CN109887944B - 具有多功能窗口的全天时成像探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有多功能窗口的全天时成像探测器及其制备方法，该装置包括包括多功能窗口和探测部分，多功能窗口包括微透镜阵列、窗口本体和滤光片阵列；所述微透镜阵列集成在窗口本体的上表面，每个微透镜单元顶面均为球冠结构，球冠的俯视投影为正方形，相邻微透镜单元球冠俯视投影的正方形相接；所述滤光片阵列镀制在窗口本体的下表面；所述滤光片阵列包括四种滤光片，分别为三种单色可见光结合红外波段的带通滤光片和一种红外滤光片；所述探测部分由像素单元阵列构成，每个像素单元包括四种亚像素单元，四种亚像素单元与四种滤光片一一正对；本发明还介绍了微透镜阵列的制备方法、探测器的探测方法。本发明装置可以实现全天时探测。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种具有多功能窗口的全天时成像探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器是由辐射引起被照射材料电导率发生改变而进行探测。光电探测器具有广泛用途，在可见光或近红外波段主要用于成像和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于红外热成像、红外遥感等方面。
传统光电探测器由分立的窗口、微透镜阵列、滤光片阵列和像素单元阵列组成，需要分别装配构成探测器。窗口是为探测器透进光波，隔绝空气进行真空封装而设计的。窗口下方的微透镜阵列可透所探测光波波段，微透镜阵列下方是不同的滤光片组成的阵列，滤波片阵列下方是位于基底上的像素单元阵列，由像素单元阵列对入射光波进行探测。每个像素单元又由多种亚像素单元分区域组合构成。现有的可见光探测器的像素单元由可探测红光（R）、绿光（G）、蓝光（B）的3个亚像素单元组成，分别称为红光（R）亚像素单元，绿光（G）亚像素单元，蓝光（B）亚像素单元，各亚像素单元上方的滤光片对入射光波进行滤波，分别选择性透过红光、绿光、蓝光，分别称为红光滤光片（R）、绿光滤光片（G）、蓝光滤光片（B）。三种滤光片在三种亚像素单元上方对应排布，上下对正。在滤光片的上方还设置有微透镜阵列，将入射的光线汇聚。三种滤光片的阵列位于像素单元阵列的正上方，红光滤光片（R）正对红光（R）亚像素单元，绿光滤光片（G）正对绿光（G）亚像素单元，蓝光滤光片（B）正对蓝光（B）亚像素单元。相应地，每个微透镜正对着下方的亚像素单元。通过设计红光（R）、绿光（G）、蓝光（B）亚像素单元不同的排列组合形式，实现可见光波段的彩色探测成像。亚像素单元对入射光波进行光电转换，进行探测，选用可见光或红外的探测材料制作敏感层，由敏感层确定了亚像素单元的工作波段。常见的光电探测器件是可见光成像或者单波段的红外器件，窗口、微透镜阵列及滤光片只能单波段透过，其波段覆盖范围窄，不能实现昼夜兼用。窗口、微透镜阵列及滤光片是分立器件，集成度低。
为了解决全天时光电探测的问题，现有的可见光-红外成像探测器，白天工作的可见光成像系统与夜间工作的红外成像系统一般是分开的，在两条光路中对可见光和红外进行独立探测成像，其窗口只能工作于可见或红外单一波段，然后通过计算机采用图像配准与融合的方法将可见光图像和红外图像进行合成。这种方式会导致成像系统体积大、重量重、功耗高，限制了应用范围，因此未能满足对体积小、重量轻、功耗低的单芯片、全天时成像探测器的需求。用于全天时成像器件的探测器窗口要同时满足白天可见光彩色成像及夜间红外成像的要求，将窗口、微透镜阵列、滤波片阵列进行集成，减小其占用空间，缩短安装步骤，简化安装工艺。
