CN103199097A - 一种像元结构及基于像元结构的非致冷红外焦平面探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种像元结构及基于像元结构的非致冷红外焦平面探测器，其像元结构包括：硅衬底、吸收单元、导电单元及用于将辐射光束汇聚射入硅衬底的聚光单元。其中，聚光单元固定于硅衬底下表面；硅衬底上表面中心部位设置有透光区域，透光区域且同一面靠近透光区域的外围部位设置有读出电路；导电单元的一端与吸收单元电连接，另一端与读出电路的接触电极电连接。吸收单元通过导电单元悬浮于硅衬底上表面。同时，本发明通过将集成有上述像元结构的第一基板、带有空腔及通孔阵列的第二基板键合固定构成非致冷红外焦平面探测器，实现了填充因子高达90%～100%，且具有热导更低、响应速度更快、制作工艺更加简单的特点。

Description

一种像元结构及基于像元结构的非致冷红外焦平面探测器

技术领域

本发明属于红外探测技术领域，特别涉及一种像元结构及基于像元结构的非致冷红外焦平面探测器。

背景技术

非致冷红外焦平面器件（IRFPA）是非致冷红外成像探测系统的核心部件，在红外波段和太赫兹（THz）波段成像领域有这广泛的用途。随着技术的进步和对成像性能要求的提高，IRFPA向着大阵列、小像元面积以及低功耗和高灵敏度的方向发展，目前的IRFPA的最高阵列数已达到1024×768,像元面积17×17μm²，进一步的努力正向着12×12μm²迈进。减小像元面积，可以缩小阵列器件的芯片面积，增加在晶圆上芯片个数，增加晶圆的良品率，减小单个器件的成本，同时面积的减小还有利于成像系统系统体积的减小和重量的减轻。

非致冷红外焦平面器件的探测部分由大量紧密排布的敏感像元组成，每个像元由含有敏感薄膜的红外吸收多层、信号读出电路以及连接红外吸收多层与读出电路的电极组成。一类成熟并商业化生产的非致冷红外焦平面器件是基于微测辐射热计原理，即红外辐射被红外吸收多层膜结构所吸收而产生热量导致温升，从而引起其中的热敏薄膜物理量如电阻等发生变化，读出电路寻址到该像素时，感知这种变化并以电信号形式读出。为了获得高的温升和快的响应速度，减少吸收的热量向外界的传导损失是必要的，故这种器件一般采用热隔离结构，将红外吸收多层悬浮于衬底之上，其与衬底的支撑和电连接依靠有限的窄细条状支撑腿承担，即形成悬浮微桥结构。最简单和传统的这种微桥像元结构如图1所示，硅衬底101上的读出电路110分别提供x和y方向寻址电极，两个悬空的支撑腿102使得红外吸收多层膜103悬浮于硅衬底101表面，红外辐射入射至红外吸收多层膜103，当被吸收时多层膜的温度上升，导致吸收多层膜103中热敏电阻薄膜的电阻发生变化而被外电路感知。典型的微桥结构若取图1的A-A截面观察有两种类型如图2-3所示。图2表示的红外吸收多层膜103代表一类较薄的膜系结构，如含有介质薄膜支撑层、红外敏感层和表面钝化层的多层膜系，其厚度一般在0.5μm左右，对红外辐射的单次吸收率较低。为了提高红外吸收率，这种器件结构常将悬浮的红外吸收层与硅衬底101上的金属反射层构成谐振腔，当腔长或悬浮高度满足λ/4n条件，其中λ为设计波长，n为腔体介质折射率，则可在设计波长附近获得高吸收率（>80%）。图3则代表另一类较厚的红外吸收多层膜103，吸收膜系本身在设计波长处具有谐振腔特性，因而可在设计波长附近获得高吸收率，这样对悬浮的高度就不需一致和精确的要求。比较两种类型，前者的优点在于吸收层较薄，热质量小，探测器响应快，但悬浮高度需精确控制；而后者吸收层厚，热质量大，探测响应慢，但对悬浮高度的控制无要求，若要维持小的热质量和响应时间，则只有减小吸收层面积。

