红外探测芯片和红外探测器

1.本发明涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种红外探测芯片和红外探测器。


背景技术：

2.目前，非制冷红外焦平面阵列技术在相关领域得到了日益广泛地应用：在军事方面，已经成为了保卫国家安全的主要力量之一；在民用方面，已经广泛的应用到了工业、医疗、消防以及视频监控中。
3.近年来，几种新型光学读出非制冷红外成像技术相继被开发出来，主要有双材料微悬臂梁探测技术、法布里-珀罗微腔红外探测技术、热电光非制冷红外探测技术等，但它们仍然存在一些技术难题没有解决。比如，双材料微悬臂梁探测器固有机械噪声不易除去，从而限制了其在工业上的推广；法布里-珀罗微腔红外探测器微腔可动微镜的残余应力和表面粗糙度的控制还有待提高。热电光非制冷红外探测器需要高电光性能的晶体薄膜，材料的制备和性能优化都非常困难。因此，继续改进现有技术或研究开发新的光学读出红外热成像技术是十分必要的。


技术实现要素：

4.本发明提供一种红外探测芯片和红外探测器。
5.本发明实施方式的红外探测芯片包括：
6.光学部件；
7.设置在所述光学部件下方的红外探测阵列，所述红外探测阵列包括多个阵列排布的红外探测单元，所述红外探测单元能够在激发光的作用下发出可见光，所述红外探测单元还能够在通过所述光学部件汇聚后的红外辐射的作用下发生温度变化以使得所述可见光的强度发生变化；所述可见光的强度与所述红外探测单元的温度大小负相关，所述红外探测单元的温度大小与所述红外探测单元所接收的红外辐射的强度正相关；和
8.设置在所述红外探测阵列下方的光电读出模块，所述光电读出模块包括阵列排布的多个光电读出单元，所述光电读出单元与所述红外探测单元一一对应，所述光电读出单元用于检测所述可见光的强度并转化为电信号。
9.在本发明实施方式的红外探测芯片中，被激发光激发的红外探测单元可发出可见光，红外辐射会引起红外探测单元的温度变化，从而引起红外探测单元所发出的可见光的强度发生变化，红外辐射的强度越强，则可见光的强度越小，因此，当红外辐射被汇聚在红外探测单元上时会引起可见光的发光强度的变化，而光电读出单元则可将发光强度的变化转化为电信号的变化，这样就可以将红外辐射的分布转化为可见光的光强分布，最后可通过光电读出单元的电信号的变化来得出各个不同位置和区域的红外辐射强度以实现对热源的红外成像。这样，只需要将红外探测阵列中的红外探测单元设置成能够被激发光激发而发出可见光且能够在红外辐射的作用下发生温度变化而引起发出的可见光的强度发生变化即可实现红外成像，红外探测芯片的结构和制备工艺较为简单，成本较低，灵敏度较
高。
10.在某些实施方式中，所述光学部件包括阵列排布的多个微透镜，所述微透镜与所述红外探测单元一一对应，所述红外探测单元位于所述微透镜的焦平面上，所述微透镜用于将所述红外辐射汇聚在所述红外探测单元上。
11.在某些实施方式中，所述红外探测单元由荧光热敏材料制成。
12.在某些实施方式中，所述红外探测芯片内形成有真空腔，所述红外探测单元位于所述真空腔内。
13.在某些实施方式中，所述红外探测芯片还包括绝热结构，所述绝热结构层叠设置在所述红外探测单元下方且位于所述红外探测单元和所述光电读出单元之间。
14.在某些实施方式中，所述红外探测器还包括滤波片，所述滤波片设置在所述红外探测阵列和所述光电读出模块之间且覆盖所述光电读出单元。
15.在某些实施方式中，所述光电读出模块包括ccd芯片、cmos芯片、cis芯片中的至少一种。
16.在某些实施方式中，所述红外探测芯片还包括至少一个遮光元件，每个所述遮光件均遮盖一个所述红外探测单元。
17.本发明实施方式的红外探测器包括：
18.壳体；和
19.上述任意实施方式所述的红外探测芯片，所述红外探测芯片设置在所述壳体内。
