用于成像系统的无源检测器的制造方法
【专利摘要】本发明提供用于成像系统的无源检测器结构，实现了带有直接数字测量数据输出的无动力的无源前端检测器结构，用于检测电磁频谱中的各部分（例如，热（IR）、近IR、UV和可见光）中的入射光子辐射。
【专利说明】用于成像系统的无源检测器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年8月17日提交的序列号为61/524，669的美国临时专利申请的优先权，其公开内容通过引用合并于此。
【技术领域】
[0003]领域一般性地涉及用于成像系统的检测器结构，尤其涉及带有直接数字(direct-to-digital)测量数据输出的无源前端检测器结构，用于检测电磁频谱的各部分(例如，热(IR)、近IR、UV和可见光)中的入射光子辐射。
【背景技术】
[0004]通常利用MEMS技术构建红外光检测器。一种这样的光(IR光子)检测器包括带有电容器的MEMS结构和悬臂。所述电容器具有固定板和移动板。所述悬臂具有被固定到基底上的第一端和被固定到所述移动的电容器板的第二端。所述悬臂还包括响应于通过吸收红外光被加热而弯曲的双晶片(bimorph )部。所述双晶片部的弯曲使移动板位移，使得改变吸收器的移动板和固定板之间的距离。因此，红外光照射MEMS结构对该结构的电特性(即电容器的电容)产生可测量的改变。通过测量这种电容的变化，光检测器能够确定照射每个MEMS结构(即检测器的每个像素元件)的红外光的强度。
[0005]热辐射检测器的另一种常见类型是非制冷式微测辐射热计(un-cooledmicro-bolometer)。一般而言,微测福射热计包括薄膜吸收检测器和热隔离结构。由检测器吸收的入射辐射引起温度增加，温度增加进一步造成薄膜检测器的电导率的变化。该电导率用于确定入射辐射的强度。
[0006]包括悬臂和微测辐射热计型结构的检测器的主要局限性归因于读取由入射辐射引起的温度变化或电特性(例如，电阻、电容)改变所需要的电连接。而且，制造像素互连和读出电路的复杂性使得这些检测器结构的造价一直太高而无法用于许多应用中。此外，这些电互连损害像素和读出系统之间的热隔离，结果限制了检测器的热灵敏度。半导体和量子电子检测方法很容易受自身产生的和外部的噪声源的影响而降低系统灵敏度，并且需要复杂和昂贵的方法来缓解这些问题。
【发明内容】
[0007]本发明的示例性实施例包括用于成像系统的无源检测器结构，并且尤其包括带有直接数字测量数据输出的无动力的无源前端检测器结构，用于检测电磁频谱中的各部分(例如，热(IR)、近IR、UV和可见光)中的入射光子辐射。
[0008]例如，在本发明的一个示例性实施例中，光子检测器设备包括:基底、谐振器构件、无源检测器结构以及数字电路。所述谐振器构件被配置在所述基底上，并输出具有振荡频率的信号。所述无源检测器结构被配置在所述基底上并机械耦接到所述谐振器构件。所述无源检测器结构包括检测器构件，所述检测器构件响应于光子曝射而机械变形以将机械力施加到所述谐振器构件，并响应于所述机械力改变所述谐振器构件的振荡频率。在一些实施例中，所述检测器构件由一种或多种具有热膨胀系数的材料形成，使所述检测器构件通过热膨胀和收缩来机械变形。所述数字电路耦接到所述谐振器构件。所述数字电路工作例如通过以下步骤来工作:确定所述谐振器构件的振荡频率，并基于所确定的谐振器构件的振荡频率来确定由检测器构件吸收的入射光子能量的数量，其中所述谐振器构件的振荡频率由于由所述无源检测器结构施加到所述谐振器构件上的机械力而改变。
[0009]在另一个示例性实施例中，一种用于检测光子能量的方法包括:将无源检测器构件暴露于入射光子能量，以使所述检测器构件响应于光子曝射而机械变形，响应于所述无源检测器构件的机械变形将机械力施加到谐振器构件，确定所述谐振器构件的振荡频率(所述谐振器构件的振荡频率由于由所述无源检测器构件施加到所述谐振器构件上的机械力而改变)，以及基于所确定的所述谐振器构件的振荡频率来确定由所述检测器构件吸收的入射光子能量的数量。在其它实施例中，所述方法还包括使用所确定的振荡频率来生成图像数据。由所述检测器构件吸收的入射光子能量的数量可以通过以下步骤来确定:在给定计数时间段对所述谐振器构件的输出信号中的数字脉冲的数目计数来生成计数数据；以及基于所述计数数据确定所述检测器构件的光子曝射的水平。
[0010]通过下列对其结合附图阅读的说明性实施例的详细描述，本发明的这些和其它示例性实施例将变得明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是根据本发明示例性实施例的基于热膨胀系数(CTE)框架的光子检测器的立体图。
[0012]图2是根据本发明另一示例性实施例的基于CTE框架的光子检测器的俯视图。
[0013]图3是根据本发明另一示例性实施例的基于CTE框架的光子检测器的俯视图。
[0014]图4是根据本发明另一示例性实施例的基于CTE框架的光子检测器的俯视图。
[0015]图5是根据本发明另一示例性实施例的基于CTE框架的光子检测器的立体图。
[0016]图6A和图6B示出根据本发明另一示例性实施例的基于CTE框架的光子检测器，其中图6A是光子检测器的俯视立体图，而图6B是沿图6A中的线6B-6B所取的光子检测器的侧视图。
[0017]图7是根据本发明示例性实施例的基于光子所致膨胀系数(PICE)概念的可见光检测器的立体图。
[0018]图8是根据本发明另一示例性实施例的基于电压所致变形(VID)框架的检测器的立体图。
[0019]图9是根据本发明另一示例性实施例的基于VID框架的检测器的侧视图。
[0020]图10是根据本发明另一示例性实施例的基于VID框架的检测器的侧视图。
[0021]图11是根据本发明另一示例性实施例的基于VID框架的检测器的侧视图。
[0022]图12是根据本发明另一示例性实施例的基于VID框架的检测器的侧视图。
[0023]图13示意性地示出根据本发明示例性实施例的波纹管形检测器构件的俯视图和侧视图。
[0024]图14示意性地示出由不同的材料交替形成的波纹管形检测器构件的俯视图和侧视图。
[0025]图15A和图15B示出根据本发明另一示例性实施例的基于CTE框架的光子检测器，其中图15A是光子检测器的俯视图，而其中图15B是沿图15A中的线15B-15B所取的光子检测器的截面图。
[0026]图16A和图16B不出根据本发明另一不例性实施例的基于CTE框架的光子检测器，其中图16A是沿图16B中的线16A-16A所取的光子检测器的截面图，而其中图16B是光子检测器的俯视图。
[0027]图17A和图17B示出根据本发明另一示例性实施例的基于CTE框架的光子检测器，其中图17A是沿图17B中的线17A-17A所取的光子检测器的截面图，而其中图17B是沿图17A中的线17B-17B所取的光子检测器的俯视图。
