CN100453986C - 光学读出红外传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种光学读出红外传感器，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吸热反光板，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；上层的初级与吸热反光板连接、下层的末级与支撑梁连接；上层为热变形梁、下层为热隔离梁，或者上层为热变形梁，下层的末级为热隔离梁、其余为热传导梁；热变形梁和热传导梁、热隔离梁间隔连接；上层和下层微梁还可以错位。本发明克服了现有技术中感热像素的平面尺寸有限而吸热板和热变形机构又希望尽可能大的矛盾，使微梁单元的温升和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

光学读出红外传感器

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，尤其涉及一种光学读出热型微梁阵列红外图像传感器。

二、背景技术

室温下(≈300K)的物体黑体辐射的红外线波长峰值在8-14微米范围，是一种不可见的红外辐射。

红外成像装置用于将不可见的红外图像转化为可见的图像。按照探测原理的不同，可以把已有的红外成像装置大致分为两类：量子型和热型红外成像传感器。

量子型的红外辐射探测器将红外光子的能量转化为电子的能量。由于8-14微米的红外光子的能量和室温下电子热运动的能量相当，因此需要将探测器靶面致冷来抑制电子热运动。这样就使量子型的红外成像传感器不仅笨重昂贵而且维持困难。

已有的热型红外辐射探测器的原理是：探测靶面吸收入射的红外辐射能量后温度上升，通过流入探测单元电流来检测温升引起的热致物理量变化，比如电导率和电容的变化等，得到红外辐射的信息。传统的热型红外探测器中热电效应是用集成电路从每个探测器单元中读出的，由于电流输入会在探测器单元上产生附加的热量，所以这种方式难以准确地检测到入射的红外辐射。同时探测器单元与基底之间通过导热性能很好的金属导线相连，使得热隔离变得很困难，限制了温升性能。另外热电效应都极为微弱，为了探测热电信号，集成电路要有相当高的信噪比和很强的增益。这不仅增加了探测器和读出电路的设计难度，同时提高了热型的红外辐射探测装置的整机价格，不便于其广泛的运用。

已经成为商品的两种(量子型和热型)红外成像传感器，均需要在红外阵列FPA上的每一个感光或感热像素下面集成微电子阵列读出电路，再现出在FPA上感应的红外图像。而在FPA上制作微电子阵列读出电路却正是FPA的技术关键和成本所在。

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，是由热胀系数不同的两种材料制作成双材料微悬臂梁。入射的红外光能量被探测单元吸收后转化为悬臂梁的热能，引发悬臂梁产生热致转角形变，再通过光学读出系统，非接触的检测出微梁单元反光板的转角形变，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。因此基于这种光-机械微悬臂梁单元的红外探测器，有望开发出更高性能的热型红外辐射探测装置。

现有的MEMS工艺制作微梁单元结构的技术思路，都是在硅表面上生长出一层由后继工序可以去除的物质(比如磷硅玻璃、多晶硅、高聚物、光刻胶等)所形成的薄膜，作为牺牲层，随后在牺牲层上做出所需器件结构后，再除去牺牲层，得到站立在下层硅衬底上的多层悬空器件。

专利[公开号CN1556648]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，提高探测灵敏度。所提出的微梁单元由红外吸热板和变形机构组成；热变形机构由热隔离梁和热变形梁构成折转式分布；吸热反光板与热变形梁连接，支撑梁与热隔离梁连接；红外吸热板和变形机构在同一平面层内组成微梁单元；所述的微梁单元采用顺序平铺的方式构成阵列。

在微米尺度上，尽管惯性体积力不再起主导作用，但MEMS工艺制作热变形机构时却要求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有效的布置吸热板和变形机构存在矛盾。即为了提高吸热效率，希望吸热板面积尽量大；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，又需要增加变形机构的回折数，提高热变形梁和隔热梁的长度。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固定在支撑梁上，更有效的光学读出红外传感器，该传感器除了具备专利[公开号CN1556648]的传感器所拥有的优点外，又以空间双层结构方式，让热变形梁和热隔离梁在上下两层空间层之间回折连接，缓解了上述变形机构和吸热反光板在同一平面层的尺寸矛盾，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：

一种用于获取并转换红外信号的光学读出红外传感器，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吸热反光板，热变形机构与支撑梁连接，热变形机构为两组且对称连接于吸热反光板的两侧，热变形机构由热隔离梁和热变形梁构成折转式分布；本发明的关键在于：热变形机构为两层，由上层和下层连续回折构成，上下层之间通过梁的两端连接；上层的初级与吸热反光板连接、下层的末级与支撑梁连接；上层为热变形梁、下层为热隔离梁，热变形梁和热隔离梁间隔连接。

上述光学读出红外传感器的热变形机构中的下层梁还可以位于上层梁的空隙位置。

上述光学读出红外传感器的热变形机构还可以由热隔离梁、热变形梁和热传导梁构成，上层为热变形梁，下层的末级为热隔离梁、其余为热传导梁；热变形梁和热传导梁、热隔离梁间隔连接。

上述光学读出红外传感器的吸热反光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λ为被探测红外波长峰值，n为正整数。

