CN102495450B - 一种光纤阵列动态红外场景生成装置的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤阵列动态红外场景生成装置的制作方法，属于动态红外场景生成技术领域。本方法利用MEMS工艺在硅片或者玻璃片上制作光纤阵列，同时在光纤阵列顶端制作可见光吸收红外辐射层，该方法的操作步骤包括：衬底的选择和清洗，光纤阵列刻蚀基础层制作，可见光吸收红外辐射层制作，金属刻蚀掩膜层制作，光刻刻蚀图形，金属掩膜层图形制作，清除金属掩膜板图形间距处可见光吸收红外辐射层材料，光纤阵列刻蚀基础层刻蚀，去除残留金属掩膜层以及装置制作的收尾步骤。本发明方法操作简单，制作工艺成熟，设计参数制作精确，具有很好的应用前景。

Description

一种光纤阵列动态红外场景生成装置的制作方法

技术领域

本发明涉及一种光纤阵列动态红外场景生成装置的制作方法，属于动态红外场景生成技术领域。 

背景技术

红外场景产生技术是红外成像制导半实物仿真系统的核心技术，对红外成像制导技术半实物系统仿真有及其重要的作用。动态红外场景产生技术在实验室条件下模拟目标和背景的红外辐射特性，为被测试的红外图像传感器提供实时红外目标和背景的红外图像源。 

动态红外图像生成技术可归纳为直接辐射型和辐射调制型两种类型。 

对于直接辐射型图像转换器来说，其成像像元自身产生辐射，辐射强度由计算机图像生成系统控制，主要转换器件有电阻阵列、激光二极管阵列、红外阴极射线管、Bly元件和基于光纤的红外图像生成器等。 

对于辐射调制型图像转换器来说，其实际上是空间光调制器，计算机图像生成系统控制对器件的读出光进行空间强度调制，主要转换器件有液晶光阀、数字微镜器件(DMD)、薄膜空间光调制器等。 

在上述这些转换器件中，液晶光阀、Bly元件、电阻阵列、数字微镜器件(DMD)和激光二极管阵列在红外图像系统半实物仿真试验中得到实际应用。 

电阻阵列通过电阻单元内的控制电路控制流过每个电阻的电流就可以控制每个电阻的温度，从而达到显示红外图像的目的。但是，硅桥电阻阵列的缺陷是像元尺寸大，占空比低，难以发展较大尺寸的电阻阵列，空间分辨率低。 

数字微镜器件(DMD)的每个像素点就是一个微小镜片，每个镜片都可以通过电路控制偏转来调整反射光线的强弱。基于数字微镜器件(DMD)技术的红外场景产生器件在最近几年得到了迅猛发展，目前报道的最高分辨率已经达到了1920×1080[17]。该红外图像发生器优点是可以对较宽光谱的读出光进行调制，生成图像对比度高，技术成熟且已经有了广泛的应用，但它加工工艺相当复杂，这阻碍了它的进一步发展。 

Bly元件是一种镀金黑的薄膜，它吸收可见光图像的辐射，引起薄膜发 热，金黑薄膜上产生与可见光图像相对应的红外图像。薄膜越薄响应速度越快，但是薄膜太薄(20～200nm)时机械性能就很差，不能做成大面积，因此空间分辨率低；通常不能承受500K以上的温度。 

基于光纤的红外图像生成器是将光纤做成光纤束，然后将光纤束切成需要的面板形式并固定于玻璃基板上，最后在光纤端面制作可见光吸收膜层和红外发射膜层。基于光纤的红外图像生成器的工作原理和Bly cell相同，只是用光纤做“空间采样”从而提高了空间分辨率，但是玻璃基板的制冷效果差影响了转换图像质量，且其制作工艺复杂，制作过程可控性差。 

发明内容

本发明提出一种光纤阵列动态红外场景生成装置的制作方法，该方法利用MEMS工艺在衬底上制作光纤阵列并在光纤阵列的每个像素立柱顶端形成可见光吸收红外辐射层；利用本发明方法制作的动态红外场景生成装置克服了现有技术中基于光纤的红外图像生成器制作工艺复杂，制作过程可控性差且制作工艺复杂问题。 

