[发明专利]基于压电效应及复合等离激元的宽光谱红外传感器

说明书

基于压电效应及复合等离激元的宽光谱红外传感器涉及红外传感技术领域，解决了现有技术中吸收率较低和宽波段吸收带宽受限的问题，包括依次连接的读出集成电路衬底、微机电谐振器、介质层和金属阵列层，金属阵列层包括复数个金属单元，每个金属单元由至少三种不同尺寸的金属块组成。本发明非制冷红外传感器通过在FBAR表面集成介质层和金属阵列层，实现非制冷红外传感器对红外光谱的增强吸收，吸收率从20％提高到80％以上，同时实现宽波段吸收，制作简单且红外传感器传感性能优良；通过FBAR等集成在集成读出电路衬底上，可集成制造、批量生产，且成本低廉；既有传统非制冷红外传感的优点，同时响应快速、传感灵敏度高。

技术领域

本发明涉及红外传感技术领域，具体涉及基于压电效应及复合等离激元的宽光谱红外传感器。

背景技术

根据工作的温度不同，红外传感器一般分为制冷型和非制冷型两大类。制冷型红外传感器通常由半导体材料制成。利用某些材料的光电效应，光敏材料吸收光子后，引起电学参数的改变。为了抑制热载流子及噪声，制冷型红外传感器工作温度通常在77K以下。需要利用制冷机或者液氮等制冷，这将导致其体积和重量相对较大，价格也比较昂贵。非制冷型红外传感器也叫室温传感器，可在室温条件下工作而无需制冷，因此具有更易于便携等优点。非制冷红外传感器一般是热传感器，即通过传感红外辐射的热效应来工作。非制冷红外传感器因其省略了体积庞大、价格昂贵的制冷机构，在体积、重量、寿命、成本、功耗、启动速度及稳定性等方面相比于制冷型红外传感器具有优势。但在响应时间、传感灵敏度方面较制冷型红外传感器存在差距。

近年来，随着微纳传感技术的发展，微机电谐振器(FBAR)由于其压电效应其的应用也扩展到非制冷红外传感器领域。一方面，FBAR通常具有微型的尺寸，抗外界干扰能力更强；另一方面，FBAR通常工作在谐振模拟，且具有很高的品质因数，所以器件表现出很高的灵敏度；以上两个方面促使基于压电效应的非制冷红外传感器表现出优秀的信噪比指标。另外，微机电谐振器采用频率读出电路方式，该种方式可以有效抑制闪烁噪声(1/f噪声)。

然而微机电谐振器的敏感表面对红外辐射的吸收率较低，一般小于20％，且对入射频谱没有选择性。从而导致基于压电效应的非制冷红外传感器对红外辐射的吸收率较低。

同时，基于压电效应的非制冷红外传感器还主要面临红外辐射吸收带宽受限的问题，吸收层的宽带吸收可提高非制冷红外传感器性能。目前增加吸收带宽通常采用多层结构吸收，利用不同层吸收谱段的拼接以拓宽吸收层的吸收带宽，具体包括：采用不同材料制备吸收层，但该方法受材料制备应力限制，材料选择范围有限并且增加吸收层厚度，会影响红外传感器性能；采用多层微桥结构，然而受工艺难度限制且堆叠层数有限，因此吸收宽度有限，此外该方法大幅提高工艺复杂度，并且降低红外传感器的可靠性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供基于压电效应及复合等离激元的宽光谱红外传感器。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

基于压电效应及复合等离激元的宽光谱红外传感器，包括微机电谐振器，该红外传感器还包括连接微机电谐振器的读出集成电路衬底、位于微机电谐振器上表面上的介质层和位于介质层上表面上的金属阵列层，所述金属阵列层包括复数个金属单元，每个金属单元由至少三种不同尺寸的金属块组成。

本发明的有益效果是：

1、通过在微机电谐振器表面集成介质层和金属阵列层的结构，利用金属阵列层实现对红外光谱的增强吸收，吸收的能量作用于微机电谐振器上，克服了微机电谐振器的敏感表面对红外辐射的吸收率较低的问题，将非制冷红外传感器的吸收率提高到80％以上。