gòu)為非對稱結(jié)構(gòu)的具體實例， 圖4J給出波紋結(jié)構(gòu)為非對稱結(jié)構(gòu)的具體實例，并結(jié)合這些圖分析了波紋形狀、大小和對 稱性對高性能熱變形梁性能的影響圖5是從實驗上證明，在相同長度下，波紋結(jié)構(gòu)的熱 變形梁與普通熱變形梁相比具有高得多的熱機械響應率。圖1給出了紅外成像儀的系統(tǒng)概圖(對于光學測量裝置，測量對象光-機械式熱 型紅外傳感器的安放架即處于圖中紅外輻射探測器的位置，光-機械式熱型紅外傳感器 由微梁陣列構(gòu)成，微梁陣列作為測量對象置于安放架上)。圖1中平行可見光束116照射 在具有環(huán)境溫度補償結(jié)構(gòu)的光-機械式熱型紅外傳感器111上，并被微梁陣列111反射， 反射光經(jīng)濾波透鏡105匯聚在其后焦平面上，形成光-機械式熱型紅外傳感器111的光學 衍射譜118。光學濾波單元106放置在濾波透鏡105的后焦平面上，并預先設(shè)置有通光區(qū) 域以及不通光區(qū)域。當被測物體109靠近紅外成像儀時，光-機械式熱型紅外傳感器111 吸收紅外光能后，產(chǎn)生一個角度偏轉(zhuǎn)，衍射譜118相應地平移。衍射譜118的平移使它 原來落在光學濾波單元106通光區(qū)域的一部分光線移入了光學濾波單元106的不通光區(qū)域(或者相反)。因此能夠通過光學濾波單元106的光線將減少(或增多)，到達光學接收 器108的光能減少(或增多)。反映在光學接收器108上就是可見光圖像光強的減弱(或 增強)。換句話說，接收到的可見光光強的變化就反映了被測物體的紅外輻射。圖2給出了圖1中光-機械式熱型紅外傳感器111的俯視圖，這個微梁陣列由一 系列的微梁單元201構(gòu)成，每個微梁單元201為光-機械式熱型紅外傳感器的一個像素(A 注意圖1僅畫出一部分微梁單元201)，光-機械式熱型紅外傳感器111通常是一個較 大的像素陣列，例如160X120像素陣列(也就是說包含19200個微梁單元201)。每個微 梁單元201都是微米量級大小，他們可以通過標準微機械技術(shù)制成，每個微梁單元201被 側(cè)向支撐在縱橫交錯的支撐框架202上。圖3A是微梁單元201的三維示意圖，由圖3A可見，微梁單元201主要由吸熱反 光板301，高性能熱變形梁302、熱隔離梁303和補償梁304組成。吸熱反光板301的一 面用于吸收紅外輻射(圖3A中的下表面)，另外一面是光學讀出檢測用的反光面(圖3A 中的上表面)，即上述光_機械式熱型紅外傳感器111發(fā)射平行光束116的功能由每個微 梁單元201的吸熱發(fā)光板實現(xiàn)。高性能熱變形梁302、熱隔離梁303和補償梁304在吸熱 反光板兩側(cè)依次來回轉(zhuǎn)折。補償梁304梁直接與支撐框架202相連，使整個結(jié)構(gòu)被側(cè)向 支撐在縱橫交錯的支撐框架202上。高性能熱變形梁302和補償梁304具有許多波紋結(jié) 構(gòu)即為本發(fā)明所揭示的高性能熱變形梁，且兩者結(jié)構(gòu)和尺寸相同。在一些具體應用中， 高性能熱變形梁302和補償梁304—般包含一層金屬層如金、鋁等，在金屬層的下方還一 般還有一層非金屬層如氮化硅、二氧化硅等。金屬層具有相對較高的熱膨脹系數(shù)，當環(huán) 境溫度升高或降低時，高性能熱變形梁302和補償梁304將同時向下或者向上彎曲，由于 高性能熱變形梁302和補償梁304的結(jié)構(gòu)和尺寸相同，因此兩者的彎曲程度相同，從而使 得吸熱反光板301的偏轉(zhuǎn)角不隨環(huán)境溫度的改變而改變。當吸熱反光板301吸收紅外光能后，1)吸熱反光板301溫度升高，熱隔離梁302 具有很高的熱阻，使得吸熱反光板吸收的紅外輻射不易以熱傳導的方式傳出，故與吸熱 反光板301相連的高性能熱變形梁302溫度升高，故高性能熱變形梁302向下彎曲；2)支 撐框架202相連，補償梁304的溫度恒為環(huán)境溫度，故補償梁304的彎曲程度保持不變。 