本发明方法是通过下述技术方案实现的： 

一种光纤阵列动态红外场景生成装置的制作方法，其具体实施过程如下： 

步骤一、选择衬底； 

衬底的材料根据光路设计和需要生成的红外动态场景的性能指标来选定，若设计的光路需要透过衬底则衬底材料必须为透光材料；若需要生成的红外动态场景的背景温度要求低(低于室温20℃)或者需要生成的红外动态场景的帧频大于50Hz则选用不透光材料硅为衬底。 

衬底大小根据实际使用需要确定； 

衬底的厚度根据需要生成的红外动态场景的温度分辨率确定：需要生成的红外图像的温度分辨率越高，设计的衬底的厚度越大。 

步骤二、清洗衬底操作面； 

依次使用超声波、丙酮、乙醇和去离子水清洗衬底操作面。 

步骤三、制作光纤阵列刻蚀基础层； 

在清洗后的衬底操作面上制作光纤阵列的刻蚀基础层。 

光纤阵列刻蚀基础层的材料根据光路设计来选定，如果光路需要透过衬底和光纤阵列则必须为透光材料，否则可以选择透光材料也可以选择使用不透明材料，但是选择的材料必须适合利用MEMS工艺制作光纤阵列。 

步骤四、制作可见光吸收红外辐射层； 

在制作完成的光纤阵列刻蚀基础层上制作可见光吸收红外辐射层。 

可见光吸收红外辐射层的材料具有可见光吸收和红外辐射性能，适合后续的MEMS加工工艺，不会在加工中被破坏，并且有足够的表面光滑度；优选为金属黑膜、碳化胶层等材料。 

步骤五、制作金属刻蚀掩膜层； 

光纤阵列的刻蚀成型需要用金属作为掩膜层，所以在可见光吸收红外辐射层的上方制作刻蚀掩膜层。 

金属掩膜层的材料需避免在后续加工和去除过程中与其他工艺冲突。 

金属掩膜层的厚度与光纤阵列的刻蚀深度有关，和在采用的刻蚀工艺下光纤阵列刻蚀基础层材料与金属掩膜层材料的损耗比有关。损耗比越大，金属掩膜层厚度越小。 

步骤六、光刻刻蚀图形； 

利用光刻工艺将需要刻蚀的光纤阵列图形制作在金属掩膜板上。 

光刻的工艺包括：旋涂光刻胶、光刻胶前烘、曝光、显影、光刻胶后烘。 

步骤七、制作金属掩膜层图形； 

将形成在金属掩膜板上的需要刻蚀的光刻图像转移到金属掩膜层上。 

选择的图形转移工艺与金属掩膜层的材料有关。 

步骤八、刻蚀金属掩膜层图像间距处可见光吸收红外辐射层材料； 

去除刻蚀金属掩膜板图像间距处可见光吸收红外辐射层材料选择的工艺要根据可见光吸收红外辐射层材料和金属掩膜层的材料确定。 

步骤九、刻蚀光纤阵列刻蚀基础层； 

刻蚀光纤阵列刻蚀基础层，使金属掩膜板上的图形转移到光纤阵列刻蚀基础层上。

刻蚀工艺的选择要考虑光纤阵列刻蚀基础层的材料和金属掩膜层材料，并不会破坏可见光吸收红外辐射层。 

刻蚀工艺的参数要保证刻蚀时光纤阵列每个像素的陡直性，以及刻蚀过 程中的侧向等可能影响图形转移的因素。 

