CN101313202B - 使用半导体光学透镜的红外检测单元 - Google Patents

Abstract

一种红外检测单元，其包括承载红外传感元件的基座，以及被配置为安装在基座上以包围红外传感元件的帽。所述帽具有带窗口的顶壁，半导体透镜被安装在所述窗口中以将红外辐射收集到红外传感元件上。半导体光学透镜从半导体衬底形成，以具有凸透镜和围绕所述凸透镜的凸缘。在半导体透镜上形成红外阻挡，以阻止该红外辐射通过凸透镜的周围与该窗口之间的界限穿过。因此，该红外传感元件仅可以接收源自凸透镜想要的检测区域的红外辐射。

Description

使用半导体光学透镜的红外检测单元

技术领域

本发明涉及一种红外检测单元，尤其涉及一种利用半导体光学透镜来将红外辐射收集到红外传感元件的红外检测单元。

背景技术

日本专利公布No.5-133803公开了一种利用光学透镜来将红外辐射收集到红外传感元件的红外检测单元。该红外传感元件被装入具有安装有光学透镜的顶部开口的框架内。最近，提出了如在日本专利公布No.2000-263556中公开的一种用于制造微光学透镜的模具的技术。随着要求红外检测单元的尺寸小型化，这种微光学透镜为最优选的。然而，上述的现有技术中制备的微光学透镜固有地给定了统一的曲率半径，且在需要具有非统一的曲率半径的透镜来高效地将红外辐射收集到红外传感元件时，该微光学透镜不适合该红外辐射单元。因此，需要使用具有非统一曲率半径的半导体透镜。然而，即使这种半导体透镜被用于红外检测单元，仍存在问题，即，通过半导体光学透镜与顶部开口之间的界限的红外辐射可能入射到红外传感元件上，从而源自透镜未预期的区域的红外辐射引起错误检测。

发明内容

考虑到上述的问题，完成了本发明以提供可以成功利用半导体透镜进行准确检测的红外检测单元。根据本发明的红外检测单元包括承载红外传感元件的基座，以及被配置为安装在基座上以包围红外传感元件的帽。所述帽具有带窗口的顶壁，半导体透镜安装在该窗口中以将红外辐射收集到红外传感元件上。半导体光学透镜从半导体衬底形成，以具有凸透镜和围绕凸透镜的凸缘。该凸缘具有在窗口的周围与窗口的顶壁保持接触的平面，以便将凸透镜定位在窗口中。在从凸缘到凸透镜的周围延伸的部分，半导体光学透镜形成有红外阻挡，以便阻止红外辐射通过窗口的周围被引导到红外传感元件。因此，半导体透镜可以成功地将源自该凸透镜所预期的检测区域的红外辐射收集到红外传感元件上，同时阻止不是源自该检测区域但通过窗口与凸透镜之间的边界穿过的红外辐射，从而保证准确的红外检测。

通过利用具有彼此相对的平坦顶面和平坦底面的半导体衬底的过程制造该半导体透镜。该过程包括步骤：在该底面上形成阳极，将该半导体衬底放置在电解质溶液中。然后，该步骤之后，使电流在溶液内的阳极和阴极之间流动，以将衬底的顶面变换为在各部分具有彼此变化的深度，在顶面上留下多孔层，并从衬底去除多孔层，以在顶面上留下凸面，即，凸透镜的顶曲面。阳极是由金属层制成，金属层沉积在底面上以提供合并的结构，并被配置为提供跨过衬底的顶表面和底表面的电场强度的、在衬底的各部分彼此变化的预定分布，从而提供具有与电场强度的分布匹配的变化深度的多孔层。利用上述的过程，使阳极与衬底成为一体，以准确提供与该阳极的图案严格对应的电场强度分布，因此，可以精确成形该多孔层和获得的凸表面。另外，由于阳极被配置为提供在衬底的各部分彼此变化的电场强度的预定分布，所以容易对获得的曲面提供连续变化的曲率半径。此外，因为阳极化处理从被完全暴露于电解质溶液，即没有被限制阳极化处理的材料覆盖或掩蔽的衬底的顶面进行，而且阳极化处理比率主要由衬底底面上的阳极图案控制，所以容易生成具有准确控制的轮廓或外形的多孔层，因此，可以对凸透镜提供相应准确的表面轮廓。因此，可以将具有精确控制的表面轮廓的凸透镜用于红外检测单元。