上述光学读出红外传感器的微梁单元由对红外有吸收作用的薄膜材料制作；吸热反光板、热变形梁和支撑梁的上表面上附着金属薄膜。

上述光学读出红外传感器的吸热反光板、热传导梁的厚度在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，本发明具有如下有益效果：

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，本发明有以下几个方面的优点：

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长度可以比单层热变形机构成倍的增加，从而使微梁单元的温升和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.通过错开上下平面层中回折梁的空间位置，让下层梁位于上层梁的空隙位置、避免遮挡到达上层梁的红外辐射，可以消除现有技术中由于同一平面层回折梁导致的单元空隙，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。

3.在热变形梁之间引入热传导梁替代部分热隔离梁，使热变形梁都处于相同的高温升条件，从而提高微梁单元整体的变形量。

4.双层吸热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。

四、附图说明

图1为本发明实施方式之一，无吸热共振板结构示意俯视图。双层热变形结构感热微梁单元，热变形机构由下层的热隔离梁2和上层的热变形梁3组成，1为吸热反光板，4为支撑梁。

图2为图1在A-A面上的剖视图。上层的支撑梁4、吸热反光板1、热变形梁3为双材料结构，下层的热隔离梁2为单材料梁。

图3为图1在B-B面上的剖视图。

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，热变形机构有热传导梁5的微梁结构对应于俯视图1在A-A面上的剖视图。热变形机构由热隔离梁2、热变形梁3和热传导梁5构成，上层为热变形梁3，下层的末级为热隔离梁2、其余为热传导梁5；热变形梁3和热传导梁5、热隔离梁2间隔连接。

图6为本发明实施方式之三，有吸热共振板结构的示意俯视图。吸热反光板由上层的反光板和下层的吸热共振板7构成，中间由加强筋6连接。

图7为图6在A-A面上的剖视图。7为吸热共振板，6为上层反光板与下层吸热共振板7相连的加强筋。

图8为图6在C-C面上的剖视图。

图9为本发明实施方式之四，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。双层结构感热微梁单元，每组热变形机构由上层的热变形梁和位置错开的下层的热传导梁或热隔离梁组成，吸热反光板可以包含实施方式一和三。

图10为图9在A-A面上的剖视图。上下层回折梁错开结构的侧面剖面示意图。

图11为双层回折梁结构的第一折角度偏转变形示意图。当发生热变形时，热隔离梁2-1不弯曲，热变形梁3-1弯曲，在其末端切线方向得到转角为θ1(热变形梁3-1自身弯曲的转角)。

图12为双层回折梁结构的第二折角度偏转变形量叠加示意图。与热变形梁3-2连接的热隔离梁2-2不弯曲，并与热变形梁3-1的末端切线方向平行，在末端转角保持为θ1。热变形梁3-2弯曲，转角为θ2(热变形梁3-2自身弯曲的转角)，并与热变形梁3-1的转角θ1发生叠加，在热变形梁3-2的末端切线方向转角大小为θ1+θ2；由于吸热反光板不变形，所以在吸热反光板上得到的转角为θ1+θ2。

图13是本发明的阵列平铺示意图。

五、具体实施方案

一种光学读出红外传感器，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吸热反光板、支撑梁组成。其最基本的形式为热变形机构由一根热隔离梁和一根热变形梁组成(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)，吸热反光板与热变形梁的一端连接，热变形梁另一端与热隔离梁连接，热隔离梁的另一端设在支撑梁上(参见图1、2、3、4)。吸热反光板为单层，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。热变形机构和吸热反光板的下方没有硅衬底，支撑梁位于热变形机构和吸热反光板的侧向。热变形梁和热隔离梁分别在上下两层构成折转式分布，即热变形梁和热隔离梁位于吸热反光板的两边上下来回折转，与吸热反光板的纵向平行并与之等长，形成紧凑、规矩的双层平面结构。亦即整个微梁单元为侧向支撑的无底双层平面结构。

还可以在热隔离梁和热变形梁之间增加一对或更多的热隔离梁和热变形梁，并且间隔排列，即由两根或更多的下层的热隔离梁和上层的热变形梁组成热变形机构；上层的初级热变形梁与吸热反光板连接、下层的末级热隔离梁与支撑梁连接；热变形梁和热隔离梁间隔连接。这样，吸热反光板的最终角度偏转变形量可以是多级热变形梁变形效果的叠加，从而提高反光板的热变形转角(参见图11、12)。

在此基础上，还可以将热隔离梁改变为热隔离梁和热传导梁组合(参见图5)，热传导梁和热变形梁间隔排列，即每根热传导梁位于两根热变形梁之间(或者位于热变形梁和吸热反光板之间、热变形梁和热隔离梁之间)，但热变形机构的末级梁为热隔离梁，即与支撑梁连接的为热隔离梁。当采用热传导梁的时候，由于热传导梁的导热性能好却不变形，使得两端连接的热变形梁的温度相同，从而提高构件总体的变形效果。

吸热反光板还可以为双层，上层为反光板，下层为吸热共振板构成，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(参见图6、7、8)。

