包括有源和無源微輻射熱計的輻射熱檢測裝置的製造方法

2023-05-26 13:46:16 8

專利名稱：包括有源和無源微輻射熱計的輻射熱檢測裝置的製造方法
技術領域：
本發明涉及用於製造包括至少一個有源微輻射熱計(microbolometer)和至少一個無源微輻射熱計的輻射熱檢測裝置的方法，其中每個微輻射熱計包括用於吸收輻射、測溫及電連接的懸置膜，所述有源和無源微輻射熱計同時形成在單個支承基板上，而反射屏形成在整個裝置上，隨後在相對有源微輻射熱計的位置被去除。
本發明還涉及通過上述方法生產得到的無源微輻射熱計。
背景技術：
通常具有微橋的微輻射熱計包括通過固定件支承在支承基板上的懸置膜。該膜具有三種功能，即，利用吸收元件吸收入射的輻射，利用測溫元件將熱量轉換為電阻變化，以及利用一個或多個電極與支承基板電連接。
上述三種功能可通過三個分立元件實現。由於入射輻射而被加熱的吸收元件將熱量傳遞到測溫元件，該測溫元件的溫度升高優選被微輻射熱計外部的電子測量電路測得。膜與支承基板的電連接例如通過電極實現。因此，吸收元件將例如光子等入射光通量轉化為熱通量。熱通量造成測溫元件溫度變化，由此將溫度變化轉換為電信號。上方懸置一膜的支承基板構成微輻射熱計的冷點並包括利用上述電信號的電子測量電路。
在某些情況下，這三種功能可通過兩個元件實現。例如，可由輻射熱材料實現吸收元件和測溫元件的功能，而與支承件的電連接通過連接到測溫元件的電極實現。
在另一實施例中，電極可同時實現電連接和吸收元件的功能。而輻射熱材料則僅形成測溫元件。
電極(如線圈形式的電極)也可實現電連接和測溫元件的功能，吸收元件可為另一分立元件。
在圖1中，微輻射熱計1包括通過兩個固定件4懸置在支承基板3上的膜，所述兩個固定件4同時還在膜和基板3之間形成熱連接。膜包括支撐測溫元件5的至少一個吸收元件2，通過電極(未示出)檢測該測溫元件的溫度變化。支承基板3包括電測量電路(未示出)，用於利用微輻射熱計1的測量結果。測量的靈敏度可通過在支承基板3和膜之間引入絕緣臂6從而限制膜的熱損耗並由此儲存其熱來提高。
測溫元件5可為電阻型的。測溫元件5的電阻和/或阻抗的變化將被測量。例如，測溫元件5可通過輻射熱材料接觸因特定構造而具有吸收元件和電連接功能的電極而形成，其中電極的構造可為例如線圈形式的。由微輻射熱計1吸收的入射輻射隨後使吸收元件2的溫度升高，從而使測溫元件5的電阻發生變化。電阻變化可在優選固定到固定件4上的電極的端子處測得。
有效的工作需要微輻射熱計1的三個主要條件得到滿足低熱質量，膜與支承基板3之間的熱絕緣性好，以及熱升高轉化為電信號的轉化率靈敏度高。前兩個條件通過在植入薄層以獲得微輻射熱計1時實現。
圖2示出了基於微輻射熱計的檢測裝置的讀取原理。該裝置包括吸收入射輻射8(例如紅外線)的測量微輻射熱計7或有源微輻射熱計。微輻射熱計7的阻抗的變化表示出入射輻射變化。電流讀取(current reading)經常被用於進行此測量。在微輻射熱計7的輸出端的電流包括可變的部分和不變的部分。檢測器實際是以相對檢測方式工作的，即，它檢測連續的不變背景信號，該背景信號可能妨礙測量有用的可變信號，這種可變信號與背景信號相比通常很小。因此，電流的不變部分必須被去除以便獲得最優的輻射值測量結果。
為了提高讀取靈敏度，電流的不變部分優選地分支到一導出分支(derivation branch)，以便僅有電流的可變部分被送入積分器9。就電學領域而言，用作導出分支的元件不可太多噪聲，從而不會造成很大的幹擾。因而，該導出分支通過具有足夠高數值的前置電阻器實現。常規方式包括使用無源微輻射熱計作為導出分支，即，不會檢測輻射的微輻射熱計。
因此，如圖2所示，導出分支包括導出微輻射熱計10，其由設置在輻射源8和微輻射熱計10之間的一保護屏11屏蔽。由此，微輻射熱計10被轉換為不吸收輻射而僅作為參照的無源微輻射熱計。
因而，檢測裝置的效率可與該無源微輻射熱計10的特性關聯，該無源微輻射熱計10必須被完全屏蔽並優選地具有較小的熱阻率。