随着像元面积的减小，每个像元吸收红外辐射的量将减少，红外响应度将下降。对于热敏电阻型红外探测器，器件响应率为：

其中α为敏感薄膜的电阻温度系数（TCR），β为像元填充因子，ε为红外吸收系数，A_d为敏感单元面积，V_det为探测器偏压，G_th为热导。由公式（1）可见，提高器件对红外辐射的响应率，有几条途径可以采用：

（1）提高热敏材料的电阻温度系数α；

（2）减小热导G_th；

（3）提高填充因子β；

（4）提高红外吸收效率。

其中(3)和(4)本质上是提高入射到每个像元的光学利用效率。一般认为在膜系材料、膜系结构参数以及最小可制备工艺尺寸一定的条件下，提高器件性能的最有效方法是减小器件热导。在高真空工作环境，空气介质导热和辐射导热相比于通过热隔离支撑腿102的导热可以忽略。故减少热导，主要是减少吸收层产生的热量通过悬浮的支撑腿102传导到衬底的能力。在支撑腿的材料参数一定的情况下，热导与支撑腿102的宽度成正比，与支撑腿102的长度成反比。支撑腿102的宽度尺寸受制于最小可制造工艺尺寸，故减小器件热导的可行途径是增加支撑腿长度102。对于图1的两层结构，隔离支撑腿102和红外吸收多层膜103几乎在同一平面，若增加腿长减小热导，势必占用更多的空间，填充因子将降低。故这种两层结构器件的热导和填充因子在结构上相互影响，难以同时优化。针对两层结构的问题，存在改进的三层结构，将热隔离和支撑作用的细长支撑腿隐藏于红外吸收层和衬底层之间，由于红外吸收层不用和支撑腿共平面，故填充因子大大提高。

大面阵小像元尺寸的焦平面器件的高速成像应用还要求进一步缩短每个像元的热响应时间。减小热导可以提高器件的响应率，但是将增加热时间常数τ，影响成像帧频。为了减小热时间常数，根据热时间常数公式τ＝C_th/G_th，需要同步或进一步减少热容C_th，即采用面积更小或薄的红外吸收层，而这样将会降低红外吸收效率。故红外响应率和热时间常数的要求是互相矛盾的，使用时需要折中考虑。上述的两层和三层结构技术，都要求吸收层的厚度较薄，以便保持小的热质量或热容，故不得不在红外吸收层和其下层之间形成光学谐振腔以增强某波段的吸收，或在吸收层表面沉积轻质量的高孔隙率黑金吸收薄膜。由此，器件的制备工艺更复杂，成品率也难以提高，同时还存在设备成本高，研发和生产投资大，开发周期长等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高填充因子和快响应速度的像元结构及基于像元结构的非致冷红外焦平面探测器。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种像元结构，包括：硅衬底、用于吸收光束的吸收单元、用于连接所述硅衬底与所述吸收单元的导电单元及用于将辐射光束汇聚射入所述硅衬底的聚光单元；所述硅衬底上表面中心部位设置有透光区域，且同一面靠近所述透光区域的外围部位设置有读出电路；所述导电单元的一端与所述吸收单元电连接，另一端与所述读出电路电连接；所述吸收单元通过所述导电单元悬浮于所述硅衬底上表面；所述聚光单元固定于所述硅衬底下表面。

进一步地，所述吸收单元是红外吸收多层膜；所述红外吸收多层膜内部设置有用于感应温度变化的红外敏感膜层；所述红外敏感膜层与所述导电单元一端电连接。

进一步地，所述导电单元是由用于起支撑作用的高机械强度介质膜及用于起导电作用的导电膜所组成的支撑腿；所述导电膜一端与所述红外敏感膜层电连接，另一端与所述读出电路接触电极电连接。