最終使得在與高性能熱變形梁302相連一側(cè)的吸熱反光板向下偏轉(zhuǎn)。如果需要的話，金 屬層與非金屬層的相對位置可以互換，這時吸熱反光板的偏轉(zhuǎn)方向?qū)⑾喾础D3B是在吸收紅外輻射前微梁單元201的側(cè)視圖(圖中沒有畫出補償梁304)， 由于標準微機械技術(shù)不可避免的存在殘余應力，熱變形梁存在一個初始彎曲，因此吸熱 反光板最初有一個初始轉(zhuǎn)角θ。圖3C是吸收紅外輻射后微梁單元201的側(cè)視圖(圖中 沒有畫出補償梁304)，微梁單元吸收紅外輻射溫度升高，熱變形梁發(fā)生彎曲變形，吸熱 反光板偏轉(zhuǎn)角將增加Δ θ。通過高性能熱變形梁302的熱致彎曲效應，微梁單元吸收的 紅外輻射被轉(zhuǎn)變?yōu)槲鼰岱垂獍迤D(zhuǎn)角度的改變。與平直結(jié)構(gòu)的普通熱變形梁相比，由于 高性能熱變形梁具有很高的熱機械響應率，熱變形梁的熱致彎曲效應得到增強，從而使 得吸熱反光板偏轉(zhuǎn)角度在吸收紅外輻射后具有更大的改變量，即紅外成像的系統(tǒng)靈敏 度得到增大。波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁具體實例和性能分析圖4Α給出了非對稱波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁302的一部分三維示意圖，從圖可見，高性能熱變形梁302包含兩個主要層401和402，兩個主要層的熱膨脹系數(shù)不相同 從而產(chǎn)生熱致彎曲效應。通過選擇層401和層402材料，可是使高性能熱變形梁302提 供特定的熱致彎曲方向，例如，如果想使高性能熱變形梁302受熱向下彎曲，那么，可 以通過使上層401為具有相對高熱膨脹系數(shù)的材料如金屬材料，而下層402為具有相對低 熱膨脹系數(shù)的材料如非金屬材料；與此相反，如果想使高性能熱變形梁302受熱向上彎 曲，那么，可以通過使上層401為具有相對低熱膨脹系數(shù)的材料如非金屬材料SiNx等， 而下層402為具有相對高熱膨脹系數(shù)的材料如金屬材料Au等。需要指出的是，這里所 說的具有相對高熱膨脹系數(shù)的材料不局限于金屬材料，也有非金屬材料如塑料、高聚物 等也具有很高的熱膨脹系數(shù)，同理，具有相對低熱膨脹系數(shù)的材料也不局限于非金屬材 料。如圖4A所示，高性能熱變形梁包含許多波紋結(jié)構(gòu)403，每個波紋結(jié)構(gòu)403具有 一個波谷和一個波峰。從上往下看，每個波紋結(jié)構(gòu)403包含波谷404和波峰405 ；從下 往上看，每個波紋結(jié)構(gòu)403包含波峰406和波谷407。顯然，波谷404和波峰406表示的 是同一特征處的兩個相對表面，同理，波峰405和波谷407也只是同一特征出兩個相對的 表面。為了清晰表示方式，如下的分析討論都是從上往下看。波峰和波谷形狀大小相同、位置對稱的波紋結(jié)構(gòu)稱為對稱波紋結(jié)構(gòu)，如圖4J所 示的波紋結(jié)構(gòu)，而波峰和波谷形狀大小不相同的波紋結(jié)構(gòu)稱為非對稱波紋結(jié)構(gòu)。顯然， 圖4A所表示的波紋結(jié)構(gòu)為非對稱波紋結(jié)構(gòu)。實驗表明，波紋結(jié)構(gòu)的非對稱性能有效增強 熱變形梁的熱致彎曲效應即提高其熱機械響應率，可能由非對稱波紋結(jié)構(gòu)上下表面彎曲 半徑的不同而導致的，而對于對稱的波紋結(jié)構(gòu)，由于波峰和波谷的對稱性，波峰處上下 表面彎曲半徑的差異和波谷處上下表面彎曲半徑的差異剛好相互抵消，使得其熱致彎曲 效應低于非對稱波紋結(jié)構(gòu)。