CN102435319A

CN102435319A - 一种非致冷红外探测器

Info

Publication number: CN102435319A
Application number: CN2011102889435A
Authority: CN
Inventors: 王军; 蒋亚东; 吴志明; 简祺霞; 俞磊
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明公开了一种非致冷红外探测器，包括红外窗口、具有微桥单元结构的探测像元阵列，所述红外窗口为多个微凸透镜单元或菲涅尔透镜单元组成的微透镜阵列，该微透镜阵列与探测像元阵列的间距设置为使入射的红外光线能会聚到探测像元阵列的微桥单元桥面范围以内。本发明的红外窗口具有微凸透镜阵列或菲涅尔透镜阵列结构，光线通过后会聚到探测器像元阵列的桥面上，这种结构具有更大的光学填充因子，为探测器更小尺寸探测单元及高灵敏度的设计与制备提供了有力支持；相对于双层微桥单元结构，不会增加探测单元的制备工艺。

Description

一种非致冷红外探测器

技术领域

本发明涉及红外热成像技术领域，具体涉及一种具有微凸透镜阵列结构的非制冷红外探测器。

背景技术

夜视技术是利用夜间天空辐射对目标的照射，或利用地球表面景物的自身热辐射，借助科学仪器观察可见光波段以外的景物图像的技术，其核心技术为传感器技术。已知的手段有主被动红外成像、合成孔径雷达、毫米波雷达等，目前夜视成像器材主要有热成像与微光两类成像器材。

红外热成像技术是以接收景物自身各部分辐射的红外线来进行探测，利用景物自身各部分辐射的差异获得图像的细节，其实质是一种波长转换技术，即把红外辐射图像转换为可视图像的技术，同时，由大气透红外性质和目标自身辐射所决定，红外热成像技术通常采用3～5μm 和8～14μm 两个波段内工作。

目前，红外探测器通常被分为三代：

第一代以分立型为主，元数在103 元以下。有线列和小面阵结构，代表产品有：美国的60元、120元、180 元光导HgCdTe 器件；法国5×11 元光伏HgCdTe 器件；英国4 条(或8 条)扫积型HgCdTe 器件等；

第二代为扫描型和凝视型焦平面结构，在美国出现LADAⅠ、LADAⅡ、LADAⅢ型阵列应用的基础上发展起来的焦平面阵列，规模在10³～10⁶元，其代表产品有4×240 元，4×480元和256×256元，320×240元等；

第三代以凝视型为主，规模在106 元以上，且强调双波长(双色)或多波长(多色)响应和更强的智能化逻辑处理功能，以及价格较低的非致冷焦平面阵列等。

30多年来，红外探测器技术经历了第一代向第二代的演变，目前，正在由第二代阵列技术向第三代微型化高密度和高性能红外焦平面阵列技术的方向发展。国内外各有关公司厂家研究机构着眼于未来的市场需求，现已把注意力转向第三代红外焦平面阵列探测器的发展上。

非致冷微测辐射热计是目前研究的热点，而其中探测器结构设计是提高探测器探测性能和稳定性的关键。目前流行的探测单元结构主要是Honeywell公司提出的单层微桥结构，该微桥具有一层牺牲层，释放后使得微桥悬空，仅靠桥腿与衬底连接，大幅降低了探测单元的热导，提高了探测性能。而随后一些红外探测器研发机构，如美国Raytheon公司、BAE Systems公司、法国ULIS公司、加拿大INO公司、日本NEC公司等的相关专利中都有采用了该种结构的微桥单元探测器。随着探测单元的缩小，由50μm单元尺寸缩小到35μm，再缩小到25μm甚至17μm，这种具有两只细长支撑腿的微桥结构很难保证探测性能。因为两只细长的支撑腿不能缺少，但是占用了较大的面积，探测单元中桥面的占空比降低。为了提高单元的占空比，在探测单元面积缩小的情况下保持器件探测性能，Raytheon公司设计了一种隐藏桥腿的双层微桥单元结构，该结构大幅提高了探测单元的占空比。Indigo公司报道了顶层为敏感层结构的双牺牲层探测结构，NEC公司报道了边缘增加吸收层的微桥结构。双层结构能够较好的提升探测单元的占空比，但是均需要制作双牺牲层，显著增加了工艺流程和工艺步骤，同时对器件电学连通和机械支撑性能提出了更高的要求。因此，需要研发一种既能提高探测单元占空比，又不增加探测单元制备工艺的方法。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种具有微透镜阵列结构的非致冷红外探测器，在现有的非致冷红外探测器中的微桥单元结构缩小的情况下，既能提高探测器探测单元的占空比，又不增加探测单元制备工艺过程。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种非致冷红外探测器，包括红外窗口、具有微桥单元结构的探测像元阵列，所述红外窗口为多个微凸透镜单元或菲涅尔透镜单元组成的微透镜阵列，该微透镜阵列与探测像元阵列的间距设置为使入射的红外光线能会聚到探测像元阵列的微桥单元桥面范围以内。

