CN109309140B - 偏振非制冷红外焦平面探测器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种偏振非制冷红外探测器，包括：阵列排列的多个探测器像元，所述探测器像元包括：包含读出电路的硅基片和所述硅基片之上的微桥结构，其中相邻两行两列的四个所述探测器像元为一个像元组，每个所述像元组中的多个所述探测器像元的偏振结构的设计相同，相互之间通过旋转得到。本申请的技术方案，在非制冷红外焦平面上的探测器像元的微桥结构上集成偏振结构，整个焦平面由多行多列探测器像元构成，每两行两列探测器像元为一个像元组，每个像元组中的多个探测器像元的偏振结构的设计相同，每个像元组中的多个探测器像元的偏振结构通过旋转得到，在进行不同偏振方向的偏振光强度相减扣除时，背景强度相互抵消，实现尽可能均匀的消光比。
Description
技术领域
本申请涉及红外成像技术领域，尤其涉及一种偏振非制冷红外焦平面探测器。
背景技术
自从美国Honeywell公司在上个世纪九十年代公开其基于氧化钒(VOx)的非制冷红外焦平面(Infrared Focal Plane Array，简称IRFPA)探测器专利以来，主要发达国家都研发并生产了多种类似产品，广泛地应用于夜视、观瞄、枪瞄、导引等军事领域，以及安防监控、测温、森林防火、辅助驾驶等民用领域。中国也在2010年左右正式地进入了这个产业。
非制冷红外焦平面探测器通常由红外焦平面芯片、封装壳体、吸气剂、光学窗片组成，有的还包含半导体制冷片(Thermo Electric Cooler，简称TEC)。普通的红外焦平面芯片上由多行多列的微测热辐射计像元形成阵列，吸收目标辐射出来的红外线，将其转化为热，由此产生的温度变化引起热敏材料(最常见的是氧化钒或多晶硅)的电阻变化，通过读出电路读出该变化，进一步通过A/D转换(Analog-to-Digital Convert，模数转换)后导出到显示设备成像。图像上的灰度通常代表目标的冷热状况，因此这个过程通常被称为红外热成像。红外热成像是通过利用光强这一物理特性，反映目标的温度及辐射特性。
由于光是横波，因此具有偏振这另一重要物理特性。由于光的偏振特性，当光在在两种介质的界面反射时会产生偏振光，并且反射光会随着反射角的变化而变化。因此反射光中包含着界面的信息，可以通过分析反射光的偏振信息获得界面信息。偏振红外热成像就是为了实现这一目的而发展起来的技术。
为了获得红外线中的偏振信息，可以在红外热像仪的镜头外安装可旋转外置偏振片。自然光通过偏振片后会成为线偏振光，而通过改变偏振片的角度则可改变透过的红外光线的偏振方向。用户获取到不同偏振方向的偏振光的热图像之后，再进行后续处理，提取偏振信息。这一方法有三个缺点：1)外置偏振片的安装会受到红外热像仪本身的形状、体积等限制，光学元件复杂，光路系统复杂，成本较高，设计难度较大；2)成像不具有实时性，尤其是针对快速运动的物体；3)外置偏振片与红外探测器之间存在相当的距离，经过偏振片的光线在红外探测器焦平面的不同像元上会形成窜扰，使得实际消光比远远低于偏振片自身的消光比。
由于外置偏振片的这些缺点，有人在探测器像元上直接集成偏振结构来获取偏振光信息，如图1所示。这种方法的优点就是不用使用外置偏振片，而且可以获取实时信息，并且无窜扰。
常用的偏振结构通常是不同偏振方向的金属光栅，比如0°、45°、90°、135°四个偏振方向，或者0°、60°、120°三个偏振方向(此处假设面对页面时从左往右代表0°方向，角度按逆时针方向递增)。通过将不同偏振方向上获得的偏振光光强进行处理，即可获得偏振信息。
