CN105004430B - 一种非制冷红外焦平面探测器的光电敏感单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非制冷红外焦平面探测器的光电敏感单元，旨在提供一种测量分辨率高、灵敏度高的非制冷红外焦平面探测器的光电敏感单元。它包括由半透明金属层、有机介质层及反射金属层叠置构成的谐振腔，以及固定设置于谐振腔下方用于实现光电信号转换的探测器单元；所述谐振腔的半透明金属层、有机介质层及反射金属层中至少一层设置有镂空的线条和/或图形。本发明通过对谐振腔的相应层进行镂空，有效减小谐振腔的热串扰，提高探测器单元的空间分辨率。

Description

一种非制冷红外焦平面探测器的光电敏感单元

技术领域

本发明涉及一种非制冷红外焦平面探测器，尤其是涉及一种非制冷红外焦平面探测器的光电敏感单元。

背景技术

红外焦平面探测器是获取目标景物红外热辐射信息的重要光电器件，按照探测器的工作温度高低可以将其分成两个大的种类：工作时探测器敏感元温度在-100℃及以下的为制冷型，工作时探测器敏感元温度在室温附近的为非制冷型。非制冷红外焦平面探测器的原理如图1，是将人眼不可见场景的红外辐射1，经过透镜2到达红外焦平面探测器3后转化为不同大小电信号30传输到探测器外部，以提供给其他电子部件进行处理。

通常非制冷红外焦平面探测器主要构成如图2，由窗片20、探测器管壳25、光电敏感单元23及信号处理电路模块70等几个部分组成，其中的光电敏感单元23将红外辐射变换为电信号，由信号处理电路模块70将该电信号放大和传输，管壳25和窗片20保证探测器的工作环境，并将信号处理电路模块7的信号向外输送。

非制冷红外探测器的整体性能虽较制冷红外探测器低，但已经能够满足现有相当多的应用场合的需要。由于非制冷红外探测器不需要使用笨重的制冷机和保持真空的杜瓦装置，使得探测器整体的复杂度、功耗、体积、重量大幅度下降，但非制冷红外探测器的价格还不能为市场更加广泛的接受。

热释电非制冷红外焦平面探测器是非制冷红外探测器的一种，当外部场景使得探测器敏感元件的温度发生变化时，会因热释电效应而使敏感元件产生电荷，该电荷经过电路放大后就得到对应的场景的温度变化。热释电非制冷红外焦平面探测器属于热效应探测器，材料本身对红外波段不能够完全吸收，其是吸收特定波长的红外线，敏感元件对红外波段的吸收效率较低（低于10%）。谐振腔为半透明金属层、有机介质层及反射金属层的叠加结构，特定波长红外线通过半透明金属层及有机介质层，经反射金属层反射回有机介质层和半透明金属内，由于有机介质层相对空气折射率的变化，经反射金属层反射发红外线不能重新入射到空气中，直到入射的红外线完全在有机介质层中转换为热量，实现对特定波长的全部吸收。

目前已有非制冷探测器光电敏感单元的谐振腔结构功能单一，只能完成对特定波长红外线的吸收。在热释电非制冷红外探测器的制造过程中，常规谐振腔没有对光电敏感单元的水平热传输进行隔离，致使光电敏感单元存在横向热扩散，导致最终转化的电信号噪声大、分辨率低，无法精确反应目标景物的红外热辐射。且现有的谐振腔散热慢，反应灵敏度低，无法及时反映目标景物的热辐射变化。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种测量分辨率高、灵敏度高的非制冷红外焦平面探测器的光电敏感单元。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种非制冷红外焦平面探测器的光电敏感单元，使用时通过上电极引线及下电极引线与信号处理电路模块连接；其包括由半透明金属层、有机介质层及反射金属层叠置构成的谐振腔，以及固定设置于谐振腔下方用于实现光电信号转换的探测器单元；所述谐振腔的半透明金属层、有机介质层及反射金属层中至少一层设置有镂空的线条和/或图形。

优选的是，所述反射金属层上设置镂空的线条和/或图形。

优选的是，所述半透明金属与有机介质层上设置镂空的线条和/或图形。

优选的是，所述线条为直线或曲线。

优选的是，所述线条为一条直线，将谐振腔的半透明金属层、有机介质层及反射金属层中的任意一层或两层分隔成两部分。

优选的是，所述上电极引线连接于半透明金属层的顶面。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明在谐振腔的半透明金属层、有机介质层及反射金属层中的至少一层设置有镂空的线条和/或图形，通过对谐振腔的相应层进行镂空，有效减小谐振腔的热串扰，提高探测器单元的空间分辨率。同时其散热快，能够及时准确的反映目标景物的温度变化，有效保证光电敏感单元的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为非制冷焦平面探测器的工作原理示意图。