[0028]图18图示出根据本发明示例性实施例使用直接数字无源检测器框架相比传统的模拟信号检测器或量子电子设计的优点。
[0029]图19是根据本发明示例性实施例的基于无源检测器的成像系统的框图。
[0030]图20是示出可以在图19的成像系统中实现的像素单元和像素电路的另一示例性实施例的框图。
【具体实施方式】
[0031]现在将在下面进一步详细地描述本发明的示例性实施例，其关于用于成像系统的无源检测器结构，尤其涉及带有直接数字测量数据输出的无动力的无源前端检测器结构，用于检测电磁频谱的各部分(例如，热(IR)、近IR、UV和可见光)中的入射光子辐射。本文所述的示例性无源检测器框架提供用于检测电磁频谱(例如红外、可见和紫外谱)中的入射光子能量以及电磁频谱中的微波、太赫兹和X射线部分的电磁辐射的新范例。无源检测器框架实现了不带模拟前端或量子半导体的直接数字测量，从而与传统的CMOS或CCD检测器设备相比，提供了低噪声、低功率、低成本和易于制造的检测器设计。本文所述的带有直接数字测量数据输出的示例性无源检测器框架不使用任何量子光子或电子转换技术，并且没有上述与传统的成像技术相关联的技术上、制造上的问题或噪声问题。
[0032]如在下面进一步详细讨论的，本发明示例性实施例是基于各种无源检测器的方法来检测各种波长的UV、可见光、近红外(IR)、中红外和远红外以及太赫兹辐射。本文所述的示例性无源检测器范例包括CTE (热膨胀系数)、PICE (光子所致膨胀系数)和VID (电压所致变形)检测器框架。一般而言，这些检测器框架实现了一种无源检测器结构，其包括响应于光子或电磁辐射曝射而机械变形以将机械力施加到谐振器构件、并且响应于该机械力而改变谐振器构件的振荡频率的检测器构件。数字电路耦接到谐振器构件并且操作以确定谐振器构件的振荡频率(该谐振器构件的振荡频率由于通过无源检测器结构施加在谐振器构件上的机械力而改变)，并基于所确定的谐振器构件的振荡频率来确定入射光子能量的数量或对检测器构件暴露的电磁辐射的数量。
[0033]用CTE框架，无源检测器构件(例如，一个或多个带状件，或一个或多个板)由具有热膨胀系数的一种或多种材料制成，其中检测器构件响应于入射的光子能量而膨胀和收缩，以将机械力施加在谐振器构件上并改变谐振器构件的振荡频率。
[0034]用PICE框架，无源检测器构件由在暴露于特定波长的电磁辐射时改变其形状和尺寸的一种或多种材料制成。检测器构件响应于对入射电磁辐射的暴露而机械变形(例如，膨胀和收缩)，以将机械力施加到谐振器构件上并改变谐振器构件的振荡频率。
[0035]用VID框架，对于诸如X射线(Inm)到近红外(3 μ )的波长，检测器构件可以由响应于入射辐射的曝射而产生电压的一种或多种材料形成。将所产生的电压施加到谐振器构件(例如，压电材料层)，使谐振器构件机械变形并改变谐振器构件的振荡频率。例如，对由光伏(PV)材料形成的检测器构件的光子曝射可以产生电压。此外，对于热IR波长(3至14 μ )，检测器构件可以由热电材料形成，以产生电压，该电压可被施加以使压电谐振器构件变形并改变谐振器构件的振荡频率。
[0036]图1至图6是根据本发明示例性实施例的基于CTE框架的各种无源检测器框架的立体图。例如，图1是根据本发明示例性实施例的光子检测器的立体图。一般而言，光子检测器(100)包括基底(102)、数字逻辑电路(104)、抛物面反射镜(106)和形成在基底(102)上的桥结构。所述桥结构包括在基底(102)上方的第一支撑构件(110)、第二支撑构件(120)、和悬挂在支撑构件(110)与(120)之间的检测器构件(130)。支撑构件(120)是工作在谐振频率的谐振器构件，并且第二支撑构件(110)是固定的隔离(insulating)支撑结构。检测器构件(130)(或带状件)包括具有热膨胀系数的双金属带状件(132)和光子能量吸收层(134)，双金属带状件(132)通过吸收入射的红外能量而膨胀和收缩以施加力在谐振器构件(120)上。隔离材料层(122)配置在带状件(130)的端部和谐振器构件(120)之间以在带状件(130)和谐振器支撑结构(120)之间提供热隔离。数字逻辑电路(104)耦接到谐振器构件(120)，用于确定由于通过带状结构(130)的热膨胀和收缩施加到谐振器构件(120)上的力而发生的谐振器构件(120)的振荡频率的改变，其中频率的改变与由带状结构(130)吸收的入射红外能量的数量相关。
[0037]更具体地，带状件(130)由对IR热敏感的材料制成，基于撞击带状件(130)的入射IR光子的绝对数量来使带状件(130)膨胀和收缩。形成双金属带状层(132)的金属材料可以用具有负和/或正热膨胀系数的任何合适的材料形成。光子能量吸收层(134)可以由对I微米至30微米的IR频谱中任何所希望的IR波长具有峰值灵敏度的任何合适的材料(诸如碳、SiC等)形成。在其它示例性实施例中，过滤材料可沉积在光子能量吸收层(134)的顶部以使灵敏度变窄。可以通过对光子能量吸收材料层(134)掺杂对IR频谱的不需要部分反射或消除响应的频谱材料来获得较窄的响应。
[0038]如图1所示，带状件(130)像桥一样悬挂在支撑件(110)和(120)之间，使得带状件(130)下方的区域开口、无支撑且与像素结构其余部分的任何部分不接触。仅带状件(130)的端部附接到像素结构(100)的任何部分。此设计允许带状件(130)具有尽可能小的质量(mass)，使得具有小质量的带状件(130)能够在最短的时间内从入射IR光子曝射吸热。这将使传感器尽可能快地反应。快速的反应时间将允许更快的成像。抛物面反射器(106)可以放置在带状件(130)的下方基底(102)上，以增大允许更多IR光子撞击并从顶部和底部影响带状件的像素填充因子。填充因子是能够收集进入的入射光子的像素的表面积总量。像素具有有限的尺寸和有限的面积。填充因子的百分比越高，用于收集光子的像素面积越大。填充因子百分比越高，像素灵敏度和性能越好。反射镜(miiror)106可以是抛物面形、扁平形或V形，或者可以根本不实施反射镜106。
[0039]图2是根据本发明另一示例性实施例的光子检测器的立体图。一般而言，图2示出光子检测器(200)包括基底(102)、数字逻辑电路(104)、抛物面镜(106)和形成在基底
(102)上的桥结构。所述桥结构包括在基底(102)上方的第一支撑构件(210)、第二支撑构件(220)、和悬挂在支撑构件(210)与(220)之间的两个带状构件(230)和(240)。第一带状件(230)包括双金属层(232)和光子能量吸收层(234)，而第二带状件(240)包括双金属层