20.在本发明实施方式的红外探测器中，被激发光激发的红外探测单元可发出可见光，红外辐射会引起红外探测单元的温度变化，从而引起红外探测单元所发出的可见光的强度发生变化，红外辐射的强度越强，则可见光的强度越小，因此，当红外辐射被汇聚在红外探测单元上时会引起可见光的发光强度的变化，而光电读出单元则可将发光强度的变化转化为电信号的变化，这样就可以将红外辐射的分布转化为可见光的光强分布，最后可通过光电读出单元的电信号的变化来得出各个不同位置和区域的红外辐射强度以实现对热源的红外成像，这样，只需要将红外探测阵列中的红外探测单元设置成能够被激发光激发而发出可见光且能够在红外辐射的作用下发生温度变化而引起发出的可见光的强度发生变化即可实现红外成像，红外探测芯片的结构和制备工艺较为简单，成本较低，灵敏度较高。
21.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
22.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
23.图1是本发明实施方式的红外探测器的结构示意图；
24.图2是本发明实施方式的红外探测器的另一结构示意图；
25.图3是本发明实施方式的红外探测器的又一结构示意图。
26.主要元件符号说明：
27.红外探测芯片100、光学部件10、红外探测阵列20、红外探测单元21、光电读出模块
30、光电读出单元31、光学薄膜32、后端处理部分40、真空腔50、支架60、绝热结构70、滤波片80、遮光元件90。
具体实施方式
28.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
32.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识本识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
33.请参阅图1，本发明实施方式的红外探测芯片100包括光学部件10、红外探测阵列20和光电读出模块30，红外探测阵列20设置在光学部件10下方，红外探测阵列20包括多个阵列排布的红外探测单元21，红外探测单元21能够在激发光的作用下发出可见光，红外探测单元21还能够在通过光学部件10汇聚后的红外辐射(图1中的实线箭头)的作用下发生温度变化以使得红外探测单元21发出的可见光(图1中的虚线箭头)的强度发生变化。红外探测单元21发出的可见光的强度与红外探测单元21的温度大小负相关，红外探测单元21的温度大小与红外探测单元21所接收的红外辐射的强度正相关。光电读出模块30设置在红外探测阵列20下方，光电读出模块30包括阵列排布的多个光电读出单元31，光电读出单元31与红外探测单元21一一对应，光电读出单元31用于检测红外探测单元21发出的可见光的强度并转化为电信号。
34.可以理解，目前，非制冷红外焦平面阵列技术在相关领域得到了日益广泛地应用：在军事方面，已经成为了保卫国家安全的主要力量之一；在民用方面，已经广泛的应用到了工业、医疗、消防以及视频监控中。换句话说，红外探测芯片具有十分广阔的市场应用前景。随着5g和ai时代的到来，新型应用领域必将开启红外探测芯片发展的新高峰。目前我国的红外芯片的研发获得了阶段性的成功，自主开发高性能低成本红外探测芯片具有源头创新潜质。
35.近年来，几种新型光学读出非制冷红外成像技术相继被开发出来，主要有双材料微悬臂梁探测技术、法布里-珀罗微腔红外探测技术、热电光非制冷红外探测技术等，但它们仍然存在一些技术难题没有解决。比如，双材料微悬臂梁探测器固有机械噪声不易除去，从而限制了其在工业上的推广；法布里-珀罗微腔红外探测器微腔可动微镜的残余应力和表面粗糙度的控制还有待提高。热电光非制冷红外探测器需要高电光性能的晶体薄膜，材料的制备和性能优化都非常困难。因此，继续改进现有技术或研究开发新的光学读出红外热成像技术，以达到低制造成本和高灵敏性等特点，仍然具有重要的学术和实际应用价值。