其中意法半导体公司于2015年申请的专利CN201510609809中提出了一种利用IR亚像素单元探测信号分别校正R、G、B亚像素单元探测信号的方法，如图1所示，透过R、G、B滤光片的光线中含有部分杂光IR，通过校正这一部分的杂光，从而得到尽可能纯的R、G、B亚像素单元探测信号，但是窗口、微透镜阵列及滤光片是分立器件，没有集成；由于透过滤光片的光谱范围在红外波段只到1.1μm，未能覆盖近红外、短波红外、中波红外及长波红外。因此使用该发明中滤光片的探测器只能在白天工作，不能实现全天时探测。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有多功能窗口的全天时成像探测器及其制备方法，将窗口、微透镜阵列、滤波片阵列进行集成，解决现有技术中探测器只能在白天工作，不能实现全天时探测的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
具有多功能窗口的全天时成像探测器，包括多功能窗口和探测部分，多功能窗口包括微透镜阵列、窗口本体和滤光片阵列；所述微透镜阵列集成在窗口本体的上表面，每个微透镜单元顶面均为球冠结构，球冠的俯视投影为正方形，相邻微透镜单元球冠俯视投影的正方形相接；所述滤光片阵列镀制在窗口本体的下表面；所述滤光片阵列包括四种滤光片，分别为三种单色可见光结合红外波段的带通滤光片和一种红外滤光片；所述探测部分由像素单元阵列构成，每个像素单元包括四种亚像素单元，四种亚像素单元与四种滤光片一一正对。
进一步的，所述四种滤光片分别为R+IR滤光片、G+IR滤光片、B+IR滤光片和IR滤光片，所述四个亚像素单元分别为R+IR亚像素单元、G+IR亚像素单元、B+IR亚像素单元和IR亚像素单元。
进一步的，每个亚像素单元分别由宽光谱敏感层、电极和集成电路构成。
上述微透镜阵列的制备方法如下，首先将铜采用单点金刚石车削的方法制备成具有凹曲面的铜模板，然后在铜模板上化学气相沉积宽光谱透射材料层，完成后降温脱去铜模板，所得宽光谱透射材料层即包括微透镜阵列和窗口本体两部分，在窗口本体的背面分区域镀制滤光片阵列，最终得到具有宽光谱透射性能的多功能窗口。
上述探测器的探测方法如下，探测器白天工作时，R+IR滤光片、G+IR滤光片、B+IR滤光片所对应的亚像素单元探测信号减掉IR滤光片所对应的亚像素单元探测信号，得到R、G、B真彩色; 探测器夜间工作时，R+IR滤光片、G+IR滤光片、B+IR滤光片和IR滤光片可透射红外，它们下方的四个亚像素单元同时探测红外，探测器在夜间正常工作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明采用可透射可见光至红外波段光波的微透镜阵列，其对光线有汇聚的作用，微透镜阵列与滤光片阵列及亚像素阵列相对应，将原本落在亚像素单元间隙及电极等非光敏感区域的光线汇聚到亚像素单元中间的光敏感区，提高了入射光波的利用率；
2. 本发明单片窗口可实现从可见光到红外的宽光谱透过和滤波、分色、汇聚等多种功能，同时，单片结构相对于多片结构减少了散射、吸收等光学损耗；探测器兼顾白天彩色和夜间红外两种工作模式，可实现全天时成像探测；
3. 本发明窗口正面加工微透镜阵列，背面镀膜，体积小，集成度高，可缩短装配步骤，简化安装工艺，工艺兼容性好；
4.本发明采用微透镜阵列向上，滤光片向下的方式，避免了膜层易脱落的问题，同时使得滤光片与探测单元距离更近。
附图说明
图1是意法半导体公司专利中像素阵列的颜色像素布局示意图；
图2是具有多功能窗口的全天时成像探测器的总体结构图；
图3是多功能窗口的正视图；
图4是多功能窗口的俯视图；
图5是具有多功能窗口的全天时成像探测器工作原理图；
图6是滤光片单元在白天的工作模式示意图；
图7是滤光片单元在夜间的工作模式示意图；
图8是B+IR滤波区域光谱图；
图9是G+IR滤波区域光谱图；
图10是R+IR滤波区域光谱图；
图11是IR滤波区域光谱图；
图12是多功能窗口的制备流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本申请的基本原理和思路是：探测器窗口的上表面为微透镜阵列，对光线具有汇聚作用，可提高光线利用率；窗口的下表面为可见光彩色成像与红外成像兼用的滤光片，能够昼夜兼用；像素单元具有两种工作模式，白天工作时R+IR（红光+红外光）、G+IR（绿光+红外光）和B+IR（蓝光+红外光）三种亚像素单元所得探测信号可以减掉IR（红外光）亚像素单元所得探测信号部分，从而保证R+IR、G+IR、B+IR亚像素单元探测信号呈现出真彩色；夜间工作时由于可见光信号很弱，四个滤光片可透射红外，其下方的四个亚像素单元同时探测红外，可在夜间正常工作；
