CN101802576B - 红外传感器、焦平面阵列及其红外成像系统 - Google Patents

红外传感器、焦平面阵列及其红外成像系统 Download PDF

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Abstract

一种红外传感器包括：第一膜层结构(103)，第二膜层结构(104)，和形成于第一膜层结构(103)和第二膜层结构(104)之间的空隙。参照光从第一和第二膜层结构(103，104)中的一个入射。当空隙变化时，从一个膜层结构透射的参照光的强度发生变化，而且反射回来的参照光的强度发生变化。当红外线入射时，至少一个膜层结构吸收红外线而导致至少一个膜层结构的温度发生变化，从而导致空隙的距离发生变化。通过探测从另一膜层结构透射的参照光的强度变化或者通过探测反射回来的参照光的强度的变化，从而测量到红外线。

Description

红外传感器、焦平面阵列及其红外成像系统
技术领域
本发明涉及红外传感器、焦平面阵列及其红外成像系统，尤其涉及用于探测物体本身所发射的红外线的红外传感器、焦平面阵列和红外成像系统。
背景技术
红外传感器探测物体本身所发射的红外线，其波长在8到14微米左右，人眼和普通照相机不能观测到。传统的红外传感器用窄带半导体或微电阻器实现，工艺难度高，价格昂贵。目前还存在几种技术把红外信号转换为可见光信号，通过观察可见光信号来计算出红外信号，从而得到红外图像。一类技术是利用微机电系统(MEMS)的方法制造红外传感器阵列，即焦平面阵列(FPA)。在这些结构中，由于构成悬梁臂的不同材料有不同的热膨胀系数，在红外线入射到吸热板上热量被吸收并传递到悬梁臂上导致其温度升高时悬梁臂和吸热板(亦为反射板)发生偏转，导致反射的可见光发生偏转。通过探测可见光偏转的角度，可以推断出入射红外线的强度。这种方法探测可见光的偏转，读出光路较复杂。具体生产过程中工艺控制较难。
此外把红外信号转换为可见光信号的技术如专利CN 1427251A，需要利用光学晶体，不利于生产，成像系统复杂，其红外光为照射光源，非物体本身发射的红外线。
所以，需要一种简单、高效、灵敏又准确的红外传感器来探测物体所发射的红外线。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新颖的用于探测物体发出的红外线的红外传感器、焦平面阵列及其红外成像系统，其消除了现有技术
确认本中的缺点，能够准确、快速地探测到物体发出的红外线并转换成图像。
根据本发明的一个方面，提供红外传感器，用于探测物体发出的红外线，其中，所述红外传感器包括：第一膜层结构；第二膜层结构；形成于所述第一膜层结构和所述第二膜层结构之间的空隙；其中：参照光从所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中的一个膜层结构入射，一部份参照光反射，一部份参照光从另一膜层结构透射出来；当所述空隙距离变化时，从所述另一膜层结构透射出的参照光的强度发生变化，而且所述反射回来的参照光的强度发生变化；并且其中：当红外线入射时，所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中的至少一个膜层结构吸收红外线而导致所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中的所述至少一个膜层结构的温度发生变化，从而导致所述空隙的距离发生变化；通过探测从所述另一膜层结构透射出的参照光的强度的变化或者通过探测所述反射回来的参照光的强度的变化，从而测量到红外线。
根据本发明的另一个方面，所述传感器还包括：衬底；一个或多个第一支撑机构，用于将所述第一膜层结构支撑于所述衬底上；并且其中所述第二膜层结构直接位于所述衬底上。
根据本发明的另一个方面，所述传感器还包括：衬底；一个或多个第一支撑机构，用于将所述第一膜层结构支撑于所述衬底上；并且还包括一个或多个第二支撑机构，用于将所述第二膜层结构支撑于所述衬底上。
根据本发明的另一个方面，所述第一支撑机构或第二支撑机构的膜层结构与其所支撑的所述第一膜层结构或第二膜层结构的膜层结构相同。
根据本发明的另一个方面，所述第二膜层结构与所述衬底是一体结构。
根据本发明的另一个方面，所述衬底中间被掏空形成中空部分，所述参照光从所述衬底的中空部分射入所述第一膜层结构和所述第二膜层结构，或从所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中射出后从所述衬底的中空部分射出。红外线可从掏空部分或从相反方向射入第一膜层结构或第二膜层结构。
根据本发明的另一个方面，为了增强红外线的吸收，本发明的传感器，其中：所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中离入射红外线远的那一膜层结构是红外反射膜，或者所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中离入射红外线远的那一膜层结构的上表面或下表面或层间有红外反射膜。本发明所说的红外反射膜是指对红外线有强反射的材料构成的膜，包括所有导电材料，如金属，和本发明中提到的ITO等透明导电材料。根据本发明的另一个方面，在透射工作模式时，采用ITO，InZnO或ZnO等透明导电材料来做红外反射膜。
根据本发明的另一个方面，为了增强红外线的吸收，本发明的传感器，其中：所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中离入射红外线近的那一膜层结构是红外吸收膜，或者所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中离入射红外线近的那一膜层结构的上表面或下表面或层间有红外吸收膜。本发明所说的红外吸收膜对8到14微米的红外线有强的吸收的材料构成的膜，包括了在8到14微米之间对红外线有吸收峰的材料。
此外，根据本发明的另一个方面，本发明的传感器的第一支撑机构，具有：臂身，其一端与所述第一膜层结构相连接，另一端连接到所述衬底上、或者连接到所述第二膜层结构上、或者连接到所述第二支撑机构上；附加层，所述附加层被结合在所述臂身上；并且其中所述第二支撑机构具有：臂身，其一端与所述第二膜层结构相连接，另一端连接到所述衬底；附加层，所述附加层被结合在所述臂身上；其中：臂身由具有第一热膨胀系数的材料或材料组合构成；所述附加层由具有第二热膨胀系数的材料或材料组合构成，其中：第一热膨胀系数与第二热膨胀系数不同。所述第一与第二支撑机构包括：直单臂结构、转折式单臂结构、旋转对称的回旋式结构、以及对称结构。
根据本发明的另一个方面，所述臂身部分在上方有附加层，部分在下方有附加层。
根据本发明的另一个方面，所述第一或第二支撑机构是微桥结构，用于支撑所述第一膜层结构或所述第二膜层结构，其中所述微桥结构包括至少两个臂，臂身可以不含附加层。
根据本发明的又一个方面，所述的红外传感器中，其中所述第一和第二支撑机构在环境温度变化时形变方向相同，使得第一膜层结构和第二膜层结构间的空隙不变。本发明中所说的环境温度是指红外传感器所在处的温度，而非红外传感器所观察的景物的温度。
根据本发明的另一个方面，所述第一膜层结构和所述第二膜层结构分别为反射镜，用于在所述第一膜层结构和所述第二膜层结构之间形成相干效应。
根据本发明的另一个方面，所述第一膜层结构、所述第二膜层结构包括多层材料，所述多层材料包括材料对称结构，即材料的种类上下对称，厚度可以对称或者不对称，如100nm SiNx/100nmSiO2/200nm a-Si/120nm SiO2/80nm SiNx。
根据本发明的另一个方面，所述第一膜层结构、所述第二膜层结构由一层或多层材料构成，所述一层或多层材料包括氧化硅、氮化硅或无定形硅。
根据本发明的另一个方面，所述第一膜层结构、所述第二膜层结构包括多层材料，所述多层材料包括材料对称五层结构：无定形硅/氧化硅/无定形硅/氧化硅/无定形硅，或氮化硅/氧化硅/无定形硅/氧化硅/氮化硅。
