CN103776546A - 双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器，所述探测器由衬底、桥面层、至少一个桥腿层组成，为双层结构：上层桥面层与和下层桥腿层；所述桥面层由红外热辐射吸收层和热敏感层组成；所述桥腿层由支撑层和金属导电层组成；所述桥面层和桥腿层位于上下两个、相互平行的平面上且通过电传导锚柱固定连接；所述桥腿层悬空在衬底之上且通过另一电传导锚柱与衬底连接；所述衬底为读出集成电路衬底，表面上设置有红外辐射反射层。本发明通过将非制冷红外探测器分置成双层结构来实现，能够有效地提高探测器单元的填充效率，从而增强对红外热辐射的吸收，并且折线桥腿结构能够有效地提高探测器的绝热能力，降低其热量损失，提高了整体探测性能。
Description
技术领域
本发明涉及用于红外成像系统技术领域中的一种双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器，针对的红外辐射波长范围是8～14μm。
背景技术
根据普朗克黑体辐射定律，任何物体在绝度零度以上都会向外界发射红外电磁热辐射，这种辐射的光波范围约是0.8～1000μm，并不能为人眼所直接看见。在常温下（300K），黑体辐射的发射谱中心波长正好在10μm波段附近；并且人体以及环境中温度相近的其它物体所发射的红外热辐射，38%的能量集中在波长8～14μm范围内，因此，该波段更适合强烈阳光、漆黑夜晚或者恶劣天气下的探测需要。
能够探测红外光波的红外辐射探测器，按探测原理分为光子型和热敏电阻型探测器。光子型需要工作在液氮（约77K）制冷的环境中，而热敏电阻型探测器通常工作在常温下，是种“非制冷式”探测器，多个该种探测器单元以二维阵列的形式排列在芯片衬底上，并将芯片置于红外辐射成像系统聚焦透镜的焦平面上时，则构成了非制冷式红外焦平面阵列探测器（IRFPA）。
这种非制冷式红外探测器（IRFPA）通常包括：
－用于吸收红外辐射并将其转化为热的装置；
－将该探测器对于衬底热绝缘并以便探测器在红外热辐射的作用下可以实现温升的装置；
－热敏感装置，是在红外辐射的加热作用下，电阻或者电阻率随温度变化的电阻部件；
－以及读取热敏感电阻变化的电路装置。
对于非制冷式红外焦平面阵列探测器，探测器反映外界目标温度信息的探测机理是：目标发出含有自身温度信息的红外光波热辐射，被探测器的红外吸收层吸收，由于桥腿层的热绝缘作用，热量就在桥面层上累积从而加热其中的热敏感层，并导致其温度上升，进而引起热敏感层的电阻值（或者电阻率）发生变化，这种变化对应红外辐射量的信息，经转化为电信号后，就利用衬底上的集成电路依次顺序读出。上述过程可简单总结为“吸收红外辐射-热敏感层温度变化-电阻值变化-电路读出”。
非制冷式红外探测器的一个重要灵敏度指标为噪声等效温差NETD，其涵义是：当被测红外热辐射黑体目标的温度变化，导致焦平面探测器输出端的电压等于噪声电压时，该温度变化量称为NETD，即探测器所能分辨的探测目标上最小温度变化量。NETD越小，灵敏度越高，在目前已装备的非制冷红外热象仪的NETD通常为20～100mK之间。NETD与热阻R和TCR之间的大致关系所下式∶
NETD∝l/(R·A·η·TCR)
其中，A为探测器单元面积，η为填充比率，A·η即为探测器单元的有效面积。NETD的影响因素是复杂的，上式仅仅说明其与热阻R、TCR以及探测器单元的有效面积A、填充比率η之间的关系。对于单层探测器结构而言，桥腿在桥面层的两侧甚至周围回折，降低了每个单元的填充比率，缩小了其有效红外吸收面积，难以获得较低的NETD。
本公司2011年申请专利201110120925.6、名称为“一种非制冷式红外焦平面阵列探测器”的存在问题：主要是单层探测器结构的热阻做不大，而且填充比率没有双层的高。
发明内容
本发明的目的提供一种双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器，要解决的技术问题就是增加探测器热阻R的情况下保证较高的红外吸收层的有效面积，从而实现更低的探测分辨率。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器，所述探测器由衬底、桥面层、至少一个桥腿层组成，其特征在于由衬底、桥面层、桥腿层组成的每个单元为双层结构：上层的桥面层与和下层的桥腿层；所述的桥面层由红外热辐射吸收层和热敏感层组成；所述的桥腿层由支撑层和金属导电层组成；所述的桥面层和桥腿层位于上下两个、相互平行的平面上且通过电传导锚柱固定连接；所述的桥腿层悬空在衬底之上且通过另一电传导锚柱与衬底连接；所述的衬底为读出集成电路衬底，表面上设置有红外辐射反射层。
