探测器以及其控制方法与流程

涉及检测器和控制检测器的方法的各种实现

背景技术：

基于微机电系统(mems)的非致冷远红外(fir)传感器(微测辐射热计)因其广泛的应用而受到关注，其中应用包括交通安全，消防或建筑物中的热量泄漏检测等。尽管如此，这种传感器可以在有限的带宽内吸收红外(ir)光谱，而无需提供特定波长吸收红外光量的任何定量信息。但是，知道特定波长红外光吸收以及通过几个波长的扫描的定量可能是有用的，因为这可以重建被观测物体发射的光谱。

目前，所谓的使用碲化汞镉(hgcdte)或量子点(qd)作为传感器的超光谱成像(hsi)和多光谱成像(msi)系统对于成像应用而言非常有前途。但是，这些传感器解决方案不是cmos工艺兼容，需要主动冷却至77k以保持传感器灵敏度；高功率要求和高制造成本也阻碍了这些传感器在低成本消费市场中的应用。

已采用的测温方法多为非冷却氧化钒(vox)微辐射热计以及扩展的光学系统的的萨格纳克干涉仪(用于波长选择)。然而，由于钒氧化物(vox)微测辐射热计的刚性，只有远红外范围内的波长才能被检测到，并特别是在光谱边缘只具有适中的传感器分辨率。另外，工作温度被限制在85℃的温度，这限制了高温应用，例如，空间遥感或在坚固环境中进行气体探测。

因此，需要小尺寸的低成本解决方案的，其也能够在高温下操作。此外，作为同时包含mir和fir光谱在内的一种检测方法，可以使得通过一个图像获取更多信息，以用于分析环境。

技术实现要素：

图解的简要描述

在附图中，贯穿不同的视图，相同的附图标记通常指代相似的部分。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在以下描述中，参照以下附图描述了本发明的各种实现，其中：

图1a展示根据各种实施的检测器的示意性框图。

图1b显示了图1a的实施的检测器的截面图。

图1c显示了根据各种实施下的说明控制检测器的方法的流程图。

图2a显示了各种实施下的检测器的示意性截面图。

图2b显示根据各种实施的微测辐射热计的示意性俯视图。

图2c显示了根据各种实施的微测辐射热计的俯视图的扫描电子显微镜(sem)图像。

图3a显示了测辐射热计温度相对于检测器的响应时间的模拟结果的曲线图。

图3b示出了频率温度系数(tcf)相对于温度的曲线图。

图3c显示了探测器的模拟温度分布。

图3d显示了不同温度下探测器的共振频移图。

图4a和4b显示具有单压电晶片的微测辐射热计的透视图，分别具有施加电位和地面的辐射热测量计腿结构。

图4c显示了不同实现下的，图4a和图4b的在大约20v的施加电势下微测辐射热计的模拟位移。

图4d显示了不同实现下的，图4a和图4b的在热应力下微测辐射热计的模拟位移。

图4e显示了不同实现下的，图4a和图4b的在热应力和约20v的施加电势下微测辐射热计的模拟位移。

图5a和5b分别显示了具有施加的电势和地面的双晶体辐射热测量计腿结构的微测辐射热计的透视图。

图5c显示不同实现下的，基于图5a和图5b实现下的在大约20v的电势下微测辐射热计的模拟位移。

图5d显示不同实现下，基于图5a和图5b的实现的微测辐射热计的对于热应力模拟位移。

图5e显示了不同实现下的，图5a和图5b的在热应力和约20v的施加电势下微测辐射热计的模拟位移。

详细描述

以下详细说明涉及附图，其以举例说明的方式显示了可以实现本发明的具体细节和方法。本领域的熟练技术人员足够可以按照详细地描述足够实践本发明。也可以利用其他实现方法，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行结构，逻辑和电学改变。各种实施不一定是相互排斥的，因为一些实施可以与一个或多个其他实施组合以形成新的实施方案。

在方法或设备的上下文中描述的实施对于其他方法或设备类似地有效。类似地，在方法的上下文中描述的实施对于设备类似地有效，反之亦然。

在实施的上下文中描述的特征可以相应地适用于其他实施中的相同或相似的特征。在实施的上下文中描述的特征可以相应地适用于其他实施，即使在这些其他实施中没有明确描述。此外，如针对实施的上下文中的特征所描述的添加和/或组合和/或替换可相应地适用于其他实施中的相同或相似特征。

在各种实施的上文中，关于特征或元素所使用的冠词“一”，“一个”和“该”包括对一个或多个特征或元素的引用。

在各种实施的上下文中，应用于数值的术语“大约”或“近似”涵盖精确值和合理方差。

如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

各种实施可以涉及坚固的电子设备。

各种实施可以提供用于多光谱成像的可调谐微测辐射热计结构的检测器，例如红外(ir)传感器。

各种实施可以提供包含红外探测器的探测器或测辐射热计。

微测辐射热计可以包括微测辐射热计吸收器，例如其可以位于微测辐射热计膜上。检测器可以包括可调法布里珀罗(fp)红外(ir)吸光结构，例如包括微测辐射热计和用于波长选择的反射器。微测辐射热计与fp结构的反射器之间的距离可以定义所需的波长。微测辐射热计可以包括具有压电执行器的一个或多个微测辐射热计支路。微测辐射热计可以包括一个或多个压电悬臂执行器，例如由具有压电执行器的微测辐射热计支腿形成，使微测辐射热计在+/-z轴方向上移动。

压电执行器可以包含但不限于氮化铝(aln)，锆钛酸铅(pzt)，氧化锌(zno)或铌酸锂(linbo3)的压电材料或任何合适材料的层。例如，压电执行器可以具有用于移动增强的双压电晶片压电结构，用于检测器的吸收区。检测器可以进一步包括在微测辐射热计顶部上的可调法布里-珀罗(fp)过滤器以提高期望的波长选择性。