根据本发明的另一个方面，所述第一膜层结构、所述第二膜层结构由一层或多层材料构成，所述一层或多层材料的每一层厚度为四分之一参照光介质波长。
根据本发明的又一个方面，其中所述第一支撑机构或第二支撑机构包括如下部分：一个或多个臂身，由具有第一热膨胀系数的材料或材料组合构成；被结合在所述臂身上的多个附加层，所述多个附加层由具有第二或更多热膨胀系数的材料或材料组合构成；其中这样布置所述附加层：使得当所述红外传感器本身环境温度变化时所述第一支撑机构或第二支撑机构发生形变，其各部分形变相叠加的结果导致空隙距离不变；而当红外线入射时，所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中的至少一个膜层结构因吸收红外线而温度变化，导致所述第一支撑机构或第二支撑机构发生形变，其各部分形变相叠加的结果使空隙距离变化。
根据本发明的又一个方面，其中所述第一或第二支撑机构分为三部分：接近衬底或与衬底有良好热接触的部分，接近其所支撑的层或与其所支撑的层有良好热接触的部分，和位于这两部分之间的绝热部分。根据本发明的又一个方面，第一或第二支撑机构接近衬底或与衬底有良好热接触处的部分和接近其所支撑的层或与其所支撑的层有良好热接触的部分在温度变化时形变方向相反。
根据本发明的另一个方面，第一或第二支撑机构上含第一附加层或附加层组和第二附加层或附加层组，所述第一附加层或附加层组和第二附加层或附加层组分别包括两部分，其中所述总共四个部分分别按照第一附加层或附加层组的第一部分、第一附加层或附加层组的第二部分、第二附加层或附加层组的第一部分以及第二附加层或附加层组的第二部分的顺序粘合在臂身上，其中第一附加层或附加层组的第一部分与第二附加层或附加层组的第二部分位于臂身的同侧表面上，第一附加层或附加层组的第二部分与第二附加层或附加层组的第一部分位于臂身的相反的同侧表面上。
根据本发明的另一个方面，所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中的所述至少一个膜层结构吸收红外光之外某一波长的光，用于构成针对该波长光的传感器。
根据本发明的又一个方面，其中所述衬底上包含其它器件或电路，如CMOS或CCD成像器件和电路。
根据本发明的再一个方面，当本发明的红外传感器工作于透射模式时，所述红外反射膜为对参照光透明的材料；当所述红外传感器工作于反射模式时，所述红外反射膜为对参照光透明的材料或者金属材料。
根据本发明的还有一个方面，提供一种盲元，用于感测器件环境温度，所述盲元包括：衬底；第一膜层结构；第二膜层结构；形成于所述第一膜层结构和所述第二膜层结构之间的空隙；其中：参照光从所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中的一个膜层结构入射，从另一膜层结构透射出来；当所述空隙变化时，所述反射回来的参照光或从另一膜层结构透射出的参照光的强度发生变化；所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中的至少一个膜层结构吸收红外线并与所述衬底热连接；当红外线入射所述第一膜层结构和所述第二膜层结构时，所述第一膜层结构和所述第二膜层结构之间的空隙不发生变化；并且其中：当环境温度变化时，所述空隙的距离发生变化；通过探测从所述第二膜层结构透射出的参照光的强度的变化，从而测量到器件环境温度。此外，盲元中的所述支撑机构为高热导的材料；或者所述支撑机构有较大宽度或厚度或者具有较大横截面积，或者所述支撑机构包括多个臂，以增加所述第一膜层结构或所述第二膜层结构到所述衬底的热传导。
根据本发明的还有一个方面，所述盲元中所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中靠近入射红外线的那一膜层结构是红外反射膜，或者在所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中靠近入射红外线的那一膜层结构的上表面或下表面或层间有红外反射膜。
另一种盲元的结构包括：衬底，位于衬底上的第一膜层结构，位于第一膜层结构上的介质，以及介质之上的第二膜层结构，所述第一膜层结构、所述介质以及所述第二膜层结构共同构成干涉仪；其中：当红外线入射所述第一膜层结构和所述第二膜层结构时，所述介质的折射率不发生变化；当环境温度变化时，所述介质的折射率发生变化，导致从所述第一膜层结构或第二膜层结构透射出的参照光的强度发生变化，而且从所述第一膜层结构或第二膜层结构反射回来的参照光的强度发生变化；通过探测从所述第二膜层结构透射出的参照光的强度的变化或者探测所述反射回来的参照光的强度的变化，从而测量到器件环境温度。
根据本发明的还有一个方面，所述干涉仪通过支撑机构与衬底连接，同时与衬底有良好的热接触。
根据本发明的还有一个方面，其中所述干涉仪的上表面或下表面或层间有红外反射膜。
根据本发明的又一个方面，提供一种焦平面阵列，该焦平面阵列包含任何一种或多种本发明的红外传感器阵列。另外，还提供另一种焦平面阵列，其包括任何一种或多种红外传感器和一种或多种本发明的盲元。
根据本发明的另一个方面，提供一种红外成像系统，包括：参照光光源；根据本发明的焦平面阵列；以及检测器，用于检测参照光的读出光波光强。其中参照光光源可以是发光二极管，检测器可以是CCD或CMOS成像芯片。
本发明利用光学干涉的原理，灵敏度高。直接探测透射或反射光强度，而不是偏转，容易实现。并且本发明利用空隙作为谐振腔，悬浮反射层只是一个反射膜层，热容小，响应时间短，并且空隙的距离随温度变化大，温度分辨率高。
附图说明
当结合附图考虑下述详细说明时，将可以理解本发明的优选实施方式，并可以得到其众多目的、特征以及优势，其中：
图1A-C示出了根据本发明一个实施方式的红外传感器的示意图；
图1D-F示出了根据本发明其它实施方式的红外传感器的示意图；
图1G示出了根据本发明一个实施方式的红外传感器光谱和参照光光谱；
图1H示出了根据本发明进一步实施方式的红外传感器光谱；
图2A-C示出了根据本发明一个实施方式的红外传感器的回旋式悬梁臂；
图3A-C示出了根据本发明一个实施方式的红外传感器的单臂型悬梁臂；
图4A-B示出了根据本发明一个实施方式的红外传感器的两种转折式悬梁臂；
图5A-5B示出了根据本发明一个实施方式的红外传感器的微桥结构悬梁臂的俯视图和侧视图示意；
图6示出了根据本发明一个实施方式的红外传感器中用于增强红外线反射的红外反射膜的位置图；
图7A-C示出了根据本发明一个实施方式的红外传感器中用于温度补偿的悬梁臂结构；虚线表示悬梁臂温度均匀变化时的变形。
图8示出了根据本发明一个实施方式的红外传感器中用于温度补偿的第一悬浮反射层和第二悬浮反射层的结构；以及
图9A-C示出了根据本发明一个实施方式的红外成像系统中用于温度补偿的盲元结构。
具体实施方式
下面将结合附图详细描述本发明的实施方式。