36.在本发明实施方式的红外探测芯片100中，红外探测阵列20包括多个阵列排布的红外探测单元21，红外探测单元21能够在激发光的作用下发出可见光，红外探测单元21还能够在通过光学部件10汇聚后的红外辐射的作用下发生温度变化从而使得红外探测单元21发出的可见光的强度发生变化。可见光的强度与红外探测单元21的温度大小负相关，红外探测单元21的温度大小与红外探测单元21所接收的红外辐射的强度正相关，而光电读出单元31可以读出可见光的强度从而转化成电信号。如此，红外辐射的辐射会引起红外探测单元21的温度变化，从而引起红外探测单元21所发出的可见光的强度发生变化，红外辐射的强度越强，则可见光的强度越小，因此，当红外辐射被汇聚在红外探测单元21上时会引起可见光的发光强度的变化，而光电读出单元31则可将发光强度的变化转化为电信号的变化，这样就可以将红外辐射的分布转化为可见光的光强分布，最后可通过光电读出单元31的电信号的变化来得出各个不同位置和区域的红外辐射强度以实现对热源的红外成像，这样，只需要将红外探测阵列20中的红外探测单元21设置成能够被激发光激发而发出可见光且能够在红外辐射的作用下发生温度变化而引起发出的可见光的强度发生变化即可实现红外成像，红外探测芯片100的结构和制备工艺较为简单，成本较低，灵敏度较高。
37.具体地，激发光可为蓝光、紫外光或者是x光，在常温下，红外探测单元21能够在激发光的激发下发出可见光，当然，在此不对激发光的类型进行限制，只需要红外探测单元能够在激发光的作用下发出可见光即可。可以理解，激发光与红外辐射波长可以相同也可以是不同的。在本发明的实施方式中，可对红外探测芯片100进行标定，在初始情况下，通过激发光激发红外探测单元21发出一定强度的可见光，以此作为标定，在红外探测芯片100的对热源进行探测时，热源所产生的带有温度信息的红外辐射会经过光学部件10汇聚到红外探测单元21上而引起红外探测单元21的温度升高，从而使得红外探测单元21所发出的可见光强度发生变换，进而使得光电读出单元31的电信号发生变化，而温度的大小与各个红外探测单元21所接收到的红外辐射的强度正相关。由此，可通过电信号的变化来监测可见光强度的变化从而得到红外探测单元21的温升，进而得到红外辐射的强度大小，这样就可以检测到红外辐射的分布进而实现对热源的热成像。
38.可以理解，本发明实施方式的红外探测芯片100是一种基于光-光-电转换的探测
芯片，具体地，在接收到红外辐射时，光学部件10将红外辐射汇聚至红外探测阵列20的红外探测单元21上，红外探测单元21在红外辐射的作用下发生温度变化从而引起红外探测单元21发出的可见光的强度变化，这样即可将红外辐射的分布转换为可见光的光强分布，也即实现了“光-光”转换，然后，光电读出模块30的光电读出单元31可以检测到与其对应的红外探测单元21的光强变化从而生成电信号的变化，也即实现了“光-电”转换，由此，根据电信号的变化即可计算获得被测红外目标的热图像。
39.在本发明中，光电读出模块30可以包括ccd芯片、cmos芯片、cis芯片中的至少一种。这样，光电读出模块30可以较为直接且准确地探测到各个红外探测单元21的发光强度从而生成图像。光电读出单元31可以理解为光敏单元，多个光电读出单元31组成的阵列可以理解为光敏阵列，光敏阵列可以检测到每个红外探测单元21所发出的可见光的强度从而获得红外辐射的分布以生成红外图像。
40.在某些实施方式中，光电读出模块30还可包括光学薄膜32，光学薄膜32层叠设置在光电读出单元31上方且覆盖光电读出单元31。
41.可以理解的是，在本发明的实施方式中，可直接利用红外探测单元21能够在红外辐射的作用下使得发出的可见光的强度发生变化的原理来实现红外成像，结构和制备工艺相较现有技术中的上述几种红外成型技术要简单，成本也较低，同时，本发明中是直接通过光强的分布来计算获得红外图像，可以降低环境扰动等对有用信号的干扰，便于实现微弱红外的探测感知。
42.此外，还可以理解的是，请参阅图1，在发明的实施方式中，红外探测芯片100还包括后端处理部分40，后端处理部分40可位于光电读出模块30下方，也即最底层，后端处理部分40部分可将光电读出单元31转化的电学信号进行适当的处理后输出并进行后续处理以完成红外成像。具体地，后端处理部分4031可采用电容反馈跨阻放大器和相关双采样电路相结合设计红外探测器的读出电路。
43.在某些实施方式中，光学部件10包括阵列排布的多个微透镜(图未示出)，微透镜与红外探测单元21一一对应，红外探测单元21位于微透镜的焦平面上，微透镜用于将红外辐射汇聚在红外探测单元21上。
44.如此，通过多个微透镜组成的阵列可以将红外光辐射较为精准地汇聚到对应的红外探测单元21上从而激发红外探测单元21发出可见光，进而准地将红外辐射的分布转化为光强的分布。
