CN105486412A - 一种具有重叠垂直桥腿的非制冷红外焦平面阵列探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有重叠垂直桥腿的非制冷红外焦平面阵列探测器，包括桥层和对应桥层下方设置的衬底以及设在读出电路上的锚柱，衬底为矩形，其两斜对角具有缩进部，在缩进部设有读出电路，桥层具有桥面及其两斜对角向外侧延伸且向下重叠弯折垂直的桥腿，在桥面的另两斜对角，相对于缩进部设有凹进部，凹进部与缩进部呈上下对应，使得桥腿抵接衬底时向锚柱延伸且与锚柱接接，桥层在其斜对应的两桥腿支撑下，使得桥面与衬底形成有真空间隙层，藉由前述构造，解决了提升灵敏度、降低热量损失的技术问题，达成了提高了整体产品性能的良好效果。
Description
技术领域
本发明涉及激光控制器技术领域，特别是指提供一种具有重叠垂直桥腿的非制冷红外焦平面阵列探测器。
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，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；
——该探测器对于衬底热绝缘，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”。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种具有重叠垂直桥腿的非制冷红外焦平面阵列探测器。
为达成上述目的，本发明应用的技术方案是：提供了一种具有重叠垂直桥腿的非制冷红外焦平面阵列探测器，其包括桥层和对应桥层下方设置的衬底以及设在读出电路上的锚柱，衬底为矩形，其两斜对角具有缩进部，在缩进部设有读出电路，桥层具有桥面及其两斜对角向外侧延伸且向下重叠弯折垂直的桥腿，在桥面的另两斜对角，相对于缩进部设有凹进部，凹进部与缩进部呈上下对应，使得桥腿抵接衬底时向锚柱延伸且与锚柱接接，桥层在其斜对应的两桥腿支撑下，使得桥面与衬底形成有真空间隙层。
在本发明实施例中优选：桥腿包括根部、上下平行部及弯折部，上平行部垂直于根部，弯折部为重叠弯折垂直且连接上、下平行部，下平行部抵接于衬底表面，其自由端与锚柱连接。
在本发明实施例中优选：真空间隙层高度为1.6um～2.5um真空间隙层。
在本发明实施例中优选：上平行部、弯折部及下平行部的间隙分别为0.2um～1.2um，上平行部上表面高度与桥面相同，下平行部下表面抵接衬底表面。
在本发明实施例中优选：桥面及桥腿均包括吸收层及热敏感电阻层，其中桥腿还包括支撑层和金属导电层。
在本发明实施例中优选：桥面为吸收层与热敏感电阻层叠覆构成，或为吸收层、热敏感电阻层和吸收层；桥腿为支撑层与金属导电层叠覆构成，或为支撑层、金属导电层和支撑层叠覆构成。
在本发明实施例中优选：热敏感电阻层采用氢化非晶硅(a-Si：H)、非晶锗硅(a-SiGe)或氧化钒(VOx)材料，吸收层采用氧化硅、氮化硅或氮氧化硅材料，支撑层采用氧化硅、氮化硅或氮氧化硅材料，金属导电层采用钛、氮化钛或镍铬合金材料。
在本发明实施例中优选：衬底为读出集成电路衬底，其表面设置有红外辐射反射层。
本发明与现有技术相比，其有益的效果：
1.通过将探测器的桥面和桥腿分置于不同垂直平面上构成的结构，可以有效地提高桥层的有效吸收面积(及增加填充率)，具有很高的空间利用率，并且桥面与衬底构成的空腔内无任何物质，可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和桥腿面分置于不同垂直平面上，重叠垂直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是本发明实施例的立体结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
请参阅图1，呈现本发明提供一种具有重叠垂直桥腿的非制冷红外焦平面阵列探测器的立体示意图，在图中，具有重叠垂直桥腿的非制冷红外焦平面阵列探测器，包括桥层10和对应桥层10下方设置的衬底20以及设在读出电路30上的锚柱40，其中：衬底20基于矩形，其两斜对角具有缩进部21，在缩进部21设有读出电路30，桥层10具有桥面11及其两斜对角向外侧延伸且向下重叠弯折垂直的桥腿12，在桥面11的另两斜对角相对于缩进部21设有凹进部111，凹进部11与缩进部呈上下对应，桥腿12抵接衬底20并延伸至锚柱40且与锚柱40连接，其中桥腿12包括根部121、上、下平行部122、123及弯折部124，上平行部122垂直于根部121，弯折部124连接上、下平行部122、123，下平行部123在衬底20表面延伸，其自由端与锚柱40连接。藉此，使之非制冷红外焦平面阵列探测器在斜对应的两桥腿12的支撑下，让桥层10相对于衬底20呈悬空状。
在本实施例中，组装时，桥面11与衬底20表面之间的高度为1.6um～2.5um真空间隙层，这对红外波长λ＝8～14μm长波段具有λ/4选择吸收的能力；桥腿12的上平行部122、弯折部124及下平行部123的间隙分别为0.2um～1.2um真空间隙层，顶部(即上平行部122上表面)高度与桥面相同，底部(即下平行部123下表面)抵接衬底20表面。
