一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例提供一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，包括透明襯底（1）以及以非嵌套的方式平鋪在所述透明襯底（1）上的多個微懸臂梁單元（2）；所述透明襯底（1）對與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測器相配套的讀出光路的光線透明。本發(fā)明實施例提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，對目標物體進行檢測時，由于襯底透明，避免了硅襯底對于來自目標物體的紅外光的遮擋和反射引起的能量損失，可有效提高檢測靈敏度；同時，因為襯底透明，也無需對襯底進行鏤空，避免了制作全鏤空結(jié)構(gòu)所需的長時間體硅腐蝕工藝，簡化制作流程，提高產(chǎn)品成品率。
【專利說明】一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外成像【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，一切溫度高于絕對零度的物體均可產(chǎn)生紅外輻射，且該紅外輻射的強度及能量分布與物體溫度有關(guān)，載有物體的特征信息。通過檢測物體的紅外輻射，可將人類不可見的紅外圖景轉(zhuǎn)化為可見的圖像。
[0003]常見的紅外探測裝置可分為量子型(制冷)紅外探測器和熱型(非制冷)紅外探測器兩種。其中量子型紅外探測器將紅外輻射的光子能量直接轉(zhuǎn)化為電子能量；熱型紅外探測器則是通過檢測目標物體的紅外輻射引起的探測器溫度變化來捕捉紅外信息。
[0004]由于紅外光光子的受激電子能量與室溫下的電子熱運動能量相當，因此量子型的紅外探測器需要在液氮(溫度77K)制冷以抑制電子熱運動，這導(dǎo)致量子型紅外探測器價格
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[0005]熱型紅外探測器無需液氮制冷，大大減少了制作成本，使紅外技術(shù)大面積應(yīng)用成為可能。但是，常見的基于熱電效應(yīng)工作的探測器的其他情況，如由于輸入電流會在探測器單元上產(chǎn)生附加熱量，所以這種探測器很難準確檢測到入射的紅外輻射；由于金屬導(dǎo)線的存在使該探測器單元之間熱隔離困難，限制了探測器的溫升性能；此外，所述熱型紅外探測器的熱電效應(yīng)都很微弱，這些情況要求與所述熱型紅外探測器配合的讀出電路具有極高的信噪比和增益，這不僅增加了設(shè)計難度，而且提高了器件成本。
[0006]應(yīng)用光-機械原理的光讀出非制冷紅外焦平面陣列探測器，大多采用雙材料懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)，所述非制冷紅外焦平面陣列探測器的檢測單元吸收入射紅外光后溫度升高，并發(fā)生熱致形變，再由光學讀出系統(tǒng)非接觸檢測形變，便得到了目標的紅外信息。光讀出非制冷紅外焦平面陣列探測器無需互聯(lián)導(dǎo)線，探測器單元間熱隔離更加容易，也省去了讀出電路的設(shè)計和制作，大大降低了開發(fā)成本。
[0007]目前采用的光讀出非制冷焦平面陣列通常在硅襯底上制作，其結(jié)構(gòu)包括帶有犧牲層的多層雙材料懸臂梁熱隔離結(jié)構(gòu)和鏤空單層雙材料懸臂梁熱隔離結(jié)構(gòu)。前者需要保留硅襯底，于是當紅外線經(jīng)過硅襯底時，會因反射現(xiàn)象損失40%的紅外光，這將降低探測器的靈敏度；后者雖無硅襯底反射，紅外輻射的利用率很高，然而這種結(jié)構(gòu)需要長時間背腔腐蝕工藝和可靠的應(yīng)力控制技術(shù)來制作平整薄膜上全鏤空結(jié)構(gòu)陣列，對制作工藝有很高的要求，同時這種結(jié)構(gòu)的圖形利用率低，難以進一步降低像素面積并提高分辨率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，降低工藝復(fù)雜度，提高探測器的靈敏度。
[0009]一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，包括透明襯底(I)以及以非嵌套的方式平鋪在所述透明襯底(I)上的多個微懸臂梁單元(2);所述透明襯底(I)對與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測器相配套的讀出光路的光線透明。
[0010]本發(fā)明實施例提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，采用反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的金屬層朝向透明襯底的設(shè)計結(jié)構(gòu)，對目標物體進行檢測時，來自目標物體的紅外光直接照射在非制冷紅外焦平面陣列探測器的反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的吸收層上，避免了硅襯底對于來自目標物體的紅外光的遮擋和反射引起的能量損失，可有效提高檢測靈敏度；同時，因為襯底透明，也無需對襯底進行鏤空，避免了制作全鏤空結(jié)構(gòu)所需的長時間體硅腐蝕工藝，簡化制作流程，提高產(chǎn)品成品率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明一實施例提供的一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測器陣列示意圖；
