[發(fā)明專利]光－機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列探測器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710062983.1
• 申請日: 2007-01-24
• 公開（公告）號: CN101229911A
• 公開（公告）日: 2008-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 焦斌斌;李超波;陳大鵬;葉甜春
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院微電子研究所
• 主分類號: B81B7/02
• 分類號: B81B7/02;G01J5/02;G01J5/38
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 周國城

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及紅外成像系統(tǒng)中非制冷紅外焦平面陣列探測器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列探測器。

背景技術(shù)

紅外輻射探測裝置用于將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見的圖像。按照探測原理的不同，可以把傳統(tǒng)的紅外輻射探測裝置大致分為兩類：量子型的和熱型的紅外輻射探測器。

量子型的紅外輻射探測器將紅外光子的能量轉(zhuǎn)化為電子的能量。由于8至14微米的紅外光子的受激電子的能量和室溫下電子熱運(yùn)動產(chǎn)生的能量相當(dāng)，因此需要將探測器的溫度維持在液氮溫度(約77K)來抑制電子熱運(yùn)動，使量子型的紅外輻射探測裝置不僅笨重而且價格昂貴。

傳統(tǒng)的熱型紅外輻射探測器吸收入射的紅外光能量，使探測單元溫度上升，再通過集成電路檢測探測器的溫升引發(fā)的熱電效應(yīng)，比如電阻率和電容的變化等，得到紅外輻射的信息。傳統(tǒng)的熱型紅外探測器中熱電效應(yīng)是用集成電路從每個探測器單元中讀出的，由于電流輸入會在探測器單元上產(chǎn)生附加的熱量，所以這種方式難以準(zhǔn)確地檢測到入射的紅外輻射。同時探測器單元與基底之間通過導(dǎo)熱性能很好的金屬導(dǎo)線相連，使得熱隔離變得很困難，嚴(yán)重限制了溫升性能。另外熱電效應(yīng)都極為微弱，為了探測信號，集成電路要有相當(dāng)高的信噪比和很強(qiáng)的增益。這不僅增加了探測器和讀出電路的設(shè)計難度，同時提高了熱型的紅外輻射探測裝置的整機(jī)價格，不便于其廣泛的運(yùn)用。

應(yīng)用光-機(jī)械原理的非制冷型紅外探測焦平面陣列(FPA)大多采用雙材料微懸臂梁熱隔離結(jié)構(gòu)。入射的紅外光能被探測單元吸收后轉(zhuǎn)化為懸臂梁的熱能，引發(fā)雙材料懸臂梁產(chǎn)生熱致形變，從而使整個微懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變，再通過光學(xué)讀出系統(tǒng)，非接觸的檢測出形變，例如懸臂梁的撓度或轉(zhuǎn)角等，就可以得到被測物體的熱輻射信息。

這種熱型的紅外輻射探測器可以在不需要制冷的條件下工作，而且光學(xué)讀出的方式不會在探測器上產(chǎn)生附加的熱量，無需金屬導(dǎo)線連接，更易于在探測單元與基底之間實現(xiàn)良好的熱隔離。另外，探測器敏感單元和讀出系統(tǒng)之間沒有電的互連，也省去了讀出電路的設(shè)計和制作，這就大大地降低了開發(fā)和制作成本。因此基于這種光-機(jī)械微懸臂梁單元的紅外探測器，有望開發(fā)出更高性能和低成本的熱型紅外輻射探測裝置。

應(yīng)用光學(xué)讀出的FPA(焦平面陣列)通常采用的包括帶有犧牲層的多層雙材料懸臂梁熱隔離結(jié)構(gòu)和鏤空的單層雙材料懸臂梁熱隔離結(jié)構(gòu)，前者需要保留圖形區(qū)的硅襯底，這樣當(dāng)紅外線經(jīng)過硅襯底前后兩個表面的時候，會發(fā)生反射現(xiàn)象，大約40％的紅外線無法到達(dá)探測器件上，就使得紅外線的吸收率嚴(yán)重下降，降低了探測器件的靈敏性；后者的圖形區(qū)采用無硅襯底的結(jié)構(gòu)，這樣在探測紅外輻射時不存在襯底的反射，使輻射的利用率很高，但它的缺陷由于熱變形結(jié)構(gòu)中的熱隔離梁和變形梁位于同一平面，使象素面積偏大，結(jié)構(gòu)利用率低，難以提高分辨率和清晰度。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，以克服圖形區(qū)硅襯底對紅外線反射的問題，提高探測靈敏度，解決器件象素面積偏大的問題，提高探測的分辨率和清晰度。

(二)技術(shù)方案

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種光-機(jī)械式雙層結(jié)構(gòu)非制冷紅外成像焦平面陣列探測器，該探測器由微懸臂梁單元采用相互覆蓋平鋪嵌套的方式構(gòu)成，所述微懸臂梁單元包括紅外吸收板1、熱變形結(jié)構(gòu)2和支撐梁3，所述熱變形結(jié)構(gòu)2與支撐梁3固定連接，所述紅外吸收板1與熱變形結(jié)構(gòu)2位于不同的平面內(nèi)且固定連接；每個微懸臂梁單元的紅外吸收板1覆蓋在另一個與之相鄰的微懸臂梁單元的熱變形結(jié)構(gòu)2的上方，形成相互覆蓋平鋪嵌套的微懸臂梁單元陣列。

所述熱變形結(jié)構(gòu)2包括熱隔離梁4和變形梁5，所述熱隔離梁4和變形梁5相間回折連接，且分布于同一平面上。

所述熱變形結(jié)構(gòu)2通過兩端的熱隔離梁4與支撐梁3固定連接，所述紅外吸收板1與熱變形結(jié)構(gòu)2中部的熱隔離梁4通過錨爪6固定連接。

所述變形梁5采用雙材料結(jié)構(gòu)，在非金屬薄膜上附著一層金屬薄膜，兩層材料厚度的比值接近兩層材料楊氏模量的反比平方根值。

所述非金屬薄膜為氮化硅SiN_x或二氧化硅薄膜，所述金屬薄膜為金Au或鋁Al薄膜。

所述熱隔離梁4和變形梁5的厚度為0.3至2μm。

所述紅外吸收板1的厚度為0.3至2μm，其光學(xué)檢測面上進(jìn)一步附著一層對紅外有吸收作用的薄膜材料。