一种热成像传感器像素单元及其阵列的制作方法

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种热成像传感器像素单元及其阵列。

背景技术：

根据普朗克黑体辐射理论，任何温度高于绝对零度的物体都会发出与其特性相关的红外辐射，又称热辐射。物体的热辐射特性主要由物体的温度决定，温度越高，辐射强度越大，能量越高。能够进行红外辐射探测的传感器称为红外传感器或红外探测器，分为光子型红外传感器与测热型红外传感器两大类。光子型红外传感器利用半导体材料的光电效应，通过测量红外电磁波的光子所引起的探测器的电子状态改变而产生的光伏或光电导等现象实现红外测量。光子型红外传感器具有较高的探测灵敏度，噪声等效温度差(netd)可以达到5～10mk的水平，但是存在着需要杜瓦或机械制冷、系统复杂、体积庞大、价格昂贵，以及信号处理电路集成困难、热应力导致的可靠性低等显著缺点。

测热型红外传感器如热成像传感器利用红外辐射引起的传感器自身温度升高而改变热敏感元件的物理性质实现热成像。由于红外辐射产生的热量及其引起的温度变化非常低，为了获得较高的灵敏度，必须抑制传感器吸收的热量向衬底和环境散失，因此传感器用热导率低的结构将其支撑悬空在衬底表面。近年来各种敏感材料和结构不断涌现，基于氧化钒、多晶硅(非晶硅)、热释电等材料的红外传感器开始商品化。热成像传感器无需制冷、成本低、体积小、重量轻、系统简单，易于维护和使用，但是热传感器的探测灵敏度通常比光子传感器低1个数量级，已商品化的热传感器的噪声等效温差一般为30～150mk左右。

通常的热成像传感器包括热吸收层和位于热吸收层上的温度敏感器件。常用的温度敏感器件为氧化钒或非晶硅(多晶硅)制成的电阻，以及红外热释电材料等。由于红外热辐射极度微弱，必须将热吸收层采用细长的支撑臂支撑悬空，以减少热辐射的热量向衬底的流失，尽量提高热辐射产生的温度变化，从而提高探测灵敏度。由于支撑臂占据了热吸收层所在的面积，导致热吸收层面积减小，使得灵敏度下降。另外，近年来焦平面阵列的规模不断增大，每个像素面积不断减小，而支撑臂不能同比例减小，进一步影响了探测灵敏度，也限制了阵列规模的继续扩大。

为了补偿支撑臂占用的面积，有些热成像传感器在热吸收层上方增加了一层热吸收层，采用一个支撑柱将热吸收层支撑起来，架在带有温度传感器的下层热吸收层上。这样上层热吸收层吸收的热量，通过支撑柱传递到温度传感器所在的下层热吸收层，改变温度的变化。因此，高性能红外热成像传感器结构带有两层结构和一个支撑柱，实现对热辐射的最大化吸收。但是这种结构也存在较为明显的缺点，主要是两层结构和支撑柱大幅度增加了系统的热容量，影响了热吸收导致的温度变化的幅度和系统的响应速度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种热成像传感器像素单元，通过设置悬空的聚焦透镜以提高热吸收板的温度变化幅度，进而可以提高热辐射测温的灵敏度。

为此目的，本发明提出了一种热成像传感器像素单元，包括：

衬底、热量汇聚组件和热吸收组件；所述热吸收组件位于所述衬底和热量汇聚组件之间；

所述热量汇聚组件包括聚焦透镜；所述聚焦透镜内嵌在中空的框架内悬空架设在所述热吸收组件的上方；

所述热吸收组件包括热吸收板和位于所述热吸收板表面的温度传感器；所述热吸收板通过第一支撑架悬空架设在所述衬底的上方；

所述聚焦透镜用于将热辐射汇聚至所述热吸收板的表面。

优选的，该热成像传感器像素单元还包括：位于所述衬底和热吸收组件之间的热反射组件；

所述热反射组件包括位于所述衬底和热吸收板之间的热反射膜层；所述热反射膜层用于将透射所述热吸收板的热辐射反射至所述热吸收板。

优选的，所述聚焦透镜在所述热吸收板所在平面内的投影大于或等于所述热吸收板的面积；

所述热吸收板在所述热反射膜层所在平面内的投影小于或等于所述热反射膜层的面积。

优选的，所述热反射膜层与所述热吸收板之间的距离为2-4微米。

优选的，所述聚焦透镜为具有双面凸起结构的六边形的微凸透镜。

优选的，所述热吸收板与所述聚焦透镜之间的距离为a，2f≥a；

其中，f为所述聚焦透镜的焦距。

优选的，所述热吸收板与所述聚焦透镜之间的距离等于所述聚焦透镜的焦距。

优选的，所述第一支撑架包括绝热支撑臂和第一支撑柱；所述绝热支撑臂用于固定所述热吸收板，所述第一支撑柱通过支撑所述绝热支撑臂使所述热吸收板悬空架设在所述衬底的上方。