标志金属光栅偏振结构能力的指标是消光比，即在无偏振光入射的情况下，透射光中垂直于光栅的光场分量强度与平行于光栅的光场分量强度之比。在红外焦平面阵列中，标志一个偏振组合的指标是组合中各种偏振结构消光比的差异。在理想的偏振结构中，我们期望不同偏振方向的金属光栅的宽度、长度、间距都一模一样，可以通过简单的旋转而获得，这样在进行不同偏振方向的偏振光强度相减扣除时，背景强度能够相互抵消，消光比也比较均匀。但是，在焦平面像元上具体实现这些结构时，会受到像元自身具体结构的限制。在红外焦平面阵列中，虽然像元是在两个互相垂直的方向上周期性铺展，但像元自身能用于做偏振结构的区域却未必一定是正方形。如图2所示，如果金属光栅能做在正方形的桥面上，那么0°和90°偏振方向的偏振结构是一样的，但在数量与光栅线条的长宽比上都会与45°和135°上的金属光栅不同，消光比不一样，偏振效果就会略有差异，影响对比效果。另外，45°和135°结构上边缘的金属线条的长度较短，长宽比不够大，偏振效应会偏弱。更多的设计中，金属光栅所在的桥面并不是正方形，而是长方形。在这种情况下，连0°和90°偏振方向的偏振结构都是不一样的，如图3所示。如果偏振方向要求是0°、60°、120°三个方向，那么受正方形或矩形像元的影响将更大，如图4所示。
发明内容
在下文中给出了关于本申请的简要概述，以便提供关于本申请的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本申请的穷举性概述。它并不是意图确定本申请的关键或重要部分，也不是意图限定本申请的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于现有技术的上述缺陷，本申请的目的之一是提供一种偏振非制冷红外探测器像元结构，以实现在红外探测器上集成偏振结构，克服现有的外置偏振片的缺点，并且使用正八边形的偏振结构以实现各偏振片上均匀的消光比。
根据本申请的一个方面，提供一种偏振非制冷红外探测器像元结构，包括：阵列排列的多个探测器像元，所述探测器像元包括：包含读出电路的硅基片和所述硅基片之上的微桥结构，所述硅基片上设有电极与金属反射层，所述第一介质保护层覆盖所述金属反射层与所述电极，并开有第一通孔以露出所述电极，所述读出电路与所述电极电连接，所述微桥结构包括桥面和桥墩，其中，所述桥面从下到上依次包括支撑层、热敏电阻层、第二介质保护层、导电层、第三介质保护层、红外吸收层、第四介质保护层和偏振结构，所述偏振结构包括若干个依次平行排列的金属线条，所述桥墩从下到上依次包括支撑层、导电层和第三介质保护层，其中，所述支撑层在所述桥墩处开有第二通孔，所述第二通孔终止于所述电极，所述导电层通过所述第二通孔与所述电极电连接，所述第二介质保护层上开有第三通孔，所述第三通孔终止于所述热敏电阻层，所述热敏电阻层通过所述第三通孔与所述导电层电连接；其中相邻两行两列的四个所述探测器像元为一个像元组，每个所述像元组中的多个所述探测器像元的偏振结构相同，相互之间通过旋转得到。
本申请的技术方案，在非制冷红外焦平面上的探测器像元的微桥结构上集成偏振结构，能够实现偏振结构在红外探测器的内置集成，整个焦平面由多行多列探测器像元构成，每两行两列探测器像元为一个像元组，每个像元组中的多个探测器像元的偏振结构的设计相同，每个像元组中的多个探测器像元的偏振结构相互之间通过旋转得到，这样在进行不同偏振方向的偏振光强度相减扣除时，背景强度能够相互抵消，能够实现尽可能均匀的消光比。
附图说明
为了进一步阐述本发明的以上和其他优点和特征，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分。应当理解，这些附图仅描述本发明的典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。在附图中：
图1为在探测器像元上集成偏振结构的三维示意图；
图2为正方形桥面中0°、45°、90°、135°光栅线条的排布示意图；
图3为长方形桥面中0°、45°、90°、135°光栅线条的排布示意图；
图4为长方形桥面中0°、60°、120°光栅线条的排布示意图；
图5为根据本申请的偏振非制冷红外探测器的探测器像元的一种实施方式的结构示意图；
图6为根据本申请的偏振非制冷红外探测器的偏振结构的偏振方向为0°、45°、90°、135°的组合的示意图；
