CN100594175C - 光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及红外成像系统中非制冷红外焦平面阵列探测器技术领域，公开了一种光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器，该探测器由微悬臂梁单元采用相互覆盖平铺嵌套的方式构成，所述微悬臂梁单元包括红外吸收板、热变形结构和支撑梁，所述热变形结构与支撑梁固定连接，所述红外吸收板与热变形结构位于不同的平面内且固定连接；每个微悬臂梁单元的红外吸收板覆盖在另一个与之相邻的微悬臂梁单元的热变形结构的上方，形成相互覆盖平铺嵌套的微悬臂梁单元阵列。利用本发明，克服了图形区硅衬底对红外线反射的问题，提高了探测灵敏度，解决了器件像素面积偏大的问题，提高了探测的分辨率和清晰度。

Description

光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器

技术领域

本发明涉及红外成像系统中非制冷红外焦平面阵列探测器技术领域，尤其涉及一种光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器。

背景技术

红外辐射探测装置用于将不可见的红外辐射转化为可见的图像。按照探测原理的不同，可以把传统的红外辐射探测装置大致分为两类：量子型的和热型的红外辐射探测器。

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至14微米的红外光子的受激电子的能量和室温下电子热运动产生的能量相当，因此需要将探测器的温度维持在液氮温度(约77K)来抑制电子热运动，使量子型的红外辐射探测装置不仅笨重而且价格昂贵。

传统的热型红外辐射探测器吸收入射的红外光能量，使探测单元温度上升，再通过集成电路检测探测器的温升引发的热电效应，比如电阻率和电容的变化等，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，严重限制了温升性能。另外热电效应都极为微弱，为了探测信号，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。

应用光-机械原理的非制冷型红外探测焦平面阵列(FPA)大多采用双材料微悬臂梁热隔离结构。入射的红外光能被探测单元吸收后转化为悬臂梁的热能，引发双材料悬臂梁产生热致形变，从而使整个微悬臂梁结构产生形变，再通过光学读出系统，非接触的检测出形变，例如悬臂梁的挠度或转角等，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，探测器敏感单元和读出系统之间没有电的互连，也省去了读出电路的设计和制作，这就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和低成本的热型红外辐射探测装置。

应用光学读出的FPA(焦平面阵列)通常采用的包括带有牺牲层的多层双材料悬臂梁热隔离结构和镂空的单层双材料悬臂梁热隔离结构，前者需要保留图形区的硅衬底，这样当红外线经过硅衬底前后两个表面的时候，会发生反射现象，大约40％的红外线无法到达探测器件上，就使得红外线的吸收率严重下降，降低了探测器件的灵敏性；后者的图形区采用无硅衬底的结构，这样在探测红外辐射时不存在衬底的反射，使辐射的利用率很高，但它的缺陷由于热变形结构中的热隔离梁和变形梁位于同一平面，使象素面积偏大，结构利用率低，难以提高分辨率和清晰度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器，以克服图形区硅衬底对红外线反射的问题，提高探测灵敏度，解决器件象素面积偏大的问题，提高探测的分辨率和清晰度。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器，该探测器由微悬臂梁单元采用相互覆盖平铺嵌套的方式构成，所述微悬臂梁单元包括红外吸收板1、热变形结构2和支撑梁3，所述热变形结构2与支撑梁3固定连接，所述红外吸收板1与热变形结构2位于不同的平面内且固定连接；每个微悬臂梁单元的红外吸收板1覆盖在另一个与之相邻的微悬臂梁单元的热变形结构2的上方，形成相互覆盖平铺嵌套的微悬臂梁单元阵列。