还可以错开上下平面层中回折梁的空间位置，让下层梁位于上层梁的空隙位置、避免遮挡到达上层梁的红外辐射，可以消除现有技术中由于同一平面层回折梁导致的单元空隙，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(参见图9、10)。

上述结构构成的微梁单元就可以直接采用顺序平铺的方式构成阵列(如图13)，得到的阵列紧密、规则、一致、无嵌套。

上述吸热反光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，光学探测灵敏度和吸热反光板的长度成正比(或与反光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0.3～3um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，可以利用吸热反光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，可采用与吸热反光板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。热传导梁为导热性能好且热变形小的结构构成，为了简化加工工艺，可以采用较厚的非金属梁构成。支撑梁由导热性能好而刚度大的材料构成(例如镀金并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和保留部分单晶硅衬底以增加导热性能和支撑强度。热传导梁的厚度在0.3～3um之间。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：吸热反光板由厚度为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；热传导梁由厚度为2um的SiN_x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，下方保留了部分硅衬底(约10微米厚)。

本发明的实施例2为：吸热反光板由厚度为0.3um的SiO₂和0.05um的Al复合薄膜构成，热变形梁由厚度为0.1um的SiO₂和0.08um的Al复合薄膜构成；热隔离梁由厚度为0.2um的SiO₂单一薄膜构成；热传导梁由厚度为0.3um的SiO₂薄膜构成；支撑梁由厚度为0.3um的SiO₂和0.1um的Al复合薄膜构成，下方保留了部分硅衬底(约10微米厚)。

本发明的实施例3为：吸热反光板由厚度为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；热传导梁由厚度为3um的SiN_x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，下方保留了部分硅衬底(约10微米厚)。

本发明的实施例4为：吸热反光板由上层的反光板、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SiO₂和0.05um的Au复合薄膜构成，下层的吸热共振板由0.3um的SiO₂薄膜构成，热变形梁由厚度为0.3um的SiO₂和0.2um的Au复合薄膜构成；热隔离梁由厚度为0.2um的SiO₂单一薄膜构成；热传导梁由厚度为0.5um的SiO₂薄膜构成；支撑梁由厚度为0.5um的SiO₂和0.2um的Au复合薄膜构成，下方保留了部分硅衬底(约10微米厚)。

本发明实施例的制作工序例如下：首先在硅衬底上直接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隔离梁、热传导梁以及吸热共振板结构，并打薄热隔离梁、或增厚热传导梁和吸热共振板。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结构层连接段(梁的上下层回折部分和吸热共振板与反光板连接筋)。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)、热变形梁以及反光板结构。然后去除器件结构中热隔离梁、吸热反光板所在部分的硅衬底，仅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和吸热共振板与反光板连接部分连接起来的双层梁结构，最后从结构的上表面对支撑梁、热变形梁和反光板镀金属膜而完成制作。

Claims (9)

1、一种光学读出红外传感器，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吸热反光板，热变形机构与支撑梁连接，热变形机构为两组且对称连接于吸热反光板的两侧，热变形机构由热隔离梁和热变形梁构成折转式分布；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，上层的初级与吸热反光板连接、下层的末级与支撑梁连接；上层为热变形梁、下层为热隔离梁，热变形梁和热隔离梁间隔连接。

2、根据权利要求1所述的光学读出红外传感器，其特征在于所述的热变形机构中的下层梁位于上层梁的空隙位置。

3、根据权利要求1或2所述的光学读出红外传感器，其特征在于所述的热变形机构由热隔离梁、热变形梁和热传导梁构成，上层为热变形梁，下层的末级为热隔离梁、其余为热传导梁；热变形梁和热传导梁、热隔离梁间隔连接。

4、根据权利要求1或2所述的光学读出红外传感器，其特征在于其中吸热反光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，λ为被探测红外波长峰值，n为正整数。

5、根据权利要求3所述的光学读出红外传感器，其特征在于其中吸热反光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，λ为被探测红外波长峰值，n为正整数。

6、根据权利要求1或2所述的光学读出红外传感器，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；吸热反光板、热变形梁和支撑梁的上表面上附着金属薄膜，所述的吸热反光板的厚度在0.3～3um之间，热隔离梁和热变形梁的厚度在0.2～2um之间。

7、根据权利要求3所述的光学读出红外传感器，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；吸热反光板、热变形梁和支撑梁的上表面上附着金属薄膜，所述的吸热反光板、热传导梁的厚度在0.3～3um之间，热隔离梁和热变形梁的厚度在0.2～2um之间。

8、根据权利要求4所述的光学读出红外传感器，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；吸热反光板、热变形梁和支撑梁的上表面上附着金属薄膜，所述的吸热反光板的厚度在0.3～3um之间，热隔离梁和热变形梁的厚度在0.2～2um之间。

9、根据权利要求5所述的光学读出红外传感器，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；吸热反光板、热变形梁和支撑梁的上表面上附着金属薄膜，所述的吸热反光板、热传导梁的厚度在0.3～3um之间，热隔离梁和热变形梁的厚度在0.2～2um之间。

Images