CN104330169A - 一种非制冷型毫米波/红外叠层探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非制冷型毫米波/红外叠层探测器，包括微带天线、非制冷型探测器元件和读出电路，微带天线通过粘合剂粘贴在非制冷型探测器元件背面，非制冷型探测器元件的正面通过连接柱与读出电路连接；所述微带天线的绝缘介质基片的一面为石墨烯导电薄膜，石墨烯导电薄膜上刻蚀出的缝隙成阵列分布，在绝缘介质基片另一面，与石墨烯导电薄膜上每个缝隙对应位置都印制有金属馈线；当包含有毫米波和红外辐射的射线射入该双模探测器时，首先经过微带缝隙天线，对毫米波进行接收，再由非制冷型探测器元件接收到入射的红外射线，从而实现了双模叠层探测。

Description

一种非制冷型毫米波/红外叠层探测器

技术领域

本发明涉及一种非制冷型毫米波/红外叠层探测器，属于多模、多光谱复合探测中的探测器技术。

背景技术

采用双模或多模探测技术能够更加有效的对目标的特性进行探测，是未来探测技术发展的主流方向之一。由于双模或多模复合探测能够探测同一目标的两种电磁谱段以上的目标特性，因此能够提供更多的信息量，有利于发挥各自优势，解决单一模式所难以解决的问题。

将天线作为光学探测器的窗口可实现双模共孔径探测，但该天线必须透光。透明电子学是近年来十分热门的研究领域，纳米级厚度的石墨烯既具有良好的导电性能，又在红外波段有很高的透过率。因此，可以采用石墨烯薄膜替代以往的微带贴片天线中的金属贴片(薄膜)和地板，制备透红外的毫米波天线，其与红外焦平面探测器的结合可以实现毫米波/红外复合的双模探测器。

在某些应用系统中要求结构紧凑、体积小且同轴共视场。为了满足这种需求，本发明制备出一种结构紧凑、体积小又能实现双模探测的探测器，即非制冷型毫米波/红外叠层探测器。

发明内容

本发明的目的是提供一种非制冷型毫米波/红外叠层探测器，用以解决某些应用系统中对探测器既要结构紧凑、体积小，又能实现双模探测的需求的技术问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种非制冷型毫米波/红外叠层探测器，包括微带天线、非制冷型探测器元件和读出电路，其特征在于，微带天线的背面通过粘合剂粘贴在非制冷型探测器元件背面，非制冷型探测器元件的正面通过连接柱与读出电路连接；所述微带天线的绝缘介质基片的一面为石墨烯导电薄膜，石墨烯导电薄膜上刻蚀出的缝隙成阵列分布，在绝缘介质基片另一面，与石墨烯导电薄膜上每个缝隙对应位置都印制有金属馈线，所述的石墨烯导电薄膜透红外辐射，所述微带天线接收毫米波。

所述石墨烯导电薄膜为2-8层石墨烯薄膜。

所述的非制冷型探测器元件为InAsGa焦平面探测器，工作在室温环境下。

所述的InAsGa焦平面探测器含有阵列分布的光敏元，金属馈线分布在光敏元之间的缝隙所对应的绝缘介质基片上。

所述的光敏元之间的间隙为10-20微米。

所述连接柱为铟柱。

所述绝缘介质基片材料选取二氧化硅、蓝宝石、氟化镁或者尖晶石。

本发明的技术方案提供的双模探测器中微带天线和探测器元件通过粘合剂粘贴在一起，探测器元件通过铟柱与读出电路连接在一起，这使双模探测器结构紧凑、体积小。

另外，微带天线的绝缘介质基片正面为石墨烯导电薄膜，石墨烯导电薄膜上刻蚀出的缝隙成阵列分布，在绝缘介质基片另一面，与石墨烯导电薄膜上每个缝隙对应位置都印制有金属馈线；导电薄膜是由石墨烯制成的，石墨烯薄膜不仅具有良好的导电性，还可以透射红外线，当包含有毫米波和红外辐射的射线射入该双模探测器时，首先经过微带缝隙天线，对毫米波进行接收，由于该微带天线整体对红外波段有良好的透过率，InAsGa焦平面探测器能够接收到大部分入射的红外射线，从而实现了双模叠层探测，并且结构紧凑、体积小，为毫米波/红外双模复合探测的广泛应用奠定基础。

附图说明

图1是本发明实施例中双模探测器的俯视图；

图2是本发明实施例中双模探测器的侧视图；

图3是本发明实施例中双模探测器的剖面图；

图中1为绝缘介质基片，2为石墨烯薄膜，3为金属馈线，4为InAsGa焦平面探测器，5为铟柱，6为Si-CMOS读出电路，7为透红外的粘合剂。

具体实施方式

本发明提供了一种非制冷型毫米波/红外叠层探测器，包括微带天线、非制冷型探测器元件和读出电路，微带天线通过粘合剂粘贴在非制冷型探测器元件背面，非制冷型探测器元件的正面通过连接柱与读出电路连接；所述微带天线的绝缘介质基片的一面为石墨烯导电薄膜，石墨烯导电薄膜上刻蚀出的缝隙成阵列分布，在绝缘介质基片另一面，与石墨烯导电薄膜上每个缝隙对应位置都印制有金属馈线。