进一步地，所述聚光单元是具有凸折射面的折射微透镜；所述折射微透镜底部形状与所述硅衬底上表面像元形状相适配；所述折射微透镜通过底面固定于所述硅衬底下表面；所述折射微透镜的凸折射面上镀有滤光膜或减反膜或偏振膜。

进一步地，所述聚光单元是具有聚焦功能的衍射光学元件；所述衍射光学元件底部形状与所述硅衬底上表面像元形状相适配；所述衍射光学元件通过底面固定于所述硅衬底下表面，另一面镀有滤光膜或减反膜或偏振膜。

进一步地，所述硅衬底上表面设置的所述透光区域出口处还设置有对出射光线能够实现聚焦或准直或增透或滤波的微透镜。

进一步地，所述硅衬底是在中波红外波段透明的高阻单晶硅片；所述红外吸收多层膜面积小于所述透光区域中像元覆盖面积的三分之一。

一种基于像元结构的非致冷红外焦平面探测器，其特征在于，包括：第一基板、第二基板；所述第一基板一面的设置有至少一个所述透光区域，且同一面靠近所述透光区域的外围部位设置有所述读出电路，另一面设置有所述聚光单元；所述透光区域于所述第一基板一面呈阵列分布；所述聚光单元于所述第一基板另一面分布形状与所述透光区域中像元形状相适配；所述透光区域出口处设置有对出射光线能够实现聚焦或准直或增透或滤波的微透镜；所述第一基板设置有所述读出电路的一面涂覆有牺牲层；所述牺牲层上设置有所述红外吸收多层膜，且所述红外吸收多层膜通过导电电极与所述读出电路形成电回路；所述第二基板一面设置有与所述透光区域中像元面积相适配的空腔，另一面设置有贯穿所述空腔的通孔阵列；所述第一基板设置有所述读出电路的一面边缘部位与所述第二基板设置所述空腔的一面边缘部位通过金属电极焊盘键合固定，实现二者之间电互连；所述第一基板设置有所述读出电路的一面边缘部位处金属电极焊盘与其设置有所述聚光单元的一面边缘部位处金属电极焊盘通过硅穿孔填塞金属实现电连接。

进一步地，所述第一基板与所述第二基板面积相同或近似相同；所述第一基板边缘部位设置的金属电极焊盘与所述第二基板边缘部位设置的金属电极焊盘键合并实现电连接；外界信号引线从所述第一基板一侧的金属电极焊盘引出，与其另一侧的金属电极焊盘电连接；所述第一基板采用在中红外波段透明的高阻单晶硅片；所述第二基板是采用硅或玻璃或陶瓷制成的板状圆片。

进一步地，所述第一基板面积小于所述第二基板面积；所述第一基板边缘部位设置的金属电极焊盘与所述第二基板边缘部位设置的金属电极焊盘一一对应键合并实现电连接；所述第二基板通过未被所述第一基板覆盖的金属电极焊盘与外界信号引线连接；所述第一基板采用在中红外波段透明的高阻单晶硅片；所述第二基板是采用硅或玻璃或陶瓷制成的板状圆片。

本发明提供的一种像元结构及基于像元结构的非致冷红外焦平面探测器，通过将读出电路、吸收单元及导电单元设置在硅衬底（第一基板）正面，即聚光单元在硅衬底（第一基板）背面能够很紧密排列构成面阵，进而填充因子可达到90%～100%，且悬浮于硅衬底上表面的红外吸收多层膜由于是接收汇聚光能，其面积可比像元面积小得多，进而可留出更多的空间容纳更长的支撑腿，因而热导更低，易于实现高速响应。同时，在不增加热质量的前提下，红外吸收多层膜面积的减小可相应增加红外吸收多层膜的厚度或直接设计高吸收率多层吸收结构，即可抛弃传统的与硅衬底表面形成谐振腔的设计，这样将无需考虑严格对牺牲层高度和均匀性的要求，简化了工艺难度。

