專利名稱：一種帶硅支撐框架的全鏤空結(jié)構(gòu)光調(diào)制熱成像焦平面陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于獲取并轉(zhuǎn)換紅外信號的傳感元件，尤其涉及一種帶 有硅支撐框架的全鏤空光調(diào)制熱成像焦平面陣列。
背景技術(shù)：
紅外輻射探測裝置用于將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見的圖像。按 照探測原理的不同，可以把傳統(tǒng)的紅外輻射探測裝置大致分為兩類量 子型的和熱型的紅外輻射探測器。
量子型的紅外輻射探測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動產(chǎn)生的能 量相當，因此需要將探測器的溫度維持在液氮溫度(約77K)來抑制電子 熱運動，使量子型的紅外輻射探測裝置不僅笨重而且價格昂貴。
傳統(tǒng)的熱型紅外輻射探測器吸收入射的紅外光能量，使探測單元溫 度上升，再通過集成電路檢測探測器的溫升引發(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)的熱型紅外探測器中熱 電效應(yīng)是用集成電路從每個探測器單元中讀出的，由于電流輸入會在探 測器單元上產(chǎn)生附加的熱量，所以這種方式難以準確地檢測到入射的紅 外輻射。同時探測器單元與基底之間通過導(dǎo)熱性能很好的金屬導(dǎo)線相連， 使得熱隔離變得很困難，嚴重限制了溫升性能。另外熱電效應(yīng)都極為微 弱，為了探測信號，集成電路要有相當高的信噪比和很強的增益。這不 僅增加了探測器和讀出電路的設(shè)計難度，同時提高了熱型的紅外輻射探 測裝置的整機價格。
應(yīng)用光調(diào)制原理的非制冷型紅外探測焦平面陣列(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，從而使整個微懸臂梁結(jié) 構(gòu)產(chǎn)生形變，再通過光學(xué)讀出系統(tǒng)，非接觸的檢測出形變，例如懸臂梁
3的撓度或轉(zhuǎn)角等，就可以得到被測物體的熱輻射信息。這種熱型的紅外 輻射探測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 在探測器上產(chǎn)生附加的熱量，無需金屬導(dǎo)線連接，更易于在探測單元與 基底之間實現(xiàn)良好的熱隔離。另外，探測器敏感單元和讀出系統(tǒng)之間沒 有電的互連，也省去了讀出電路的設(shè)計和制作，這就大大地降低了開發(fā) 和制作成本。因此基于這種光-機械微懸臂梁單元的紅外探測器，有望開 發(fā)出更高性能和低成本的熱型紅外輻射探測裝置。
應(yīng)用光學(xué)調(diào)制的FPA (焦平面陣列)通常采用的結(jié)構(gòu)包括帶有襯底 的犧牲層結(jié)構(gòu)和無襯底的網(wǎng)格狀全鏤空結(jié)構(gòu)兩種，前者的結(jié)構(gòu)在FPA的 紅外敏感區(qū)存在硅襯底，當器件工作時紅外線先透過硅襯底才能照射到 FPA上，紅外線在經(jīng)過硅襯底前后兩個表面的時候，會發(fā)生反射現(xiàn)象，大 約40%的紅外線無法到達探測器件上，這就使得紅外線的吸收率嚴重下 降，降低了探測器件的靈敏性；后者的結(jié)構(gòu)在FPA的紅外吸收區(qū)域采用 了全鏤空無硅襯底的結(jié)構(gòu)，這樣在FPA吸收紅外輻射時就不存在硅襯底 的反射，使紅外輻射的利用率提高，但它的缺陷在于整個器件結(jié)構(gòu)是由 一張數(shù)千埃的薄膜支撐非常的脆弱，致使其生產(chǎn)成品率很低且易于破損。
由此可見，上述現(xiàn)有的用于獲取并轉(zhuǎn)換紅外信號的傳感元件在結(jié)構(gòu) 和使用上，存在靈敏度不高、易于破損的缺陷，亟待進一步改進。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的產(chǎn)品靈敏度不高、易 于破損的缺陷，提供一種新型結(jié)構(gòu)的帶支撐框架的全鏤空結(jié)構(gòu)光調(diào)制熱 成像焦平面陣列，所要解決的技術(shù)問題有去掉硅襯底，設(shè)置內(nèi)框。 為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的； 本發(fā)明提供一種光調(diào)制熱成像焦平面陣列，其特征在于包括陣列框 架和微懸臂單元；
