CN100391238C - 光学读出热型红外图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种光学读出热型红外图像传感器，包括固定在支撑梁上的微梁单元，微梁单元中包含热变形机构和红外吸收板，热变形机构形成折转式分布；其特征在于：热变形机构为两层，由上层和下层连续回折构成；上层的初级与红外吸收板连接、下层的末级与支撑梁连接；上下两层热变形梁的不同方向的表面上有金属薄膜，最末一级或二级为热隔离梁；上层和下层微梁还可以错位。所述微梁单元可以直接采用顺序平铺的方式构成阵列。本发明克服了现有技术中感热像素的平面尺寸有限而红外吸收板和热变形机构又希望尽可能大的矛盾，使微梁单元单位温升的热变形量、感热单元的占空比、红外线的吸收效率等进一步提高，从而提高其红外探测灵敏度。

Description

光学读出热型红外图像传感器

一、技术领域

本发明涉及一种用于获取并转换物体红外辐射信号的传感元件，尤其涉及一种基于微梁阵列的光学读出热型红外图像传感器。

二、背景技术

针对室温物体的红外成像，主要探测物体发射出的8-14微米波长范围的红外辐射。针对于这一波长范围内的红外成像主要有量子型和热型成像装置。

量子型红外成像需要对探测器靶面进行制冷，附加的制冷设备使得整个装置体积笨重且价格昂贵，不利于民用化和大量普及。

热型成像装置取消了制冷装置，降低了体积，减少了成本，保持了高精度，有着广泛的应用前景。目前市场上使用的热型红外成像装置通过电学方式读出探测器上的热电信号。由于所探测的热电信号很微弱，集成电路要有相当高的信噪比和很强的增益。而且所使用的金属读出导线在探测器上产生了附加热量，降低了热阻。大大增加了探测器和读出电路的设计难度。

为此，本发明人在之前的发明专利里[公开号CN1556648]，基于MEMS制作工艺，提出了一种不需要读出电路的FPA、即用于获取并转换红外信号的光-机械式微梁阵列热型红外图像传感器。FPA的微悬臂梁单元(或简称微梁单元)为红外辐射探测器的敏感单元，由热胀系数不同的两种材料组成，双材料梁在吸收入射红外辐射后温度升高，产生热致转角形变。再通过光学读出系统，检测出微梁单元中红外吸收板的转角形变，就可以得到被测物体的热辐射信息。这种热型的红外辐射探测器可以在不需要制冷的条件下工作，而且光学读出的方式不会在探测器上产生附加的热量，无需金属导线连接，更易于在探测单元与基底之间实现良好的热隔离。另外，探测器敏感单元的制作采用了通用的微加工工艺，与现有IC制作工艺兼容，大大地降低了开发和制作成本。

而且，[公开号CN1556648]的专利摆脱硅衬底的结构限制，提出了生长在框架结构上的无底单层微梁单元平面结构，克服了器件粘连问题，提高了成品率和可靠性，同时减小了红外线反射损失，提高了探测灵敏度。

不过，受MEMS工艺限制，制作微梁单元热变形机构时要求2微米左右的线宽，即梁宽度和间隙均要求两微米。由于感热像素的平面尺寸有限，特别是红外成像阵列的感热像素，通常要求小于100微米，在有限的微梁单元平面尺寸空间中有效地布置红外吸收板和热变形机构存在矛盾。即：为了提高吸热效率，希望红外吸收板面积尽量大；而为了提高单位温升的变形效率，并增大热阻来提高微梁单元的温升，又需要增加热变形机构的回折数，提高热变形梁和热隔热梁的长度。因此单层结构的微梁单元受到这一矛盾的制约，难于进一步提高其红外探测灵敏度。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种微梁单元侧向支撑的、更灵敏有效的光学读出热型红外图像传感器，该传感器除了具备[公开号CN1556648]专利的传感器所拥有的优点外，又以空间双层结构方式，让热变形机构在上下两层空间层之间回折连接，缓解了上述热变形机构和红外吸收板在同一平面层的尺寸矛盾，并且上下两层的表面都附着金属薄膜，进一步提高其红外探测灵敏度。

