含镍感应材料的长波红外传感器、其制备方法及应用与流程

1.本发明属于红外探测器设计与制造领域，特别是涉及一种含镍感应材料的长波红外传感器、其制备方法及应用。


背景技术：

2.目前三大传感器：光学摄像头、毫米波雷达与激光雷达，已然成为自动驾驶领域中企业标配的传感器。一方面，除激光雷达外，光学摄像头与毫米波雷达其成本已下降到非常可观的地步，企业可大胆的“多”使用这两类传感器；另一方面，从产品性能表现看，三类传感器在不同的应用场景中能互补彼此的短板，如雨雾天中光学摄像头受影响，毫米波雷达依旧能探测范围内是否有障碍物，从而一定程度弥补摄像头“罢工”所带来的后果。
3.但是，随着自动驾驶企业路测增多，在不同天气、不同路况、面对不同目标物等等问题后，上述传感器显得不再牢固了。如在夜晚会车时因对方远光灯而使得自动驾驶车辆摄像头眩光，此时只剩下毫米波雷达与激光雷达可工作。而毫米波雷达自身又难以识别行人。而能识别行人的激光雷达，在考虑种种现实条件后，能有效覆盖的车前距离只有50m甚至更低，超出部分所探测得到的数据，不足以支持算法做出判断，从而做出正确的执行动作。
4.红外传感器技术是近年来发展最快的技术之一，红外传感器目前已广泛应用于航空航天、天文、气象、军事、工业和民用等众多领域，起着不可替代的重要作用。红外线实质上是一种电磁辐射波，其波长范围大致在0.78μm～1000μm频谱范围内，因其是位于可见光中红光以外的光线，故而得名为红外线。任何温度高于绝对零度的物体，都会向外部空间以红外线的方式辐射能量。利用红外辐射实现相关物理量测量的传感技术，即为红外传感技术。
5.与摄像头通过光成像的原理不同，红外探测器技术通过能够透过红外辐射的红外光学系统将视场内景物的红外辐射聚焦到能够将红外辐射能转换为便于测量的物理量的器件——红外探测器上，红外探测器再将强弱不等的辐射信号转换成相应的电信号，然后经过放大和视频处理，形成可供人眼观察的视频图像，最终通过终端显示、音响设备报警的夜间辅助驾驶产品。
6.正因为完全不同的成像原理，红外能不受恶劣环境与天气，如夜晚无光、反光，大雾大雨天气的影响。红外热成像技术对行人与车辆识别距离皆可达到百米之远，还可以根据车辆与技术的实际需要，进行识别距离更远产品的开发与应用。
7.因此，汽车自动驾驶、辅助驾驶成像系统中，考虑考虑到夜间行车，有些道路没有路灯或者路灯很暗，也需要在低光照场景下采集路况信息。长波红外传感器可以捕捉车辆周围环境中物体本身发出的热辐射，因此不需要依赖照明器，基于长波红外传感器低分辨率图像实现的物体探测，通过调整其他传感器的控制参数，将车辆的计算机视觉处理资源聚焦在与被探测物体相关的感兴趣的区域，以实现被探测物体的分类。
8.长波红外传感器有效探测范围，主要受传感器分辨率，以及物体探测和分类的分
辨率要求所限制。目前常用的长波红外传感器，在灵敏度等方面存在不足。限制了在车载上的应用。


技术实现要素：

9.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种含镍感应材料的长波红外传感器、其制备方法及应用，用于解决现有技术中长波红外传感器在灵敏度等方面存在不足的问题。
10.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种含镍感应材料的长波红外传感器，所述长波红外传感器包括：衬底，所述衬底上形成有测试焊盘；导电桥墩，连接于所述衬底，所述导电桥墩通过位于所述衬底上的互连线连接所述测试焊盘；桥面，悬浮于所述衬底之上，所述桥面的两端由所述导电桥墩支撑；含镍材料电阻，位于所述桥面上，所述含镍材料电阻呈蜿蜒状延伸，所述含镍材料电阻的两端通过电极通孔及布线层连接所述导电桥墩，所述含镍材料电阻在长波红外传辐射下具有电阻值变化；碳纳米管，覆盖于所述含镍材料电阻及所述桥面上，用于吸收及增强经由被测物体发射的红外辐射。
11.可选地，所述含镍材料电阻的材料为锰钴镍过渡族金属氧化物，其中，镍原子百分比含量为40％-60％，钴含量原子百分比为20％-30％，锰原子百分比含量为20％-30％。
12.可选地，所述含镍材料电阻的宽度介于3微米～8微米之间。
13.可选地，对于波长介于9.7微米～12.4微米的红外辐射，所述含镍感应材料的长波红外传感器的相对灵敏度大于3。