图1A-C示出了根据本发明一个实施方式的红外传感器的示意图。参见图1A-C，该红外传感器包括：衬底101；反射层103，该反射层可以位于衬底101的上面，或者可以悬浮于衬底101之上；悬浮反射层104，悬浮反射层104悬浮于反射层103之上，从而在悬浮反射层和反射层103之间形成一个空隙；以及悬梁臂106，它用于将悬浮反射层104支撑于衬底101上。替换地，悬梁臂106也可将悬浮反射层104支撑于位于衬底上表面的反射层103上，如图5B所示。接着参考图1A-C，衬底101可使用硅片或其他半导体衬底。如果该红外传感器工作在透射模式，衬底101需对入射参照光102透明，优选地，衬底101可选用玻璃衬底，但是也可以选用其它透明材料，或选用不透明材料，在衬底需透光的部分掏空。下层反射层103位于衬底101上，其通常用两种不同折射率的材料交替，其中每层厚度相当于四分之一参照光在介质中的波长，即真空波长除以折射率，从而形成布拉格反射镜，其对参照光有高反射。反射层103的材料可以是氧化硅(SiO2)、无定形硅(a-Si)等。优选地，反射层103例如可使用五层结构：a-Si/SiO2/a-Si/SiO2/a-Si，每层厚度为四分之一参照光在介质中的波长。悬浮反射层104的设计与衬底101上的反射层103类似，悬浮反射层104与反射层103之间有一个空隙105，共同形成一个法布里-珀罗(FP)干涉仪。悬浮反射层104通常用两种或两种以上的不同折射率的材料交替，其中每层厚度相当于四分之一参照光在介质中的波长，其材料例如可以为氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)、无定形硅(a-Si)等。为了使悬浮反射层104对红外线有良好的吸收，在悬浮反射层104中可以有具有对红外线有良好吸收的材料，在本发明中称为红外吸收材料，其构成的膜称为红外吸收膜。在8到14微米间的某些波长有强的吸收峰的材料是红外吸收材料，例如氮化硅，在11.4微米附近有对的红外线的吸收峰。优选地，悬浮反射层104例如可使用五层结构：SiNx/SiO2/a-Si/SiO2/SiNx。悬浮反射层104和反射层103及其之间的空隙所形成的干涉仪还选择性透射某一波长的光，所透射的光为本发明中的参照光。悬浮反射层104和反射层103分别为反射镜。悬梁臂106可以有一个或多个，每一个悬梁臂106的一端固定到衬底101，或者固定到与衬底101上表面上的反射层103上，而另一端与悬浮反射层104连接，起到支撑悬浮反射层104和绝热的作用，悬梁臂106的横截面积越小、臂身越长、热导率越小，则绝热效果越显著。在本发明中，悬梁臂106上另有一层附加层107，该附加层107的热膨胀系数与悬梁臂106臂身的热膨胀系数不同。优选情况下，附加层107的热膨胀系数大于悬梁臂106臂身的热膨胀系数，例如附加层107的热膨胀系数比悬梁臂106臂身热膨胀系数大百分之五十以上，或者，小百分之三十五以上。优选地，附加层107为金属层，悬梁臂106为非金属层。由于悬梁臂106具有绝热作用，从而在悬浮反射层104吸收红外线导致温度上升后，其热量不会马上传到衬底，而是在悬梁臂106及其附加层107温度上升，从而从悬浮反射层到衬底之间形成温度梯度，因此当悬浮反射层104吸收红外线108而导致温度升高时，悬梁臂106和附加层107的温度也升高，发生热膨胀。由于不同材料膨胀量不同，悬梁臂106往上或往下弯曲。由于悬梁臂106对角对称分布，如图1B所示，导致悬浮反射层104平行于衬底101上下移动，从而形成于悬浮反射层104和反射层103之间的空隙发生变化，则悬浮反射层104、反射层103以及它们之间的空隙形成的FP干涉仪中的谐振波长发生偏移，因此从该FP干涉仪透射或反射的参照光的强度发生改变。因此，通过探测参照光透射或反射的强度的变化，可以知道悬浮反射层104偏移的距离，从而检测出入射红外线108的强度。此外，该红外传感器的一种替换形式如图1D所示。该红外传感器不包括反射层，而只包括：衬底101；悬浮在衬底101之上的悬浮反射层104，从而在悬浮反射层104和衬底101之间形成一个空隙；以及悬梁臂106，它用于将悬浮反射层104支撑于衬底101上。在这种替换方式中，在衬底101和悬浮反射层104之间的空隙形成干涉效应，从而按照与前述实施例相同的原理，在红外线入射时，悬浮反射层104吸收红外线导致温度变化，从而引起空隙距离的变化，从而测量到参照光透射或反射的强度变化来检测入射红外线108的强度。
根据本发明的红外传感器还可以有许多种不同的结构。图1D-1F示出了其中一些替换结构。在图1D中，红外传感器包括悬浮反射层104，衬底101，以及悬梁臂106。在这个替换结构中，衬底101充当了反射层的角色，或者说衬底101与反射层成为一体。红外线108射入悬浮反射层104，从而悬浮反射层104温度发生变化，导致悬浮反射层104与衬底101之间的空隙发生变化，结果，透射或反射的参照光发生变化，通过测量透射或反射的参照光来测量红外线。在图1E中，衬底101位于悬浮反射层104和反射层103的上方，其中衬底101在传感器反射层中部为中空的，用于从衬底上方入射参照光或红外线。其中反射层103可以位于衬底101的下表面上，也可以呈悬浮状，通过支撑机构而被支撑于衬底101的下表面上。悬浮反射层104被支撑于衬底101的下表面上。与前面的原理相同，从而当红外线从反射层103的方向入射时，反射层103比悬浮反射层104吸收更多的热量，从而形成于悬浮反射层104和反射层103之间的空隙发生变化，则悬浮反射层104、反射层103以及它们之间的空隙形成的FP干涉仪中的谐振波长发生偏移，因此该FP干涉仪透射或反射参照光的光量发生变化，从而透射或反射参照光109的强度发生改变。图1F中的结构与图1E中的结构类似，所不同之处在于反射层103直接位于衬底101的下表面上，在红外线从反射层103的方向入射时，设计反射层使得红外线较多穿过反射层103，被悬浮反射层104吸收，导致悬浮反射层104形变，导致空隙发生变化。图1F的红外传感器的原理与图1E的相类似，在此不再重复累述。
另外，本发明的红外传感器还可以是其它形式的结构，例如图1F中反射层位于悬浮反射层的上方，只要选择反射层透射更多红外线，悬浮反射层吸收更多红外线，从而使二者及其之间的空隙所形成的干涉效应能随着红外线发生变化从而观测到参照光的变化来进行检测。而且，悬浮反射层的支撑机构可以支撑于衬底上，也可以支撑于反射层上，或者支撑于反射层的支撑机构上，只要保持悬浮反射层为悬浮状即可。此外，还可以根据具体需要来选择衬底，例如衬底可以是CMOS或CCD成像芯片或晶圆。而且，除了本发明的红外传感器之外，衬底上也可以有其它电路和器件，例如成像电路，控制电路等等。
图1G示出了根据本发明一个实施方式的红外传感器光谱和参照光光谱。红外传感器在无红外线射入时的参照光透射光谱如曲线121所示。当有红外线射入时，悬浮反射层104的温度因为吸收红外线而发生变化，从而悬浮反射层104以及悬梁臂106发生膨胀，导致悬浮反射层104上下移动，从而悬浮反射层104与反射层103之间的空隙的高度随之变化，得到光谱如曲线122所示。在两个光谱之间，除谐振波长不同之外，形状也可能不同。用作读出的参照光的光谱如曲线123所示。红外传感器在无红外线射入时，参照光的读出光波透射过像素的光强为参照光光强乘以透射率，用曲线121和曲线123的相交面积124代表。红外传感器在有红外线射入时，参照光的透射过的读出光波光强增强了，增加的那部分用面积125代表。因此，利用MEMS的制作方法，在悬浮反射层104和反射层103之间形成以空气或真空为谐振腔的FP干涉仪并使用由不同材料构成的悬梁臂106，当红外线108入射时悬浮反射层104和悬梁臂106温度上升发生形变，导致悬浮反射层104和反射层103之间的空隙，即谐振腔的高度发生变化，使FP谐振波长改变，参照光102的透射强度随之变化。本发明的红外传感器具有灵敏度高，响应频率快，容易生产，均匀性好，成像系统简单等优点。
利用FP谐振的原理，参照光的透射或反射强度随空隙距离的变化很敏感。在不需要很高灵敏度的情况下，可以设计反射膜使得FP的谐振峰较宽，参照光的透射或反射随空隙距离的变化较不敏感。或者不必是严格的FP干涉仪，只需设计上下反射膜使得空隙距离的变化会引起参照光的透射或反射的变化即可。因此，如图1H所示，在本发明的另一个实施方式中，如此来设计红外传感器的反射层与悬浮反射层：衬底为玻璃，下层反射层为一层无定形硅，厚度为200nm。悬浮反射层从下到上依次为：50nm无定形硅/100nm氟化镁/400nm氮化硅。空隙为1200nm。此结构中，反射层和悬浮反射层均非严格的布拉格反射镜。此结构的透射光谱如图1H所示。该图仅是示意性的，仅用于说明的目的，在实践中透射光谱可能由于材料参数等因素而会有所不同。模拟结果表明，空隙的距离发生改变时，此结构的光谱会发生变化。对于此种结构，参照光的波长可在图1H中虚线所示的波长附近选择。在这些波长附近，空隙距离变化时参照光的透射或反射同样会发生变化，从而可以应用本发明。
