一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例提供了一種非制冷紅外焦平面陣列探測器，包括：透明襯底、具有高熱導(dǎo)系數(shù)的襯底傳熱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)平鋪于所述透明襯底上；所述微懸臂梁單元包括熱形變結(jié)構(gòu)、反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)；所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)采用雙材料結(jié)構(gòu)，其中，朝向所述透明襯底的一側(cè)由金屬材料制作，而朝向目標(biāo)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(biāo)物體進(jìn)行檢測時，來自目標(biāo)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(fù)雜度。
【專利說明】一種非制冷紅外成像焦平面陣列探測器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外成像探測器【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器。
【背景技術(shù)】
[0002]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(guān)，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(zhuǎn)化為可見的圖像。
[0003]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(zhuǎn)化為電子能量，而熱型紅外探測器則是通過檢測目標(biāo)物體的紅外輻射引起的探測器溫度變化來捕捉紅外信息。
[0004]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(dāng)，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(dǎo)致量子型紅外探測器價格昂貴。
[0005]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(shù)大面積應(yīng)用成為可能。常見的基于熱電效應(yīng)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(zhǔn)確檢測到入射的紅外輻射，同時金屬導(dǎo)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(yīng)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(shè)計困難，而且提高了器件成本。應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(xué)讀出系統(tǒng)非接觸檢測形變，便得到了目標(biāo)的紅外信息。光讀出的探測器無需互聯(lián)導(dǎo)線，單元間熱隔離更加容易，也省去了讀出電路的設(shè)計和制作，大大降低了開發(fā)成本。
[0006]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(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，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(jié)構(gòu)需要長時間背腔腐蝕工藝和可靠地應(yīng)力控制技術(shù)來制作憑證薄膜上全鏤空結(jié)構(gòu)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(jìn)一步降低像素面積并提高分辨率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明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(dǎo)系數(shù)的襯底傳熱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)平鋪于所述透明襯底上；
[0008]所述微懸臂梁單元包括熱形變結(jié)構(gòu)、反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)；
[0009]所述支撐結(jié)構(gòu)與所述熱形變結(jié)構(gòu)各有兩組，分別位于所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)的兩偵牝每組熱形變結(jié)構(gòu)一端與所述支撐結(jié)構(gòu)相連接，一端與所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)相連接；[0010]所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)采用雙材料結(jié)構(gòu)，其中，朝向所述透明襯底的一側(cè)由金屬材料制作，而朝向目標(biāo)物體的一層由具有高紅外吸收系數(shù)的材料制作。
[0011]通過本發(fā)明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(biāo)物體進(jìn)行檢測時，來自目標(biāo)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(biāo)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(biāo)物體可置于探測器所在平面非襯底所在一側(cè)，因而無需將微懸臂梁單元下方的襯底掏空，降低了工藝復(fù)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(jié)構(gòu)，減低了微懸臂梁單元之間的熱串?dāng)_，從而降低了探測器工作環(huán)境溫度改變對于測量結(jié)果的影響，有利于提高成像質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)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(lǐng)域普通技術(shù)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。
[0013]圖1為本發(fā)明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(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明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(jié)構(gòu)所組成的陣列結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3為本發(fā)明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(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖4為本發(fā)明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(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0017]為了使本【技術(shù)領(lǐng)域】的人員更好地理解本申請中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)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(lǐng)域普通技術(shù)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(yīng)當(dāng)屬于本公開保護(hù)的范圍。
[0018]如圖1所示，圖1為本發(fā)明實施例所提供的非制冷紅外成像焦平面陣列探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]該探測器包括透明襯底11，襯底熱傳結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)12平鋪于透明襯底11上，且襯底傳熱結(jié)構(gòu)12分別與透明襯底11、微懸臂梁單元13直接接觸。
[0020]另外，在本發(fā)明實施例所提供的技術(shù)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?dāng)_，制作襯底傳熱結(jié)構(gòu)12的材料需要具有較高的熱導(dǎo)系數(shù)。
[0021]由圖1還可看出，該微懸臂梁單元13包括支撐結(jié)構(gòu)131，熱形變結(jié)構(gòu)132和反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)133。
[0022]如圖2所示，圖2為本發(fā)明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(jié)構(gòu)12所組成的陣列結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]其中，支撐結(jié)構(gòu)131構(gòu)成微懸臂梁單元13與襯底傳熱結(jié)構(gòu)12之間的錨點，且制作該結(jié)構(gòu)的材料具有較低的熱導(dǎo)系數(shù)，以利于微懸臂梁單元13之間的熱隔離。
[0024]如圖3所示，圖3為本發(fā)明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(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]在微懸臂梁單元13中，支撐結(jié)構(gòu)131與熱形變結(jié)構(gòu)132各有一對，位于反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)133的兩側(cè)；
[0026]且反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)133與熱形變結(jié)構(gòu)132形成懸臂梁，并通過支撐結(jié)構(gòu)131錨點連接于襯底傳熱結(jié)構(gòu)12 ；
