CN105737993A - 一种可调谐微测辐射热计像元结构及像元阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调谐微测辐射热计像元结构，包括衬底、底部电极、反射层和吸收层，底部电极固定置于衬底的上端面上，衬底上设置有立柱，立柱上固定设置有第一支撑装置，吸收层与第一支撑装置固定连接，且其处于底部电极的上方，吸收层的上端固定设置有热敏材料；反射层置于底部电极和吸收层之间，反射层通过可移动的第二支撑装置与立柱连接，反射层与吸收层之间构成法布里?珀罗谐振腔；反射层接入基准电位，底部电极接入静电驱动电压，反射层和底部电极之间形成静电力推动反射层纵向移动。相对现有技术，本发明能改善法布里?珀罗谐振腔的平行度、收窄了吸收带宽、提高了吸收率、降低静电驱动电压。

Description

一种可调谐微测辐射热计像元结构及像元阵列

技术领域

本发明涉及红外焦平面探测器技术领域，特别涉及一种可调谐微测辐射热计像元结构及像元阵列。

背景技术

红外焦平面阵列探测器是红外成像系统的核心部件，能够获取目标的红外辐射信息，并将其转换成为可测量的电信号。红外焦平面阵列探测器分为制冷型和非制冷型两类。非制冷型虽然灵敏度不及制冷型，但其拥有室温工作、轻巧便携、成本低等众多优点，在医疗传感、工业监测、安防军事等领域中应用逐渐广泛。

微测辐射热计是非制冷型红外焦平面探测器的一种，焦平面上的各个像素有一层悬浮的红外吸收材料和热敏感材料；当目标红外辐射找到像素上时，吸收材料会吸收热辐射使温度上升；由于材料悬浮，热量不易被传导消耗；同时热敏材料感受到温度上升，自身电阻率发生变化，通过在热敏材料两端施加一定的偏置电压，即可将入射红外辐射信号转化为流过材料的电流信号。

随着MEMS可调谐滤波器的应用开发，集成具有窄带红外吸收功能的红外焦平面阵列探测成为其发展方向之一。

现有技术主要存在以下不足：1、需要较高的静电驱动电压，在小像元情况下尤为明显；2、在于法布里-珀罗谐振腔的平行度的限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能改善法布里-珀罗谐振腔的平行度、收窄了吸收带宽、提高了吸收率、降低静电驱动电压的可调谐微测辐射热计像元结构及像元阵列。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种可调谐微测辐射热计像元结构，包括衬底、底部电极、反射层和吸收层，所述底部电极固定置于所述衬底的上端面上，所述衬底上设置有立柱，所述立柱上固定设置有第一支撑装置，所述吸收层与所述第一支撑装置固定连接，且其处于所述底部电极的上方，所述吸收层的上端固定设置有热敏材料；所述反射层置于所述底部电极和吸收层之间，所述反射层通过可移动的第二支撑装置与所述立柱连接，所述反射层与所述吸收层之间构成法布里-珀罗谐振腔；所述反射层接入基准电位，所述底部电极接入静电驱动电压，所述反射层和底部电极之间形成静电力推动反射层纵向移动。

本发明的有益效果是：反射层和底部电极之间形成静电力推动反射层纵向移动,改变法布里-珀罗谐振腔的腔长,又能改善法布里-珀罗谐振腔的平行度，法布里-珀罗谐振腔的选频作用可实现探测器的窄带红外吸收，收窄了吸收带宽、提高了吸收率。

进一步，所述热敏材料吸收并转化红外辐射能量。

进一步，多个所述像元结构排列组成像元阵列结构。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种可调谐微测辐射热计像元阵列，包括像元结构，所述像元结构设置有多个，多个所述像元结构的反射层共用一个或多个第二支撑装置，形成反射层平面内的多支撑结构。

本发明的有益效果是：多个像元结构的反射层共用一个或多个第二支撑装置，能有效降低静电驱动电压。

进一步，所述静电驱动电压V：

$V=\sqrt{\frac{{\mathrm{nEs}}^{\′}\mathrm{\Δ}d{(d-\mathrm{\Δ}d)}^2}{\∈{\mathrm{SL}}^{\′}}}$

其中n为第二支撑装置数目，E为第二支撑装置的弹性模量，S′为单个第二支撑装置的横截面积，L′为单个第二支撑装置的长度，Δd为腔长变化量，d为初始腔长，∈为真空介电常数，S为反射层与底部电极的正对面积。

附图说明

图1为本发明一种可调谐微测辐射热计像元结构的主视图；

图2为本发明一种可调谐微测辐射热计像元结构的正视图；

图3为本发明一种可调谐微测辐射热计像元阵列的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

11、衬底，12、底部电极，13、反射层，14、吸收层，15、热敏材料，16、第二支撑装置，17、第一支撑装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1和图2所示，一种可调谐微测辐射热计像元结构，包括衬底11、底部电极12、反射层13和吸收层14，所述底部电极12固定置于所述衬底11的上端面上，所述衬底11上设置有立柱，所述立柱上固定设置有第一支撑装置17，所述吸收层14与所述第一支撑装置17固定连接，且其处于所述底部电极12的上方，所述吸收层14的上端固定设置有热敏材料15；所述反射层13置于所述底部电极12和吸收层14之间，所述反射层13通过可移动的第二支撑装置16与所述立柱连接，所述反射层13与所述吸收层14之间构成法布里-珀罗谐振腔；所述反射层13接入基准电位，所述底部电极12接入静电驱动电压，所述反射层13和底部电极12之间形成静电力推动反射层13纵向移动。

