一种非制冷红外成像焦平面阵列探测器的制造方法
【专利摘要】本发明实施例提供了一种非制冷红外焦平面阵列探测器，包括：透明衬底、具有高热导系数的衬底传热结构和微悬臂梁单元，其中，所述微悬臂梁单元以非嵌套的方式通过所述衬底传热结构平铺于所述透明衬底上；所述微悬臂梁单元包括热形变结构、反光板复合结构和支撑结构；所述反光板复合结构采用双材料结构，其中，朝向所述透明衬底的一侧由金属材料制作，而朝向目标物体的一层由具有高红外吸收系数的材料制作。通过该检测器对目标物体进行检测时，来自目标物体的红外光直接照射在探测器的红外吸收层上，提高了测量的灵敏度。另外，由于该探测器所采用的透明衬底，无需将微悬臂梁单元下方的衬底掏空，降低了工艺复杂度。
【专利说明】一种非制冷红外成像焦平面阵列探测器
【技术领域】
[0001]本发明涉及红外成像探测器【技术领域】，尤其涉及一种非制冷红外成像焦平面阵列探测器。
【背景技术】
[0002]一切温度高于绝对零度的物体均可产生红外辐射，且该辐射的强度及能量分布与物体温度有关，载有物体的特征信息。通过检测物体的红外辐射，可将人类不可见的红外图景转化为可见的图像。
[0003]常见的红外探测装置一般可分为量子型红外辐射探测器和热型红外辐射探测器两种。其中量子型红外探测器将红外辐射的光子能量直接转化为电子能量，而热型红外探测器则是通过检测目标物体的红外辐射引起的探测器温度变化来捕捉红外信息。
[0004]由于红外光光子的受激电子能量与室温下的电子热运动能量相当，因此量子型的红外探测器需要用液氮(77K)制冷以抑制电子热运动，这导致量子型红外探测器价格昂贵。
[0005]热型红外探测器无需液氮制冷，大大减少了制作成本，使红外技术大面积应用成为可能。常见的基于热电效应工作的探测器，由于输入电流会在探测器单元上产生附加热量，所以这种探测器很难准确检测到入射的红外辐射，同时金属导线的存在使单元间热隔离困难，限制了温升性能，且热电效应都很微弱，这就需要与之配合的读出电路具有极高的信噪比和增益，这不仅增加了设计困难，而且提高了器件成本。应用光-机械原理的光读出非制冷红外焦平面阵列，大多采用双材料悬臂梁阵列结构，检测单元吸收入射红外光后温度升高，并发生热致形变，再由光学读出系统非接触检测形变，便得到了目标的红外信息。光读出的探测器无需互联导线，单元间热隔离更加容易，也省去了读出电路的设计和制作，大大降低了开发成本。
[0006]目前采用的光读出非制冷焦平面阵列通常在硅衬底上制作，包括带有牺牲层的多层双材料悬臂梁热隔离结构和镂空单层双材料悬臂梁热隔离结构。前者需要保留硅衬底，于是当红外线经过硅衬底时，会因反射现象损失40%的红外光，这将降低探测器的灵敏度；后者虽无硅衬底反射，红外辐射的利用率很高，然而这种结构需要长时间背腔腐蚀工艺和可靠地应力控制技术来制作凭证薄膜上全镂空结构阵列，对制作工艺有很高的要求，同时这种的图形利用率低，难以进一步降低像素面积并提高分辨率。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明实施例提供一种非制冷红外成像焦平面阵列探测器，该探测器包括:透明衬底、具有高热导系数的衬底传热结构和微悬臂梁单元，其中，所述微悬臂梁单元以非嵌套方式通过所述衬底传热结构平铺于所述透明衬底上；
[0008]所述微悬臂梁单元包括热形变结构、反光板复合结构和支撑结构；
[0009]所述支撑结构与所述热形变结构各有两组，分别位于所述反光板复合结构的两侦牝每组热形变结构一端与所述支撑结构相连接，一端与所述反光板复合结构相连接；[0010]所述反光板复合结构采用双材料结构，其中，朝向所述透明衬底的一侧由金属材料制作，而朝向目标物体的一层由具有高红外吸收系数的材料制作。
[0011]通过本发明实施例所提供的非制冷红外成像焦平面阵列探测器对目标物体进行检测时，来自目标物体的红外光直接照射在探测器的红外吸收层上，避免了硅衬底对于来自目标物体的红外辐射的反射所造成的能量的损失，从而提高了测量的灵敏度。第二，由于该探测器所采用的透明衬底，目标物体可置于探测器所在平面非衬底所在一侧，因而无需将微悬臂梁单元下方的衬底掏空，降低了工艺复杂度，并提高了产品的成品率。第三，由于该探测器具有衬底传热结构，减低了微悬臂梁单元之间的热串扰，从而降低了探测器工作环境温度改变对于测量结果的影响，有利于提高成像质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0013]图1为本发明实施例所提供的一种非制冷红外成像焦平面阵列探测器结构示意图；
[0014]图2为本发明实施例所提供的非制冷红外成像焦平面阵列探测器中由多个微悬臂梁单元及多个衬底传热结构所组成的阵列结构示意图；