优选地，该帽由导电材料制成，且红外阻挡由在窗口的周围电连接到该帽的导电材料制成。因此，红外阻挡与帽配合，也用作红外传感元件的电磁屏蔽，从而有效保护红外传感元件不受电磁噪声影响。

红外阻挡可以通过导电粘合剂连接到帽，以便机械地并电气地将半导体透镜连接到帽。

该窗口优选是方形的，而且优选将该凸透镜成形为具有圆形轮廓。在该例中，沿凸透镜的周围延伸形成红外阻挡，以限定直径小于凸透镜的直径的圆形开口，从而消除收集通过凸透镜与凸缘之间界限的红外辐射的可能性，以便准确检测仅来自所预期的检测区域的红外辐射。

优选地，可以将红外阻挡电连接到红外传感元件的电路地，以保护红外传感器不受电磁噪声的影响。

可以用仅允许预定波长带的红外辐射通过的干涉滤光器覆盖半导体透镜，以选择性地检测特定红外辐射物体。

当半导体透镜被配置为包括多个凸透镜时，围绕每个凸透镜的周围形成红外阻挡。特别地，当围绕半导体透镜的中心沿周边布置凸透镜，由此留下不属于所述凸透镜中任何一个的或不能有效收集红外辐射的死区时，红外阻挡被附加地形成在半导体衬底上对应于死区的部分，以有效阻止不希望的红外辐射到达红外传感元件。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的红外检测单元的顶视图；

图2是上述单元的截面图；

图3是上述检测单元中采用的传感器支架的顶视图；

图4是沿图3的线4-4取得的横截面图；

图5是上述单元采用的半导体透镜的截面图；

图6是上述透镜的顶视图；

图7是用于制造上述透镜的阳极化处理设备的截面图；

图8A～图8E是示出制造透镜的各步骤的截面图；

图9是示出在制造透镜的过程中产生的电场强度分布的示意图；

图10是示出在对上述透镜采用红外阻挡和不采用红外阻挡的情况下的红外透射率的曲线图；

图11是增加了干涉滤光器的透镜的截面图；

图12是根据本发明第二实施例的红外检测单元的截面图；

图13是根据本发明第三实施例的红外检测单元的顶视图；

图14是上述单元的截面图；

图15是上述单元内采用的半导体透镜的底视图；

图16是根据上述实施例的变型的半导体透镜的顶视图；

图17是上述半导体透镜的底视图；以及

图18A～图18G是示出根据上述实施例的变型的制造半导体透镜的各步骤的截面图。

具体实施方式

参考图1和图2，图1和图2示出了根据本发明第一实施例的红外检测单元。红外检测单元适于与用于确定是否存在发出红外辐射的物体或人体的外部信号处理电路(未示出)相连接来使用。检测单元包括承载诸如热敏电阻辐射仪的热红外传感元件40的基座10，以及安装在基座10上以包围传感元件40的金属帽50。帽50在其顶壁具有方形窗口52，半导体透镜60安装在该方形窗口52内，以将红外辐射收集到传感元件40上。收到红外辐射时，传感元件40提供表示红外辐射量的传感输出。该传感输出被通过一对终端引脚15和16馈送到信号处理电路，在该信号处理电路，分析该传感输出，以确定是否有人存在。

如图3和图4所示，热红外传感元件40被保持在衬底20上，并通过由诸如二氧化硅和氮化硅的绝热材料制成的传感器支架30支撑热红外传感元件40。传感器支架30被配置为具有通过4个斜梁33连接到矩形框34的中心垫32。传感元件40被布置在中心垫32上，同时被保持在上部电极41与下部电极42之间。传感元件40由提供与入射的红外辐射的量或强度成比例的可变电阻的非晶硅层形成。在框34的对角线相对端，上部电极41和下部电极42具有分别引导到端子45和46的延伸部43和44，端子45和46用于通过接线连接到终端引脚15和16。中心垫32布置在衬底20中的凹窝22之上，以使传感元件40与衬底20有效热绝缘。可以利用任何其它支承结构使传感元件40与衬底20热绝缘。方形平面结构的红外吸收器48被布置在上部电极41上，以有效收集红外辐射，并确定通过半导体透镜60收集红外辐射的红外接收面。红外吸收器48可以由SiON、Si₃N₄、SiO或金黑(gold black)形成。

