高速高灵敏AlN压电MEMS红外探测器及其封装技术研究

High-speed, high-sensitivity, low-power integrated infrared detector based on AlN piezoelectric MEMS resonator is highly desired for future infrared sensing system. This project centers on the key scientific problems of restricting response speed as well as sensitivity for AlN piezoelectric MEMS infrared detector. Based on the explored infrared-induction mechanism of the device, the thermoelectric coupling and thermodynamic models of the device are established to clarify the key factors that influence the device performance, including electrode structure, resonant mode, physical dimension, and so on. Then, a novel design method of AlN piezoelectric MEMS infrared detector is proposed with novel graphene electrode and high-frequency, high-Q Lame resonant mode to effectively improve response speed as well as sensitivity. In addition, this project focuses on the difficult problems of encapsulation, including reliability, infrared reflection, and high-frequency loss. The wafer-level vacuum bonding technique, infrared transmission performance and high frequency loss of the novel 3D vacuum encapsulation structure based on glass reflow technology are systematically studied to achieve a high performance encapsulation technique for AlN piezoelectric MEMS infrared detector. On the one hand, this project will provide new schemes and new ideas for the realization of high performance and integrated infrared sensing system. On the other hand, it will be a foundation for the development of micro/nano devices and packaging structures with independent intellectual property rights.

高速、高灵敏、低功耗和集成化是未来红外传感系统的发展趋势。本项目针对未来红外传感系统对AlN压电MEMS红外探测器的应用需求，拟围绕制约该类器件响应速度和灵敏度的关键科学问题，探究器件的红外感应机理，建立器件的热电耦合和热力学模型，探明影响器件性能的关键因素，包括器件的电极结构、振动模态及结构尺寸等。提出新型的AlN压电MEMS红外探测器设计方法，利用新型石墨烯电极及高频高Q的Lame振动模态，有效提升器件的响应速度和灵敏度。针对封装结构可能引起的可靠性、红外反射以及高频损耗等问题，设计基于玻璃回流技术的新型三维真空封装结构，研究优化封装结构的圆片级真空键合技术、红外透射性能及高频损耗等，实现AlN压电MEMS红外探测器的高性能、低成本三维真空封装技术。项目研究一方面将为实现高性能、集成化的红外传感系统提供新方案和新思路；另一方面将为开拓拥有自主知识产权的微纳器件及其封装结构奠定基础。

针对未来红外传感系统对AlN压电MEMS红外探测器的应用需求，研究了器件的热电耦合模型、AlN兰姆波谐振器、红外吸收器、微纳制程工艺以及封装技术等，以实现具有高速、高灵敏的集成化MEMS红外探测器。.1.基于AlN压电谐振式红外探测器的感应机理，建立了器件的双端口热电耦合及热耗散模型。从理论上分析阐明了影响器件响应速度及探测灵敏度的关键因素，为器件的结构设计提供重要理论依据。基于有限元软件，仿真分析器件的瞬态及稳态热响应性能，得出各关键因素与器件响应速度及灵敏度之间的关系规律。.2.实现了高频高品质因数的AlN兰姆波谐振器件。从谐振器的基础振动理论入手，系统研究了叉指电极周期、电极个数、电极宽度、反射边界宽度、电边界条件、支撑轴结构等方面对谐振器频率、品质因数及杂散模态的影响。基于6英寸AlN工艺平台，开发了一套高可靠的微纳制程工艺，成功制备出400 MHz、810 MHz、2.1 GHz三种频率的谐振器件，品质因数分别达到4400、2500、1300以上。.3.实现了高吸收率、吸收波长可调的红外吸收器。在谐振器表面集成设计等离子体亚波长金属阵列，与AlN压电薄膜和底部电极构成MIM红外吸收器。从局域表面等离子体共振及法布里-珀罗谐振两方面阐明了该红外吸收器的响应机理，系统分析了AlN绝缘层厚度、亚波长阵列结构及尺寸参数等对吸收性能的影响。所设计的环形、孔形等亚波长阵列结构可实现6~14 μm范围内的吸收波长可调性，最高吸收率接近100%；此外，多圆环内嵌的亚波长阵列结构可实现宽谱吸收性能。.4.设计了低损耗、高红外透射、低应力、低成本的三维封装结构。采用内嵌硅引线结构，不仅具有低热应力，同时还满足传输高频信号的要求；使用亚波长阵列结构，解决了硅红外透射率不高的问题。在0~2 GHz范围内，插入损耗低于0.032 dB，馈通级别低于-80 dB，可实现高频谐振信号的低损耗、高保真传输。在8~12 μm波长范围内，可实现波长选择性透射性能，且最高透射率达到60%以上。在200 ℃时，最大热应力仅为2.49 KPa。