在本发明的又一个实施方式中，根据本发明的红外传感器也可被修改为用于其它波长，比如被实现为用于探测紫外线的紫外传感器。例如，悬浮反射层可对某一波长的光有吸收，对参照光没有吸收，而悬浮反射层和反射层及这二者之间的空隙所形成的干涉仪透射或反射参照光，用于构成针对该波长光的传感器。优选地，所述某一波长的光为紫外光。因此，可以按照具体需要选择反射层与悬浮反射层的层数以及材料，从而使得悬浮反射层对于某一特定波长的光进行吸收，实现对于该特定波长光波的测量；也可以按照需要选择反射层与悬浮反射层的层数以及材料，从而使得反射层和悬浮反射层为非布拉格反射镜，同样可以实现对于某个特定波长光波的测量。上述内容同样不偏离本发明的精神和范围。
在本发明的红外传感器中，悬梁臂206将悬浮反射层204支撑于衬底上，其采用各种结构以使悬浮反射层204在温度上升时上下平移。图2A-C示出了根据本发明一个实施方式的红外传感器的回旋式悬梁臂206。回旋式悬梁臂206其臂身围绕着悬浮反射层204的周围回旋，形成具有旋转对称性的回旋式结构。悬梁臂206包括臂身和附加层210，图2A和2C中每个悬梁臂206上有一个附加层210，该附加层210可位于每个悬梁臂206的上表面或下表面。图2B中每个悬梁臂206上有两个附加层210，每个悬梁臂206上的两个附加层210可位于每个悬梁臂206的同侧表面上，例如上表面或下表面。图2A-C所示的结构中，悬梁臂206中的附加层210通常采用热膨胀系数大的金属，因此热导大。为增加悬梁臂206的热阻，使悬浮反射层204的温度在相同的红外线入射情况下升高较大温度，从而增强像素的响应度，可增加悬梁臂206的长度，采用回旋式结构，其中悬梁臂206的一部分没有金属，使之热阻较大。回旋臂结构具有旋转对称性，温度变化时悬浮反射层204上下平行移动。其中悬浮反射层204可以是各种形状，例如正方形、正六边形等等。
图3A-C示出了根据本发明另一实施方式的单臂型悬梁臂306的红外传感器。该红外传感器包括衬底301，反射层303，悬浮反射层304，悬梁臂306，位于悬梁臂306上的附加层310和310’。用单臂结构时金属附加层的一部分310在悬梁臂306上面，金属附加层的另一部分310’在悬梁臂306下面，如图3B所示。温度变化时两部分的偏转量相叠加，而偏转角相抵消，悬浮反射层(未在图中示出)上下平行移动。单臂结构的优点是应力和热导较小。单臂结构可以采用直单臂结构，如图3A所示；或者采用转折单臂结构，如图3C所示，该转折式单臂结构是在悬浮反射层304的一侧来回转折，形成紧凑、规矩的平面结构。
图4A示出了根据本发明再一实施方式的红外传感器的对角对称的转折式悬梁臂406A。悬梁臂406A可多次转折，每段悬梁臂的位移相叠加，可加大悬浮反射层的位移。图4A中的结构同时也是一种回旋式结构，所以图4A中的悬梁臂406A是一种回旋转折式悬梁臂。图4B示出了根据本发明实施方式的红外传感器的镜面对称的转折式悬梁臂406B。
以上提到的各种悬梁臂的结构中，悬梁臂中不同材料的热膨胀系数不同导致在温度改变时发生形变。而本发明的另一个实施方式中的微桥结构的悬梁臂与之不同。微桥结构中，悬浮反射层以及悬梁臂的热膨胀本身引起悬浮反射层的上下移动，其悬梁臂的构成可以只包括由相同的一种材料或者包括由多种材料所构成的相同的混合材料，不需要附加层。图5A-5B示出了根据本发明实施方式的红外传感器的微桥结构悬梁臂的俯视图和侧视图。微桥结构的悬梁臂506可以只包括相同材料，优选地，该材料可以是热的不良导体。悬浮反射层504在吸收红外线后，温度升高，从而悬浮反射层以及悬梁臂的热膨胀引起悬浮反射层504上下移动，导致空隙发生变化，进而透射或反射的参照光的强度发生变化，因此可以通过测量透射或反射的参照光来测量入射的红外线。
本发明的红外传感器的悬浮反射层吸热后产生可探测的信号。在相同的红外线入射强度下，吸收越多，悬浮反射层的温度升高越多，产生的信号越强。红外线入射到悬浮反射层上，一部分被反射，一部分被吸收而产生信号，其余部分的红外线被透射。透射部分到达衬底后，一部分红外线进入衬底被吸收(不产生有用的信号)，一部分红外线反射回来，被悬浮反射层吸收，以此类推。被反射回来的红外线越多，被悬浮反射层再次吸收的越多。为了提高悬浮反射层对于红外线的吸收，本发明的另一实施方式如图6所示。图6示出了根据本发明一个实施方式的红外传感器中用于增强红外线反射的红外反射膜607的位置图。本发明中所说的红外反射膜是指对红外线有强的反射的材料构成的膜，包括所有的导电材料，如金属，ITO，InZnO和ZnO等。红外反射膜607对红外线有高反射性能，因此，如图6所示，本发明的红外传感器采用红外反射膜607来将从悬浮反射层透射的红外线再反射回悬浮反射层，从而尽可能多地让悬浮反射层吸收更多的红外线。氧化铟锡(ITO)是在液晶显示领域里广泛使用的透明电极。其特点是既透明又导电。其他具有类似性质的材料有氧化铟锌(InZnO)和氧化锌(ZnO)等，所以本发明中的红外反射膜607优选地可以是ITO、InZnO或ZnO等。由于导电，这些材料对红外线有强的反射。因此，可以在衬底上镀ITO等透明导电薄膜来增强悬浮反射层对入射红外线的吸收。ITO等透明导电薄膜作为红外反射膜607可以直接镀在衬底601上，或作为下层反射层603中的一层或多层，或位于下层反射膜层603的上表面或下表面，如图6所示。当根据本发明的红外传感器工作于反射模式时，由于不需要从反射层603或者衬底601透射参照光以便读取读出光，而是通过读取参照光的反射光来检测入射红外线，所以反射模式时，反射层603或者衬底601可以是不对参照光透明的材料，例如金属。
在上述各种结构中，当环境温度变化时，该结构本身温度的升高将导致形变，产生信号。因此该结构温度的升高可能是由入射红外线引起，也可能是其本身所在环境的温度变化引起。基于MEMS结构的红外传感器通常不能区分自身环境温度和物体温度所引起的变化。以双层材料结构为例，像素在吸收物体发出的红外线时会发生形变。同样，当其自身微小的温度变化时也会发生形变，这种形变如果不能被正确区分，就产生伪图像。因此为防止这种伪图像，可以把像素精确控制在某个温度，难度较大。或者，制作一种像素，使其在本身温度变化时不产生形变，只有在吸收物体红外线时才发生形变。为了实现更好的效果，必须对环境温度进行补偿，以使本发明的红外传感器只对入射红外线引起的温度升高进行测量从而实现更准确的红外传感器。本发明的一个实施方式如图7A-7C所示。图7A是该实施方式的一种简单的示意图，其中可以看到悬梁臂分成三部分：与衬底连接处接近的第一部分含有附加层；与悬浮反射层接近的第二部分含有另一附加层；介于这两部分之间的无附加层的第三部分，用于绝热。所以环境温度变化时含有附加层的两部分的形变相反，效果相抵消，从而悬浮反射层不发生偏移。另外，如图7B所示，所述悬梁臂可以是直臂结构，并且悬梁臂上的多个附加层的材料可以不同。例如，悬梁臂上侧的附加层的材料与悬梁臂下侧的附加层的材料不同。图7A和7B中的虚线表示在环境温度变化时悬梁臂的变形，在理想情况下悬梁臂在支撑悬浮反射层的一端不发生位移，即本发明中所说的各形变抵消。而在红外线入射时，从悬浮反射层到衬底存在温度梯度，各形变不能完全抵消。下面参见图7C详细描述另一种形式。其中的悬梁臂有三部分：与衬底连接处接近的第一部分含有附加层710；与悬浮反射层704接近的第二部分含有另一附加层711；以及介于这两部分之间的无附加层的第三部分，用于隔热。当环境温度变化时，第一部分和第二部分所发生的形变正好相反，两者效果抵消，悬浮反射层704上下不发生偏移。而当红外线入射到悬浮反射层704时，从悬浮反射层704到衬底有温度梯度。靠近悬浮反射层704的悬梁臂第二部分的温度与悬浮反射层704接近而发生形变；接近衬底连接处的悬梁臂第一部分的温度和衬底接近，没有形变或形变较小，两者不能充分抵消，因此悬浮反射层704上下偏移，产生信号。为了实现悬梁臂第一部分与第二部分的形变相反，则附加层710和附加层711的布置相反。具体布置如下：附加层710包括第一附加层710′和第二附加层710”，附加层711包括第三附加层711’′和第四附加层711”。附加层710中与附加层711中相互靠近的两个附加层位于同一侧，即附加层710的第二附加层710”与附加层711的第三附加层711’位于臂身的同一侧，例如位于臂身的下表面；而附加层710中与附加层711中相互远离的两个附加层位于相反的同一侧，即附加层710的第一附加层710’与附加层711的第四附加层711”位于臂身的同一侧，例如位于臂身的上表面，从而实现温度补偿。此外，所述附加层的数目可以任意选择，只要接近于悬浮反射层704的一个或多个附加层的形变与接近于衬底701的一个或多个附加层的形变相反。
