專利名稱：室溫光學(xué)讀出紅外焦平面探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外焦平面器件，具體是指一種采用光學(xué)方法直接進(jìn)行紅外信號(hào)讀出的室溫紅外焦平面探測(cè)器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的VO2微測(cè)輻射熱計(jì)非致冷紅外焦平面均是利用VO2具有較高的電阻溫度系數(shù)以及與硅集成電路工藝兼容等特點(diǎn)，用硅集成電路的微細(xì)加工技術(shù)，在Si CMOS讀出電路上形成微橋結(jié)構(gòu)，利用微橋上的VO2薄膜作為熱敏電阻來(lái)探測(cè)紅外輻射。采用常規(guī)的混成結(jié)構(gòu)模式，熱敏電阻將紅外光轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再由讀出電路將電信號(hào)讀出，這就不可避免帶來(lái)了工藝復(fù)雜性。另外，在目前的紅外焦平面技術(shù)中，焦平面規(guī)模是由當(dāng)前紅外光電子技術(shù)與微電子技術(shù)的水平?jīng)Q定的。至今位于中波和長(zhǎng)波，如3-5μm和8-14μm波段的紅外焦平面器件商業(yè)化水平仍未突破516×516。而可見(jiàn)光或近紅外波段的Si CCD焦平面器件規(guī)模已超過(guò)1024×1024，且發(fā)展勢(shì)頭很強(qiáng)，中波或長(zhǎng)波紅外焦平面器件規(guī)模與Si CCD焦平面器件規(guī)模之間的差異主要是由于中、長(zhǎng)波紅外材料及器件工藝的相對(duì)不成熟所致。同時(shí)工業(yè)界在Si基器件上投入的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于紅外器件的投入，且還將繼續(xù)保持這種不均等的態(tài)勢(shì)，因此任何一種有可能將紅外焦平面器件功能轉(zhuǎn)化成由Si CCD輔助實(shí)現(xiàn)的技術(shù)都是很有實(shí)用價(jià)值的。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述已有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是利用VO2薄膜的光學(xué)透過(guò)率在金屬-半導(dǎo)體相變前后發(fā)生銳變的性質(zhì)，將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)或近紅外光信號(hào)，從而可直接用Si CCD進(jìn)行信號(hào)讀出。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的室溫光學(xué)讀出紅外焦平面探測(cè)器包括芯片、窄帶濾光片、恒溫加熱器、半導(dǎo)體激光器和Si CCD面陣器件。
芯片依次由能透可見(jiàn)和紅外光的襯底、高密度空洞的SiO2隔熱層、VO2薄膜層和SiN吸熱層組成。芯片置在恒溫加熱器中，并使其溫度恒定在VO2薄膜的相變點(diǎn)附近，帶有恒溫加熱器的芯片和Si CCD面陣器件之間置有窄帶濾光片，半導(dǎo)體激光器位于芯片襯底一側(cè)，并使半導(dǎo)體激光器出射的激光束入射到襯底上，見(jiàn)圖1。
為了使上述結(jié)構(gòu)的器件能順利達(dá)到光學(xué)探測(cè)的目的，含VO2薄膜的整塊芯片必需由一加熱器將溫度恒定在VO2薄膜的相變點(diǎn)中心，這樣可保證有最大的透過(guò)率變化溫度系數(shù)。芯片中SiO2隔熱層氣凝膠的孔洞率要高，以保證良好的隔熱性能。入射光采用的是半導(dǎo)體激光器，以保證整個(gè)器件的小型化。Si CCD器件前的濾光片半高寬要窄，以確保對(duì)除信號(hào)激光外的其余光的過(guò)濾效果好。照射在芯片上的激光應(yīng)該是均勻地類似于面源的光斑。
器件的工作過(guò)程是當(dāng)一束波長(zhǎng)在可見(jiàn)或近紅外區(qū)域的激光與被探測(cè)紅外光同時(shí)經(jīng)襯底、SiO2隔熱層、VO2薄膜層入射到吸熱層材料上時(shí)，吸熱材料被紅外光輻照后引起溫度升高，吸熱材料將熱量傳給VO2薄膜，導(dǎo)致VO2薄膜升溫，使VO2薄膜對(duì)激光的透過(guò)率發(fā)生銳減，而紅外象在吸熱層材料上的光強(qiáng)分布是按紅外象光強(qiáng)分布特征分布的，所以導(dǎo)致VO2薄膜上的溫度變化也是按紅外象形成的紅外光光強(qiáng)分布變化的。這樣就可利用VO2薄膜的激光透過(guò)率隨溫度發(fā)生變化的性能，芯片上將有一與紅外光光強(qiáng)分布相似的信號(hào)輸出。所以最終在硅CCD上獲得的信號(hào)上包含了紅外光在VO2薄膜上的光強(qiáng)分布特征的激光光強(qiáng)信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)紅外光信號(hào)的光學(xué)讀出。因此，本發(fā)明具有如下的積極效果和優(yōu)點(diǎn)1.可以很方便地將紅外圖象轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)光圖象，從而把相對(duì)不成熟的紅外光電探測(cè)技術(shù)轉(zhuǎn)化成十分成熟的可見(jiàn)光波段的光電探測(cè)技術(shù)，并直接與Si CCD這一發(fā)展得十分成熟的技術(shù)相結(jié)合。