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
如图2所示，一种具有多功能窗口的全天时成像探测器，由多功能窗口1和探测部分2构成。
如图3、4所示，多功能窗口1上表面集成有微透镜阵列3，中间是窗口本体4，窗口下表面镀制有四种滤光片阵列5，分别为三种单色可见光加红外波段的带通滤光片和一种红外滤光片。所述微透镜阵列3中每个单元的结构为正方形边沿的球冠，正方形边长20um×20um，球冠的曲率半径为150um，球冠高度为3um；所述微透镜可以透射从可见光到红外的宽光谱。
本发明的成像探测器工作过程如下：
如图5所示，入射光波透过探测器上方的微透镜阵列3和窗口本体4，每个微透镜对光束进行汇聚，射向滤光片阵列5，四种滤光片的阵列对入射光波分别进行滤波，R+IR滤光片可以透过可见红光和红外，G+IR滤光片可以透过可见绿光和红外，B+IR滤光片可以透过可见蓝光和红外，IR滤光片可以透过红外。微透镜将原本落在亚像素单元间隙及电极等非光敏感区域的光线汇聚到亚像素单元中间的光敏感区，提高了入射光波利用率。
所述微透镜采用从可见光到红外的宽光谱透射材料，可透过波长范围为可见光390nm到780nm，红外波长范围为780nm到12um；所述宽光谱透射材料为氟化镁、硫化锌、氟化铍、氯化钾、硒化锌等宽光谱透过材料。
探测器的探测部分2是可全天时工作的像素单元阵列，每个方形像素单元由四个方形亚像素单元组成，分别为R+IR亚像素单元、G+IR亚像素单元、B+IR亚像素单元和IR亚像素单元，亚像素单元间彼此绝缘。每个亚像素单元分别由宽光谱敏感层、电极和集成电路组成。入射的光波透过导电且透可见光和红外的上电极，然后经过对可见光和红外敏感的材料构成的光敏层，激发光敏层的探测薄膜进行光电转化，产生光生载流子，在电场的作用下，光生载流子流出，形成光电流，由电极汇聚后导出。
如图6、7所示，探测器白天工作时R+IR、G+IR、B+IR滤光片单元所对应的亚像素单元探测信号可以减掉IR滤光片单元所对应的亚像素单元探测信号部分，从而保证R、G、B探测信号呈现出真彩色，参见图8-图11的光谱图;夜间工作时由于可见光信号很弱，四个滤光片可透射红外，其下方的四个亚像素单元同时探测红外，可在夜间正常工作；
多功能窗口1的制备方法如下：
如图12所示，先将铜采用单点金刚石车削的方法制备出铜模板6，然后在铜模板6上化学气相沉积硫化锌宽光谱透射材料层7，完成后降温脱去铜模板6，所得宽光谱透射材料层7即包括微透镜阵列3和窗口本体4。在窗口本体4 的下表面镀制滤光片阵列5，最终得到满足要求的多功能窗口1，所述微透镜单元的结构为正方形边沿的球冠，正方形边长20um×20um，球冠曲率半径为150um，球冠高度为3um。所述微透镜可以透射从可见光到红外的宽光谱。所述微透镜的位置与带通滤光片单元位置对应，安装时它们都与探测器像素单元相对应，如图5所示。
所述滤光片在窗口本体的下表面，所述四种滤光片中三种为单色可见光与红外兼用的带通滤波薄膜，一种是红外薄膜；所述薄膜层数为2层到50层，包括端点值；所述滤光片单元为2×2子阵列，包括R+IR滤光片、G+IR滤光片，B+IR滤光片，IR滤光片。其中R+IR滤光片可以透过可见红光和红外，G+IR滤光片可以透过可见绿光和红外，B+IR滤光片可以透过可见蓝光和红外，IR滤光片可以透过红外。
请参阅图2所示，本发明一种具有多功能窗口的全天时成像探测器，包括多功能窗口1和探测部分2。
请参阅图3所示，多功能窗口1包括微透镜阵列3，窗口本体4和滤光片阵列5。
本发明一种具有多功能窗口的全天时成像探测器，其制备包括多功能窗口的制备和探测部分的制备。
其中多功能窗口具体的制备方法包括如下步骤：
步骤一：选取窗口材料。
为使得390nm~12um宽光谱范围内都具有较高的透过率，选用化学气相沉积的方法生长的宽光谱硫化锌材料。
步骤二：制备透镜部分。
在模板上化学气相沉积生长宽光谱硫化锌。