[0015]图3为本发明实施例所提供的非制冷红外成像焦平面阵列探测器中微悬臂梁单元的结构示意图；
[0016]图4为本发明实施例所提供的非制冷红外成像焦平面阵列探测器中热形变结构的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]为了使本【技术领域】的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本公开保护的范围。
[0018]如图1所示，图1为本发明实施例所提供的非制冷红外成像焦平面阵列探测器的结构示意图。
[0019]该探测器包括透明衬底11，衬底热传结构12以及微悬臂梁单元13。其中，多个微悬臂梁单元13以非嵌套的方式通过衬底传热结构12平铺于透明衬底11上，且衬底传热结构12分别与透明衬底11、微悬臂梁单元13直接接触。
[0020]另外，在本发明实施例所提供的技术方案中，该探测器中的透明衬底11对可见光透明，尤其是对红外成像系统中读出光路的光线透明；为减少相邻微悬臂梁单元13之间的热串扰，制作衬底传热结构12的材料需要具有较高的热导系数。
[0021]由图1还可看出，该微悬臂梁单元13包括支撑结构131，热形变结构132和反光板复合结构133。
[0022]如图2所示，图2为本发明实施例所提供的探测器中由多个微悬臂梁单元13及衬底传热结构12所组成的阵列结构示意图。
[0023]其中，支撑结构131构成微悬臂梁单元13与衬底传热结构12之间的锚点，且制作该结构的材料具有较低的热导系数，以利于微悬臂梁单元13之间的热隔离。
[0024]如图3所示，图3为本发明实施例所提供的非制冷红外成像焦平面阵列探测器中微悬臂梁单元13结构示意图。
[0025]在微悬臂梁单元13中，支撑结构131与热形变结构132各有一对，位于反光板复合结构133的两侧；
[0026]且反光板复合结构133与热形变结构132形成悬臂梁，并通过支撑结构131锚点连接于衬底传热结构12 ；
[0027]热形变结构132 —端与处于同一平面的反光板复合结构133相连接，另一端与支撑结构131相连接。
[0028]本发明实施例中所涉及的反光板复合结构133为由两种材料所制作而成的矩形板状结构，其中，朝向透明衬底11 一侧的由金属材料制作而成，并用于反射来自读出光路的可见光；而朝向目标物体一侧的则由具有高红外吸收系数的材料制作而成，并用于吸收来自目标物体的红外辐射，是该探测器的红外吸收层。
[0029]如图4所示，图4为本发明实施例所提供的非制冷红外成像焦平面阵列探测器中热形变结构132结构示意图。
[0030]其中，该热形变结构132包括热隔离梁1321和热形变梁1322，且该热隔离梁1321和热形变梁1322在同一平面内间隔回折连接。热隔离梁1321采用热导系数较低的材料制作而成，用于增大微悬臂梁单元13之间的热隔离。而热形变梁1322为双材料复合梁，两种材料热膨胀系数差异较大而杨氏模量相差尽可能小，且该两种材料的厚度比的选择依据为当温度变化值一定时，该热形变梁1322的形变量最大。例如在制作热形变梁1322时，可将金属附着到非金属薄膜上，而在对热形变梁1322的两种材料厚度进行选择时，为了使热形变梁1322达到最大变形从而得到最高的灵敏度，两种材料厚度的比值可以接近两种材料杨氏模量的反比平方根值，而梁的总厚度在满足工艺条件和支撑条件的前提下应该尽量小。
[0031]在具体制作本公开所提供的非制冷红外成像焦平面阵列探测器时，透明衬底11可采用玻璃衬底或蓝宝石衬底。衬底传热结构12可由铬、铝或金等具有高热导系数的材料制作。微悬臂梁单元13中的支撑结构131可由氮化硅或氧化硅等具有低热导系数的材料制作，用于进行单元的热隔离。反光板复合结构133中朝向透明衬底11的一侧可采用铝或金等可以反射读出光路的可见光的材料制作。而反光板复合结构133中朝向目标物体的一侧可采用氮化硅或氧化硅等具有较高红外吸收系数的材料制作。除此之外，热形变结构132的热隔离梁1321也可采用氮化硅或氧化硅等具有低热导系数的材料制作。如前所述，热形变梁1322由两种热膨胀系数差异较大而杨氏模量相差尽可能小的材料制作而成，通常可采用氧化硅/铝、或氮化硅/金等材料组合构成，例如在氧化硅上附着一层率薄膜，或在氮化硅上附着一层金薄膜等。
[0032]当使用本发明实施例所提供的非制冷红外焦平面阵列探测器捕获红外目标图景时，该探测器与配套读出光路以及制冷环协同工作。且制冷环与该探测器的衬底传热结构12相接触，控制探测器上各微悬臂梁单元13的冷端温度基本与室温保持一致，以减少各微悬臂梁单元13之间的热串扰。
