CN110109128B - 一种红外发射和探测集成芯片 - Google Patents

一种红外发射和探测集成芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种红外发射和探测集成芯片，所述红外发射和探测集成芯片包括红外透明衬底、红外发射芯片、红外探测芯片和微光学单元；所述红外透明衬底的第一表面上设置有所述红外发射芯片和所述红外探测芯片，且两个所述红外探测芯片分别设置于所述红外发射芯片的两侧；所述红外透明衬底的第二表面上设置有所述微光学单元，且在垂直于所述红外透明衬底表面的方向上，每个所述红外探测芯片均有一个微光学单元与之位置对应。本发明方案减小了集成芯片中红外发射单元的寄生辐射对探测单元的干扰，且进一步缩减器件的功耗和体积。

Description

一种红外发射和探测集成芯片
技术领域
本发明涉及红外传感技术领域，特别是一种红外发射和探测集成芯片。
背景技术
传统主动红外传感应用如红外激光雷达、红外光测距和红外气体检测等领域使用的传感器，主要由分立的器件如红外发射源、红外探测器和滤光片等部件组成，导致传感器体积大、功耗高且价格昂贵。采用微纳加工技术将上述部件进行一定程度的集成有利于减小传感器件的体积和功耗，还可以减少器件成本，这逐渐成为器件发展的一种趋势。国内专利CN101949836A公开了一种将红外发射单元和红外探测单元集成在同一硅衬底上的集成器件，红外辐射的发射和探测单元均位于硅衬底的同一侧，发射和接收的红外辐射也位于这一侧。该器件在实际应用中由于探测单元和发射单元居于衬底同一侧且距离较近，探测单元除了接收来自器件外红外信号辐射，还有可能接收直接产生于红外发射单元的后向或侧向辐射，以及接收来自器件内壁或红外窗口的反射辐射。这些寄生辐射(非信号辐射)将产生干扰或寄生噪声，降低探测器的信噪比，从而降低红外传感器的性能。故需要提出一种新的红外发射和探测集成芯片以解决上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种红外发射和探测集成芯片，用于解决探测器和发射源之间的距离很近从而产生干扰或寄生噪声的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种红外发射和探测集成芯片，包括红外透明衬底、红外发射芯片、红外探测芯片和微光学单元；红外透明衬底包括相对应的第一表面和第二表面，红外探测芯片包括第一探测芯片和第二探测芯片，微光学单元包括第一微光学单元和第二微光学单元；第一表面上设置有红外发射芯片和红外探测芯片，且第一探测芯片和第二探测芯片分别设置于红外发射芯片的两侧；第二表面上设置有微光学单元，且在垂直于红外透明衬底表面的方向上，第一微光学单元与第一探测芯片位置对应，第二微光学单元与第二探测芯片位置对应。
其中，红外发射和探测集成芯片包括至少一个红外发射芯片、至少一个红外探测芯片和至少一个微光学单元，且在垂直于红外透明衬底表面的方向上每个红外探测芯片均有一个微光学单元与之位置对应。
其中，红外发射芯片中包括至少一个红外发射单元，红外探测芯片中包括至少一个红外探测单元。
其中，红外发射单元与第一表面之间设置有红外反射层，且红外探测单元于远离第一表面的一侧表面设置有红外反射层。
其中，红外反射层为具有阻挡红外辐射功能的高反射薄膜。
其中，微光学单元为具有窄谱滤波以及聚焦功能的衍射微透镜或超材料透镜。
其中，微光学单元的线度尺寸范围为100-1000μm。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供一种红外发射和探测集成芯片，显著减小集成芯片中红外发射单元的寄生辐射对探测单元的干扰；集成芯片结构更加紧凑，功耗和体积显著减少；可以实现在同一芯片上设置多个阵列探测单元并共用发射单元，以应用于对多个波长红外辐射的探测。