圖4B-4I是圖4A中所描述的非對稱波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁302的各種變 體，根據(jù)這些高性能熱變形梁的具體實例，定性分析了非對稱波紋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對高 性能熱變形梁的性能的影響，這些結(jié)構(gòu)參數(shù)包括波紋深度Dep，波峰角度α，高性能 熱變形梁所含波紋結(jié)構(gòu)的數(shù)目和波峰彎曲半徑。圖4Β到4D示意性給出了三種非對稱波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁302Β到302D。 在這三種高性能熱變形梁的具體實例當中，高性能熱變形梁302Β具有最大的波紋深度 Dep,而高性能熱變形梁302D具有最小的波紋深度Dep，高性能熱變形梁302C的波紋深 度Dep介于302B與302D之間。由于波紋深度Dep越大，熱變形梁的有效長度越長， 所以波紋深度Dep越大，高性能熱變形梁的熱機械響應率也越大。高性能熱變形梁302B 具有最大的波峰角度α (90度角)，高性能熱變形梁302C具有次之的波峰角度α (大約 為70度角)，而高性能熱變形梁302D具有最小的波峰角度α (大約為20度角)，高性 能熱變形梁的熱機械響應率隨著波峰角度α的增大而增大。綜上所述，高性能熱變形梁 302Β的性能將為最好，而高性能熱變形梁302D的性能將為最差。值得注意的是，現(xiàn)有 工藝不可能制作出波峰角度α大于90度的高性能熱變形梁。如前所述高性能熱變形梁的熱機械相應率隨著其有效長度的增加而增加，所以 增加高性能熱變形梁單位長度內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)的數(shù)目將有效增加其熱機械響應率。一種增加 單位長度內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)的數(shù)目的方法為盡可能的減少波谷長度。如圖4Ε和4F所示，比較這兩幅圖，顯然高性能熱變形梁302F比高性能熱變形梁302E在單位長度內(nèi)具有更多的波 紋數(shù)目，因此熱機械響應率更高。事實上，高性能熱變形梁302F的波紋結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的， 因為其波谷的長度已經(jīng)是所有實際可能中的最小值，這個最小值由高性能熱變形梁的厚 度所決定。另外一種增加單位長度內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)數(shù)日的方法為減少波峰彎曲半徑，例如圖 4G和4H所示的高性能熱變形梁的具體實例，高性能熱變形梁302G由于波峰彎曲半徑較 小，因此其單位長度內(nèi)的波紋結(jié)構(gòu)數(shù)目多于高性能熱變形梁302H，一般來說，高性能熱 變形梁302G的性能要優(yōu)于高性能熱變形梁302H的性能。需要注意的是，對于過小的波 峰彎曲半徑，很難獲得大的波峰角度α (90度角)。以上所給出非對稱波紋結(jié)構(gòu)高性能熱變形梁的各種實例，具有一個共同的特 點，就是非對稱波紋結(jié)構(gòu)的波峰是圓周的一部分，即其彎曲半徑是一個常數(shù)，而圖41所 示的高性能熱變形梁3021的波峰是一個一般曲線，即其彎曲半徑不是一個常數(shù)而是一個 變數(shù)。波峰彎曲半徑是常數(shù)的高性能熱變形梁要由于波峰彎曲半徑是變數(shù)的高性能熱變 形梁。