半导体透镜60由诸如硅(Si)、锗(Ge)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)和磷化铟(InP)的半导体材料制造，以包括具有圆形轮廓的平凸透镜62和包围平凸透镜62的方形凸缘64，如图5和图6所示。凸缘64被配置为具有平坦上表面和与平凸透镜的平底共面的平坦下表面。红外阻挡80被布置在半导体透镜60的底部，以覆盖从凸缘64延伸到平凸透镜62的周围部分的区域。红外阻挡80由金属层制成以反射红外辐射，以便防止红外传感元件40接收不是来自凸透镜62所预期的检测区域的红外辐射，即，通过凸透镜62的周围部分与凸缘64之间的边界的红外辐射，特别是，通过暴露在帽50的方形窗口52的角部的凸缘64的红外辐射，如图1所示。因此，只将来自预期的区域的红外辐射引导到传感元件，以进行可靠的红外检测。请注意，关于这一点，窗口52优选是方形的，以使凸透镜62的圆形轮廓容易安装在圆形窗口52内，同时使该透镜的光轴与传感元件40对准。相反，如果将该窗口制作为与透镜的圆形轮廓匹配的圆形，必须非常准确地完成该窗口和凸透镜，以便在该凸透镜的整个周边上全部实现均匀接触。如果即使在周边的一点上圆形轮廓不能平滑接触该窗口，则不能将凸透镜固定在正确位置，导致该透镜与传感元件不对准，甚至不能将透镜装配在帽上。因此，方形窗口52是最优选的，以便简单并准确地将凸透镜62装配在窗口52中。因此，为了防止红外辐射通过暴露在窗口52的角部的凸缘64，需要红外阻挡80。红外阻挡80可以由反射率为0.8或高于0.8的诸如Al、Au、Ag、Rt、Ni、Mo、W、Cr、Cu、Fe、Ti、Ta、黄铜、Nb、Co或任何其它金属材料的材料制成。

此外，将红外阻挡80成形以具有直径小于凸透镜62的直径的圆形开口82，以便去掉凸透镜的边缘部分，在制造透镜时，该边缘部分的表面构造可能不准确，下文中将进行说明。

在本实施例中，通过衬底70的选择性阳极化，利用p型Si的半导体衬底70制造平凸透镜。利用阳极化处理设备100进行阳极化，如图7所示，阳极化处理设备100被配置为将衬底70放置在一定量的电解质溶液140内，并且阳极化处理设备100被配置为配备有调节器130，用于调节浸入该溶液的阳极电极120与阴极110之间流动的电流。阳极电极120被保持与衬底70的底面接触，以便在对着阴极110的顶面使阳极化进行到不同的程度。

在本实施例中，选择衬底70，以具有几欧姆厘米(Ω·cm)至几百欧姆厘米(Ω·cm)的低电阻。例如，经过图8A～图8E的步骤，将80Ω·cm的0.5mm厚的扁平p型Si衬底70成形为透镜。被清洗并清洁后，处理衬底70，以在整个底面上具有导电层80(图8B)。限定红外阻挡的导电层80由例如铝制成，并利用喷溅等技术在衬底70上沉积以具有1μm的均匀厚度。然后，利用光刻法，将导电层80形成为具有抗蚀剂图案，并利用湿法蚀刻部分地蚀刻导电层80，以留下直径为2mm的圆形开口82，从而与要制造的透镜的直径匹配，以提供导电层80限定与衬底70集成的阳极的合并的结构(图8C)。上述蚀刻并不局限于湿法蚀刻，且可以利用干法蚀刻进行蚀刻。下文中，在认为其适合解释半导体透镜的制造过程的情况下，利用术语“阳极”代替导电层或红外阻挡。随后，将衬底70浸在阳极化处理设备100的电解质溶液140中，其中，阳极80接触阳极电极120，并且衬底70之后接收阳极80与阴极110之间流动的电流，以便对应于阳极图案选择性地阳极化半导体衬底70的顶面，从而在衬底70的顶面上生成多孔层90(图8D)。调节器130调节电流，以具有例如30mA/cm²的预定电流密度，而且持续例如120分钟的预定周期。此后，蚀刻掉多孔层90，以获得阳极保留在透镜底部来限定红外阻挡80的半导体透镜60(图8E)。

所采用的电解质溶液是以适当比例混合的氟化氢(HF)和乙醇的水溶液。在阳极化处理过程中，发生下面的化学反应：

Si+2HF+(2-n)h⁺→SiF₂+2H⁺+n·e^-

SiF₂+2HF→SiF₄+H₂

SiF₄+2HF→SiH₂F₆

其中，h⁺表示空穴，而e^-表示电子。

一旦Si衬底被阳极化地氧化，便通过与电解质溶液进行反应来去除被氧化的部分，以便在衬底70的表面上留下多孔层90。因此，在不被氧化的部分阻碍的情况下进行阳极化处理，使得可以生成具有更大深度的多孔层90，因此，可以制造具有相对大厚度的透镜。

