CN109596220A - 一种红外热传感芯片 - Google Patents
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Abstract
本专利针对新型非制冷低成本的红外传感器，提出了一种基于MEMS结构将红外探测信号转化为可见光或近红外光信号强度或频率变化方法，结合光学环形谐振腔与MEMS加工工艺，基于热应力的调控方式设计了一种阵列式红外成像芯片，可实现测量辐射红外光信号能量大小、高灵敏度的红外响应。无需使用昂贵的红外热敏材料或下转换材料，具有廉价、灵敏等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外传感器，主要是利用MEMS结构将红外探测信号转化为可见光或近红外光信号强度或频率变化。
背景技术
红外辐射是一种在自然界广泛存在的电磁波能量。目前，针对红外辐射的传感技术已取得了长足发展，并广泛应用于军事、医疗、科研、监控、交通等诸多领域。
根据传感原理的不同，红外传感技术可细分为制冷型(量子型)和非制冷型(热型)两类。
制冷型红外传感技术基于红外辐射的光电效应，即探测单元吸收红外光子后发生电子状态的改变，并引起一些电学现象，测量这些现象中光电效应的强弱就可以测定红外辐射的大小。由于室温物体辐射的红外光子(波长：8～14μm)的能量与室温电子的热噪声能量相当，为了消除电子热噪声的影响，必须将红外探测器件，即焦平面阵列(Focal PlaneArray，FPA)冷却到液氮温度(≈77K)，这使得制冷型红外探测技术不仅成本昂贵，而且维护困难，但它的温度分辨率相对较高，噪声等效温度差(Noise Equivalent TemperatureDifference，NETD)的典型值为5～10mK。
非制冷红外传感技术是基于红外辐射的热效应。该热效应可使探测单元的某种物理参量(如电阻、电容等)发生变化，只要测量这些物理参量的变化大小，就可以测出吸收的红外能量或功率。由于不需要超低温制冷，该技术在体积、成本、功耗等方面具有明显优势，但它的温度分辨率相对较低，NETD的典型值为50～100mK。
随着MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)和光学测量技术的发展，光学读出技术在非制冷红外传感应用中逐渐受到人们的关注，并取得了许多阶段性成果。其工作方式大多采用有基底结构，即通过牺牲层工艺制作悬浮于硅基底上的微悬臂梁阵列，红外辐射从FPA一侧透过硅基底后被探测单元吸收，可见光从FPA另一侧入射，用于探测由红外辐射导致的某种物理参量的变化。
本发明结合一种红外传感器，利用MEMS结构将红外探测信号转化为可见光或近红外光信号强度或频率变化，无需使用昂贵的红外热敏材料或下转换材料，具有廉价、灵敏等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1图示了红外传感器结构的示意图；
图2图示了MEMs结构的示意图；
图3图示了阵列式红外成像芯片像素单元结构的示意图；
图4图示了阵列式红外成像芯片结构的示意图。
发明内容
本发明的目的在于提出一种红外传感器并基于热敏传感结构设计了一种阵列式红外成像芯片，用于测量辐射红外光信号能量大小。
为达到上述目的，本发明采用以下方案。
本发明提出一种新型非制冷红外传感技术，其特征在于结合光学环形谐振腔与MEMS加工工艺，基于热应力的调控方式，可实现高灵敏度的红外响应。
具体实施方式
以下，本发明进行更详细地说明。
如附图1所示的：一种红外热传感器。
一种红外传感芯片，包括：
探测波导，环形谐振腔波导和热敏微悬梁臂三部分。
在此，光学环形谐振腔是由纳米结构构成，用于光激发和光传导，当光学环形谐振腔吸收红外辐射并升温后，材料受热发生形变，微悬臂梁会发生热致弯曲变形，并导致固有振动频率发生漂移。
工作时，利用激发光通过倏逝波耦合进入光学环形谐振腔。激发光在光学环形谐振腔波导中传播，并使热敏微悬梁臂共振。当红外光信号对热敏微悬梁臂进行辐射时，热敏微悬梁臂发生形变，并导致固有共振频率发生漂移。
探测光在探测波导中传播，并通过倏逝波耦合进入光学环形谐振腔。
当热敏微悬梁臂发生形变时，探测波导偶出端面所探测到的探测光振幅和频率也随之发生漂移。
因此，利用光敏测探器或信号分析仪可测量辐射红外光信号能量大小。