步骤十、去除残留金属掩膜层； 

完成光纤阵列刻蚀后，金属掩膜层会有残留，要去除残留的金属，去除的工艺根据金属的材料和其余部分的材料确定。 

步骤十一、装置后处理； 

去除残留金属掩膜层之后，装置已经成型，但根据设计的工艺不同，可能还有剩余工艺需要处理，如可见光吸收红外辐射层后处理、装置烘干处理、装置包装固定处理等。 

完成收尾步骤后，装置制作完成。 

有益效果 

本发明提出的一种基于MEMS工艺的光纤阵列动态红外场景生成装置，对比已有技术，具有以下有益效果： 

1)可以选取透明玻璃和硅两种材料作为衬底，方便了光路设计。 

2)光纤阵列刻蚀层的材料根据需要可以选择，使结构更具灵活性。 

3)利用MEMS工艺制作，制作工艺成熟，参数控制精确，使得设计结构参数和成品装置能够很好的吻合。 

附图说明

图1为本发明实施方式的步骤示意图； 

图2装置完成后的示意图。 

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明方法的实施方式做进一步详细说明。 

一种光纤阵列动态红外场景生成装置的制作方法，其步骤如图1所示，具体包括： 

步骤一、选择衬底； 

装置应用光路采用反射式光路，且帧频要求为100Hz，所以选择硅作为衬底材料，单面抛光。 

衬底的大小为2寸，厚度为0.3mm。 

步骤二、清洗衬底抛光面； 

依次使用超声波、丙酮、乙醇和去离子水清洗硅衬底抛光面。 

步骤三、制作光纤阵列刻蚀基础层； 

在清洗后的硅衬底抛光面上制作光纤阵列的刻蚀基础层。 

刻蚀基础层材料选择使用聚酰亚胺。聚酰亚胺原材料为液态，使用旋涂法将聚酰亚胺原材料旋涂于衬底抛光面上，并通过加热使得聚酰亚胺完全亚胺化，形成固态的聚酰亚胺层。 

具体的操作参数为：将衬底固定在匀胶台上，将40％浓度聚酰亚胺滴在衬底抛光面上，匀胶台转速为3000r/min，时间为30s，然后将旋涂聚酰亚胺的衬底取下放置在烘胶台上用100℃烘20分钟，使得聚酰亚胺稍固化后再将衬底放置在匀胶台上重复旋涂聚酰亚胺的过程3遍，最后将衬底放置在烘胶台上进行阶梯升温，用100℃烘30分钟，150℃烘20分钟，200℃烘30分钟，使聚酰亚胺完全亚胺化后，刻蚀基础层制作完成，厚度为35μm。 

步骤四、制作可见光吸收红外辐射层； 

在制作完成的光纤阵列刻蚀基础层上制作可见光吸收红外辐射层。 

可见光吸收红外辐射层的材料选择为碳化胶，将胶旋涂于刻蚀基础层上，然后在烘胶台上用150℃烘15分钟，再利用离子束刻蚀机(IBE)对胶层进行轻碳化，碳化程度不能太小，否则在后续制作中会被侧向腐蚀，碳化程度也不能太大，否则在步骤八去除金属掩膜层图形间距的胶时将无法进行。 

