[發(fā)明專(zhuān)利]帶自支撐框架的全鏤空結(jié)構(gòu)光調(diào)制熱成像焦平面陣列

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910080276.4
• 申請(qǐng)日: 2009-03-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101498608A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 焦斌斌;陳大鵬;歐毅;葉甜春
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院微電子研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G01J5/02
• 分類(lèi)號(hào): G01J5/02;G01J5/38;B81B7/02
• 代理公司: 北京市德權(quán)律師事務(wù)所
• 代理人: 劉鐵生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于獲取并轉(zhuǎn)換紅外信號(hào)的傳感元件，尤其涉及一種帶自支撐框架的全鏤空結(jié)構(gòu)光調(diào)制熱成像焦平面陣列。

背景技術(shù)

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

量子型的紅外輻射探測(cè)器將紅外光子的能量轉(zhuǎn)化為電子的能量。由于8-14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(dòng)產(chǎn)生的能量相當(dāng)，因此需要將探測(cè)器的溫度維持在液氮溫度(約77K)來(lái)抑制電子熱運(yùn)動(dòng)，使量子型的紅外輻射探測(cè)裝置不僅笨重而且價(jià)格昂貴。

傳統(tǒng)的熱型紅外輻射探測(cè)器吸收入射的紅外光能量，使探測(cè)單元溫度上升，再通過(guò)集成電路檢測(cè)探測(cè)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(cè)器中熱電效應(yīng)是用集成電路從每個(gè)探測(cè)器單元中讀出的，由于電流輸入會(huì)在探測(cè)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(cè)到入射的紅外輻射。同時(shí)探測(cè)器單元與基底之間通過(guò)導(dǎo)熱性能很好的金屬導(dǎo)線(xiàn)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(cè)信號(hào)，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(cè)器和讀出電路的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)提高了熱型的紅外輻射探測(cè)裝置的整機(jī)價(jià)格。

應(yīng)用光調(diào)制原理的非制冷型紅外探測(cè)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(cè)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(gè)微懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變，再通過(guò)光學(xué)讀出系統(tǒng)，非接觸的檢測(cè)出形變，例如懸臂梁的撓度或轉(zhuǎn)角等，就可以得到被測(cè)物體的熱輻射信息。這種熱型的紅外輻射探測(cè)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(huì)在探測(cè)器上產(chǎn)生附加的熱量，無(wú)需金屬導(dǎo)線(xiàn)連接，更易于在探測(cè)單元與基底之間實(shí)現(xiàn)良好的熱隔離。另外，探測(cè)器敏感單元和讀出系統(tǒng)之間沒(méi)有電的互連，也省去了讀出電路的設(shè)計(jì)和制作，這就大大地降低了開(kāi)發(fā)和制作成本。因此基于這種光-機(jī)械微懸臂梁?jiǎn)卧募t外探測(cè)器，有望開(kāi)發(fā)出更高性能和低成本的熱型紅外輻射探測(cè)裝置。

應(yīng)用光學(xué)調(diào)制的FPA(焦平面陣列)通常采用的結(jié)構(gòu)包括：帶有襯底的犧牲層結(jié)構(gòu)和無(wú)襯底的網(wǎng)格狀全鏤空結(jié)構(gòu)兩種，前者的結(jié)構(gòu)在FPA的紅外敏感區(qū)存在硅襯底，當(dāng)器件工作時(shí)紅外線(xiàn)先透過(guò)硅襯底才能照射到FPA上，紅外線(xiàn)在經(jīng)過(guò)硅襯底前后兩個(gè)表面的時(shí)候，會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，大約40％的紅外線(xiàn)無(wú)法到達(dá)探測(cè)器件上，這就使得紅外線(xiàn)的吸收率嚴(yán)重下降，降低了探測(cè)器件的靈敏性；后者的結(jié)構(gòu)在FPA的紅外吸收區(qū)域采用了全鏤空無(wú)硅襯底的結(jié)構(gòu)，這樣在FPA吸收紅外輻射時(shí)就不存在硅襯底的反射，使紅外輻射的利用率提高，但它的缺陷在于整個(gè)器件結(jié)構(gòu)是由一張數(shù)千埃的薄膜支撐非常的脆弱，致使其生產(chǎn)成品率很低且易于破損。

由此可見(jiàn)，上述現(xiàn)有的用于獲取并轉(zhuǎn)換紅外信號(hào)的傳感元件在結(jié)構(gòu)和使用上，存在靈敏度不高、易于破損的缺陷，亟待進(jìn)一步改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的產(chǎn)品靈敏度不高、易于破損的缺陷，提供一種新型結(jié)構(gòu)的帶自支撐框架的全鏤空結(jié)構(gòu)光調(diào)制熱成像焦平面陣列，所要解決的技術(shù)問(wèn)題有去掉硅襯底，設(shè)置內(nèi)框。

為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的；

本發(fā)明提供一種光調(diào)制熱成像焦平面陣列，其特征在于包括陣列框架和微懸臂梁?jiǎn)卧?/p>

所述陣列框架由外框和內(nèi)框構(gòu)成，該內(nèi)框?yàn)榫W(wǎng)格狀，設(shè)置在所述的外框內(nèi)，形成多個(gè)鏤空單元；

每個(gè)鏤空單元內(nèi)設(shè)置一個(gè)微懸臂梁?jiǎn)卧撐冶哿簡(jiǎn)卧c構(gòu)成鏤空結(jié)構(gòu)的內(nèi)框或外框相連接，所有的微懸臂梁?jiǎn)卧c內(nèi)框采用相同的材料且一體成型。

優(yōu)選的，本發(fā)明中的微懸臂梁?jiǎn)卧ㄖ辽僖唤M熱變形結(jié)構(gòu)和一組紅外吸收結(jié)構(gòu)，所述熱變形結(jié)構(gòu)包括至少一根隔離梁和至少一根形變梁，所述形變梁與紅外吸收結(jié)構(gòu)和隔離梁相連接，所述隔離梁與所述的陣列框架連接。

優(yōu)選的，本發(fā)明的光調(diào)制熱成像焦平面陣列，所述的陣列外框?yàn)閱尉Ч璨牧希渚驗(yàn)?lt;100>、<110>、<111>。

優(yōu)選的，本發(fā)明的光調(diào)制熱成像焦平面陣列，所述的微懸臂梁?jiǎn)卧牟牧吓c內(nèi)框的材料相同都為氧化硅或氮化硅或碳化硅。

優(yōu)選的，本發(fā)明中形變梁上附著有0.1-1微米的金屬薄膜。

優(yōu)選的，本發(fā)明中紅外吸收結(jié)構(gòu)上附著有0.1-1微米的金屬薄膜。