所述陣列框架由外框和內(nèi)框構(gòu)成，該內(nèi)框為網(wǎng)格狀，設(shè)置在所述的 外框內(nèi)，形成多個鏤空單元；
每個鏤空單元內(nèi)設(shè)置一個微懸臂單元，該微懸臂單元與構(gòu)成鏤空結(jié) 構(gòu)的內(nèi)框或外框相連接。優(yōu)選的，本發(fā)明中的微懸臂單元包括至少一組熱變形結(jié)構(gòu)和一組紅 外吸收結(jié)構(gòu)，所述熱變形結(jié)構(gòu)包括至少一根隔離梁和至少一根形變梁， 所述形變梁與紅外吸收結(jié)構(gòu)和隔離梁相連接，所述隔離梁與所述的陣列 框架連接。
優(yōu)選的，本發(fā)明中內(nèi)框和外框的材料為材料，其晶向為〈100〉、 <110〉、
〈111〉。
優(yōu)選的，本發(fā)明中微懸臂梁單元的材料為氧化硅或氮化硅或碳化硅。
優(yōu)選的，本發(fā)明中形變梁上附著有0. 1-1微米的金屬薄膜。 優(yōu)選的，本發(fā)明中紅外吸收結(jié)構(gòu)上附著有0. 1-1微米的金屬薄膜。
優(yōu)選的，本發(fā)明中形變梁上和紅外吸收結(jié)構(gòu)上的金屬薄膜的材料為 鋁、金、鉻、鈦、錫或鉛。
優(yōu)選的，本發(fā)明中所述的內(nèi)框的梁寬度相等，所述的寬度在0.5微 米到10微米之間；所有所述的內(nèi)框的梁厚度相等，所述的厚度在0. 5微 米到100微米之間。
優(yōu)選的，本發(fā)明中所述的鏤空單元橫截面的形狀為正方形或者長方 形，所有所述的鏤空單元均相同。
優(yōu)選的，本發(fā)明中所述的微懸臂梁單元排列方向一致。
上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明 的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實 施例并配合附圖詳細說明如后。


圖1為實施例1的光調(diào)制熱成像焦平面陣列的俯視圖。
圖2為陣列框架的示意圖。
圖3為微懸臂梁單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為圖1中A-A向的剖視圖。
具體實施例方式
為進一步闡述本發(fā)明為達成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功 效，以下結(jié)合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的一種帶硅支撐框架的全鏤空結(jié)構(gòu)光調(diào)制熱成像焦平面陣列其具體實施方式
、結(jié)構(gòu)、特征及 其功效，詳細說明如后。
參見圖1所示，本發(fā)明提出一種帶硅支撐框架的全鏤空結(jié)構(gòu)光調(diào)制 熱成像焦平面陣列，包括陣列框架和微懸臂單元，所述的陣列框架用于 支撐所述的微懸臂單元。優(yōu)選的，所有所述的微懸臂梁單元排列方向一
致。如圖2所示，所述的陣列框架由外框1和內(nèi)框2構(gòu)成，所述的外框l 為一個封閉的框架結(jié)構(gòu)，所述的內(nèi)框2為由多條橫縱交織的梁構(gòu)成的網(wǎng) 格狀結(jié)構(gòu)，該內(nèi)框2設(shè)置在所述的外框1內(nèi)，從而形成多個鏤空單元10， 該陣列框架可由外框和內(nèi)框一體成型制得。鏤空單元的數(shù)量為單元數(shù)2 X2個至4096X4096個。所述陣列框架采用的材料為單晶硅材料，其晶 向包括〈100〉、 〈110〉、 <111>三種。該陣列框架的外圍尺寸由像元的數(shù)目 多少決定，在2毫米X2毫米到200毫米X200毫米之間，其外框1的寬 度的范圍在1毫米到100毫米之間，其厚度在10微米到600微米之間。 內(nèi)框2的梁的寬度在0. 5微米到10微米之間，厚度在0. 5微米到100微 米之間。外框1的形狀通常為正方形，也可是圓形或別的形狀，所述鏤 空單元的區(qū)域形大致為正方形或矩形。
