[發明專利]一種基于超表面的非制冷紅外成像傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201710918927.7
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107741278B
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 王宏臣;邱棟;王鵬;陳文禮
• 申請（專利權）人: 煙臺睿創微納技術股份有限公司
• 主分類號: G01J5/02
• 分類號: G01J5/02;G01J5/00
• 代理公司: 煙臺上禾知識產權代理事務所(普通合伙) 37234
• 代理人: 劉志毅

技術領域

本發明涉及到一種基于超表面的非制冷紅外成像傳感器及其制備方法，屬于非制冷紅外探測器領域。

背景技術

非制冷紅外探測器(uncooled infrared bolometer)除了在軍事領域的應用外，在民用領域得到了廣泛的應用，如消防、汽車輔助、森林防火、野外探測、環境保護等領域。

電磁超材料(Metamaterial)，簡稱超材料，是指一類具有天然材料所不具備的超常電磁性質的人工復合結構或復合材料；2001年，Walser第一次提出電磁超材料的概念利用超材料可以實現電磁波和光波性能的任意“剪裁”，從而可獲得諸如完美透鏡、隱身斗篷、電磁波完美吸收等特殊器件；如今，超材料已成為理論基礎研究與技術應用研究共同關注的熱點。根據有效媒介理論，超材料的特性可以通過關鍵物理尺寸的結構有序設計來調控；所以，通過調整其物理尺寸及材料參數，能夠使超材料與入射電磁波的電磁分量產生耦合，從而使特定頻帶的入射電磁波的絕大部分(甚至100％)被吸收，由此獲得特殊的超材料“完美吸收器”；自從N.I.Landy等人第一次實驗驗證了超材料完美吸波體后，超材料吸波體取得了快速的發展，工作波段逐漸從射頻波段延伸到THz波段，紅外甚至可見光波段。

傳統的紅外探測器為了實現寬波段的功能，一般采用調整諧振腔高度的辦法(專利CN103759838 A)，通過該高度的調整，增強特定波段的吸收，從而實現寬波段吸收，但是該方法的工藝難度非常大，對于紅外輻射吸收具有波段選擇性。

傳統的紅外探測器在實現偏振功能時，一般使用外置的偏振片與光學鏡頭結合。該方法不僅增加了光路的設計難度，而且增加了產品的成本；

傳統的紅外探測器在實現多色功能時，一般使用的是多種不同高度的諧振腔組合，通過調整諧振腔的高度，增加特定的吸收譜段。該方法大大增加了工藝步驟，提升了工藝實現的難度，并且由于不同的諧振腔的高度控制非常難，所以在制備過程中非常容易導致產品不能達到理想的高度，也就不能實現目標波段的吸收，從而導致產品的失效率提升。

發明內容

本發明針對上述現有技術中存在的不足，提供一種附加熱容低，制作工藝簡單、且探測目標能力強的基于新型超表面非制冷紅外成像傳感器及其制備方法。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種基于超表面的非制冷紅外成像傳感器,包括雙層非制冷紅外探測器，所述雙層非制冷紅外探測器包括包含讀出電路的半導體襯底和帶微橋支撐結構的探測器本體，所述探測器本體包括第一層懸空結構和第二層懸空結構，所述第二層懸空結構設置在所述第一層懸空結構上，所述第一層懸空結構包括金屬反射層、絕緣介質層、金屬電極層、電極保護層、第一支撐層、熱敏保護層和熱敏層，所述第二層懸空結構包括超材料支撐層和設置在所述超材料支撐層上的超材料支撐保護層，在超材料支撐保護層上設有超材料結構，所述超材料結構采用NiCr或/和Al，其厚度在12～30nm之間。

本發明中傳感器的有益效果：

(1)實現了超材料結構與雙層非制冷紅外探測器進行單片集成，可以根據實際需要，定制設計結構：由于超材料吸收電磁波主要是基于物理結構和材料參數的結合，所以可以通過設計不同的結構以及使用不同的材料與該結構結合，從而能夠實現多種功能的吸收結構，例如寬波段、偏振、多色、窄譜等功能。該結構的制作完全與傳統的CMOS工藝兼容，而不會增加工藝難度。并且該結構與紅外探測器是一個完整的整體，大大簡化了工藝流程，提升了生產效率；

(2)通過使用超材料結構與紅外探測器結合，超材料吸收電磁波會增強紅外探測器本身吸收的電磁波信號，兩個信號是完全疊加在一起的，也就是說，通過超材料與紅外探測器結合可以增加信號的強度，并且可以通過一個讀出電路處理該信號，而不用增加額外的算法與電路，簡化了后端的信號處理模塊，節省了人力與成本。

(3)結合了超材料的雙層非制冷紅外探測器，附加熱容低，能夠實現多功能的紅外探測器的單片集成，從而能夠提升探測器的探測目標的能力。

進一步，所述半導體襯底上設有所述金屬反射層和所述絕緣介質層，所述金屬反射層包括若干個金屬塊；