專利名稱：一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及紅外成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器。
背景技術(shù)：
眾所周知，一切溫度高于絕對(duì)零度的物體均可產(chǎn)生紅外輻射，且該紅外輻射的強(qiáng)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(cè)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。常見的紅外探測(cè)裝置可分為量子型(制冷)紅外探測(cè)器和熱型(非制冷)紅外探測(cè)器兩種。其中量子型紅外探測(cè)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(cè)器則是通過檢測(cè)目標(biāo)物體的紅外輻射引起的探測(cè)器溫度變化來捕捉紅外信息。 由于紅外光光子的受激電子能量與室溫下的電子熱運(yùn)動(dòng)能量相當(dāng)，因此量子型的紅外探測(cè)器需要在液氮(溫度77K)制冷以抑制電子熱運(yùn)動(dòng)，這導(dǎo)致量子型紅外探測(cè)器價(jià)格
曰蟲印貝ο熱型紅外探測(cè)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(cè)器的其他情況，如由于輸入電流會(huì)在探測(cè)器單元上產(chǎn)生附加熱量，所以這種探測(cè)器很難準(zhǔn)確檢測(cè)到入射的紅外輻射；由于金屬導(dǎo)線的存在使該探測(cè)器單元之間熱隔離困難，限制了探測(cè)器的溫升性能；此外，所述熱型紅外探測(cè)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(cè)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(jì)難度，而且提高了器件成本。應(yīng)用光-機(jī)械原理的光讀出非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)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(cè)器的檢測(cè)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(xué)讀出系統(tǒng)非接觸檢測(cè)形變，便得到了目標(biāo)的紅外信息。光讀出非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器無需互聯(lián)導(dǎo)線，探測(cè)器單元間熱隔離更加容易，也省去了讀出電路的設(shè)計(jì)和制作，大大降低了開發(fā)成本。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(dāng)紅外線經(jīng)過硅襯底時(shí)，會(huì)因反射現(xiàn)象損失40%的紅外光，這將降低探測(cè)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(shí)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(duì)制作工藝有很高的要求，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)的圖形利用率低，難以進(jìn)一步降低像素面積并提高分辨率。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器，降低工藝復(fù)雜度，提高探測(cè)器的靈敏度。一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)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(gè)單層可動(dòng)微梁單元(2);所述透明襯底(I)對(duì)與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器相配套的讀出光路的光線透明。[0010]優(yōu)選地，所述單層可動(dòng)微梁單元(2)包括支撐結(jié)構(gòu)(201)、熱形變結(jié)構(gòu)(202)和紅外吸收及可見光反射復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)，所述熱形變結(jié)構(gòu)(202)有兩組，分別位于所述紅外吸收及可見光反射復(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)的所述紅外吸收及可見光復(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。[0011 ] 優(yōu)選地，所述單層可動(dòng)微梁單元(2 )通過所述支撐結(jié)構(gòu)(201)與所述透明襯底(I) 錨接。[0012]優(yōu)選地，所述熱形變結(jié)構(gòu)(202)，包括熱隔離梁(204)和熱形變梁(205)，所述熱隔離梁(204 )和所述熱形變梁(205 )在同一平面內(nèi)多次間隔回折連接。[0013]優(yōu)選地，所述熱形變梁(205)為雙材料復(fù)合梁，構(gòu)成所述熱形變梁(205)的兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同。[0014]優(yōu)選地，構(gòu)成所述熱形變梁(205)的兩種材料中熱膨脹系數(shù)高的材料所在一側(cè)朝向所述透明襯底(I)。[0015]優(yōu)選地，所述紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)為一板狀雙材料結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)朝向所述透明襯底(I) 一側(cè)為金屬層，另一側(cè)為介質(zhì)層；所述金屬層下表面與所述介質(zhì)層上表面直接接觸。[0017]本實(shí)用新型實(shí)施例提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器，采用紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的金屬層朝向透明襯底的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，來自目標(biāo)物體的紅外光直接照射在非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器的紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu) (203)的介質(zhì)層上，避免了硅襯底對(duì)于來自目標(biāo)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(cè)靈敏度；同時(shí)，因?yàn)橐r底透明，也無需對(duì)襯底進(jìn)行鏤空，避免了制作全鏤空結(jié)構(gòu)所需的長時(shí)間體硅腐蝕工藝，簡化制作流程，提高產(chǎn)品成品率。


[0018]圖I為本實(shí)用新型一實(shí)施例提供的一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖；[0019]圖2為本實(shí)用新型一實(shí)施例提供的一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器的探測(cè)單元結(jié)構(gòu)示意圖；[0020]圖3為本實(shí)用新型一實(shí)施例提供的一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器的單層可動(dòng)微梁單元結(jié)構(gòu)示意圖；[0021]圖4為本實(shí)用新型一實(shí)施例提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器的熱形變結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