在每一個鏤空單元10內(nèi)設(shè)置一個微懸臂單元20，入射的紅外光能被 微懸臂單元檢測并被光學(xué)讀出，從而實現(xiàn)對紅外光的檢測。請參閱圖3 所示，每個懸臂梁單元20包含熱變形結(jié)構(gòu)和紅外吸結(jié)構(gòu)5。所述熱變形 結(jié)構(gòu)由至少一根熱隔離梁3和至少一根變形梁4組成。在實施中，隔熱 梁3與構(gòu)成鏤空單元的框架(內(nèi)框或者外框)相連，從而將微懸臂單元 固定，形成陣列框架對微懸臂單元的支撐。在本實施例中，熱隔離梁3 和變形梁4相間回折式構(gòu)成熱變形結(jié)構(gòu)，并分布于紅外吸收結(jié)構(gòu)5的兩 側(cè)。上述的微懸臂單元是由一層薄膜材料構(gòu)成，其厚度在0. 1-1微米之 間，較佳的選用氧化硅、氮化硅和碳化硅等材料，從而使該微懸臂單元 對8-14微米波長紅外光具有吸收能力強、熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)低、楊 氏模量高等特點。
請參閱圖4所示，所述的微懸臂單元的紅外吸收結(jié)構(gòu)5上附著有一 層金屬薄膜51，厚度在0.01-l微米之間，用于反射可見光，該金屬薄膜 采用鋁、金、鉻、鈦、錫、鉛等金屬材料制備。在所述熱變形結(jié)構(gòu)的變形梁上也附著有一層金屬薄膜41，厚度在0.1-l微米之間，用于在溫度 變化時產(chǎn)生相應(yīng)的熱形變，該金屬薄膜采用鋁、金、鉻、鈦、錫、鉛等 金屬材料制備。
入射的紅外光被微懸臂單元單元的紅外吸收結(jié)構(gòu)5吸收后轉(zhuǎn)化為熱 能，引發(fā)雙材料構(gòu)成的變形梁4產(chǎn)生熱致形變，從而使整個微懸臂單元 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變，再通過光學(xué)讀出系統(tǒng)，非接觸的檢測出形變，例如微懸 臂單元的橈度或轉(zhuǎn)角等，就可以得到被測物體的熱輻射信息。這種熱型 的紅外輻射探測單元可以在不需要制冷的條件下工作，而且光學(xué)讀出的 方式不會在探測單元上產(chǎn)生附加的熱量，無需金屬導(dǎo)線連接，更易于在 探測單元與基底之間實現(xiàn)良好的熱隔離。另外，探測單元的敏感部件和
讀出系統(tǒng)之間沒有電的互連，也省去了讀出電路的設(shè)計和制作，這就大 大地降低了開發(fā)和制作成本。因此基于這種光-機械微懸臂單元的紅外探 測陣列，有望開發(fā)出更高性能和低成本的熱型紅外輻射探測裝置。 實例1
構(gòu)成外框的材料為〈100 〉晶向單晶硅，其外框為正方形，尺寸為20. 1 毫米X20. l毫米，厚度為510微米，外框的寬度為10毫米；內(nèi)框的寬度 為3微米，厚度為10微米，其所構(gòu)成的鏤空單元區(qū)域的尺寸為50微米 X50微米。構(gòu)成微懸臂單元的薄膜為氮化硅材料，厚度為0.5微米，微 懸臂單元中熱形變梁上金屬薄膜為Al材料，厚度為0. 35微米，微懸臂 梁單元中紅外吸收結(jié)構(gòu)的金屬薄膜也為Al材料，厚度為0. 05微米，微懸 臂梁單元中的熱形變梁和熱隔離梁以及之間的間隔距離都為0. 8微米，金 屬薄膜的尺寸為40. 6微米X45. 4微米，微懸臂梁單元的數(shù)目為4X4個。
上述實施例，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何 形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限 定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍 內(nèi)，當可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等 效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì) 