优选的，该热成像传感器像素单元还包括透镜支撑柱，所述聚焦透镜通过所述透镜支撑柱支撑所述框架，以使所述聚焦透镜悬空架设在所述热吸收板的上方。

另一方面，本发明实施例还提供了一种热成像传感器像素阵列，包括多个上述任意一种热成像传感器像素单元，所述多个热成像传感器单元的聚焦透镜之间通过所述框架连接为一体，相邻的聚焦透镜之间共用所述框架的同一个边框。

本发明实施例提供的技术方案，通过设置悬空的聚焦透镜使物体的热辐射进行汇聚，从而减少了热散射，提高了热吸收的比例，进而提高了检测的准确度；进一步的，通过一层热吸收板升温，从而降低了系统的热容量，增大了同样热吸收量的情况下所产生的升温幅度，进而提高了检测的准确度。更进一步的，热吸收板悬空于衬底上方，避免了热吸收板的热量向衬底的扩散，进一步提高了热辐射测量的准确度。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种热成像传感器像素单元的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的热成像传感器像素单元的剖面原理示意图；

图3为本发明实施例提供的热成像传感器像素阵列的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的热成像传感器像素阵列另一视角的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

本发明实施例提供了一种热成像传感器像素单元，包括：

衬底302、热量汇聚组件和热吸收组件；所述热吸收组件位于所述衬底和热量汇聚组件之间；

所述热量汇聚组件包括聚焦透镜；所述聚焦透镜内嵌在中空的框架102内悬空架设在所述热吸收组件的上方；

所述热吸收组件包括热吸收板201和位于所述热吸收板表面的温度传感器202；所述热吸收板201通过第一支撑架悬空架设在所述衬底302的上方；

所述聚焦透镜用于将热辐射汇聚至所述热吸收板201的表面。

如图1所示，为了解决现有技术的缺点，本发明实施例提出了一种热成像传感器像素单元，其中，热量汇聚组件的主要功能是对红外辐射聚焦。聚焦透镜可以为微凸透镜101，微凸透镜101由中空的框架102支撑，并悬空于热吸收板201和温度传感器202的上方，热吸收板201与微凸透镜101之间没有连接结构或支撑结构，且二者的间距可以为微凸透镜101的焦距，从而可以使微凸透镜101汇聚的能量聚焦在热吸收板201的表面。热吸收组件主要功能是吸收热量并将热量转换为电信号。外部物体的热辐射经过微凸透镜101之后，被聚焦在热吸收板201表面，改变热吸收板201的温度变化，进而改变位于热吸收板201上的温度传感器202的输出，实现对外部环境的热成像。本发明实施例通过设置悬空的聚焦透镜使物体的热辐射进行汇聚，从而减少了热散射，提高了热吸收的比例，进而提高了检测的准确度；

优选的，本发明实施例提供的热成像传感器像素单元还包括：位于所述衬底302和热吸收组件之间的热反射组件；

所述热反射组件包括位于所述衬底302和热吸收板201之间的热反射膜层301；所述热反射膜层301用于将透射所述热吸收板201的热辐射反射至所述热吸收板201。

需要说明的是，热反射组件的功能是将透过热吸收板201的热量反射回热吸收板201进行二次吸收，进一步提高热吸收的比例。在传统的热成像传感器中，由热吸收层吸收的热量使两层热吸收层升温，从而使热容量变大，影响热吸收导致的温度变化，进而影响测温系统的灵敏度；本发明实施例由于只有一层热吸收板201升温，从而降低了系统的热容量，增大了同样热吸收量的情况下所产生的升温幅度。更进一步的，本发明实施例由于设置了热反射膜层301，使透过热吸收板201的热量反射回热吸收板201进行二次吸收，进一步提高了热吸收的比例，提高了温度变化程度，进而可以提高测温灵敏度。

在上述实施例的基础上，所述聚焦透镜在热吸收板201所在平面内的投影大于或等于所述热吸收板201的面积；所述热吸收板201在所述热反射膜层301所在平面内的投影小于或等于所述热反射膜层301的面积。具体的，所述微凸透镜101在热吸收板201所在平面内的投影面积远大于热吸收板201的面积，由于微凸透镜101占用的填充比高，因此有效热吸收面积提高。同时，由于热吸收板201面积减小、热容量降低，相同热量获得更大的温度变化，提高了测温灵敏度，另外，由于热吸收板201面积减小，所吸收的热量在热吸收板201的传导时间减小，从而提高测温传感器的响应速度。