附图说明

图1为现有技术中像元结构的原理图。

图2为现有技术中像元结构的红外吸收多层膜103为较薄膜系的截面示意图。

图3为现有技术中像元结构的红外吸收多层膜较厚膜系的截面示意图。

图4为本发明实施例一提供的像元结构中于硅衬底正面未增设微透镜时的原理结构主视图。

图5为本发明实施例一提供的像元结构中于硅衬底正面未增设微透镜时的原理结构俯视图。

图6为本发明实施例一提供的像元结构中于硅衬底正面增设微透镜，且聚光单元是折射微透镜时的原理结构示意图。

图7为本发明实施例一提供的像元结构中于硅衬底正面未增设微透镜，且聚光单元是衍射元件时的原理结构示意图。

图8为本发明实施例一提供的像元结构聚光单元中各透镜的排列分布示意图。

图9为本发明实施例二提供的基于像元结构的非致冷红外焦平面探测器当第一基板与第二基板面积相同时的原理结构示意图。

图10为本发明实施例二提供的基于像元结构的非致冷红外焦平面探测器当第一基板面积小于第二基板面积时的原理结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提供的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例一

参见图1-8，本发明实施例一提供的一种像元结构，包括：硅衬底101、用于吸收光束的吸收单元、用于连接硅衬底101与吸收单元的导电单元及用于将辐射光束汇聚射入硅衬底101的聚光单元。其中，硅衬底101上表面中心部位设置有透光区域，且同一面靠近透光区域的外围部位设置有读出电路110；导电单元的一端与吸收单元电连接，另一端与读出电路110的接触电极电连接。吸收单元通过导电单元悬浮于硅衬底101上表面，且聚光单元104固定于硅衬底101下表面。聚光单元104与透光区域于硅衬底101上下表面所处部位一一对应。

本实施例一中，为便于其组成部件连接关系描述方便，下述硅衬底101正面即指硅衬底101设置有透光区域的一面（上表面），硅衬底101背面即指固定有聚光单元104的硅衬底101下表面。

本实施例一中，硅衬底101背面设置的聚光单元104与硅衬底101正面设置的透光区域构成光学传输通道。同时，于透光区域表面可镀制减反膜109。实际应用中，从硅衬底101背面入射的红外辐射首先被硅衬底101背面的聚光单元104接收并汇聚，然后通过光学传输通道从硅衬底101正面经过减反膜109出射，随后到达悬浮的吸收单元而被吸收探测。

本实施例一中，吸收单元是红外吸收多层膜103。其中，红外吸收多层膜103由介质（SiNx）、红外敏感膜层（VOx、α-Si或Ti）和金属等材料组成。优选地，其入射表面还镀有钝化层或光学减反层。实际应用中，红外吸收多层膜103通过红外敏感膜层与导电单元一端电连接。

本实施例一中，导电单元是由用于起支撑作用的高机械强度介质膜（SiNx）及用于起导电作用的导电膜（A1或NiCr或Au）所组成的支撑腿102。其中，导电膜（A1或NiCr或Au）一端与红外敏感膜层（VOx、α-Si或Ti）电连接，另一端与硅衬底101正面设置的读出电路110接触电极电连接。

本实施例一中，聚光单元104是具有凸折射面的微透镜，即折射微透镜。折射微透镜通过底面固定于硅衬底101背面；凸折射面上镀有减反膜，也可镀制滤光膜或偏振膜。

本实施例一中，优选地，设置于硅衬底101背面的聚光单元104可采用方形底微透镜（与在硅衬底101正面的透光区域中像元形状相适配，也可采用圆形、矩形或六角形，即调整聚光单元104中透镜形状和微透镜阵列的排列方式与像元形状和像元阵列排布方式相适配，即获得尽可能大的填充因子）。对于透光区域中方形排布的像元阵列，像元尺寸为为30μm×30μm，微透镜设计尺寸为28.5μm×28.5μm，采用离子束刻蚀制作后微透镜尺寸扩展到29.16μm×29.16μm，各透镜间间距d=0.84μm。在工艺优化条件下间距可达到d=0μm，即微透镜阵列填充因子可达到90%～100%。

