專(zhuān)利名稱(chēng)：光－機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于獲取并轉(zhuǎn)換紅外信號(hào)的傳感元件，尤其涉及一種雙層結(jié)構(gòu)紅外成像焦平面陣列。
背景技術(shù)：
紅外輻射探測(cè)裝置用于將不可見(jiàn)的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)的圖像。按照探測(cè)原理的不同，可以把傳統(tǒng)的紅外輻射探測(cè)裝置大致分為兩類(lèi)量子型的和熱型的紅外輻射探測(cè)器。
量子型的紅外輻射探測(cè)器將紅外光子的能量轉(zhuǎn)化為電子的能量。由于8-14微米的紅外光子的受激電子的能量和室溫下電子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量相當(dāng)，因此需要將探測(cè)器的溫度維持在液氮溫度(約77K)來(lái)抑制電子熱運(yùn)動(dòng)，使量子型的紅外輻射探測(cè)裝置不僅笨重而且價(jià)格昂貴。
傳統(tǒng)的熱型紅外輻射探測(cè)器吸收入射的紅外光能量，使探測(cè)單元溫度上升，再通過(guò)集成電路檢測(cè)探測(cè)器的溫升引發(fā)的熱電效應(yīng)，比如電阻率和電容的變化等，得到紅外輻射的信息。傳統(tǒng)的熱型紅外探測(cè)器中熱電效應(yīng)是用集成電路從每個(gè)探測(cè)器單元中讀出的，由于電流輸入會(huì)在探測(cè)器單元上產(chǎn)生附加的熱量，所以這種方式難以準(zhǔn)確地檢測(cè)到入射的紅外輻射。同時(shí)探測(cè)器單元與基底之間通過(guò)導(dǎo)熱性能很好的金屬導(dǎo)線相連，使得熱隔離變得很困難，嚴(yán)重限制了溫升性能。另外熱電效應(yīng)都極為微弱，為了探測(cè)信號(hào)，集成電路要有相當(dāng)高的信噪比和很強(qiáng)的增益。這不僅增加了探測(cè)器和讀出電路的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)提高了熱型的紅外輻射探測(cè)裝置的整機(jī)價(jià)格，不便于其廣泛的運(yùn)用。
應(yīng)用光-機(jī)械原理的非制冷型紅外探測(cè)焦平面陣列(FPA)大多采用雙材料微懸臂梁熱隔離結(jié)構(gòu)。入射的紅外光能被探測(cè)單元吸收后轉(zhuǎn)化為懸臂梁的熱能，引發(fā)雙材料懸臂梁產(chǎn)生熱致形變，從而使整個(gè)微懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變，再通過(guò)光學(xué)讀出系統(tǒng)，非接觸的檢測(cè)出形變，例如懸臂梁的撓度或轉(zhuǎn)角等，就可以得到被測(cè)物體的熱輻射信息。這種熱型的紅外輻射探測(cè)器可以在不需要制冷的條件下工作，而且光學(xué)讀出的方式不會(huì)在探測(cè)器上產(chǎn)生附加的熱量，無(wú)需金屬導(dǎo)線連接，更易于在探測(cè)單元與基底之間實(shí)現(xiàn)良好的熱隔離。另外，探測(cè)器敏感單元和讀出系統(tǒng)之間沒(méi)有電的互連，也省去了讀出電路的設(shè)計(jì)和制作，這就大大地降低了開(kāi)發(fā)和制作成本。因此基于這種光-機(jī)械微懸臂梁?jiǎn)卧募t外探測(cè)器，有望開(kāi)發(fā)出更高性能和低成本的熱型紅外輻射探測(cè)裝置。
應(yīng)用光學(xué)讀出的FPA(焦平面陣列)通常采用的包括帶有犧牲層的多層雙材料懸臂梁熱隔離結(jié)構(gòu)和鏤空的單層雙材料懸臂梁熱隔離結(jié)構(gòu)，前者需要保留圖形區(qū)的硅襯底，這樣當(dāng)紅外線經(jīng)過(guò)硅襯底前后兩個(gè)表面的時(shí)候，會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，大約40％的紅外線無(wú)法到達(dá)探測(cè)器件上，就使得紅外線的吸收率嚴(yán)重下降，降低了探測(cè)器件的靈敏性；后者的圖形區(qū)采用無(wú)硅襯底的結(jié)構(gòu)，這樣在探測(cè)紅外輻射時(shí)不存在襯底的反射，使輻射的利用率很高，但它的缺陷由于熱變形結(jié)構(gòu)