本发明的另一个实施方式是用双悬浮层来实现温度补偿，从而使红外传感器的灵敏度更准确。图8示出了根据本发明实施方式的红外传感器中用于温度补偿的双悬浮层结构。该结构是将下层的反射层也做成悬浮状，也由与图1A中的实施方式中结构相同的悬梁臂支撑。第一悬浮反射层804、第二悬浮反射层806和它们之间的空隙形成干涉仪，其中第一悬浮反射层804由悬梁臂810支撑于衬底上。第二悬浮反射层806由悬梁臂811支撑于衬底上。当环境温度变化时，第一悬浮反射层804与第二悬浮反射层806的变化一样，从而保持两者之间空隙距离不变。而当红外线入射时，第一悬浮反射层804的吸收大于第二悬浮反射层806的吸收，两者的形变不同，空隙距离发生变化，产生信号。因此，这种结构对红外传感器所在环境的温度的变化没有响应，而对入射红外线有响应，从而实现温度补偿。在这种结构中，为使第一悬浮反射层804和第二悬浮反射层806对红外线的吸收区别更大以增强对入射红外线的响应，可在第二悬浮反射层806中加入金属或ITO等透明导电薄膜来增强反射红外线。这样，第一悬浮反射层804对入射红外线的吸收增强，而第二悬浮反射层806对入射红外线的吸收很少或者基本为零。从而达到更好的温度补偿。另外，图8中所示为示意性的，在实际实施中，第一悬浮反射层804和第二悬浮反射层806的悬梁臂的长度可以任意选择。优选地，第一悬浮反射层804和第二悬浮反射层806的悬梁臂通常为相同长度和结构。但是也可以根据具体的实施选择相同或者不同长度和结构的悬梁臂。
本发明的再一个实施方式是用盲元结构来实现温度补偿。在没有温度补偿的情况下，或在温度补偿不完全的情况下，如果知道红外传感器像素的温度，则可以计算出伪图像，将伪图像去掉，得到真实的红外图像。为了检测红外传感器像素所处环境本身的温度，可以在红外传感器阵列中制作盲元。本发明中所说的“盲元”是指对入射红外线没有响应或很小响应、而对环境温度有明显响应的红外线传感器像素结构。根据盲元的这种响应性质来检测环境本身的温度。因为红外传感器阵列本身的温度可能不均匀，可以在红外传感器阵列中插入盲元阵列，比如每10×10的红外传感器像素阵列中制作一个盲元，通过测量每个盲元的温度，可以得出整个阵列的温度分布。在这个例子中，传感器阵列中有百分之一的像素是盲元，盲元所在位置的红外图像可以从周围正常的红外传感器像素插值得到。盲元只对本身温度变化有响应，对入射红外线没有响应。根据本发明的盲元具有如下结构：如图9A，衬底901；反射层904；位于所述衬底901上的反射层903以及两个反射层903和904之间的介质905，所述反射层903、904以及之间的介质905形成干涉仪。当环境温度变化时，介质的折射率发生变化，使得干涉仪的光谱发生变化，导致参照光的透射或反射强度发生变化，因此可用于检测环境温度。而当红外线入射时，由于盲元与衬底有良好的热接触，其温度不因为吸收入射红外线而升高，因此对入射红外线没有响应。另一种盲元结构如图9B所示，通过使悬浮反射层904与衬底热连接，或不吸收入射红外线，使入射红外线不引起盲元的温度升高。该结构与本发明的红外传感器的结构相类似，其不同之处在于：加大悬梁臂906的热导，使入射红外线不引起悬浮反射层温度的升高，因此不产生信号。增加热导的方法可以是增加悬梁臂906的宽度，厚度，横截面积或数量等，或采用热导高的材料，如金属；可以直接以双层金属层构成悬梁臂906，使之对本身温度变化有响应。因此当环境温度变化时，所述空隙的距离发生变化，从所述第一膜层结构或第二膜层结构透射出的参照光的强度发生变化，而且从所述第一膜层结构或第二膜层结构反射回来的参照光的强度发生变化；通过探测从所述第二膜层结构透射出的参照光的强度的变化或者探测所述反射回来的参照光的强度的变化，从而测量到器件环境温度。再如，在悬浮反射层904上镀上ITO等红外反射膜907，其对红外线有高反射性能，如图9C所示，使入射红外线被反射，没有吸收，因此不产生信号，而其本身温度升高时仍然有响应。图9C中，红外反射膜也可以位于悬浮反射层904之下或之中。为了简洁起见，图中未示出反射层以及悬梁臂。
红外反射膜也可加在图9A-9C中的盲元或其他任何一种盲元结构中，使得盲元不吸收入射红外线。
在本发明的以上实施例中，附加层可以是独立的一部分与臂身相结合；也可以位于臂身之中，属于臂身的一部分而构成。
利用本发明的上述红外传感器结构，可以排列所述红外传感器从而形成焦平面阵列，其中红外传感器可以是本发明任何实施例中的红外传感器。或者，焦平面阵列可以包括任一种红外传感器和本发明的盲元结构。本发明的红外传感器所形成的焦平面阵列以及由本发明的红外传感器和盲元结构共同形成的焦平面阵列还可以应用于红外成像系统之中。本发明的红外成像系统包括参照光光源；本发明的焦平面阵列以及用于检测参照光的读出光波光强的检测器。在本发明的红外成像系统中，像素吸收入射红外线后，经焦平面阵列透射或反射的参照光光强发生变化，由读出检测器检测并成像，从而容易地测量到红外线。
本发明中所说的材料组合，既指不同材料混合在一起，也指不同材料依次构成的膜层结构。本发明中所说的臂身或附加层均可以含多种或多层材料，这些材料的热膨胀系数可以不同。在这种情况下，可把由多种或多层材料构成的臂身当成一个整体，具有一个整体的热膨胀系数，因此在本发明中称之为具有第一热膨胀系数的材料组合，而把由多种或多层材料构成的附加层当成一个整体，称之为具有第二热膨胀系数的材料组合。
另外，本发明中提到的附加层广义地从功能上定义，在温度变化时，此附加层与其他层的形变导致支撑机构的变形。因此，本发明所说的附加层可以指在臂身材料以外的附加层；另外，此附加层也可以是这样的层：如果臂身本身含有两层或以上材料，则臂身其中的任何一层都可理解为此附加层，而把其余各层看作一个整体，即臂身。
以上结合附图详细描述了根据本发明的红外传感器通过探测参照光透射的读出光来检测入射的红外线，但是本发明同样可以通过探测参照光反射的读出光来检测入射的红外线。反射模式的工作原理与上述实施例相似，所不同之处仅仅在于观测的是参照光的反射读出光的变化而非参照光的透射读出光的变化。为了简洁的缘故，在此不详细描述反射模式的具体细节，以免模糊本发明。
本发明的各个实施方式已经进行了详细描述，但是本发明的范围不限于此。例如悬梁臂可以是除实施方式之外的其它方式，比如各种悬梁臂结构的组合等等，且其形状、厚度以及长度可以根据具体的情况而选择不同。悬浮反射层、反射层的形状也可以是各种形状，并且悬浮反射层、反射层的层数以及材料可以根据具体情况进行选择而不限于本发明具体实施方式中所详细描述的内容。在本发明公开的内容下，本领域技术人员能够想到各种修改和附加，但都没有背离本发明的精神和范围。可以理解：本发明不限于在此作为说明所阐述的特定实施方式，而是包括如下述权利要求书范围内的所有这种修改、组合以及置换。因此，本发明的优选实施方式的描述是为了说明而不是为了限制。

Claims (53)

1.一种红外传感器，用于探测物体发出的红外线，其中，所述红外传感器包括：第一膜层结构；第二膜层结构；形成于所述第一膜层结构和所述第二膜层结构之间的空隙；其中：参照光从所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中的一个膜层结构入射，一部份参照光反射，一部份参照光从另一膜层结构透射出来；当所述空隙距离变化时，从所述另一膜层结构透射出的参照光的强度发生变化，而且所述反射回来的参照光的强度发生变化；并且其中：当红外线入射时，所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中的至少一个膜层结构吸收红外线而导致所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中的所述至少一个膜层结构的温度发生变化，从而导致所述空隙的距离发生变化；通过探测从所述另一膜层结构透射出的参照光的强度的变化或者通过探测所述反射回来的参照光的强度的变化，从而测量到红外线。
