基于光谱吸收原理的非色散红外（NDIR）气体传感器主要由红外光源、气室、滤光片和红外光探测器4部分组成。其中，红外光源是决定NDIR集成气体传感器性能的关键部件之一，直接决定了传感器的尺寸、功耗和检测性能。
据麦姆斯咨询报道，近期，大连理工大学电信学部生物医学工程学院与辽宁省集成电路与生物医学电子系统重点实验室组成的科研团队在《传感器与微系统》期刊上发表了以“CMOS红外光源的设计与实现”为主题的文章。该文章第一作者为王林峰，通讯作者为余隽副教授。
本文基于标准互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺设计和制造了一种CMOS红外光源，具有热响应迅速和高温工作性能良好的优点。由于采用了标准CMOS工艺，该红外光源未来可与光源驱动电路进行单芯片集成制造，从而进一步提高集成度。
基于CMOS工艺加工的红外光源是利用普朗克辐射体电致自加热效应诱导辐射层辐射红外光的有源半导体器件。该器件的主要结构是内嵌加热电阻丝的介质薄膜，也叫微热板。对电阻丝通入电流后，由于焦耳热效应，微热板发热升温，从而产生红外热辐射。
提高CMOS红外光源的热辐射在器件总功耗中所占比例的途径包括提高工作温度、增大辐射区面积和提高比辐射率3个途径。由于工作温度太高将导致器件失效，辐射区面积增大会同时增加热对流散热以及芯片面积，提高比辐射率往往需要进行非CMOS兼容的加工工艺，因此需要综合考虑相关因素进行合理设计。
在材料设计方面，标准CMOS工艺中铝（Al）、钨（W）和多晶Si均可用作红外光源的电阻丝材料，但Al熔点较低，多晶Si在300℃以上存在阻值漂移不稳定的问题。根据红外光源工作原理，为了提高红外热辐射能量，必须提高工作温度，所以热辐射型红外光源通常工作在400℃以上。因此选用具有良好的高温稳定性和抗电迁移特性的W作为CMOS红外光源的加热丝材料。
在结构设计方面，为了降低器件的热传导散热，Si基红外光源通常采用悬浮薄膜结构。设计CMOS红外光源结构如图1所示。
图1 红外光源剖面结构示意
使用有限元仿真软件COMSOL对CMOS红外光源进行电热耦合仿真。因为Si的导热性能良好且介质薄膜热阻很大，通常，红外光源高温工作时Si基底的温度仍接近常温。为了简化计算，只对红外光源悬空区域建模，在传热场中，将红外光源四周边界设为室温来等效红外光源整个Si基底的常温特性。根据标准CMOS工艺和材料属性设置材料的厚度和物性参数。在电流场中设置加热丝两端的电势，对模型进行电—热耦合的稳态仿真分析，获得红外光源温度分布云图（如图2）。图3对比了两种红外光源沿纵向对称轴的温度分布。
图2 红外光源温度分布云图
图3 红外光源沿纵向对称轴的温度分布
CMOS红外光源的流片加工
CMOS红外光源加工工艺流程如图4所示。首先，采用华润上华晶圆厂6 in（1 in = 2.54 cm）0.5 μm标准CMOS工艺进行流片，完成内嵌W加热丝的复合薄膜结构的加工。然后，采用Si的深刻蚀工艺从背面刻蚀体Si，形成绝热性能优良的膜片式悬空结构。最后，为了增强比辐射率，使用电流体动力学（EHD）打印系统在红外光源的辐射区表面淀积一层氧化铜（CuO）和氧化锰（MnO₂）纳米材料复合薄膜，使用管式炉400℃退火2 h，在红外光源表面形成一层附着性良好的红外RE薄膜。
图4 CMOS红外光源工艺流程
经测试，CMOS工艺的Si₃N₄作为辐射层，其比辐射率在0.6左右；其上淀积上述RE薄膜后，比辐射率在0.8以上。使用红外RE-layer使得红外光源的表面比辐射率提高约35%，且该方法具有工艺简单、易于实现、薄膜附着稳定等优点。加工完成后红外光源的显微照片如图5所示。
图5 CMOS红外光源芯片实物照片
使用红外成像测温仪FLIR A655测量红外光源辐射区温度分布，经过以比辐射率0.8进行温度补偿后，测试结果如图6所示，图中虚线区域为700 μm × 700 μm的辐射区。红外光源辐射区平均温度达到478 ℃时，悬空区域之外的温度低于30℃，证明该器件良好的隔热性能。芯片温度分布的测试结果与仿真结果基本一致。
图6 红外测温仪测得的光源典型温度分布
将红外光源置于马弗炉中，从室温升到300℃，每50℃为1个温度点，每个温度点保持1 h。使用数字万用表测量W加热丝的阻值变化，结果如图7(a)所示。可见，阻值与温度呈线性关系，红外光源W加热丝的温阻系数（TCR）为0.19 %/℃，根据此线性关系可推测500℃时的加热丝阻值。因此，可通过W加热丝的阻值来估算红外光源的平均工作温度。
图7 电热特性测试曲线
红外辐射特性测试
使用红外辐射功率计Gentec-XLP12对RE-layer和No-RE-layer的两种红外光源进行测量，测试结果如图8(a)所示。由于功率计探头尺寸远大于红外光源核心发热区域的尺寸，功率计测量的是红外光源整个芯片还有封装管壳的全部热辐射，因此测试结果大于红外光源核心发热区域红外辐射功率的理论估计值。在相同温度下，RE-layer的红外光源比No-RE-layer的红外光源红外辐射功率更高，两者的差值来源于红外RE-layer对光源的红外辐射功率的增强作用。当工作温度为469℃时，RE-layer使红外光源的红外辐射功率提高了约3.7 mW。
图8 辐射特性测试曲线
采用MR170型傅里叶变换（FT）红外光谱辐射计，测量RE-layer的红外光源在2 ～ 15 μm波段的红外光谱辐射强度。由于光源核心发热区域面积小，红外辐射能量微弱，因此测量结果存在一定的噪声和误差。当红外光源的平均工作温度约为469 ℃时，测量结果如图8(b)所示。RE-layer在3 ～ 8 μm波段比No-RE-layer的红外辐射强度有显著提升。对2 ～ 15 μm波段进行积分，RE-layer光源的辐射强度为6.42 mW/sr，No-RE-layer光源的辐射强度为4.3 mW/sr，说明红外RE-layer使得CMOS红外光源在相同工作温度下的红外辐射强度增大了约50%。
综上所述，本文设计并实现了一种CMOS红外光源，其辐射区尺寸为700 μm×700 μm，采用耐高温的W电阻，采用绝热性优良且机械强度高的SiO₂与Si₃N₄复合薄膜，辐射区表面涂敷红外RE-layer。在加热功耗138 mW时，该红外光源的平均温度约469℃，热响应时间约为41 ms，具有功耗低、热响应时间迅速、温度分布均匀等特点。红外光源辐射区表面打印了CuO和MnO₂的复合纳米涂层，使得光源的表面比辐射率提升约35%，红外光源的辐射功率和红外光谱辐射强度测试结果也证实了该涂层对红外辐射的显著增强作用。该CMOS红外光源可应用于对尺寸和电功耗要求苛刻的NDIR集成气体传感器，并且该CMOS光源未来可与CMOS电路进行单芯片集成制造，从而进一步提高集成度。
DOI: 10.13873/J.1000-9787(2024)02-0120-04
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