在本实施例中，桥层10还包括用于吸收红外辐射并将其转化为热的吸收层(未标注)以及热敏感电阻层(未标注)。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，其中电阻温度变化特性的指标为电阻温度系数(TCR)，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1.8％-5％之间。
在本实施例中，重叠垂直桥腿12相对于衬底20，在探测器上能够起到热绝缘作用，其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，桥层10上的温升越高，热敏感层电阻在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12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、12μm×12μm、8μm×8μm探测器对热阻R的要求较高，在商业化的红外探测器中，已经能够达到40MK/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。
在本实施例中，桥层10包括红外热辐射吸收层和热敏感层，其垂直折叠桥腿12包括支撑层和金属导电层，其中：桥面为红外热辐射吸收层与热敏感层叠覆构成，或为红外热辐射吸收层、热敏感层和红外热辐射吸收层(三层)叠覆构成；桥腿为支撑层和金属导电层叠覆构成，或为支撑层、金属导电层和支撑层三层(三层)叠覆构成。桥面热敏感层为采用氢化非晶硅(a-Si：H)、非晶锗硅(a-SiGe)或氧化钒(VOx)材料，桥面红外辐射吸收层为采用氧化硅、氮化硅或氮氧化硅材料，桥腿支撑层为采用氧化硅、氮化硅或氮氧化硅材料；桥腿金属导电层为采用钛、氮化钛或镍铬合金。衬底10为读出集成电路衬底，其表面设置有红外辐射反射层。真空间隙层无填充物质，高度为1.6um～2.5um；垂直折叠间隔为真空间隙层，高度为0.2um～1.2um。
在本实施例中，非制冷式红外探测器的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，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15～100mK之间。NETD与热阻R和TCR之间的大致关系，如公式：
NETD∝Q/(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,Q为探测器单元桥面红外辐射热吸收率。NETD的影响因素是复杂的，公式仅说明其与热阻R、TCR以及探测器单元的有效面积A、填充比率η、探测器单元桥面红外辐射热吸收率Q之间的关系。对于通常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；对于双层或多层探测器结构而言，因辐射腔体内有桥腿或其他物质，导致探测器部分红外辐射热流失，最终NETD难以进一步减少。在本发明中，所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，并且提高探测器的红外辐射热吸收，从而实现更低的探测分辨率。
Claims (8)
1.一种具有重叠垂直桥腿的非制冷红外焦平面阵列探测器，包括桥层和对应桥层下方设置的衬底以及设在读出电路上的锚柱，其特征在于：衬底为矩形，其两斜对角具有缩进部，在缩进部设有读出电路，桥层具有桥面及其两斜对角向外侧延伸且向下重叠弯折垂直的桥腿，在桥面的另两斜对角，相对于缩进部设有凹进部，凹进部与缩进部呈上下对应，使得桥腿抵接衬底时向锚柱延伸且与锚柱接接，桥层在其斜对应的两桥腿支撑下，使得桥面与衬底形成有真空间隙层。
2.如权利要求1所述的非制冷红外焦平面阵列探测器，其特征在于：桥腿包括根部、上下平行部及弯折部，上平行部垂直于根部，弯折部为重叠弯折垂直且连接上、下平行部，下平行部抵接于衬底表面，其自由端与锚柱连接。
3.如权利要求2所述的非制冷红外焦平面阵列探测器，其特征在于：真空间隙层高度为1.6um～2.5um真空间隙层。
4.如权利要求3所述的非制冷红外焦平面阵列探测器，其特征在于：上平行部、弯折部及下平行部的间隙分别为0.2um～1.2um，上平行部上表面高度与桥面相同，下平行部下表面抵接衬底表面。
5.如权利要求4所述的非制冷红外焦平面阵列探测器，其特征在于：桥面及桥腿均包括吸收层及热敏感电阻层，其中桥腿还包括支撑层和金属导电层。
6.如权利要求5所述的非制冷红外焦平面阵列探测器，其特征在于：桥面为吸收层与热敏感电阻层叠覆构成，或为吸收层、热敏感电阻层和吸收层；桥腿为支撑层与金属导电层叠覆构成，或为支撑层、金属导电层和支撑层叠覆构成。
7.如权利要求6所述的非制冷红外焦平面阵列探测器，其特征在于：热敏感电阻层采用氢化非晶硅(a-Si：H)、非晶锗硅(a-SiGe)或氧化钒(VOx)材料，吸收层采用氧化硅、氮化硅或氮氧化硅材料，支撑层采用氧化硅、氮化硅或氮氧化硅材料，金属导电层采用钛、氮化钛或镍铬合金材料。
8.如权利要求7所述的非制冷红外焦平面阵列探测器，其特征在于：衬底为读出集成电路衬底，其表面设置有红外辐射反射层。
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