2.根据权利要求1所述的红外传感器，还包括：衬底；一个或多个第一支撑机构，用于将所述第一膜层结构支撑于所述衬底上；并且其中所述第二膜层结构直接位于所述衬底上。
3.根据权利要求2所述的红外传感器，其中：所述第一支撑机构的膜层结构和所述第一膜层结构的膜层结构相同。
4.根据权利要求2所述的红外传感器，其中：所述第一支撑机构具有：臂身，其一端与所述第一膜层结构相连接，另一端连接到所述衬底上或者连接到所述第二膜层结构上：附加层，所述附加层被结合在所述臂身上。
5.根据权利要求4所述的红外传感器，其中：所述臂身由具有第一热膨胀系数的材料或材料组合构成；所述附加层由具有第二热膨胀系数的材料或材料组合构成，其中：第一热膨胀系数与第二热膨胀系数不同。
6.根据权利要求5所述的红外传感器，其中：所述附加层为金属层、或具有比所述臂身热膨胀系数大百分之五十以上或小百分之三十五以上的材料层或材料层组。
7.根据权利要求2所述的红外传感器，其中所述衬底中间被掏空形成中空部分。
8.根据权利要求1所述的红外传感器，还包括：衬底；一个或多个第一支撑机构，用于将所述第一膜层结构支撑于所述衬底上；并且还包括一个或多个第二支撑机构，用于将所述第二膜层结构支撑于所述衬底上。
9.根据权利要求8所述的红外传感器，其中：所述第一支撑机构或第二支撑机构的膜层结构与其所支撑的所述第一膜层结构或第二膜层结构的膜层结构相同。
10.根据权利要求8所述的红外传感器，其中：所述第一支撑机构具有：臂身，其一端与所述第一膜层结构相连接，另一端连接到所述衬底上、或者连接到所述第二膜层结构上、或者连接到所述第二支撑机构上；附加层，所述附加层被结合在所述臂身上；并且其中所述第二支撑机构具有：臂身，其一端与所述第二膜层结构相连接，另一端连接到所述衬底；附加层，所述附加层被结合在所述臂身上。
11.根据权利要求10所述的红外传感器，其中：所述臂身由具有第一热膨胀系数的材料或材料组合构成；所述附加层由具有第二热膨胀系数的材料或材料组合构成，其中：第一热膨胀系数与第二热膨胀系数不同。
12.根据权利要求11所述的红外传感器，其中：所述附加层为金属层、或具有比所述臂身热膨胀系数大百分之五十以上或小百分之三十五以上的材料层。
13.根据权利要求8所述的红外传感器，其中所述衬底中间被掏空形成中空部分。
14.根据权利要求1，2，8中任一个所述红外传感器，其中所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中离入射红外线近的那一膜层结构是红外吸收膜，或者所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中离入射红外线近的那一膜层结构的上表面或下表面或层间有红外吸收膜。
15.根据权利要求1-13任一个所述的红外传感器，其中：所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中离入射红外线远的那一膜层结构是红外反射膜，或者所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中离入射红外线远的那一膜层结构的上表面或下表面或层间有红外反射膜。
16.根据权利要求15所述的红外传感器，其中：红外反射膜为透明导电材料。
17.根据权利要求2-7任一个所述的红外传感器，其中：所述第一支撑机构是如下结构之一：直单臂结构、转折式单臂结构、旋转对称的回旋式结构、以及对称结构。
18.根据权利要求2-7任一个所述的红外传感器，其中：所述第一支撑机构分别是微桥结构，所述微桥结构包括至少两个臂，所述至少两个臂支撑所述第一膜层结构。
19.根据权利要求8-13任一个所述的红外传感器，其中：所述第一和第二支撑机构的任何一个分别是如下结构之一：直单臂结构、转折式单臂结构、旋转对称的回旋式结构、以及对称结构。
20.根据权利要求8-13任一个所述的红外传感器，其中：所述第一和第二支撑机构分别是微桥结构，用于支撑所述第一膜层结构和所述第二膜层结构，其中所述微桥结构包括至少两个臂。
21.根据权利要求8-13任一个所述的红外传感器，其中：所述第一和第二支撑机构在环境温度变化时形变方向相同，使得第一膜层结构和第二膜层结构间的空隙不变。
22.根据权利要求4-6，10-12任一个所述的红外传感器，其中：所述臂身部分在上方有附加层，部分在下方有附加层。
23.根据权利要求1-13任一个所述的红外传感器，其中：所述第一膜层结构和所述第二膜层结构分别为反射镜，用于在所述第一膜层结构和所述第二膜层结构之间形成相干效应。
24.根据权利要求1，2或8任一个所述的红外传感器，其中所述第一膜层结构、所述第二膜层结构包括多层材料，所述多层材料包括材料对称结构，即材料的种类上下对称。
25.根据权利要求1，2或8任一个所述的红外传感器，其中所述第一膜层结构、所述第二膜层结构由一层或多层材料构成，所述一层或多层材料包括氧化硅、氮化硅或无定形硅。
26.根据权利要求1，2或8任一个所述的红外传感器，其中所述第一膜层结构、所述第二膜层结构包括多层材料，所述多层材料包括材料对称五层结构：无定形硅/氧化硅/无定形硅/氧化硅/无定形硅，或氮化硅/氧化硅/无定形硅/氧化硅/氮化硅。
27.根据权利要求1，2或8任一个所述的红外传感器，其中所述第一膜层结构、所述第二膜层结构由一层或多层材料构成，所述一层或多层材料的每一层厚度为四分之一参照光介质波长。
28.根据权利要求2所述的红外传感器，其中：所述第二膜层结构与所述衬底是一体结构。
29.根据权利要求2或8所述的红外传感器，所述衬底是对参照光透明的材料，半导体材料，或者红外高反射材料。
30.根据权利要求2-7任一个所述的红外传感器，其中：所述第一支撑机构包括如下部分：一个或多个臂身，由具有第一热膨胀系数的材料或材料组合构成；被结合在所述臂身上的多个附加层，所述多个附加层由具有第二或更多热膨胀系数的材料或材料组合构成；其中这样布置所述附加层：使得当所述红外传感器本身环境温度变化时所述第一支撑机构发生形变，其各部分形变相叠加的结果导致空隙距离不变；而当红外线入射时，所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中的至少一个膜层结构因吸收红外线而温度变化，导致所述第一支撑机构发生形变，其各部分形变相叠加的结果使空隙距离变化。
31.根据权利要求30所述的红外传感器，所述第一支撑机构分为三部分：接近衬底或与衬底有良好热接触的部分，接近其所支撑的膜层结构或与其所支撑的膜层结构有良好热接触的部分，和位于这两部分之间的绝热部分。
32.根据权利要求30或31所述的红外传感器，第一支撑机构接近衬底或与衬底有良好热接触处的部分和接近其所支撑的膜层结构或与其所支撑的膜层结构有良好热接触的部分在温度变化时形变方向相反。
33.根据权利要求2-7任一个所述的红外传感器，其中：所述第一支撑机构包括如下部分：一个或多个臂身，由具有第一热膨胀系数的材料或材料组构成；被结合在所述臂身上的第一附加层或附加层组和第二附加层或附加层组，所述第一附加层或附加层组和第二附加层或附加层组分别由具有第二或更多热膨胀系数的材料或材料组构成，其中所述第一附加层或附加层组被结合在所述臂身上接近所述衬底或与所述衬底有良好热接触处，第二附加层或附加层组被结合在所述臂身上接近所述第一膜层结构或与所述第一膜层结构有良好热接触处；其中：第一热膨胀系数与第二或更多热膨胀系数不同。