45.具体地，在这样的实施方式中，微透镜可以为硅微透镜，例如，可以采用化学腐蚀、光刻胶热熔法或离子束刻蚀等手段在硅晶圆上形成微透镜阵列。可以理解的是，在本发明的实施方式中，微透镜的数量与红外探测单元21以及光电读出单元31的数量相对应，三者一一对应。
46.在某些实施方式中，红外探测单元21可由荧光热敏材料制成
47.如此，被激发光激发的荧光热敏材料可发出可见光，并且其在吸收带有被测目标的温度信息的红外辐射信号时，红外探测单元21自身会发生温度变化，从而使得红外探测单元21所发出的可见光的强度也会变化，随后，光电读出模块30可将发光强度的变化转化为电学信号的变化进而通过后端处理部分40进行后续处理后生成被测目标的红外图像。
48.具体地，在这样的实施方式中，红外探测单元21可为荧光热敏薄膜，其采用荧光热
敏材料制成，红外探测阵列20可以采用mems工艺进行制备。红外探测单元21在常温条件下受到激发光向外发出可见光，当红外探测单元21在接收到红外辐射后，其温度升高，由于红外探测单元21中的荧光热敏材料发生热淬灭效应，温度升高位置的红外探测单元21的发光强度会降低，从而使得红外探测阵列20的不同位置和不同区域的红外探测单元21所发出的可见光的强度有所区别，而光电读出模块30的光电读出单元31则可将发光强度的变化转换为电学信号的变化，并将其通过后端处理部分40进行适当处理后输出以完成红外成像。
49.可以理解，针对红外探测单元21而言，接收到的红外辐射的强度越大则温度越高，温度越高则发光强度越低，由此可知，在光学部件10通过微透镜将被测热源向外辐射的红外线聚焦在红外探测单元21的表面上时，红外探测单元21的温度会发生变化，例如，被激发光激发的红外探测单元21内的荧光热敏材料发出可见光，接收到的红外辐射越多则温度越高，温度越高的红外探测单元21所发出的可见光的强度越低，这样，只需要通过将可见光强度的变化转化为电学信号的变化即可得到每个红外探测单元21所接收的红外辐射的大小从而实现对被测热源的热成像。
50.请参阅图2，在某些实施方式中，红外探测芯片100内形成有真空腔50，红外探测单元21位于真空腔50内。
51.如此，将红外探测单元21在真空环境下可以尽可能地减少外界环境对探测结果的影响。
52.具体地，在这样的实施方式中，在红外探测芯片100内可形成有真空腔50，红外探测阵列20设置在真空腔50内，例如，在图2所示的实施方式中，红外探测芯片100可包括支架60，光学部件10可设置在支架60顶部，红外探测阵列20与光电读出模块30可堆叠设置在支架60的下方，红外探测阵列20容置在支架60内，可对支架60进行抽真空处理以形成真空腔50。在这样的实施方式中，支架60可采用光学材料制成，用于产生激发光的元件(图未示出)可设置在支架60的一侧，激发光可从支架60射入至真空腔50内照射在红外探测阵列20上以使红外探测阵列20能够发出可见光。
53.此外，在一些实施方式中，也可采用真空封装的方式将对红外探测阵列20进行封装处理以使其内部形成真空腔50，例如，可采用封装薄膜对红外探测阵列20进行真空封装。需要说明的是，在这样的实施方式中，不对产生激发光的元件的安装位置进行限制，只需要激发光能够照射至红外探测阵列20上即可。
54.可以理解，由于红外探测单元21与光电读出单元31的物理接触将会提供导热途径，红外探测单元21吸收的部分热信号将会传递到光电读出单元31上，造成部分红外辐射信号的丢失。因此，请参阅图2，在某些实施方式中，红外探测芯片100还包括绝热结构70，绝热结构70层叠设置在红外探测单元21下方且位于红外探测单元21和光电读出单元31之间。
55.如此，可通过绝热结构70来尽可能阻隔红外探测单元21与光电读出单元31之间的热传递，从而避免红外探测单元21造成较多的热损失而导致部分红外辐射信号的丢失，提高探测的准确性。
56.具体地，在这样的实施方式中，绝热结构70可以采用微桥结构，其可以在不影响可见光透过的情况下尽可能的隔绝红外探测单元21与光电读出单元31之间的热传递以提高探测的准确性。
57.请继续参阅图2，在某些实施方式中，红外探测芯片100还包括滤波片80，滤波片80
设置在红外探测阵列20和光电读出模块30之间且覆盖光电读出单元31。
