CN103728025A - 一种非制冷红外成像焦平面阵列探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种非制冷红外成像焦平面阵列探测器，包括透明衬底（1）以及以非嵌套的方式平铺在所述透明衬底（1）上的多个微悬臂梁单元（2）；所述透明衬底（1）对与所述非制冷红外成像焦平面阵列探测器相配套的读出光路的光线透明。本发明实施例提供的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，对目标物体进行检测时，由于衬底透明，避免了硅衬底对于来自目标物体的红外光的遮挡和反射引起的能量损失，可有效提高检测灵敏度；同时，因为衬底透明，也无需对衬底进行镂空，避免了制作全镂空结构所需的长时间体硅腐蚀工艺，简化制作流程，提高产品成品率。
Description
技术领域
本发明涉及红外成像技术领域，尤其涉及一种非制冷红外成像焦平面阵列探测器。
背景技术
众所周知，一切温度高于绝对零度的物体均可产生红外辐射，且该红外辐射的强度及能量分布与物体温度有关，载有物体的特征信息。通过检测物体的红外辐射，可将人类不可见的红外图景转化为可见的图像。
常见的红外探测装置可分为量子型（制冷）红外探测器和热型（非制冷）红外探测器两种。其中量子型红外探测器将红外辐射的光子能量直接转化为电子能量；热型红外探测器则是通过检测目标物体的红外辐射引起的探测器温度变化来捕捉红外信息。
由于红外光光子的受激电子能量与室温下的电子热运动能量相当，因此量子型的红外探测器需要在液氮（温度77K）制冷以抑制电子热运动，这导致量子型红外探测器价格昂贵。
热型红外探测器无需液氮制冷，大大减少了制作成本，使红外技术大面积应用成为可能。但是，常见的基于热电效应工作的探测器的其他情况，如由于输入电流会在探测器单元上产生附加热量，所以这种探测器很难准确检测到入射的红外辐射；由于金属导线的存在使该探测器单元之间热隔离困难，限制了探测器的温升性能；此外，所述热型红外探测器的热电效应都很微弱，这些情况要求与所述热型红外探测器配合的读出电路具有极高的信噪比和增益，这不仅增加了设计难度，而且提高了器件成本。
应用光-机械原理的光读出非制冷红外焦平面阵列探测器，大多采用双材料悬臂梁阵列结构，所述非制冷红外焦平面阵列探测器的检测单元吸收入射红外光后温度升高，并发生热致形变，再由光学读出系统非接触检测形变，便得到了目标的红外信息。光读出非制冷红外焦平面阵列探测器无需互联导线，探测器单元间热隔离更加容易，也省去了读出电路的设计和制作，大大降低了开发成本。
目前采用的光读出非制冷焦平面阵列通常在硅衬底上制作，其结构包括带有牺牲层的多层双材料悬臂梁热隔离结构和镂空单层双材料悬臂梁热隔离结构。前者需要保留硅衬底，于是当红外线经过硅衬底时，会因反射现象损失40%的红外光，这将降低探测器的灵敏度；后者虽无硅衬底反射，红外辐射的利用率很高，然而这种结构需要长时间背腔腐蚀工艺和可靠的应力控制技术来制作平整薄膜上全镂空结构阵列，对制作工艺有很高的要求，同时这种结构的图形利用率低，难以进一步降低像素面积并提高分辨率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种非制冷红外成像焦平面阵列探测器，降低工艺复杂度，提高探测器的灵敏度。
一种非制冷红外成像焦平面阵列探测器，包括透明衬底（1）以及以非嵌套的方式平铺在所述透明衬底（1）上的多个微悬臂梁单元（2）；所述透明衬底（1）对与所述非制冷红外成像焦平面阵列探测器相配套的读出光路的光线透明。
本发明实施例提供的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，采用反光板复合结构（203）的金属层朝向透明衬底的设计结构，对目标物体进行检测时，来自目标物体的红外光直接照射在非制冷红外焦平面阵列探测器的反光板复合结构（203）的吸收层上，避免了硅衬底对于来自目标物体的红外光的遮挡和反射引起的能量损失，可有效提高检测灵敏度；同时，因为衬底透明，也无需对衬底进行镂空，避免了制作全镂空结构所需的长时间体硅腐蚀工艺，简化制作流程，提高产品成品率。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种非制冷红外成像焦平面阵列探测器阵列示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种非制冷红外成像焦平面阵列探测器的探测单元结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的一种非制冷红外成像焦平面阵列探测器的微悬臂梁单元结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的非制冷红外成像焦平面阵列探测器的热形变结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例提供的非制冷红外成像焦平面阵列探测器应用于基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）的光学读出红外成像系统。如图1所示，该非制冷红外成像焦平面阵列探测器由多个微悬臂梁单元（2）以非嵌套的方式在透明衬底（1）上平铺构成，各微悬臂梁单元（2）的检测结果即构成了目标物体的红外图景。
