帶自支撐框架的全鏤空結構光調製熱成像焦平面陣列的製作方法

2023-09-23 08:08:55

專利名稱：帶自支撐框架的全鏤空結構光調製熱成像焦平面陣列的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於獲取並轉換紅外信號的傳感元件，尤其涉及一種帶 自支撐框架的全鏤空結構光調製熱成像焦平面陣列。
背景技術：
紅外輻射探測裝置用於將不可見的紅外輻射轉化為可見的圖像。按 照探測原理的不同，可以把傳統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化為電子的能量。由 於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的熱電效應，比如電阻 率和電容的變化等，得到紅外輻射的信息。傳統的熱型紅外探測器中熱 電效應是用集成電路從每個探測器單元中讀出的，由於電流輸入會在探 測器單元上產生附加的熱量，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熱性能很好的金屬導線相連， 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。
應用光調製原理的非製冷型紅外探測焦平面陣列(FPA)大多採用雙 材料微懸臂梁熱隔離結構。入射的紅外光能被探測單元吸收後轉化為懸 臂梁的熱能，引發雙材料懸臂梁產生熱致形變，從而使整個微懸臂梁結構產生形變，再通過光學讀出系統，非接觸的檢測出形變，例如懸臂梁 的撓度或轉角等，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製冷的條件下工作，而且光學讀出的方式不會 在探測器上產生附加的熱量，無需金屬導線連接，更易於在探測單元與 基底之間實現良好的熱隔離。另外，探測器敏感單元和讀出系統之間沒 有電的互連，也省去了讀出電路的設計和製作，這就大大地降低了開發 和製作成本。因此基於這種光-機械微懸臂梁單元的紅外探測器，有望開 發出更高性能和低成本的熱型紅外輻射探測裝置。
應用光學調製的FPA (焦平面陣列)通常採用的結構包括帶有襯底
的犧牲層結構和無襯底的網格狀全鏤空結構兩種，前者的結構在FPA的 紅外敏感區存在矽襯底，當器件工作時紅外線先透過矽襯底才能照射到 FPA上，紅外線在經過矽襯底前後兩個表面的時候，會發生反射現象，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；後者的結構在FPA的紅外吸收區域採用 了全鏤空無矽襯底的結構，這樣在FPA吸收紅外輻射時就不存在矽襯底 的反射，使紅外輻射的利用率提高，但它的缺陷在於整個器件結構是由 一張數千埃的薄膜支撐非常的脆弱，致使其生產成品率很低且易於破損。 由此可見，上述現有的用於獲取並轉換紅外信號的傳感元件在結構 和使用上，存在靈敏度不高、易於破損的缺陷，亟待進一步改進。

發明內容
本發明的主要目的在於克服現有技術中存在的產品靈敏度不高、易 於破損的缺陷，提供一種新型結構的帶自支撐框架的全鏤空結構光調製 熱成像焦平面陣列，所要解決的技術問題有去掉矽襯底，設置內框。
為了實現上述的目的，本發明是採用如下技術方案實現的；
本發明提供一種光調製熱成像焦平面陣列，其特徵在於包括陣列框 架和微懸臂梁單元；
所述陣列框架由外框和內框構成，該內框為網格狀，設置在所述的 外框內，形成多個鏤空單元；
每個鏤空單元內設置一個微懸臂梁單元，該微懸臂梁單元與構成鏤空結構的內框或外框相連接，所有的微懸臂梁單元與內框採用相同的材 料且一體成型。
優選的，本發明中的微懸臂梁單元包括至少一組熱變形結構和一組 紅外吸收結構，所述熱變形結構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構和隔離梁相連接，所述隔離梁與所述的陣列 框架連接。
優選的，本發明的光調製熱成像焦平面陣列，所述的陣列外框為單
晶矽材料，其晶向為〈100〉、 〈110〉、 〈111〉。
優選的，本發明的光調製熱成像焦平面陣列，所述的微懸臂梁單元 的材料與內框的材料相同都為氧化矽或氮化矽或碳化矽。