(242)和光子能量吸收层(244)。支撑件(220)是工作在谐振频率的谐振器构件，并且第二支撑构件(210)是固定的隔离支撑结构。隔离层(222)配置在带状结构(230)和(240)与谐振器支撑结构(220)之间以提供热隔离。
[0040]热检测器(200)类似于图1的检测器(100)，除了包括提供额外功能的两个带状构件(230)和(240)外。尤其是，在一个示例性实施例中，每个带状件(230)和(240)可以设计为不同的材料，从而以对IR频谱的两个不同部分(例如，10微米和4微米)的灵敏度来检测IR辐射，使得检测器(200)可以对多于一个的波长提供更强的灵敏度。在另一示例性实施例中，每个带状件(230)和(240)可以设计为类似的材料，从而以对IR频谱的一个部分但是具有更宽带宽的灵敏度来检测IR辐射，使得能够控制检测器响应的线性，并在像素设计规格和参数的给定温度范围中对检测器响应的线性进行定制(tailor)。
[0041]图3是是根据本发明另一示例性实施例的光子检测器的立体图。一般而言，图3示出光子检测器(300)包括基底(102)、数字逻辑电路(104)、抛物面镜(106)和形成在基底(102)上的桥结构。所述桥结构包括第一支撑构件(310)、第二支撑构件(320)和多个带状构件(330)，每个带状件(330)包括双金属层(332)和光子能量吸收层(334)。支撑构件(320)是工作在谐振频率的谐振器构件，并且第二支撑构件(310)是固定的隔离支撑结构。隔离层(322)配置在带状结构(330)和谐振器支撑结构(320)之间以提供热隔离。
[0042]热检测器(300)在操作中例如与上文参照图1讨论的检测器(100)类似，除了包括每个类似地被设计为在IR频谱的给定部分上工作的多个较小的带状结构(330)之外。然而，使用多个带状件(330)允许每个带状件与图1的单个带状结构相比具有更少的质量。每个单独的带状件(330)具有更少的质量，从而每个带状件(330)能够对热能更快地反应(膨胀和收缩)，从而减少了像素的响应时间。
[0043]图4是是根据本发明另一示例性实施例的光子检测器的立体图。一般而言，图4示出光子检测器(400)包括基底(102)、数字逻辑电路(104)、抛物面反射镜(106)以及形成在基底(102)上的双桥结构。所述双桥结构包括第一支撑构件(410)、第一谐振器支撑构件(420)、第二谐振器支撑构件(424)、连接在第一支撑构件(410)和第一谐振器支撑构件(420)之间的第一带状构件(430)、以及连接在第一支撑构件(410)和第二谐振器支撑构件(424)之间的第二带状构件(440 )。每个带状件(430 )和(440 )包括相应的双金属层(432 )和(442 )和相应的光子能量吸收层(434)和(444)。隔离层(422 )和(426 )配置在带状结构(430)和(440)的相应端部与相应的谐振器支撑构件(420)和(424)之间。
[0044]热检测器(400)在操作和设计上例如类似于上述检测器(100)和(200)，除了检测器可以工作在两个彼此独立的不同频谱中之外。这可以通过使用分离的带状结构(430)和(440)以及独立的谐振器支撑构件(420)和(424)来实现。尤其是，每个带状件(430)和(440)可以设计为不同的材料，从而以对IR频谱的两个不同部分(例如，10微米和4微米)的灵敏度来检测IR辐射，使得控制逻辑电路(104)能够工作以在给定时间检测一个或两个所支持的频谱中的IR能量[0045]图5是根据本发明另一示例性实施例的光子检测器的立体图。一般而言，图5示出光子检测器(500)包括基底(102)、数字逻辑电路(104)、第一抛物面镜(106)和第二抛物面镜(108)以及形成在基底(102)上的桥结构。所述桥结构包括第一支撑构件(510)、第一谐振器支撑构件(420)、第二谐振器支撑构件(424)、连接在第一支撑构件(510)和第一谐振器支撑构件(520)之间的第一带状构件(530)、以及连接在第一支撑构件(510)和第二谐振器支撑构件(424)之间的第二带状构件(540)。每个带状件(530)和(540)包括相应的双金属层(532 )和(542 )以及相应的光子能量吸收层(534)和(544)。隔离层(522 )和(526 )配置在带状结构(530)和(540)的相应端部与相应的谐振器支撑构件(520)和(524)之间。
[0046]热检测器(500)在操作和设计上例如类似于上述检测器(100)，除了与图1中每个像素包括单独的隔离支撑构件相比，在图5的框架中，一对相邻的像素被设计为共享单一的隔离支撑构件(510)。图5的框架提供了更紧凑的设计，图2至图4中所示的检测器框架也可以这样实现。
[0047]图6A和图6B不出根据本发明另一不例性实施例的光子检测器。一般而言，图6A是光子检测器(600 )的示意性的俯视立体图，而图6B是沿图6A中的线6B-6B所取的光子检测器(600)的示意性侧视图。参照图6A和图6B，光子检测器(600)包括基底(102)、数字逻辑电路(104)、抛物面镜(106)、形成在基底(102)上的桥结构。所述桥结构包括第一支撑构件(610)、第二支撑构件(612)、第三支撑构件(614)、谐振器构件(620)、隔离层(622)和带状构件(630)。谐振器构件(620)连接在第二支撑构件(612)和第三支撑构件(614)之间，其中谐振器构件(620)悬挂在基底(102)上方(与先前所讨论的实施例对比，其中所述谐振器构件用作锚定到基底的支撑构件)。
[0048]带状结构(630)包括双金属层(632)和光子能量吸收层(634)(例如，碳、碳纳米管、SiC等)。带状结构(630)连接在第一支撑构件(610)和谐振器构件(620)之间。尤其是，带状结构(630)包括多个翼片(632A，632B, 632C和632D)，其整体形成为双金属层(632)的一部分，其中带状件(630)经由翼片(632A，632B, 632C和632D)连接到谐振器构件(620)。使用翼片(632A，632B，632C和632D)和隔离层(622)以将谐振器构件(620)与双金属层(632)热隔离。在图6A和图6B所示的示例性实施例中，第二支撑构件(612)提供电源电压V+到谐振器构件(620)，并且第三支撑构件(614)提供了谐振器构件(620)的接地。
[0049]对基于PICE的像素框架，使用在暴露于X射线(Inm)到近IR (3 μ )之间的特定波长时变形的材料。例如，CdS结构在暴露于可见光时会改变形状。图7是根据本发明示例性实施例的基于PICE概念的可见光检测器(700)框架的立体图。一般而言，检测器(700)包括基底(102)、数字逻辑电路(104)、以及形成在基底(102)上的桥结构。所述桥结构包括在基底(102)的上方的第一支撑构件(710)、第二支撑构件(720)、和悬挂在支撑构件(710)与(720)之间的带状构件(730)。