优选的，所述热敏材料吸收并转化红外辐射能量。

优选的，多个所述像元结构排列组成像元阵列结构。

实施本装置，吸收层14上存在电位梯度分布，吸收层14与反射层13的电位差很小，使得吸收层14和反射层13之间不同位置的静电力差达到最小化，不同位置的所受静电力与电位差的平方成正比，即F＝kV²，以吸收层14两端电位取0V和2V为例，反射层13接入基准电位0V，而传统结构反射层电位为10V，若其他条件相同，吸收层14两端的最大静电力差为4k，小于传统结构的36k，并且吸收层14连接第一支撑装置17，其弹性系数大于传统结构，因此相比传统结构吸收层14与衬底11之间的平行度可以得到改善。

如图3所示，一种可调谐微测辐射热计像元阵列，包括像元结构，所述像元结构设置有多个，多个所述像元结构的反射层13共用一个或多个第二支撑装置16，形成反射层13平面内的多支撑结构。

本发明对反射层13与衬底11指之间的平行度也有较好的控制，反射层13与吸收层14之间在上不同位置的静电力差很小；同时反射层13与底部电极12之间在所有位置的电压差一致，在不同位置它们之间的静电力差为零；在法布里-珀罗谐振腔的传统结构中，第二支撑装置16分布于反射层的四周，而本结构中反射层13的第二支撑装置16可采用反射层13平面内多个第二支撑装置16，有多个第二支撑装置16的设计方式可以保持反射层13的平行度比较高。

优选的，所述静电驱动电压V：

$V=\sqrt{\frac{{\mathrm{nEs}}^{\′}\mathrm{\Δ}d{(d-\mathrm{\Δ}d)}^2}{\∈{\mathrm{SL}}^{\′}}}$

其中n为第二支撑装置16数目，E为第二支撑装置16的弹性模量，S′为单个第二支撑装置16的横截面积，L′为单个第二支撑装置16的长度，Δd为腔长变化量，d为初始腔长，∈为真空介电常数，S为反射层13与底部电极12的正对面积；S近似为阵列的面积，因此在尺寸条件确定的情况下，达到相同的Δd，V与单位面积下的第二支撑装置16数量n/S相关；若采用图3所示反射层的一种共用支撑设计，相对于传统的不共用结构，其所需静电驱动电压大约下降35％至45％，减少第二支撑装置16的数量可以进一步降低所需静电驱动电压。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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)

1.一种可调谐微测辐射热计像元结构，其特征在于：包括衬底(11)、底部电极(12)、反射层(13)和吸收层(14)，所述底部电极(12)固定置于所述衬底(11)的上端面上，所述衬底(11)上设置有立柱，所述立柱上固定设置有第一支撑装置(17)，所述吸收层(14)与所述第一支撑装置(17)固定连接，且其处于所述底部电极(12)的上方，所述吸收层(14)的上端固定设置有热敏材料(15)；所述反射层(13)置于所述底部电极(12)和吸收层(14)之间，所述反射层(13)通过可移动的第二支撑装置(16)与所述立柱连接，所述反射层(13)与所述吸收层(14)之间构成法布里-珀罗谐振腔；所述反射层(13)接入基准电位，所述底部电极(12)接入静电驱动电压，所述反射层(13)和底部电极(12)之间形成静电力推动反射层(13)纵向移动。

2.根据权利要求1所述一种可调谐微测辐射热计像元结构，其特征在于：所述热敏材料(15)吸收并转化红外辐射能量。

3.根据权利要求1所诉一种可调谐微测辐射热计像元结构，其特征在于：多个所述像元结构排列组成像元阵列结构。

4.一种可调谐微测辐射热计像元阵列，其特征在于：包括权利要求1至3所述的像元结构，所述像元结构设置有多个，多个所述像元结构的反射层(13)共用一个或多个第二支撑装置(16)，形成反射层(13)平面内的多支撑结构。

5.根据权利要求4所述一种可调谐微测辐射热计像元阵列，其特征在于：所述静电驱动电压V：

$V=\sqrt{\frac{{\mathrm{nEs}}^{\′}\mathrm{\Δ}d{\left(d-\mathrm{\Δ}d\right)}^2}{\∈{\mathrm{SL}}^{\′}}}$

其中n为第二支撑装置(16)数目，E为第二支撑装置(16)的弹性模量，S′为单个第二支撑装置(16)的横截面积，L′为单个第二支撑装置(16)的长度，Δd为腔长变化量，d为初始腔长，∈为真空介电常数，S为反射层(13)与底部电极(12)的正对面积。