2.本發(fā)明對(duì)紅外圖象讀出的方式比通常紅外焦平面讀出方式要簡(jiǎn)單得多，可以明確地回避超大規(guī)模如大于1024×1024規(guī)模時(shí)遇到的對(duì)微電子工藝和紅外光電子功能材料以及混成技術(shù)中的極高要求。
3.本發(fā)明芯片在接受紅外圖象時(shí)不需要分立的象元，從而不需要目前普遍的制備紅外焦平面及芯片時(shí)的象元分離技術(shù)，大大地簡(jiǎn)化了工藝環(huán)節(jié)。
4.本發(fā)明在圖象成象應(yīng)用中可以有很好的均勻性，從而大大地改善作為焦平面最為重要指標(biāo)之一的均勻性特性。不同于普遍使用的紅外焦平面制備技術(shù)，本發(fā)明中的芯片均勻性將主要由材料自身性能以及Si CCD均勻性決定。而VO2薄膜材料已有十分好的均勻性，同樣Si CCD的均勻性也遠(yuǎn)優(yōu)于紅外焦平面的均勻性。
5.本發(fā)明將消除焦平面中需排除的盲點(diǎn)存在的可能性。芯片起著一種無(wú)需電子束掃描的紅外熒光屏的作用。


圖1為VO2薄膜在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域相變前曲線a和相變后曲線b的透過(guò)率變化圖。
圖2為本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)和功能實(shí)施示意圖。
具體實(shí)施例方式
1.芯片的制備選擇一種對(duì)波長(zhǎng)范圍在0.8-1μm的激光全部透過(guò)而且導(dǎo)熱性能差的固體材料如石英或光學(xué)玻璃作為襯底1，在襯底上通過(guò)氣凝膠的方法形成高密度空洞的SiO2隔熱層2，厚度約1-2μm，在SiO2隔熱層上采用溶膠-凝膠法或?yàn)R射法制備一層VO2薄膜3，厚度約0.1-0.5μm，在VO2薄膜層上制備一層SiN吸熱材料4，厚度約0.5-2μm。
2.芯片的工作條件用一個(gè)加熱恒溫器7將上述制備的含VO2薄膜的整塊芯片的溫度恒定在VO2薄膜的相變點(diǎn)附近，根據(jù)本實(shí)施例的材料特性，該溫度將在65-75℃，選擇所制備的VO2薄膜變色最強(qiáng)烈的溫度點(diǎn)70℃為具體芯片的工作溫度點(diǎn)。
3.器件的整合將上述結(jié)構(gòu)的芯片放在Si CCD 5之前，并在兩者之間附加一片對(duì)所采用的激光透過(guò)的窄帶濾光片6，將除信號(hào)激光外的其余光濾掉，從而使Si CCD只探測(cè)到作為信號(hào)光的激光。半導(dǎo)體激光器8位于芯片襯底1一側(cè)，并保持半導(dǎo)體激光器出射的激光束以面光源的特征入射到襯底上。
本器件以半導(dǎo)體激光器的一種典型波長(zhǎng)0.98μm的入射激光為例，VO2薄膜的金屬-半導(dǎo)體相變將引起60％的相對(duì)透過(guò)率的變化，見(jiàn)圖1，而相變的溫度過(guò)渡區(qū)為10K，所以相對(duì)透過(guò)率變化的溫度系數(shù)為60％/10K＝0.06/K，與MO2的電阻溫度系數(shù)0.04/K相當(dāng)，從而可以推測(cè)本發(fā)明的焦平面器件的性能可以與常規(guī)的測(cè)輻射熱計(jì)焦平面器件相當(dāng)，但在此采用Si CCD器件直接以光方式進(jìn)行讀出，從而使器件向大面陣發(fā)展的可行性大大增強(qiáng)。
權(quán)利要求
1.一種室溫光學(xué)讀出紅外焦平面探測(cè)器，包括芯片、窄帶濾光片、恒溫加熱器、半導(dǎo)體激光器和Si CCD面陣器件，其特征在于A.芯片依次由襯底(1)、高密度空洞的SiO2隔熱層(2)、VO2薄膜層(3)和SiN吸熱層(4)組成；B.芯片置在使其溫度恒定在VO2薄膜的相變點(diǎn)附近的恒溫加熱器(7)中；C.帶有恒溫加熱器的芯片和Si CCD面陣器件(5)之間置有窄帶濾光片(6)；D.半導(dǎo)體激光器(8)位于芯片襯底(1)一側(cè)，并保持半導(dǎo)體激光器出射的激光束以面光源的特征入射到襯底(1)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1.一種室溫光學(xué)讀出紅外焦平面探測(cè)器，其特征在于所說(shuō)的半導(dǎo)體激光器為一種出射波長(zhǎng)范圍在0.8-1μm的半導(dǎo)體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1.一種室溫光學(xué)讀出紅外焦平面探測(cè)器，其特征在于所說(shuō)的襯底(1)為石英或光學(xué)玻璃材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種采用光學(xué)讀出的室溫紅外焦平面探測(cè)器,該器件包括:帶恒溫加熱器的芯片、窄帶濾光片、半導(dǎo)體激光器和Si CCD面陣器件。其特征是:當(dāng)一束波長(zhǎng)在可見(jiàn)或近紅外區(qū)域的半導(dǎo)體激光與被探測(cè)紅外光同時(shí)入射到芯片中時(shí)、利用芯片中的VO
文檔編號(hào)G01J1/00GK1378070SQ02111390
公開(kāi)日2002年11月6日 申請(qǐng)日期2002年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月16日
發(fā)明者陸衛(wèi), 潘梅, 李寧, 陳效雙, 李志鋒, 王少偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所