(1)制备模板过程。如图12，模板材料选用金属铜，然后采用单点金刚石车削的方法制备，所制备的具有凹曲面的铜模板6形状：正方形边沿的球冠，正方形边长20um×20um，球冠形状：曲率半径：150um，球冠高度：3um。
(2)化学气相沉积硫化锌宽光谱透射材料层7，如图12。
(3)降温脱模。利用金属铜与硫化锌膨胀系数的差异进行降温脱模，得到满足要求的硫化锌管光谱透射材料层7，如图12。
步骤三：镀制滤光片阵列膜。
（1）对步骤二最终得到的硫化锌宽光谱透射材料层的下表面进行预处理。包括对硫化锌玻璃进行研磨、抛光、清洗，其处理过程严格按照光学元件冷加工工艺和半导体清洗规范进行。
（2）匀胶、前烘。采用AZ5214E型光刻胶，使用国产KW-4A型台式匀胶机，在自转离心力的作用下匀胶。将三至四滴光刻胶滴至硫化锌玻璃21的下表面中心，然后设置转速为低速500/15（rpm/s）、高速4500/50（rpm/s），使光刻胶均匀的涂敷在硫化锌玻璃21的下表面。采用MIRAKTMT The molyne型热板，在100℃温度下前烘60s。
（3）曝光。由于光刻胶的侧壁形貌对曝光剂量比较敏感，曝光的时候需要根据光刻机汞灯光源的光强和额定的曝光剂量计算所需要的曝光时间。当曝光时间较短时，图形尺寸偏小；而当曝光时间增大时，由于衍射效应，图形尺寸也逐渐增大。选择曝光时间为10s，显影时间为55s时，光刻图案最好，它满足了图形完整、尺寸准确、边缘整齐的要求。
（4）反转烘。对硫化锌玻璃17进行反转烘。其目的是使未被掩模版覆盖的区域发生交联反应，改变光刻胶在显影液中的溶解能力。在合适的温度下，交联反应才能进行。选择115℃为最佳的反转烘温度。
（5）泛曝光。不使用掩模版，将反转烘后的硫化锌玻璃17放置在Q4000型光刻机下进行曝光，改变未曝光区域的光刻胶的溶解性能。设置泛曝光的时间为11s。
（6）显影。对硫化锌玻璃17的下表面进行显影。采用KMP PD238-Ⅱ型显影液，由于显影液对光刻胶有溶解作用，当显影时间不合适时，容易出现显影不足、不完全显影、过显影等现象，因而必须控制好显影时间，最佳的显影时间控制在50-60s之间。
（7）坚膜。将显影好的硫化锌玻璃17放置在热板上，设置热板温度为120℃，坚膜20min，取出自然降温。
（8）镀透可见红光和红外的薄膜。在窗口材料下平面R+IR区域4上镀R+IR膜系。
（9）去胶、洗光刻胶。图形转移完成后，光刻胶已经完成了它的使命，为了进行新一轮的图形转移需要将光刻胶去除，以为下一次光刻做准备。
（10）在R+IR的区域形成 R+IR薄膜。
（11）重复上述步骤（1）—（7）。
（12）镀可透可见绿光和红外的薄膜。在窗口材料下平面G+IR区域5上镀G+IR膜系。
（13）去胶、洗光刻胶。图形转移完成后，光刻胶已经完成了它的使命，为了进行新一轮的图形转移需要将光刻胶去除，以为下一次光刻做准备。
（14）在G+IR的区域形成 G+IR薄膜。
（15）重复上述步骤（1）—（7）。
（16）镀透可见蓝光和红外的薄膜。在窗口材料下平面B+IR区域6上镀B+IR膜系。
（17）去胶、洗光刻胶。为了进行新一轮的图形转移需要将光刻胶去除，以为下一次光刻做准备。
（18）在B+IR的区域上形成 B+IR薄膜。
（19）重复上述步骤（1）—（7）。
（20）镀透红外的薄膜。在窗口材料下平面IR区域7镀IR膜系。
（21）去胶、洗光刻胶。图形转移完成后，最后一个区域的镀膜工作完成，洗去多余的光刻胶即可。
（22）在IR的区域上形成 IR薄膜。
（23）完成探测窗口的制备。
探测部分为四种像素单元构成的阵列，像素单元由基底、金属下电极、光敏层、上电极组成。下电极选用金属铜作为材料，敏感层选用的材料为石墨烯。
基底的种类及样式繁多，此处不再赘述。
像素单元阵列的制备包括如下步骤：
步骤一，金属下电极为金属铜薄膜，采用化学气相沉积或化学镀的方法在基底上制备一层金属铜膜，能够导电。
步骤二，光敏层是选用对可见光和红外敏感的材料，以石墨烯进行说明。将上序完成的基底放在石英板上，将石英板放入真空管式炉的石英管中，使其处于温区的中央位置，将石英管两端的法兰进行连接固定，打开真空泵开始抽真空，当系统的真空度降到10Pa以下时，开始通入甲烷和氢气，调节甲烷和氢气为40sccm:40sccm，持续一段时间使两种气体混合，压强稳定后，关闭甲烷气体，开启管式炉开关，开始进行阶段升温阶段；当温度升至保温阶段后，对铜进行退火处理，有利于生长阶段中石墨烯的生长，生长阶段通入甲烷气体，生长完毕，关闭甲烷，进入降温阶段，让其自热冷却至室温后，关闭氢气、真空泵，取出基底。铜膜的表面覆盖一层石墨烯。
