CN104112753A - 红外探测器、红外成像系统及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种红外探测器、红外成像系统及其制备方法，所述红外成像系统包括红外探测器、固定装置及红外光学镜头，所述固定装置包括控制基座和连接基座，所述控制基座为红外成像系统的控制模块，所述控制基座与连接基座机械及电连接；所述红外探测器的焦平面阵列基板设置在所述控制基座一表面上；所述连接基座具有一窗口，所述窗口暴露出红外探测器的红外光学窗口，用以使红外光学镜头汇聚的红外光入射在红外光学窗口上，所述连接基座与红外探测器焊接，以实现红外探测器与所述固定装置的机械及电连接；所述红外光学镜头与所述连接基座背向红外探测器的一面机械连接，用于汇聚红外光。

Description

红外探测器、红外成像系统及其制备方法

技术领域

本发明涉及微机电领域，尤其涉及一种红外探测器、红外成像系统及其制备方法。

背景技术

红外成像系统由于其自身独特的优势很早就已经被广泛的应用在各行各业中，例如夜间的海上搜寻、军事遥感、汽车夜视、防灾救灾、医学检测、气象预报、农业、地质勘测等诸多领域。特别是出现的新型非制冷焦平面技术，集成了数万乃至几十万个信号放大器，将芯片置于光学系统的焦平面上，无需光机扫描系统而能够去取得目标的全景图像，从而大大提高了系统的灵敏度及热分辨率，并进一步提高了目标的探测距离和识别能力。

红外探测器一般是采用在CMOS电路上集成MEMS微桥结构，利用敏感材料探测层（通常为非晶硅或氧化钒吸收红外线且将其转化成电信号，据此来实现热成像功能。而红外探测器的封装一般采用金属管壳封装，导致封装后的探测器体积较大，而且成本较贵，金属管壳封装的成本几乎能占到探测器成本的80%，提高了整个热像仪系统的成本，严重影响了红外探测器的应用领域的推广。目前红外探测器发展的趋势除了减小像元结构尺寸并增大阵列尺寸，就是采用晶圆级或是像素级封装，减小封装成本和体积，使得探测器集成度更加提高，从而扩大红外探测器的应用范围。

传统的红外成像系统一般由机械壳体包含红外光学镜头、红外探测器、控制及处理系统、显示系统及电源，其中红外探测器、控制及处理系统与红外光学系统都不是直接相连，而是通过转接件固定在机壳上，导致整个红外热像仪的体积和重量都在增加，也使得成本变贵。所以简化红外探测器的封装形式、减小探测器的体积，并采用红外光学镜头与红外探测器及基座直接相连接的形式，减少中间连接件等方式都可以有效减小红外热像仪的体积和成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种红外探测器、红外成像系统及其制备方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种红外探测器，包括红外光学窗口、焦平面阵列基板及焊环，所述红外光学窗口通过所述焊环与所述焦平面阵列基板连接，所述焦平面阵列基板朝向所述红外光学窗口的表面具有至少一个焊盘，所述焊盘设置于所述焊环外围，且暴露于所述红外光学窗口之外。

进一步，所述红外光学窗口朝向所述焦平面阵列基板的表面具有双环形凸台微结构，所述焊环设置在所述双环形凸台微结构的两环之间。

进一步，所述红外光学窗口朝向所述焦平面阵列基板的表面及背向所述焦平面阵列基板的表面均设置有抗反射结构，以增透红外光。

本发明还提供一种红外探测器的制备方法，包括如下步骤：提供一红外光学窗口和一焦平面阵列基板；在所述红外光学窗口一表面固定一预先成型的焊环；在所述焦平面阵列基板的一表面上制作焊盘；以所述焊环为中间层，将所述红外光学窗口与所述焦平面阵列基板具有焊盘的表面键合，所述焊盘位于键合层外围，且暴露于所述红外光学窗口之外。

