一種微橋結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種微橋結(jié)構(gòu)及其制備方法的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS，Micr〇-Electro_Mechanic System)中，通過細(xì)長梁支撐連接 位于襯底上方一定間隙的平板薄膜(簡稱主體橋面)，這種結(jié)構(gòu)被稱為微橋結(jié)構(gòu)。
[0003] 在傳感器的應(yīng)用中，微橋結(jié)構(gòu)的主體橋面通常作為敏感單元，如熱敏微橋的主體 橋面的溫度變化通常通過電阻、電壓、機(jī)械位置等參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)，其中廣泛應(yīng) 用的一種微橋結(jié)構(gòu)，包括由兩種熱膨脹系數(shù)（CTE，Coefficient of Thermal Expansion) 不同的材料組成的雙材料梁，作為懸臂梁的一部分；在溫度發(fā)生變化時(shí)，雙材料梁會(huì)發(fā)生 彎曲，這種彎曲可以通過結(jié)構(gòu)的機(jī)械傳遞轉(zhuǎn)換為其支撐的主體橋面相對(duì)于襯底的高度變 化。在該微橋結(jié)構(gòu)中，根據(jù)外界熱輸入(如能量輻射、電阻加熱等)，微橋的雙材料梁溫度發(fā) 生變化，通過結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，最終輸出主體橋面高度的變化，可通過光學(xué)(如薄膜與襯底之間組 成的光學(xué)干涉結(jié)構(gòu))、電學(xué)(如薄膜與襯底之間構(gòu)成平板電容）的方法讀出。但是，此類微 橋結(jié)構(gòu)，需考慮主體橋面位置對(duì)外界熱輸入(如能量輻射、電阻加熱等）的靈敏度、微橋結(jié) 構(gòu)穩(wěn)固程度、主體橋面占空比、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、工藝實(shí)現(xiàn)難度等因素，尤其是否能夠?qū)τ梢r底 溫度變化引起的微橋整體溫度變化進(jìn)行自補(bǔ)償，因襯底溫度變化會(huì)通過熱傳導(dǎo)引起整個(gè)微 橋結(jié)構(gòu)的整體溫度同步發(fā)生變化，若這種變化影響到輸出信號(hào)，即主體橋面的位置，則在實(shí) 際應(yīng)用中必須對(duì)襯底進(jìn)行恒溫處理或通過其他方式進(jìn)行補(bǔ)償(如電路補(bǔ)償)，然而，該等補(bǔ) 償方法需要額外的資源和代價(jià)。此外，現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)現(xiàn)襯底溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄈ缰袊鴮＠?CN200780100699. 7公開了一種微橋結(jié)構(gòu)實(shí)例，該微橋結(jié)構(gòu)雖然既實(shí)現(xiàn)了襯底溫度補(bǔ)償，也 保證了主體橋面的平整，但由于需要4段雙材料梁，其中包括兩種疊合順序即高CTE薄膜分 別位于低CTE薄膜的上方和下方，該微橋結(jié)構(gòu)的雙材料結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、工藝實(shí)現(xiàn)難度大、加 工成本高，而且微橋薄膜的占空比較低、對(duì)溫度變化產(chǎn)生的響應(yīng)低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種微橋結(jié)構(gòu)及其制備方法。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種微橋結(jié)構(gòu)，包括：襯底、主體橋面，以及：
[0006] 第一懸梁臂與第二懸梁臂，用于支撐所述主體橋面懸于所述襯底上方，使得所述 主體橋面與所述襯底相分離；
[0007] 第一連接柱，用于連接所述襯底與所述第一懸臂梁；
[0008] 第二連接柱，用于連接所述襯底與所述第二懸梁臂；
[0009] 其中，所述第一懸臂梁與所述第二懸梁臂分別由第一雙材料梁、第二雙材料梁及 用于連接所述第一雙材料梁與所述第二雙材料梁的絕熱梁組成，所述第一雙材料梁與所述 第二雙材料梁分別由熱膨脹系數(shù)不同的兩組薄膜以相同順序疊合而成，所述第一雙材料梁 通過所述第一連接柱與所述襯底連接并保持熱導(dǎo)通，所述第二雙材料梁與所述主體橋面相 連接并保持熱導(dǎo)通。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種用于制備如前述根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的 微橋結(jié)構(gòu)的方法，其中，該方法包括以下步驟：
[0011] a在襯底表面涂覆犧牲層材料，以形成犧牲層；
[0012] b在所述犧牲層上形成用于所述微橋結(jié)構(gòu)的連接柱的凹槽；
[0013] c在所述凹槽內(nèi)及所述犧牲層上沉積第一組薄膜，以由所述第一組薄膜構(gòu)成所述 連接柱；
[0014] d在所述第一組薄膜上沉積具有與所述第一組薄膜不同熱膨脹系數(shù)的第二組薄 膜；
[0015] e確定所述微橋結(jié)構(gòu)的雙材料梁的位置，去除所述雙材料梁的位置外的所述第二 組薄膜，以形成所述雙材料梁；
[0016] f確定所述微橋結(jié)構(gòu)的懸梁臂、絕熱梁與主體橋面的對(duì)應(yīng)位置，去除所述對(duì)應(yīng)位置 外的所述第一組薄膜，以形成所述懸梁臂、所述絕熱梁與所述主體橋面，其中，所述懸梁臂 用于支撐所述主體橋面懸于所述襯底上方，所述懸梁臂由兩段所述雙材料梁與用于連接該 兩段雙材料梁的絕熱梁組成，所述襯底與所述懸臂梁通過所述連接柱與所述襯底相連；
