基于光譜吸收原理的非色散紅外（NDIR）氣體傳感器主要由紅外光源、氣室、濾光片和紅外光探測器4部分組成。其中，紅外光源是決定NDIR集成氣體傳感器性能的關鍵部件之一，直接決定了傳感器的尺寸、功耗和檢測性能。
據麥姆斯咨詢報道，近期，大連理工大學電信學部生物醫學工程學院與遼寧省集成電路與生物醫學電子系統重點實驗室組成的科研團隊在《傳感器與微系統》期刊上發表了以“CMOS紅外光源的設計與實現”為主題的文章。該文章第一作者為王林峰，通訊作者為余雋副教授。
本文基于標準互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝設計和制造了一種CMOS紅外光源，具有熱響應迅速和高溫工作性能良好的優點。由于采用了標準CMOS工藝，該紅外光源未來可與光源驅動電路進行單芯片集成制造，從而進一步提高集成度。
基于CMOS工藝加工的紅外光源是利用普朗克輻射體電致自加熱效應誘導輻射層輻射紅外光的有源半導體器件。該器件的主要結構是內嵌加熱電阻絲的介質薄膜，也叫微熱板。對電阻絲通入電流后，由于焦耳熱效應，微熱板發熱升溫，從而產生紅外熱輻射。
提高CMOS紅外光源的熱輻射在器件總功耗中所占比例的途徑包括提高工作溫度、增大輻射區面積和提高比輻射率3個途徑。由于工作溫度太高將導致器件失效，輻射區面積增大會同時增加熱對流散熱以及芯片面積，提高比輻射率往往需要進行非CMOS兼容的加工工藝，因此需要綜合考慮相關因素進行合理設計。
在材料設計方面，標準CMOS工藝中鋁（Al）、鎢（W）和多晶Si均可用作紅外光源的電阻絲材料，但Al熔點較低，多晶Si在300℃以上存在阻值漂移不穩定的問題。根據紅外光源工作原理，為了提高紅外熱輻射能量，必須提高工作溫度，所以熱輻射型紅外光源通常工作在400℃以上。因此選用具有良好的高溫穩定性和抗電遷移特性的W作為CMOS紅外光源的加熱絲材料。
在結構設計方面，為了降低器件的熱傳導散熱，Si基紅外光源通常采用懸浮薄膜結構。設計CMOS紅外光源結構如圖1所示。
圖1 紅外光源剖面結構示意
使用有限元仿真軟件COMSOL對CMOS紅外光源進行電熱耦合仿真。因為Si的導熱性能良好且介質薄膜熱阻很大，通常，紅外光源高溫工作時Si基底的溫度仍接近常溫。為了簡化計算，只對紅外光源懸空區域建模，在傳熱場中，將紅外光源四周邊界設為室溫來等效紅外光源整個Si基底的常溫特性。根據標準CMOS工藝和材料屬性設置材料的厚度和物性參數。在電流場中設置加熱絲兩端的電勢，對模型進行電—熱耦合的穩態仿真分析，獲得紅外光源溫度分布云圖（如圖2）。圖3對比了兩種紅外光源沿縱向對稱軸的溫度分布。
圖2 紅外光源溫度分布云圖
圖3 紅外光源沿縱向對稱軸的溫度分布
CMOS紅外光源的流片加工
CMOS紅外光源加工工藝流程如圖4所示。首先，采用華潤上華晶圓廠6 in（1 in = 2.54 cm）0.5 μm標準CMOS工藝進行流片，完成內嵌W加熱絲的復合薄膜結構的加工。然后，采用Si的深刻蝕工藝從背面刻蝕體Si，形成絕熱性能優良的膜片式懸空結構。最后，為了增強比輻射率，使用電流體動力學（EHD）打印系統在紅外光源的輻射區表面淀積一層氧化銅（CuO）和氧化錳（MnO?）納米材料復合薄膜，使用管式爐400℃退火2 h，在紅外光源表面形成一層附著性良好的紅外RE薄膜。
圖4 CMOS紅外光源工藝流程