所述热变形结构2包括热隔离梁4和变形梁5，所述热隔离梁4和变形梁5相间回折连接，且分布于同一平面上。

所述热变形结构2通过两端的热隔离梁4与支撑梁3固定连接，所述红外吸收板1与热变形结构2中部的热隔离梁4通过锚爪6固定连接。

所述变形梁5采用双材料结构，在非金属薄膜上附着一层金属薄膜，两层材料厚度的比值接近两层材料杨氏模量的反比平方根值。

所述非金属薄膜为氮化硅SiN_x或二氧化硅薄膜，所述金属薄膜为金Au或铝Al薄膜。

所述热隔离梁4和变形梁5的厚度为0.3至2μm。

所述红外吸收板1的厚度为0.3至2μm，其光学检测面上进一步附着一层对红外有吸收作用的薄膜材料。

所述薄膜材料为氮化硅、二氧化硅或多晶硅。

所述红外吸收板1平面与热变形结构2平面之间的间隔为0.1至4μm。

所述支撑梁3由金属或单晶硅制作而成。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明在具体的设计中采用侧向支撑的无衬底双层结构。由于无硅衬底，避免了红外线经过硅衬底前后两个表面的情况发生，使得红外线可直接到达红外吸收板的表面，克服了红外线损失，显著提高了探测器件的灵敏性。另外，由于红外吸收板与热变形结构分别处于不同平面构成双层结构，使得在保持探测灵敏度在较高水准的前提下，像素面积可以大幅度缩小。所以与现有技术相比，本发明有以下几个方面的优点：

1、无硅衬底部分反射红外线，更多的能量直接到达探测单元，使探测更灵敏。

2、通过红外吸收板与热变形结构处于不同平面的双层结构设计，不仅大大增加了热隔离梁及变形梁的总长度，而且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，以获取光学测量上的最大灵敏度。从而提高了探测单元的热变形灵敏度。

3、由于红外吸收板与热变形结构处于不同平面的双层结构设计，可以使在增大热变形结构所占面积的情况下保证红外吸收板的有效面积，因此，大大提高了平面利用率，各单元可采用顺序平铺嵌套的方式构成探测阵列，阵列的空间利用率很高。

4、采用上下层回折式的热变形结构大大缩小了原有象素所占的面积，使所成像的分辨率大大提高。

附图说明

图1为本发明提供的光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器的结构示意图；

图2为本发明提供的光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器中微悬臂梁单元的俯视图；

图3为本发明提供的光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器中微悬臂梁单元的剖视图；

图4为本发明提供的光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器中微悬臂梁单元的立体图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1示，图1为本发明提供的光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器的结构示意图。该探测器由微悬臂梁单元采用相互覆盖平铺嵌套的方式构成，所述微悬臂梁单元包括红外吸收板1、热变形结构2和支撑梁3，每个微悬臂梁单元的红外吸收板1覆盖在另一个与之相邻的微悬臂梁单元的热变形结构2的上方，形成相互覆盖平铺嵌套的微悬臂梁单元阵列。

如图2所示，图2为本发明提供的光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器中微悬臂梁单元的俯视图，该微悬臂梁单元包括红外吸收板1、热变形结构2和支撑梁3。所述热变形结构2与支撑梁3固定连接，所述红外吸收板1与热变形结构2位于不同的平面内且固定连接。

所述热变形结构2包括热隔离梁4和变形梁5，所述热隔离梁4和变形梁5相间回折连接，且分布于同一平面上。所述热变形结构2一般为两组，对称连接于红外吸收板(1)的同侧的另一个平面内。

所述热变形结构2通过两端的热隔离梁4与支撑梁3固定连接，热隔离梁4的另一端与变形梁5连接。

所述红外吸收板1与热变形结构2的一端通过锚爪6固定连接，其中连接部分可以为热变形结构2中的热隔离梁4，也可以为热变形结构2的中变形梁5，此处以热隔离梁4为例。当热隔离梁4的一端通过锚爪6与红外吸收板1连接时，其另一端与变形梁5连接。热隔离梁4和变形梁5交替相连，最终与支撑梁3相连接，具体可参见图1。整个微悬臂梁单元为侧向支撑的无衬底双层结构，热变形结构中的变形梁和热隔离梁位于同一层(所述的层是指构件的结构层，而非构件的组成材料的复合层，即某些构件为金属和非金属复合而成，但是在结构上称为同一层)，热变形结构与红外吸收板1处在不同层面内。热变形结构的下方没有硅衬底，支撑梁3位于热变形结构的侧向，没有站立的锚脚。