58.如此，滤波片80可以光线进行过滤以避免影响探测的准确性，例如，滤波片80可为带通滤波片，滤波片80可以将特定波长范围以外的光线进行滤除以保证光电读出单元31所检测到的光线的强度的准确性。具体地，在2所示的实施方式中滤波片80可设置在绝热结构70和光电读出模块30之间。当然，在其它实施方式中，滤波片80也可以是设置在红外探测阵列20和绝热结构70之间，具体在此不作限制。
59.请参阅图3，在某些实施方式中，红外探测芯片100还包括至少一个遮光元件90，每个遮光件均遮盖一个红外探测单元21。
60.如此，可采用遮光元件90对部分红外探测单元21进行遮挡从而来对光电读出单元31在工作时产生的热量对红外探测单元21发出的可见光的强度进行补偿。
61.具体地，遮光元件90可以为能够遮盖红外光以及可见光的遮光膜层，在图3所示的实施方式中，遮光元件90可设置在光学部件10上，例如，可遮盖光学部件10上的微透镜从而实现对红外探测单元21的遮盖，当然，可以理解，在其它实施方式中，遮光元件90也可以是直接层叠设置在红外探测单元21上从而实现遮盖，具体在此不作限制。
62.在本发明中，每个红外探测单元21可以看做是一个像素点(即像元)，由上述可知，由于红外探测单元21与光电读出单元31的物理接触将会提供导热途径，因此，光电读出单元31在工作时所产生的热量可传递至红外探测单元21上从而引起红外探测单元21的温度升高而影响可见光的强度，或者红外探测单元21上的热量传递至光电读出单元31从而使光电读出单元31的噪声增加，容易对检测结果造成干扰。在本实施方式中，通过遮光元件90对部分红外探测单元21进行遮盖，被遮盖的红外探测单元21可称为盲像元，这样，与遮光元件90对应的红外探测单元21(即盲像元)所发出的可见光的强度的变化是来源于光电读出单元21等元件所产生的热量所引起的，因此，只需要通过获得盲像元的发光强度以及其它像元的发光强度即可实现温度的补偿，从而获得红外探测单元21准确的温升以获得红外辐射的分布，例如，通过盲像元可计算出光电读出模块30所带来的温升，而其它的像元可计算出光电读出模块30和红外辐射共同带来的温升，因此，只需要将后者减去前者即可得到红外辐射所带来的温升，根据各个位置的温升不同即可准确地得到红外辐射的分布以实现热成像。
63.进一步地，为了提高补偿的准确性，在这样的实施方式中，遮光元件90的数量与红外探测阵列20的列数相同，红外探测阵列20的每一行上均设置有一个遮光元件90。例如，红外探测阵列20为行数为n，列数为m组成的n
×
m阵列，此时，可以引入m个盲像元来对温度进行补偿，每一列或者每一行均采用一个盲像元进行温度补偿以提高补偿的准确性。
64.此外，还可以理解的是，在本发明中，可同时采用绝热结构70以及引入盲像元的方式来对红外探测芯片100本身内部所产生的热量对红外探测单元21的温度影响进行消除和补偿，提高了检测的准确性和灵敏度。
65.本发明实施方式的红外探测器包括壳体和上述任一实施方式所述的红外探测芯片100，红外探测芯片100安装在壳体内。
66.在本发明实施方式的红外探测器中，被激发光激发的红外探测单元21发出可见光，红外辐射会引起红外探测单元21的温度变化，从而引起红外探测单元21所发出的可见光的强度发生变化，红外辐射的强度越强，则可见光的强度越小，因此，当红外辐射被汇聚
在红外探测单元21上时会引起可见光的发光强度的变化，而光电读出单元31则可将发光强度的变化转化为电信号的变化，这样就可以将红外辐射的分布转化为可见光的光强分布，最后可通过光电读出单元31的电信号的变化来得出各个不同位置和区域的红外辐射强度以实现对热源的红外成像，这样，只需要将红外探测阵列20中的红外探测单元21设置成能够被激发光激发而发出可见光且能够在红外辐射的作用下发生温度变化而引起发出的可见光的强度发生变化即可实现红外成像，红外探测芯片100的结构和制备工艺较为简单，成本较低，灵敏度较高。
67.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
68.尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。