进一步，在固定所述预先成型的焊环步骤之前，还包括一在所述红外光学窗口的一表面制作双环形凸台微结构的步骤，在固定所述预先成型的焊环步骤中，所述焊环固定在所述双环形凸台微结构的两环之间。

进一步，在键合步骤之前，在所述焦平面阵列基板具有焊盘的表面制作种子层，在键合步骤中，所述预先成型的焊环与所述种子层焊接。

本发明还提供一种红外成像系统，包括红外探测器、固定装置及红外光学镜头，所述红外探测器为上述任一所述的红外探测器；所述固定装置包括控制基座和连接基座，所述控制基座是红外成像系统的控制模块，所述控制基座与所述连接基座机械及电连接；所述红外探测器的焦平面阵列基板设置在所述控制基座一表面上；所述连接基座具有一窗口，所述窗口暴露出所述红外探测器的红外光学窗口，用以使红外光学镜头汇聚的红外光入射在红外光学窗口上，所述连接基座与所述红外探测器焊接，以实现红外探测器与所述固定装置的机械及电连接；所述红外光学镜头与所述连接基座背向红外探测器的一面机械连接，用于汇聚红外光。

进一步，所述控制基座还包括控温装置， 所述控温装置设置在所述控制基座表面与所述红外探测器的焦平面阵列基板之间，且与所述红外探测器的焦平面阵列基板贴合，以对所述红外探测器的温度进行检测。

进一步，在所述连接基座的焊盘所在表面还设置有一定位块，所述定位块与所述连接基座形成定位台阶，所述连接基座的焊盘位于所述定位台阶上，以实现所述连接基座与所述红外探测器的定位。 

本发明还提供一种红外成像系统的制备方法，包括如下步骤：提供一如上述的红外探测器、一固定装置和一红外光学镜头，所述固定装置包括控制基座和连接基座，所述控制基座是红外成像系统的控制模块；在所述连接基座上制作窗口；将所述连接基座与所述红外探测器焊接，所述窗口暴露出所述红外探测器的红外光学窗口；将所述连接基座与所述控制基座机械及电连接，以实现所述固定装置与所述红外探测器的机械及电连接；将所述红外光学镜头与所述连接基座背向红外探测器的一面机械连接，用于汇聚红外光。

本发明的优点在于，利用预制成型焊环实现红外探测器的晶圆级封装，

使得探测器的体积及封装成本降低；另外通过在红外探测器上预植焊球实现与固定装置直接的机械和电学连接，减小中间的转接板；且基座上的控温装置与红外探测器底部直接接触，实现对红外探测器的高效控温，拓展了红外成像系统工作环境适应性。

附图说明

图1为本发明红外探测器的结构示意图；

图2为本发明红外探测器制备方法的步骤示意图；

图3A~图3G为本发明红外探测器的工艺流程图；

图4为本发明红外成像系统的结构示意图；

图5为本发明红外成像系统制备方法的步骤示意图；

图6A~图6E为本发明红外成像系统制备方法的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的红外探测器、红外成像系统及其制备方法的具体实施方式做详细说明。

参见图1，本发明红外探测器10包括红外光学窗口11、焦平面阵列基板12及焊环13。所述红外探测器10可以为制冷或是非制冷探测器。

所述红外光学窗口11通过所述焊环13与所述焦平面阵列基板12连接。所述焦平面阵列基板12朝向所述红外光学窗口11的表面具有至少一个焊盘14，所述焊盘14设置于所述焊环13外围，且暴露于所述红外光学窗口11之外。所述焊盘14可以通过设置于所述焊盘14上的焊球将所述焦平面阵列基板12与外部固定装置20（参见图4）电连接。所述焊盘14可在所述焊环13外围设置多个，通过电路内部走线与设置在焦平面阵列基板12表面的焦平面阵列21相连。

进一步，所述红外光学窗口11朝向所述焦平面阵列基板12的表面具有双环形凸台微结构16，所述焊环13设置在所述双环形凸台微结构16的两环之间。进一步，所述双环形凸台微结构16的一个环的界面宽度为2~200微米，两环形结构之间的距离为300~1000微米。