14.进一步地，对于波长介于10.4微米～12微米的红外辐射，所述含镍感应材料的长波红外传感器的相对灵敏度大于4。
15.可选地，所述桥墩的材料包括导电金属。
16.可选地，所述含镍材料电阻表面还覆盖有氮化硅包层，所述碳纳米管覆盖于所述氮化硅包层上，所述氮化硅包层用以保护所述含镍材料电阻并提高含镍材料电阻的灵敏度。
17.可选地，所述桥面的材料包括多层氮化硅，且所述多层氮化硅中形成有所述电极通孔及所述布线层，所述含镍材料电阻的两端通过所述电极通孔与所述布线层连接所述导电桥墩。
18.本发明还提供一种含镍感应材料的长波红外传感器的制备方法，包括步骤：1)提供衬底，在所述衬底上形成测试焊盘以及互连线；2)于所述衬底上制作导电桥墩，所述导电桥墩通过所述互连线连接所述测试焊盘；3)于所述衬底上形成牺牲层，用于临时支撑桥面；4)于所述牺牲层上形成桥面，所述桥面的两端连接所述导电桥墩支撑；5)于所述桥面上形成含镍材料电阻，所述含镍材料电阻呈蜿蜒状延伸，所述含镍材料电阻的两端通过电极通孔及布线层连接所述导电桥墩，所述含镍材料电阻在长波红外传辐射下具有电阻值变化；6)于所述含镍材料电阻及所述桥面上形成碳纳米管，用于吸收及增强经由被测物体发射的红外辐射；7)去除所述牺牲层，以释放所述桥面，使所述桥面悬浮于所述衬底之上，所述桥面的两端由所述导电桥墩支撑。
19.可选地，步骤5)包括：5-1)于所述桥面上形成含镍材料层；5-2)通过光刻工艺及刻蚀工艺刻蚀所述含镍材料层，以形成蜿蜒状延伸的含镍材料电阻；5-3)于所述桥面上制作
电极通孔及布线层，以将所述含镍材料电阻的两端连接至所述导电桥墩；5-4)于所述桥面及所述含镍材料电阻上覆盖氮化硅包层，所述碳纳米管覆盖于所述氮化硅包层上，所述氮化硅包层用以保护所述含镍材料电阻并提高含镍材料电阻的灵敏度。
20.可选地，所述含镍材料电阻的材料为锰钴镍过渡族金属氧化物，其中，镍原子百分比含量为40％-60％，钴含量原子百分比为20％-30％，锰原子百分比含量为20％-30％。
21.可选地，所述含镍材料电阻的宽度介于3微米～8微米之间。
22.可选地，对于波长介于9.7微米～12.4微米的红外辐射，所述含镍感应材料的长波红外传感器的相对灵敏度大于3。
23.本发明还提供一种含镍感应材料的长波红外传感器的应用方法，包括：1)被测物体发射的红外辐射进入长波红外传感器中，通过碳纳米管吸收及增强后，使桥面在真空腔内温度发生变化，随后所述含镍材料电阻温度发生变化，引起所述含镍材料电阻的电阻值发生变化，导致含镍材料电阻两端电压发生变化；2)读出电路通过测试焊盘读取所述含镍材料电阻两端的电压值的模拟量，将所述电压值的模拟量转换为电压值的数字量，从而实现探测红外辐射的功能。
24.可选地，步骤2)采用逐次逼近寄存器型的模拟数字转换器利用逐次逼近算法将所述电压值的模拟量转换为电压值的数字量。
25.如上所述，本发明的含镍感应材料的长波红外传感器、其制备方法及应用，具有以下有益效果：
26.本发明通过在长波红外传感器设计配置含镍材料电阻，极大提高了传感器的感应单元对长波红外的能量敏感性，对于波长介于9.7微米～12.4微米的红外辐射，所述含镍感应材料的长波红外传感器的相对灵敏度大于3。本发明可有效解决辅助驾驶中长波红外信号获取的问题。
27.本发明通过碳纳米管对红外辐射吸收及增强，并通过氮化硅包覆含镍材料电阻的保护和保温设计，可以进一步提高长波红外传感器的灵敏度。
28.本发明的含镍材料电阻设计为蜿蜒状延伸，可有效增大其传感面积，从而在保证传感灵敏度的同时，有效降低器件体积。
29.本发明的通过牺牲层临时支撑桥面，并在后续将其去除，使的桥面悬浮于衬底之上，不与衬底接触，可大大提高桥面的绝缘效果，降低热传导，从而提高长波红外传感器的灵敏度。
附图说明
30.图1显示为本发明实施例的含镍感应材料的长波红外传感器的俯视结构示意图。
31.图2显示为本发明实施例含镍感应材料的长波红外传感器的截面结构示意图，其中，该截面为图1中a-a’处的截面。
32.图3显示为本发明实施例的含镍感应材料的长波红外传感器与传统的热敏氧化钛长波红外传感器的相对灵敏度对比图。
33.元件标号说明
34.101
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
衬底
35.102