进一步地，所述微凸透镜单元或菲涅尔透镜单元由多个衬底和设于衬底表面的微凸透镜单元薄膜或菲涅尔透镜单元薄膜构成。

进一步地，所述微透镜阵列由透红外材料或透红外的聚合物材料制成。

进一步地，所述探测像元阵列上的探测像元单元和与其相对应的微透镜阵列上的微凸透镜单元或菲涅尔透镜单元尺寸大小一致。

进一步地，微透镜阵列上镀有探测器工作波段的增透膜层。

进一步地，所述的透红外材料为Ge、硅、ZnSe、ZnS、GaAs、GaP、金刚石、蓝宝石、MgF4、尖晶石单晶或多晶体。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：红外窗口具有微凸透镜阵列结构或菲涅尔透镜阵列结构，对红外光线具有汇聚作用，光线通过红外窗口后会聚到探测器像元阵列的桥面结构上，这种探测器结构具有更大的光学填充因子，为非致冷红外探测器更小尺寸探测单元及高灵敏度的设计与制备提供了有力支持；相对于双层微桥单元结构，在提升探测单元占空比的情况下不会增加探测单元的制备工艺。

附图说明

图1为现有的非制冷红外探测器结构示意图；

图2为本发明红外窗口和探测像元单元结构示意图；

图3为本发明实施例一的结构示意图；

图4为本发明实施例二的结构示意图。

其中，10、入射光线，20、红外窗口，30、真空腔，40、外壳，50、探测像元阵列，51、桥面，52、衬底电路，53、桥腿，54、桥墩，90、出射光线。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图1，现有的非致冷红外探测器，包括具有微桥单元结构的探测像元阵列50，所述探测像元阵列50由桥面51、桥腿53、桥墩54组成的微桥单元结构和衬底电路52构成，所述桥墩54固定在衬底电路52上，桥腿53固定于桥墩54上，桥面51固定与桥腿53上，还包括红外窗口20，其中，所述探测像元阵列50固定在设于封装外壳40内底面上的基板70上，且探测像元阵列50的引脚与封装外壳40的引出脚用引线60相连接，所述红外窗口20位于封装外壳40的顶部，与封装外壳40进行密闭封接，对封装外壳40的抽气孔抽气，然后夹断排气孔，形成真空腔30。

对于封装外壳40内部的真空密封好坏对器件性能有着重要的影响，甚至决定着器件是否能正常工作，它是通过封装形成高气密性真空环境的密封腔体的封装技术，使器件工作于真空环境中。封装的高真空有利于减小气体热传导，提高探测器的敏感度，极大地提高了这些MEMS（微电机系统）器件的品质因子。因此在进行封装时应在保证器件性能的前提下，尽可能地简化结构，降低成本，提高封装工艺的可靠性。

实施例一：

参见图2~图3，本发明的红外窗口20为具有光汇聚作用的微透镜阵列结构，优选为由微凸透镜单元组成的具有光汇聚作用的微透镜阵列结构，由红外窗口材料锗片直接加工制成，即直接将锗片表面加工成规则排列的微透镜阵列结构；加工步骤为：采用普通的光刻方法将锗片进行图形化，然后采用过氧化氢和氢氧化钠混合溶液进行锗片的腐蚀，腐蚀过程中由于侧向腐蚀，图形断面呈现倾斜的斜面，形成微透镜形状，腐蚀完成后去胶清洗，形成表面具有简单微透镜结构的红外窗口20。