[0012]圖2為本發(fā)明一實施例提供的一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測器的探測單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖3為本發(fā)明一實施例提供的一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測器的微懸臂梁單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖4為本發(fā)明一實施例提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器的熱形變結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0015]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0016]本發(fā)明實施例提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器應(yīng)用于基于微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)的光學讀出紅外成像系統(tǒng)。如圖1所示，該非制冷紅外成像焦平面陣列探測器由多個微懸臂梁單元(2)以非嵌套的方式在透明襯底(I)上平鋪構(gòu)成，各微懸臂梁單元(2)的檢測結(jié)果即構(gòu)成了目標物體的紅外圖景。
[0017]所述透明襯底(I)對可見光透明，尤其是對與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測器相配套的讀出光路的光線透明。在一些實施例中，所述明襯底(I)可為玻璃襯底或藍寶石襯底。
[0018]所述微懸臂梁單元(2 )包括支撐結(jié)構(gòu)(201)、熱形變結(jié)構(gòu)(202 )和反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)。
[0019]參見圖2，所述支撐結(jié)構(gòu)(201)將所述微懸臂梁單元(2 )錨接于透明襯底(I)。所述支撐結(jié)構(gòu)(201)可以使用低熱導(dǎo)率材料制作，以增大微懸臂梁單元(2)與透明襯底(I)之間的熱隔離。在一些實施例中，所述支撐結(jié)構(gòu)(201)可由氧化硅制成。
[0020]參見圖3，所述熱形變結(jié)構(gòu)(202)有兩組，分別位于反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的兩側(cè)，各組熱形變結(jié)構(gòu)(202)—端與同一平面內(nèi)的所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)相連接，另一端與所述支撐結(jié)構(gòu)(201)相連接。
[0021]所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)為一雙材料板狀結(jié)構(gòu)，其中朝向所述透明襯底(I)的一側(cè)為金屬層，用于反射與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測器相配套的讀出光路中的可見光；另一側(cè)為具有較高的紅外吸收系數(shù)的吸收層，用于吸收來自目標物體的紅外輻射。所述金屬層下表面與吸收層上表面直接接觸。在一些實施例中，所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)朝向透明襯底(I)的一側(cè)可以采用鋁或金等可以反射與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測器相配套的讀出光路的可見光的材料，而另一側(cè)可以采用氮化硅或氧化硅等紅外吸收系數(shù)較高的材料制作。
[0022]參見圖4，所述熱形變結(jié)構(gòu)(202)包括第一熱形變梁(204)、第二熱形變梁(205)和熱隔離梁(206)。所述第一熱形變梁(204)、第二熱形變梁(205)以及熱隔離梁(206)在同一平面內(nèi)順次回折連接。
[0023]所述第一熱形變梁(204)和第二熱形變梁(205)均為雙材料復(fù)合梁，構(gòu)成所述第一熱形變梁(204)的兩種材料與構(gòu)成所述第二熱形變梁(205)的兩種材料相同，但是這兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同。在可用材料范圍內(nèi)，最好選擇熱膨脹系數(shù)差異較大的兩種材料制作，而且兩種材料的熱膨脹系數(shù)差異越大越好。且所述兩種材料構(gòu)成的梁的厚度比應(yīng)使所述形變梁在一定梁寬、一定梁長、一定溫度變化情況下形成最大的形變。
[0024]例如，在某一實施例中，梁長為38微米、梁寬為I微米，溫度變化3°C時，梁末端縱向位移0.29微米，偏轉(zhuǎn)角約為0.44°。
[0025]如前所述，所述第一熱形變梁(204)和第二熱形變梁(205)均為雙材料復(fù)合梁，本發(fā)明實施例中，構(gòu)成所述第一形變梁(204)和第二形變梁(205)的兩種材料的在垂直于透明襯底(I)的方向上按照相反的順序疊放。例如，某個實施例中，所述第一形變梁(204)和所述第二形變梁(205)均由氧化硅和鋁構(gòu)成雙材料梁，其中鋁為熱膨脹系數(shù)高的材料，氧化硅熱膨脹系數(shù)相對較低的材料。氧化硅熱膨脹系數(shù)為0.5Ε-6 1，鋁為23.5Ε-6 1。所述第一形變梁(204)的鋁朝向透明襯底(1)，氧化硅在鋁的下方；所述第二形變梁(205)的氧化硅朝向透明襯底(I)，鋁在氧化硅的下方。