中的熱隔離梁和變形梁位于同一平面，使象素面積偏大，結(jié)構(gòu)利用率低，難以提高分辨率和清晰度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，含有該焦平面陣列的探測(cè)器能夠克服圖形區(qū)硅襯底對(duì)紅外線反射的問(wèn)題，提高了探測(cè)靈敏度，同時(shí)解決了器件象素面積偏大的問(wèn)題，提高了探測(cè)的分辨率和清晰度本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來(lái)解決其技術(shù)問(wèn)題提供一種用于獲取并轉(zhuǎn)換紅外信號(hào)的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，包括按陣列分布的微懸臂梁?jiǎn)卧?，微懸臂梁?jiǎn)卧邪瑹嶙冃谓Y(jié)構(gòu)和紅外吸收板，熱變形結(jié)構(gòu)為兩組且對(duì)稱(chēng)連接于紅外吸收板的兩側(cè)，其所述整個(gè)微懸臂梁?jiǎn)卧獮閭?cè)向支撐的無(wú)襯底雙層結(jié)構(gòu)；紅外吸收板的一端與熱變形結(jié)構(gòu)的一端連接，熱變形結(jié)構(gòu)的另一端與支撐梁連接；微懸臂梁?jiǎn)卧捎庙樞蚱戒伒姆绞浇M合構(gòu)成陣列。
所述的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，其所述每組熱變形結(jié)構(gòu)由至少一根熱隔離梁和至少一根變形梁組成，熱隔離梁和變形梁構(gòu)成上下層回折式分布；紅外吸收板的一端與變形梁的一端連接，變形梁的另一端與熱隔離梁的一端連接，熱隔離梁以回折式置于變形梁的下方，其另一端與支撐梁連接。
所述的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，其所述熱變形結(jié)構(gòu)、支撐梁和紅外吸收板由對(duì)紅外有吸收作用的薄膜材料制作。
所述的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，其所述雙層結(jié)構(gòu)，是紅外吸收板的光學(xué)檢測(cè)面上附著金屬薄膜；熱變形結(jié)構(gòu)的變形梁和紅外吸收板光學(xué)檢測(cè)面一致的面上附著金屬薄膜。
所述的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，其所述紅外吸收板和支撐梁的厚度在1~3um之間，熱隔離梁和變形梁的厚度在0.3~2um之間，金屬薄膜的厚度在0.2~0.5um之間。
所述的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，其所述對(duì)紅外有吸收作用的薄膜材料，為氮化硅，二氧化硅，多晶硅或高聚物中的一種。
所述的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，其所述金屬薄膜，為金或鋁薄膜。
所述的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，其所述微懸臂梁?jiǎn)卧瑸榫匦?，邊長(zhǎng)在30～200um之間。
所述的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，其所述紅外吸收板，其下面還可以包括一塊沒(méi)有金屬層的紅外吸收板構(gòu)成共振腔結(jié)構(gòu)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明在具體的設(shè)計(jì)中采用側(cè)向支撐的無(wú)襯底雙層結(jié)構(gòu)。由于無(wú)硅襯底，避免了紅外線經(jīng)過(guò)硅襯底前后兩個(gè)表面的情況發(fā)生，使得紅外線可直接到達(dá)紅外吸收板的表面，克服了紅外線損失，顯著提高了探測(cè)器件的靈敏性。另外，由于熱變形結(jié)構(gòu)采用變形梁與熱隔離梁分別位于上、下平面的雙層結(jié)構(gòu)，使得在保持探測(cè)靈敏度在較高水準(zhǔn)的前提下，象素面積可以大幅度縮小。所以與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)無(wú)硅襯底部分反射紅外線，更多的能量直接到達(dá)探測(cè)單元，使探測(cè)更靈敏。
