一種非製冷紅外成像焦平面陣列探測器的製作方法

2023-09-18 19:37:05 2

專利名稱：一種非製冷紅外成像焦平面陣列探測器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及紅外成像技術領域，尤其涉及一種非製冷紅外成像焦平面陣列探測器。
背景技術：
眾所周知，一切溫度高於絕對零度的物體均可產生紅外輻射，且該紅外輻射的強度及能量分布與物體溫度有關，載有物體的特徵信息。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可分為量子型(製冷)紅外探測器和熱型(非製冷)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。由於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)製冷以抑制電子熱運動，這導致量子型紅外探測器價格
曰蟲印貝ο熱型紅外探測器無需液氮製冷，大大減少了製作成本，使紅外技術大面積應用成為可能。但是，常見的基於熱電效應工作的探測器的其他情況，如由於輸入電流會在探測器單元上產生附加熱量，所以這種探測器很難準確檢測到入射的紅外輻射；由於金屬導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，這不僅增加了設計難度，而且提高了器件成本。應用光-機械原理的光讀出非製冷紅外焦平面陣列探測器，大多採用雙材料懸臂梁陣列結構，所述非製冷紅外焦平面陣列探測器的檢測單元吸收入射紅外光後溫度升高，並發生熱致形變，再由光學讀出系統非接觸檢測形變，便得到了目標的紅外信息。光讀出非製冷紅外焦平面陣列探測器無需互聯導線，探測器單元間熱隔離更加容易，也省去了讀出電路的設計和製作，大大降低了開發成本。目前採用的光讀出非製冷焦平面陣列通常在矽襯底上製作，其結構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。前者需要保留矽襯底，於是當紅外線經過矽襯底時，會因反射現象損失40%的紅外光，這將降低探測器的靈敏度；後者雖無矽襯底反射，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的應力控制技術來製作平整薄膜上全鏤空結構陣列，對製作工藝有很高的要求，同時這種結構的圖形利用率低，難以進一步降低像素麵積並提高解析度。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種非製冷紅外成像焦平面陣列探測器，降低工藝複雜度，提高探測器的靈敏度。一種非製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)對與所述非製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。本實用新型實施例提供的非製冷紅外成像焦平面陣列探測器，採用反光板複合結構(203)的金屬層朝向透明襯底的設計結構，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製冷紅外焦平面陣列探測器的反光板複合結構(203)的吸收層上，避免了矽襯底對於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，避免了製作全鏤空結構所需的長時間體矽腐蝕工藝，簡化製作流程，提高產品成品率。