应该认识到，对于辐射热测量计或微辐射热计，可以使用不同的结构或配置，例如包括但不限于基于声波的微测辐射热计(例如包括表面声波(saw)微测辐射热计)，基于金属的辐射热测量计，电阻式辐射热测量计或任何其他种类的辐射热测量计。微测辐射热计结构可以包括一个或多个辐射热测量计腿部和电磁(em)(例如红外(ir))吸收区域或比如一个em吸收器区域。

在各种实施的上下文中，术语“表面声波”可以意指沿着呈现弹性的材料(例如压电材料)的表面行进的声波，其幅度通常随着深度呈指数衰减到材料中。当声波通过或在材料表面上传播时，传播路径特性的任何变化都可能影响波的速度和/或波幅。

各种实施可以提供用于光谱成像的压电可调谐微测辐射热计结构，例如用于多光谱和高光谱中远红外(ir)检测或成像的压电执行微机械结构。在各种实施例中，通过在测辐射热计支腿上使用压电执行器，可以使吸收器和测辐射热计膜在z轴中或沿着z轴移动，而不对运动自由度有任何限制。在各种实施中，吸收器和辐射热测量计膜片可以沿z方向即±z方向双向移动。此外，在各种实现中，通过使用双压电双压电晶片悬臂并且在其间插入缓冲材料，可能实现测辐射热计膜的与环境温度无关的压电驱动运动行为。

不同实现下的检测器可以提供解决或克服传统设备的缺陷的方法，其中(1)不存在具有高运动自由度的可移动法布里-珀罗(fp)滤波器ir吸收结构，和/或

(2)局限在负z轴运动(单向)和牵引效应的移动，和/或

(3)采用对温度不稳定的静电力的结构。

ir发光的物体具有其自己的特定光谱，可以通过各种检测器或ir传感器检测和定量显示在多光谱和超光谱成像中来实现。通过检测在中红外(mir)和远红外(fir)范围内(例如在约2μm和约20μm之间)的材料的发射光谱，可能获得关于物理结构，化学组成和这种材料的温度。

各种实施可以包括以下中的一个或多个：(i)使用用于微测辐射热计动作的压电致动悬臂；(2)使用双压电晶片或单压电晶片压电致动器来形成可调法布里-珀罗(fp)红外(ir)吸收结构；(3)使用双压电晶片压电致动器来增强z轴吸收器和微辐射热计膜片的运动；(4)使用具有温度应力补偿的双压电晶片压电致动器以稳定微测辐射热计膜在整个温度范围内的运动；(5)单层悬臂结构的主动温度调节；(6)在沿z轴方向或沿z轴方向的微测辐射热计运动中的最小限制或无限制运动(无牵引效应)；(7)极端温度稳定的材料(高达约300℃)，从而提供更可靠的封装；(8)即使ir传感器发热的情况下，与环境温度(高达约300℃)无关的fpir双晶片悬臂梁吸收结构。

图1a表示检测器100的示意性框图，图1b示出了根据不同实现下的检测器100的横截面图。检测器100包括电磁(em)吸收器102，与em吸收器102隔开布置的电磁(em)反射器104，其中em吸收器102被配置为吸收电磁(em)辐射，该em辐射具有基于em吸收器102和em反射器104之间的距离d定义的波长，致动元件105，其被配置为相对于em反射器104双向地将em吸收器102从平衡位置移动以改变距离d，并且其中检测器100被配置可决定关联的em吸收器102响应于em辐射特性的变化。在图1a中，表示为106的线被表示em吸收器102，em反射器104和致动元件105之间的关系，其可以包括光学耦合和/或电耦合和/或机械耦合。

换句话说，检测器100可以包括例如通过间隙(例如气隙)116彼此间隔开地布置的em吸收器(例如ir吸收器)102和em反射器(例如ir反射器)104。em吸收器102可以布置在em反射器104上方。以这种方式，em吸收器102可以悬空或悬浮在em反射器104上方或之上。

em吸收器102可以吸收em辐射(例如ir光或辐射)，其中em辐射的波长可以与em吸收器102和em反射器104之间的距离d相关。d可以包括间隙116的间隔s。这可以意味着，由距离d限定的波长的em辐射，可以被em吸收器102最大程度地或最佳地吸收。

em吸收器102对em辐射的吸收可以引起em吸收器102的温度升高(加热)，因此可以响应于em而导致与em吸收器102相关联的性质或参数的变化。检测器100然后可以检测或确定与可能与吸收的em辐射的能量相关的温度改变/增加相关联的这种性质改变。例如，特性改变的读取就可实现。特性的这种变化可以表示所吸收的电磁辐射及其相关量或强度。此外，检测器100可以包括执行元件105，执行元件105适于相对于em反射器104双向地(例如，在两个相反的方向上)从双平衡位置移动或偏转em吸收器102(如双头箭头112所示)，以改变距离d。这可能意味着em吸收器102可以在两个相反的方向上双向移动，例如在从对应于平衡位置的起点开始的“正”方向以及从开始处开始的“负”方向。作为非限制性示例，em吸收器102可以在平衡位置中在与em吸收器102的顶表面103垂直或垂直的方向上移动或偏转。通过改变距离d，与距离相关联的波长的em辐射可以被em吸收器102吸收。

在各种实施中，em反射器104可以是静态的，静止的或不可移动的。例如，em反射器104可以形成或布置在基板上。

在各种实施例中，em反射器104可以被配置成将入射在检测器100上的初始电磁(em)辐射的至少一部分朝着em吸收器102反射，以便电磁(em)辐射被em吸收。这可以增强em吸收器102的吸收。

在各种实施的上下文中，术语“电磁辐射”可以包括红外(ir)，例如包括中红外(mir)和/或远红外(fir)。

在各种实施的上下文中，术语“平衡位置”可以表示初始位置，静止位置，非启动位置或者类似的等。在各种实施中，em吸收器102和em反射器104在它们各自的平衡位置可以限定em吸收器102和em反射器104之间的初始距离d0。

