專利名稱：一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及紅外成像探測器技術領域，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：
一切溫度高于絕對零度的物體均可產(chǎn)生紅外輻射，且該輻射的強度及能量分布與物體溫度有關，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化為可見的圖像。常見的紅外探測裝置一般可分為量子型紅外輻射探測器和熱型紅外輻射探測器兩種。其中量子型紅外探測器將紅外輻射的光子能量直接轉化為電子能量，而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。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用液氮(77K)制冷以抑制電子熱運動，這導致量子型紅外探測器價格昂貴。熱型紅外探測器無需液氮制冷，大大減少了制作成本，使紅外技術大面積應用成為可能。常見的基于熱電效應工作的探測器，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，同時金屬導線的存在使單元間熱隔離困難，限制了溫升性能，且熱電效應都很微弱，這就需要與之配合的讀出電路具有極高的信噪比和增益，這不僅增加了設計困難，而且提高了器件成本。應用光-機械原理的光讀出非制冷紅外焦平面陣列，大多采用雙材料懸臂梁陣列結構，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。光讀出的探測器無需互聯(lián)導線，單元間熱隔離更加容易，也省去了讀出電路的設計和制作，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，包括帶有犧牲層的多層雙材料懸臂梁熱隔離結構和鏤空單層雙材料懸臂梁熱隔離結構。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，然而這種結構需要長時間背腔腐蝕工藝和可靠地應力控制技術來制作憑證薄膜上全鏤空結構陣列，對制作工藝有很高的要求，同時這種的圖形利用率低，難以進一步降低像素面積并提高分辨率。

實用新型內容有鑒于此，本實用新型實施例提供一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，該探測器包括透明襯底、具有高熱導系數(shù)的襯底傳熱結構和微懸臂梁單元，其中，所述微懸臂梁單元以非嵌套方式通過所述襯底傳熱結構平鋪于所述透明襯底上；所述微懸臂梁單元包括熱形變結構、反光板復合結構和支撐結構；所述支撐結構與所述熱形變結構各有兩組，分別位于所述反光板復合結構的兩偵牝每組熱形變結構一端與所述支撐結構相連接，一端與所述反光板復合結構相連接；[0010]所述反光板復合結構采用雙材料結構，其中，朝向所述透明襯底的一側由金屬材料制作，而朝向目標物體的一層由具有高紅外吸收系數(shù)的材料制作。通過本實用新型實施例所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，來自目標物體的紅外光直接照射在探測器的紅外吸收層上，避免了硅襯底對于來自目標物體的紅外輻射的反射所造成的能量的損失，從而提高了測量的靈敏度。第二，由于該探測器所采用的透明襯底，目標物體可置于探測器所在平面非襯底所在一側，因而無需將微懸臂梁單元下方的襯底掏空，降低了工藝復雜度，并提高了產(chǎn)品的成品率。第三，由于該探測器具有襯底傳熱結構，減低了微懸臂梁單元之間的熱串擾，從而降低了探測器工作環(huán)境溫度改變對于測量結果的影響，有利于提高成像質量。
為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本公開中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本實用新型實施例所提供的一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測器結構示意圖；圖2為本實用新型實施例所提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器中由多個微懸臂梁單元及多個襯底傳熱結構所組成的陣列結構示意圖；圖3為本實用新型實施例所提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器中微懸臂梁單元的結構示意圖；圖4為本實用新型實施例所提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器中熱形變結構的結構示意圖。
具體實施方式