所述透明衬底（1）对可见光透明，尤其是对与所述非制冷红外成像焦平面阵列探测器相配套的读出光路的光线透明。在一些实施例中，所述明衬底（1）可为玻璃衬底或蓝宝石衬底。
所述微悬臂梁单元（2）包括支撑结构（201）、热形变结构（202）和反光板复合结构（203）。
参见图2，所述支撑结构（201）将所述微悬臂梁单元（2）锚接于透明衬底（1）。所述支撑结构（201）可以使用低热导率材料制作，以增大微悬臂梁单元（2）与透明衬底（1）之间的热隔离。在一些实施例中，所述支撑结构（201）可由氧化硅制成。
参见图3，所述热形变结构（202）有两组，分别位于反光板复合结构（203）的两侧，各组热形变结构（202）一端与同一平面内的所述反光板复合结构（203）相连接，另一端与所述支撑结构（201）相连接。
所述反光板复合结构（203）为一双材料板状结构，其中朝向所述透明衬底（1）的一侧为金属层，用于反射与所述非制冷红外成像焦平面阵列探测器相配套的读出光路中的可见光；另一侧为具有较高的红外吸收系数的吸收层，用于吸收来自目标物体的红外辐射。所述金属层下表面与吸收层上表面直接接触。在一些实施例中，所述反光板复合结构（203）朝向透明衬底（1）的一侧可以采用铝或金等可以反射与所述非制冷红外成像焦平面阵列探测器相配套的读出光路的可见光的材料，而另一侧可以采用氮化硅或氧化硅等红外吸收系数较高的材料制作。
参见图4，所述热形变结构（202）包括第一热形变梁（204）、第二热形变梁（205）和热隔离梁（206）。所述第一热形变梁（204）、第二热形变梁（205）以及热隔离梁（206）在同一平面内顺次回折连接。
所述第一热形变梁（204）和第二热形变梁（205）均为双材料复合梁，构成所述第一热形变梁（204）的两种材料与构成所述第二热形变梁（205）的两种材料相同，但是这两种材料的热膨胀系数不同。在可用材料范围内，最好选择热膨胀系数差异较大的两种材料制作，而且两种材料的热膨胀系数差异越大越好。且所述两种材料构成的梁的厚度比应使所述形变梁在一定梁宽、一定梁长、一定温度变化情况下形成最大的形变。
例如，在某一实施例中，梁长为38微米、梁宽为1微米，温度变化3℃时，梁末端纵向位移0.29微米，偏转角约为0.44°。
如前所述，所述第一热形变梁（204）和第二热形变梁（205）均为双材料复合梁，本发明实施例中，构成所述第一形变梁（204）和第二形变梁（205）的两种材料的在垂直于透明衬底（1）的方向上按照相反的顺序叠放。例如，某个实施例中，所述第一形变梁（204）和所述第二形变梁（205）均由氧化硅和铝构成双材料梁，其中铝为热膨胀系数高的材料，氧化硅热膨胀系数相对较低的材料。氧化硅热膨胀系数为0.5E-6K-1，铝为23.5E-6K-1。所述第一形变梁（204）的铝朝向透明衬底（1），氧化硅在铝的下方；所述第二形变梁（205）的氧化硅朝向透明衬底（1），铝在氧化硅的下方。
所述热隔离梁（206）可以采用与所述支撑结构（201）相同的材料来制作。
所谓基于MEMS的光学读出热成像系统具体为：采用MEMS技术加工的微悬臂梁阵列作为红外辐射的吸收结构将辐射能量转化为探测单元的热能；通过覆盖于所述微悬臂梁上的金属薄膜构成的双材料梁结构将所述热能转化为所述微悬臂梁的偏转角度（或者位移），该偏转角度可由与所述非制冷红外成像焦平面阵列探测器相配套的读出光路检出。
具体地，在利用本发明实施例所提供的非制冷红外成像焦平面阵列探测器捕获红外目标图景时，所述非制冷红外成像焦平面阵列探测器和与之配套的读出光路协同工作，所述读出光路的出射光透过透明衬底（1）照射在所述反光板复合结构（203）的金属层上，发生反射后又透过透明衬底（1）继续在所述读出光路内部传递。
所述反光板复合结构（203）的吸收层朝向目标物体。当来自目标物体的红外辐射到达所述微悬臂梁单元（2）后，所述反光板复合结构（203）的吸收层吸收所述目标物体辐射出的红外能量使所述反光板复合结构（203）的温度升高，所述反光板复合结构（203）的吸收层吸收的红外能量沿着热形变结构（202）传导。因为所述第一热形变梁（204）的两种组成材料与所述第二热形变梁（205）的两种组成材料相同，且这两种组成材料在垂直于所述透明衬底（1）的方向上的叠放顺序相反，从而所述第一热形变梁（204）和所述第二热形变梁（205）在所述反光板复合结构（203）的吸收层吸收的红外能量的作用下产生了相反方向的形变。所述第一热形变梁（204）和第二热形变梁产生的相反方向的形变带动所述反光板复合结构（203）转动，亦即使反光板复合结构（203）的金属层发生偏转，形成一个偏转角度。这个偏转角度可由与所述非制冷红外成像焦平面阵列探测器相配套的读出光路检出。
由于第一热形变梁（204）和第二热形变梁（205）的材料叠加顺序相反，因此，所述第一热形变梁（204）和第二热形变梁（205）的形变方向相反，将反光板复合结构（203）的偏转角度放大为单一热形变梁偏转角度的2倍，提高了微悬臂梁单元（2）的温度响应。