本发明采用如下技术方案来解决其技术问题：

一种光学读出热型红外图像传感器，包括固定在支撑梁上的微梁单元；微梁单元为侧向支撑的无底平面结构；微梁单元中包含热变形机构和红外吸收板；热变形机构为两组，其一端各自连接于红外吸收板的两侧、另一端各自与支撑梁连接；热变形机构由折转式分布的热变形梁和热隔离梁构成；其特征在于：热变形机构为两层，由上层梁和下层梁连续回折构成，上下层之间通过梁端部的连接段相连；上层梁的初级与红外吸收板连接、下层梁的末级与支撑梁连接；热变形机构的末端至少一级为热隔离梁、其余为热变形梁；上下两层热变形梁的表面上都附着金属薄膜、且所附表面的方向相反。

上述光学读出热型红外图像传感器的热变形机构中的下层梁还可以对应于上层梁的空隙位置。

上述光学读出热型红外图像传感器的热变形机构最好对称分布于红外吸收板的两边。

上述光学读出热型红外图像传感器的红外吸收板还可以由上层的反光板和下层的吸热共振板构成，上下层之间通过加强筋连接，上下层之间的距离为

其中λ为被探测红外波长的峰值，n为正整数。

上述光学读出热型红外图像传感器的微梁单元由对红外有吸收作用的薄膜材料制作；其中红外吸收板的厚度在0.3～3um之间，热隔离梁和热变形梁的厚度在0.2～2um之间。

与现有技术相比，本发明在具体的设计中采用侧向支撑的无底双层平面结构，并且上下两层的表面都附着金属薄膜，因而本发明具有如下有益效果：

1.采用双层热变形机构，在设定的微梁单元平面尺寸内，热隔离梁和热变形梁的总长度可以比单层热变形机构成倍的增加，从而使微梁单元单位温升的热变形量提高一倍，最终导致探测灵敏度提高一倍以上。

2.热变形机构的上、下表面均镀金属薄膜(除了最末端至少一级外)，使得上、下两层镀金属薄膜的梁均成为双材料的热变形梁，因此上、下热变形梁共同参与变形，从而使微梁单元单位温升的热变形量比双层热变形机构再成倍增加，也就可以比单层热变形机构微梁单元的热变形量提高四倍；另外，单层微梁单元各个热变形梁上的温度是梯度分布的，温升随着离红外吸收板的距离加大而减小，而本发明微梁单元由于各级热变形梁连续折转，因而热变形梁上的温度一致，不存在温升梯度分布的情况。所以，最终导致探测灵敏度提高四倍以上。

而且，制作无底双层平面双向镀金属薄膜结构微梁单元时，不需要采用制作单层结构微梁单元所使用的间隔镀金工艺，降低了制作难度，提高了制作精度。

3.当双向外表面镀膜时通过错开上下平面层中回折梁的空间位置、让下层梁对应于上层梁的空隙位置，避免遮挡到达上层梁的红外辐射，或采用双向内表面镀膜的方式、使下层梁吸收红外辐射，可以起到辅助吸热的作用(即除了红外吸收板本身、热变形机构也额外参与对红外辐射的吸收)、提高感热单元的占空比，从而提高微梁单元的红外辐射吸收率，导致探测灵敏度的进一步提高。

4.为了提高微梁单元的热变形灵敏度，需要减少热变形梁的厚度，这样由于加工工艺原因也会导致红外吸收板的厚度下降，降低了对红外辐射吸收的效率。而本发明所提出的双层红外吸收板共振腔结构使得入射红外线在吸热共振板处(即

处)形成驻波的波腹，吸热共振板达到最佳吸热效果，可以进一步提高红外线的吸收效率，从而提高微梁单元的最终温升，导致探测灵敏度的进一步提高。

5.保留了[公开号CN1556648]专利的传感器所拥有的诸多优点，如：无硅衬底器件不发生粘连、不容易失效和破坏，对器件的真空度要求大幅降低，红外能量可以直接到达探测单元；热隔离梁及热变形梁的折转式设计有利于红外吸收板形成窄长的矩形结构、还可使红外吸收板处在由于变形角度叠加所致的角度偏转最大方向上，并且各微梁单元可采用顺序平铺的方式构成探测阵列，不会出现大面积的空闲和浪费，从而避免了采用多层单元嵌套的结构，等。

四、附图说明

图1为本发明实施方式之一，无吸热共振板、外表面镀膜结构示意俯视图。每组热变形机构由上下层的热变形梁2和末端的热隔离梁3组成，上层热变形梁的上表面和下层热变形梁的下表面镀有金属薄膜。1为红外吸收板，4为支撑梁。