[0026]所述熱隔離梁(206)可以采用與所述支撐結(jié)構(gòu)(201)相同的材料來制作。
[0027]所謂基于MEMS的光學讀出熱成像系統(tǒng)具體為:采用MEMS技術(shù)加工的微懸臂梁陣列作為紅外輻射的吸收結(jié)構(gòu)將輻射能量轉(zhuǎn)化為探測單元的熱能；通過覆蓋于所述微懸臂梁上的金屬薄膜構(gòu)成的雙材料梁結(jié)構(gòu)將所述熱能轉(zhuǎn)化為所述微懸臂梁的偏轉(zhuǎn)角度(或者位移)，該偏轉(zhuǎn)角度可由與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測器相配套的讀出光路檢出。
[0028]具體地，在利用本發(fā)明實施例所提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器捕獲紅外目標圖景時，所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測器和與之配套的讀出光路協(xié)同工作，所述讀出光路的出射光透過透明襯底(I)照射在所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的金屬層上，發(fā)生反射后又透過透明襯底(I)繼續(xù)在所述讀出光路內(nèi)部傳遞。
[0029]所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的吸收層朝向目標物體。當來自目標物體的紅外輻射到達所述微懸臂梁單元(2)后，所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的吸收層吸收所述目標物體輻射出的紅外能量使所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的溫度升高，所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的吸收層吸收的紅外能量沿著熱形變結(jié)構(gòu)(202)傳導(dǎo)。因為所述第一熱形變梁(204)的兩種組成材料與所述第二熱形變梁(205)的兩種組成材料相同，且這兩種組成材料在垂直于所述透明襯底(I)的方向上的疊放順序相反，從而所述第一熱形變梁(204)和所述第二熱形變梁(205)在所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的吸收層吸收的紅外能量的作用下產(chǎn)生了相反方向的形變。所述第一熱形變梁(204)和第二熱形變梁產(chǎn)生的相反方向的形變帶動所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)轉(zhuǎn)動，亦即使反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的金屬層發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成一個偏轉(zhuǎn)角度。這個偏轉(zhuǎn)角度可由與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測器相配套的讀出光路檢出。
[0030]由于第一熱形變梁(204)和第二熱形變梁(205)的材料疊加順序相反，因此，所述第一熱形變梁(204)和第二熱形變梁(205)的形變方向相反，將反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的偏轉(zhuǎn)角度放大為單一熱形變梁偏轉(zhuǎn)角度的2倍，提高了微懸臂梁單元(2)的溫度響應(yīng)。
[0031]由于所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的金屬層的偏轉(zhuǎn)角度與所述微懸臂梁單元(2)吸收的能量相關(guān)，而所述微懸臂梁單元(2)吸收的能量與目標物體的紅外輻射強度相關(guān)，因此通過本發(fā)明實施例所提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器可獲得所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的金屬層的偏轉(zhuǎn)角度與對應(yīng)的目標物體紅外輻射強度的相關(guān)關(guān)系。從而，本發(fā)明實施例所提供的所述非制冷紅外焦平面陣列探測器可以將目標物體的紅外圖景轉(zhuǎn)化為焦平面陣列上各像素不同程度的紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的金屬層偏轉(zhuǎn)角度，該偏轉(zhuǎn)角度由與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測器相配套的讀出光路檢出。所述讀出光路的出射光線被檢測光路中的CCD接收，形成圖像。至此，目標物體的紅外信號轉(zhuǎn)化為CCD的可見光信號，人眼可識別。
[0032]與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測器相配套的讀出光路在對所述金屬層的偏轉(zhuǎn)角度進行檢測時，由讀出光路發(fā)射入射光線，并接收經(jīng)該金屬層反射出的反射光線計算所述金屬層的偏轉(zhuǎn)角度。目標物體不能與讀出光路位于同一側(cè)，這是因為如果目標物體與讀出光路位于同一側(cè)，目標物體發(fā)出的紅外光線也將被所述金屬層反射，無法實現(xiàn)對目標物的檢測了。