為了使本技術領域的人員更好地理解本申請中的技術方案，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本公開一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒竟_中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本公開保護的范圍。如圖I所示，圖I為本實用新型實施例所提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器的結構示意圖。該探測器包括透明襯底11，襯底熱傳結構12以及微懸臂梁單元13。其中，多個微懸臂梁單元13以非嵌套的方式通過襯底傳熱結構12平鋪于透明襯底11上，且襯底傳熱結構12分別與透明襯底11、微懸臂梁單元13直接接觸。另外，在本實用新型實施例所提供的技術方案中，該探測器中的透明襯底11對可見光透明，尤其是對紅外成像系統(tǒng)中讀出光路的光線透明；為減少相鄰微懸臂梁單元13之間的熱串擾，制作襯底傳熱結構12的材料需要具有較高的熱導系數(shù)。由圖I還可看出，該微懸臂梁單元13包括支撐結構131，熱形變結構132和反光板復合結構133。如圖2所示，圖2為本實用新型實施例所提供的探測器中由多個微懸臂梁單元13及襯底傳熱結構12所組成的陣列結構示意圖。其中，支撐結構131構成微懸臂梁單元13與襯底傳熱結構12之間的錨點，且制作該結構的材料具有較低的熱導系數(shù)，以利于微懸臂梁單元13之間的熱隔離。如圖3所示，圖3為本實用新型實施例所提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器中微懸臂梁單元13結構示意圖。在微懸臂梁單元13中，支撐結構131與熱形變結構132各有一對，位于反光板復合結構133的兩側；且反光板復合結構133與熱形變結構132形成懸臂梁，并通過支撐結構131錨點連接于襯底傳熱結構12 ；熱形變結構132 —端與處于同一平面的反光板復合結構133相連接，另一端與支撐結構131相連接。本實用新型實施例中所涉及的反光板復合結構133為由兩種材料所制作而成的矩形板狀結構，其中，朝向透明襯底11 一側的由金屬材料制作而成，并用于反射來自讀出光路的可見光；而朝向目標物體一側的則由具有高紅外吸收系數(shù)的材料制作而成，并用于吸收來自目標物體的紅外輻射，是該探測器的紅外吸收層。如圖4所示，圖4為本實用新型實施例所提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器中熱形變結構132結構示意圖。其中，該熱形變結構132包括熱隔離梁1321和熱形變梁1322，且該熱隔離梁1321和熱形變梁1322在同一平面內間隔回折連接。熱隔離梁1321采用熱導系數(shù)較低的材料制作而成，用于增大微懸臂梁單元13之間的熱隔離。而熱形變梁1322為雙材料復合梁，兩種材料熱膨脹系數(shù)差異較大而楊氏模量相差盡可能小，且該兩種材料的厚度比的選擇依據(jù)為當溫度變化值一定時，該熱形變梁1322的形變量最大。例如在制作熱形變梁1322時，可將金屬附著到非金屬薄膜上，而在對熱形變梁1322的兩種材料厚度進行選擇時，為了使熱形變梁1322達到最大變形從而得到最高的靈敏度，兩種材料厚度的比值可以接近兩種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該盡量小。在具體制作本公開所提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器時，透明襯底11可采用玻璃襯底或藍寶石襯底。襯底傳熱結構12可由鉻、鋁或金等具有高熱導系數(shù)的材料制作。微懸臂梁單元13中的支撐結構131可由氮化硅或氧化硅等具有低熱導系數(shù)的材料制作，用于進行單元的熱隔離。反光板復合結構133中朝向透明襯底11的一側可采用鋁或金等可以反射讀出光路的可見光的材料制作。而反光板復合結構133中朝向目標物體的一側可采用氮化硅或氧化硅等具有較高紅外吸收系數(shù)的材料制作。除此之外，熱形變結構132的熱隔離梁1321也可采用氮化硅或氧化硅等具有低熱導系數(shù)的材料制作。如前所述，熱形變梁1322由兩種熱膨脹系數(shù)差異較大而楊氏模量相差盡可能小的材料制作而成，通?？刹捎醚趸?鋁、或氮化硅/金等材料組合構成，例如在氧化硅上附著一層率薄膜，或在氮化硅上附著一層金薄膜等。當使用本實用新型實施例所提供的非制冷紅外焦平面陣列探測器捕獲紅外目標圖景時，該探測器與配套讀出光路以及制冷環(huán)協(xié)同工作。且制冷環(huán)與該探測器的襯底傳熱結構12相接觸，控制探測器上各微懸臂梁單元13的冷端溫度基本與室溫保持一致，以減少各微懸臂梁單元13之間的熱串擾。在捕獲紅外目標圖景時，該探測器位于讀出光路上，讀出光路的出射光透過透明探測器的透明襯底11照射在反光板復合結構133的金屬層上，發(fā)生反射后又透過透明襯底11繼續(xù)在光路上傳輸。而當來自目標物體的紅外輻射達到探測器的微懸臂梁13后，反光板復合結構133吸收紅外能量，溫度升高，并導致熱形變結構132上的熱形變梁1322發(fā)生形變，帶動反光板復合結構133發(fā)生轉動，也就是說，讀出光路上的反光板發(fā)生偏轉，且該偏轉角度可通過檢測讀出光路的偏轉角度獲得。由于反光板復合結構133的轉動角度與微懸臂梁單元13所吸收的能量有關，而微懸臂梁單元13的吸熱量又與目標物體的紅外輻射強度有關，由此可以獲得反光板復合結構133的偏轉角度與對應的目標物體紅外輻射強度之間的關系。