[發明專利]用于光學讀出熱型紅外輻射傳感器的大尺寸微梁陣列

無效

• 申請號: 200910116862.X
• 申請日: 2009-05-25
• 公開（公告）號: CN101565161A
• 公開（公告）日: 2009-10-28
• 發明（設計）人: 張青川;程騰;陳大鵬;焦斌斌;伍小平;葉甜春
• 申請（專利權）人: 張青川
• 主分類號: B81B7/04
• 分類號: B81B7/04;G01J5/02
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明涉及一種用于獲取并轉換物體紅外輻射信號的傳感元件，尤其涉及一 種用于光學讀出熱型紅外輻射傳感器的大尺寸微梁陣列。

背景技術

室溫物體(≈300K)輻射的紅外線峰值波段為8-14微米，針對這一波段的紅 外輻射探測器大致可分為兩類：量子型和熱型。

量子型的紅外輻射探測器需要使用液氮冷卻裝置將探測器的靶面冷卻至低 溫(≈77K)，這使得探測器的體積龐大、價格昂貴、且維護困難，不利于民用 和普及。

熱型紅外輻射探測器不需要液氮冷卻裝置、體積小、成本低、且溫度分辨率 高(50mK)，因此具有廣泛的應用前景。目前市場上可用的熱型紅外輻射探測器 主要通過電學方式讀出探測器焦平面陣列(FPA)上感熱單元的熱電信號。由于 電學讀出方式需要在感熱單元內布置金屬導線并與基底連接，而金屬導線同時也 是優良的熱導體，這不僅在感熱單元內產生了附加的熱噪聲，而且降低了感熱單 元與基底的熱隔離效果，使所探測的熱電信號十分微弱，因此，要求微讀出電路 具有相當高的信噪比和很強的增益，使探測器的制作成本和工藝難度大幅度提 高。

隨著MEMS工藝的發展，一種新型的基于微懸臂梁陣列的光學讀出熱型紅外輻 射探測器逐漸受到人們的青睞。它的感熱單元是一種光-機械式的微懸臂梁單元 (或簡稱微梁單元)，由熱膨脹系數差異較大的兩種材料構成。微梁單元將吸收 的紅外能量轉化為微懸臂梁的熱能，并引發微懸臂梁產生熱致轉角變形，然后通 過光學方法非接觸的檢測出這種熱致轉角變形。由于光學讀出方式無需微讀出電 路，因此，不會產生附加的熱噪聲，易于在感熱單元和基底之間實現良好的熱隔 離，并且使制作超大陣列FPA更加容易。

在結構設計上，上述熱型紅外輻射探測器都是利用犧牲層工藝制作站立在硅 基底上的感熱單元陣列，感熱單元通過支撐腿與硅基底相連。由于硅基底的熱容 遠大于感熱單元，在熱學模型上通常被考慮為恒溫基底，各感熱單元彼此獨立、 互不影響，其熱轉換效率[定義為紅外目標單位溫升引起的感熱單元溫升]隨著感 熱單元像素尺寸的減小而迅速降低。并且，當探測器是基于光學讀出原理時，紅 外輻射必需透過硅基底并到達微梁陣列后，才能被微梁單元吸收，這降低了紅外 輻射的吸收效率，損失了大約40％的紅外能量。

為此，本申請人在之前的發明專利里[公開號CN1556648、CN1760651、 CN1893567、CN1970430]，提出了一種基于無基底微梁陣列的光學讀出熱型紅外 輻射探測器。所述微梁陣列采用無基底單層膜平面支撐結構，徹底消除了硅基底， 通過縱梁和橫梁以“井”字型交叉分布形成單元網格陣列。微梁單元采用順序平 鋪的方式側向生長在單元網格內，避免了紅外輻射透過硅基底時的能量損失。微 梁陣列的制作無需復雜的犧牲層工藝，解決了微梁單元與硅基底的粘黏失效問 題，降低了工藝難度和制作成本，提高了微梁單元陣列的成品率。

所述專利[公開號CN1556648、CN1760651、CN1893567、CN1970430]中，構成 單元網格陣列的縱梁和橫梁的梁寬W無尺寸限制，梁厚H為0.1-3微米，梁長L為毫 米量級。微梁單元與支撐框架處于同一結構層。由于該支撐框架的熱導和熱容均 較小，在熱學模型上屬于變溫結構，因此，微梁單元彼此聯系、互相抬高溫升， 其熱轉換效率大幅度提高(理論極限可達到11％)，具有優良的熱學性能。但由 于單元網格陣列的剛度較低，特別是沿Z向的剛度十分薄弱，基于所述單元網格 陣列的微梁陣列在結構性能方面存在如下問題：一、微梁陣列的固有頻率較低， 特別當梁長L大于等于L₀時，其固有頻率只有幾十赫茲，這一頻率與信號讀出頻 率接近，造成附加的低頻讀出噪聲；二、單元網格陣列受熱后會產生Z向離面位 移，造成附加的讀出誤差；三、單元網格陣列的結構穩定性差，導致微梁陣列的 抗沖擊、抗震性能較弱，一定程度上制約了它的應用范圍。因此，需要在保持微 梁陣列優良的熱學性能的基礎上，提高單元網格陣列的剛度，以增強微梁陣列的 結構性能，從而實現大尺寸(1024×1024像素及以上，每像素單元的尺寸為10 ×10-100×100平方微米)的微梁陣列。

發明內容