如图9示意性示出的，平面电场强度或电流密度与阳极图形一致地可变分布。在该图中，带有黑色箭头的线表示流过衬底70的正电流的通路，而带有白色箭头的线表示流过衬底70的电子的通路。由于与在开口的中心相比，平面电流密度随接近开口82的外围越来越密，所以获得的多孔层90具有连续变化的深度，与开口的中心相比，该深度随接近开口82的外围越来越大。因此，通过去除多孔层90获得平凸透镜。平面电场强度的分布将主要由阳极图案确定，其次由衬底70的电阻率和厚度、电解质溶液140的电阻、衬底70与阴极110之间的距离以及阴极110的平面结构(即，在平行于该衬底的平面中的阴极布置)来确定。因此，通过结合阳极图案适当选择这些参数，可以容易地实现任何希望的透镜轮廓。在此，应该注意，由于阳极化处理进行，以连续地生成多孔层，而不被另外在衬底上出现被氧化的部分阻碍，在单个阳极化处理过程中，可以容易地制造厚透镜，这增强了透镜设计的灵活性。

在阳极化处理过程中，调节器130工作，以将电流密度基本上保持在恒定水平。然而，优选在阳极化处理过程的最后阶段，逐渐减少电流密度，以便相应减少生成多孔层90的比率。利用这种技术，通过降低阳极化处理期间的电流密度，可以降低多孔层的孔隙率，这样可以将通过去除多孔层显露的弯曲表面上的表面不规则降低到最小，因此，获得的透镜呈现更平滑的表面。通过监视电流水平或电压水平进行电流密度的调节。利用诸如KOH、NaOH和TMAH(四甲基氢氧化铵)的碱性溶液或HF溶液可以去除多孔层90。

在本实施例中，半导体透镜60被设计为具有曲率半径不均匀的平凸透镜62。然而，本发明不应该被解释为局限于使用曲率半径不均匀的凸透镜，而且本发明可以包括使用具有均匀曲率半径的凸透镜。

图10示出红外阻挡80在红外辐射的透射率方面的影响。线(A)示出在具有1μm厚红外阻挡的情况下透镜厚度为0.195mm的透镜的透射率，而线(B)示出在没有红外阻挡的情况下相同透镜的透射率。从图10可以看出，红外阻挡80可以成功用于阻挡红外辐射。请注意，关于这一点，红外阻挡80并不局限于1μm的厚度，它可以具有小于1μm或大于1μm的厚度。

回到图1，通过使用桥跨在红外阻挡80和窗口52的周围的导电粘合剂54，将这样制造的半导体透镜60固定在帽50上。因此，红外阻挡80与金属帽50配合用作附加电磁屏蔽，用于保护传感元件40免受外部噪声或电磁辐射的影响。优选地，红外阻挡80和帽50通过端子引脚之一连接到传感元件或信号处理电路的电路地。

如图11所示，此外，还可以利用干涉滤光器66覆盖半导体透镜60，干涉滤光器66仅允许预定波长带的红外辐射通过，从而排除不必要的红外辐射。例如，滤光器66被配置为仅通过具有8μm至13μm波长的红外辐射，从而排除来自太阳或其它非预期的红外辐射源的辐射，以增强对预期的红外辐射的敏感性。可以在透镜的顶部和底部中的任一个或二者上形成滤光器66。

图12示出根据本发明第二实施例的红外检测单元，除了半导体透镜60凸面向下地被固定在帽50外，该红外检测单元与第一实施例基本相同。在这种情况下，除了透镜60被退入帽50内以便在其中被保护之外，红外阻挡80还可以被保持与帽50的窗口52的外围直接接触。

图13至图15示出根据本发明第三实施例的红外检测单元，除了半导体透镜60被配置为包括多个用于从宽检测区域收集红外辐射的凸透镜62之外，该红外检测单元与第一实施例基本相同。四个凸透镜62被围绕半导体透镜60的中心轴等角地布置，以在其中心保留死区65。为了防止红外辐射通过死区65，红外阻挡80被放置在半导体透镜60的底部，以附加形成星形中心层85，如图15所示。