圖4J是對稱波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁302J的示意圖，從上往下看，每個波紋 結(jié)構(gòu)都包括一個波谷404J和一個波峰405J，波谷404J和波峰405J的形狀大小相同，位 置對稱。由前面的討論可知，對稱波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁的熱機械響應率要低于非 對稱結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁的熱機械響應率。圖4Α到4J所示的所有高性能熱變形梁都具有兩層401和402，但是需要強調(diào)的 是，(a)在一些其它的具體實例中，高性能熱變形梁可以含有兩層或多層波紋層；(b)高 性能熱變形梁的各波紋層的上、下表面都含有波紋，各波紋層的材料不同且相互貼合， (c)各波紋層波紋的各個波峰、波谷及相鄰波紋層的接合面的各個波峰、波谷具有相同的 彎折或彎曲的趨勢。對于用于圖3A紅外熱成像的高性能熱變形梁，其熱機械響應率St可以定義為微 梁單元的溫升ATe引起的反光板偏轉(zhuǎn)角變化Δ θ，St=^ = kcrg6(ai(1)
氏模量E1,熱膨脹系數(shù)α1;第二層材料參數(shù)厚度t2，楊氏模量E2,熱膨脹系數(shù)α2; Lleg為變形梁的長度，是與波紋的結(jié)構(gòu)參數(shù)(波紋深度Dep、波峰角度α、所含波紋 結(jié)構(gòu)的數(shù)目和波峰彎曲半徑)有關(guān)的比例常數(shù)。根據(jù)(1)式和實際情況，可以優(yōu)化選擇 第一、二層具體材料，并且優(yōu)化設(shè)計第一層和第二層的厚度比。例如第一層可以選擇 金、銀、鋁、鈦、鋅、錫等金屬材料，而第二層可以選擇SiNx、SiO2>非晶硅、非晶碳 化硅等非金屬材料，需要再一次指出的是，根據(jù)需要第一層和第二層所使用的材料可以 對換，并且，可使用的材料并不局限于這些材料。圖5是長度相同(40 μ m)，平直結(jié)構(gòu)的普通熱變性梁和波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形 梁的實驗結(jié)果。從圖可見，普通熱變形梁的熱機械響應率約為0.09° /°C，而經(jīng)過波紋結(jié) 構(gòu)的優(yōu)化(具體見上述對圖4A到4J分析討論內(nèi)容)，高性能熱變形梁的熱機械響應率最 高可達0.37° /V。一般地，通過波紋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，高性能熱變形梁的單位長度熱機械響應率遠高于普通熱變形梁的單位長度熱機械響應率。波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁在專利公開號CN1556648光-機械式微梁陣列 熱型紅外圖像傳感器、專利公開號CN1760651光學讀出紅外傳感器、專利公開號 CN1970430玻璃基底光學讀出紅外傳感器等光-機械式熱型紅外傳感器中的具體應用方 法為把高性能熱變形梁代替上述光-機械式熱型紅外傳感器的平直結(jié)構(gòu)的普通熱變形 梁。例如，圖6是波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁在發(fā)明專利光-機械式微梁陣列熱型紅外圖 像傳感器(公開號CN1556648)中的應用實例，微梁單元601主要由吸熱反光板601， 高性能熱變形梁602和熱隔離梁603組成。高性能熱變形梁602和熱隔離梁603在吸熱 反光板兩側(cè)依次來回轉(zhuǎn)折(可以轉(zhuǎn)折多次，圖6中只畫出轉(zhuǎn)折一次的情況)，最后整個結(jié) 構(gòu)被側(cè)向支撐在縱橫交錯的支撐框架602上。