[0017] g去除所述犧牲層材料，以獲得所述微橋結(jié)構(gòu)，其中，所述主體橋面與所述襯底之 間存在空隙。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，還提供了一種微傳感器，其中，該微傳感器包括如前述 根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的微橋結(jié)構(gòu)。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的還一個(gè)方面，還提供了一種紅外傳感器，其中，該紅外傳感器包括如 前述根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的微橋結(jié)構(gòu)。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的還一個(gè)方面，還提供了一種溫度補(bǔ)償設(shè)備，其中，該溫度補(bǔ)償設(shè)備包 括如前述根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的微橋結(jié)構(gòu)。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的還一個(gè)方面，還提供了一種焦平面陣列，其中，該焦平面陣列包括如 前述本發(fā)明一個(gè)方面的微橋結(jié)構(gòu)形成的陣列。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中微橋結(jié)構(gòu)的懸梁臂的第一雙材料梁與第二雙材料梁分 別由熱膨脹系數(shù)不同的兩組薄膜以相同順序疊合而成，使得當(dāng)微橋結(jié)構(gòu)的主體橋面和襯底 的溫度發(fā)生相同變化時(shí)，第一雙材料梁與第二雙材料梁均發(fā)生形變，但互相抵消，因而主體 橋面與襯底之間空隙不發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)了由于微橋結(jié)構(gòu)的襯底溫度變化所可能引起的形變 的自補(bǔ)償；且相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)襯底進(jìn)行恒溫處理或通過其他方式進(jìn)行補(bǔ)償(如電路補(bǔ) 償）的方法，本發(fā)明無需額外的資源開銷。而且，本發(fā)明中微橋結(jié)構(gòu)的第一懸梁臂與第二懸 梁臂以所述主體橋面的中心為中心呈中心對(duì)稱分布，使得當(dāng)主體橋面因吸收熱輻射或因通 過電加熱方式溫度升高時(shí)，第一懸梁臂與第二懸梁臂中的第一雙材料梁和第二雙材料梁產(chǎn) 生相同的形變，而作為整體的微橋結(jié)構(gòu)，微橋在結(jié)構(gòu)形狀和溫度分布上都保持了中心對(duì)稱 分布，這種中心對(duì)稱不僅保證了主體橋面不會(huì)向任何方向發(fā)生傾斜，實(shí)現(xiàn)了主體橋面的平 整性；而且，也提高了微橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固程度。此外，本發(fā)明中的微橋結(jié)構(gòu)的懸梁臂由兩段雙 材料梁及一段絕熱梁組成，提高了微橋薄膜的占空比；且構(gòu)成雙材料梁的薄膜疊合順序相 同，因此，本發(fā)明的雙材料梁結(jié)構(gòu)簡單，降低了微橋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度及實(shí)現(xiàn)工藝。
【附圖說明】
[0023] 通過閱讀參照以下附圖所作的對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它 特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0024] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的微橋結(jié)構(gòu)的立體示意圖；
[0025] 圖2示出與圖1所示的微橋結(jié)構(gòu)立體示意圖相對(duì)應(yīng)的微橋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0026] 圖3示出圖2所示的微橋結(jié)構(gòu)俯視圖中沿A- A截面的截面圖；
[0027] 圖4示出襯底與主體橋面同時(shí)升高相同溫度時(shí)沿A -A線方向的微橋高度分布及 微橋結(jié)構(gòu)的形變示意圖；
[0028] 圖5示出襯底溫度不變、主體橋面升溫時(shí)沿A-A線方向的微橋高度分布及微橋結(jié) 構(gòu)的形變不意圖；
[0029] 圖6示出圖1/圖2所示的微橋結(jié)構(gòu)中主體橋面及襯底均具有復(fù)合光學(xué)薄膜時(shí)的 微橋結(jié)構(gòu)不意圖；
[0030] 圖7示出本發(fā)明微橋結(jié)構(gòu)中形成的干涉裝置所符合的平行平板間光束法布里-珀 羅干涉儀光路示意圖；
[0031] 圖8示出根據(jù)本發(fā)明微橋結(jié)構(gòu)中形成的干涉裝置的參考光的透射光強(qiáng)度隨所述 空隙的距離變化而發(fā)生的變化，確定探測目標(biāo)的溫度的原理示意圖；
[0032] 圖9示出微橋結(jié)構(gòu)在不同溫度的黑體輻射下產(chǎn)生不同微橋透射率時(shí)對(duì)應(yīng)的光譜 示意圖；
[0033] 圖10示出參考光的透射光強(qiáng)度(任意單位）與黑體溫度之間的函數(shù)關(guān)系示意圖；
[0034] 圖11示出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的微橋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖12示出本發(fā)明還一個(gè)實(shí)施例的微橋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036] 附圖中相同或相似的附圖標(biāo)記代表相同或相似的部件。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0038] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的微橋結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2示出與圖1 所示的微橋結(jié)構(gòu)立體示意圖相對(duì)應(yīng)的微橋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)俯視圖，其中