图7为根据本申请的偏振非制冷红外探测器的偏振结构的偏振方向为0°、45°、90°、无偏振的组合的示意图；
图8为根据本申请的偏振非制冷红外探测器的偏振结构的偏振方向为0°、60°、120°、无偏振的组合的示意图；
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本申请的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目的，例如符合与系统业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发仅仅是例行的任务。在此，还需要说明的一点是，为了避免不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
根据本发明，介绍一种偏振非制冷红外探测器像元结构，包括：阵列排列的多个探测器像元，探测器像元包括：包含读出电路的硅基片和硅基片之上的微桥结构，硅基片上设有电极与金属反射层，第一介质保护层覆盖金属反射层与电极，并开有第一通孔以露出电极，读出电路与电极电连接，微桥结构包括桥面和桥墩，其中，桥面从下到上依次包括支撑层、热敏电阻层、第二介质保护层、导电层、第三介质保护层、红外吸收层、第四介质保护层和偏振结构，偏振结构包括若干个依次平行排列的金属线条，桥墩从下到上依次包括支撑层、导电层和第三介质保护层，其中，支撑层在桥墩处开有第二通孔，第二通孔终止于电极，导电层通过第二通孔与电极电连接，第二介质保护层上开有第三通孔，第三通孔终止于热敏电阻层，热敏电阻层通过第三通孔与导电层电连接。
其中相邻两行两列的四个探测器像元为一个像元组，每个像元组中的多个探测器像元的偏振结构的设计相同，相互之间通过旋转得到。
如图5所示为根据本申请的偏振非制冷红外探测器的探测器像元的一种实施方式的结构示意图。偏振非制冷红外探测器像元结构包括：阵列排列的多个探测器像元，探测器像元包括：包含读出电路的硅基片1和硅基片1之上的微桥结构，硅基片1上设有电极2与金属反射层3，第一介质保护层4覆盖金属反射层3与电极2，并开有第一通孔4-1以露出电极2，读出电路与电极2电连接，微桥结构包括桥面和桥墩，其中，桥面从下到上依次包括支撑层6、热敏电阻层7、第二介质保护层8、导电层9、第三介质保护层10、红外吸收层11、第四介质保护层12和偏振结构13，偏振结构13包括若干个依次平行排列的金属线条，金属线条的宽度相等，可以为0.18-0.4μm，金属线条之间等间距排列，其宽度与间距之差的绝对值小于0.1μm，金属线条的长宽比大于20:1，金属线条的厚度为0.18-0.4μm，金属线条的材料可以为以下其中之一：铝、钛、金、铂、铜、银、铝铜合金和铝硅铜合金，在此限定金属线条的尺寸与材料，本领域技术人员可以根据需要进行选择，桥墩从下到上依次包括支撑层6、导电层9和第三介质保护层10，第一介质保护层4、第二介质保护层8、第三介质保护层10和第四介质保护层12的材料可以分别为以下其中之一：氮化硅、氧化硅或氮氧化硅，电极2与导电层9的材料可以分别为以下其中之一：钛、氮化钛、镍铬合金或钛铝合金，热敏电阻层7的材料可以为以下其中之一：氧化钒、氧化钛、氧化锌、多晶硅或钇钡铜氧，红外吸收层的材料为以下其中之一：钛、氮化钛、镍铬合金或石墨烯，红外吸收层与金属反射层距离可以为以下其中之一：2-2.7μm和0.8-1.3μm。
其中，支撑层6在桥墩处开有第二通孔6-1，第二通孔6-1终止于电极2，导电层9通过第二通孔6-1与电极2电连接，第二介质保护层8上开有第三通孔8-1，第三通孔8-1终止于热敏电阻层7，热敏电阻层7通过第三通孔8-1与导电层9电连接。
其中相邻两行两列的四个探测器像元为一个像元组，每个像元组中的多个探测器像元的偏振结构的设计相同，相互之间通过旋转得到。
在进行偏振结构的设计时，常用的偏振结构中的偏振方向包括0°、45°、90°、135°、60°和120°(面对页面时从左往右代表0°方向，角度按逆时针方向递增)，通过将不同偏振方向上获得的偏振光光强进行处理，即可获得偏振信息。本申请并不具体限制偏振结构中的偏振方向，本领域技术人员可以根据需要进行选择与设计。