图2-1为图1在A-A面上的剖视图。上层的支撑梁4、红外吸收板1以及热变形梁2为双材料梁，下层末端最后一级为单材料梁的热隔离梁3。

图2-2为最末两级(上下层各一级)均是热隔离梁3时图1在A-A面上的剖视图。

图3-1、3-2为图1在B-B面上的剖视图。分别为最末一级或最末两级是热隔离梁3。

图4为图1在C-C面上的剖视图。

图5为本发明实施方式之二，有吸热共振板结构的示意俯视图。红外吸收板由上层的反光板和下层的吸热共振板6构成，反光板和吸热共振板之间由加强筋5连接。

图6-1、6-2为图5在A-A面上的剖视图。分别为一级或两级热隔离梁3。吸热共振板6的下表面不镀金属薄膜。

图7为图5在C-C面上的剖视图。

图8为本发明实施方式之三，热变形机构的上下层微梁错位，以提高单元占空比结构示意俯视图。每组热变形机构由上层热变形梁和对应于其空隙位置的下层热变形梁和末端热隔离梁构成，红外吸收板可以包含实施方式一和二。

图9-1和9-2为图8在A-A面上的剖视图。分别为一级或两级热隔离梁3。上下层回折梁空隙相错。

图10为本发明双层回折梁结构双向镀金属膜时的第一、二级回折角度偏转变形示意图。当吸收入射红外线时，热隔离梁3不发生弯曲，热变形梁2-1和2-2同时发生弯曲，两个梁的弯曲相叠加，在其末端切线方向得到转角为θ₁+θ₂。

图11为本发明双层回折梁结构双向镀金属膜时的第三、四级回折角度偏转变形量叠加示意图。此时热变形梁2-3和2-4同时产生转角θ₃+θ₄，方向与前述热变形梁弯曲方向同向。在红外吸收板上得到的转角之和为θ₁+θ₂+θ₃+θ₄。

图12是本发明的阵列平铺示意图。

五、具体实施方案

本发明光学读出热型红外图像传感器实施方式之一，包括固定在支撑梁上的微梁单元，微梁单元由热变形机构和红外吸收板、支撑梁组成。红外吸收板为单层，上表面为用于光学读出检测用的反光面，下表面为面向红外辐射源的红外吸收面。其热变形机构最基本的形式为每组热变形机构由一根上层热变形梁和一根下层热隔离梁组成(所述的一根是指本构件与其他构件相连的两端之间的连续部分)，红外吸收板的一侧与上层热变形梁的一端连接，热变形梁另一端与下层热隔离梁连接，热隔离梁的另一端则连接到支撑梁上。还可以将基本热变形梁或热隔离梁加长、成为多级的热变形梁或热隔离梁，即每一根热变形梁或热隔离梁连续折转多次(每一次折转称为一级，即每一层梁的两端连接段之间为一级)，上层的初级热变形梁与红外吸收板连接、下层的末级热隔离梁与支撑梁连接(参见图1、2、3、4)。上下两层热变形机构构成折转式分布，即热变形机构在红外吸收板的左右两边上下来回折转，与红外吸收板的纵向平行并与之等长，形成紧凑、规矩的双层平面结构。或者，热变形机构也可以位于红外吸收板的纵向一端，或同时位于红外吸收板的两边和一端。不过，热变形机构在红外吸收板的左右两边分布时将有利于红外吸收板形成窄长的矩形结构，还可使红外吸收板处在由于变形角度叠加所致的角度偏转最大方向上，从而有利于获取光学测量上的最大灵敏度。热变形机构和红外吸收板的下方没有硅衬底，支撑梁位于热变形机构和红外吸收板的侧向。亦即整个微梁单元为侧向支撑的无底双层平面结构。由于采用双层热变形机构，在设定的微梁单元平面尺寸内，热隔离梁和热变形梁的总长度可以比单层热变形机构成倍的增加。

当采用多级热变形梁时，红外吸收板的最终角度偏转变形量是多级变形效果的叠加，从而提高红外吸收板的热变形转角。由于双层热变形机构的上下表面双向镀金属膜(可以都镀在外表面或都镀在内表面)，使得上下层的多级热变形梁共同参与变形，其最终角度偏转变形量就是多级热变形梁转角的共同叠加(参见图10、11)。而热隔离梁的作用是为了防止红外吸收板和热变形梁上的温升被支撑梁吸收，所以采用不利于传热的单材料梁，因而热隔离梁不发生变形。