附图说明
图1是本发明中红外发射和探测集成芯片一实施方式的结构示意图；
图2是本发明中红外发射和探测集成芯片第一实施方式的内部结构的截面示意图；
图3是本发明中红外发射和探测集成芯片第二实施方式的内部结构的截面示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1是本发明中红外发射和探测集成芯片一实施方式的结构示意图，其中100为红外透明衬底，101为红外发射芯片，102为第一探测芯片，103为第二探测芯片，104为第一微光学单元，105为第二微光学单元，106为第一表面，107为第二表面。本实施方式中的红外发射和探测集成芯片包括红外透明衬底100、红外发射芯片101、红外探测芯片和微光学单元，其中，红外探测芯片包括第一探测芯片102和第二探测芯片103，微光学单元包括第一微光学单元104和第二微光学单元105；红外透明衬底100包括第一表面106和第二表面107，第一表面106上设置有红外发射芯片101和红外探测芯片，且第一探测芯片102和第二探测芯片103分别设置于红外发射芯片101的两侧；第二表面107上设置有微光学单元，微光学单元包括第一微光学单元104和第二微光学单元105，且在垂直于红外透明衬底100表面的方向上，第一微光学单元104与第一探测芯片102位置对应，第二微光学单元105与第二探测芯片103位置对应；第一微光学单元104与第一探测芯片102组成第一探测通道，用于探测第一红外波长，第二微光学单元105与第二探测芯片103组成第二探测通道，用于探测第二红外波长。
本实施方式中的微光学单元的形貌为向外凸出的折射面，其目的在于起到聚光的作用，同时还具有窄谱滤波功能，可以通过在折射面上镀制窄带滤光膜而实现。在其他实施例中，还可以采用其他形貌的微光学单元如衍射光学单元或超表面结构单元，在此不作限定。
本实施方式的红外发射和探测集成芯片中包含有至少一个红外发射芯片、红外探测芯片和微光学单元，在垂直于红外透明衬底表面的方向上每个红外探测芯片均有一个微光学单元与其位置相对应；每个红外发射芯片中包括至少一个红外发射单元，每个红外探测芯片中包括至少一个红外探测单元。上述红外发射和探测集成芯片在执行工作时，第一探测芯片102和第二探测芯片103分别用于探测两种不同波长的红外辐射；在其他实施例中，红外发射单元也可以设置为一个以上，多个红外发射单元可以组合成更高功率或组合谱段的发射源，而红外探测单元也可以设置为一个或大于等于两个，同时设置与每个红外探测芯片相对应的微光学单元，以应用于针对多个波长的红外辐射的独立探测，具体可根据实际情况进行设置，在此不作限定。
具体地，本发明提供了红外发射和探测集成芯片的第一实施方式，请参阅图2，图2是本发明中红外发射和探测集成芯片第一实施例的内部结构的截面示意图，其中红外发射芯片101包括红外发射单元201、红外发射单元衬底209、红外反射层204、封盖窗205以及键合线208，红外发射单元201、红外发射单元衬底209、红外反射层204依次设置于第一表面106上，通过键合线208将封盖窗205与红外发射单元衬底209固定起来，且红外发射单元201位于所形成密封腔中，其目的在于保护红外发射单元201；第一探测芯片102包括第一探测单元202，红外反射层204、第一封盖206以及键合线208，第一探测单元202设置于第一表面106上且第一探测单元202远离第一表面106的一侧设置有红外反射层204，通过键合线208将第一封盖206与第一表面106固定起来，且第一探测单元202位于所形成密封腔中，其目的在于保护第一探测单元202；第二探测芯片103包括第二探测单元203，红外反射层204、第二封盖207以及键合线208，第二探测单元203设置于第一表面106上且第二探测单元203远离第一表面106的一侧设置有红外反射层204，通过键合线208将第二封盖207与第一表面106固定起来，且第二探测单元203位于所形成密封腔中，其目的在于保护第二探测单元203。