對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明 技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種光調(diào)制熱成像焦平面陣列，其特征在于包括陣列框架和微懸臂單元；所述陣列框架由外框和內(nèi)框構(gòu)成，該內(nèi)框為網(wǎng)格狀，設(shè)置在所述的外框內(nèi)，形成多個鏤空單元；每個鏤空單元內(nèi)設(shè)置一個微懸臂單元，該微懸臂單元與構(gòu)成鏤空結(jié)構(gòu)的內(nèi)框或外框相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光調(diào)制熱成像平面陣列，其特征在于所述 的微懸臂單元包括至少一組熱變形結(jié)構(gòu)和一組紅外吸收結(jié)構(gòu)，所述熱變 形結(jié)構(gòu)包括至少一根隔離梁和至少一根形變梁，所述形變梁與紅外吸收 結(jié)構(gòu)和隔離梁相聯(lián)結(jié)，所述隔離梁與所述的陣列框架連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光調(diào)制熱成像焦平面陣列，其特征在于 所述的陣列框架為單晶硅材料，其晶向為<100>、 <110>、 <111>。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光調(diào)制熱成像焦平面陣列，其特征在于 所述的微懸臂梁單元的材料為氧化硅或氮化硅或碳化硅。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光調(diào)制熱成像焦平面陣列，其特征在于 所述的形變梁上附著有0. 1-1微米的金屬薄膜。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光調(diào)制熱成像焦平面陣列，其特征在于 所述的紅外吸收結(jié)構(gòu)上附著有0. 1-1微米的金屬薄膜。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的光調(diào)制熱成像焦平面陣列，其特征在 于所述的金屬薄膜的材料為鋁、金、鉻、鈦、錫或鉛。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光調(diào)制熱成像焦平面陣列，其特征在于 所有所述的內(nèi)框的梁寬度相等，所述的寬度在0. 5微米到10微米之間；所有所述的內(nèi)框的梁厚度相等，所述的厚度在0. 5微米到100微米之間。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光調(diào)制熱成像焦平面陣列，其特征在于所述的鏤空單元橫截面的形狀為正方形或者長方形，所有所述的鏤空單 元均相同。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光調(diào)制熱成像焦平面陣列，其特征在于:所有所述的微懸臂梁單元排列方向 一致。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于獲取并轉(zhuǎn)換紅外信號的傳感元件，尤其涉及一種帶有硅支撐框架的全鏤空光調(diào)制熱成像焦平面陣列，本發(fā)明由外框和內(nèi)框構(gòu)成，該內(nèi)框為網(wǎng)格狀，設(shè)置在所述的外框內(nèi)，形成多個鏤空單元；每個鏤空單元內(nèi)設(shè)置一個微懸臂單元，該微懸臂單元與構(gòu)成鏤空結(jié)構(gòu)的內(nèi)框或外框相連接。
文檔編號G01J5/38GK101498607SQ20091008027
公開日2009年8月5日 申請日期2009年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月17日
發(fā)明者葉甜春, 毅 歐, 焦斌斌, 陳大鵬 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所