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一氮化硅层
36.103
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
互连线
37.104
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二氮化硅层
38.105
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
测试焊盘
39.106
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
导电桥墩
40.107
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第三氮化硅层
41.108
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第四氮化硅层
42.109
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
氮化硅包层
43.110
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一电极通孔
44.111
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二电极通孔
45.112
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
碳纳米管
46.113
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
含镍材料电阻
47.114
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
桥脚
具体实施方式
48.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
49.如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
50.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
51.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
52.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
53.如图1～图2所示，本实施例提供一种含镍感应材料的长波红外传感器，所述长波红外传感器包括衬底101、导电桥墩106、桥面、含镍材料电阻113及碳纳米管112。
54.所述衬底101可以为硅衬底、碳化硅衬底等，并不限于此处所列列举的示例。所述衬底101上形成有第一氮化硅层102，所述第一氮化硅层102上形成有互连线103，然后形成第二氮化硅层104覆盖所述互连线103，接着在所述第二氮化硅层104上形成测试焊盘105，所述测试焊盘105穿过所述第二氮化硅层104与所述互连线103连接。
55.所述导电桥墩106连接于所述衬底101，所述导电桥墩106通过位于所述衬底101上的互连线103连接所述测试焊盘105。所述导电桥墩106的材料包括导电金属，所述导电金属可以为铝等，其可以通过如溅射工艺、电镀工艺以及光刻-刻蚀工艺等形成。
56.所述桥面悬浮于所述衬底101之上，所述桥面的两端由所述导电桥墩106支撑。
57.所述桥面的材料包括多层氮化硅，且所述多层氮化硅中形成有所述电极通孔及所述布线层，所述含镍材料电阻113的两端通过所述电极通孔与所述布线层连接所述导电桥墩106。具体地，所述桥面包括第三氮化硅层107及第四氮化硅层108，所述第三氮化硅层107与第四氮化硅层108之间形成有布线层，所述布线层上形成有第一电极通孔110，位于所述导电桥墩106处的所述第三氮化硅层107与第四氮化硅层108中形成有第二电极通孔111，所述第一电极通孔110与所述第二电极通孔111通过所述布线层连接。
58.为了提高所述桥面的稳定性，在其他实施例中，还可以在所述桥面及衬底101之间形成支撑桥脚114。