其它檢測裝置使用包括兩個微輻射熱計的橋結構，其中一個微輻射熱計通過在輻射源和微輻射熱計之間設置一保護屏而被無源化(EP-A-0892257和EP-A-0566156)。
在微輻射熱計之前設置一保護屏會使製造過程產生問題。

發明內容
本發明的目的是解決上述問題並實現一種無源微輻射熱計，該無源微輻射熱計的保護屏的製造集成於該無源微輻射熱計的製造過程中。
根據本發明，上述目的通過所附權利要求實現，具體地，通過以下方式實現膜包括實現電連接功能的輻射吸收元件和測溫元件，無源微輻射熱計在包括與該膜的吸收元件接觸的至少一個金屬層的保護屏上形成。


其他優點和特徵將通過下面對本發明的各個由附圖示出的非限制性實施例的詳述而顯見。
圖1示出根據現有技術的微輻射熱計。
圖2示意性地示出根據現有技術的輻射熱檢測裝置的讀取原理。
圖3示出根據本發明的無源微輻射熱計的一實施例。
圖4-7示出包括圖3的無源微輻射熱計的輻射熱檢測裝置的製造過程的一示意實施例的各個步驟。
具體實施例方式
在圖3所示的特定實施例中，無源微輻射熱計12包括具有輻射吸收元件13和構成該微輻射熱計12的測溫元件14的輻射熱材料體的懸置膜。該膜由布置在支承基板16上的兩個固定件15支承。
無源微輻射熱計12包括在膜下方形成的反射保護屏17。保護片17由例如至少一個反射層18形成，優選由金屬層形成，因為金屬具有很好的輻射反射性，尤其是對紅外輻射。屏17必須反射入射輻射並且不能使由輻射熱材料形成的測溫元件14短路。因此，保護屏17僅與吸收元件13電接觸，而由輻射熱材料形成的測溫元件14布置在該吸收元件13上。
選擇構成保護屏17的材料，從而使保護屏17呈現出所需的光學和熱學性質，以反射輻射。上述層18由從具有良好紅外反射能力並形成純光學鏡面的鋁、銀、金和銅中優選選出的金屬製成。金屬層的厚度為大約500到2000。
可為反射屏17選擇其他材料。例如，屏17可包括由特別是金屬或摻雜氧化銦錫等材料層堆疊形成的內絕緣疊層。
屏17還可由幹擾型反射器形成，即，包括由絕緣或傳導薄層形成的疊層的屏。屏17還可由具有面紋理或體紋理效果(surface or volume textureeffect)的材料製成。它也可由金屬陶瓷材料，即具有金屬夾雜物的陶瓷製成，該材料的傳導閾值取決於陶瓷中的金屬濃度。
構成測溫元件14的輻射熱材料為例如低阻抗或高阻抗p-或n-型多晶或無定形矽。該輻射熱材料體也可為處於半導體相的氧化釩、鐵酸鹽或亞錳酸鹽。
支承基板16是例如矽基的支承件。它保證了無源微輻射熱計12的機械強度，並優選包括用於偏壓並讀取測溫元件的阻抗的器件(未示出)。它也可包括復用部件，特別在包括具有矩陣結構的若干微輻射熱計的檢測器的情況下，所述復用部件使來自不同微輻射熱計的信號被串行化並被傳送到常規成像系統所用的數量較少的輸出端。
在圖3所示的實施例中，吸收元件13的表面電阻(sheet resistance)R□必須為大約300Ω，以便吸收輻射。為了使由吸收元件13和屏17組成的組件的表面電阻為反射器的表面電阻，即大約0.1Ω的表面電阻，吸收元件13必須與反射屏17電接觸。因而，吸收元件13的表面電阻與屏17的表面電阻相關。
入射的輻射通過形成測溫元件14的輻射熱材料體，其在本實施例中為透明的，隨後射到由吸收元件13和金屬屏17形成的組件上，金屬屏17反射輻射，隨後使之射出。組件13和17的表面電阻低以防止輻射被吸收，並因此防止膜被加熱。測溫元件14不會被加熱，其阻抗保持不變。
在另一實施例中，未示出，用於電連接無源微輻射熱計12和支承基板16的電極具有特殊的構造，例如為線圈形式的，並同時構成吸收元件13。
從例如鈦、氮化鈦、鉑、鋁、鈀、鎳、鎳鉻合金等中選擇形成電極的材料。電極的厚度為約0.005μm至1μm。
在另一實施例中，未示出，輻射熱材料體由測溫元件14並由如線圈形式的電極形成，吸收元件13為分立元件。
在所有實例中，雖然反射屏17設置在膜下方，所形成的微輻射熱計12為無源的，因為它的膜並不吸收輻射。
輻射熱檢測裝置的一個實施例包括在單個支承基板16上製成的至少一個有源微輻射熱計19和一個圖3所示的無源微輻射熱計12，下面參考圖4-7詳述。