[0022]為使本實(shí)用新型的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。[0023]本實(shí)用新型實(shí)施例提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器如圖I所示，由多個(gè)單層微梁單元(2)以非嵌套的方式在透明襯底(I)上平鋪構(gòu)成，各單層微梁單元(2)的檢測(cè)結(jié)果即構(gòu)成了目標(biāo)物體的紅外圖景。[0024]所述透明襯底(I)對(duì)可見光透明，尤其是對(duì)與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器相配套的讀出光路的光線透明。在一些實(shí)施例中，所述明襯底(I)可為玻璃襯底或藍(lán)寶石襯底。[0025]所述單層可動(dòng)微梁單元(2 )包括支撐結(jié)構(gòu)(201)、熱形變結(jié)構(gòu)(202 )和紅外吸收及可見光反射復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)。[0026]參見圖2，所述支撐結(jié)構(gòu)(201)將所述單層可動(dòng)微梁單元(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，以增大可動(dòng)微梁單元(2)與透明襯底(I) 之間的熱隔離。在一些實(shí)施例中，所述支撐結(jié)構(gòu)(201)可由氧化硅制成。[0027]參見圖3，所述熱形變結(jié)構(gòu)(202)有兩組，分別位于紅外吸收及可見光反射復(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)的所述紅外吸收及可見光復(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。[0028]所述紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)為一板狀雙材料結(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(cè)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)的介質(zhì)層，用于吸收來自目標(biāo)物體的紅 外輻射。所述金屬層下表面與介質(zhì)層上表面直接接觸。在一些實(shí)施例中，所述紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu)(203 )可以是氧化硅薄膜和鋁膜構(gòu)成的矩形板狀結(jié)構(gòu)，其中，氧化硅薄膜(介質(zhì)層)可為O. 3微米，鋁膜(金屬層)可為O. 02微米。[0029]參見圖4，所述熱形變結(jié)構(gòu)(202)包括熱隔離梁(204)和熱形變梁(205)，所述熱隔離梁(204)和熱形變梁(205)在同一平面內(nèi)間隔回折連接。[0030]所述熱隔離梁(204)可以采用熱導(dǎo)系數(shù)較低的材料制作，例如，在一些實(shí)施例中， 所述熱隔離梁(204)可選擇氧化硅材料，用于所述熱形變梁(205)與其他結(jié)構(gòu)之間的熱隔離。所述熱形變梁(205 )為雙材料復(fù)合梁，構(gòu)成所述熱形變梁(205 )的兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同。在可用材料范圍內(nèi)，最好選擇兩種熱膨脹系數(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，且這兩種材料的翹曲程度與它們的溫度相關(guān)。例如，所述熱形變梁(205)可選擇O. 3微米厚氧化硅及O. 2微米厚鋁構(gòu)成雙材料梁，其中鋁即為熱膨脹系數(shù)高的材料，氧化硅熱膨脹系數(shù)相對(duì)較低的材料。氧化硅熱膨脹系數(shù)為0.5Ε-6Γ1。而鋁為 23. 5Ε-6Γ1。[0031]如圖2所示，構(gòu)成所述熱形變梁(205)的種材料中熱膨脹系數(shù)高的材料所在一側(cè)朝向所述透明襯底(I)。[0032]在利用本實(shí)用新型實(shí)施例所提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器捕獲紅外目標(biāo)圖景時(shí)，所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)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)照射在所述紅外吸收及可見光復(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。[0033]所述紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的介質(zhì)層朝向目標(biāo)物體。當(dāng)來自目標(biāo)物體的紅外輻射到達(dá)所述單層可動(dòng)微梁單元(2)后，所述紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的介質(zhì)層吸收紅外能量，溫度升高，該能量的一部分沿著熱形變結(jié)構(gòu)(202)傳導(dǎo)，引起熱形變梁(205)溫度升高，使得構(gòu)成熱形變梁(205)的兩種材料因熱失配而發(fā)生翹曲，同時(shí)帶動(dòng)紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)轉(zhuǎn)動(dòng)，亦即使紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的金屬層發(fā)生偏轉(zhuǎn)，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(cè)器相配套的讀出光路檢出。[0034]由于所述紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的金屬層的偏轉(zhuǎn)角度與所述單層可動(dòng)微梁單元(2)的吸能量正相關(guān)，而所述單層可動(dòng)微梁單元(2)的吸熱量與目標(biāo)物體的紅外輻強(qiáng)度正相關(guān)，因此通過本實(shí)用新型實(shí)施例所提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器可獲得所述紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的金屬層的偏轉(zhuǎn)角度與對(duì)應(yīng)的目標(biāo)物體紅外輻射強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系。從而，本實(shí)用新型實(shí)施例所提供的所述非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器可以將目標(biāo)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(cè)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(cè)光路中的CCD接收，形成圖像。