进一步，所述红外光学窗口11朝向所述焦平面阵列基板12的表面及背向所述焦平面阵列基板12的表面均设置有抗反射结构17，所述抗反射结构17可以为多层复合光学膜或是微米结构几何图形，增加红外光学窗口的红外透过率。所述红外光学窗口11上沉积有吸气剂30，所述吸气剂30一般为锆（Zr）合金或是钛（Ti）基材料，吸附真空密封腔内释放的气体，保持腔体内的真空度，提高红外探测器10的性能。所述红外光学窗口11可以利用绝缘体硅片（SOI）制作或利用锗基红外光学材料制作。

进一步，所述红外光学窗口11包括种子层18，所述焦平面阵列基板12包括种子层19，所述焊环13分别通过种子层18和种子层19与所述红外光学窗口11和焦平面阵列基板12连接。所述种子层材料可以为Ti/Ni/Au或是Ti/Cu等金属。

参见图2，本发明还提供一种红外探测器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：步骤S20，提供一红外光学窗口和一焦平面阵列基板；步骤S21，在所述焦平面阵列基板的一表面上制作焊盘；步骤S22，在所述红外光学窗口的一表面制作双环形凸台微结构；步骤S23，在所述红外光学窗口的双环形凸台微结构的两环之间及焦平面阵列基板具有焊盘的表面制作种子层；步骤S24，在所述红外光学窗口双环形凸台微结构的两环之间固定一预先成型的焊环；步骤S25，以所述焊环为中间层，将所述红外光学窗口与所述焦平面阵列基板具有焊盘的表面键合，所述焊盘位于键合层外围，且暴露于所述红外光学窗口之外；步骤S26，在所述焊盘上植焊球，以形成具有焊球的红外探测器。

图3A ~图3G为本发明红外探测器的工艺流程图。

参见图3A及步骤S20，提供一红外光学窗口300和一焦平面阵列基板310。所述红外光学窗口300为绝缘体硅片（SOI）或锗基红外光学材料。在本具体实施方式中，所述红外光学窗口300为绝缘体硅片。所述绝缘体硅片300包括单晶硅层301、绝缘氧化层302及衬底层303。所述焦平面阵列基板310包括设置在衬底311中的读出电路312及设置在衬底311表面与所述读出电路312电连接的焦平面阵列313。

参见图3B及步骤S21，在所述焦平面阵列基310的一表面上制作焊盘314。所述焊盘314可采用光刻刻蚀方法制作，在此不赘述。

参见图3C及步骤S22，在所述红外光学窗口300的一表面制作双环形凸台微结构304。在本具体实施方式中，采用光刻刻蚀方法去除单晶硅层301，采用湿法刻蚀去除绝缘氧化层302，腐蚀终止与衬底层303，从而形成双环形凸台微结构304。

参见图3D及步骤S23，在所述红外光学窗口的双环形凸台微结构304的两环之间及焦平面阵列基板310具有焊盘314的表面制作种子层305和种子层315。所述种子层305和种子层315的材料可以为Ti/Ni/Au或是Ti/Cu等金属。所述种子层305和种子层315的制作方法可以为金属剥离工艺或硬掩膜工艺，其制作方法为现有技术，在此不赘述。

参见图3E及步骤S24，在所述红外光学窗口的双环形凸台微结构304的两环之间固定一预先成型的焊环306。所述焊环306通过种子层305与红外光学窗口300连接。焊环306的材料可以为Au/Sn、Ag/Sn等合金材料，焊环306的厚度在10~500微米之间。本发明红外探测器的焊环306采用预制成型的焊环，由于预制成型焊环的厚度较厚，且已控制，一般可达几百微米，可以方便增加真空密封腔的体积，提高红外探测器的真空寿命。