[0050]支撑构件(720)是工作在谐振频率的谐振器构件，并且第二支撑构件(710)是固定的隔离支撑结构。带状结构(730)由具有光子所致膨胀系数的光敏材料(诸如CdS，ZnO)制成，其由光子曝射直接导致带状结构(730 )的机械变形。隔离材料层(722 )配置在带状件(730)的端部和谐振器构件(720)之间，以在带状件(730)和谐振器支撑结构(720)之间提供热隔离和电隔离。
[0051]带状结构(730)包括接收入射光子导致带状件(730)受到应力并改变长度的材料(例如，CdS)的层。此应力传递到谐振器(720)，这导致谐振器(720)与入射光子曝射量成比例地改变其谐振频率。数字逻辑电路(104)耦接到谐振器构件(720)，用于确定由于通过带状结构(730)的机械膨胀和收缩在谐振器构件(720)上施加的力而产生的谐振器构件(720)振荡频率的改变，其中频率的改变与带状结构(730)所接收的入射光子能量的数量相关。
[0052]图8至图14是根据本发明示例性实施例的基于VID概念的各种检测器框架的立体图。这些框架提供了用于X射线(Inm)至近IR (3 μ )的波长的无源检测器构造，其中带状件材料通过光子曝射产生电压，并且其中将电压施加到压电材料层，会导致材料变形并建立应力以改变谐振频率。在其它实施例中，对于热IR波长，可以使用热电材料来产生电压，所述电压在施加到压电材料层时会导致材料变形并建立应力以改变谐振频率。
[0053]具体地，图8是根据本发明示例性实施例的基于VID概念的可见光/UV光检测器(800)框架的立体图。一般而言，检测器(800)包括基底和数字逻辑电路(未具体示出，但类似于上面所讨论的所有实施例)和形成在基底102上的桥结构。所述桥结构包括在基底上方的第一支撑构件(810)、第二支撑构件(820)、和悬挂在支撑构件(810)和(820)之间的带状结构(830)。
[0054]支撑构件(820)是工作在谐振频率的谐振器构件，并且支撑构件(810)是固定的隔离支撑结构。带状结构(830)包括光子敏感层(832)、隔离层(834)、压电层(836)、和在层(832)和(836)之间提供电连接的连接构件(838)。光子敏感层(832)由通过暴露于入射光子(可见光或UV辐射)而产生电压的光敏感材料制成。由层(832)产生的电压经由连接件(838 )被传递到压电层(836 )，其中压电层(836 )通过由于其试图改变其长度而建立应力来对所述电压作出反应。此应力传递到谐振器(820)，这会导致谐振器(820)与入射光子的曝射数量成比例地改变其谐振频率。耦接到谐振器构件(820)的数字逻辑电路确定由于通过压电层(836)的机械膨胀和收缩施加到谐振器构件(820)上的力而发生的谐振器构件(820)的谐振频率的频率改变，其中频率的改变与由带状结构(830)接收的入射光子能量的数量相关。此框架以光伏效应工作。
[0055]图9是根据本发明另一示例性实施例的基于VID概念的检测器(900)框架的立体图。一般而言，检测器(900 )包括基底和数字逻辑电路(未具体示出，但类似于上面所讨论的所有实施例)和形成在基底上的桥结构。所述桥结构包括在基底上的第一支撑构件(910)、第二支撑构件(920 )、和悬挂在支撑构件(910 )和(920 )之间的带状结构(930 )。
[0056]支撑构件(920)是工作在谐振频率的谐振器构件，并且支撑构件(910)是固定的隔离支撑结构。带状结构(930)包括IR敏感层(932)、隔离层(934)、压电层(936)、和在层(932)和(936)之间提供电连接的连接构件(938)。IR敏感层(932)由通过暴露于入射IR辐射而产生电压的热电材料制成。通过层(932)产生的电压经由连接件(938)被传递到压电层(936)，其中压电层(936)通过由于其试图改变其长度而建立应力来对所述电压作出反应。此应力传递到谐振器(920)，这会导致谐振器(920)与入射IR曝射数量成比例地改变其谐振频率。耦接到谐振器构件(920)的数字逻辑电路确定由于通过压电层(936)的机械膨胀和收缩施加到谐振器构件(920 )上的力而发生的谐振器构件(920 )的振荡频率的改变，其中频率的改变与由带状结构(930)接收的入射光子能量的数量相关。此框架以光伏效应工作以提供对IR辐射的检测结构。[0057]图10是根据本发明另一示例性实施例的基于VID概念的检测器(1000)框架的立体图。一般而言，检测器(1000 )包括基底和数字逻辑电路(未具体示出，但类似于上面所讨论的所有实施例)和形成在基底上的桥结构。所述桥结构包括在基底上方的第一支撑构件(1010)、第二支撑构件(1012)和悬挂在支撑构件(1010)和(1012)之间的带状结构(1030)。支撑构件(1010)和(1012)都是隔离构件。
[0058]在图10的示例性实施例中，带状结构(1030)包括IR敏感层(1032)(热电层)、隔离层(1034)、压电层(1036)、在层(1032)和(1036)之间提供电连接的连接构件(1038)、第二隔离层(1037)和谐振器构件(1039)。IR敏感层(1032)由通过暴露于入射IR辐射而产生电压的热电材料制成。通过层(1032)产生的电压经由连接件(1038)被传递到压电层(1036)，其中压电层(1036)通过由于其试图改变其长度而建立应力来对所述电压作出反应。此应力传递到经由第二隔离层(1037)机械耦接到压电层(1036)的谐振器(1039)。由压电层(1036)传给谐振器层(1039)的应力导致谐振器构件(1039)与入射IR曝射数量成比例地改变其谐振频率。(经由支撑构件(1010，1012))耦接到谐振器构件(1039)的数字逻辑电路确定由于通过压电层(1036)的机械膨胀和收缩施加到谐振器构件(1039)上的力而发生的谐振器构件(1039)的振荡频率的改变，其中频率的改变与由带状结构(1030)接收的入射光子能量的数量相关。此框架以光伏效应工作以提供对IR辐射的检测结构。
[0059]图11是根据本发明另一示例性实施例的基于VID概念的检测器(1100)框架的立体图。一般而言，检测器(1100)包括基底和数字逻辑电路(未具体示出，但类似于上面所讨论的所有实施例)和形成在基底上的桥结构。所述桥结构包括在基底上方的第一支撑构件(1110)、第二支撑构件(1120)和悬挂在支撑构件(1110)和(1120)之间的带状结构(1130)。隔离层(1122)介于带状结构(1130)和支撑构件(1120)之间。