通過(guò)熱隔離梁及變形梁的上下層回折式設(shè)計(jì)，不僅大大增加了熱隔離梁及變形梁的總長(zhǎng)度，而且有利于紅外吸收板形成窄長(zhǎng)的矩形結(jié)構(gòu)，還可使紅外吸收板處在由于變形角度疊加所致的角度偏轉(zhuǎn)最大方向上，以獲取光學(xué)測(cè)量上的最大靈敏度。從而提高了探測(cè)單元的熱變形靈敏度。
由于熱隔離梁及變形梁的上下層回折式設(shè)計(jì)，可以使其在紅外吸收板的兩邊或兩端緊密排列，因此，大大提高了平面利用率，各單元可采用順序平鋪的方式構(gòu)成探測(cè)陣列，陣列的空間利用率很高。
采用上下層回折式的熱變形結(jié)構(gòu)，大大縮小了原有象素所占的面積，使所成像的分辨率大大提高。


圖1是本發(fā)明中微懸臂梁?jiǎn)卧谝环N實(shí)施方式整個(gè)單元的結(jié)構(gòu)俯視示意圖，上表面為光學(xué)檢測(cè)面，其中每組熱變形結(jié)構(gòu)由一根熱隔離梁和一根變形梁組成；圖2是本發(fā)明中微懸臂梁?jiǎn)卧谝环N實(shí)施方式的熱變形結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3是本發(fā)明中微懸臂梁?jiǎn)卧谝环N實(shí)施方式的紅外吸收板剖面圖；圖4是本發(fā)明中微懸臂梁?jiǎn)卧诙N實(shí)施方式整個(gè)單元的結(jié)構(gòu)俯視示意圖，上表面為光學(xué)檢測(cè)面，每組熱變形結(jié)構(gòu)由三組單根變形梁和單根熱隔離梁構(gòu)成的上下回折結(jié)構(gòu)組成；圖5是本發(fā)明中微懸臂梁?jiǎn)卧诙N實(shí)施方式光學(xué)檢測(cè)面的結(jié)構(gòu)俯視示意圖；圖6是本發(fā)明中微懸臂梁?jiǎn)卧诙N實(shí)施方式的熱隔離梁和支撐梁結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖7是熱變形結(jié)構(gòu)中由單根變形梁和單根熱隔離梁構(gòu)成的上下回折結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖8是本發(fā)明中微懸臂梁?jiǎn)卧诙N實(shí)施方式的紅外吸收板的剖面圖；圖9是本發(fā)明光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列第一種實(shí)施方式的陣列平鋪示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明第一種實(shí)施方式，如圖1、2所示。一種用于獲取并轉(zhuǎn)換紅外信號(hào)的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，包括按陣列分布的微懸臂梁?jiǎn)卧?，微懸臂梁?jiǎn)卧蔁嶙冃谓Y(jié)構(gòu)、紅外吸收板1和支撐梁4組成，熱變形結(jié)構(gòu)為兩組，由一根熱隔離梁3和一根變形梁2組成(所述的一根是指本構(gòu)件與其他構(gòu)件相連的兩端之間的連續(xù)部分)，且對(duì)稱(chēng)連接于紅外吸收板1的兩側(cè)，紅外吸收板1與變形梁2的一端連接，變形梁2另一端與熱隔離梁3連接，變形梁2和熱隔離梁3分別位于上、下層。變形梁2和熱隔離梁3呈上下回折形，連接支撐點(diǎn)屬于熱隔離梁3，熱隔離梁3的另一端設(shè)在支撐梁4上。亦即整個(gè)微懸臂梁?jiǎn)卧獮閭?cè)向支撐的無(wú)襯底雙層結(jié)構(gòu)，熱變形結(jié)構(gòu)中的變形梁2和熱隔離梁3分別位于不同層(所述的層是指構(gòu)件的結(jié)構(gòu)層，而非構(gòu)件的組成材料的復(fù)合層，即某些構(gòu)件為金屬和非金屬?gòu)?fù)合而成，但是在結(jié)構(gòu)上稱(chēng)為同一層)，熱變形結(jié)構(gòu)和紅外吸收板1的下方?jīng)]有硅襯底，支撐梁4位于熱變形結(jié)構(gòu)和紅外吸收板1的側(cè)向，沒(méi)有站立的錨腳。熱隔離梁3和變形梁2構(gòu)成上下回折式分布，即熱隔離梁3和變形梁2位于紅外吸收板1的兩邊上下來(lái)回折轉(zhuǎn)，與紅外吸收板1的縱向平行，形成緊湊、規(guī)矩的平面結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明第二種實(shí)施方式，如圖4、5、6、7、8所示。