在所述步骤S24之前或之后还可以包括在所述红外光学窗口300的一个或两个表面制作红外光学抗反射结构307的步骤。所述抗反射结构307可以为多层复合光学膜或是微米结构几何图形，增加红外光学窗口300的红外透过率。在所述步骤S24之前或之后还可以包括在所述红外光学窗口300具有焊环306的表面制作吸气剂308的步骤。所述吸气剂308一般为锆（Zr）合金或是钛（Ti）基材料，吸附真空密封腔内释放的气体，保持腔体内的真空度，提高红外探测器的性能。

参见图3F及步骤S25，以所述焊环306为中间层，将所述红外光学窗口300与所述焦平面阵列基板310具有焊盘314的表面键合，所述焊盘314位于键合层外围，且暴露于所述红外光学窗口300之外。所述键合方法为现有技术，在此不赘述。在本步骤中，所述焊盘314需要暴露于所述红外光学窗口300之外，以便于所述焊盘314与外部固定装置连接。若所述红外光学窗口300的长度太长，以致于键合之后所述焊盘314不能暴露于所述红外光学窗口300之外，则在键合步骤之后，还包括一去除部分红外光学窗口300的步骤，以使所述焊盘314暴露于所述红外光学窗口300之外。若上述封装方法为晶圆级封装，则在键合之后进一步包括一划片步骤，以将所述红外探测器划分为单个红外探测器。

参见图3G及步骤S26，在所述焊盘314上植焊球316，以形成具有焊球316的红外探测器。在使用本发明红外探测器时，为了将所述红外探测器与外部设备机械及电连接，可以执行步骤S26。所述红外探测器进一步通过所述焊球316与外部固定装置机械及电连接。所述植焊球的步骤可以在上述划片步骤之后进行。

参见图4，本发明还提供一种红外成像系统。所述红外成像系统包括红外探测器10、固定装置20及红外光学镜头30。所述红外探测器10为上文叙述的红外探测器10。

所述固定装置20包括控制基座201和连接基座202，所述控制基座201为红外成像系统的控制模块。所述红外探测器的焦平面阵列基板12设置在所述控制基座201一表面上。

所述控制基座201和所述连接基座202为印刷电路板。所述控制基座201与所述连接基座202通过连接构件208实现彼此的机械及电连接。

所述控制基座201包括电压模块（附图中未标示）、处理模块205、I/O端口206和控温装置207。所述处理模块205包括FPGA、DSP、FLASH闪存等器件，实现对红外探测器施加时序及偏压等控制信号及采集输出数据。所述I/O端口206实现探测器输出、输入信号的控制，与外部设备互联。所述控温装置207可为半导体制冷器（TEC）或加热器。所述控温装置207设置在所述控制基座201表面与所述红外探测器的焦平面阵列基板12之间，且与所述红外探测器的焦平面阵列基板12贴合，以对红外探测器10的温度进行监测，使红外探测器10工作状态稳定。所述控温装置207进一步可以起到隔热的作用，以避免环境温度变化对红外探测器10工作状态产生影响。

所述连接基座202具有一窗口203，所述窗口203暴露出所述红外探测器的红外光学窗口11，用以使红外光学镜头30汇聚的红外光入射在红外光学窗口11上。所述连接基座202与所述红外探测器10焊接。在本具体实施方式中，所述连接基座202朝向红外探测器10的一面设置有焊盘204，所述连接基座的焊盘204与所述红外探测器的焊球316连接，以实现红外探测器10与所述固定装置20的机械及电连接。进一步，在所述连接基座的焊盘204所在表面还设置有一定位块209。所述定位块209与所述连接基座202形成定位台阶。所述连接基座的焊盘204位于所述定位台阶上，以实现所述连接基座202与所述红外探测器10的定位，使得连接基座的焊盘204与红外探测器的焊球316对准，且所述红外探测器的红外光学窗口11暴露，所述红外光学镜头30汇聚的红外光汇聚到红外探测器10上。