图16和图17示出本发明同样采用的变型的半导体透镜60。透镜60被配置为包括四个凸透镜62，其中，每个凸透镜部分地与相邻透镜合并。此外，在该变型中，红外阻挡80被配置为附加地包括十字形层86，以便防止红外辐射通过在相邻透镜62之间的边界或合并部分形成的死区66。

图18示出用于制造本发明同样采用的双凸形的另一个变型半导体透镜60的处理。除了包括附加阳极化处理过程之外，该处理与第一实施例相似。首先，如图18A～图18C所示，通过第一实施例中所述的步骤，利用具有圆形开口182的初级阳极180，形成顶面具有凸轮廓的衬底70。在蚀刻掉初级阳极180后，如图18D所示，在顶面上沉积具有圆形开口82的附加导电层80，使附加圆形开口82如图18E所示与已经形成的凸形轮廓同心地布置。随后，阳极化衬底70，以在衬底70的底面上生成附加多孔层190，如图18F所示。蚀刻掉附加多孔层190，同时保留附加导电层80，以获得附加导电层被保留从而限定红外阻挡80的双凸形半导体透镜，如图18G所示。以这种方式，可以仅通过添加另一个阳极化处理过程获得双凸透镜。

尽管上述的实施例示出采用呈现电阻响应于入射辐射量或其量的变化速率而变化的红外传感元件，但是同样可以采用呈现变化介电常数类型的红外传感器、产生热电动势的热电堆型红外传感器、或响应于红外辐射量的变化速率产生压差的热电型红外传感器。

Claims (9)

1.一种红外检测单元，包括：

基座，承载红外传感元件；

帽，被配置为安装在所述基座上以包围所述红外传感元件，所述帽具有带窗口的顶壁；以及

半导体光学透镜，被配置为安装在所述窗口中，以将红外辐射收集到所述红外传感元件上；

所述半导体光学透镜从半导体衬底形成，以具有凸透镜和围绕所述凸透镜的凸缘，所述凸缘具有在所述窗口的周围与所述帽的所述顶壁保持接触的平坦顶面，以便将所述凸透镜定位在所述窗口中；并且

在从所述凸缘到所述凸透镜的周围延伸的部分，所述半导体光学透镜形成有红外阻挡，以阻止红外辐射通过所述窗口的周围被引导到所述红外传感元件，

所述半导体光学透镜通过如下步骤制造：

制备具有彼此相对的平坦顶面和平坦底面的所述半导体衬底；

在所述底面上形成阳极，

将所述半导体衬底放置在电解质溶液中；

使电流在所述溶液内的所述阳极和阴极之间流动，以将所述衬底的顶面阳极化为在各部分具有彼此变化的深度，在所述顶面上留下多孔层；以及

从所述衬底去除所述多孔层，以在所述顶面上留下凸表面，

所述阳极是金属层，所述金属层沉积在所述底面上以提供合并的结构，并被配置为提供跨过所述衬底的所述顶面和底面的电场强度的、在所述衬底的各部分彼此变化的预定分布，从而提供具有与所述电场强度的分布匹配的变化的深度的所述多孔层，并且

所述金属层限定反射红外辐射的所述红外阻挡。

2.根据权利要求1所述的红外检测单元，其中

所述帽由导电材料制成，且所述红外阻挡由在所述窗口的周围电连接到所述帽的导电材料制成。

3.根据权利要求2所述的红外检测单元，其中

将所述红外阻挡通过导电粘合剂连接到所述帽。

4.根据权利要求1所述的红外检测单元，其中

所述窗口是方形的，而且所述凸透镜被成形为具有圆形轮廓，并且

所述红外阻挡沿所述凸透镜的周围延伸，以限定直径比所述凸透镜的直径小的圆形开口。

5.根据权利要求1所述的红外检测单元，其中

所述红外阻挡是沉积在所述半导体光学透镜上以反射红外辐射的金属层。

6.根据权利要求1所述的红外检测单元，其中

所述红外阻挡通过所述帽电连接到所述红外传感元件的电路地。

7.根据权利要求1所述的红外检测单元，其中

所述半导体光学透镜被仅允许预定波长带的红外辐射通过的干涉滤光器覆盖。

8.根据权利要求1所述的红外检测单元，其中

所述半导体光学透镜包括多个所述凸透镜，

所述红外阻挡围绕每个所述凸透镜的周围形成。

9.根据权利要求8所述的红外检测单元，其中

所述凸透镜被围绕所述半导体光学透镜的中心沿周围布置，以在那里留下不属于所述凸透镜中任一个的死区，

所述红外阻挡被附加地形成在所述半导体衬底上对应于所述死区的部分处。

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