在各种实施的背景下，与em吸收器102相关联的性质可以包括em吸收器102的性质，例如，em吸收器102的电阻(resistance)。

在各种实施的背景下，与em吸收器102相关联的可能性可以包括温度依赖性，例如，电阻和/或频率，例如由em吸收器102产生的声波的频率。

在各种实施的上下文中，em吸收器102和em反射器104可以组成法布里-珀罗(fp)类似结构或空腔。

在各种实施的背景下，em反射器104可以包括反射镜(例如ir反射镜)或反射表面。

在多个实施的背景下，距离d可以在约0.5μm与约5μm之间的范围内，例如在约0.5μm与约3μm之间，在约0.5μm与约1μm之间，在约2μm与约5μm之间，或在约2μm与约3μm之间。

在各种实施中，致动元件105可以联接到em吸收器102，用于致动em吸收器102的移动以改变距离d。致动元件105可以与检测器100或em吸收器102集成，例如片上致动元件105。

在各种实施中，致动元件105可以是或可以包括压电材料，用于致动em吸收器102的移动以改变距离d。压电材料可以与检测器100或em吸收器102集成，例如片上压电材料。因此，em吸收器102可以被压电致动以改变距离d。

在各种实施的上下文中，术语“压电材料”可以意指响应于所施加的力或应力而引起电荷的材料或者所施加的电场可能引起材料的尺寸变化的材料。压电材料可以是正方形，长方形或圆形的形状。然而，应该理解，压电材料可以是任何形状或形式。

在各种实施的背景下，压电材料可选自氮化铝(aln)，氧化锌(zno)，锆钛酸铅(pzt)，四硅化钛(al2o3)，砷化铝镓(algaas)，砷化镓(gaas)，碳化硅(sic)，langasite(lgs)，氮化镓(gan)，钽酸锂(litao3)，铌酸锂(linbo3)和聚偏二氟乙烯(pvdf)或任何其他表现出压电效应的材料。

在各种实施中，检测器100还可以包括耦合到em吸收器102的至少一个支撑结构，所述至少一个支撑结构包括压电材料。该至少一个支撑结构可以是腿结构，例如，一个驱动腿或一个测辐射热计支腿。至少一个支撑结构可以具有悬臂状结构。耦合到em吸收器102的至少一个支撑结构可以被布置为耦合到衬底，使得em吸收器102可以悬挂在衬底上。通过将em吸收器202悬挂在衬底上，em吸收器102可以与衬底热隔离。

在各种实施中，所述至少一个支撑结构可以包括耦合到em吸收器102的第一侧的第一支撑结构和耦合到em吸收器102的与第一侧相反的第二侧的第二支撑结构侧。这可能意味着可以提供一对支撑结构，例如，两个驱动腿或辐射热测量计腿。第一支撑结构和第二支撑结构中的每一个可以具有悬臂状结构。

在各种实施中，第一支撑结构可布置成在em吸收器102的第一侧上的第一位置处耦合到em吸收器102，而第二支撑结构可布置成耦合到em吸收器102在em吸收器102的第二侧上的第二位置处。第一位置和第二位置均可以包括em吸收器102的边缘区域或侧面区域。

在各种实施中，所述至少一个支撑结构可以包括电介质材料(例如sio2)，其中压电材料和电介质材料可以一个布置在另一个之上。以这种方式，可以形成单压电晶片结构或悬臂状结构。在各种实施中，压电材料可以布置在介电材料的顶部上。压电材料可以夹在一对电极(例如tin电极)之间。

在各种实施中，至少一个支撑结构可以进一步包括另一压电材料，其中压电材料和另一压电材料可以一个布置在另一个之上。以这种方式，可以形成双晶片结构或悬臂状结构。在各种实施中，所述至少一个化合物结构还可以包括压电材料和另一压电材料之间的缓冲材料(例如sio2)，所述缓冲材料配置为提供抵抗热应力的补偿。

在各种实施中，压电材料可夹在第一对电极(例如tin电极)之间，并且另一压电材料可夹在第二对电极(例如tin电极)之间。在各种实施中，第一对电极和第二对电极中的相应第一电极可以彼此电耦合，并且第一对电极和第二对电极中的相应第二电极可以彼此电耦合。这可能意味着各个第一电极可以具有相同的第一电势，而当电信号施加在第一和第二对电极之间时，各个第二电极可以具有相同的第二电势。各个第一电极可以被布置为彼此面对。

在各种实施中，所述至少一个支撑结构可以包括两个或更多个压电材料(例如，两个，三个，四个或任何更多数量的压电材料)。因此，至少一个支撑结构可以具有多个压电材料的多层设计。相应的缓冲材料可以布置在相邻的压电材料之间。

在各种实施中，检测器100可进一步包括在致动元件105与em吸收器102之间的绝热材料，以提供致动元件105与em吸收器102之间的热隔离。绝热材料可用于调节或控制em吸收器102或检测器100的热时间常数。在各种实施中，绝热材料可以包括氧化硅(sio2)或氮化硅(sin)。在各种实施中，检测器100可以进一步包含隔热材料的隔热结构或支腿。

在各种实施中，em吸收器102可以包含一对电极(例如，tin电极)的声波谐振器和压电结构，其中压电结构可以电耦合到该对电极，其中声学波谐振器可以被配置为产生声波，并且其中检测器100可以被配置为响应于em辐射来确定声波的频率(例如谐振频率)的变化。

在各种实施中，该对电极可以仅设置在一个表面上。这可能仅在一个表面上产生表面声波。

在各种实施中，所述一对电极可以被布置在第一层中，并且压电结构可以被布置在与第一层相邻的第二层中。第二层可以布置在第一层和em反射器104之间的em反射器104附近。

在各种实施的上下文中，术语“压电结构”可以与术语“压电材料”定义的定义相同。在各种实施例中，压电结构可以用作声波介质(例如，表面声波介质)。在各种实施的上下文中，术语“谐振器”可以表示具有谐振的装置或系统，其中装置可以在特定频率处，以相对非谐振频率下振荡的幅度更大的振幅振荡或谐振，称为谐振频率。谐振器用来使用来激发或产生波，可使用声波谐振器来在介质中产生声波。在各种实施中，该对电极和压电结构可以形成共振微结构，其中压电结构可以电耦合到该对电极，使得该对电极可以激发声波以在压电结构内或其上传播。