圖1為本實用新型一實施例提供的一種非製冷紅外成像焦平面陣列探測器陣列示意圖；圖2為本實用新型一實施例提供的一種非製冷紅外成像焦平面陣列探測器的探測單元結構示意圖；圖3為本實用新型一實施例提供的一種非製冷紅外成像焦平面陣列探測器的微懸臂梁單元結構示意圖；圖4為本實用新型一實施例提供的非製冷紅外成像焦平面陣列探測器的熱形變結構示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細的說明。本實用新型實施例提供的非製冷紅外成像焦平面陣列探測器應用於基於微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)的光學讀出紅外成像系統。如圖1所示，該非製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)上平鋪構成，各微懸臂梁單元(2)的檢測結果即構成了目標物體的紅外圖景。所述透明襯底(I)對可見光透明，尤其是對與所述非製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。所述微懸臂梁單元(2 )包括支撐結構(201)、熱形變結構(202 )和反光板複合結構
(203)。參見圖2，所述支撐結構(201)將所述微懸臂梁單元(2 )錨接於透明襯底(I)。所述支撐結構(201)可以使用低熱導率材料製作，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，所述支撐結構(201)可由氧化矽製成。參見圖3，所述熱形變結構(202)有兩組，分別位於反光板複合結構(203)的兩側，各組熱形變結構(202)—端與同一平面內的所述反光板複合結構(203)相連接，另一端與所述支撐結構(201)相連接。所述反光板複合結構(203)為一雙材料板狀結構，其中朝向所述透明襯底(I)的一側為金屬層，用於反射與所述非製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；另一側為具有較高的紅外吸收係數的吸收層，用於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，所述反光板複合結構(203)朝向透明襯底(I)的一側可以採用鋁或金等可以反射與所述非製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，而另一側可以採用氮化矽或氧化矽等紅外吸收係數較高的材料製作。參見圖4，所述熱形變結構(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)在同一平面內順次回折連接。所述第一熱形變梁(204)和第二熱形變梁(205)均為雙材料複合梁，構成所述第一熱形變梁(204)的兩種材料與構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係數不同。在可用材料範圍內，最好選擇熱膨脹係數差異較大的兩種材料製作，而且兩種材料的熱膨脹係數差異越大越好。且所述兩種材料構成的梁的厚度比應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。 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O. 29微米，偏轉角約為O. 44°。如前所述，所述第一熱形變梁(204)和第二熱形變梁(205)均為雙材料複合梁，本實用新型實施例中，構成所述第一形變梁(204)和第二形變梁(205)的兩種材料的在垂直於透明襯底(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)均由氧化矽和鋁構成雙材料梁，其中鋁為熱膨脹係數高的材料，氧化矽熱膨脹係數相對較低的材料。氧化矽熱膨脹係數為O. SE-erSmS 23. 5Ε-6Γ1。所述第一形變梁(204)的鋁朝向透明襯底(1)，氧化矽在鋁的下方；所述第二形變梁(205)的氧化矽朝向透明襯底(I)，鋁在氧化矽的下方。所述熱隔離梁(206)可以採用與所述支撐結構(201)相同的材料來製作。所謂基於MEMS的光學讀出熱成像系統具體為採用MEMS技術加工的微懸臂梁陣列作為紅外輻射的吸收結構將輻射能量轉化為探測單元的熱能；通過覆蓋於所述微懸臂梁上的金屬薄膜構成的雙材料梁結構將所述熱能轉化為所述微懸臂梁的偏轉角度(或者位移)，該偏轉角度可由與所述非製冷紅外成像焦平面陣列探測器相配套的讀出光路檢出。具體地，在利用本實用新型實施例所提供的非製冷紅外成像焦平面陣列探測器捕獲紅外目標圖景時，所述非製冷紅外成像焦平面陣列探測器和與之配套的讀出光路協同工作，所述讀出光路的出射光透過透明襯底(I)照射在所述反光板複合結構(203)的金屬層上，發生反射後又透過透明襯底(I)繼續在所述讀出光路內部傳遞。所述反光板複合結構(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)後，所述反光板複合結構(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複合結構(203)的溫度升高，所述反光板複合結構(203)的吸收層吸收的紅外能量沿著熱形變結構(202)傳導。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於所述透明襯底(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)在所述反光板複合結構(203)的吸收層吸收的紅外能量的作用下產生了相反方向的形變。所述第一熱形變梁(204)和第二熱形變梁產生的相反方向的形變帶動所述反光板複合結構(203)轉動，亦即使反光板複合結構(203)的金屬層發生偏轉，形成一個偏轉角度。這個偏轉角度可由與所述非製冷紅外成像焦平面陣列探測器相配套的讀出光路檢出。由於第一熱形變梁(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，將反光板複合結構(203)的偏轉角度放大為單一熱形變梁偏轉角度的2倍，提高了微懸臂梁單元(2)的溫度響應。由於所述反光板複合結構(203)的金屬層的偏轉角度與所述微懸臂梁單元(2)吸收的能量相關，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，因此通過本實用新型實施例所提供的非製冷紅外成像焦平面陣列探測器可獲得所述反光板複合結構(203)的金屬層的偏轉角度與對應的目標物體紅外輻射強度的相關關係。從而，本實用新型實施例所提供的所述非製冷紅外焦平面陣列探測器可以將目標物體的紅外圖景轉化為焦平面陣列上各像素不同程度的紅外吸收及可見光複合結構(203)的金屬層偏轉角度，該偏轉角度由與所述非製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化為CXD的可見光信號，人眼可識別。與所述非製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角度進行檢測時，由讀出光路發射入射光線，並接收經該金屬層反射出的反射光線計算所述金屬層的偏轉角度。目標物體不能與讀出光路位於同一側，這是因為如果目標物體與讀出光路位於同一側，目標物體發出的紅外光線也將被所述金屬層反射，無法實現對目標物的檢測了。現有技術中讀出光路的光對襯底，尤其是矽襯底，是不透明的，這就決定了讀出光路必須置於非襯底所在一側(即與探測器在同一側)，目標物體只好放置在襯底所在一側，這導致目標物體發出的紅外光必須經通過襯底入射到探測器上。本實用新型實施例提供的非製冷紅外成像焦平面陣列探測器，通過使用透明襯底(該襯底對與所述非製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，目標物體也可以位於探測器所在平面非襯底所在一側。具體地，在本實用新型實施例中，反光板複合結構(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)直接照射到反光板複合結構(203)的金屬層上，來自目標物體的紅外光直接照射在非製冷紅外焦平面陣列探測器的反光板複合結構(203)的吸收層上，避免了矽襯底對於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，避免了製作全鏤空結構所需的長時間體矽腐蝕工藝，簡化製作流程，提高產品成品率。以上對本實用新型所提供的一種探測器，進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本實用新型的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本實用新型的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本實用新型的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本實用新型的限制。
權利要求1.一種非製冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特徵在於，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)對與所述非製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.根據權利要求1所述的非製冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特徵在於，所述微懸臂梁單元(2 )包括支撐結構(201)、熱形變結構(202 )和反光板複合結構(203 )，所述熱形變結構(202)有兩組，分別位於所述反光板複合結構(203)的兩側，所述熱形變結構(202) — 端與同一平面內的所述反光板複合結構(203)相連接，另一端與所述支撐結構(201)相連接。
3.根據權利要求2所述的非製冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特徵在於，所述微懸臂梁單元(2 )通過所述支撐結構(201)與所述透明襯底(I)錨接。
4.根據權利要求2所述的非製冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特徵在於，所述熱形變結構(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)在同一平面內順次回折連接。
5.根據權利要求4所述的非製冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特徵在於，所述第一熱形變梁(204)和第二熱形變梁(205)均為雙材料複合梁，構成所述第一熱形變梁(204)的兩種材料與構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係數不同。
6.根據權利要求5所述的非製冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特徵在於，構成第一熱形變梁(204)和第二熱形變梁(205)的兩種材料在垂直於所述透明襯底(I)的方向上按照相反的順序疊放。
7.根據權利要求2所述的非製冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特徵在於，所述反光板複合結構(203)為一板狀雙材料結構。
8.根據權利要求2所述的非製冷紅外成像焦平面陣列探測器，其特徵在於，所述反光板複合結構(203)朝向所述透明襯底(I)的一側為金屬層，另一側為吸收層；所述金屬層下表面與所述吸收層上表面直接接觸。
專利摘要本實用新型實施例提供一種非製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)對與所述非製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。本實用新型實施例提供的非製冷紅外成像焦平面陣列探測器，對目標物體進行檢測時，由於襯底透明，避免了矽襯底對於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，避免了製作全鏤空結構所需的長時間體矽腐蝕工藝，簡化製作流程，提高產品成品率。
文檔編號G01J5/02GK202836765SQ20122051797
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月10日 優先權日2012年10月10日
發明者高超群, 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