本实施例一中，优选地，红外吸收多层膜103也可采用方形结构，其面积小于像元面积。例如：对于30μm×30μm的像元面积，若红外吸收结多层膜103的尺寸为10μm×10μm，则红外吸收多层膜103所占面积仅占透光区域的11%，即可实现空余空间用于增加支撑腿102长度，进而实现减小热导、减小热时间常数、提高器件帧频等性能。同时，空余空间还可用于适当增加图形线宽（如支撑腿102宽度、间隙宽度、接触孔大小），即可实现采用廉价设备制备大面阵小像元尺寸器件，降低制造成本。

本实施例一中，聚光单元104也可以是具有聚焦功能的衍射光学元件。其中，衍射光学元件呈方形阵列分布，其分布形状与所述像元形状相适配。其中，衍射光学元件通过底面固定于硅衬底101下表面，另一面镀有滤光膜或减反膜或偏振膜。

优选地，衍射元件的厚度在波长量级，衍射元件材料与硅衬底101材料相同（也可采用其他低吸收红外透射材料）。

本实施例一中，聚光单元104采用衍射元件优点在于：

①、可以通过对衍射元件更大自由度的设计，在一个衍射元件上实现具有多光学功能集成探测器件，例如具有偏振依赖聚焦和光谱选择聚焦等功能。同时，为了获得高的衍射聚焦效率和多光学功能，可以采用优化算法（如GS算法、模拟退火算法、遗传算法等）优化衍射元件结构参数或相位分布；

②、衍射元件易于通过模压或压印等技术复制并与探测器件单片集成，实现低成本制造。

本实施例一中，硅衬底101上表面透光区域红外辐射出射部位处，设置有小口径且镀制有减法膜能够实现聚焦或准直或增透或滤波的微透镜105。优选地，微透镜105为方形结构，边长为6～12μm（亦可为圆形，直径为6～12μm）。该微透镜105目的是将汇聚到透光区域出射面的红外辐射光束再整形后以小角度入射到悬浮于硅衬底101上表面的红外吸收多层膜103，降低对红外吸收多层膜系大角度入射设计的难度。

本实施例一中，优选地，硅衬底101是选用FZ方法制备的双面抛光高阻单晶圆硅片，方块电阻为5000Ωcm，厚度为0.3mm左右，其长波红外（8～14μm）透射率达到50%以上（无减反膜时），无氧吸收峰。硅衬底101背面设置的微透镜组底部形状与像元形状相适配，并覆盖像元大部分面积，微透镜组中各透镜表面形状呈凸折射面结构（可在硅衬底101材料背面刻蚀形成）。由于在红外波段硅材料的折射率为3.4左右，表面的反射率较高，故在微透镜105表面镀制有减反膜层以提高红外辐射入射收集效率。

本实施例一中，优选地，红外吸收多层膜103面积小于像元面积的三分之一。

本实施例一在实际应用过程中，红外辐射入射至聚光单元104中微透镜组，光束进入硅衬底101背面后将沿像元中心轴汇聚，通过硅衬底101正面设置的镀制有减反膜层的微透镜105到达红外吸收多层膜而被吸收。红外吸收多层膜103吸收产生的热量导致悬浮膜层温度上升，从而引起内部设置的红外敏感膜层电阻发生变化。红外敏感膜层电阻的变化通过支撑腿102上的导电膜电极传递至硅衬底101正面设置的读出电路110，进而被与读出电路110连接的外电路测量。