在各种实施的上下文中，术语“声波谐振器”可以包括例如lfe-fbar(横向场激励薄膜体声波谐振器)。在各种实施中，声波谐振器可以激发声波，该声波包括但不限于以下波，例如表面声波(saw)，lfe-fbar模式，checker模式或任何可能激发的声波。

在各种实施的背景下，压电结构可以电耦合到一对电极，使得该对电极可以激发或产生声波。在这种情况下，术语“电耦合”可以表示压电结构与一对电极电连通，使得流过该对电极的电流(或施加到该对电极的电压)可以导致例如对压电结构产生影响(例如变形)，例如产生声波以在压电结构上或内部传播。在各种实施中，可基于一对电极的几何布置来确定声波谐振器的谐振频率以及所产生的声波的谐振频率。

在各种实施中，该对电极中的每一个可以包括多个齿。这可能意味着该对电极中的每个电极可以具有梳状形状的排列。

在各种实施中，该对电极可以以交叉指型(idt)图案布置。这可能意味着一对电极可以被布置为使得一个电极的多个齿中的每个齿与另一个电极的多个齿中的每个齿交替排列。

在各种实施中，检测器100可进一步包括用于在到达em吸收器102之前过滤入射在检测器100上的初始电磁(em)辐射的滤波器。滤波器可布置在em吸收器102上方或之上。滤波器可以是法布里-珀罗(fp)滤波器。

在各种实施中，滤波器可以选择性地通过期望的波长或波长范围的滤波的em辐射以被em吸收器102吸收，因此可以由检测器100完成探测。

在各种实施中，滤波器可以是可调谐的以用于过滤初始em辐射的不同波长。例如，滤波器可能是一个可调fp滤波器。

在各种实施中，滤波器可以是红外(ir)滤波器。例如为可调红外滤光片或可调法布里珀罗红外滤光片。

在各种实施的背景下，检测器100可以包含红外(ir)检测器或红外(ir)检测器本身。ir检测器可以被配置为检测波长高达约20微米，例如约2微米和20微米之间，约2微米和10微米之间，约2微米和5微米之间的波长的红外(ir)辐射，5微米和20微米，约10微米和20微米之间，或约5微米和15微米之间。

在各种实施的背景下，em吸收器102可以包括或可以是测辐射热计或微测辐射热计。微测辐射热计可以是cmos兼容的微测辐射热计。微测辐射热计可以包括基于声波的微测辐射热计，基于金属的微测辐射热计，电阻式微辐射热测定计或任何其他类型的微测辐射热计。

在多种实施方式的情况下，检测器100可以在高达约300℃的温度下操作，例如在室温(例如约25℃)和约300℃之间，约25℃和约200℃之间，约25℃和约100℃，约100℃至约300℃，或约50℃至约200℃。

在多个实施的背景下，检测器100可以是非冷却检测器。这可能意味着检测器100可能不需要主动冷却来进行操作。

在各种实施的背景下，检测器100可以包含或可以设置在衬底(例如硅(si)衬底)上。em反射器104可以安装在衬底上。在各种实施例中，衬底可以包括一个或多个cmos电路。

在各种实施的上下文中，术语“耦合”和“耦合”可以包括电耦合和/或机械耦合。

在各种实施的背景下，关于两个或更多个部件的“耦合”和“被耦合”的术语可以包括直接耦合和/或间接耦合。例如，彼此耦合的两个部件可能意味着在两个部件之间存在直接耦合路径和/或在两个部件之间存在间接耦合路径，例如，经由连接在其间的一个或多个中间部件。

图1c流程图120图解了不同实现下的控制检测器的方法。

在122处，操作检测器的致动元件以使检测器的电磁(em)吸收器相对于电磁(em)元件从平衡位置沿从电磁吸收器可移动的两个相反方向中选择的方向移动，所述检测器的反射器布置成与所述电磁吸收器间隔开，以改变所述电磁吸收器和所述电磁反射器之间的距离d，其中所述电磁吸收器被配置为吸收电磁辐射，其电磁辐射波长由所述距离决定。这可能意味着em吸收器可以在两个相反的方向上移动，其中em吸收器可以相对于em反射器在两个相反方向中的一个方向上移动，以此通过执行元件来改变距离d。

在124处，响应于电磁辐射而与电磁吸收器相关联的特性变化可以被确定。

在各种实施中，em吸收器可以相对于em反射器在两个相反(或相反)方向上双向地从平衡位置移动，并且可以操作致动元件以将em吸收器从平衡在两个可能的相反方向或相反方向(例如“负”方向)中的一个方向(例如“正”方向)上的位置。

在各种实施中，在122处，可操作致动元件以使检测器的em吸收器相对于em反射器在两个相反方向上双向地从平衡位置移动。这可能意味着em吸收器可能在一个方向上移动，然后沿相反的方向移动。

在各种实施中，致动元件可以耦合到em吸收器。

在各种实施中，致动元件可以包括压电材料或者可以是压电材料。这可能意味着em吸收器可以通过压电材料压电致动以改变距离d。

现在将以下所述的非限制性示例为例，基于声波微测辐射热计，来描述各种实现的检测器。

图2a表示根据各种实施的检测器200的示意性横截面图。作为非限制性示例，将基于用于红外(ir)应用的基于声波的微测辐射热计(例如表面声波(saw)微测辐射热计)来描述检测器200。图2a说明了适用多光谱和高光谱成像的结构，它包含了可调ir-光滤波器和ir-光检测器。

检测器200可以包括用于波长过滤的可调法布里珀罗(fp)红外(ir)滤波器210和用于ir吸收的可移动微测辐射热计结构220。可以在微测辐射热计220之前提供可调ir过滤器210，例如在微测辐射热计220上方或上方，其中可以使用过滤器210来过滤所期望的波长，例如从材料的发射光谱中滤出。这可能意味着滤光器210可以在波长范围内接收如箭头290所表示的光(例如ir光)，其具有由291表示的光谱(例如，在约3微米和12微米之间)，并且如箭头292所示将所需波长或期望波长范围的光选择性地传递给微测辐射热计220，以供微测辐射热计220吸收用于检测，如箭头293所表示的，检测器200对不希望的波长的检测可能不感兴趣。以这种方式，滤波器210可以接收跨越宽波长带的光并且可以选择性地过滤单一波长的光或者某窄波段的光。