[0033]在捕获红外目标图景时，该探测器位于读出光路上，读出光路的出射光透过透明探测器的透明衬底11照射在反光板复合结构133的金属层上，发生反射后又透过透明衬底11继续在光路上传输。而当来自目标物体的红外辐射达到探测器的微悬臂梁13后，反光板复合结构133吸收红外能量，温度升高，并导致热形变结构132上的热形变梁1322发生形变，带动反光板复合结构133发生转动，也就是说，读出光路上的反光板发生偏转，且该偏转角度可通过检测读出光路的偏转角度获得。
[0034]由于反光板复合结构133的转动角度与微悬臂梁单元13所吸收的能量有关，而微悬臂梁单元13的吸热量又与目标物体的红外辐射强度有关，由此可以获得反光板复合结构133的偏转角度与对应的目标物体红外辐射强度之间的关系。最终，读出光路中的光线被检测光路中的电荷I禹合装置(Charge Coupled Device, CCD)接收,形成图像。至此，目标物体的红外信号转化为CCD的可见光信号，完成红外图景到人眼可识别的可见光图景的转换。
[0035]利用本发明实施例所提供的非制冷红外成像焦平面阵列探测器对目标物体进行检测时，来自目标物体的红外光直接照射在探测器的红外吸收层上，避免了硅衬底对于来自目标物体的红外辐射的反射所造成的能量的损失，从而提高了测量的灵敏度。第二，由于该探测器所采用的透明衬底，目标物体可置于探测器所在平面非衬底所在一侧，因而无需将微悬臂梁单元下方的衬底掏空，降低了工艺复杂度，并提高了产品的成品率。第三，由于该探测器具有衬底传热结构，减低了微悬臂梁单元之间的热串扰，从而降低了探测器工作环境温度改变对于测量结果的影响，有利于提高成像质量。
[0036]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【权利要求】
1.一种非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，包括:透明衬底、具有高热导系数的衬底传热结构和微悬臂梁单元，其中，所述微悬臂梁单元以非嵌套的方式通过所述衬底传热结构平铺于所述透明衬底上； 所述微悬臂梁单元包括热形变结构、反光板复合结构和支撑结构； 所述支撑结构与所述热形变结构各有两组，分别位于所述反光板复合结构的两侧，每组热形变结构一端与所述支撑结构相连接，一端与所述反光板复合结构相连接； 所述反光板复合结构采用双材料结构，其中，朝向所述透明衬底的一侧由金属材料制作，而朝向目标物体的一层由具有高红外吸收系数的材料制作。
2.根据权利要求1所述的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述透明衬底为玻璃衬底或蓝宝石衬底。
3.根据权利要求1所述的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述衬底传热结构由铬、铝或金制作而成。
4.根据权利要求1所述的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述反光板复合结构朝向所述透明衬底的一侧采用铝或金制作而成；所述反光板复合结构朝向目标物体的一侧采用氮化硅或氧化硅制作而成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述支撑结构采用具有低热导系数的材料制作而成。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述热形变结构包括热隔离梁和热形变梁。
7.根据权利要求6所述的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述热隔离梁和所述热形变梁在同一平面内间隔回折连接。
8.根据权利要求6所述的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述热隔离梁采用具有低热导系数的材料制作而成。
9.根据权利要求6所述的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述热形变梁为双材料结构，且两种材料膨胀系数差异较大而杨氏模量差异较小。
【文档编号】G01J5/02GK103630246SQ201210303612
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年8月23日 优先权日:2012年8月23日
【发明者】高超群, 焦斌斌, 刘瑞文, 尚海平, 陈大鹏, 叶甜春 申请人:中国科学院微电子研究所