如图3所示，图3为本发明提供的光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器中微悬臂梁单元的剖视图。所述变形梁5采用双材料结构，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)，例如所述非金属薄膜一般为氮化硅(SiN_x)或二氧化硅(SiO₂)薄膜，所述金属薄膜为金(Au)或铝(Al)薄膜。在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，两层材料厚度比值应接近两层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。所述热隔离梁4和变形梁5的厚度为0.3至2μm。

上述红外吸收板1的厚度为0.3至2μm，其光学检测面上进一步附着一层对红外线有强烈吸收作用的薄膜材料(如氮化硅，二氧化硅，多晶硅等)，吸收面积应尽可能的大，以增加吸收的热量。所述红外吸收板1平面与热变形结构2平面之间的间隔为0.1至4μm。

所述支撑梁3由导热性能好而刚度大的材料构成(例如金属和单晶硅)，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，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。

整个微悬臂梁单元一般为方形或者矩形，边长大小在30～200um的范围。如图4所示，图4为本发明提供的光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器中微悬臂梁单元的立体图。

在具体实施时，红外吸收板(1)一般可以由厚度为2um的氮化硅(SiN_x)和0.2um的金(Au)复合薄膜构成，变形梁(5)一般可以由厚度为1um的氮化硅(SiN_x)和0.2um的金(Au)复合薄膜构成，热隔离梁(4)一般可以由厚度为1um的氮化硅(SiN_x)单一薄膜构成，支撑梁

(3)一般可以由厚度为2um的氮化硅(SiN_x)和0.5um的金(Au)复合薄膜构成。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1、一种光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，该探测器由微悬臂梁单元采用相互覆盖平铺嵌套的方式构成，所述微悬臂梁单元包括红外吸收板(1)、热变形结构(2)和支撑梁(3)，所述热变形结构(2)与支撑梁(3)固定连接，所述红外吸收板(1)与热变形结构(2)位于不同的平面内且固定连接；每个微悬臂梁单元的红外吸收板(1)覆盖在另一个与之相邻的微悬臂梁单元的热变形结构(2)的上方，形成相互覆盖平铺嵌套的微悬臂梁单元阵列，且红外吸收板(1)平面与热变形结构(2)平面之间的间隔为0.1至4μm，热变形结构(2)包括热隔离梁(4)和变形梁(5)，所述热隔离梁(4)和变形梁(5)相间回折连接，且分布于同一平面上。

2、根据权利要求1所述的光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述热变形结构(2)通过两端的热隔离梁(4)与支撑梁(3)固定连接，所述红外吸收板(1)与热变形结构(2)中部的热隔离梁(4)通过锚爪(6)固定连接。

3、根据权利要求1所述的光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述变形梁(5)采用双材料结构，在非金属薄膜上附着一层金属薄膜，两层材料厚度的比值接近两层材料杨氏模量的反比平方根值。

4、根据权利要求3所述的光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述非金属薄膜为氮化硅SiN_x或二氧化硅薄膜，所述金属薄膜为金Au或铝Al薄膜。

5、根据权利要求1所述的光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述热隔离梁(4)和变形梁(5)的厚度为0.3至2μm。

6、根据权利要求1所述的光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述红外吸收板(1)的厚度为0.3至2μm，其光学检测面上进一步附着一层对红外有吸收作用的薄膜材料。

7、根据权利要求6所述的光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述薄膜材料为氮化硅、二氧化硅或多晶硅。

8、根据权利要求1所述的光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述支撑梁(3)由金属或单晶硅制作而成。

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