本实施例一中，吸收单元还可以是基于膜系优化设计的复杂结构，即可形成对某一应用波长具有高吸收率的窄谱吸收谐振结构（如CO₂的红外吸收波长4.23μm），或对某一波段范围具有高吸收的宽谱吸收结构（如长波红外窗口8～14μm）。若红外吸收结构采用宽谱响应设计，则探测光谱的裁剪可通过在聚光单元104中微透镜组上镀制滤光膜来实现特定波长或波段的红外辐射探测。这种在硅衬底上集成微透镜的同时集成滤光膜的方法，可以省却外置滤光片，进一步减轻器件重量，减少器件体积。

实施例二

参见图9-10，本发明实施例二提供了一种基于上述像元结构的非致冷红外焦平面探测器，包括：第一基板201（有源板）、第二基板202（无源板）。其中，第一基板201一面设置有至少一个透光区域，且同一面靠近透光区域的外围部位设置有读出电路110，另一面设置有聚光单元104，透光区域于第一基板201一面呈阵列分布，聚光单元104于第一基板201另一面分布形状与透光区域中像元形状相适配；即第一基板201一面设置有密集排布的“像元结构”阵列，每个“像元结构”的中心部位在第一基板201的一面设置有透光区域，密集排列的“像元结构”形成了像元阵列，对应形成了透光区域阵列和聚光单元阵列。

第二基板202一面设置有覆盖所有像元阵列的与透光区域的空腔106，另一面设置有与贯穿空腔106的通孔阵列107。

本实施例二中，为便于其组成部件连接关系描述方便，下述第一基板201正面即指第一基板201设置有读出电路和透光区域的一面；第一基板201背面即指第一基板201设置有聚光单元104的第一基板另一面；第二基板202正面即指第二基板202设置有空腔106的一面，第二基板202背面即指第二基板202设置有通孔阵列107的第二基板202另一面。

本实施例二中，透光区域处设置有对出射光线能够实现聚焦或准直或增透或滤波的微透镜105。第一基板201设置有读出电路110的一面（正面）上设置有悬空的红外吸收多层膜103，且红外吸收多层膜103通过导电电极与读出电路110形成电回路。第一基板201正面边缘部位与第二基板202正面边缘部位通过金属电极焊盘108键合固定，实现二者之间电互连。

本实施例二中，优选地，红外吸收多层膜103采用牺牲层工艺制备，牺牲层选用聚酰亚胺，牺牲层上沉积并图形化制作红外吸收多层膜结构。具体工艺包括：从牺牲层向外沉积Ni-Cr/SiNx/VOx/SiNx/Ni-Cr形成吸收多层膜；其中第一层Ni-Cr薄膜的厚度为10nm左右；最后一层Ni-Cr薄膜的厚度为100nm左右；VOx薄膜的厚度为50～200nm左右；SiNx的厚度根据使用波段范围和吸收率要求在100～500nm之间调整，使得膜系满足谐振吸收要求。在沉积了VOx薄膜后，插入制作导电电极步骤，并搭接在VOx薄膜上，以便形成电回路，随后镀制SiNx覆盖吸收结构和导电电极以及硅衬底上的导电接触孔（所有薄膜的图形化工艺均采用Lift-off工艺实施）。

本实施例二中，第一基板201、第二基板202结构设置分如下两种情况：

①、第一基板201面积与第二基板202面积相等或近似相等；第一基板201、第二基板202通过两板正面边缘部位设置金属焊盘108键合固定；第一基板201正面边缘部位处设置的金属电极焊盘108与其背面边缘部位处设置的金属电极焊盘108通过硅穿孔填塞金属技术实现电连接；第二基板202正面设置有与第一基板201中像元阵列覆盖区域相适配的空腔106，第二基板202背面设置有与空腔106位置相对应的通孔阵列107，且通孔贯穿到正面的空腔；

此情况下，外界信号引线203从第一基板201正面一侧的金属电极焊盘108引出，并与正面另一侧的金属电极焊盘108电连接（通过硅穿孔填塞金属技术实现）。

②、第一基板201面积小于第二基板202面积；第一基板201、第二基板202通过两板正面边缘部位设置金属电极焊盘108键合固定（二者间设置的金属电极焊盘部位一一对应），且第二基板202边缘部位的金属电极焊盘108延伸到第一基板201覆盖外的区域；第二基板202正面设置有与第一基板201中像元阵列覆盖区域相适配的空腔106，第二基板202背向设置有与空腔106位置相对应的通孔阵列107，且通孔贯穿到正面的空腔；