34.根据权利要求33所述的红外传感器，其中：第一附加层或附加层组和第二附加层或附加层组分别包括两部分，其中所述总共四个部分分别按照第一附加层或附加层组的第一部分、第一附加层或附加层组的第二部分、第二附加层或附加层组的第一部分以及第二附加层或附加层组的第二部分的顺序粘合在臂身上，其中第一附加层或附加层组的第一部分与第二附加层或附加层组的第二部分位于臂身的同侧表面上，第一附加层或附加层组的第二部分与第二附加层或附加层组的第一部分位于臂身的与所述同侧表面相反的另一同侧表面上。
35.一种针对一个范围的波长的光的传感器，用于探测该范围的波长的光，其中，该范围的波长的光的波长范围在红外光之外，所述传感器包括：第一膜层结构；第二膜层结构；形成于所述第一膜层结构和所述第二膜层结构之间的空隙；其中：参照光从所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中的一个膜层结构入射，一部份参照光反射，一部份参照光从另一膜层结构透射出来；当所述空隙距离变化时，从所述另一膜层结构透射出的参照光的强度发生变化，而且所述反射回来的参照光的强度发生变化；并且其中：当该范围的波长的光入射时，所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中的至少一个膜层结构吸收该范围的波长的光而导致所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中的所述至少一个膜层结构的温度发生变化，从而导致所述空隙的距离发生变化；通过探测从所述另一膜层结构透射出的参照光的强度的变化或者通过探测所述反射回来的参照光的强度的变化，从而测量到该范围的波长的光。
36.根据权利要求2-13任一个所述的红外传感器，其中所述衬底上包含其它器件或电路。
37.根据权利要求2-13任一个所述的红外传感器，其中所述衬底是CMOS或CCD成像器件和电路。
38.一种盲元，用于感测器件环境温度，所述盲元包括：衬底，位于衬底上的第一膜层结构，位于第一膜层结构上的介质，以及在介质之上的第二膜层结构，所述第一膜层结构、所述介质以及所述第二膜层结构共同构成干涉仪；其中：当红外线入射所述干涉仪时，所述干涉仪的温度不因此而变化或变化很小，所述介质的折射率不发生变化；当环境温度变化时，所述介质的折射率发生变化，导致从所述第一膜层结构或第二膜层结构透射出的参照光的强度发生变化，而且从所述第一膜层结构或第二膜层结构反射回来的参照光的强度发生变化；通过探测从所述第一膜层结构或第二膜层结构透射出的参照光的强度的变化或者探测所述反射回来的参照光的强度的变化，从而测量到器件环境温度。
39.根据权利要求38所述的盲元，所述干涉仪通过支撑机构与衬底连接，所述支撑机构具有高热导。
40.根据权利要求38所述的盲元，所述干涉仪上、下或中间有红外反射膜层。
41.一种盲元，用于感测器件环境温度，所述盲元包括：
衬底；第一膜层结构；第二膜层结构；形成于所述第一膜层结构和所述第二膜层结构之间的空隙；其中：参照光从所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中的一个膜层结构入射，从另一膜层结构透射出来；当所述空隙变化时，从所述另一膜层结构透射出的参照光的强度发生变化；当红外线入射所述第一膜层结构和所述第二膜层结构时，所述第一膜层结构和所述第二膜层结构之间的空隙不发生变化；并且其中：当环境温度变化时，所述空隙的距离发生变化，从所述第一膜层结构或第二膜层结构透射出的参照光的强度发生变化，而且从所述第一膜层结构或第二膜层结构反射回来的参照光的强度发生变化；通过探测从所述第二膜层结构透射出的参照光的强度的变化或者探测所述反射回来的参照光的强度的变化，从而测量到器件环境温度。
42.根据权利要求41所述的盲元，还包括：一个或多个支撑机构，用于将所述第一膜层结构或所述第二膜层结构支撑于衬底上、或者用于将所述第一膜层结构和所述第二膜层结构支撑于衬底上，以保持所述第一膜层结构与所述第二膜层结构之间具有所述空隙。
43.根据权利要求42所述的盲元，其中：所述支撑机构具有：臂身，其一端与所述第一膜层结构和第二膜层结构中的其中一层相连接，另一端连接到所述衬底上或者连接到所述第一膜层结构和第二膜层结构中的另一膜层结构上，或其他支撑机构上；附加层，所述附加层被结合在所述臂身上。
44.根据权利要求43所述的盲元，其中：所述臂身由具有第一热膨胀系数的材料或材料组合构成；所述附加层由具有第二热膨胀系数的材料或材料组合构成，其中：第一热膨胀系数与第二热膨胀系数不同。
45.根据权利要求39，42-44任一个所述的盲元，其中，所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中靠近入射红外线的那一膜层结构是红外反射膜，或者在所述第一膜层结构和所述第二膜层结构中靠近入射红外线的那一膜层结构的上表面或下表面或层间有红外反射膜。
46.根据权利要求45所述的盲元，其中，所述红外反射膜是透明导电材料。
47.一种焦平面阵列，包括如权利要求1-37中任何一种或多种所述红外传感器的排列。
48.一种焦平面阵列，包括如权利要求41-46中任何一个所述的盲元。
49.根据权利要求48所述的焦平面阵列，还包括如权利要求1-37中任何一种或多种所述红外传感器，其中所述盲元的支撑机构的热导大于在同一焦平面上的所述红外传感器的第一支撑机构或第二支撑机构的热导。
50.根据权利要求48所述的焦平面阵列，还包括如权利要求1-37中任何一种或多种所述红外传感器，其中所述盲元的所述支撑机构的横截面积大于在同一焦平面上的所述红外传感器的所述第一支撑机构或所述第二支撑机构的横截面积，或者所述支撑机构短于在同一焦平面上的所述红外传感器的所述第一支撑机构或所述第二支撑机构，或者所述支撑机构的臂身数量多于在同一焦平面上的所述红外传感器的所述第一支撑机构或所述第二支撑机构的臂身数量。
51.一种红外成像系统，包括：参照光光源；如权利要求47-50任一个所述的焦平面阵列；以及检测器，用于检测参照光的读出光波光强。
52.根据权利要求51所述的红外成像系统，其中参照光光源是发光二极管。
53.根据权利要求52所述的红外成像系统，其中检测器是CCD或CMOS成像芯片。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109313080A (zh) * 2016-06-30 2019-02-05 罗伯特·博世有限公司 用于无接触式确定温度的方法以及红外测量系统

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102564601A (zh) * 2010-12-22 2012-07-11 精工爱普生株式会社 热式光检测装置、电子设备、热式光检测器及其制造方法
KR101922119B1 (ko) 2011-12-22 2019-02-14 삼성전자주식회사 적외선 검출기 및 이를 사용하는 적외선 검출 방법
JP5900085B2 (ja) * 2012-03-26 2016-04-06 株式会社豊田中央研究所 赤外線検出装置
US9427776B2 (en) 2012-08-23 2016-08-30 Raytheon Company Method of stress relief in anti-reflective coated cap wafers for wafer level packaged infrared focal plane arrays
CN103413814B (zh) * 2013-07-30 2015-07-29 中国科学院上海技术物理研究所 红外焦平面器件高密度微细铟柱端面整平的制备方法
CN104649213B (zh) * 2013-11-19 2016-04-13 上海巨哥电子科技有限公司 一种微桥结构及其制备方法
US20150226613A1 (en) * 2014-02-07 2015-08-13 Raytheon Company Imaging device with shutterless non-uniformity correction