[0060]支撑构件(1120)是工作在谐振频率的谐振器构件，并且支撑构件(1110)是固定的隔离支撑结构。带状结构(1130)包括IR敏感层(1132)、隔离层(1134)、压电层(1136)、以及在层(1132)和(1136)之间提供电连接的连接构件(1138)。IR敏感层(1132)由通过暴露于入射IR辐射而产生电压的热电材料制成。通过层(1132)产生的电压经由连接件(1138)被传递到压电层(1136)，其中压电层(1136)通过由于其试图改变其长度而建立应力来对所述电压作出反应。此应力被传递到谐振器(1120)，这会导致谐振器(1120)与入射IR曝射数量成比例地改变其谐振频率。
[0061]图11的检测器的框架和操作类似于图9，但图11的带状结构(1130)形成为折叠形或波纹管形。此形状增大了暴露于入射光子的表面积。所增加的面积用于在热IR模式中更多的加热并且在光电模式中产生更多的电压，增强膨胀特性。
[0062]图12是根据本发明另一示例性实施例的基于VID概念的检测器(1200)框架的立体图。一般而言，检测器(1200)包括基底和数字逻辑电路(未具体示出，但类似于上面所讨论的所有实施例)和形成在基底上的桥结构。所述桥结构包括在基底上方的第一支撑构件(1210)、第二支撑构件(1212)、和悬挂在支撑构件(1210)和(1212)之间的带状结构(1230)。支撑构件(1210)和(1212)都是隔离构件(insulating member)。
[0063]在图12的示例性实施例中，类似于图10的示例性实施例，带状结构(1230)包括IR敏感层(1232)(热电层)、隔离层(1234)、压电层(1236)、在层(1232)和(1236)之间提供电连接的连接构件(1238)、第二隔离层(1237)和谐振器构件(1239)。IR敏感层(1232)由通过暴露于入射IR辐射而产生电压的热电材料制成。通过层(1232)产生的电压经由连接件(1238 )被传递到压电层(1236 )，其中压电层(1236 )通过由于其试图改变其长度而建立应力来对所述电压作出反应。此应力传递到经由第二隔离层(1237)机械耦接到压电层(1236)的谐振器(1239)。由压电层(1236)传给谐振器层(1239)的应力导致谐振器构件(1239)与入射IR曝射数量成比例地改变其谐振频率。
[0064]图12的检测器结构的框架和操作类似于图10，但图12的带状结构(1230)形成为折叠形或波纹管形。此形状增大了暴露于入射光子的表面积。所增加的面积用于在热IR模式中更多的加热并且在光电模式中产生更多的电压，增强膨胀特性。
[0065]图13示意性地示出折叠形或波纹管形的带状结构的俯视图(10)和侧视图(12)，其中带状件由单一材料制成。图14示意性地示出折叠形或波纹管形的带状结构的俯视图
(16)和侧视图(14)，其中带状件由交替的不同材料A和B制成。在光敏/IR敏感带状层(例如，层1132，1232)上使用交替的材料能够使灵敏度具有更好的线性度或者更宽或不同的频谱波长。而且，在谐振器或压电带状层(例如，层1136，1236，1239)上使用交替的材料允许材料具有不同的膨胀系数特性来控制检测器响应、提高应力的线性度、谐振器线性度、或允许定制响应特性。
[0066]图15A和图15B不出根据本发明另一不例性实施例的基于CTE框架的光子检测器(1500)。图15A是光子检测器(1500)的俯视图，并且图15B是沿图15A中的线15B-15B所取的光子检测器(1500)的截面图。一般而言，如图15A和图15B所示，光子检测器(1500)包括基底(1502)、固定地连接到基底(1502)的第一支撑构件(1510)、第二支撑构件(1520)、以及配置在第一支撑构件(1510)和第二支撑构件(1520)之间的板构件(1530)。在图15所示的示例性实施例中，第一支撑构件(1510)是固定的隔离支撑结构，并且第二支撑构件(1520)是工作在谐振频率的固定的谐振器构件。板构件(1530)由一种或多种材料形成，所述材料对IR能量敏感，并且具有导致板构件(1530)通过吸收入射红外能量而膨胀和收缩以在第二支撑构件(1520)上施加力的热膨胀系数。
[0067]如图15A和图15B进一步所示，第一支撑构件(1510)和第二支撑构件(1520)包括可插入地接纳板构件(1530)的相对端部的凹槽。板构件(1530)的端部包括支撑腿构件(1532)，其用以将板构件(1530)的IR吸收部保持在距离基底(1502)的表面一定偏移高度处。这允许板构件(1530)大致与基底(1502)热隔离。
[0068]在一个实施例中，板构件(1530)以“预应力”状态配置在第一支撑构件(1510)和第二支撑构件(1520)之间。尤其是，在“预应力”状态中，在没有任何IR暴露时，在第一支撑构件(1510)和第二支撑构件(1520)的凹槽内的板构件(1530)的端部对第一支撑构件(1510)和第二支撑构件(1520)的内表面施加某一最小力。事实上，对第一支撑构件(1510)和第二支撑构件(1520)之间的板构件(1530)预应力有很多作用。例如，抵靠凹槽的内侧和顶壁面对板构件(1530 )预应力防止板构件(1530 )由于振动和相机的移动而从位置中移出。此外，对板构件(1530)预应力减少或消除机械和振动噪声。此外，抵靠谐振器构件(1520)对板构件(1530)预应力消除由于非均匀的应力分布而造成的数据测量的波动。对板构件(1530)预应力使得能够直接读取在增加板构件(1530)上的入射IR暴露时由板构件(1530)的膨胀导致的谐振器构件(1520)的Af0 (振荡频率变化)。
[0069]在一些实施例中，通过使各种支撑件和板元件的尺寸定为使得板构件(1530)的端部牢固地配合(楔合)在支撑构件(1510)和支撑构件(1520)的凹槽内，可以实现将第一支撑构件(1510)和第二支撑构件(1520)之间的板构件(1530)配置在“预应力”状态中。在其它实施例中，可以使用填料来填充板构件(1530)的端部与第一支撑构件(1510)和第二支撑构件(1520)的凹槽的内侧和顶壁之间的任何小间隙或空间。填料可以是不会引起板构件(1530)粘附到基底(1502)或第一支撑构件(1510)和第二支撑构件(1520)、并且在重复和操作使用检测器(1500)期间不因热和机械条件而变质的任何合适的材料。例如，特氟隆(Teflon)是可用于此目的的一种合适的材料。
[0070]如在其它实施例中，数字逻辑电路(未具体示出)被耦接到谐振器构件(1520)，用于确定由于板构件(1530)的热膨胀和收缩施加到谐振器构件(1520)上的力而发生的谐振器构件(1520)的振荡频率的改变，其中频率的改变与由板构件(1530)吸收的入射红外能
量的数量相关。