所述的桥腿层的一边端部的金属导电层通过一电传导锚柱上的金属导线连接在桥面层上的热敏感层，桥腿层另一边端部的金属导电层通过另一电传导锚柱上的金属导线连接在衬底上的读出电路。
所述的桥面层和桥腿层之间构成真空间隙层，高度为0.8～1.25μm。
所述的桥腿层和衬底之间构成真空间隙层，高度为0.8～1.25μm。
所述的桥面层从上到下为红外热辐射吸收层、热敏感层和红外热辐射吸收层。
所述的桥腿层从上到下为支撑层、金属导电层和支撑层。
所述的桥面层的热敏感层的材料为氢化非晶硅（a-Si：H）、非晶锗硅（a-SiGe）或氧化钒（VOx）。
所述的桥面层的红外辐射吸收层为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
所述的桥腿的支撑层为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；所述的桥腿层的金属导电层为钛、氮化钛或镍铬合金。
所述的衬底表面上红外辐射反射层的材料是铝、钛、金或金属合金，在8～14μm红外波段的反射率范围为80%～100%。
本发明的整个探测器单元是悬空在衬底之上，桥面层和桥腿层位于上下两个、相互平行的平面上，探测器单元的支撑通过桥腿20的两边端部分别通过电传导锚柱与桥面和衬底的连接来实现。桥面层和桥腿层、桥腿层和衬底之间构成高度为0.8～1.25μm真空间隙层，总共的真空间隙高度即为1.6～2.5μm，对红外波长λ=8～14μm长波段具有λ/4选择吸收的能力。
在探测器单元中，桥面层上包含用于吸收红外辐射并将其转化为热的吸收层以及热敏感层。吸收层通常为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅薄膜层；热敏感层是探测器的核心材料，其特点是：当被吸收层吸收的红外热辐射加热后其温度发生变化，其自身电阻值也随之发生变化，描述该电阻温度变化特性的指标为电阻温度系数（TCR）。目前，这类热敏感层材料应用较多的为氢化非晶硅（a-Si：H）、非晶锗硅（a-SiGe）或氧化钒（VOx），这些材料的TCR值较大，应用范围通常在2%-5%之间。
在探测器单元中，桥腿层即是探测器上起到对于衬底热绝缘作用的装置。描述该热隔离度大小的指标为热阻R。热阻R越大，就意味着吸收的红外辐射能量损失就越小，桥面层上的温升越高，探测器热敏感层电阻在该温升下的变化就越明显，电压响应率相对就会越大，灵敏度就越高。桥腿的热阻R不仅和其材料的热传导率有关，还和桥腿的长、宽以及厚度尺寸有关。为了获得较大的热阻R，通常会采取的方案是选择热传导率较小的材料，并且将桥腿的长度加长、宽度减小、厚度减薄。25μm×25μm、17μm×17μm探测器对热阻R的要求较高，在目前商业化的红外探测器中，已经能够达到50MK/W以上。另外，对探测器热绝缘性造成不利干扰的还有外界的空气，因为探测器的桥面以及桥腿结构向空气进行热交换，造成热量的流失，所以非制冷红外探测器都需要采用真空封装。
（二）有益结果
本发明的主要目的在于提供一种双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器，通过将桥面层和桥腿层分置于不同平面构成双层结构来实现。与现有技术相比，本发明有以下几个方面的优点：
1、通过将探测器的桥面层和桥腿层分置于不同平面上构成的双层结构，可以有效地提高桥面层的有效吸收面积，具有很高的空间利用率，更多的红外辐射能量直接到达探测器单元，使探测更灵敏。
2、通过将探测器的桥面层和桥腿层分置于不同平面上构成的双层结构，折线结构的桥腿长度可以大大增加，能够有效地提高探测器的绝热能力，降低其热量损失，提高了整体探测性能。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的除去桥面层后的俯视图；
图3为本发明的的剖视图；
图中附图标记：10－桥面层；20－桥腿层；30－另一电传导锚柱；40－电传导锚柱；50－真空间隙层；60－另一真空间隙层；70－衬底；11－红外热辐射吸收层；12－热敏感层；13－另一红外热辐射吸收层；21－支撑层；22－金属导电层；23－另一支撑层；41－电传导锚柱上的金属导线；71－红外辐射反射层
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步的描述。
以下结合具体实例，对本发明的目的、技术方案做详细说明。