[0027]熱形變結(jié)構(gòu)132 —端與處于同一平面的反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)133相連接，另一端與支撐結(jié)構(gòu)131相連接。
[0028]本發(fā)明實施例中所涉及的反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)133為由兩種材料所制作而成的矩形板狀結(jié)構(gòu)，其中，朝向透明襯底11 一側(cè)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(biāo)物體一側(cè)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(biāo)物體的紅外輻射，是該探測器的紅外吸收層。
[0029]如圖4所示，圖4為本發(fā)明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(jié)構(gòu)132結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]其中，該熱形變結(jié)構(gòu)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(nèi)間隔回折連接。熱隔離梁1321采用熱導(dǎo)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(fù)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(dāng)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(jìn)行選擇時，為了使熱形變梁1322達(dá)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(yīng)該盡量小。
[0031]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(lán)寶石襯底。襯底傳熱結(jié)構(gòu)12可由鉻、鋁或金等具有高熱導(dǎo)系數(shù)的材料制作。微懸臂梁單元13中的支撐結(jié)構(gòu)131可由氮化硅或氧化硅等具有低熱導(dǎo)系數(shù)的材料制作，用于進(jìn)行單元的熱隔離。反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)133中朝向透明襯底11的一側(cè)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(fù)合結(jié)構(gòu)133中朝向目標(biāo)物體的一側(cè)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(jié)構(gòu)132的熱隔離梁1321也可采用氮化硅或氧化硅等具有低熱導(dǎo)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(gòu)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。
[0032]當(dāng)使用本發(fā)明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(biāo)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(jié)構(gòu)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?dāng)_。
[0033]在捕獲紅外目標(biāo)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(fù)合結(jié)構(gòu)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(dāng)來自目標(biāo)物體的紅外輻射達(dá)到探測器的微懸臂梁13后，反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)133吸收紅外能量，溫度升高，并導(dǎo)致熱形變結(jié)構(gòu)132上的熱形變梁1322發(fā)生形變，帶動反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)133發(fā)生轉(zhuǎn)動，也就是說，讀出光路上的反光板發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且該偏轉(zhuǎn)角度可通過檢測讀出光路的偏轉(zhuǎn)角度獲得。
[0034]由于反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)133的轉(zhuǎn)動角度與微懸臂梁單元13所吸收的能量有關(guān)，而微懸臂梁單元13的吸熱量又與目標(biāo)物體的紅外輻射強度有關(guān)，由此可以獲得反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)133的偏轉(zhuǎn)角度與對應(yīng)的目標(biāo)物體紅外輻射強度之間的關(guān)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(biāo)物體的紅外信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。
[0035]利用本發(fā)明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(biāo)物體進(jìn)行檢測時，來自目標(biāo)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(biāo)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(biāo)物體可置于探測器所在平面非襯底所在一側(cè)，因而無需將微懸臂梁單元下方的襯底掏空，降低了工藝復(fù)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(jié)構(gòu)，減低了微懸臂梁單元之間的熱串?dāng)_，從而降低了探測器工作環(huán)境溫度改變對于測量結(jié)果的影響，有利于提高成像質(zhì)量。
[0036]對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)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發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明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(quán)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(dǎo)系數(shù)的襯底傳熱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)平鋪于所述透明襯底上； 所述微懸臂梁單元包括熱形變結(jié)構(gòu)、反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)； 所述支撐結(jié)構(gòu)與所述熱形變結(jié)構(gòu)各有兩組，分別位于所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，每組熱形變結(jié)構(gòu)一端與所述支撐結(jié)構(gòu)相連接，一端與所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)相連接； 所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)采用雙材料結(jié)構(gòu)，其中，朝向所述透明襯底的一側(cè)由金屬材料制作，而朝向目標(biāo)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(quán)利要求1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(lán)寶石襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1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(jié)構(gòu)由鉻、鋁或金制作而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1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(fù)合結(jié)構(gòu)朝向所述透明襯底的一側(cè)采用鋁或金制作而成；所述反光板復(fù)合結(jié)構(gòu)朝向目標(biāo)物體的一側(cè)采用氮化硅或氧化硅制作而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1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(jié)構(gòu)采用具有低熱導(dǎo)系數(shù)的材料制作而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1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(jié)構(gòu)包括熱隔離梁和熱形變梁。
7.根據(jù)權(quán)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(nèi)間隔回折連接。
8.根據(jù)權(quán)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(dǎo)系數(shù)的材料制作而成。
9.根據(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)，且兩種材料膨脹系數(shù)差異較大而楊氏模量差異較小。
【文檔編號】G01J5/02GK103630246SQ201210303612
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年8月23日 優(yōu)先權(quán)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(xué)院微電子研究所