具体利用离子束刻蚀机(IBE)轻碳化胶层的参数为：通入Ar气流量为3.5sccm，压强调整为0.5P，离子束流为80mA，电子束流50mA，时间为8分钟。 

步骤五、制作金属刻蚀掩膜层； 

光纤阵列的刻蚀成型需要用金属作为掩膜层，所以在可见光吸收红外辐射层的上方制作金属刻蚀掩膜层。 

金属刻蚀掩膜层的材料选择为铬，利用磁控溅射工艺制作，厚度为0.7μm。 

步骤六、光刻刻蚀图形； 

光刻的工艺包括：旋涂光刻胶、光刻胶前烘、曝光、显影、光刻胶后烘，光刻图像大小为15μm×15μm，图像间距为5μm。 

步骤七、制作金属掩膜层图形； 

在光刻完后，需要刻蚀的图像形成在了金属掩膜板上，然后要将光刻图形转移到金属掩膜层上。 

利用离子束刻蚀机(IBE)将光刻图形转移到金属刻蚀掩膜层上，形成金属掩膜层图形。 

步骤八、去除金属掩膜层图形间距的胶； 

利用除胶机机去除金属掩膜层图形间距的胶。 

步骤九、刻蚀光纤阵列刻蚀基础层，形成光纤阵列； 

刻蚀光纤阵列刻蚀基础层，使金属掩膜板上的图形转移到光纤阵列刻蚀基础层上，形成光纤阵列。 

利用反应离子刻蚀机(RIE)进行刻蚀，刻蚀时要保证光纤阵列每个像素的陡直性。 

步骤十、去除残留金属掩膜层； 

完成光纤阵列刻蚀后，金属掩膜层会有残留，用铬腐蚀液去除残留的金属掩膜层，腐蚀完毕后要将装置烘干。 

步骤十一、装置后处理； 

去除残留金属掩膜层之后，装置已经成型，但可见光吸收红外辐射层的碳化程度还不够，所以在最后利用反应离子刻蚀机(RIE)，对可见光吸收红外辐射层进行深度碳化。 

具体操作参数为：通入Ar气100sccm，压力控制为5P，用400W功率将可见光吸收红外辐射层轰击3分钟，然后用450W轰击4分钟，最后用500W轰击3分钟。 

完成收尾步骤后，装置制作完成。 

利用本制作参数制作完成的光纤阵列动态红外场景生成装置如图2所示，其像素大小为20μm，分辨率达到了1280×1024，最高温度为60℃，帧频为100Hz，空间均匀性为95％。 

Claims (2)

1.一种光纤阵列动态红外场景生成装置的制作方法，其特征在于：具体实施过程如下：

步骤一、选择衬底；若设计的光路需要透过衬底则衬底材料为透光材料；若需要生成的红外动态场景的背景温度要求低于室温20℃或者帧频大于50Hz，则选用不透光材料硅为衬底；衬底的大小为2寸，厚度为0.3mm；

步骤二、依次使用超声波、丙酮、乙醇和去离子水清洗衬底操作面；

步骤三、在清洗后的衬底操作面上制作光纤阵列刻蚀基础层；

刻蚀基础层材料选用聚酰亚胺；使用旋涂法将聚酰亚胺原材料旋涂于衬底抛光面上，并通过加热使得聚酰亚胺完全亚胺化，形成固态的聚酰亚胺层；具体的操作参数为：将衬底固定在匀胶台上，将40%浓度聚酰亚胺滴在衬底抛光面上，匀胶台转速为3000r/min，时间为30s，然后将旋涂聚酰亚胺的衬底取下放置在烘胶台上用100℃烘20分钟，使得聚酰亚胺稍固化后再将衬底放置在匀胶台上重复旋涂聚酰亚胺的过程3遍，最后将衬底放置在烘胶台上进行阶梯升温，用100℃烘30分钟，150℃烘20分钟，200℃烘30分钟，使聚酰亚胺完全亚胺化后，刻蚀基础层制作完成，厚度为35μm；

步骤四、在光纤阵列刻蚀基础层上制作可见光吸收红外辐射层；

可见光吸收红外辐射层的材料为碳化胶或金属黑膜，将胶旋涂于刻蚀基础层上，然后在烘胶台上用150℃烘15分钟，再利用离子束刻蚀机对胶层进行轻碳化；

所述利用离子束刻蚀机轻碳化胶层的具体参数为：通入Ar气流量为3.5sccm，压强调整为0.5P，离子束流为80mA，电子束流50mA，时间为8分钟；

步骤五、在可见光吸收红外辐射层上方制作金属掩膜层；金属掩膜层的材料为铬，利用磁控溅射工艺制作；

步骤六、利用光刻工艺将需要刻蚀的光纤阵列图形制作在金属掩膜层上；

步骤七、利用离子束刻蚀机将步骤六的刻蚀图形转移到金属掩膜层上，形成金属掩膜层图形；

步骤八、刻蚀金属掩膜层图形间距处可见光吸收红外辐射层材料；

步骤九、利用反应离子刻蚀机刻蚀光纤阵列刻蚀基础层，使金属掩膜层上的图形转移到光纤阵列刻蚀基础层上，形成光纤阵列，刻蚀过程中光纤阵列每个像素具陡直性；

步骤十、用铬腐蚀液去除残留金属掩膜层，腐蚀完毕后将装置烘干；

步骤十一、装置后处理；利用反应离子刻蚀机对可见光吸收红外辐射层进行深度碳化；具体操作参数为：通入Ar气100sccm，压力控制为5P，用400W功率将可见光吸收红外辐射层轰击3分钟，然后用450W轰击4分钟，最后用500W轰击3分钟；

完成收尾步骤后，装置制作完成，像素大小为20μm，分辨率为1280×1024，最高温度为60℃，帧频为100Hz，空间均匀性为95%。

2.根据权利要求1所述的一种光纤阵列动态红外场景生成装置的制作方法，其特征在于：需要生成的红外图像的温度分辨率越高，衬底的厚度越大。

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