如图1、图2所示，本发明的探测器由衬底70、桥面层10、二个桥腿层20组成，由衬底70、桥面层10、每个桥腿层10组成的每个单元为双层结构：上层的桥面层10与和下层的桥腿层20；桥面层10由红外热辐射吸收层11和热敏感层12组成；每个桥腿层20由支撑层21和金属导电层22组成；所述的桥面层10和桥腿层20位于上下两个、相互平行的平面上且通过一电传导锚柱40固定连接；所述的桥腿层20悬空在衬底70之上且通过另一电传导锚柱30与衬底70连接；所述的衬底70为读出集成电路衬底，表面上设置有红外辐射反射层71。
为本发明双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器立体结构示意图。整个探测器单元是悬空在衬底70之上，桥面层10和桥腿层20位于上下两个、相互平行的平面上，并构成了探测器的双层结构，桥腿20的两边端部分别通过另一电传导锚柱30和电传导锚柱40与桥面层10和衬底70来实现连接。所述的衬底70为读出集成电路衬底，表面上设置有红外辐射反射层71（本图中没有显示）。需要声明的是，本发明不局限于本实施案例中探测器单元桥腿层位于桥面层正下方的情形，桥腿层延伸至相邻单元下也属于于本发明保护的范围。
在本发明中，探测器单元的桥面层10和桥腿层20、桥腿层20和衬底70之间分别构成高度为0.8～1.25μm真空间隙层50和真空间隙层60，总共的真空间隙高度即为1.6～2.5μm，这样就构成了针对红外波长λ=8～14μm长波段的光学真空谐振腔，不仅具有对λ/4波段选择吸收的能力，而且大大增强了红外吸收率。在本实施案例中，桥面层10和桥腿层20、桥腿层20和衬底70之间真空间隙层高度均为1.25μm。
如图2所示，为本发明的双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器除去桥面层后的俯视图。桥腿层20是一种回折结构，两边端部都有电传导锚柱，用于分别实现与桥面10和衬底70连接，从而支撑整个探测器单元结构。需要声明的是，本发明不局限于本实施案例中回折形桥腿，相对应的也不限于本实施案例中锚柱的相对位置。
如图3所示，为本发明的双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器除去桥面层后的剖视图。桥面层10从下到上依次为红外热辐射吸收层11、热敏感层12和另一红外热辐射吸收层13，桥腿层20从下到上依次为支撑层21、金属导电层22和另一支撑层23。通常桥面的热敏感层12的边缘区域上覆盖有金属层，材料是钛（Ti），和另一电传导锚柱30上的金属导线41是连通的，这样热敏感层12就通过电传导锚柱40的金属导线41、桥腿层20的金属导电层22通过另一电传导锚柱30的金属导线41与衬底70上的读出电路构成了电路回路，当桥面层10吸收了红外辐射能量，热敏感层12的电阻发生变化时，衬底70的电路就能将该电阻变化转化为电压变化。另外，在实际制作中，通常为了加强另一电传导锚柱30、电传导锚柱40的支撑性和导电性，会额外覆盖一层厚度较厚的金属膜。
由上述，本实施案例的双层结构探测器是通过将其桥面层10和桥腿层20分置于上下不同平面上来实现，桥面层10通过电传导锚柱的金属导线、桥腿层20上金属导电层22电学连接到衬底70上构成电路回路。与现有单层结构探测器相比，填充比率可由60%提高到90%，大大提高了探测器单元的面积利用率，有效地提高桥面层的有效吸收面积。而且，桥腿层20位于桥面层10下方，回折长度可以大大增加，对于17μm×17μm的探测器来说，桥腿的长度可有25μm增加至65μm。对于这类极小面积的探测器来说，桥腿宽度通常设置在0.25～0.5μm范围内，这样就可以获得很高的热阻R和极低的灵敏度NETD。
本实施案例的双层结构探测器中各层材料以及厚度：
衬底表面上红外辐射反射层的材料为铝71（Al），厚度为
本发明反射层不限于铝，大部分金属都是良好的红外反射体；铝的厚度也不限于
在范围内均是可行的。
桥面层上的吸收层材料均为氮化硅，是较为理想的一种红外吸收材料。红外热辐射吸收层11的厚度为另一红外热辐射吸收层13的厚度为
根据探测器的性能要求这些厚度是可变的；两层红外热辐射吸收层的总体厚度达到
探测器在8～14μm红外长波段的吸收率可达80%以上。本发明吸收层材料不限于氮化硅，也可以是氧化硅、氮氧化硅。本实施案例的吸收层材料氮化硅通常由等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺制备。