封盖窗205作为红外发射单元201的封盖，具有红外透明窗口，以便由红外发射单元201发射的红外辐射能够从封盖窗205处透射出去。红外反射层204为具有阻挡红外辐射功能的高反射薄膜，其中，设置于红外发射单元衬底209与第一表面106之间的红外反射层204，可以阻挡红外发射单元201所产生的红外辐射由第一表面106进入红外透明衬底100；设置于第一探测单元202一侧的红外反射层204，可以阻挡其外侧的红外辐射进入第一探测单元202，以避免外侧的红外辐射对第一探测单元202的干扰；设置于第二探测单元203一侧的红外反射层204，可以阻挡其外侧的红外辐射进入第二探测单元203，以避免外侧的红外辐射对第二探测单元203的干扰。
本实施方式中，在第二表面107上设置有微光学单元，包括第一微光学单元104和第二微光学单元105，且两者分别与第一探测芯片102和第二探测芯片103位置相对应，第一微光学单元104和第二微光学单元105的功能在于对从第二表面107外入射的红外辐射进行聚焦和滤波。具体地，上述红外发射和探测集成芯片在工作时，红外发射芯片101中红外发射单元201发射红外辐射212，由于受到位于红外发射单元衬底209与第一表面106之间的红外反射层204阻挡，只能透过封盖窗301向远离第一表面106的方向射出并进入外部工作空间，该红外辐射进入工作空间中可经过适当的光路与传感目标相互作用后使其改变辐射方向，并到达第二表面107；红外辐射到达第二表面107后，其中一路红外辐射210经第一微光学单元104聚焦并滤波后，被第一探测芯片102中第一探测单元202所探测，由于第一探测单元202一侧设置有红外反射层204，使红外辐射无法从红外反射层204一侧进入第一探测单元202，从而避免了外侧的红外辐射对第一探测单元202的干扰；同时另外一路红外辐射211经第二微光学单元105聚焦并滤波后，被第二探测芯片103中第二探测单元203所探测，由于第二探测单元203一侧设置有红外反射层204，使红外辐射无法从红外反射层204一侧进入第二探测单元203，从而避免了外侧的红外辐射对第二探测单元203的干扰；第一探测单元202和第二探测单元203所探测到的两路红外辐射的波长不同，即第一探测芯片102和第二探测芯片103分别用于探测两种不同波长的红外辐射。上述关于红外发射和探测集成芯片的工作方式的描述为其主动模式，即红外发射芯片和红外探测芯片均工作时的状况，而红外发射和探测集成芯片还可以被动模式工作，即仅使红外探测芯片进行工作并探测外部红外辐射，其原理与前述相似，在此不做赘述；在其他实施方式中，还可以将其中一个探测单元改做盲元使用，即该探测单元在不接收红外辐射的情况下工作，这只需要在对应的微光学单元上覆盖一层金属膜层来阻挡红外辐射入射而实现；此外，可以设置两个以上的红外探测芯片，每个芯片探测不同波长的红外辐射，以应用于对多个波长红外辐射的独立探测，亦可以设置两个以上的红外发射单元以提高红外发射功率或组合谱段，具体可根据实际情况进行设置，在此不作限定。
本实施方式中，对于上述红外发射和探测集成芯片的材料选取方面，红外发射芯片是能够产生红外辐射的多种类型的芯片，如电阻欧姆加热芯片、红外LED芯片或红外激光器芯片等；而红外探测单元可以是基于测辐射计原理的薄膜材料如氧化钒薄膜或非晶硅薄膜等，还可以是基于室温光导或光伏探测原理的材料如PbS、PeSe、InSb，InGaAs或MCT等。在制作工艺上，红外探测单元可以在红外透明衬底上单片制作完成，而红外发射单元在红外发射单元衬底上制作并设置相应的红外反射层后，再一起集成到红外透明衬底上，由此构成红外发射芯片；微光学单元可以是在红外透明衬底上直接制作的折射或衍射微透镜，还可以是基于衬底材料或其他薄膜材料的超表面平面结构，其线度大小尺寸范围为100～1000μm。