最終，讀出光路中的光線被檢測光路中的電荷I禹合裝置(Charge Coupled Device, CCD)接收,形成圖像。至此，目標 物體的紅外信號轉化為CCD的可見光信號，完成紅外圖景到人眼可識別的可見光圖景的轉換。利用本實用新型實施例所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，來自目標物體的紅外光直接照射在探測器的紅外吸收層上，避免了硅襯底對于來自目標物體的紅外輻射的反射所造成的能量的損失，從而提高了測量的靈敏度。第二，由于該探測器所采用的透明襯底，目標物體可置于探測器所在平面非襯底所在一側，因而無需將微懸臂梁單元下方的襯底掏空，降低了工藝復雜度，并提高了產(chǎn)品的成品率。第三，由于該探測器具有襯底傳熱結構，減低了微懸臂梁單元之間的熱串擾，從而降低了探測器工作環(huán)境溫度改變對于測量結果的影響，有利于提高成像質量。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業(yè)技術人員能夠實現(xiàn)或使用本實用新型。對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本實用新型將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
權利要求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、具有高熱導系數(shù)的襯底傳熱結構和微懸臂梁單元，其中，所述微懸臂梁單元以非嵌套的方式通過所述襯底傳熱結構平鋪于所述透明襯底上； 所述微懸臂梁單元包括熱形變結構、反光板復合結構和支撐結構； 所述支撐結構與所述熱形變結構各有兩組，分別位于所述反光板復合結構的兩側，每組熱形變結構一端與所述支撐結構相連接，一端與所述反光板復合結構相連接； 所述反光板復合結構采用雙材料結構，其中，朝向所述透明襯底的一側由金屬材料制作，而朝向目標物體的一層由具有高紅外吸收系數(shù)的材料制作。
2.根據(jù)權利要求I所述的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特征在于，所述透明襯底為玻璃襯底或藍寶石襯底。
3.根據(jù)權利要求I所述的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特征在于，所述襯底傳熱結構由鉻、鋁或金制作而成。
4.根據(jù)權利要求I所述的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特征在于，所述反光板復合結構朝向所述透明襯底的一側采用鋁或金制作而成；所述反光板復合結構朝向目標物體的一側采用氮化硅或氧化硅制作而成。
5.根據(jù)權利要求I至4中任一項所述的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特征在于，所述支撐結構采用具有低熱導系數(shù)的材料制作而成。
6.根據(jù)權利要求I至4中任一項所述的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特征在于，所述熱形變結構包括熱隔離梁和熱形變梁。
7.根據(jù)權利要求6所述的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特征在于，所述熱隔離梁和所述熱形變梁在同一平面內間隔回折連接。
8.根據(jù)權利要求6所述的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特征在于，所述熱隔離梁采用具有低熱導系數(shù)的材料制作而成。
9.根據(jù)權利要求6所述的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特征在于，所述熱形變梁為雙材料結構，且兩種材料膨脹系數(shù)差異較大而楊氏模量差異較小。
專利摘要本實用新型實施例提供了一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，包括透明襯底、具有高熱導系數(shù)的襯底傳熱結構和微懸臂梁單元，其中，所述微懸臂梁單元以非嵌套的方式通過所述襯底傳熱結構平鋪于所述透明襯底上；所述微懸臂梁單元包括熱形變結構、反光板復合結構和支撐結構；所述反光板復合結構采用雙材料結構，其中，朝向所述透明襯底的一側由金屬材料制作，而朝向目標物體的一層由具有高紅外吸收系數(shù)的材料制作。通過該檢測器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探測器的紅外吸收層上，提高了測量的靈敏度。另外，由于該探測器所采用的透明襯底，無需將微懸臂梁單元下方的襯底掏空，降低了工藝復雜度。
文檔編號G01J5/00GK202793597SQ20122042264
公開日2013年3月13日 申請日期2012年8月23日 優(yōu)先權日2012年8月23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