CN101498607A - 一种带硅支撑框架的全镂空结构光调制热成像焦平面阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于获取并转换红外信号的传感元件，尤其涉及一种带有硅支撑框架的全镂空光调制热成像焦平面阵列，本发明由外框和内框构成，该内框为网格状，设置在所述的外框内，形成多个镂空单元；每个镂空单元内设置一个微悬臂单元，该微悬臂单元与构成镂空结构的内框或外框相连接。
Description
技术领域
本发明涉及用于获取并转换红外信号的传感元件，尤其涉及一种带有硅支撑框架的全镂空光调制热成像焦平面阵列。
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8-14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。
应用光调制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。
应用光学调制的FPA(焦平面阵列)通常采用的结构包括：带有衬底的牺牲层结构和无衬底的网格状全镂空结构两种，前者的结构在FPA的红外敏感区存在硅衬底，当器件工作时红外线先透过硅衬底才能照射到FPA上，红外线在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，这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；后者的结构在FPA的红外吸收区域采用了全镂空无硅衬底的结构，这样在FPA吸收红外辐射时就不存在硅衬底的反射，使红外辐射的利用率提高，但它的缺陷在于整个器件结构是由一张数千埃的薄膜支撑非常的脆弱，致使其生产成品率很低且易于破损。
由此可见，上述现有的用于获取并转换红外信号的传感元件在结构和使用上，存在灵敏度不高、易于破损的缺陷，亟待进一步改进。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中存在的产品灵敏度不高、易于破损的缺陷，提供一种新型结构的带支撑框架的全镂空结构光调制热成像焦平面阵列，所要解决的技术问题有去掉硅衬底，设置内框。
为了实现上述的目的，本发明是采用如下技术方案实现的；
本发明提供一种光调制热成像焦平面阵列，其特征在于包括阵列框架和微悬臂单元；
所述阵列框架由外框和内框构成，该内框为网格状，设置在所述的外框内，形成多个镂空单元；
每个镂空单元内设置一个微悬臂单元，该微悬臂单元与构成镂空结构的内框或外框相连接。
优选的，本发明中的微悬臂单元包括至少一组热变形结构和一组红外吸收结构，所述热变形结构包括至少一根隔离梁和至少一根形变梁，所述形变梁与红外吸收结构和隔离梁相连接，所述隔离梁与所述的阵列框架连接。
优选的，本发明中内框和外框的材料为材料，其晶向为<100>、<110>、<111>。
优选的，本发明中微悬臂梁单元的材料为氧化硅或氮化硅或碳化硅。
优选的，本发明中形变梁上附着有0.1-1微米的金属薄膜。
优选的，本发明中红外吸收结构上附着有0.1-1微米的金属薄膜。
优选的，本发明中形变梁上和红外吸收结构上的金属薄膜的材料为铝、金、铬、钛、锡或铅。
优选的，本发明中所述的内框的梁宽度相等，所述的宽度在0.5微米到10微米之间；所有所述的内框的梁厚度相等，所述的厚度在0.5微米到100微米之间。
优选的，本发明中所述的镂空单元横截面的形状为正方形或者长方形，所有所述的镂空单元均相同。
优选的，本发明中所述的微悬臂梁单元排列方向一致。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为实施例1的光调制热成像焦平面阵列的俯视图。
图2为阵列框架的示意图。
图3为微悬臂梁单元的结构示意图。
图4为图1中A-A向的剖视图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种带硅支撑框架的全镂空结构光调制热成像焦平面阵列其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
参见图1所示，本发明提出一种带硅支撑框架的全镂空结构光调制热成像焦平面阵列，包括阵列框架和微悬臂单元，所述的阵列框架用于支撑所述的微悬臂单元。优选的，所有所述的微悬臂梁单元排列方向一致。如图2所示，所述的阵列框架由外框1和内框2构成，所述的外框1为一个封闭的框架结构，所述的内框2为由多条横纵交织的梁构成的网格状结构，该内框2设置在所述的外框1内，从而形成多个镂空单元10，该阵列框架可由外框和内框一体成型制得。镂空单元的数量为单元数2×2个至4096×4096个。所述阵列框架采用的材料为单晶硅材料，其晶向包括<100>、<110>、<111>三种。该阵列框架的外围尺寸由像元的数目多少决定，在2毫米×2毫米到200毫米×200毫米之间，其外框1的宽度的范围在1毫米到100毫米之间，其厚度在10微米到600微米之间。内框2的梁的宽度在0.5微米到10微米之间，厚度在0.5微米到100微米之间。外框1的形状通常为正方形，也可是圆形或别的形状，所述镂空单元的区域形大致为正方形或矩形。