具体地，本发明还提供了红外发射和探测集成芯片的第二种实施方式，图3是本发明中红外发射和探测集成芯片第二实施方式的内部结构的截面示意图。与图2相比，本实施方式的主要不同在于，为保护红外发射单元301、第一探测单元302和第二探测单元303，采用了共用式的封盖305并通过键合线306与第一表面106固定起来，使固定封盖的工艺过程更为便捷，封盖305与红外发射单元301相对应的位置处具有可供红外辐射通过的窗口，以便红外发射单元301所发射的红外辐射310可通过该窗口射出；红外发射单元301、第一探测单元302和第二探测单元303均在红外透明衬底100的第一表面106上制作完成，省去了红外发射单元衬底，进一步使器件的整体体积得到缩减；红外发射单元301的结构是基于欧姆加热原理的微型加热板，通过电加热产生高温红外辐射，为了减少红外发射单元301通过第一表面106的导热损失，红外发射单元301下方的第一表面106上设置有凹腔307，凹腔307表面设置有红外反射层304，凹腔307的作用在于减少红外发射单元301与第一表面106的大面积接触，减少热传导损失，而红外反射层304可以阻挡凹腔307中的红外辐射进入红外透明衬底100，避免形成寄生辐射，使第一探测单元302和第二探测单元303分别对来自第二表面107外红外辐射308和309的探测不受寄生辐射的干扰。在红外发射单元和红外探测单元的数目设置、各组成部分的材料选取及制作工艺等方面，本实施方式与第一实施方式中所述内容保持一致，在此不做赘述。
区别于现有技术的情况，本发明提供一种红外发射和探测集成芯片，显著减小集成芯片中红外发射单元的寄生辐射对探测单元的干扰；集成芯片结构更加紧凑，功耗和体积显著减少；实现在同一芯片上设置多个阵列探测单元并共用发射单元，以应用于对多个波长红外辐射的独立探测。
需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种红外发射和探测集成芯片，其特征在于，包括红外透明衬底、红外发射芯片、红外探测芯片和微光学单元；所述红外透明衬底包括相对应的第一表面和第二表面，所述红外探测芯片包括第一探测芯片和第二探测芯片，所述微光学单元包括第一微光学单元和第二微光学单元；所述第一表面上设置有所述红外发射芯片和所述红外探测芯片，且所述第一探测芯片和所述第二探测芯片分别设置于所述红外发射芯片的两侧；所述第二表面上设置有所述微光学单元，且在垂直于所述红外透明衬底表面的方向上，所述第一微光学单元与所述第一探测芯片位置对应，所述第二微光学单元与所述第二探测芯片位置对应。
2.根据权利要求1所述的红外发射和探测集成芯片，其特征在于，所述红外发射和探测集成芯片包括至少一个所述红外发射芯片、至少一个所述红外探测芯片和至少一个所述微光学单元，且在垂直于所述红外透明衬底表面的方向上每个所述红外探测芯片均有一个所述微光学单元与之位置对应。
3.根据权利要求2所述的红外发射和探测集成芯片，其特征在于，所述红外发射芯片中包括至少一个红外发射单元，所述红外探测芯片中包括至少一个红外探测单元。
4.根据权利要求3所述的红外发射和探测集成芯片，其特征在于，所述红外发射单元与所述第一表面之间设置有红外反射层，且所述红外探测单元于远离所述第一表面的一侧表面设置有红外反射层。
5.根据权利要求4所述的红外发射和探测集成芯片，其特征在于，所述红外反射层为具有阻挡红外辐射功能的高反射薄膜。
6.根据权利要求1所述的红外发射和探测集成芯片，其特征在于，所述微光学单元为具有窄谱滤波以及聚焦功能的衍射微透镜或超材料透镜。
7.根据权利要求6所述的红外发射和探测集成芯片，其特征在于，所述微光学单元的线度尺寸范围为100～1000μm。
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