上述器件中，激发光的工作波长范围是300nm到3000nm，探测光的工作波长范围是300nm到3000nm，红外光信号的探测波长范围是3-5um或8-10um的大气红外窗口。
本发明中，环形谐振腔的材料为50nm-1um厚的Si3N4材料，下面是玻璃基底。
本发明中所用MEMs结构为微悬梁臂结构，MEMs结构如附图2所示。
微悬梁臂结构是决定红外传感特性的关键组成部分。在此，这个器件由SiNx构成。
另外，微悬梁臂和基底之间有一个空气间隙，使微悬梁臂可自由振动。微悬梁臂长约1-1000μm。微悬梁臂的长度改变共振频率，因此，设计时应选取合适的悬梁臂长，使共振频率受温度影响发生灵敏而可靠的漂移。
本发明基于热敏传感结构设计阵列式红外成像芯片。阵列式红外成像芯片由多个阵列式红外成像芯片单元构成。
本发明所涉及的阵列式红外成像芯片单元结构如附图3所示。
单个像素单元包括：
光偶入层、MEMs器件层、滤波层和探测层。
其中，MEMs器件层包含探测波导、环形谐振腔波导和MEMs结构。
激发光和探测光从侧面耦合进入光偶入层。在像素单元固定位置的微纳结构破坏全反射条件，使激发光和探测光逸出光偶入波导，并进入MEMs器件层。
在此，探测波导上的微纳结构将激发光和探测光偶入，通过倏逝波进入环形谐振腔。
另外，在微悬梁臂作用下，探测光的振幅和频率发生漂移。探测波导中的激发光和探测光经过偶出区域的微纳结构。带宽滤波片滤去激发光，使探测光到达CCD探测器上，信号被接收并处理。
本发明涉及的阵列式红外成像芯片结构如附图4所示。
激发光和探测光从侧面偶入光偶入层，并在其中全反射传播，形成平面光波导结构。
应理解的是，阵列式红外成像芯片结构中多个MEMs结构紧密排列。
而且，探测波导上的微纳结构与光偶入层结构位置匹配，使各像素单元的激发光和探测光进入MEMs感应区域。探测波导上偶出区域的微纳结构与CCD像素单元位置匹配。使探测光信号被阵列化的读取和处理。
应理解的是，提供上述公开实施例的描述，以使得本领域任何技术人员制造或使用本公开。对于本领域的技术人员来说，对这些实施例的各种修改将显而易见，并且在这里定义的一般原理可以在不脱离本公开精神或范围的情况下应用于其他实施例。因此，本公开无意限于这里所示的实施例，而是符合与这里所公开的原理和新颖的特征相一致的最宽的范围。
本发明涉及一种红外成像芯片，利用MEMS结构将红外探测信号转化为可见光或近红外光信号强度或频率变化，无需使用昂贵的红外热敏材料或下转换材料，具有廉价、灵敏等特点。
Claims (16)
1.一种红外热传感芯片，其特征在于结合了光学环形谐振腔与MEMS加工工艺，并基于热敏传感结构设计了一种阵列式红外成像芯片。其红外传感芯片主要结构包括：探测波导、环形谐振腔波导和热敏微悬梁臂。
2.根据权利要求1所述的红外传感芯片，其中MEMS结构为微悬梁臂结构。
3.根据权利要求1所述的红外传感芯片，其中微悬臂梁吸收红外辐射后会发生热致弯曲变形。
4.根据权利要求1所述的红外传感芯片，其中环形谐振腔是由纳米结构构成。
5.根据权利要求1所述的红外传感芯片，其中微悬梁臂结构器件是由SiNx构成。
6.根据权利要求4所述的环形谐振腔，其中下面是玻璃基底。
7.根据权利要求7所述的玻璃基底，其中玻璃基底与微悬梁臂之间有一个空气间隙。
8.根据权利要求1所述的探测波导，其中探测光在探测波导中传播，并通过倏逝波耦合进入光学谐振腔。
9.根据权利要求1所述的红外传感芯片，其中进入环形谐振腔的激发光可以使热敏微悬梁臂共振。
10.根据权利要求1所述的阵列式红外成像芯片，其中阵列式红外成像芯片是由多个单个像素单元组成。
11.根据权利要求10所述的单个像素单元包括：光偶入层、MEMs器件层、滤波层和探测层。
12.根据权利要求10所述的MEMs器件层，其中MEMs器件层包含探测波导、环形谐振腔波导和MEMs结构。
13.根据权利要求10所述的阵列式红外成像芯片的单个像素单元，其中像素单元固定位置上存在微纳结构。
14.根据权利要求10所述的阵列式红外成像芯片，其中MEMs器件层存在多个MEMs结构紧密排列。
15.根据权利要求10所述的阵列式红外成像芯片，其中探测波导上的微纳结构与光偶入层结构位置匹配。
16.根据权利要求10所述的阵列式红外成像芯片，其中探测波导上偶出区域的微纳结构与CCD像素单元位置匹配。
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