高性能熱變形梁602具有許多波紋結(jié)構(gòu)， 即本發(fā)明所揭示的高性能熱變形梁。高性能熱變形梁的制作方法非對稱波紋結(jié)構(gòu)或者對稱波紋結(jié)構(gòu)的高性能熱變形梁的標準MEMS制造工藝如 下首先在基底上形成適當大小、間隔和深度的凹槽，然后在此基礎(chǔ)上沉積兩層或者多 層薄膜，從而形成高性能熱變形梁的兩個主要層，由于基底上存在凹槽，因此薄膜上將 含有大量的波紋結(jié)構(gòu)，顯然波紋的結(jié)構(gòu)參數(shù)將由基底上凹槽的參數(shù)決定。然后經(jīng)過一次 光刻，然后刻蝕薄膜，從而使整個薄膜變成一條條的微梁。最后用合適的刻蝕技術(shù)(如 可利用干法刻蝕技術(shù)或者濕法刻蝕技術(shù))刻蝕基底使這些微梁從基底上“釋放”出來， 最終形成高性能熱變形梁及其陣列。
權(quán)利要求
1.一種用于光-機械式熱型紅外傳感器的高性能熱變形梁，包括有梁體，其特征在于 所述的梁體具有一體連接的兩層或多層的波紋層并顯示出各波紋層的上、下表面具有波 紋，所述的各波紋層相互貼合，所述的各波紋層波紋的各個波峰、波谷及相鄰波紋層的 接合面的各個波峰、波谷具有相同的彎折或彎曲的趨勢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能熱變形梁，其特征在于所述的梁體包含兩個主要波紋 層，即第一、第二波紋層第一波紋層的參數(shù)包括厚度tl，楊氏模量E1，熱膨脹系數(shù)α ;第二波紋層的參數(shù)包括厚度t2，楊氏模量E2，熱膨脹系數(shù)α 2。所述兩個主要波紋層的材料熱膨脹系數(shù)不同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能熱變形梁，其特征在于所述各波紋層上的波峰與波谷 呈對稱分布或者非對稱分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能熱變形梁，其特征在于所述波紋層上的波峰、波谷的 半徑為一常數(shù)或者變數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能熱變形梁，其特征在于所述各波紋層材料由金屬材料 構(gòu)成，所述金屬材料主要包括鋁、金、銀；或者由非金屬材料構(gòu)成，所述非金屬材料 主要包括二氧化硅、氮化硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光_機械式熱型紅外傳感器的高性能熱變形梁，其特征 在于所述光_機械式熱型紅外傳感器包括具有環(huán)境溫度補償結(jié)構(gòu)的光_機械式熱型紅外傳 感器；所述的具有環(huán)境溫度補償結(jié)構(gòu)的光-機械式熱型紅外傳感器包括按陣列分布的微 梁單元，每個微梁單元主要由吸熱反光板，熱變形梁、熱隔離梁和補償梁組成，熱變形 梁、熱隔離梁和補償梁在反光板兩側(cè)依次來回轉(zhuǎn)折，補償梁直接與支撐框架相連使整個 結(jié)構(gòu)被側(cè)向支撐在縱橫交錯的支撐框架上，熱變形梁和補償梁是結(jié)構(gòu)和尺寸相同的如權(quán) 利要求1所述的高性能熱變形梁；所述的微梁單元采用順序平鋪的方式構(gòu)成陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光_機械式熱型紅外傳感器的高性能熱變形梁，其特征 在于所述光-機械式熱型紅外傳感器是基于熱變形梁受熱彎曲使其端部偏轉(zhuǎn)角發(fā)生改變 的原理，包括專利公開號CN1556648光-機械式微梁陣列熱型紅外圖像傳感器，專利
發(fā)明者伍小平, 史海濤, 張青川, 焦斌斌, 程騰, 陳大鵬, 高杰 申請人:昆山光微電子有限公司