[0071]应当理解的是，用于构造诸如图15A/15B中所示的检测器(像素)的规格和材料可以根据不同的应用而变化。例如，基底(1502)可由诸如硅、玻璃、陶瓷等材料制成。每个检测器(像素)的大小可以是大约40 μ mX45 μ m,带有大约50 μ m的像素间距。板构件(1530)可以由诸如Zn、Au、SiC (硅碳化物)、ZnS (硒化锌)、BN (氮化硼)、ZnO (氧化锌)或Si3N4(硅氮化物)等提供足够热膨胀和热传导性的材料或不同材料的层制成。可制造导热板材料以在有利于设计的方向上促进更大方向的热传导，其中更大传导方向平行于制造所产生的晶粒方向。换言之，在图15A和图15B的示例性实施例中，板构件(1530)的应力方向可以是由制造所产生的板构件(1530)的晶粒结构方向确定的沿第一支撑构件(1510)和第二支撑构件(1520)之间的基底的方向
[0072]在其它实施例中，板构件(1530)可以涂覆有诸如DLC、SiC, CaF2等任何合适的材料，以提高对例如4 μ m和10 μ m频谱的热IR吸收。这些涂覆材料应具有足够的膨胀和粘合特性以防止随着时间的推移而脱层。谐振器构件(1520)可以由诸如锆钛酸铅(PZT)、铅钽钪、钛酸锶钡、铋钛酸钠(BNT)、钛酸钡(MHz范围)。应使板构件(1530)的热和应力反应时间常数足够快以用于标准或更快的视频帧速率。例如，<2ms的上升和下降的周期时间对于每秒30帧的帧速率足够。
[0073]图16A和图16B不出根据本发明另一不例性实施例的基于CTE框架的光子检测器。图16A是沿图16B中的线16A-16A所取的光子检测器(1600)的截面图，而图16B是光子检测器的俯视图。一般而言，如图16A和图16B所示，光子检测器(1600)包括基底(1602)、第一支撑构件(1610)、第二支撑构件(1620)、板构件(1630)和谐振器构件(1640)。第一支撑构件(1610)和第二支撑构件(1620)是固定的隔离支撑结构。谐振器构件(1640)工作在谐振频率。板构件(1530)由对IR能量敏感的一种或多种材料形成，所述材料具有导致板构件(1630)通过吸收入射红外能量膨胀和收缩的热膨胀系数以将力施加到谐振器构件(1640)。
[0074]如图16A和图16B进一步示出，第一支撑构件(1610)包括形成在其侧壁上的狭槽(1612)。第二支撑构件(1620)由包括第一下支撑元件(1622)和第二上支撑元件(1624)的两个单独的支撑元件形成，其固定地配置到与谐振器构件(1640)的侧壁邻近并且接触。下支撑元件(1622)和上支撑元件(1624)间隔开以形成之间的狭槽区域(1626)。板构件(1630)具有插入第一支撑构件(1610)的狭槽(1612)的一端和插入由下支撑元件(1622)和上支撑元件(1624)形成的狭槽(1626)的另一端。第一支撑构件(1610)和第二支撑构件(1620)将板构件(1630)保持在距离基底(1602)的表面一定偏移高度处，使得板构件(1530)与基底(1602)完全热隔离。
[0075]如在本文所讨论的其它实施例，数字逻辑电路(未具体示出)被耦接到谐振器构件(1640),用于确定由于板构件(1630)的热膨胀和收缩施加到谐振器构件(1620)上的力而发生的谐振器构件(1620)的振荡频率的改变，其中频率的改变与由板构件(1630)吸收的入射红外能量的数量相关。
[0076]此外，应当理解的是，用于构造诸如图16A/16B中所示的检测器(像素)的规格和材料可以和上文参照图15A/15B讨论的一样。而且，在一些实施例中，由于上面所讨论的原因，板构件(1630)可以在第一支撑构件(1610)和谐振器构件(1640)之间配置为“预应力”状态。各种结构的尺寸可以定为使得板构件(1630)的端部牢固地配合(楔合)在狭槽(1612)和(1626)内。在其它实施例中，可以使用填料来填充板构件(1630)的端部与狭槽(1612)和(1626)的内表面以及谐振器构件(1640)的侧壁之间的任何小间隙或空间。
[0077]图17A和图17B示出根据本发明另一示例性实施例的基于CTE框架的光子检测器(1700)。图17A是沿图17B中的线17A-17A所取的光子检测器的截面图，而图17B是沿图17A中的线17B-17B所取的光子检测器的俯视图。一般而言，如图17A和图17B所示，光子检测器(1700)包括基底(1702)、配置在基底(1702)上的第一支撑构件(1710)、第二支撑构件(1720)以及板构件(1730)。在此示例性实施例中，第二支撑构件(1720)是具有形成其一个表面的空腔区域(1722)的矩形谐振器构件一个可选的薄的热隔离层(未示出)可以配置在谐振器构件(1720)的底面和基底(1702)的表面之间。
[0078]板构件(1730)配置在谐振器构件(1720)的空腔区域(1722)内。板构件(1730)由第一支撑构件(1710)紧固在空腔区域(1722)中的适当位置。第一支撑构件(1710)可以是固定地紧固到谐振器构件(1720)的顶面的连续的矩形框架结构，其中第一支撑构件(1710)的一部分重叠于空腔区域(1722)的内侧壁以提供覆盖板构件(1730)的上周面边缘的唇部(lip)，同时为板构件(1730)留下较大的表面积以吸收入射IR能量。在其它实施例中，第一支撑构件(1710)可以包括配置在围绕空腔区域(1722)的周边(例如每个侧壁角或者在沿侧壁的中点处等)的特定区域中足以将板构件(1730)保持的在空腔区域(1722)内的多个单独的元件。
[0079]在一些实施例中，由于上面所讨论的原因，板构件(1730)可以配置在谐振器构件(1720)的区域(1722)内的“预应力”状态中。谐振器构件(1720)工作在谐振频率。板构件(1730)由对IR能量敏感的一种或多种材料形成，所述材料具有导致板构件(1730)通过吸收入射红外能量膨胀和收缩的热膨胀系数以将力施加到谐振器构件(1720)。在图17A/图17B的示例性实施例中，由于板构件(1730)响应于由吸收入射红外能量导致的加热而膨胀，板构件(1730)将力在三个维度中施加在谐振器构件(1720)上。特别如图17B所示，板构件(1730)在X方向上将第一水平力(Fx)施加到谐振器构件(1720)的空腔区域(1720)的第一对相对的内侧壁上，并且在I方向上将第二水平力(Fy)施加到谐振器构件(1720)的空腔区域(1722)的第二对相对的内侧壁上。
[0080]此外，如图17A所示，随着板构件(1730)在第一支撑构件(1710)的重叠唇部与空腔区域(1722)的底面之间的z方向上膨胀，板构件(1730)相对于谐振器构件(1720)的空腔区域(1722)施加竖直力(Fz)。而且，相对于第一支撑构件元件(1710)的底面施加的竖直力(Fz)将沿着(限定空腔区域(1722)的)侧壁转换成至谐振器构件(1720)的顶面的竖直力。