在上述实施例的基础上，优选的，所述热反射膜层301与所述热吸收板201之间的距离为2-4微米。需要说明的是，热反射膜层301可以直接设置在衬底302的上表面，热吸收板201与热反射膜层301之间的间距一般为热辐射波长的1/4，从而热反射膜层301与热吸收板201上表面之间的距离可以2-4微米，针对远红外波段，间距可以选取为2.5μm。热反射膜层301可以为金属材料薄膜，通常可采用铝、金制造，厚度为几百纳米。在上述实施例的基础上，优选的，所述温度传感器202可以为二极管温度传感器202或铂电阻温度传感器202。

其中，所述聚焦透镜优选为具有双面凸起结构的六边形的微凸透镜101。在本发明实施例中，微凸透镜101可以采用红外透射材料制造，热辐射经过微凸透镜101时基本不吸收或很少吸收，因此微凸透镜101不再像常规热成像传感器的第一层热吸收层一样增大系统的热容量，相反，通过微凸透镜101的汇聚作用，使热辐射被热吸收板201吸收的比例更高，从而可以提高测温的准确性。其中，支撑微凸透镜的中空的框架102很细，从而可以投射到微凸透镜101表面的热辐射都被微凸透镜101进行聚焦，将热量汇聚到热吸收板201上，由于汇聚的焦点很小，因此可以使用面积尽量小的热吸收板201，降低热吸收板201的热容量，进而获得更大的温度变化，提高测温的灵敏度。

在上述实施例的基础上，所述热吸收板201与所述聚焦透镜之间的距离为a，2f≥a；其中，f为所述聚焦透镜的焦距。优选的，所述热吸收板201与所述聚焦透镜之间的距离等于所述聚焦透镜的焦距。以微凸透镜101为例，由于热辐射经过微凸透镜101后被聚焦到微凸透镜101的焦点上，从而将热吸收板201设置在聚焦透镜的焦点处时，可以使热辐射汇聚到热吸收板201上，使热吸收板201吸收的热量更多，从而提高测温的准确性。

在上述实施例的基础上，优选的，所述聚焦透镜的材料为硅、锗、氟化钙、氟化钡、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。需要说明的是，支撑聚焦透镜的中空的框架102可以采用硅微加工技术制造，材料可以为硅。聚焦透镜可以为由红外透射材料制造的微凸透镜101，从而减少聚焦透镜对热辐射的吸收，达到基本不吸收或少吸收。聚焦透镜可以为双面凸起结构的微凸透镜101，材料可以为无机材料硅、锗、氟化钙、氟化钡等，可以为有机材料聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯等。对于熔点低于硅的微凸透镜101材料，可以采用熔融回流的方法制造双面凸出的微凸透镜101。

在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的热成像传感器像素单元还包括透镜支撑柱103，所述聚焦透镜通过所述透镜支撑柱103支撑所述框架102，以使所述聚焦透镜悬空架设在所述热吸收板201的上方。

具体的，可以采用四个透镜支撑柱103支撑一个微凸透镜101的框架102，当多个像素单元拼接在一起时，多个像素单元的微凸透镜101可以共用四个透镜支撑柱103，即可以由四个第一支撑柱103支撑多个微凸透镜101的框架102。

进一步的，为了使所述热吸收板201通过第一支撑架悬空架设在所述衬底302的上方。优选的，所述第一支撑架可以包括绝热支撑臂203和第一支撑柱204；所述绝热支撑臂203用于固定所述热吸收板201，所述第一支撑柱204通过支撑所述绝热支撑臂203使所述热吸收板201悬空架设在所述衬底302的上方。

需要说明的是，热吸收板201通过第一支撑柱204支撑悬空与衬底302上方，从而可以减少热吸收板201的热量向衬底302流失，尽量提高热辐射产生的温度变化，从而提高探测灵敏度。同时，由于绝热支撑臂203不再占用有效的热吸收面积，所以绝热支撑臂203的长度可以尽量增大，提高热隔离的效果。