所述红外光学镜头30由机械连接部301及红外光学镜片302组成。所述红外光学镜片302由一组或多组光学镜片组成，其材料可以为锗（Ge）基或是硅（Si）基材料，并在红外光学镜片302表面镀膜，增加红外光学镜片为302的增透能力。所述红外光学镜头30与所述连接基座202背向红外探测器10的一面通过机械连接部的机械构件303机械连接，使红外光学镜头30位于红外探测器10的上方，可焦距在红外探测器的焦平面阵列21表面。所述红外光学镜头30采用降噪设计，进一步提高红外光学镜头30的光学品质，且所述红外光学镜头30可以实现光圈及焦距的调整功能。

参见图5，本发明还提供一种红外成像系统的制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤S50，提供一红外探测器、固定装置和红外光学镜头，所述红外探测器为上文描述的红外探测器，所述固定装置包括控制基座和连接基座，所述控制基座是红外成像系统的控制模块；步骤S51，在所述连接基座上制作窗口；步骤S52，将所述连接基座与所述红外探测器焊接，所述窗口暴露出所述红外探测器的红外光学窗口；步骤S53，将所述连接基座与所述控制基座机械及电连接，以实现所述基座与所述红外探测器的机械及电连接；步骤S54，将所述红外光学镜头与所述连接基座背向红外探测器的一面机械连接，用于汇聚红外光。

图6A~图6E为本发明红外成像系统的制备方法的工艺流程图。

参见图6A及步骤S50，提供一红外探测器600、固定装置610和红外光学镜头620，所述红外探测器600为上文描述的红外探测器10，所述固定装置610包括控制基座611和连接基座612，所述控制基座611为红外成像系统的控制模块。所述控制基座611包括电压模块（附图中未标示）、处理模块616、I/O端口617和控温装置618。所述处理模块616包括FPGA、DSP、FLASH闪存等器件，实现对红外探测器施加时序及偏压等控制信号及采集输出数据。所述I/O端口617实现探测器输出、输入信号的控制，与外部设备互联。所述控温装置618可为半导体制冷器（TEC）或加热器。所述控温装置618设置在所述控制基座611表面。

参见图6B及步骤S51，在所述连接基座612上制作窗口613。所述窗口613用于暴露出所述红外探测器的红外光学窗口11，用以使红外光学镜头620汇聚的红外光入射在红外光学窗口11上。进一步，在后续焊接步骤中，若需要在连接基座612上采用焊盘与所述红外探测器600焊接，则在本步骤中，进一步包括一在所述连接基座612上制作焊盘614的步骤。在所述连接基座612朝向红外探测器600的一面设置焊盘614，所述连接基座的焊盘614与所述红外探测器的焊盘14相对应。

进一步，在步骤S51之前或之后，还包括一形成定位台阶的步骤。所述形成定位台阶包括两种方法，一种方法是：在所述连接基座612上形成窗口613时直接形成台阶式的窗口。另一种方法是：形成窗口613后，在所述连接基座的焊盘204所在表面设设置定位块615，所述定位块615与所述连接基座612形成定位台阶。所述连接基座的焊盘614位于所述定位台阶上，以实现所述连接基座612与所述红外探测器600的定位，使得连接基座的焊盘614与红外探测器的焊盘14对准，且所述红外探测器的红外光学窗口11暴露，所述红外光学镜头620汇聚的红外光汇聚到红外探测器600上。

参见图6C及步骤S52，将所述连接基座612与所述红外探测器600焊接，使得红外探测器600与连接基座612形成机械固定及电连接，所述窗口613暴露出所述红外探测器的红外光学窗口11。所述连接基座的焊盘614与所述红外探测器焊盘14可通过焊球316连接，以实现所述连接基座612与红外探测器600的机械及电连接。

参见图6D及步骤S53，将所述连接基座612与所述控制基座611机械及电连接，以实现所述固定装置610与所述红外探测器600的机械及电连接。所述连接基座612与所述控制基座611通过连接构件630连接。所述红外探测器的焦平面阵列基板12与所述控温装置618贴合，以使得控温装置618对红外探测器600的温度进行监测，使红外探测器600工作状态稳定。