[0081]如在本文所讨论的其它实施例中，数字逻辑电路(未具体示出)被耦接到谐振器构件(1720)，用于确定由于板构件(1720)的热膨胀和收缩施加到谐振器构件(1720)上的力而发生的谐振器构件(1720)的振荡频率的改变，其中频率的改变与由板构件(1630)吸收的入射红外能量的数量相关。用图17A/图17B的示例性实施例，检测器的灵敏度随着由于在三个维度(x-y-z)上施加到谐振器构件(1720)的应力而导致的谐振器构件(1720)的谐振频率的频率改变而增加。
[0082]在上面讨论的所有示例性实施例中，检测器框架是无源的，即检测器元件(例如，CTE带状件、CTE板)不是有源电子电路的一部分。当设备使用有源动力电路时容易受到电噪声影响。将参照图18示出此概念。图18是示出根据本发明示例性实施例，使用直接数字无源检测器框架相比传统的模拟信号检测器或量子电子设计的优点的曲线示意图(20)。图18示出电噪声(26)，其可以掩盖或干扰包含所需的传感器数据的模拟信号(22)，该数据将丢失在噪声(24)。为了检测信号数据，信号数据必须大于噪声电平(或“噪声基底”)(26)。模拟信号(24)低于“噪声基底”(26)的任何部分为被丢失的信息。噪声将传感器系统限制到噪声基底的电平。有些系统不遗余力地降低噪声电平以获得更好的灵敏度。一个例子是低温冷却。虽然取得了良好的灵敏度，但其复杂、昂贵、笨重并且危险。
[0083]数字电子设备的一个优点是，可以以尽可能最大的抗噪声量发送数据。因为信号数据的微小变化可以在振幅上小于系统噪声电平或噪声基底，噪声基底掩盖部分模拟信号(因而丢失部分模拟信号)，所以如图18所示的模拟信号(22)容易受到噪声干扰。这对任何系统整体灵敏度和性能是主要的限制因素。在图18中，模拟信号(22)可以被转换为一系列二进制数字(逻辑I和逻辑O)。这些二进制数用在系统电压低点和高点之间调制的方波
(23)表示。为了对其检测，方波只需要在高于或低于系统转换电平(21)间切换即可为有效数据。数字化设计使得能够通过方波信号的前沿或下降沿来获取有效数据。即使在高噪声环境中此触发点也是明显的。所以在数据创建方案的尽可能早的时间上使系统数据为数字的则是明显的优势，由于其比有源电路更能抗噪声。
[0084]图19是根据本发明示例性实施例的实现无源检测器的成像系统的框图。一般而言，图19示出包括像素结构(50)、像素电路(60)，读出集成电路(70) (“R0IC”)、控制器
(80)以及图像呈现(rendering)系统(90)的成像电路。像素(50)包括无源检测器前端结构(52)和谐振器结构(54)。像素电路(60)包括数字计数器(62)和三态寄存器(64)。控制器(80)包括计数器使能/保持控制块(81)、寄存器复位块(82)、ROIC控制块(83)、数据输入控制块(84)以及视频输出控制块(85)。
[0085]在图19的像素结构(50)中，无源检测器前端结构(52) —般表示本文讨论的无源像素检测器结构的任何一个，包括支撑结构和检测元件(例如CTE带状件、板结构等)，所述检测元件被设计成例如响应于光子曝射而机械地变形并且将机械应力(力)施加到谐振器结构(54 )。检测器前端结构(54 )为电无源并且无噪声生成电子器件。
[0086]谐振器结构(54)在谐振频率FO上振荡并且输出方波信号。谐振器结构(54)被设计成在由检测器前端(52 )除了预应力的数量外不施加由于光子曝射产生的额外应力到谐振器构件(54)的状态中具有参考(或基准)谐振频率(无光子曝射)。随着由于光子曝射产生的机械应力从检测器前端(52)施加到谐振器构件(54)，谐振器构件(54)的振荡频率会从其参考(基准)谐振频率起增加。在一个示例性实施例中，数字电路(60 )、( 70 )和(80 )共同工作以确定由于由检测器前端结构(52)的无源检测器元件(例如，带状件、板)的膨胀和收缩施加到谐振器构件(54)上的力而导致的谐振器构件(54)的输出频率H)，在给定的时间基于所确定的谐振器构件(54)的谐振频率H)来确定由无源检测器元件吸收的入射光子能量的数量，并且在给定的时间基于所确定的入射光子能量的数量来产生图像数据，然后由成像系统(90)呈现。
[0087]尤其是，由谐振器构件(54)产生的输出信号是具有频率H)的数字方波信号，频率H)取决于由无源检测器前端结构(52)施加到谐振器构件(54)的应力而变化。由谐振器构件(54)产生的输出信号输入到数字计数器(62)的时钟输入端口。对于成像器的每个读周期(或帧)，数字计数器(62)在读周期的给定的“计数期间”(或参考期间)对来自谐振器构件(54)的输出信号的脉冲计数。数字计数器(62)的计数操作由控制器(80)的计数器控制块(81)产生的CLK使能信号控制。对于每个读周期，由计数器(62)产生的计数信息作为η位计数值输出至三态寄存器(64)。
[0088]对于每个读周期，R0IC70从给定像素(50)的像素电路(60)读出计数值(像素数据)。应当理解的是，为了便于说明，图19示出一个像素单元(50)和一个对应的像素电路
(60)，但是成像器例如可以具有形成线性像素阵列或2D聚焦平面像素阵列的多个像素单元(50)和对应的像素电路(60)。在这种情况下，ROIC (70)通过共享的η位数据总线(66)连接每个像素电路(60 )，用于可控制地将单独的像素数据从每个像素计数电路(60 )(优选地形成在每个对应的像素结构(50)下的活性硅基底表面中)传输至控制器(80)。
[0089]尤其是，响应于从控制器(80)的ROIC控制块(83)接收的控制信号，ROIC (70)将输出三态控制信号到给定像素(50)的像素电路(60)以将移位寄存器(64)中存储的计数数据读出到共享数据总线(66)上。每个像素电路(60)的移位寄存器(64)由ROIC (70)单独控制以在数据总线(66)上一次为每个像素获得计数数据。计数数据从ROIC (70)通过连接到控制器(80)的η位输入数据控制块(84)的专用数据总线(72)传输至控制器(80)。在每一个读出周期之后，每个像素的三态寄存器(64)经由来自控制器(80)的寄存器复位控制块(82)的控制信号输出而被复位。
[0090]控制器(80)处理在每个读出周期中从每个像素获得的计数数据(或视频帧)，以确定每个像素的入射光子曝射量，并且使用所确定的曝射数据来建立视频图像。视频数据经由视频输出块(85)被输出到图像呈现系统(90)以显示图像。在本发明的一些实施例中，通过对由谐振器构件(54)产生的输出频率直接计数，计数器(62)为给定像素(50)获得该给定像素(50)的计数数据，控制器(80)将使用该计数数据来确定该像素的灰度级，该灰度级对应于该像素的入射光子曝射的数量。例如，在一些实施例中，灰度级可以使用灰度算法或使用查找表来确定，所述查找表中，不同的灰度值(从黑到白的范围上)与一范围的计数值相关联，这些计数值具有谐振器构件的振荡频率从基准参考频率到最大振荡频率的改变的先验确定的增量。最大振荡频率是响应于可以由给定的无源检测器前端结构建立的应力的最大数量可以从谐振器构件输出的最高频率。