59.所述含镍材料电阻113位于所述桥面上，所述含镍材料电阻113呈蜿蜒状延伸，所述含镍材料电阻113的两端连接所述第一电极通孔110，所述第一电极通孔110通过布线层及所述第二电极通孔111连接所述导电桥墩106，所述含镍材料电阻113在长波红外传辐射下具有电阻值变化。
60.例如，所述含镍材料电阻113呈蜿蜒状延伸，其包含多个周期的往返曲折，以提高所述含镍材料电阻113的长度，从而提高其传感面积，提高器件的灵敏度。需要说明的是，所述往返曲折，可以使如矩形状的往返曲折，也可以是弧形状的往返曲折，其形状可以依据需求进行调整。
61.在本实施例中，所述含镍材料电阻113的材料为锰钴镍过渡族金属氧化物，其中，镍原子百分比含量为40％-60％，例如为48％-52％，钴含量原子百分比为20％-30％，锰原子百分比含量为20％-30％。其中，镍元素在所述锰钴镍过渡族金属氧化物中的比例可以依据需求进行调整。
62.所述含镍材料电阻113的宽度介于3微米～8微米之间。例如，在本实施例中，所述含镍材料电阻113的宽度可以为4微米。
63.所述含镍材料电阻113表面还覆盖有氮化硅包层109，所述碳纳米管112覆盖于所述氮化硅包层109上，所述氮化硅包层109用以保护所述含镍材料电阻113并提高含镍材料电阻113的灵敏度。
64.所述碳纳米管112覆盖于所述含镍材料电阻113及所述桥面上，用于吸收及增强经由被测物体发射的红外辐射。本发明通过碳纳米管112对红外辐射吸收及增强，并通过氮化硅包覆含镍材料电阻113的保护和保温设计，可以进一步提高长波红外传感器的灵敏度。
65.图3显示为本发明实施例的含镍感应材料的长波红外传感器与传统的热敏氧化钛长波红外传感器的相对灵敏度对比图，可以看出，本实施例的含镍感应材料的长波红外传感器对于波长介于9.7微米～12.4微米的红外辐射，所述含镍感应材料的长波红外传感器的相对灵敏度大于3，进一步地，对于波长介于10.4微米～12微米的红外辐射，所述含镍感应材料的长波红外传感器的相对灵敏度大于4。相比于传统的热敏氧化钛长波红外传感器的相对灵敏度来说，本实施例通过在长波红外传感器设计配置含镍材料电阻113，极大提高了传感器的感应单元对长波红外的能量敏感性。
66.如图1～图3所示，本实施例还提供一种含镍感应材料的长波红外传感器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
67.如图1～图2所示，首先进行步骤1)，提供衬底101，在所述衬底101上形成测试焊盘105以及互连线103。
68.所述衬底101可以为硅衬底、碳化硅衬底等，并不限于此处所列列举的示例。具体地，先在所述衬底101上形成第一氮化硅层102，在所述第一氮化硅层102上形成互连线103，然后形成第二氮化硅层104覆盖所述互连线103，接着在所述第二氮化硅层104上形成测试焊盘105，所述测试焊盘105穿过所述第二氮化硅层104与所述互连线103连接。
69.如图1～图2所示，然后进行步骤2)，于所述衬底101上制作导电桥墩106，所述导电桥墩106通过所述互连线103连接所述测试焊盘105。
70.具体，所述导电桥墩106的材料包括导电金属，所述导电金属可以为铝等，其可以通过如溅射工艺、电镀工艺以及光刻-刻蚀工艺等形成。
71.如图1～图2所示，然后进行步骤3)，于所述衬底101上形成牺牲层，用于临时支撑桥面。
72.例如，所述牺牲层可以为光刻胶材料，如聚酰亚胺pi等聚合物材料，其可以通过旋涂工艺或注塑工艺等形成于所述衬底101上，所述牺牲层的顶面优选与所述导电桥墩106的顶部齐平，并显露所述导电桥墩106。然后通过紫外线固化所述牺牲层，所述牺牲层的顶面为平坦表面，以利于后续桥面的制作。
73.如图1～图2所示，接着进行步骤4)，于所述牺牲层上形成桥面，所述桥面的两端连接所述导电桥墩106支撑。
74.所述桥面的材料包括多层氮化硅，且所述多层氮化硅中形成有所述电极通孔及所述布线层，所述含镍材料电阻113的两端通过所述电极通孔与所述布线层连接所述导电桥墩106。具体地，所述桥面包括第三氮化硅层107及第四氮化硅层108，所述第三氮化硅层107与第四氮化硅层108之间形成有布线层，所述布线层上形成有第一电极通孔110，位于所述导电桥墩106处的所述第三氮化硅层107与第四氮化硅层108中形成有第二电极通孔111，所述第一电极通孔110与所述第二电极通孔111通过所述布线层连接。