所述红外窗口上微透镜的尺寸和探测像元尺寸大小一致，将红外窗口20与探测像元阵列50放置在合适的距离，使得光线10经具有微透镜阵列结构的红外窗口20后的出射光线90刚好会聚在探测器像元阵列50的微桥结构的桥面51上，而且桥腿53等部分没有被照射到；红外窗口20和探测像元阵列50的距离还可以是使得出射光线90汇聚在桥面51内的指定尺寸时的距离。

红外窗口20是探测器感光的光通道，通常在基体表面增镀探测器工作波段的增透膜层，其他波段杂散光尽可能截止。实施例选用的锗片窗口可以实现的波长范围较宽。将其装配焊接在封装外壳40上，且一定要保持两者的良好密闭性，因为红外窗口20的焊接质量直接影响封装的总漏率，漏率越高真空寿命越短。

探测像元阵列50是由标准的半导体工艺制备而成的，包括衬底电路52的设计与制备、清洗、PECVD、溅射、光刻、刻蚀、去胶等步骤，分别制备反射层、牺牲层、热敏层、微桥桥面等结构，制备完成后对探测单元的各项参数进行测试，选择合适的探测单元进行封装测试。将测试效果良好的探测像元阵列50固定在基板70上，并保持探测像元阵列50与顶部具有微透镜阵列的红外窗口20处于合适的距离。用引线60将探测像元阵列50的引脚与封装外壳40的引出脚连接好，并对封闭外壳40内抽真空以形成良好的真空环境。高温真空处理包括零部件阶段和封装超高真空排气处理，就是利用真空系统和加热烘烤至一定的高温条件，零件表面和内部放出的气体在真空系统中不断被真空泵抽走。

探测像元阵列50中的单元尺寸大小与微透镜阵列的单元尺寸及排列方式相同，且两者处于合适的距离，以保证入射光线经过微凸透镜后刚好会聚在探测器阵列的微桥结构的桥面51上，如图3所示。

实施例二：

如图4所示，所述红外窗口20为微透镜阵列结构，该微透镜阵列的单元由衬底21和表面微透镜阵列结构的微凸透镜单元薄膜或菲涅尔透镜单元薄膜22构成。衬底材料采用锗片，然后在表面制备ZnS薄膜。通过涂胶、光刻、显影、腐蚀的方法将ZnS薄膜制作成微透镜阵列形状，该透镜阵列对入射红外光起到会聚作用。这样就组成了一个具有微透镜阵列结构的红外窗口20。其余结构和制作步骤与实施例一相同。

本发明的红外窗口20采用Ge、硅、ZnSe、ZnS、GaAs、GaP、金刚石、蓝宝石、MgF4、尖晶石单晶或多晶体等透红外材料，或者采用透红外的聚合物材料制成，选择范围不仅仅局限于上述材料。

以上所述，仅是本发明的部分实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已经将较佳的实施例子揭露如上，也并非用以限定本发明，任何熟悉本器件的技术人员，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做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简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种非致冷红外探测器，包括红外窗口、具有微桥单元结构的探测像元阵列，其特征在于：所述红外窗口为多个微凸透镜单元或菲涅尔透镜单元组成的微透镜阵列，该微透镜阵列与探测像元阵列的间距设置为使入射的红外光线能会聚到探测像元阵列的微桥单元桥面范围以内。

2.根据权利要求1所述的非致冷红外探测器，其特征在于：所述微凸透镜单元或菲涅尔透镜单元由多个衬底和设于衬底表面的微凸透镜单元薄膜或菲涅尔透镜单元薄膜构成。

3.根据权利要求1或2所述的非致冷红外探测器，其特征在于：所述微透镜阵列由透红外材料或透红外的聚合物材料制成。

4.根据权利要求1或2所述的非致冷红外探测器，其特征在于：所述探测像元阵列上的探测像元单元和与其相对应的微透镜阵列上的微凸透镜单元或菲涅尔透镜单元尺寸大小一致。

5.根据权利要求4所述的非致冷红外探测器，其特征在于：微透镜阵列上镀有探测器工作波段的增透膜层。

6.根据权利要求3所述的非致冷红外探测器，其特征在于：所述的透红外材料为Ge、硅、ZnSe、ZnS、GaAs、GaP、金刚石、蓝宝石、MgF4、尖晶石单晶或多晶体。