在各种实施中，过滤器210可以包括一对反射器(例如反射镜，反射表面)；第一反射器212和第二反射器214，所述第一反射器212和第二反射器214彼此间隔开间隙并在其间限定了一个空腔，其中间隙的距离dr可以确定滤波器波长，使得波长或波长范围的光对应于滤波器波长的信号可以通过滤波器210。电压vr可以施加在第一反射器212和第二反射器214之间以改变距离dr以改变滤波器波长(s)，从而使滤波器210可调。

检测器200具有法布里-珀罗(fp)状结构中的微测辐射热计结构220，其具有定位在悬挂式微测辐射热计膜片224上的ir吸收器221以及下方的ir反射器或反射镜226。ir反射器226可以由铝(al)或可以具有涂覆有铝的表面。ir反射器226可以形成或布置在衬底(例如硅(si)衬底)228上。微测辐射热计膜224可以是氧化硅(sio2)层，例如厚度约100nm。

ir吸收器221可以包括压电结构222，例如由诸如氮化铝(aln)的材料构成。压电结构222可以具有矩形形状。ir吸收器221可进一步包括形成或排列成叉指式(idt)结构或图案的一对电极(例如，氮化钛(tin)电极)，

如由240表示(请参照图2b的俯视图一对电极)在压电结构222的顶表面上方。一对电极240和压电结构222可形成声波谐振器，例如表面声波谐振器。一对电极240可以电耦合到压电结构222，其中声波谐振器可以产生声波(例如表面声波)。例如，可以通过在一对电极240上施加电场来产生声波。此外，一对电极240可以用作红外(ir)吸收层以及接触层。这可能意味着除了用作电接触之外，该对电极240可以用作吸收层。例如厚度为约10nm的电极(例如tin电极)242可以设置在压电结构222下方，并且可以电耦合到压电结构222。钝化层(例如sio2层)241可以设置在该对电极240上方。

ir吸收器221可以通过间隙(例如气隙)与ir反射器226间隔开，如双头箭头230所示。因此，ir吸收器221可以悬挂或悬浮在ir反射器之上或之上。制造时，可以在衬底228上形成牺牲层(例如，非晶硅)，例如在衬底228和膜224之间，其中牺牲层然后可以随后蚀刻掉以形成间隙230。

ir吸收器221可接收光292并吸收可基于ir吸收器221与ir反射器226之间的距离限定的特定波长光291。作为非限制性示例，ir吸收器221和ir反射器226之间的距离d可以被定义为ir吸收器221的顶表面和ir反射器226的顶表面之间的距离，如双头箭头232所示。然而，应当理解，ir吸收器221和ir反射器226之间的距离也可以以其他方式限定，例如间隙230或ir吸收器221的底表面与ir反射器226顶部之间的距离。ir吸收器221和ir反射器226之间的距离d，可决定期望波长λ(可基于关系d＝λ/4)的吸收最大值。ir反射器226可以将至少一部分光292反射向ir吸收器221以增强吸收。

由ir吸收器221吸收的光可以引起ir吸收器221的加热。作为加热的结果，与ir吸收器221相关的性质可以改变，例如频率的改变(例如共振频率)产生的声波。性质改变可以由检测器200确定，检测器200可以提供由ir吸收器221吸收的光和相关强度的指示。

通过将ir吸收器221悬挂在距ir反射器226一定距离处，ir吸收器221也可以被设置为悬浮，漂浮或悬挂在离衬底228一定距离处，其间具有间隙230。这可以使通过衬底228的能量(例如热能或热量)损失最小化，由此在ir吸收器221(由此导致的测量辐射热测量计220)和衬底228之间提供热隔离。

微测辐射热计结构220可以进一步包括两个支撑结构，以测辐射热计支腿的形式，其可以充当致动腿，例如，第一辐射热测量计或致动腿250a以及布置在ir吸收器221的相对侧上的第二辐射热测量计或致动腿210b。第一致动腿250a和第二辐射热测量计可以经由通孔140耦合到ir吸收器221的相应相对边缘区域相应的热隔离腿。第一致动腿250a可以经由第一热隔离腿252a联接到ir吸收器221，而第二致动腿250b可以经由第二热隔离腿252b联接到ir吸收器221。第一热绝缘腿252a和第二热绝缘腿252b可以被设置用于辐射热测量计220的热时间常数调节。

第一致动腿250a可以联接到用于联接到基板228的第一锚结构254a，而第二致动器腿250b可以联接到用于联接到基板228的第二锚结构254b。第一锚定结构254a和第二锚定结构254b可以是导电的，例如包括金属材料(例如al)。第一锚定结构254a和第二锚定结构254b可以耦合到例如可以与衬底228一起提供或集成的一个或多个cmos读出集成电路(cmosroic)。cmos电路，例如，可以依据吸收光反馈来确定ir吸收器221关联的特性的变化。

第一热绝缘腿252a和第二热绝缘腿252b中的每一个可以包括绝缘材料(例如sio2)以提供ir吸收器221与相应的第一致动腿250a和第二致动腿250b之间的热绝缘。应该认识到，和基底228的导热相比，第一致动腿250a和第二致动腿250b采用导热率低的的其他材料，可以用作绝热材料。

第一致动腿250a和第二致动腿250b可以具有一层压电材料的单压电晶片结构，或者具有一层布置在另一层之上的两层压电材料的双压电晶片结构。这可以实现微测辐射热计膜片224以及ir吸收器221的压电致动。第一致动腿250a和第二致动腿250b中的每一个可以是基于sio2的，其上沉积有压电材料以形成单压电晶片悬臂或两个沉积在其上的压电材料形成双压电晶片悬臂。