由于所述反光板复合结构（203）的金属层的偏转角度与所述微悬臂梁单元（2）吸收的能量相关，而所述微悬臂梁单元（2）吸收的能量与目标物体的红外辐射强度相关，因此通过本发明实施例所提供的非制冷红外成像焦平面阵列探测器可获得所述反光板复合结构（203）的金属层的偏转角度与对应的目标物体红外辐射强度的相关关系。从而，本发明实施例所提供的所述非制冷红外焦平面阵列探测器可以将目标物体的红外图景转化为焦平面阵列上各像素不同程度的红外吸收及可见光复合结构（203）的金属层偏转角度，该偏转角度由与所述非制冷红外成像焦平面阵列探测器相配套的读出光路检出。所述读出光路的出射光线被检测光路中的CCD接收，形成图像。至此，目标物体的红外信号转化为CCD的可见光信号，人眼可识别。
与所述非制冷红外成像焦平面阵列探测器相配套的读出光路在对所述金属层的偏转角度进行检测时，由读出光路发射入射光线，并接收经该金属层反射出的反射光线计算所述金属层的偏转角度。目标物体不能与读出光路位于同一侧，这是因为如果目标物体与读出光路位于同一侧，目标物体发出的红外光线也将被所述金属层反射，无法实现对目标物的检测了。
现有技术中读出光路的光对衬底，尤其是硅衬底，是不透明的，这就决定了读出光路必须置于非衬底所在一侧（即与探测器在同一侧），目标物体只好放置在衬底所在一侧，这导致目标物体发出的红外光必须经通过衬底入射到探测器上。本发明实施例提供的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，通过使用透明衬底（该衬底对与所述非制冷红外成像焦平面阵列探测器相配套的读出光路中的光线透明），使得读出光路的位置不再被限定，目标物体也可以位于探测器所在平面非衬底所在一侧。具体地，在本发明实施例中，反光板复合结构（203）的金属层朝向透明衬底（1），对目标物体进行检测时，来自读出光路的入射光线通过透明衬底（1）直接照射到反光板复合结构（203）的金属层上，来自目标物体的红外光直接照射在非制冷红外焦平面阵列探测器的反光板复合结构（203）的吸收层上，避免了硅衬底对于来自目标物体的红外光的遮挡和反射引起的能量损失，可有效提高检测灵敏度；同时，也无需对衬底进行镂空，避免了制作全镂空结构所需的长时间体硅腐蚀工艺，简化制作流程，提高产品成品率。
以上对本发明所提供的一种探测器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，包括透明衬底（1）以及以非嵌套的方式平铺在所述透明衬底（1）上的多个微悬臂梁单元（2）；所述透明衬底（1）对与所述非制冷红外成像焦平面阵列探测器相配套的读出光路的光线透明。
2.根据权利要求1所述的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述微悬臂梁单元（2）包括支撑结构（201）、热形变结构（202）和反光板复合结构（203），所述热形变结构（202）有两组，分别位于所述反光板复合结构（203）的两侧，所述热形变结构（202）一端与同一平面内的所述反光板复合结构（203）相连接，另一端与所述支撑结构（201）相连接。
3.根据权利要求2所述的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述微悬臂梁单元（2）通过所述支撑结构（201）与所述透明衬底（1）锚接。
4.根据权利要求2所述的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述热形变结构（202）包括第一热形变梁（204）、第二热形变梁（205）和热隔离梁（206），所述第一热形变梁（204）、第二热形变梁（205）以及热隔离梁（206）在同一平面内顺次回折连接。
5.根据权利要求4所述的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述第一热形变梁（204）和第二热形变梁（205）均为双材料复合梁，构成所述第一热形变梁（204）的两种材料与构成所述第二热形变梁（205）的两种材料相同，这两种材料的热膨胀系数不同。
6.根据权利要求5所述的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，构成第一热形变梁（204）和第二热形变梁（205）的两种材料在垂直于所述透明衬底（1）的方向上按照相反的顺序叠放。
7.根据权利要求2所述的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述反光板复合结构（203）为一板状双材料结构。
8.根据权利要求2所述的非制冷红外成像焦平面阵列探测器，其特征在于，所述反光板复合结构（203）朝向所述透明衬底（1）的一侧为金属层，另一侧为吸收层;所述金属层下表面与所述吸收层上表面直接接触。
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