此情况下，外界信号引线203从第二基板202上未被第一基板201覆盖的金属电极焊盘108处引出。

本实施例二中，优选地，第一基板201是选用FZ方法制备的高阻单晶硅片，方块电阻为5000Ωcm，厚度为0.3mm左右，其长波红外（8～14μm）透射率达到50%以上（无减反膜时），无氧吸收峰。

本实施例二中，优选地，第二基板202是由硅或玻璃或陶瓷制成的板状圆片，厚度小于1mm；且对其正面金属化处理，制作与第一基板201边缘部位金属电极焊盘108相对应的具有一定延伸长度的金属电极焊盘108。同时，第二基板202正面与第一基板201正面像元阵列覆盖区域相对应部位腐蚀有面积稍大的空腔106；第二基板202背向设置有与空腔106位置相对应的通孔阵列107，且通孔贯穿到正面的空腔，通孔阵列可采用干法腐蚀或激光或超声打孔技术，孔径几十微米至几百微米（首选干法腐蚀，能够保证空腔一侧中的孔边缘整齐、平滑无毛刺）。

本实施例二中，优选地，可采用扩散键合、共晶键合等键合技术将有第一基板201、第二基板202键合固定，实现电互连。

本实施例二中，优选地，聚光单元104可通过对第一基板201背面进行减薄并抛光至厚度到50～200μm，然后采用热熔和干法刻蚀转移技术在背面制作与第一基板201正面像元阵列相对应的微透镜聚焦阵列结构，或者采用二元光学技术制作衍射聚焦结构；之后在微透镜表面镀制减反膜或滤光膜，以此构成能够实现将辐射光束汇聚射入第一基板201的聚光单元104（聚光单元104中微透镜间隙小于1μm）。

本实施例二在实际应用过程中，第一基板201、第二基板202键合完成后通过氧等离子体释放第一基板201与第二基板202中间空腔中的牺牲层。且本实施例二中通过通孔阵列107能够实现将第一基板201、第二基板202间的牺牲层释放干净且不影响基板强度及二者电互连特性。

本发明实施例提供的一种像元结构及基于像元结构的非致冷红外焦平面探测器，通过将读出电路110、吸收单元及导电单元设置在硅衬底101（第一基板201）正面，即聚光单元104在硅衬底101（第一基板201）背面能够很紧密排列构成面阵，进而填充因子可达到90%～100%，且悬浮于硅衬底101上表面的红外吸收多层膜103由于是接收汇聚光能，其面积可比像元面积小得多，进而可留出更多的空间容纳更长的支撑腿102，因而热导更低，易于实现高速响应。同时，在不增加热质量的前提下，红外吸收多层膜103面积的减小可相应增加红外吸收多层膜103的厚度或直接设计高吸收率多层吸收结构，即可抛弃传统的与硅衬底表面形成谐振腔的设计，这样将无需考虑严格对牺牲层高度和均匀性的要求，简化了工艺难度。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种像元结构，其特征在于，包括：