[0091]在本发明其它实施例中，图19的像素结构和像素电路可以被修改，使得计数器将对表示谐振器构件(54)的基准谐振频率与由谐振器构件(54)在给定时间响应于由无源检测器前端(52)施加的应力而产生的实际输出频率之间的差的信号频率计数。例如，图20示出可以在图19的成像系统中实现的像素单元和像素电路的另一示例性实施例。在图20中，(图19的)像素(50)被修改为包括输出参考谐振频率Fref的参考振荡器(56)。(图19的)像素电路(60)被修改为包括将谐振器构件(54)(具有可变频率F0)的输出信号和来自参考振荡器(56)的固定信号接收作为输入的异或门(66)。异或门(66)操作以基于参考振荡器(56)的参考频率来去除从谐振器构件(54)输出的信号H)的基准频率分量，并输出具有等于谐振器构件(54)的频率变化ΛΗ)的频率的方波信号。远低于谐振器构件(54)的振荡频率H)的频率信号谐振器构件(54)的需要较低的位数的计数器(62)，以对信号AR)计数，使其更容易实现。作为图19的实施例，在一参考时间段上对信号ΛΗ)计数并且将计数值用于如上所述确定像素的入射光子曝射量。
[0092]虽然为说明本文已经参照附图描述了示例性实施例，但是应当理解，本发明不限于那些具体的实施例，并且本领域技术人员可以不脱离本发明的范围在此进行各种其它的改变和修改。
【权利要求】
1.一种光子检测器设备，包括: 基底； 具有一频率且配置在所述基底上的谐振器构件； 无源检测器结构，配置在所述基底上并与所述谐振器构件机械地耦接，其中所述无源检测器结构包括检测器构件，所述检测器构件响应于光子曝射而机械变形以将机械力施加到所述谐振器构件，并响应于所述机械力改变所述谐振器构件的频率；以及 数字电路，耦接到所述谐振器构件，用于确定所述谐振器构件的频率，并基于所确定的频率来确定由所述检测器构件吸收的入射光子能量的数量，其中所述谐振器构件的频率由于由所述无源检测器结构施加到所述谐振器构件上的机械力而改变。
2.根据权利要求1所述的光子检测器，其中所述光子检测器被配置为探测红外能量。
3.根据权利要求1所述的光子检测器，其中所述无源检测器结构还包括第一支撑构件，其中所述检测器构件包括带状构件，并且其中所述无源检测器结构和所述谐振器构件形成桥结构，其中所述桥结构包括所述带状构件，所述带状构件悬挂在所述基底上方且位于所述基底上方的所述第一支撑构件与所述谐振器构件之间，其中所述带状构件包括具有热膨胀系数的材料，通过吸收光子能量而膨胀和收缩以将机械力施加到所述谐振器构件。
4.根据权利要求3所述的光子检测器，其中所述第一支撑构件是固定的隔离支撑构 件。
5.根据权利要求1所述的光子检测器，还包括: 反射器，配置在所述基底上且在所述带状构件的下方。
6.根据权利要求1所述的光子检测器，其中所述谐振器构件包括压电振荡器。
7.根据权利要求1所述的光子检测器，其中所述无源检测器结构还包括第一支撑构件，其中所述检测器构件包括板构件，并且其中所述板构件配置在所述第一支撑构件与所述谐振器构件之间，其中所述板构件包括具有热膨胀系数的材料，通过吸收光子能量而膨胀和收缩以将机械力施加到所述谐振器构件。
8.根据权利要求7所述的光子检测器，其中所述第一支撑构件具有第一凹槽，并且其中所述谐振器构件包括第二凹槽，其中所述板构件的端部被配置在所述第一凹槽和第二凹槽内。
9.根据权利要求7所述的光子检测器，还包括邻近所述谐振器构件配置的第二支撑构件，其中所述第一支撑构件具有第一凹槽，并且其中所述第二支撑构件具有第二凹槽，其中所述板构件的端部被配置在所述第一凹槽和第二凹槽内，其中在所述板构件响应于光子曝射而膨胀时，所述第二凹槽允许所述板构件接触所述谐振器构件并将机械力施加到所述谐振器构件。
10.根据权利要求7所述的光子检测器，其中在预应力状态下，所述板构件配置在所述第一支撑构件和所述谐振器构件之间。
11.根据权利要求1所述的光子检测器，其中所述谐振器构件包括形成在其表面中的凹入的空腔区域，其中所述检测器构件包括配置在所述谐振器构件的所述凹入的空腔区域内的板构件，其中所述无源检测器结构还包括第一支撑构件，所述第一支撑构件配置在所述谐振器构件的所述表面上并且重叠所述凹入的空腔区域的至少一部分以将所述板构件锁固在所述空腔区域内，并且其中所述板构件包括具有热膨胀系数的材料，通过吸收光子能量而膨胀和收缩以将机械力施加到谐振器构件。
12.根据权利要求11所述的光子检测器，其中所述第一支撑构件是连续的框架结构，牢固地锁固到所述谐振器构件的表面上，其中所述第一支撑构件的一部分重叠所述空腔区域的内部侧壁，以提供覆盖所述板构件的外周上表面边缘的唇部，同时为所述板构件留下开口的表面积以吸收光子能量。
13.根据权利要求11所述的光子检测器，其中所述板构件的膨胀在三个维度中将机械力施加到所述谐振器构件上。
14.根据权利要求11所述的光子检测器，其中在预应力状态下，所述板构件配置在所述谐振器构件的所述凹入的空腔内。
15.一种用于检测光子能量的方法，包括: 将无源检测器构件暴露于入射光子能量，以使所述检测器构件响应于光子曝射而机械变形； 响应于所述无源检测器构件的机械变形将机械力施加到谐振器构件； 确定所述谐振器构件的频率，所述谐振器构件的频率由于由所述无源检测器构件施加到所述谐振器构件上的机械力而改变；以及 基于所确定的频率来确定由所述检测器构件吸收的入射光子能量的数量。
16.根据权利要求15 所述的方法，其中所述检测器构件包括具有热膨胀系数的材料，使所述检测器构件通过热膨胀和收缩而机械变形。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括: 使用所确定的频率来生成图像数据。
18.根据权利要求15所述的方法，其中基于所确定的频率来确定由所述检测器构件吸收的入射光子能量的数量包括: 通过在给定计数时间段对所述谐振器构件的输出信号中的数字脉冲的数目计数来生成计数数据；以及 基于所述计数数据确定所述检测器构件的光子曝射的水平。
【文档编号】H01L31/00GK104040725SQ201280051175
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年8月17日 优先权日:2011年8月17日
【发明者】霍华德·E·卡彭特, 彼得·N·考夫曼 申请人:公共服务解决方案公司