作为非限制性示例，图2a显示了第一致动腿250a和第二致动腿250b中的每一个都具有双晶结构。第一致动腿250a和第二致动腿250b中的每一个可具有布置在第二压电材料256b上方的第一压电材料256a，中间为缓冲材料(例如sio2)258。缓冲材料258可以提供抵抗可能引起的热应力的补偿，例如在检测器200的操作期间，其中可以在第一致动腿250a和第二致动腿250b中产生热应力。第一压电材料256a和第二压电陶瓷材料256b中的每一个可以包括氮化铝(aln)。然而，应该理解，也可以使用其他材料，包括但不限于锆钛酸铅(pzt)，氧化锌(zno)和铌酸锂(linbo3)。第一压电材料256a和第二压电材料256b中的任何一个或每一个可以具有大约200nm的厚度。如图2a所示，电极(例如，tin电极)可以被提供为耦合到第一压电材料256a和第二压电材料256b。当ir吸收器221与ir反射器226之间的距离d可以确定吸收波长λ时，可以通过改变距离d来改变吸收波长。ir吸收器221，例如经由第一致动腿250a和/或第二致动腿250b的压电致动可以被执行，以使ir吸收器221从其平衡或非致动位置相对于ir反射器226双向地移动或偏转改变距离d，如双头箭头234(例如沿着z轴)所表示。

例如，通过在第一致动腿250a和/或第二致动腿250b的悬臂结构的电极上施加电势，第一压电材料256a和/或第二压电材料256b可以在横向方向(例如沿着x轴)上被挤压或者扩展(取决于电位的极性)，因此可能导致整个悬臂结构以及膜224的sio2层在z方向上弯曲。以这种方式，根据所施加的电势的极性，ir吸收器221可以在“+z”方向上向上移动或者在“-z”方向上向下移动。

应该理解的是，与第一致动腿250a和第二致动腿250b相关联的电极以及该对电极240的吸收体材料可以不反射红外光292。薄的tin层可以用来满足这个要求。

图2a进一步显示了曲线201图解的发射的202，滤波的203和吸收的ir光谱204。因此，通过沿+/-z轴内的z方向移动膜224和ir吸收器221，d在ir吸收器221和ir反射器226之间可以改变，导致ir光吸收最大值的移位，如204所示。因此，利用该方法，可以从与可调fp滤波器210结合的大约2μm至约20μm的红外光谱来组成检测器或系统，比如，用于定量光谱检测。

图2b表示微测辐射热计220的示意性俯视图，图2c显示了不同实现的微测辐射热计220的俯视图的扫描电子显微镜(sem)图像270，显示了微测辐射热计220的几何布局。微测辐射热计220可以包括限定吸收区域的ir吸收器221。ir吸收器221可以包括一对电极，例如，布置在压电结构222上的第一电极260a和第二电极260b。第一电极260a可以包括多个齿或指状物，如用于一个齿的262a所表示的。第二电极260b可以包括多个齿或指状物，如由一个齿262b表示的。这可能意味着第一电极260a和第二电极260b中的每一个可以具有梳状形状的布置。第一电极260a和第二电极260b可以形成交叉(idt)图案或配置，使得第一电极260a的齿262a可以与第二电极260b的齿262b交替排列。

如图2b和图2c所示，双拐角腿结构或组件可以联接到吸收器221。双拐角腿结构可以包括用于z轴移动的致动腿250a或250b和用于热量的相应热隔离腿252a或252b。例如，第一致动腿250a和第一热隔离腿252a可以彼此耦合并且在联接点处形成角部，而第一致动腿250a在或靠近与吸收器221的连接点可以形成另一角部。

应该理解的是，可以采用包括一个或多个悬臂的微测辐射热计设计的其他布置或配置。作为非限制性示例，可以采用线性腿组件，其中耦合到热隔离腿的致动腿(其耦合到吸收体)可以以直线对齐。

为了便于理解具有可调谐微测辐射热计的各种实施的检测器，即非可调谐声波微测辐射热计的检测器，现在将参考3a到3d来描述，其中测辐射热计腿结构中不存在压电材料。

现在将描述微型辐射热测量计的响应时间。响应时间可以指物体温度改变后等待的最短时间。根据定义，响应时间可以在热时间常数τth的3倍以上(例如，>3τth)以及信号输出变为其最终值的95％之后达到。此外，热时间常数τth,可以通过微测辐射热计热容cbolo除以其热导率λbolo来描述，如以下等式1所提供的：

估计微测辐射热计热时间常数τth的非限制性方式之一可以由下式给出

其中t(t)是指时间依赖测辐射热计温度，tsub是指基板温度，而δt指的是在将传感器暴露于热源之后的温度升高。

可以使用有限元分析软件来模拟各种实施例的辐射热测量计结构的与时间相关的温度行为，以确定热时间常数τth和热响应时间。图。图3a示出了测辐射温度计温度相对于响应时间的模拟结果302的绘图300。结果302显示模拟时间相关温度t(t)与时间的关系。为了比较的目的，由曲线300中包括由平方数据点表示的理论值(如由304表示的一个数据点)的理论值。通过使用等式2，可以对温度特性进行建模，并且热时间常数τth估计约为7.4毫秒，热响应时间约为22.2毫秒。

图3b显示频率温度系数(tcf)相对于温度的曲线图320，说明温度高达约90℃时的tcf约为-40ppm/k，然后在温度高于100℃时以数量级增加。

图3c显示检测器340的模拟温度分布。检测器340包括耦合到第一测辐射热计支路344a和第二测辐射热计支路344b的吸收器342。结果表明，吸收器342处的温度可以是最高的，其中温度可以减小从第一测辐射热计支架344a的相应部分和耦合到吸收器342的第二测辐射热计支路344b朝向相应端部346a，第一测辐射热计支架344a和第二测辐射热计支架344b的346b。

图3d显示针对不同温度的检测器的共振频移的曲线图360，演示了微测辐射热计的测量温度特性。曲线360显示了约20℃，约30℃，约40℃，约50℃，约60℃，约70℃，约80℃，约90℃和约100℃的温度的结果。