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1、图2所示为一种非制冷型毫米波/红外双模探测器，该双模探测器由微带天线、InAsGa焦平面探测器4与Si-CMOS读出电路构成6，其中微带天线为微带缝隙天线，微带天线的绝缘介质基片1上面为石墨烯导电薄膜2，石墨烯导电薄膜2上刻蚀出的缝隙成阵列分布，在绝缘介质基片1另一面，与导电薄膜上每个缝隙对应位置都印制有金属馈线3，InAsGa焦平面探测器为64×64元的光敏元件，光敏元件之间的间隙为10-20微米，为了不遮挡入射的红外辐射，金属馈线3被精确的分布在光敏元之间的缝隙所对应的绝缘介质基片1上的区域。微带缝隙天线的背面通过透红外的粘合剂24#环氧胶粘在InAsGa焦平面探测器4的背面，InAsGa焦平面探测器4的正面通过铟柱5与Si-CMOS读出电路6连接成通路。

导电薄膜2由三层纳米级厚度的石墨烯薄膜制成。绝缘介质基片1为厚度为0.2毫米的蓝宝石，石墨烯薄膜2上刻蚀4×4元窄缝阵列图形，金属馈线3的材料选择铬/金；连接柱为铟柱，绝缘介质基片1材料选取二氧化硅、蓝宝石、氟化镁或者尖晶石。

图3为本发明双模探测器的剖面图，清晰显示双模探测器每层的结果，InAsGa焦平面探测器也可以为128×128元和256×256元，工作在室温下，工作波段为0.7μm～1.4μm。

该毫米波/红外双模复合探测器的制作过程如下：

1.绝缘介质基片1选择蓝宝石，厚度为0.2毫米，石墨烯薄膜2选择4×4元窄缝阵列图形，金属馈线3的材料选择铬/金。天线工作的中心频率为35GHz。根据设计的微带缝隙天线中缝隙的形状制备出光刻版图，包括制备馈线图形用的光刻版和制备天线图形用的光刻版。

2.将单层石墨烯薄膜用化学气相沉积设备生长在铜箔衬底上。

3.将蓝宝石先用三杯丙酮清洗，用甲醇及去离子水冲洗干净。

4.将表面清洗干净的蓝宝石放置到等离子水槽中，再将生长到铜衬底的石墨烯薄膜一同放置注满离子水的水槽中，使单层石墨烯薄膜脱离铜衬底，漂浮至蓝宝石衬底上。重复三次该工艺，将三层石墨烯转移到蓝宝石介质基片上。采用天线图形光刻版对此面进行光刻、显影、后烘等工艺制备出天线图形。

5.通过干法刻蚀去掉图形以外的石墨烯。利用等离子化学反应刻蚀方法，在20℃温度向反应室通入20sccm的氧气(O₂)20sccm，在0.5Pa的压力下用150W的功率刻蚀50秒。取出后，用丙酮去除光刻胶。

6.利用真空热蒸发方法，将蓝宝石衬底装入高真空镀膜机，将铬粒与金丝放入不同蒸发舟内。蒸发铬(Cr)时，当真空度小于1.0E-3Pa时，开始蒸发，蒸发50nm。蒸发金(Au)时，当真空度小于1.0E-3Pa时开始蒸发，在衬底生长上一层厚度约2微米金电极薄膜，利用馈线光刻版进行光刻、显影、后烘、剥离等工艺制备出金属馈线。

7.通过晶片切割、测试筛选、引线焊接、封装形成透红外辐射的石墨烯天线。

8.InAsGa焦平面探测器4的面元数为64×64元，工作波段为0.7μm～1.4μm，其正面通过铟柱5与Si-CMOS读出电路6连接成通路。InAsGa焦平面探测器的背面通过透红外的24#环氧胶与制备好的石墨烯微带天线附有金属馈线的一面粘合在一起，从而构成毫米波/红外双模复合探测器。

其中微带缝隙天线的缝隙尺寸和排列关系与所需的频率和天线的阵元数有关，根据具体情况进行设置。

以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种非制冷型毫米波/红外叠层探测器，包括微带天线、非制冷型探测器元件和读出电路，其特征在于，微带天线通过粘合剂粘贴在非制冷型探测器元件背面，非制冷型探测器元件的正面通过连接柱与读出电路连接；所述微带天线的绝缘介质基片的一面为石墨烯导电薄膜，石墨烯导电薄膜上刻蚀出的缝隙成阵列分布，在绝缘介质基片另一面，与石墨烯导电薄膜上每个缝隙对应位置都印制有金属馈线，所述的石墨烯导电薄膜透红外辐射，所述微带天线接收毫米波。

2.根据权利要求1所述的非制冷型毫米波/红外叠层探测器，其特征在于，所述石墨烯导电薄膜为2-8层石墨烯薄膜。

3.根据权利要求1所述的非制冷型毫米波/红外叠层探测器，其特征在于，所述的非制冷型探测器元件为InAsGa焦平面探测器，工作在室温环境下。

4.根据权利要求3所述的非制冷型毫米波/红外叠层探测器，其特征在于，所述的InAsGa焦平面探测器含有阵列分布的光敏元，金属馈线分布在光敏元之间的缝隙所对应的绝缘介质基片上。

5.根据权利要求4所述的非制冷型毫米波/红外叠层探测器，其特征在于，所述的光敏元之间的间隙为10-20微米。

6.根据权利要求1所述的非制冷型毫米波/红外叠层探测器，其特征在于，所述连接柱为铟柱。

7.根据权利要求1所述非制冷型毫米波/红外叠层探测器，其特征在于，所述绝缘介质基片材料选取二氧化硅、蓝宝石、氟化镁或者尖晶石。