步骤三，上电极为导电且对可见光至近红外透明的材料，包括一维导电纳米线材料以各种形式构成的网格，覆盖在在石墨烯上。所述一维导电纳米线网格，其形状由一维导电纳米线随机排布构成，其网孔能够透过可见光和近红外，网格线能够导电；一维导电纳米线包括碳纳米管、银纳米线和金纳米线。
将碳纳米管和乙醇通过超声混合均匀形成悬浮液，将制作有石墨烯膜的基底浸入该悬浮液，浸入深度为没入液面以下，待乙醇挥发后，形成碳纳米管网格，作为上电极。
步骤四，刻蚀亚像素单元之间的上电极、敏感层和金属下电极。
采用化学气相沉积的方法制备50nm的硫化锌钝化层，通过光刻、腐蚀的方法使钝化层刻成正方形图形，与亚像素单元对应，将图形化的钝化层作为掩蔽层，对上电极、敏感层和金属下电极进行图形化，形成沿平面两个垂直方向相互隔离的亚像素单元阵列，相邻的R+IR、G+IR、B+IR、IR四种亚像素单元组成一个像素阵列单元，像素阵列可实现探测器的探测功能。
将所得的多功能窗口与探测部分装配，可以制备得到一种具有多功能窗口的全天时成像探测器。
本发明窗口本体的上表面设置有与滤光片阵列位置对应的微透镜阵列，该微透镜阵列将原本落在亚像素单元间隙及电极等非光敏感区域的光线汇聚到亚像素单元中间的光敏感区域，提高了入射光波的利用率。整个结构将窗口本体、滤光片和微透镜阵列集成为一体，体积小，集成度高，缩短装配步骤，简化安装工艺，并且工艺兼容性好。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (3)
1.具有多功能窗口的全天时成像探测器，包括多功能窗口(1)和探测部分(2)，其特征在于，多功能窗口(1)包括微透镜阵列(3)、窗口本体(4)和滤光片阵列(5)；所述微透镜阵列(3)集成在窗口本体(4)的上表面，每个微透镜单元顶面均为球冠结构，球冠的俯视投影为正方形，相邻微透镜单元球冠俯视投影的正方形相接；所述滤光片阵列(5)镀制在窗口本体(4)的下表面；所述滤光片阵列(5)包括四种滤光片，分别为三种单色可见光结合红外波段的带通滤光片和一种红外滤光片；所述探测部分由像素单元阵列构成，每个像素单元包括四种亚像素单元，四种亚像素单元与四种滤光片一一正对；
所述微透镜阵列将原本落在亚像素单元间隙及电极等非光敏感区域的光线汇聚到亚像素单元中间的光敏感区，提高了入射光波利用率；
所述微透镜阵列采用从可见光到红外的宽光谱透射材料，可透过波长范围为可见光390nm到780nm，红外波长范围为780nm到12um；
所述四种滤光片分别为R+IR滤光片、G+IR滤光片、B+IR滤光片和IR滤光片，所述四种亚像素单元分别为R+IR亚像素单元、G+IR亚像素单元、B+IR亚像素单元和IR亚像素单元；
所述亚像素单元分别由宽光谱敏感层、电极和集成电路构成。
2.根据权利要求1所述具有多功能窗口的全天时成像探测器，其特征在于，所述微透镜阵列(3)的制备方法如下，首先将铜采用单点金刚石车削的方法制备成具有凹曲面的铜模板(6)，然后在铜模板(6)上化学气相沉积宽光谱透射材料层(7)，完成后降温脱去铜模板(6)，所得宽光谱透射材料层(7)即包括微透镜阵列(3)和窗口本体(4)两部分，在窗口本体(4)的背面分区域镀制滤光片阵列(5)，最终得到具有宽光谱透射性能的多功能窗口(1)。
3.根据权利要求1所述具有多功能窗口的全天时成像探测器，其特征在于，所述探测器的探测方法如下，探测器白天工作时，R+IR滤光片、G+IR滤光片、B+IR滤光片所对应的亚像素单元探测信号减掉IR滤光片所对应的亚像素单元探测信号，得到R、G、B真彩色；探测器夜间工作时，R+IR滤光片、G+IR滤光片、B+IR滤光片和IR滤光片都可透射红外，它们下方的四个亚像素单元同时响应红外信号，探测器在夜间正常工作。
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