作为一个具体的实施例，如图6所示为根据本申请的偏振非制冷红外探测器的偏振结构的偏振方向为0°、45°、90°、135°的组合的示意图。
每个像元组中的多个探测器像元的偏振结构的偏振方向可以分别为0°、45°、90°、135°，此时桥面的形状可以选择为正八边形，在此不作限定，为使偏振结构充分填充桥面的区域，偏振结构的形状也可以选择为正八边形，此时例如对其中偏振方向为0°的偏振结构逆时针旋转45°即可得到偏振方向为45°的偏振结构，再逆时针旋转45°即可得到偏振方向为90°的偏振结构，再逆时针旋转45°即可得到偏振方向为135°的偏振结构，再逆时针旋转45°即可得到偏振方向为0°的偏振结构，再逆时针旋转45°即可重新得到偏振方向为45°的偏振结构，由此，每个像元组中的多个偏振结构相互之间能够通过旋转得到。
如图7所示为根据本申请的偏振非制冷红外探测器的偏振结构的偏振方向为0°、45°、90°、无偏振的组合的示意图。
每个像元组中的三个偏振结构的偏振方向可以分别为0°、45°和90°，另外一个偏振结构无偏振效果，旋转方法与图6中所示的偏振结构的旋转方法相同，在此不再赘述。
如图8所示为根据本申请的偏振非制冷红外探测器的偏振结构的偏振方向为0°、60°、120°、无偏振的组合的示意图。
每个像元组中的三个偏振结构的偏振方向可以分别为0°、60°和120°，另外一个偏振结构无偏振效果，虽然此时桥面的形状仍为正八边形，但是各个偏振结构设计相同，相互之间仍然可以通过旋转得到，例如，对其中偏振方向为0°的偏振结构逆时针旋转60°即可得到偏振方向为60°的偏振结构，再逆时针旋转60°即可得到偏振方向为120°的偏振结构，以满足各个偏振结构能够通过依次旋转60°即可得到另外的偏振结构。
上述图6、图7和图8中将桥面选为正八边形仅为举例说明，本申请对桥面的形状不做具体限定，只要能够满足每个像元组中的多个探测器像元的偏振结构设计相同，并且能够通过相互之间旋转得到即可。
本申请的技术方案，在非制冷红外焦平面上的探测器像元的微桥结构上集成偏振结构，能够实现偏振结构在红外探测器的内置集成，整个焦平面由多行多列探测器像元构成，每两行两列探测器像元为一个像元组，每个像元组中的多个探测器像元的偏振结构的设计相同，每个像元组中的多个探测器像元的偏振结构相互之间通过旋转得到，这样在进行不同偏振方向的偏振光强度相减扣除时，背景强度能够相互抵消，能够实现尽可能均匀的消光比。
以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。并且，在本发明的结构中，各部件是可以分解和/或重新组合的，这些分解和/或重新组合应该视为本发明的等效方案。
根据以上实施方式的说明，本申请提供了如下技术方案：
方案1、一种偏振非制冷红外探测器，其中，包括：
阵列排列的多个探测器像元，所述探测器像元包括：包含读出电路的硅基片和所述硅基片之上的微桥结构，所述硅基片上设有电极与金属反射层，所述第一介质保护层覆盖所述金属反射层与所述电极，并开有第一通孔以露出所述电极，所述读出电路与所述电极电连接，所述微桥结构包括桥面和桥墩，其中，所述桥面从下到上依次包括支撑层、热敏电阻层、第二介质保护层、导电层、第三介质保护层、红外吸收层、第四介质保护层和偏振结构，所述偏振结构包括若干个依次平行排列的金属线条，所述桥墩从下到上依次包括支撑层、导电层和第三介质保护层，其中，所述支撑层在所述桥墩处开有第二通孔，所述第二通孔终止于所述电极，所述导电层通过所述第二通孔与所述电极电连接，所述第二介质保护层上开有第三通孔，所述第三通孔终止于所述热敏电阻层，所述热敏电阻层通过所述第三通孔与所述导电层电连接；
其中相邻两行两列的四个所述探测器像元为一个像元组，每个所述像元组中的多个所述探测器像元的偏振结构的设计相同，相互之间通过旋转得到。
方案2、根据方案1所述的偏振非制冷红外探测器，其中，
所述金属线条的宽度相等，所述金属线条之间等间距排列。