在圖4中，用於生產該裝置的方法首先包括在承載固定件15的支承基板16上順序澱積犧牲層20和金屬層21，該犧牲層20優選由聚醯亞胺製成且厚度大致等於微輻射熱計12和19的固定件15的厚度，該金屬層21構成無源微輻射熱計12的保護屏17。
在圖5中，僅與有源微輻射熱計19的位置相對地蝕刻構成保護屏17的層21，使得僅對應無源微輻射熱計12保留保護屏17。在圖3-7的實施例中，反射屏17由傳導材料製成。因此必需提供該層相對於固定件15的介電絕緣。這種絕緣通過例如反射屏17在蝕刻中的中斷形成，如圖3所示。隨後，在犧牲層20和對應無源微輻射熱計12布置的保護屏17上，澱積形成微輻射熱計12和19的膜22的各個層。
在圖6中，隨後蝕刻膜22使微輻射熱計12和19被刻劃成型(delineated)。最後，蝕刻犧牲層20，以獲得圖7所示的檢測器，其具有布置在同一支承基板16上的包括布置在膜22下方的集成保護屏17的無源微輻射熱計12以及有源微輻射熱計19。
在上述製造方法中，通過例如化學或等離子蝕刻方法或通過脫膜工藝(lift-off process)刻劃成型保護屏17。在金屬保護屏17的情況下，通過陰極濺射或通過熱分解(LPCVD)澱積金屬層18。
為了改進操作，可通過取消特別是在有源微輻射熱計19上的熱絕緣臂6來熱化無源微輻射熱計12，即改善它的熱導率。
在所有實例中，微輻射熱計12和19的工藝不受安裝反射屏17影響，因為反射屏17的製造是集成在微輻射熱計12和19的製造過程中的。這會節省時間，並特別節省費用，因為已知的微輻射熱計製造方法和生產線不需要變更。
另外，由於檢測裝置優選在真空條件下工作，保護屏17的接觸輻射的表面不需要特殊塗層的保護。
本發明不限於上述實施例。所述檢測器可包括適於進行紅外成像的矩陣結構。該矩陣結構由在單個支承基板16上成行成列布置的多個有源微輻射熱計12和多個無源微輻射熱計19組成。製造方法相同，且集成在支承基板16中的電子測量電路回收利用微輻射熱計12和19的每個測量結果並將其轉變為紅外影像。
所述檢測器可封裝於真空中，或封裝於具有非常低的導熱率的氣體中，以增強效果。檢測器封裝用的封裝器包括可透射輻射的窗。
所述檢測器的微輻射熱計12和19可包括任何類型的測溫元件，例如熱敏電阻器、電極、二極體等。
權利要求
1.一種製造輻射熱檢測裝置的方法，該裝置包括至少一個有源微輻射熱計(19)和至少一個無源微輻射熱計(12)，每個微輻射熱計包括用於吸收輻射、測溫及電連接的懸置膜(22)，有源微輻射熱計(19)和無源微輻射熱計(12)同時形成在單個支承基板(16)上，而反射屏(17)形成在整個器件上，隨後在相對有源微輻射熱計(19)的位置被去除，該方法的特徵在於，膜(22)包括測溫元件(14)和電連接用的輻射吸收元件(13)，無源微輻射熱計(12)形成在反射屏(17)上，該反射屏(17)包括與膜(22)的吸收元件(13)接觸的至少一個金屬層(18)。
2.根據權利要求1所述的方法獲得的無源微輻射熱計(12)，其特徵在於，該反射屏(17)布置在該膜(22)下方，並與膜的吸收元件(13)接觸。
3.根據權利要求1和2之一獲得的微輻射熱計，其特徵在於，該金屬層(18)的厚度約為500至2000。
全文摘要
本發明涉及一種無源微輻射熱計(12)，包括反射屏(17)和用於吸收輻射、測溫及電連接的懸置膜(22)。該膜由固定到支承基板(16)上的至少兩個固定件(15)支承。反射屏(17)可由厚度約為500至2000的至少一個金屬層(18)支承。該屏(17)布置在膜下方並與膜吸收元件(13)電接觸，從而減小由屏(17)和吸收元件(13)組成的單元的面電阻率並避免該吸收元件吸收輻射。
文檔編號G01J5/20GK1926416SQ200580006481
公開日2007年3月7日 申請日期2005年3月4日 優先權日2004年3月4日
發明者讓-路易斯·奧弗裡-巴菲特, 勞倫斯·卡爾, 克萊爾·維亞勒, 米歇爾·維拉林 申請人:原子能委員會, Ulis公司