優選的，本發明中形變梁上附著有0. 1-1微米的金屬薄膜。 優選的，本發明中紅外吸收結構上附著有0. 1-1微米的金屬薄膜。
優選的，本發明中形變梁上和紅外吸收結構上的金屬薄膜的材料為 鋁、金、鉻、鈦、錫或鉛。
優選的，本發明中所述的內框的梁寬度相等，所述的寬度在0.5微 米到10微米之間；所有所述的內框的梁厚度相等，所述的厚度在0.5微 米到100微米之間。
優選的，本發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。
優選的，本發明中所述的微懸臂梁單元排列方向一致。
上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明 的技術手段，並可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實 施例並配合附圖詳細說明如後。


圖1為實施例1的光調製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構示意圖。
圖4為圖1中A-A向的剖視圖。
具體實施例方式
為進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段及功 效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的一種帶支撐框架的 全鏤空結構光調製熱成像焦平面陣列其具體實施方式
、結構、特徵及其 功效，詳細說明如後。
參見圖1所示，本發明提出一種帶支撐框架的全鏤空結構光調製熱 成像焦平面陣列，包括陣列框架和微懸臂梁單元，所述的陣列框架用於 支撐所述的微懸臂梁單元。優選的，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和內框2構成，所述的外 框1為一個封閉的框架結構，所述的內框2為由多條橫縱交織的梁構成 的網格狀結構，該內框2設置在所述的外框1內，從而形成多個鏤空單 元10，該陣列框架可由外框和內框一體成型製得。鏤空單元的數量為單 元數2X2個至4096X4096個。所述陣列外框採用的材料為單晶矽材料， 其晶向包括〈100>、 三種。該陣列框架的外圍尺寸由像元的 數目多少決定，在2毫米X2毫米到200毫米X200毫米之間，其外框1 的寬度的範圍在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 鏤空單元的區域形大致為正方形或矩形。
在每一個鏤空單元10內設置一個微懸臂梁單元20,入射的紅外光能 被微懸臂梁單元檢測並被光學讀出，從而實現對紅外光的檢測。請參閱 圖3所示，每個懸臂梁單元20包含熱變形結構和紅外吸結構5。所述熱 變形結構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與構成鏤空單元的框架(內框或者外框)相連，從而將微懸臂 梁單元固定，形成陣列框架對微懸臂梁單元的支撐。所有的微懸臂梁單 元與內框採用相同的材料且一體成型，所採用的材料為氧化矽或氮化矽 或碳化矽。
在本實施例中，熱隔離梁3和變形梁4相間回折構成熱變形結構， 並分布於紅外吸收結構5的兩側。上述的微懸臂梁單元是由一層薄膜材料構成，其厚度在o.i-i微米之間，較佳的選用氧化矽、氮化矽和碳化 矽等材料，從而使該微懸臂梁單元對8-14微米波長紅外光具有吸收能力 強、熱導率低、熱膨脹係數低、楊氏模量高等特點。
請參閱圖4所示，所述的微懸臂梁單元的紅外吸收結構5上附著有 一層金屬薄膜51，厚度在0.01-l微米之間，用於反射可見光，該金屬薄 膜採用鋁、金、鉻、鈦、錫、鉛等金屬材料製備。在所述熱變形結構的 變形梁上也附著有一層金屬薄膜41，厚度在O. 1-l微米之間，用於在溫 度變化時產生相應的熱形變，該金屬薄膜採用鋁、金、鉻、鈦、錫、鉛 等金屬材料製備。
