[發(fā)明專利]測輻射熱儀和制造測輻射熱儀的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200680055785.6
• 申請日: 2006-09-08
• 公開（公告）號: CN101512308A
• 公開（公告）日: 2009-08-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 霍爾格·福格特;馬爾科·魯斯
• 申請（專利權(quán)）人: 弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)
• 主分類號: G01J5/20
• 分類號: G01J5/20;H01L27/146
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 朱進(jìn)桂

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及測輻射熱儀和制造測輻射熱儀的方法，并且特別涉及一種可縮放的微型測輻射熱儀結(jié)構(gòu)。?

背景技術(shù)

測輻射熱儀是用于測量特定波長范圍(大概3-15μm)的電磁輻射強(qiáng)度的裝置。它包括將電磁輻射轉(zhuǎn)化熱的吸收器和用于測量溫度的增加的裝置。依賴于材料的熱容量，在吸收的輻射量和所導(dǎo)致的溫度的增加之間存在直接的聯(lián)系。因此，溫度的增加可用作入射輻射強(qiáng)度的量度標(biāo)準(zhǔn)。最感興趣的是用于測量紅外輻射的測輻射熱儀，其中紅外輻射是大多數(shù)測輻射熱儀具有最高敏感水平的地方。?

在技術(shù)上，測輻射熱儀可用作紅外傳感器、夜視裝置或熱成像相機(jī)的成像裝置。?

用作紅外傳感器的測輻射熱儀包括以熱絕緣方式設(shè)置在該傳感器內(nèi)部的薄層，例如像隔膜一樣被懸掛著。紅外輻射在該隔膜內(nèi)被吸收，結(jié)果該隔膜的溫度增加。如果該隔膜由金屬或較佳地由半導(dǎo)體材料組成，電阻將依賴于溫度的增加和所使用材料的阻抗的溫度系數(shù)而改變。可在論文R.A.Wood：“單片硅微型測輻射熱儀陣列(Monolithic?siliconmicrobolometer?arrays)”，Semiconductor?Semimetals，vo1.47，pp.43-121，1997中發(fā)現(xiàn)關(guān)于各種材料的典型值。作為選擇，該隔膜是絕緣體(氧化硅或氮化硅)，在該絕緣體之上電阻器已經(jīng)被沉積為另一薄層。在其它工具中，絕緣層和吸收層還設(shè)置到該電阻層。?

金屬層電阻的溫度相關(guān)性是線性的，用作電阻材料的半導(dǎo)體具有指數(shù)相關(guān)性。高度相關(guān)性也希望來自作為熱檢測儀的二極管，其電流/電壓特性滿足?

I_D＝I₀*(Exp{eU_D/kT}-1)?

其中T是溫度，k是波爾茲曼常數(shù)，e是元電荷，I_D和U_D表示二極管中的電流密度和電壓，且I₀是獨(dú)立于該電壓的常數(shù)。?

測輻射熱儀可用作單獨(dú)的傳感器，但也可設(shè)計(jì)為行或2D陣列。如今代表性地是，在表面微機(jī)械中采用微系統(tǒng)工程方法在硅襯底上制造行或陣列。這樣的陣列稱為微型測輻射熱儀陣列。?

將被檢測的紅外輻射的首選波長約8-14μm，因?yàn)檫@個(gè)波長范圍包括具有近似室溫(300K)的物質(zhì)的輻射。由于滲透性大氣窗口，3-5μm的波長范圍也是感興趣的。?

相對與其它(光子學(xué))IR檢測儀(IR＝紅外)，熱測輻射熱儀的本質(zhì)優(yōu)點(diǎn)是它們在室溫是可操作的，即不被冷卻。?

進(jìn)一步的發(fā)展目標(biāo)是在一個(gè)陣列內(nèi)設(shè)置盡可能多的測輻射熱儀單元(像素)。因此，在相同的陣列整體面積(芯片面積)處，該陣列將具有較高數(shù)目的像素，且提供較好的圖像分辨率。例如，160x120像素的配置是常用的，也可采用320x240的配置，640x480像素(VGA分辨率)已經(jīng)被公布并將很快能夠應(yīng)用，但是只不過需要相當(dāng)大的附加費(fèi)用。同時(shí)，有用的是，最小化陣列的費(fèi)用以打開如汽車領(lǐng)域等新的市場。?

陣列內(nèi)的單個(gè)像素的通常的尺寸包括35x35μm²至50x50μm²的像素面積。因此對于320x240像素，芯片面積至少為12.2x8.4mm²＝94mm²(單獨(dú)的像素面積)加上用于讀出電路的面積(如，每邊緣額外的2mm)，總共約137mm²。由于良率(好的芯片的數(shù)目相對于盤或晶片上的整個(gè)數(shù)目)隨著芯片面積的增加而急劇下降，這樣的陣列的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)幾乎是不可能的。因此，像素?cái)?shù)目的增加會(huì)帶來像素面積的降低。如今在商業(yè)上，已經(jīng)使用35x35μm²的IR成像裝置一段時(shí)間了。如在論文?http://www-leti.cea.fr/commun/AR-2005/pdf/t7-2-Mottin.pdf中描述的，目前正在開發(fā)25x25μm²的陣列。然而，即使這個(gè)已經(jīng)縮放的表面面積仍然導(dǎo)致無法接受的大的芯片面積(估計(jì)約250mm²)和成像顯示VGA分辨率。因此像素面積的進(jìn)一步縮放是絕對必要的。所瞄準(zhǔn)的是具有約15x15μm²面積的像素。尺寸的進(jìn)一步降低將與這樣的事實(shí)相沖突，在這種情況中所采用的光學(xué)系統(tǒng)具有很高的質(zhì)量，其又將導(dǎo)致很高的費(fèi)用。?