還可以在熱隔離梁3和變形梁2之間增加一對(duì)或更多的熱隔離梁3和變形梁2并且連續(xù)排列，即由兩根或更多的熱隔離梁3和變形梁2組成熱變形結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)圖4、5、7)，此時(shí)由于結(jié)構(gòu)的調(diào)整熱隔離梁3的結(jié)構(gòu)也需要適當(dāng)改變以方便制作工藝中的熱隔離梁3和變形梁2的連接(參見(jiàn)圖6)，連接支撐點(diǎn)6屬于熱隔離梁3。在此基礎(chǔ)上，還可以在紅外吸收板1的下面加一塊沒(méi)有金屬層的紅外吸收板5構(gòu)成共振腔結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)圖8)，用這種結(jié)構(gòu)可以增加對(duì)紅外輻射的吸收，增大變形量。上述結(jié)構(gòu)構(gòu)成的微懸臂梁?jiǎn)卧涂梢灾苯硬捎庙樞蚱戒伒姆绞綐?gòu)成陣列，如圖9所示，為本發(fā)明第一種實(shí)施方式的陣列平鋪示意圖，其得到的陣列緊密、規(guī)則、一致、無(wú)嵌套。
上述紅外吸收板1由對(duì)紅外線有強(qiáng)烈吸收作用的薄膜材料(如氮化硅，二氧化硅，多晶硅等)制成，吸收面積應(yīng)盡可能的大，以增加吸收的熱量。以氮化硅(SiNx)為例，紅外線對(duì)其的穿透深度大約為1um，并考慮到系統(tǒng)熱容量過(guò)大會(huì)減慢系統(tǒng)對(duì)紅外的熱響應(yīng)速度，所以薄膜最佳厚度應(yīng)該在1~3um之間，使得紅外線能被充分吸收，同時(shí)具有較高的熱響應(yīng)速度。但是，該厚度不足以吸收全部的入射紅外線，為了達(dá)到最佳的吸收效果，可以利用紅外吸收板1的光學(xué)檢測(cè)面上附著的金屬薄膜(參見(jiàn)圖3)作為反射面，使入射紅外線在穿過(guò)氮化硅(SiNx)后，未被吸收的部分在到達(dá)金屬層后發(fā)生反射，沿著入射方向的反方向第二次經(jīng)過(guò)氮化硅(SiNx)薄膜、再次被吸收。此外，兩塊紅外吸收板1、5構(gòu)成的共振腔結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)紅外輻射形成共振，輻射的吸收得以再次提升，從而使結(jié)構(gòu)的形變加大。熱隔離梁3由導(dǎo)熱系數(shù)小的材料(例如氮化硅，二氧化硅，多晶硅，高聚物等)構(gòu)成，為了簡(jiǎn)化加工工藝，可采用與紅外吸收板1同樣的材料。一般為矩形截面的薄膜梁，在滿足支撐強(qiáng)度的前提下，更小的橫截面積和更長(zhǎng)的梁長(zhǎng)可以會(huì)得到更佳的隔熱效果。變形梁2為雙材料梁，兩種材料的選擇應(yīng)該考慮到熱膨脹系數(shù)相差盡可能大而楊氏模量相差盡可能小。一般可以采用金屬和非金屬的組合(例如將金屬附著到非金屬薄膜上)，比如金(Au)、鋁(Al)和氮化硅(SiNx)、二氧化硅(SiO2)的組合。在變形梁2的兩種材料的厚度選擇上，為了使梁達(dá)到最大變形從而得到最高靈敏度，兩層材料厚度比值應(yīng)接近相應(yīng)的材料楊氏模量的反比平方根值，而梁的總厚度在滿足工藝條件和支撐條件的前提下應(yīng)該盡量小。熱隔離梁3和變形梁2的厚度在0.3~2um之間。支撐梁4由導(dǎo)熱性能好而剛度大的材料構(gòu)成(例如金屬和單晶硅)，以保證每個(gè)單元處于相同的支撐和導(dǎo)熱狀態(tài)，而具有較好的一致性，為了簡(jiǎn)化加工工藝，可采用與熱隔離梁3同樣的材料與之加工成一體，然后在支撐梁4的部位附著金屬薄膜和保留部分單晶硅襯底以增加導(dǎo)熱性能和支撐強(qiáng)度。整個(gè)微懸臂梁?jiǎn)卧话銥榉叫位蛘呔匦?，邊長(zhǎng)大小在30～200um的范圍。
本發(fā)明的實(shí)施例為紅外吸收板1由厚度為2um的氮化硅(SiNx)和0.2um的金(Au)復(fù)合薄膜構(gòu)成，變形梁2由厚度為1um的氮化硅(SiNx)和0.2um的金(Au)復(fù)合薄膜構(gòu)成，熱隔離梁3由厚度為0.1um的氮化硅(SiNx)單一薄膜構(gòu)成，支撐梁4由厚度為2um的氮化硅(SiNx)和0.5um的金(Au)復(fù)合薄膜構(gòu)成，下方保留了硅襯底。