参见图6E及步骤S54，将所述红外光学镜头620与所述连接基座612背向红外探测器600的一面机械连接，用于汇聚红外光。所述红外光学镜头620由机械连接部621及红外光学镜片622组成。所述红外光学镜头620通过机械连接部的机械构件623与所述连接基座612连接。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。  

Claims (10)

1.一种红外探测器，包括红外光学窗口、焦平面阵列基板及焊环，所述红外光学窗口通过所述焊环与所述焦平面阵列基板连接，其特征在于，所述焦平面阵列基板朝向所述红外光学窗口的表面具有至少一个焊盘，所述焊盘设置于所述焊环外围，且暴露于所述红外光学窗口之外。

2.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述红外光学窗口朝向所述焦平面阵列基板的表面具有双环形凸台微结构，所述焊环设置在所述双环形凸台微结构的两环之间。

3.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述红外光学窗口朝向所述焦平面阵列基板的表面及背向所述焦平面阵列基板的表面均设置有抗反射结构，以增透红外光。

4.一种红外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： 提供一红外光学窗口和一焦平面阵列基板； 在所述红外光学窗口一表面固定一预先成型的焊环； 在所述焦平面阵列基板的一表面上制作焊盘； 以所述焊环为中间层，将所述红外光学窗口与所述焦平面阵列基板具有焊盘的表面键合，所述焊盘位于键合层外围，且暴露于所述红外光学窗口之外。

5.根据权利要求4所述的红外探测器的制备方法，其特征在于，在固定所述预先成型的焊环步骤之前，还包括一在所述红外光学窗口的一表面制作双环形凸台微结构的步骤，在固定所述预先成型的焊环步骤中，所述焊环固定在所述双环形凸台微结构的两环之间。

6.根据权利要求4所述的红外探测器的制备方法，其特征在于，在键合步骤之前，在所述焦平面阵列基板具有焊盘的表面制作种子层，在键合步骤中，所述预先成型的焊环与所述种子层焊接。

7.一种红外成像系统，包括红外探测器、固定装置及红外光学镜头，其特征在于， 所述红外探测器为上述权利要求1~3任一项所述的红外探测器； 所述固定装置包括控制基座和连接基座，所述控制基座是红外成像系统的控制模块，所述控制基座与所述连接基座机械及电连接； 所述红外探测器的焦平面阵列基板设置在所述控制基座一表面上； 所述连接基座具有一窗口，所述窗口暴露出所述红外探测器的红外光学窗口，用以使红外光学镜头汇聚的红外光入射在红外光学窗口上，所述连接基座与所述红外探测器焊接，以实现红外探测器与所述固定装置的机械及电连接； 所述红外光学镜头与所述连接基座背向红外探测器的一面机械连接，用于汇聚红外光。

8.根据权利要求7所述的红外成像系统，其特征在于，所述控制基座还包括控温装置， 所述控温装置设置在所述控制基座表面与所述红外探测器的焦平面阵列基板之间，且与所述红外探测器的焦平面阵列基板贴合，以对所述红外探测器的温度进行检测。

9.根据权利要求7所述的红外成像系统，其特征在于，在所述连接基座的焊盘所在表面还设置有一定位块，所述定位块与所述连接基座形成定位台阶，所述连接基座的焊盘位于所述定位台阶上，以实现所述连接基座与所述红外探测器的定位。

10.一种红外成像系统的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： 提供一如权利要求1~3任一项所述的红外探测器、一固定装置和一红外光学镜头，所述固定装置包括控制基座和连接基座，所述控制基座是红外成像系统的控制模块； 在所述连接基座上制作窗口； 将所述连接基座与所述红外探测器焊接，所述窗口暴露出所述红外探测器的红外光学窗口； 将所述连接基座与所述控制基座机械及电连接，以实现所述固定装置与所述红外探测器的机械及电连接； 将所述红外光学镜头与所述连接基座背向红外探测器的一面机械连接，用于汇聚红外光。