75.如图1～图2所示，然后进行步骤5)，于所述桥面上形成含镍材料电阻113，所述含镍材料电阻113的两端连接所述第一电极通孔110，所述第一电极通孔110通过布线层及所述第二电极通孔111连接所述导电桥墩106，所述含镍材料电阻113在长波红外传辐射下具有电阻值变化。
76.例如，步骤5)包括：
77.步骤5-1)于所述桥面上形成含镍材料层。
78.步骤5-2)通过光刻工艺及刻蚀工艺刻蚀所述含镍材料层，以形成蜿蜒状延伸的含镍材料电阻113。
79.例如，所述含镍材料电阻113呈蜿蜒状延伸，其包含多个周期的往返曲折，以提高所述含镍材料电阻113的长度，从而提高其传感面积，提高器件的灵敏度。
80.在本实施例中，所述含镍材料电阻113的材料为锰钴镍过渡族金属氧化物，其中，镍原子百分比含量为40％-60％，例如为48％-52％，钴含量原子百分比为20％-30％，锰原子百分比含量为20％-30％。其中，镍元素在所述锰钴镍过渡族金属氧化物中的比例可以依
据需求进行调整。
81.所述含镍材料电阻113的宽度介于3微米～8微米之间。例如，在本实施例中，所述含镍材料电阻113的宽度可以为4微米。
82.步骤5-3)于所述桥面上制作第一电极通孔110、第二电极通孔111及布线层，以将所述含镍材料电阻113的两端连接至所述导电桥墩106；
83.步骤5-4)于所述桥面及所述含镍材料电阻113上覆盖氮化硅包层109，所述碳纳米管112覆盖于所述氮化硅包层109上，所述氮化硅包层109用以保护所述含镍材料电阻113并提高含镍材料电阻113的灵敏度。
84.如图1～图2所示，然后进行步骤6)，于所述含镍材料电阻113及所述桥面上形成碳纳米管112，用于吸收及增强经由被测物体发射的红外辐射。
85.如图1～图2所示，最后进行步骤7)，去除所述牺牲层，以释放所述桥面，使所述桥面悬浮于所述衬底101之上，所述桥面的两端由所述导电桥墩106支撑。
86.例如，可以采用湿法腐蚀或者灰化工艺去除所述述牺牲层。本发明的通过牺牲层临时支撑桥面，并在后续将其去除，使的桥面悬浮于衬底101之上，不与衬底101接触，可大大提高桥面的绝缘效果，降低热传导，从而提高长波红外传感器的灵敏度。
87.本实施例还提供一种含镍感应材料的长波红外传感器的应用方法，包括：1)被测物体发射的红外辐射进入长波红外传感器中，通过碳纳米管112吸收及增强后，使桥面在真空腔内温度发生变化，随后所述含镍材料电阻113温度发生变化，引起所述含镍材料电阻113的电阻值发生变化，导致含镍材料电阻113两端电压发生变化；2)读出电路通过测试焊盘105读取所述含镍材料电阻113两端的电压值的模拟量，将所述电压值的模拟量转换为电压值的数字量，从而实现探测红外辐射的功能。
88.优选地，步骤2)采用逐次逼近寄存器型的模拟数字转换器利用逐次逼近算法将所述电压值的模拟量转换为电压值的数字量。
89.如上所述，本发明的含镍感应材料的长波红外传感器、其制备方法及应用，具有以下有益效果：
90.本发明通过在长波红外传感器设计配置含镍材料电阻，极大提高了传感器的感应单元对长波红外的能量敏感性，对于波长介于9.7微米～12.4微米的红外辐射，所述含镍感应材料的长波红外传感器的相对灵敏度大于3。本发明可有效解决辅助驾驶中长波红外信号获取的问题。
91.本发明通过碳纳米管对红外辐射吸收及增强，并通过氮化硅包覆含镍材料电阻的保护和保温设计，可以进一步提高长波红外传感器的灵敏度。
92.本发明的含镍材料电阻设计为蜿蜒状延伸，可有效增大其传感面积，从而在保证传感灵敏度的同时，有效降低器件体积。
93.本发明的通过牺牲层临时支撑桥面，并在后续将其去除，使的桥面悬浮于衬底之上，不与衬底接触，可大大提高桥面的绝缘效果，降低热传导，从而提高长波红外传感器的灵敏度。
94.所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
95.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因
此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。