CN106323475B (zh) * 2015-06-30 2019-10-25 青岛海尔智能技术研发有限公司 实现红外阵列传感器分辨率可调的方法及装置
US10345154B2 (en) * 2015-07-17 2019-07-09 Melexis Technologies Nv Infrared sensing devices and methods
GB201512492D0 (en) * 2015-07-17 2015-08-19 Melexis Technologies Nv Infrared sensing devices and methods
KR102231784B1 (ko) * 2015-08-24 2021-03-23 삼성전자주식회사 시료 분석을 위한 레퍼런스 스펙트럼 측정 장치 및 방법, 시료 분석 장치 및 방법
US9857223B2 (en) * 2015-11-20 2018-01-02 Raytheon Company Proximity focus imaging interferometer
US10359316B1 (en) * 2016-06-08 2019-07-23 Nutech Ventures, Inc. Fiber optic bolometer
DE102016211829A1 (de) * 2016-06-30 2018-01-04 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur kontaktfreien Ermittlung einer Temperatur sowie Infrarot-Messsystem
CN106327474B (zh) * 2016-08-25 2019-03-22 上海航天控制技术研究所 一种自动在线盲元检测方法
CN106932434A (zh) * 2017-03-03 2017-07-07 武汉科技大学 一种纳米成像技术测量样品的导热系数的方法
NL2020548A (en) 2017-04-12 2018-10-17 Asml Netherlands Bv Mirror Array
CN109596220A (zh) * 2018-11-30 2019-04-09 北京科易达知识产权服务有限公司 一种红外热传感芯片
CN112304441B (zh) * 2020-11-13 2023-11-07 武汉汉源既济电力有限公司 一种电缆沟消防自动检测方法
CN113432724B (zh) * 2021-06-25 2023-03-24 北京北方高业科技有限公司 一种非制冷调谐型红外探测器
CN114335202A (zh) * 2021-11-30 2022-04-12 北京理工大学 红外感光元件的制备方法、红外感光元件及红外光谱仪
TWI824423B (zh) * 2022-02-25 2023-12-01 鴻海精密工業股份有限公司 浮橋結構及紅外線感測裝置

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6583416B1 (en) * 1999-11-15 2003-06-24 Sarnoff Corporation Uncooled IR detector array having improved temperature stability and reduced fixed pattern noise
WO2001063232A1 (en) * 2000-02-24 2001-08-30 University Of Virginia Patent Foundation High sensitivity infrared sensing apparatus and related method thereof
CN1200267C (zh) 2001-12-20 2005-05-04 财团法人工业技术研究院 红外光转换可见光的显微影像装置
US6770882B2 (en) * 2002-01-14 2004-08-03 Multispectral Imaging, Inc. Micromachined pyro-optical structure
AU2002950739A0 (en) * 2002-08-13 2002-09-12 The University Of Western Australia A resonant cavity enhanced device and a method for fabricating same
US20050082480A1 (en) 2003-08-26 2005-04-21 Aegis Semiconductor, Inc. Infrared camera system
CN2703328Y (zh) 2003-12-31 2005-06-01 中国科学技术大学 光－机械式微梁阵列热型红外图象传感器
US7402803B1 (en) 2005-06-07 2008-07-22 Redshift Systems Corporation Pixel architecture for thermal imaging system
CN100595534C (zh) 2005-06-15 2010-03-24 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 室温法布里-珀罗红外探测器阵列及其制作方法
CN1904568A (zh) 2005-07-28 2007-01-31 中国科学院微电子研究所 光－机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列
WO2007098134A1 (en) 2006-02-21 2007-08-30 Redshift Systems Corporation Thermo-optic system employing self reference
US7522328B2 (en) 2006-10-13 2009-04-21 Redshift Systems Corporation Thermally controlled spatial light modulator using phase modulation
US20090159798A1 (en) 2007-12-20 2009-06-25 Daylight Solutions, Inc. Gas imaging system
US7848382B2 (en) 2008-01-17 2010-12-07 Daylight Solutions, Inc. Laser source that generates a plurality of alternative wavelength output beams

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109313080A (zh) * 2016-06-30 2019-02-05 罗伯特·博世有限公司 用于无接触式确定温度的方法以及红外测量系统
CN109313080B (zh) * 2016-06-30 2021-10-12 罗伯特·博世有限公司 用于无接触式确定温度的方法以及红外测量系统

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Publication number Publication date
US8143577B2 (en) 2012-03-27
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US20120138797A1 (en) 2012-06-07
US8357901B2 (en) 2013-01-22
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