现在将通过以下非限制性示例来描述各种实施例的压电可调声波(aw)微测辐射热计的原理。使用有限元分析软件的仿真可以基于微测辐射热计结构来执行，该微测辐射热计结构具有由用于z轴移动的致动腿和用于微热辐射计的热时间常数调节的热隔离腿限定的双角部腿部结构，类似于2b和2c的实施。

图4a和4b分别显示具有单压电子辐射热测量计腿结构450a，450b的微测辐射热计400的透视图，其具有施加的电势和接地。微测辐射热计400包括吸收体421，吸收体421包括在压电结构422上以交叉梳状(idt)图案布置的一对电极。该对电极可以包括第一电极460a和第二电极460b。微型辐射热测量计结构400进一步包括耦合到第一热绝缘腿452a和耦合到第二热绝缘腿452b的第二辐射热测量计腿450a，第一热绝缘腿452a又耦合到吸收器421，第二热辐射计腿450a又耦合到第二热绝缘腿452b，耦合到吸收器421。

第一辐射热测量计腿450a和第二辐射热测量计腿450b中的每一个可以包括单压电晶片结构。使用第一测辐射热计支架450a作为示例，第一测辐射热计支架450a可以包括具有布置在sio2的电介质层458上的单个aln层的单个压电材料456的单压电晶片结构401(显示为横截面视图)。压电材料456可以夹在第一电极457a和第二电极457b之间。

在各种实施中，第一电极457a可以电耦合到第二电极460b，或者第一电极457a和第二电极460b可以是连续电极。在各种实施例中，第二电极457b可以电耦合到第一电极460a，或者第二电极457b和第一电极460a可以是连续电极。使用第一测辐射热计支架450a作为示例，可以例如经由电压源403在第一电极457a和第二电极457b之间施加电势(例如，约5v)以使压电材料456变形以沿着z轴双向地致动吸收器421的移动。例如，这可能意味着可以将电压(例如约5v)施加到第二电极457b，而第一电极457a可以接地，使得在第一辐射热测量计腿部450a顶部和底部之间存在电压降。应该理解的是，可以将类似的电势或不同的电势施加到第二测辐射热计支架450b的单压电晶片结构。另外，可以在第一电极460a和第二电极460b之间施加电压降(例如约5v)，使得在多个齿462a和多个齿462b之间存在电压降。

在图4a中，第一测辐射热计支架450a和第二测辐射热计支架450b的顶部或上侧或部分以及具有其相关联的多个齿462a的第一电极460a，暗色部分显示了这些部分的5v的电压。第一辐射热测量计腿450a和第二辐射热测量计腿450b的底部或下侧或部分，以及第二电极460b及其相关联的多个齿462b，在图中以暗色显示，为接地。

应该理解的是，图4a和4b示出了当施加电势时同一微测辐射热测量仪400的情况，但是分别显示处于相应的不同电势(例如5v或接地)的微测辐射热测量仪400的局部。

图4c示出了基于图4a和图5b的实施例的微测辐射热计400的模拟位移。根据各种实施，在第一电极457a和第二电极457b之间施加大约20v的电位。结果显示，吸收器421，第一热绝缘腿452a和第二热绝缘腿452b经历的相应位移可以是最高的(按照量值)。结果进一步显示，位移可随后朝向分别远离第一隔热腿452a和第二隔热腿452b的第一辐射热测量计腿450a和第二辐射热测温计腿450b的相应顶端的方向移动。

图4d显示了根据各种实施的基于图4a和图4b的实施例的微热辐射计400的模拟位移，根据各种实施例，显示了由于温度应力导致的膜和吸收器421的弯曲或变形环境温度约为100℃，结果表明吸收体421，第一隔热支脚452a和第二隔热支脚452b所经受的位移可能最大(数量级)，结果进一步表明：位移然后可以减小，分别朝着第一测辐射热仪支腿450a和第二测辐射热测量计支腿450b的相应端部分别远离第一隔热支脚452a和第二隔热支脚452b移动。

图4e显示基于图4a和图4b的实施的微测辐射热计400的模拟位移。根据不同实施，由于环境温度约为100℃且施加电位约为20v的热应力，结果显示，吸收器421，第一热绝缘腿452a和第二热绝缘腿452b经历的相应位移可以是最高的(按照量值)。结果进一步显示，位移然后可以在朝向第一测辐射热计支架450a和第二测辐射热计支架450b的相应端部分别远离第一隔热支脚452a和第二隔热支脚452b的方向上移动。约100℃的温度可能会影响整个压电运动的约20％的结构行为。

图5a和5b分别表示具有分别具有施加的电势和接地的双晶辐射热测量计腿结构550a，550b的微测辐射热计500的透视图。微测辐射热计500包括吸收器521，所述吸收器521包括在压电电结构522上以交叉梳状(idt)图案布置的一对电极。该对电极可以包括第一电极560a和第二电极560b。微测辐射热计结构500进一步包括耦合到第一热绝缘腿552a(其耦合到吸收器521)的第一辐射热测量计腿550a和耦合到第二热绝缘腿552b的第二辐射热测量计腿550b，最终耦合到吸收器521。

第一辐射热测量计腿550a和第二辐射热测定计腿550b中的每一个可以包括双压电晶片结构。使用第一测辐射热计支架550a作为示例，第一测辐射热计支架550a可以包括具有布置在aln层的第二压电材料556b之上的aln层的第一压电材料556a的双压电晶片结构501(显示为横截面视图)，夹在其间的sio2缓冲层558作为热应力的补偿层。因此，双压电晶片结构501可以具有双重aln层。然而，应该是双压电晶片悬臂结构501可以不限于双压电层系统，因为可能使用多层设计。

第一压电材料556a可以夹在第一对电极之间，例如，在第一电极557a和第二电极557b之间，而第二压电材料556b可以夹在第二对电极之间，例如，在第一电极559a和第二电极559b之间。各个第一电极557a，559a可以电连接在一起，而各个第二电极557b，559b可以电连接在一起。

在各种实施中，各个第一电极557a，559a可以电耦合到第二电极560b，或者各个第一电极557a，559a和第二电极560b可以是连续电极。在各种实施例中，各个第二电极557b，559b可以电耦合到第一电极560a或各个第二电极557b，559b，并且第一电极560a可以是连续电极。