硅衬底、用于吸收光束的吸收单元、用于连接所述硅衬底与所述吸收单元的导电单元及用于将辐射光束汇聚射入所述硅衬底的聚光单元；

所述硅衬底上表面中心部位设置有透光区域，且同一面靠近所述透光区域的外围部位设置有读出电路；

所述导电单元的一端与所述吸收单元电连接，另一端与所述读出电路电连接；

所述吸收单元通过所述导电单元悬浮于所述硅衬底上表面；

所述聚光单元固定于所述硅衬底下表面。

2.根据权利要求1所述的一种像元结构，其特征在于：

所述吸收单元是红外吸收多层膜；

所述红外吸收多层膜内部设置有用于感应温度变化的红外敏感膜层；

所述红外敏感膜层与所述导电单元一端电连接。

3.根据权利要求2所述的一种像元结构，其特征在于：

所述导电单元是由用于起支撑作用的高机械强度介质膜及用于起导电作用的导电膜所组成的支撑腿；

所述导电膜一端与所述红外敏感膜层电连接，另一端与所述读出电路接触电极电连接。

4.根据权利要求1所述的一种像元结构，其特征在于：

所述聚光单元是具有凸折射面的折射微透镜；

所述折射微透镜底部形状与所述硅衬底上表面像元形状相适配；

所述折射微透镜通过底面固定于所述硅衬底下表面；

所述折射微透镜的凸折射面上镀有滤光膜或减反膜或偏振膜。

5.根据权利要求1所述的一种像元结构，其特征在于：

所述聚光单元是具有聚焦功能的衍射光学元件；

所述衍射光学元件底部形状与所述硅衬底上表面像元形状相适配；

所述衍射光学元件通过底面固定于所述硅衬底下表面，另一面镀有滤光膜或减反膜或偏振膜。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种像元结构，其特征在于：

所述硅衬底上表面设置的所述透光区域出口处还设置有对出射光线能够实现聚焦或准直或增透或滤波的微透镜。

7.根据权利要求6任一项所述的一种像元结构，其特征在于：

所述硅衬底是在中波红外波段透明的高阻单晶硅片；

所述红外吸收多层膜面积小于所述透光区域中像元覆盖面积的三分之一。

8.一种基于权利要求1所述像元结构的非致冷红外焦平面探测器，其特征在于，包括：第一基板、第二基板；

所述第一基板一面的设置有至少一个所述透光区域，且同一面靠近所述透光区域的外围部位设置有所述读出电路，另一面设置有所述聚光单元；

所述透光区域于所述第一基板一面呈阵列分布；

所述聚光单元于所述第一基板另一面分布形状与所述透光区域中像元形状相适配；

所述透光区域出口处设置有对出射光线能够实现聚焦或准直或增透或滤波的微透镜；

所述第一基板设置有所述读出电路的一面涂覆有牺牲层；

所述牺牲层上设置有所述红外吸收多层膜，且所述红外吸收多层膜通过导电电极与所述读出电路形成电回路；

所述第二基板一面设置有与所述透光区域中像元面积相适配的空腔，另一面设置有贯穿所述空腔的通孔阵列；

所述第一基板设置有所述读出电路的一面边缘部位与所述第二基板设置所述空腔的一面边缘部位通过金属电极焊盘键合固定，实现二者之间电互连；

所述第一基板设置有所述读出电路的一面边缘部位处金属电极焊盘与其设置有所述聚光单元的一面边缘部位处金属电极焊盘通过硅穿孔填塞金属实现电连接。

9.根据权利要求8所述的非致冷红外焦平面探测器，其特征在于：

所述第一基板与所述第二基板面积相同或近似相同；

所述第一基板边缘部位设置的金属电极焊盘与所述第二基板边缘部位设置的金属电极焊盘键合并实现电连接；

外界信号引线从所述第一基板一侧的金属电极焊盘引出，与其另一侧的金属电极焊盘电连接；

所述第一基板采用在中红外波段透明的高阻单晶硅片；

所述第二基板是采用硅或玻璃或陶瓷制成的板状圆片。

10.根据权利要求8所述的非致冷红外焦平面探测器，其特征在于：

所述第一基板面积小于所述第二基板面积；

所述第一基板边缘部位设置的金属电极焊盘与所述第二基板边缘部位设置的金属电极焊盘一一对应键合并实现电连接；

所述第二基板通过未被所述第一基板覆盖的金属电极焊盘与外界信号引线连接；

所述第一基板采用在中红外波段透明的高阻单晶硅片；

所述第二基板是采用硅或玻璃或陶瓷制成的板状圆片。

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