至此，目標(biāo)物體的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)化為CCD的可見光信號(hào)，人眼可識(shí)別。[0035]與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器相配套的讀出光路在對(duì)所述金屬層的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，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(jì)算所述金屬層的偏轉(zhuǎn)角度。目標(biāo)物體不能與讀出光路位于同一側(cè)，這是因?yàn)槟繕?biāo)物體發(fā)出的紅外光線也將被所述金屬層反射，無法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)了。[0036]現(xiàn)有技術(shù)中讀出光路的光對(duì)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(cè)器在同一側(cè))，目標(biāo)物體只好放置在襯底所在一側(cè)， 這導(dǎo)致目標(biāo)物體發(fā)出的紅外光必須經(jīng)通過襯底入射到探測(cè)器上。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器，通過使用透明襯底(該襯底對(duì)與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)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(biāo)物體也可以位于探測(cè)器所在平面非襯底所在一側(cè)。具體地，在本實(shí)用新型實(shí)施例中，紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的金屬層朝向透明襯底(1)，對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，來自讀出光路的入射光線通過透明襯底(I)直接照射到紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的金屬層上，來自目標(biāo)物體的紅外光直接照射在非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器的紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)的介質(zhì)層上，避免了硅襯底對(duì)于來自目標(biāo)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(cè)靈敏度；同時(shí)，也無需對(duì)襯底進(jìn)行鏤空，避免了制作全鏤空結(jié)構(gòu)所需的長時(shí)間體硅腐蝕工藝，簡化制作流程，提高產(chǎn)品成品率。[0037]以上對(duì)本實(shí)用新型所提供的一種探測(cè)器，進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本實(shí)用新型的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本實(shí)用新型的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本實(shí)用新型的思想， 在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。
權(quán)利要求1.一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)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(gè)單層可動(dòng)微梁單元(2);所述透明襯底(I)對(duì)與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器相配套的讀出光路的光線透明。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器，其特征在于，所述單層可動(dòng)微梁單元(2)包括支撐結(jié)構(gòu)(201)、熱形變結(jié)構(gòu)(202)和紅外吸收及可見光反射復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)，所述熱形變結(jié)構(gòu)(202)有兩組，分別位于所述紅外吸收及可見光反射復(fù)合結(jié)構(gòu)(203 )的兩側(cè)，所述熱形變結(jié)構(gòu)(202 )一端與同一平面內(nèi)的所述紅外吸收及可見光復(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(cè)器，其特征在于，所述單層可動(dòng)微梁單元(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(cè)器，其特征在于，所述熱形變結(jié)構(gòu)(202)包括熱隔離梁(204)和熱形變梁(205)，所述熱隔離梁(204)和所述熱形變梁(205)在同一平面內(nèi)多次間隔回折連接。
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(cè)器，其特征在于，所述熱形變梁(205)為雙材料復(fù)合梁，構(gòu)成所述熱形變梁(205)的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(cè)器，其特征在于，構(gòu)成所述熱形變梁(205)的兩種材料中熱膨脹系數(shù)高的材料所在一側(cè)朝向所述透明襯底(I)。
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(cè)器，其特征在于，所述紅外吸收及可見光復(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(cè)器，其特征在于，所述紅外吸收及可見光復(fù)合結(jié)構(gòu)(203)朝向所述透明襯底(I) 一側(cè)為金屬層，另一側(cè)為介質(zhì)層；所述金屬層下表面與所述介質(zhì)層上表面直接接觸。
專利摘要本實(shí)用新型實(shí)施例提供一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)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(gè)單層可動(dòng)微梁單元(2)；所述透明襯底(1)對(duì)與所述非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器相配套的讀出光路的光線透明。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測(cè)器，對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于襯底透明，避免了硅襯底對(duì)于來自目標(biāo)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(cè)靈敏度；同時(shí)，因?yàn)橐r底透明，也無需對(duì)襯底進(jìn)行鏤空，避免了制作全鏤空結(jié)構(gòu)所需的長時(shí)間體硅腐蝕工藝，簡化制作流程，提高產(chǎn)品成品率。
文檔編號(hào)G01J5/08GK202734967SQ20122040309
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月14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(qǐng)人:中國科學(xué)院微電子研究所