經測試，CMOS工藝的Si?N?作為輻射層，其比輻射率在0.6左右；其上淀積上述RE薄膜后，比輻射率在0.8以上。使用紅外RE-layer使得紅外光源的表面比輻射率提高約35%，且該方法具有工藝簡單、易于實現、薄膜附著穩定等優點。加工完成后紅外光源的顯微照片如圖5所示。
圖5 CMOS紅外光源芯片實物照片
使用紅外成像測溫儀FLIR A655測量紅外光源輻射區溫度分布，經過以比輻射率0.8進行溫度補償后，測試結果如圖6所示，圖中虛線區域為700 μm × 700 μm的輻射區。紅外光源輻射區平均溫度達到478 ℃時，懸空區域之外的溫度低于30℃，證明該器件良好的隔熱性能。芯片溫度分布的測試結果與仿真結果基本一致。
圖6 紅外測溫儀測得的光源典型溫度分布
將紅外光源置于馬弗爐中，從室溫升到300℃，每50℃為1個溫度點，每個溫度點保持1 h。使用數字萬用表測量W加熱絲的阻值變化，結果如圖7(a)所示。可見，阻值與溫度呈線性關系，紅外光源W加熱絲的溫阻系數（TCR）為0.19 %/℃，根據此線性關系可推測500℃時的加熱絲阻值。因此，可通過W加熱絲的阻值來估算紅外光源的平均工作溫度。
圖7 電熱特性測試曲線
紅外輻射特性測試
使用紅外輻射功率計Gentec-XLP12對RE-layer和No-RE-layer的兩種紅外光源進行測量，測試結果如圖8(a)所示。由于功率計探頭尺寸遠大于紅外光源核心發熱區域的尺寸，功率計測量的是紅外光源整個芯片還有封裝管殼的全部熱輻射，因此測試結果大于紅外光源核心發熱區域紅外輻射功率的理論估計值。在相同溫度下，RE-layer的紅外光源比No-RE-layer的紅外光源紅外輻射功率更高，兩者的差值來源于紅外RE-layer對光源的紅外輻射功率的增強作用。當工作溫度為469℃時，RE-layer使紅外光源的紅外輻射功率提高了約3.7 mW。
圖8 輻射特性測試曲線
采用MR170型傅里葉變換（FT）紅外光譜輻射計，測量RE-layer的紅外光源在2 ～ 15 μm波段的紅外光譜輻射強度。由于光源核心發熱區域面積小，紅外輻射能量微弱，因此測量結果存在一定的噪聲和誤差。當紅外光源的平均工作溫度約為469 ℃時，測量結果如圖8(b)所示。RE-layer在3 ～ 8 μm波段比No-RE-layer的紅外輻射強度有顯著提升。對2 ～ 15 μm波段進行積分，RE-layer光源的輻射強度為6.42 mW/sr，No-RE-layer光源的輻射強度為4.3 mW/sr，說明紅外RE-layer使得CMOS紅外光源在相同工作溫度下的紅外輻射強度增大了約50%。
綜上所述，本文設計并實現了一種CMOS紅外光源，其輻射區尺寸為700 μm×700 μm，采用耐高溫的W電阻，采用絕熱性優良且機械強度高的SiO?與Si?N?復合薄膜，輻射區表面涂敷紅外RE-layer。在加熱功耗138 mW時，該紅外光源的平均溫度約469℃，熱響應時間約為41 ms，具有功耗低、熱響應時間迅速、溫度分布均勻等特點。紅外光源輻射區表面打印了CuO和MnO?的復合納米涂層，使得光源的表面比輻射率提升約35%，紅外光源的輻射功率和紅外光譜輻射強度測試結果也證實了該涂層對紅外輻射的顯著增強作用。該CMOS紅外光源可應用于對尺寸和電功耗要求苛刻的NDIR集成氣體傳感器，并且該CMOS光源未來可與CMOS電路進行單芯片集成制造，從而進一步提高集成度。
DOI: 10.13873/J.1000-9787(2024)02-0120-04
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