桥面层10上的热敏感层12材料为氧化钒（VOx），厚度为
其厚度不局限于
在
范围内均是可行的；其TCR一般在-2%～-3%/℃之间，典型值是-2.3%/℃。热敏感层12的电阻值为100KOhm，根据探测器的性能要求，在50～200KOhm范围内均是可行的。该氧化钒（VOx）通常反应物理气相沉积（Reactive PVD）工艺制备。
桥腿层20上的支撑层材料均为氮化硅，支撑层21的厚度为
另一支撑层23的厚度为
根据探测器的性能要求这些厚度是可变的。根据文献报道，其热传导率约为1.85K/W·M，是较为理想的一种材料。本发明支撑层材料不限于氮化硅，也可以是氧化硅、氮氧化硅。本实施案例的吸收层材料氮化硅通常由等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺制备。
桥腿层20上的金属导电层22材料为镍铬合金（NiCr），厚度为
其厚度不局限于
在
厚度范围内均是可行的；本发明支撑层材料不限于镍铬合金，也可以是钛、氮化钛。本实施案例的镍铬合金通常由溅射（Sputter）工艺制备。
以上所述的具体实施案例，是对本发明的目的以及技术方案进行了进一步详细说明，有必要声明的是，以上所述仅为本发明的一个具体实施案例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和范围之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双层结构的非制冷红外焦平面阵列探测器，所述探测器由衬底、桥面层、至少一个桥腿层组成，其特征在于由衬底、桥面层、桥腿层组成的每个单元为双层结构：上层的桥面层与和下层的桥腿层；所述的桥面层由红外热辐射吸收层和热敏感层组成；所述的桥腿层由支撑层和金属导电层组成；所述的桥面层和桥腿层位于上下两个、相互平行的平面上且通过电传导锚柱固定连接；所述的桥腿层悬空在衬底之上且通过另一电传导锚柱与衬底连接；所述的衬底为读出集成电路衬底，表面上设置有红外辐射反射层。
2.根据权利要求1所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的桥腿层的一边端部的金属导电层通过一电传导锚柱上的金属导线连接在桥面层上的热敏感层，桥腿层另一边端部的金属导电层通过另一电传导锚柱上的金属导线连接在衬底上的读出电路。
3.根据权利要求1或2所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的桥面层和桥腿层之间构成真空间隙层，高度为0.8～1.25μm。
4.根据权利要求1或2所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的桥腿层和衬底之间构成真空间隙层，高度为0.8～1.25μm。
5.根据权利要求1所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的桥面层从上到下为红外热辐射吸收层、热敏感层和另一红外热辐射吸收层。
6.根据权利要求1所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的桥腿层从上到下为支撑层、金属导电层和另一支撑层。
7.根据权利要求1或5所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的桥面层的热敏感层的材料为氢化非晶硅（a-Si：H）、非晶锗硅（a-SiGe）或氧化钒（VOx）。
8.根据权利要求1或5所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的桥面层的红外辐射吸收层为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
9.根据权利要求1或6所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的桥腿的支撑层为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；所述的桥腿层的金属导电层为钛、氮化钛或镍铬合金。
10.根据权利要求1所述的非制冷式红外焦平面阵列探测器，其特征在于：所述的衬底表面上红外辐射反射层的材料是铝、钛、金或金属合金，在8～14μm红外波段的反射率范围为80%～100%。
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