權(quán)利要求
1.一種光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，用于獲取并轉(zhuǎn)換紅外信號(hào)，包括按陣列分布的微懸臂梁?jiǎn)卧冶哿簡(jiǎn)卧邪瑹嶙冃谓Y(jié)構(gòu)和紅外吸收板，熱變形結(jié)構(gòu)為兩組且對(duì)稱(chēng)連接于紅外吸收板的兩側(cè)，其特征在于所述整個(gè)微懸臂梁?jiǎn)卧獮閭?cè)向支撐的無(wú)襯底雙層結(jié)構(gòu)；紅外吸收板的一端與熱變形結(jié)構(gòu)的一端連接，熱變形結(jié)構(gòu)的另一端與支撐梁連接；微懸臂梁?jiǎn)卧捎庙樞蚱戒伒姆绞浇M合構(gòu)成陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，其特征在于所述每組熱變形結(jié)構(gòu)由至少一根熱隔離梁和至少一根變形梁組成，熱隔離梁和變形梁構(gòu)成上下層回折式分布；紅外吸收板的一端與變形梁的一端連接，變形梁的另一端與熱隔離梁的一端連接，熱隔離梁以回折式置于變形梁的下方，其另一端與支撐梁連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，其特征在于所述熱變形結(jié)構(gòu)、支撐梁和紅外吸收板由對(duì)紅外有吸收作用的薄膜材料制作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，其特征在于所述雙層結(jié)構(gòu)，是紅外吸收板的光學(xué)檢測(cè)面上附著金屬薄膜；熱變形結(jié)構(gòu)的變形梁和紅外吸收板光學(xué)檢測(cè)面一致的面上附著金屬薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，其特征在于所述紅外吸收板和支撐梁的厚度在1~3um之間，熱隔離梁和變形梁的厚度在0.3~2um之間，金屬薄膜的厚度在0.2~0.5um之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，其特征在于所述對(duì)紅外有吸收作用的薄膜材料，為氮化硅，二氧化硅，多晶硅或高聚物中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，其特征在于所述金屬薄膜，為金或鋁薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，其特征在于所述微懸臂梁?jiǎn)卧?，為矩形，邊長(zhǎng)在30～200um之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，其特征在于所述紅外吸收板，其下面還包括一塊沒(méi)有金屬層的紅外吸收板構(gòu)成共振腔結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種用于獲取并轉(zhuǎn)換紅外信號(hào)的光－機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列，包括按陣列分布的微懸臂梁?jiǎn)卧冶哿簡(jiǎn)卧邪瑹嶙冃谓Y(jié)構(gòu)和紅外吸收板，熱變形結(jié)構(gòu)為兩組且對(duì)稱(chēng)連接于紅外吸收板的兩側(cè)。整個(gè)微懸臂梁?jiǎn)卧獮閭?cè)向支撐的無(wú)襯底雙層結(jié)構(gòu)，熱變形結(jié)構(gòu)由熱隔離梁和變形梁構(gòu)成上下層回折式分布，紅外吸收板與熱變形結(jié)構(gòu)連接，熱變形結(jié)構(gòu)與支撐梁連接，每組熱變形結(jié)構(gòu)由至少一根熱隔離梁和至少一根變形梁組成，所述的微懸臂梁?jiǎn)卧捎庙樞蚱戒伒姆绞綐?gòu)成陣列。
文檔編號(hào)G01J5/38GK1904568SQ20051001226
公開(kāi)日2007年1月31日 申請(qǐng)日期2005年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月28日
發(fā)明者李超波, 焦斌斌, 陳大鵬, 葉甜春 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所