使用第一测辐射热计支架550a作为示例，可以例如经由电压源503在相应的第一电极557a，559a和相应的第二电极557b，559b之间施加电势(例如，约5v)以使压电材料556a和第二压电材料556b变形以沿着z轴双向地致动吸收器521的移动。例如，这可能意味着可以将电压(例如，约5v)施加到相应的第二电极557b，559b，而相应的第一电极557a，559a可以接地，使得在外部(例如顶部和底部)以及第一辐射热测量计腿部550a的内部部分。应该理解的是，可以将相似的电势或不同的电势施加到第二测辐射热计支架550b的双压电晶片结构。另外，可以在第一电极560a和第二电极560b之间施加电压降(例如约5v)，使得在多个齿562a和多个齿562b之间存在电压降。

在图5a中，第一测辐射热计支腿550a和第二测辐射热计支腿550b的顶侧或部分以及底侧或部分以及具有其相关联的多个齿562a的第一电极560a以较暗的阴影图示以说明这些部分的电势(例如5v)。在图1中，如图5b所示，第一测辐射热仪支腿550a和第二测辐射热测量计支腿550b的内部中心部分(对应于相应的第一电极557a，559a)以及具有其相关联的多个齿562b的第二电极560b，以较暗部分表明这些部分接地。

应该理解的是，图5a和5b示出了当施加电势时相同的微测辐射热计500的情形，但是分别示出了处于相应不同电势(例如5v或地电位)的微测辐射计500的局部。

图5c显示了基于图5a和图5b的实施例的微测辐射热计500的模拟位移。根据各种实施，在相应的第一电极557a，559a和相应的第二电极557b，559b之间在约20v的施加电势下施加电压。结果显示吸收器521导致的，第一热绝缘腿552a和第二热绝缘腿552b经历的相应位移可以是最高的(按照量级)。结果进一步示出，在朝向第一测辐射热计支腿550a和第二测辐射热计支腿55ob的相应端部分别远离第一隔热支脚552a和第二隔热支脚552b的方向上，位移会减小。

图5d显示基于图5a和图5b的实施例的微测辐射热计500的模拟位移。根据不同实现，由于热应力，图5a和图5b示出了由于温度应力导致的膜和吸收器521在约100℃的环境温度下的弯曲或变形。结果表明，在吸收器521的中心区域处经历的位移可能是最低的(在量级上)，其中位移从吸收器521的中心区域朝向边缘区域逐渐增加。结果进一步示出在吸收器521与相应的第一热绝缘腿552a和第二热绝缘腿552b之间的各个耦合点附近经历的位移可以是最高的，其然后可以沿着朝向第一测辐射热计腿的相应端部的方向550a和第二测辐射热计支腿550b分别远离第一隔热腿552a和第二隔热腿552b的方向减小。

图5e显示根据各种实施的基于图5a和5b的实施例的微测辐射热计500的模拟位移，归因于对于约100℃的环境温度和约20v的施加电势的热应力，结果表明吸收器521，第一热绝缘腿552a和第二热绝缘腿552b经历的相应位移可能是最大的(在量级上)。结果进一步表明，位移可以减小朝向第一测辐射热计支腿550a和第二测辐射热计支腿550b的相应端部分别远离第一隔热支脚552a和第二隔热支脚552b，约100℃的温度可能影响整体压电运动结构行为的约2.8％，双压电晶片结构so1的缓冲材料558提供的应力和温度补偿可以减小与单压电晶片结构401相比，温度的影响大约10倍。

对比图4c和5c，与具有单压电晶片结构401的微测辐射热计400相比，具有双压电晶片结构501的微测辐射热计500可以观察到大得多的位移。应当理解，总位移还可以取决于施加的电位和/或悬臂辐射热测量计腿的长度和/或测辐射热计腿中的压电材料的厚度。

此外，与单压电晶片结构401相比，通过使用双压电晶片结构501，考虑到整体的压电运动，膜或吸收器的依赖相关的位移运动可以减少约10倍，从约20％降低至约2.8％。

如图所示，如图4c和5c所示，各个实施的检测器的膜运动可分别针对单模结构和双压电晶片结构在z轴上进行控制。

各种实施可以提供用于多光谱和高光谱红外(ir)成像的非冷却高温稳定检测器或系统。包括吸收层的微测辐射热计膜片可以通过在测辐射热计支腿上使用压电悬臂和致动器而在+/-z轴或z方向上移动。在各种实施中，利用形成法布里-珀罗结构或光学腔的可移动吸收器和静态反射器，可以将吸收波长与可调谐滤波器调节后的ir波长对准，其可以布置在微测辐射热计膜之前，导致ir光的绝对值检测。由于各种实施例的检测器的运动的高自由度，可以扫描从约2μm到约20μm达到的全部红外光谱。结合中远红外和远红外信息可以从进一步完整的维度来提供分析我们的环境，其中可能的应用领域例如远程成像，爆炸物探测，食物检查和废物管理等等。

应当理解，不同实现可以包括以下中的一个或多个：

(1)用于多光谱和高光谱ir检测的压电致动红外(ir)吸收结构；(2)采用任何压电驱动方法增强的双向的可调z轴移动；(3)测辐射热计膜的高度精确的线性运动行为，因此具有良好的波长吸收选择性；(4)双晶片，用于法布里-珀罗(fp)ir吸收层(或膜)的缓冲环境温度稳定悬臂；(5)双压电晶片缓冲结构造成的较大温度工作范围；

(6)高温应用下的吸收层运动稳定行为；(7)单压电晶片fpir吸收体的主动温度补偿；(8)高精度，全中红外和远红外光谱吸收；(9)根据所需应用，可以使用不同的结构实现中远红外光的全吸收。

虽然已经参照具体实施案例具体演示和描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，可以在其中进行形式和细节上的各种改变，而不脱离本发明的精神和范围，由此所附权利声明。因此，本发明的范围由所附权利要求表示，并且因此旨在涵盖落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化。