集成超构表面吸收器的CMOS-SOI-MEMS红外传感器的多物理场建模
2025-12-12 21:36:38 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究提出了一种针对集成超构表面吸收器的CMOS-SOI-MEMS红外传感器的综合多物理场建模框架。通过耦合光、热和机械分析，该框架为跨多关联领域优化传感器性能提供了可预测的定量方法。
基于CMOS-SOI-MEMS平台的红外（IR）热传感器能够实现可扩展、低成本的热成像，但需对其光学、热学及机械性能协同优化。CMOS-SOI-MEMS（TMOS）红外传感器代表了非制冷型红外探测技术的突破性进展，其利用悬浮MOSFET作为传感元件，将红外辐射诱导的温度变化转换为高灵敏度的电信号。将超构表面（Metasurface）吸收器集成至CMOS-SOI-MEMS红外传感器中，需在光学、热学和机械性能之间进行复杂的权衡取舍。
据麦姆斯咨询报道，近日，以色列理工学院提出了一种多物理场建模框架，用于研究将超构表面吸收器与TMOS红外传感器的集成机制。通过时域有限差分法（FDTD）模拟，研究人员证明了相较于传统吸收器，该方案在目标波长（例如用于CO₂传感为4.26 μm，用于热成像为10 μm）可实现近乎100%的吸收率。基于黑体辐射计算的吸收功率用于进行热有限元分析（FEA），结果既验证了器件具有高热隔离性能和最大温升（ΔT），同时量化了热时间常数对超构表面质量的灵敏度。经三维（3D）FEA验证解析RC电路模型，可精确捕获热动力特性，从而加速器件设计迭代。通过机械模态和谐波分析，验证了器件固有频率高于20 kHz，可确保其对机械共振和环境振动的抗扰性。该整体框架量化了光学效率、热响应度和机械稳定性之间的权衡关系，为设计与CMOS工艺兼容的高性能非制冷型红外传感器提供了优异的预测工具。相关研究成果以“Multiphysics Optical–Thermal and Mechanical Modeling of a CMOS-SOI-MEMS Infrared Sensor with Metasurface Absorber”为题发表于Sensors期刊。
图1展示了通过该集成光-热-机械建模方法构建了一个预测性设计框架，可以系统地探索高性能CMOS兼容的红外传感器权衡方案，实现高响应度、快速响应与机械稳定性，以满足先进应用的需求。
图1 CMOS-SOI-MEMS红外热传感器的多物理场建模框架
该CMOS-SOI- MEMS红外传感器采用TMOS像素架构，其核心为采用标准0.13 μm CMOS-SOI工艺制造的纳米加工悬浮晶体管，可与读出电路（ROIC）实现单片集成。核心传感元件为热隔离型MOSFET，可在亚阈值下工作，能将吸收的红外辐射高效转换为温度相关电信号，兼具高灵敏度与低功耗特性。该像素单元包括由纤细支撑臂锚定的悬浮热平台，在确保机械稳定性的同时最大限度地降低与衬底间的热传导。该器件制造工艺采用干法蚀刻技术，正面电介质层采用反应离子蚀刻（RIE），背面硅去除采用深反应离子蚀刻（DRIE），并埋入氧化层作为蚀刻终止层。图2展示了TMOS传感器结构。
图2 TMOS传感器结构示意图
为了提升TMOS传感器的光学性能，研究人员在悬浮平台上集成了基于金属-绝缘体-金属（MIM）结构的超构表面吸收器。超构表面是一种可在亚波长尺度调控电磁波传播的人工纳米结构，可以实现传统材料难以企及的定制化吸收特性。这项研究设计了两种具有代表性的MIM构型以实现特定功能：构型1（如图3a）针对4.26 μm峰值吸收进行了优化，适配非色散红外（NDIR）气体传感所需的CO₂吸收波段。构型2（如图3b）设计用于10 µm附近的窄带吸收，适用于生物医学传感（例如蛋白质振动指纹检测）和热成像等领域。每个MIM单元由周期性层状堆叠构成，与CMOS后处理工艺兼容，经排列形成覆盖像素有源区域的超构表面。图3展示了MIM单元结构，包括材料、厚度及尺寸（单位：µm）。
图3 集成到TMOS传感器的超构表面吸收器单元结构示意图
TMOS传感器的光学性能取决于其对入射红外辐射的有效吸收能力，而这直接决定传感器的热响应特性。这项研究构建了基于FDTD模拟的全面光学建模框架，以量化传感器在2-14 μm波段的吸收效率。该框架计算了基准CMOS、氮化钛（TiN）增强型、超构表面增强型结构的入射辐照度、电磁功耗和吸收特性。
图4 TMOS传感器光学系统的接收锥
图5 中红外吸收增强与局域化过程中各功能层的作用
TMOS传感器的热性能决定其对入射红外辐射的响应度。这项研究提出了量化传感器温升（ΔT）与动态响应的热建模框架，集成了FDTD模拟的光学热源数据。该框架采用FEA及解析式集总参数RC电路模型，可评估超构表面吸收器对器件热行为的影响。
图6 CMOS-SOI-MEMS红外传感器像素的集总参数热模型示意图
该MEMS器件的动态机械完整性是决定传感器性能、稳定性和可靠性的根本因素。具体而言，器件固有频率和模态振型决定了其对外部振动的敏感响应，而外部振动可能导致过度位移、结构疲劳或引入噪声导致信号失真。研究人员分析验证了工作带宽与器件机械共振频率之间可实现安全解耦，以避免共振干扰。
综上所述，这项研究提出了一种针对集成超构表面吸收器的CMOS-SOI-MEMS红外传感器的综合多物理场建模框架。通过耦合光、热和机械分析，该框架为跨多关联领域优化传感器性能提供了可预测的定量方法。总体而言，该框架在单一模拟环境中实现了光吸收设计、热性能评估和机械可靠性评估的一体化。这种方法不仅加速了器件设计迭代，还清晰揭示了响应度、响应速度与结构完整性之间的权衡关系。所提出的建模策略可以推广至各类非制冷型红外探测器架构及超构表面配置。未来研究将围绕通过制备实物原型完成实验验证、集成温度补偿与反馈机制两方面，以进一步提升传感器在现实应用场景中的测量精度和鲁棒性。
论文链接：https://doi.org/10.3390/s25226819
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