在这种结构中，当金属膜都镀在外表面时，下层梁下表面的金属膜会遮挡来自微梁单元下方的红外辐射，使得热变形机构不会参与对红外辐射的吸收；而当采用双向内表面镀膜的方式，即在下层梁的上表面和上层梁的下表面镀金属膜，热变形机构中的下层梁就可以参与对红外辐射的吸收，提高感热单元的占空比。

对于金属膜都镀在外表面的情况，还可以采用错开上下平面层中回折梁的空间位置(参见图8、9)，让下层梁对应于上层梁的空隙位置、避免遮挡到达上层梁的红外辐射，提高感热单元的占空比，从而提高微梁单元的红外辐射吸收率。

红外吸收板还可以为双层，上层为反光板、下层为吸热共振板共同构成(参见图5、6、7)，即上层的上表面为用于光学读出检测用的反光面，下层为面向红外辐射源的红外吸收层；上下层之间通过加强筋连接，使得入射红外线在吸热共振板处(即

处)形成驻波的波腹，吸热共振板达到最佳吸热效果，可以进一步提高红外线的吸收效率，从而提高微梁单元的最终温升，导致探测灵敏度的进一步提高。

上述结构构成的微梁单元可以直接采用顺序平铺的方式构成阵列(如图12)，得到的阵列紧密、规则、一致、无嵌套。

上述红外吸收板由对红外线有强烈吸收作用的薄膜材料(如SiN_x，SiO₂，多晶硅等)制成，吸收面积应尽可能的大，以增加吸收的热量。而且，在角度偏转的灵敏方向上，光学探测灵敏度和红外吸收板的长度成正比(或与红外吸收板的长度的衍射谱宽度成反比)，所以在有限的区域内，应尽可能的设计为窄长的矩形结构(本发明正好有利于此)，可以获得更高的光学探测灵敏度。以SiN_x为例，红外线对其的穿透深度大约为1um，并考虑到系统热容量过大会减慢系统对红外的热响应速度，所以薄膜最佳厚度应该在0.3～3μm之间，使得红外线能被充分吸收，同时具有较高的热响应速度。但是，该厚度不足以吸收全部的入射红外线，为了达到最佳的吸收效果，可以利用红外吸收板的光学检测面上附着的金属薄膜作为反射面，使入射红外线在穿过SiN_x后，未被吸收的部分在到达金属层后发生反射，沿着入射方向的反方向第二次经过SiN_x薄膜、再次被吸收。

热隔离梁由导热系数小的材料(例如SiN_x，SiO₂，多晶硅，高聚物等)构成，为了简化加工工艺，可采用与红外吸收板1同样的材料。一般为矩形截面的薄膜梁，在满足支撑强度的前提下，更小的横截面积和更长的梁长可以会得到更佳的隔热效果。热变形梁为双材料梁，两种材料的选择应该考虑到热膨胀系数相差尽可能大而杨氏模量相差尽可能小。一般可以采用金属和非金属的组合(例如将金属通过喷涂、溅射、镀膜等方式附着到非金属薄膜上)，比如Au、Al、Ag、Pt、Ti等和SiN_x、SiO₂等的组合。在热变形梁的两种材料的厚度选择上，为了使梁达到最大变形从而得到最高灵敏度，两种材料厚度比值应接近相应的材料杨氏模量的反比平方根值，而梁的总厚度在满足工艺条件和支撑条件的前提下应该尽量小。热隔离梁和热变形梁的厚度在0.2～2um之间。支撑梁由导热性能好而刚度大的材料构成(例如镀金或附有硅衬底的较厚的非金属梁构成)，以保证每个单元处于相同的支撑和导热状态，而具有较好的一致性，为了简化加工工艺，也可采用与热隔离梁同样的材料与之加工成一体，然后在支撑梁的部位附着金属薄膜或保留部分单晶硅衬底以增加导热性能和支撑强度。整个微梁单元一般为方形或者矩形，边长大小在20～200um的范围。

本发明的实施例1为：红外吸收板由厚度为2um的SiN_x和0.1um的Au复合薄膜构成，热变形梁由厚度为0.5um的SiN_x和0.4um的Au复合薄膜构成；热隔离梁由厚度为0.5um的SiN_x单一薄膜构成；支撑梁由厚度为2um的SiN_x和0.4um的Au复合薄膜构成。