入射的紅外光被微懸臂梁單元單元的紅外吸收結構5吸收後轉化為 熱能，引發雙材料構成的變形梁4產生熱致形變，從而使整個微懸臂梁 單元結構產生形變，再通過光學讀出系統，非接觸的檢測出形變，例如 微懸臂梁單元的撓度或轉角等，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製冷的條件下工作，而且光學 讀出的方式不會在探測單元上產生附加的熱量，無需金屬導線連接，更 易於在探測單元與基底之間實現良好的熱隔離。另外，探測單元的敏感 部件和讀出系統之間沒有電的互連，也省去了讀出電路的設計和製作， 這就大大地降低了開發和製作成本。因此基於這種光-機械微懸臂梁單元 的紅外探測陣列，有望開發出更高性能和低成本的熱型紅外輻射探測裝 置。
實例l
如圖4所示，是微懸臂梁單元的數目為2X2個的實例的剖面圖。其 外框的材料為〈100〉晶向單晶矽，其外圍尺寸為20. 1毫米X20. 1毫米， 厚度為510微米，寬度為10毫米，內部鏤空區域尺寸為103微米X103 微米，構成微懸臂梁和內框的材料為氮化矽，支撐在外框上的氮化矽薄 膜厚度為0.5微米，內框的寬度為3微米，厚度為10微米，鏤空單元的 尺寸為48微米X48微米的正方形，構成微懸臂梁單元的薄膜厚度為0. 5 微米，微懸臂梁單元中熱形變梁上金屬為Al材料，厚度為0.35微米， 微懸臂梁單元中反光結構上金屬也為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，反光結構的尺寸為40. 6微米X45. 4微米。
上述實施例，僅是本發明的較佳實施例而已，任何熟悉本專業的技 術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利用上述揭示的技術內容 做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技 術方案的內容，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1、一種光調製熱成像焦平面陣列，其特徵在於包括陣列框架和微懸臂梁單元；所述陣列框架由外框和內框構成，該內框為網格狀，設置在所述的外框內，形成多個鏤空單元；每個鏤空單元內設置一個微懸臂梁單元，該微懸臂梁單元與構成鏤空結構的內框或外框相連接，所有的微懸臂梁單元與內框採用相同的材料且一體成型。
2、 根據權利要求l所述的光調製熱成像平面陣列，其特徵在於所述 的微懸臂梁單元包括至少一組熱變形結構和一組紅外吸收結構，所述熱 變形結構包括至少一根隔離梁和至少一根形變梁，所述形變梁連接紅外 吸收結構和隔離梁，所述隔離梁與所述的陣列框架連接。
3、 根據權利要求2所述的光調製熱成像焦平面陣列，其特徵在於 所述的陣列外框為單晶矽材料，其晶向為<100〉、 、 <111〉。
4、 根據權利要求l所述的光調製熱成像焦平面陣列，其特徵在於 所述的微懸臂梁單元的材料與內框的材料相同都為氧化矽或氮化矽或碳 化矽。
5、 根據權利要求2所述的光調製熱成像焦平面陣列，其特徵在於-所述的形變梁上附著有0. 1-1微米的金屬薄膜。
6、 根據權利要求2所述的光調製熱成像焦平面陣列，其特徵在於 所述的紅外吸收結構上附著有0. 1-1微米的金屬薄膜。
7、 根據權利要求5或6所述的光調製熱成像焦平面陣列，其特徵在 於所述的金屬薄膜的材料為鋁、金、鉻、鈦、錫或鉛。
8、 根據權利要求l所述的光調製熱成像焦平面陣列，其特徵在於 所有所述的內框的梁寬度相等，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、 根據權利要求l所述的光調製熱成像焦平面陣列，其特徵在於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、 根據權利要求l所述的光調製熱成像焦平面陣列，其特徵在於: 所有所述的微懸臂梁單元排列方向 一致。
全文摘要
本發明涉及用於獲取並轉換紅外信號的傳感元件，尤其涉及一種帶自支撐框架的全鏤空結構光調製熱成像焦平面陣列，本發明由外框和內框構成，該內框為網格狀，設置在所述的外框內，形成多個鏤空單元；每個鏤空單元內設置一個微懸臂梁單元，該微懸臂梁單元與構成鏤空結構的內框或外框相連接，所有的微懸臂梁單元與內框採用相同的材料且一體成型。
文檔編號B81B7/02GK101498608SQ20091008027
公開日2009年8月5日 申請日期2009年3月17日 優先權日2009年3月17日
發明者葉甜春, 毅 歐, 焦斌斌, 陳大鵬 申請人:中國科學院微電子研究所