方案3、根据方案1所述的偏振非制冷红外探测器，其中，
所述金属线条的材料为以下其中之一：铝、钛、金、铂、铜、银、铝铜合金和铝硅铜合金。
方案4、根据方案1所述的偏振非制冷红外探测器，其中，
所述金属线条的宽度为0.18-0.4μm。
方案5、根据方案1所述的偏振非制冷红外探测器，其中，
所述金属线条的宽度与间距之差的绝对值小于0.1μm。
方案6、根据方案1所述的偏振非制冷红外探测器，其中，
所述金属线条的长宽比大于20:1。
方案7、根据方案1所述的偏振非制冷红外探测器，其中，
所述金属线条的厚度为0.18-0.4μm。
方案8、根据方案1所述的偏振非制冷红外探测器像元结构，其中，
所述第一、第二、第三和第四介质保护层的材料分别为以下其中之一：氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
方案9、根据方案1所述的偏振非制冷红外探测器像元结构，其中，
所述电极与所述导电层的材料分别为以下其中之一：钛、氮化钛、镍铬合金或钛铝合金。
方案10、根据方案1所述的偏振非制冷红外探测器像元结构，其中，
所述热敏电阻层的材料为以下其中之一：氧化钒、氧化钛、氧化锌、多晶硅或钇钡铜氧。
方案11、根据方案1所述的偏振非制冷红外探测器像元结构，其中，
所述红外吸收层的材料为以下其中之一：钛、氮化钛、镍铬合金或石墨烯。
方案12、根据方案1所述的偏振非制冷红外探测器像元结构，其中，
所述红外吸收层与金属反射层距离为以下其中之一：2-2.7μm和0.8-1.3μm。
Claims (9)
1.一种偏振非制冷红外探测器，其中，包括：
阵列排列的多个探测器像元，所述探测器像元包括：包含读出电路的硅基片和所述硅基片之上的微桥结构，所述硅基片上设有电极与金属反射层，第一介质保护层覆盖所述金属反射层与所述电极，并开有第一通孔以露出所述电极，所述读出电路与所述电极电连接，所述微桥结构包括桥面和桥墩，其中，所述桥面从下到上依次包括支撑层、热敏电阻层、第二介质保护层、导电层、第三介质保护层、红外吸收层、第四介质保护层和偏振结构，所述偏振结构包括若干个依次平行排列的金属线条，所述桥墩从下到上依次包括支撑层、导电层和第三介质保护层，其中，所述支撑层在所述桥墩处开有第二通孔，所述第二通孔终止于所述电极，所述导电层通过所述第二通孔与所述电极电连接，所述第二介质保护层上开有第三通孔，所述第三通孔终止于所述热敏电阻层，所述热敏电阻层通过所述第三通孔与所述导电层电连接；
所述桥面的形状为正八边形，所述偏振结构的形状也为正八边形；
其中相邻两行两列的四个所述探测器像元为一个像元组，每个所述像元组中的多个所述探测器像元的偏振结构的设计相同，相互之间通过旋转得到。
2.根据权利要求1所述的偏振非制冷红外探测器，其中，
所述金属线条的宽度相等，所述金属线条之间等间距排列。
3.根据权利要求1所述的偏振非制冷红外探测器，其中，
所述金属线条的材料为以下其中之一：铝、钛、金、铂、铜、银、铝铜合金和铝硅铜合金。
4.根据权利要求1所述的偏振非制冷红外探测器，其中，
所述金属线条的宽度为0.18-0.4μm。
5.根据权利要求1所述的偏振非制冷红外探测器，其中，
所述金属线条的宽度与间距之差的绝对值小于0.1μm。
6.根据权利要求1所述的偏振非制冷红外探测器，其中，
所述金属线条的长宽比大于20:1。
7.根据权利要求1所述的偏振非制冷红外探测器，其中，
所述金属线条的厚度为0.18-0.4μm。
8.根据权利要求1所述的偏振非制冷红外探测器像元结构，其中，
所述第一、第二、第三和第四介质保护层的材料分别为以下其中之一：氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
9.根据权利要求1所述的偏振非制冷红外探测器像元结构，其中，
所述电极与所述导电层的材料分别为以下其中之一：钛、氮化钛、镍铬合金或钛铝合金。
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