[0033]現(xiàn)有技術(shù)中讀出光路的光對襯底，尤其是硅襯底，是不透明的，這就決定了讀出光路必須置于非襯底所在一側(cè)(即與探測器在同一側(cè))，目標物體只好放置在襯底所在一側(cè)，這導(dǎo)致目標物體發(fā)出的紅外光必須經(jīng)通過襯底入射到探測器上。本發(fā)明實施例提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，通過使用透明襯底(該襯底對與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測器相配套的讀出光路中的光線透明)，使得讀出光路的位置不再被限定，目標物體也可以位于探測器所在平面非襯底所在一側(cè)。具體地，在本發(fā)明實施例中，反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的金屬層朝向透明襯底(1)，對目標物體進行檢測時，來自讀出光路的入射光線通過透明襯底(I)直接照射到反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的金屬層上，來自目標物體的紅外光直接照射在非制冷紅外焦平面陣列探測器的反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的吸收層上，避免了硅襯底對于來自目標物體的紅外光的遮擋和反射引起的能量損失，可有效提高檢測靈敏度；同時，也無需對襯底進行鏤空，避免了制作全鏤空結(jié)構(gòu)所需的長時間體硅腐蝕工藝，簡化制作流程，提高產(chǎn)品成品率。
[0034]以上對本發(fā)明所提供的一種探測器，進行了詳細介紹，本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在【具體實施方式】及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特征在于，包括透明襯底(I)以及以非嵌套的方式平鋪在所述透明襯底(I)上的多個微懸臂梁單元(2);所述透明襯底(I)對與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測器相配套的讀出光路的光線透明。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特征在于，所述微懸臂梁單元(2 )包括支撐結(jié)構(gòu)(201)、熱形變結(jié)構(gòu)(202 )和反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203 )，所述熱形變結(jié)構(gòu)(202)有兩組，分別位于所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的兩側(cè)，所述熱形變結(jié)構(gòu)(202) —端與同一平面內(nèi)的所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)相連接，另一端與所述支撐結(jié)構(gòu)(201)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特征在于，所述微懸臂梁單元(2 )通過所述支撐結(jié)構(gòu)(201)與所述透明襯底(I)錨接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特征在于，所述熱形變結(jié)構(gòu)(202)包括第一熱形變梁(204)、第二熱形變梁(205)和熱隔離梁(206)，所述第一熱形變梁(204)、第二熱形變梁(205)以及熱隔離梁(206)在同一平面內(nèi)順次回折連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特征在于，所述第一熱形變梁(204)和第二熱形變梁(205)均為雙材料復(fù)合梁，構(gòu)成所述第一熱形變梁(204)的兩種材料與構(gòu)成所述第二熱形變梁(205)的兩種材料相同，這兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特征在于，構(gòu)成第一熱形變梁(204)和第二熱形變梁(205)的兩種材料在垂直于所述透明襯底(I)的方向上按照相反的順序疊放。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特征在于，所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)為一板狀雙材料結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特征在于，所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)朝向所述透明襯底(I)的一側(cè)為金屬層，另一側(cè)為吸收層；所述金屬層下表面與所述吸收層上表面直接接觸。
【文檔編號】G01J5/02GK103728025SQ201210383276
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月10日
【發(fā)明者】高超群, 焦斌斌, 劉瑞文, 尚海平, 陳大鵬, 葉甜春 申請人:中國科學院微電子研究所