在每一个镂空单元10内设置一个微悬臂单元20，入射的红外光能被微悬臂单元检测并被光学读出，从而实现对红外光的检测。请参阅图3所示，每个悬臂梁单元20包含热变形结构和红外吸结构5。所述热变形结构由至少一根热隔离梁3和至少一根变形梁4组成。在实施中，隔热梁3与构成镂空单元的框架(内框或者外框)相连，从而将微悬臂单元固定，形成阵列框架对微悬臂单元的支撑。在本实施例中，热隔离梁3和变形梁4相间回折式构成热变形结构，并分布于红外吸收结构5的两侧。上述的微悬臂单元是由一层薄膜材料构成，其厚度在0.1-1微米之间，较佳的选用氧化硅、氮化硅和碳化硅等材料，从而使该微悬臂单元对8-14微米波长红外光具有吸收能力强、热导率低、热膨胀系数低、杨氏模量高等特点。
请参阅图4所示，所述的微悬臂单元的红外吸收结构5上附着有一层金属薄膜51，厚度在0.01-1微米之间，用于反射可见光，该金属薄膜采用铝、金、铬、钛、锡、铅等金属材料制备。在所述热变形结构的变形梁上也附着有一层金属薄膜41，厚度在0.1-1微米之间，用于在温度变化时产生相应的热形变，该金属薄膜采用铝、金、铬、钛、锡、铅等金属材料制备。
入射的红外光被微悬臂单元单元的红外吸收结构5吸收后转化为热能，引发双材料构成的变形梁4产生热致形变，从而使整个微悬臂单元结构产生形变，再通过光学读出系统，非接触的检测出形变，例如微悬臂单元的挠度或转角等，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单元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单元上产生附加的热量，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，探测单元的敏感部件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-机械微悬臂单元的红外探测阵列，有望开发出更高性能和低成本的热型红外辐射探测装置。
实例1
构成外框的材料为<100>晶向单晶硅，其外框为正方形，尺寸为20.1毫米×20.1毫米，厚度为510微米，外框的宽度为10毫米；内框的宽度为3微米，厚度为10微米，其所构成的镂空单元区域的尺寸为50微米×50微米。构成微悬臂单元的薄膜为氮化硅材料，厚度为0.5微米，微悬臂单元中热形变梁上金属薄膜为Al材料，厚度为0.35微米，微悬臂梁单元中红外吸收结构的金属薄膜也为Al材料，厚度为0.05微米，微悬臂梁单元中的热形变梁和热隔离梁以及之间的间隔距离都为0.8微米，金属薄膜的尺寸为40.6微米×45.4微米，微悬臂梁单元的数目为4×4个。
上述实施例，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1、一种光调制热成像焦平面阵列，其特征在于包括阵列框架和微悬臂单元；
所述阵列框架由外框和内框构成，该内框为网格状，设置在所述的外框内，形成多个镂空单元；
每个镂空单元内设置一个微悬臂单元，该微悬臂单元与构成镂空结构的内框或外框相连接。
2、根据权利要求1所述的光调制热成像平面阵列，其特征在于所述的微悬臂单元包括至少一组热变形结构和一组红外吸收结构，所述热变形结构包括至少一根隔离梁和至少一根形变梁，所述形变梁与红外吸收结构和隔离梁相联结，所述隔离梁与所述的阵列框架连接。
3、根据权利要求2所述的光调制热成像焦平面阵列，其特征在于：所述的阵列框架为单晶硅材料，其晶向为<100>、<110>、<111>。
4、根据权利要求1所述的光调制热成像焦平面阵列，其特征在于：所述的微悬臂梁单元的材料为氧化硅或氮化硅或碳化硅。
5、根据权利要求2所述的光调制热成像焦平面阵列，其特征在于：所述的形变梁上附着有0.1-1微米的金属薄膜。
6、根据权利要求2所述的光调制热成像焦平面阵列，其特征在于：所述的红外吸收结构上附着有0.1-1微米的金属薄膜。
7、根据权利要求5或6所述的光调制热成像焦平面阵列，其特征在于：所述的金属薄膜的材料为铝、金、铬、钛、锡或铅。
8、根据权利要求1所述的光调制热成像焦平面阵列，其特征在于：所有所述的内框的梁宽度相等，所述的宽度在0.5微米到10微米之间；所有所述的内框的梁厚度相等，所述的厚度在0.5微米到100微米之间。
9、根据权利要求1所述的光调制热成像焦平面阵列，其特征在于：所述的镂空单元横截面的形状为正方形或者长方形，所有所述的镂空单元均相同。
10、根据权利要求1所述的光调制热成像焦平面阵列，其特征在于：所有所述的微悬臂梁单元排列方向一致。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090805 |