图2为非制冷焦平面探测器的结构示意图。

图3为本发明第一个实施例的结构示意图。

图4为本发明第二个实施例的结构示意图。

图5为本发明与现有的光电敏感单元及美国进口的光电敏感单元的光学调制传递函数（MTF）比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图3所示为非制冷红外焦平面探测器的光电敏感单元的第一个实施例，使用时通过上电极引线及下电极引线与信号处理电路模块70连接；其包括由半透明金属层9、有机介质层10及反射金属层11叠置构成的谐振腔8，以及固定设置于谐振腔8下方用于实现光电信号转换的探测器单元4，探测器单元4可采用钛酸锶钡（BST）陶瓷制成；所述谐振腔8的半透明金属层9、有机介质层10及反射金属层11中至少一层设置有镂空的直线条12，直线条12为多条对称设置且与谐振腔8的边线平行或垂直。

其中，所述上电极引线连接于半透明金属层9的顶面。

图4所示为非制冷红外焦平面探测器的光电敏感单元的第二个实施例，其中，谐振腔8上仅设置一条直线条12，该直线条12将谐振腔8的半透明金属层9、有机介质层10及反射金属层11中的任意一层或两层分隔成两部分，其余部分基本与图3所示的实施例基本相同。

显然，上述实施例中，也可在谐振腔8上设置图形或者图案与线条的结合，线条也可采用曲线或弧线等。

本发明光电敏感单元的制造方法如下：

（1）在谐振腔8的表面采用光刻技术形成光刻胶掩蔽的图形，其中光刻胶厚度15um，将带有图形的零件放置在电感耦合等离子体刻蚀机（ICP）中，工艺条件为：工作气体：70%氧气与30%氩气，基底真空度4*10^-4Pa，工作气压：3Pa，上极板功率：25W，下极板功率：100W，刻蚀时间：8分钟。由于工作气体在设备中经过高压、高频线圈的作用成为等离子体状态，在上下极板的垂直电场作用下氧气和氩气的等离子体的物理化学作用，使得光刻胶没有掩蔽的图形部分被垂直刻蚀，使得三层结构的谐振腔8被刻蚀穿。刻蚀产生的残余物形成气体被ICP机械泵抽出设备外部，由于不同设备之间的差异刻蚀的时间参数稍有不同，通过调整刻蚀时间在不同的设备均可以完成刻蚀过程。

（2）将完成图形刻蚀的部件放置在丙酮液体中清洗并去除多余的残留物，然后采用乙醇、去离子水清洗，得到成品。

本发明与现有的光电敏感单元及美国进口的光电敏感单元的光学调制传递函数（MTF）比较图如图5所示，图中纵坐标是光学调制传递函数相对比例，横坐标是图像的频率，其表示探测器的空间热分辨率，在高频点的相对比例越高，则探测器得到的图像分辨率越高，探测器性能越好。如果探测器单元4之间存在显著的横向热扩散，探测器的空间热分辨率就会随图像频率急剧下降。

从试验可以看到，对谐振腔8进行镂空之后，在0.6这个特征点上（探测器性能的主要考核频率点）探测器单元的横向热隔离程度由20%提高到50%，图像的空间热分辨率提高30%。本发明通过对谐振腔的相应层进行镂空，有效减小谐振腔的热串扰，提高探测器单元的空间分辨率。同时其散热快，能够及时准确的反映目标景物的温度变化，有效保证光电敏感单元的灵敏度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种非制冷红外焦平面探测器的光电敏感单元，使用时通过上电极引线及下电极引线与信号处理电路模块连接；其包括谐振腔，以及固定设置于谐振腔下方用于实现光电信号转换的探测器单元；其特征在于：信号处理电路模块设于探测器单元下方，作为垂直支撑结构；谐振腔由依次设置的半透明金属层、有机介质层及反射金属层叠置构成；所述谐振腔的半透明金属层、有机介质层及反射金属层中至少一层设置有镂空的线条和/或图形；所述线条为直线和曲线，其中，谐振腔是在上下极板的垂直电场作用下氧气和氩气的等离子体的物理化学作用，使得光刻胶没有掩蔽的图形部分被垂直刻蚀，使得谐振腔被刻蚀穿，谐振腔表面形成光刻胶掩蔽的图形，光刻胶没有掩蔽的图形部分被垂直刻蚀，谐振腔蚀穿后作为一个整体，使得谐振腔的热串扰能够有效减小，探测器单元的空间分辨率提高。

2.根据权利要求1所述非制冷红外焦平面探测器的光电敏感单元，其特征在于：所述反射金属层上设置镂空的线条和/或图形；所述线条为直线和曲线。

3.根据权利要求1所述非制冷红外焦平面探测器的光电敏感单元，其特征在于：所述半透明金属与有机介质层上设置镂空的线条和/或图形；所述线条为直线和曲线。

4.根据权利要求1所述非制冷红外焦平面探测器的光电敏感单元，其特征在于：所述线条为直线和曲线，将谐振腔的半透明金属层、有机介质层及反射金属层中的任意一层或两层分隔成两部分。

5.根据权利要求1所述非制冷红外焦平面探测器的光电敏感单元，其特征在于：所述上电极引线连接于半透明金属层的顶面。