如图2所示，为三个像素单元的剖面和工作原理示意图，工作时，微凸透镜101将热辐射汇聚到热吸收板201上，使热吸收板201的温度升高，改变位于热吸收板201表面的温度传感器202的输出，产生电信号用于热成像。温度传感器202可以为二极管或铂电阻，其输出电学信号与温度有关，热辐射引起的热吸收板201温度变化传递给温度传感器202，改变温度传感器202输出的信号。由于微凸透镜101不吸收红外辐射，红外辐射的能量只用于加热热吸收板201，因此被加热的结构的面积和热容量远远小于常规红外热成像传感器系统的面积和热容量，从而在相同的辐射能量的情况下，获得更大的温度变化和输出电信号，或者在相同电信号输出的情况下，能够测量更小的辐射能量，即提高的探测灵敏度。进一步的，透过热吸收板201的辐射被下方的热反射膜层301反射后，又一次进入热吸收板201被吸收，提高了热吸收层板吸收辐射的能量。热吸收板201与热反射膜层301之间的间距一般为热辐射波长的1/4，针对远红外波段，间距可以选取为2.5μm。热反射膜层301为金属材料薄膜，通常可采用铝或金制造，厚度为几百纳米。

另一方面，如图3所示，本发明实施例还提供了一种热成像传感器像素阵列，包括多个上述实施例所述的热成像传感器像素单元，所述多个热成像传感器单元的聚焦透镜之间通过所述框架102连接为一体，相邻的聚焦透镜之间共用所述框架102的同一个边框。

其中，多个像素单元组成像素阵列时，多个热成像像素单元可以由同一套透镜支撑柱103支撑。即多个像素单元可以共用四根透镜支撑柱103，而无需每个像素单元设置四根透镜支撑柱103，从而既可以节省材料，又可以避免支撑柱吸收或遮挡热辐射。

如图3所示为3×3规模的阵列结构示意图，从图中可以看出，多个聚焦透镜的框架102连接为一体，并且可以共用四根透镜支撑柱103支撑，悬空于衬底302上方，并且，相邻的两个聚焦透镜可以共用一个边框。框架102为中空框架，聚焦透镜固定在中空框架中，中空框架的形状可以为矩形(含正方形)或者等边长六边形结构，采用矩形(含正方形)结构时，阵列内的像素单元按照行列式排布，在整个阵列的边缘，框架102的外边是整齐的，如图3所示的情况。采用等边长六边形结构时，阵列内的像素按照蜂巢式排布，在整个阵列的边缘不是整齐的。图4为3x3规模的阵列改变视图角度的结构示意图。从图中可以看出，该聚焦透镜可以为双面凸起结构的微凸透镜101。

综上所述，本发明实施例提供的技术方案，具有如下三个方面的优点：

首先，本发明实施例提供的热成像传感器像素单元的热容量大幅度降低。传统的热成像传感器中，由热吸收层吸收的热量使两层热吸收层升温。本发明实施例中，红外透射材料制造的微凸透镜101基本不吸收或很少吸收热辐射，只有热吸收板201吸收热量而升温。由于经过聚焦的热辐射面积很小，只需要很小的热吸收板201就可以实现整个微凸透镜101面积对应的辐射的吸收，因此热吸收板201的红外吸收结构面积可以大幅度减小，从而降低系统的热容量，增大了同样热吸收量的情况下所产生的升温幅度。例如，可以将热吸收板201的面积减小到传统热吸收层的1/5～1/10，因此在同样热吸收量的情况下，升温幅度可以增大到原来的5～10倍。即，在相同热辐射吸收率的情况下，本发明提出的传感器的热容量大幅度降低，热辐射导致的升温幅度提高，从而提高了探测灵敏度。

其次，绝热支撑臂203不再占用有效热吸收面积，因此热吸收效率和绝缘能力可以进一步提高。传统双层热吸收层结构，其顶层的热吸收层投射的热辐射，在绝热臂所在区域无法吸收，造成辐射热量的浪费。本发明实施例中，微凸透镜101将辐射热量汇聚到焦点，因此绝热支撑臂203不占用热吸收面积，从而进一步提高吸收效率。由于微凸透镜101占用了除框架以外的所有区域，而框架的面积相对较小，微凸透镜101占用的填充比高，因此有效热吸收面积提高。由于绝热支撑臂203不占用吸收面积，因此可以采用更大长度的支撑臂结构，以减小热吸收板201吸收的热量通过绝热支撑臂203向衬底302的散失，使吸收的热量都用于改变热吸收板201的温度。

第三，热成像传感器像素单元热容量降低、热传导距离减小、响应速度提高。传统双层结构的热流，是经过顶层的热吸收层吸收，经由热传导柱传导到下层的热吸收层和温度传感器。本发明实施例中的热吸收板201面积减少，热容量大幅度减小，热量传导所需要的时间也大幅度减小；另外采用更小的热吸收板201并取消热传导柱，热量被热吸收板201吸收后只在较小尺寸的热吸收板201内传导，避免了在更大的热吸收层内传导和热传导柱内传导，从而使热量的传导距离大幅度降低，从而提高响应速度。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”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。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；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。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。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。