本发明的实施例2为：红外吸收板由厚度为0.3um的SiO_x和0.05um的Al复合薄膜构成，热变形梁由厚度为0.1um的SiO_x和0.08um的Al复合薄膜构成；热隔离梁由厚度为0.2um的SiN_x单一薄膜构成；支撑梁由厚度为0.3um的SiO_x和0.1um的Al复合薄膜构成。

本发明的实施例3为：红外吸收板由厚度为2.9um的SiN_x和0.1um的Al复合薄膜构成，热变形梁由厚度为1.6um的SiN_x和0.4um的Al复合薄膜构成；热隔离梁由厚度为2um的SiN_x单一薄膜构成；支撑梁由厚度为2.9um的SiN_x和0.1um的Al复合薄膜构成。

本发明的实施例4为：红外吸收板由上层的反光板、下层的吸热共振板和连接上下两层厚约2um的加强筋构成，上层的反光板由厚度为0.5um的SiO_x和0.05um的Au复合薄膜构成，下层的吸热共振板由0.3um的SiO_x薄膜构成，热变形梁由厚度为0.3um的SiO_x和0.2um的Au复合薄膜构成；热隔离梁由厚度为0.2um的SiN_x单一薄膜构成；支撑梁由厚度为0.5um的SiO_x和0.2um的Au复合薄膜构成。

本发明实施例的制作工序例如下(但本发明并不限于此工艺方法)：首先在硅衬底上镀下层热变形梁的金属膜，然后在其上生长制作器件结构所需的第一层(下层)薄膜，利用图形刻蚀法制作器件的下层热变形梁、热隔离梁以及吸热共振板结构，并可打薄热隔离梁、或增厚吸热共振板。然后在其上生长一层牺牲层，并在牺牲层上刻蚀出双层微梁结构的上下层之间的连接段(即梁的上下层回折部分)，以及吸热共振板与反光板之间的连接筋部分。在刻蚀好的牺牲层上直接生长制作器件结构所需的第二层(上层)薄膜，并刻蚀制作微梁的上层支撑梁(框架)、热变形梁、热隔离梁以及红外吸收板结构。从结构上层的上表面对支撑梁、热变形梁和红外吸收板镀金属膜，然后去除微梁单元部分所有的硅衬底，或者仅去除器件结构中热变形梁、热隔离梁、红外吸收板所在部分的硅衬底，保留支撑梁所在部分的硅衬底以加强支撑梁的支撑强度，同时提高其导热性能。然后腐蚀掉牺牲层，释放出仅由梁的上下层回折部分、以及吸热共振板与反光板之间的连接筋部分连接起来的双层梁结构而完成制作。

Claims (5)

1.一种光学读出热型红外图像传感器，包括固定在支撑梁上的微梁单元；微梁单元为侧向支撑的无底平面结构；微梁单元中包含热变形机构和红外吸收板；热变形机构为两组，其一端各自连接于红外吸收板的两侧、另一端各自与支撑梁连接；热变形机构由折转式分布的热变形梁和热隔离梁构成；其特征在于：热变形机构为两层，由上层梁和下层梁连续回折构成，上下层之间通过梁端部的连接段相连；上层梁的初级与红外吸收板连接、下层梁的末级与支撑梁连接；热变形机构的下层梁末端至少一级为热隔离梁、其余下层梁和上层梁为热变形梁；上下两层热变形梁的表面上都附着金属薄膜、且所附表面的方向相反。

2.根据权利要求1所述的光学读出热型红外图像传感器，其特征在于所述的热变形机构中的下层梁对应于上层梁的空隙位置。

3.根据权利要求1所述的光学读出热型红外图像传感器，其特征在于所述的热变形机构对称分布于红外吸收板的两边。

4.根据权利要求1所述的光学读出热型红外图像传感器，其特征在于所述的红外吸收板由上层的反光板和下层的吸热共振板构成，上下层之间通过加强筋连接，上下层之间的距离为

nλ，其中λ为被探测红外波长的峰值，n为正整数。

5.根据权利要求1所述的光学读出热型红外图像传感器，其特征在于所述的微梁单元由对红外有吸收作用的薄膜材料制作；其中红外吸收板的厚度在0.3～3um之间，热隔离梁和热变形梁的厚度在0.2～2um之间。

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