CN1103498C - 红外探测器 - Google Patents
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Abstract
一种红外探测器包括有硅基衬底、充有特殊气体的密闭腔、覆盖于密闭腔上的透红外窗口薄膜及形变薄膜、及测量元件等。它利用特殊气体对某一波段红外线的较强吸收性，当该气体吸收该波段红外辐射后受热膨胀产生的压力作用于覆盖膜上时，覆盖膜产生形变导致与之相关的参量变化，通过测量该参量的变化来探测红外辐射。本发明能有效地在室温下检测某一波段的红外辐射，并具有成本低、体积小、灵敏度高等特点，广泛用于预警、空间技术、医学等领域。
Description
技术领域
一种红外探测器属于半导体微电子技术领域。
背景技术
从原理上讲，本发明红外探测器属于热探测器的气动探测器领域。目前，传统的气动红外探测器如高莱(Golay cell)探测器(见图1)采用以下结构，它主要包括有透红外窗口3、热容量很小的吸收薄膜4、气室、柔镜2及光学系统。气室通过一管道与柔镜2相通，柔镜2是一个背面镀有反射层的软薄层，光学系统包括有光栅5、可见光源6、反射镜7及光电二极管8。当红外辐射1投射到吸收薄膜4时，吸收膜4被加热，并将热量传给气体，使气体温度和压力升高，从而推动柔镜2扩张，柔镜2的这一微小变化通过光学系统反映给光电二极管8并用光电二极管来指示柔镜的微小变化。这样，通过光电二极管指示的变化，便可得知红外辐射的强弱。该探测器存在着如下一些缺点：(1)结构复杂，不牢固。(2)做成小面积不容易。(3)对不同波段的红外辐射没有选择性，不能满足使用需要。(4)响应时间长，灵敏度不高。(5)光学系统较昂贵。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的缺点，提供一种制造成本低、结构简单、体积小、可对不同波段的红外辐射进行选择性检测并且响应速度快、探测灵敏度高的新型红外探测器。
为达到上述目的，本发明的红外探测器建立在一种全新的工作机理基础上，它是采用传统硅IC工艺及硅微机械的方法设计出的一种和IC工艺兼容的全新硅基红外探测器，它主要包括有硅基衬底、设在硅基衬底上并充有对红外线具有较强吸收性的气体的密闭腔、覆盖于密闭腔上的透红外窗口薄膜及形变薄膜、及测量形变薄膜形变的元件。以上结构的主要设计思想及制作工艺如下：整个探测器是在硅基衬底上实现，即在硅上腐蚀一个腔，在腔上用牺牲层技术或其它技术覆盖上一层透红外窗口薄膜及形变薄膜，然后根据探测的波段在腔中充入一种对探测波段红外线具有较强吸收性的气体，并对上述腔进行密封，最后做上测量形变的元件。这样，本发明红外探测器工作时，透过透红外窗口薄膜，密闭腔内的气体吸收探测波段的红外辐射后受热膨胀，产生的压力导致形变薄膜产生形变，进而引起与薄膜形变有关的参量变化，通过测量这些参量的变化，便可达到间接探测红外辐射的目的。
本发明上述测量形变薄膜形变的元件可以为一可变电容，它通过在密闭腔的形变薄膜上做一极板、在密闭腔相对形变薄膜的另一面做另一极板而构成。通过以上结构，在密闭腔上下两面之间形成一可变电容器，这样当密闭腔内的气体吸收红外辐射后受热膨胀，产生的压力导致形变薄膜产生形变，从而导致电容器上下极板间距发生变化，引起电容器电容量的变化，通过测量形变导致的电容量的变化，来达到间接探测红外辐射的目的。测量形变薄膜形变的元件也可为在形变薄膜上做一应变电阻，薄膜形变产生的应力使该电阻阻值发生变化，通过对电阻变化的测量达到探测红外辐射的目的。当然，将薄膜形变而引起的电容或电阻变化转换为相应的频率、电压、电流和相位变化进行测量，同样也可达到本发明的目的。
本发明上述密闭腔中，可根据对不同波段红外辐射检测的使用需求，而选择性地充入对探测波段的红外线具有强烈吸收特性的气体，该气体对其它波段红外线的吸收性与所要探测波段红外线吸收性相比及其微小。这样，由于选择不同气体而形成的对不同波段红外辐射的探测选择性，可制成不同波段的红外探测器。另外，上述气体还可以为多种在红外波段具有相似特性的气体的混合，并可以用中性气体如Ar、He进行稀释。
从整体结构上，本发明的红外探测器，既可采用单个红外探测器结构，也可采用多个红外探测器的并联组合结构。同样，所述充有气体的密闭腔结构也可以用不同的结构形式在硅基衬底上实现。另外，所述透红外窗口薄膜、形变薄膜既可采用不同材料，也可采用同一种材料(如多晶硅膜或单晶硅膜)，并且透红外窗口薄膜也可兼做形变薄膜(即透红外窗口薄膜和形变薄膜可采用既可透红外又可实现形变功能的同一器件)。再则，当探测波段在5～13μm时，所述的气体可选用氟乙烯。
本发明由于采用了一种密闭腔式结构，在密闭腔中充入一种气体(具有选择性吸收红外辐射特性的气体)，该气体对探测波段的红外线有明显的吸收，而对其它波段的红外吸收很弱，所以在这一波段气体吸收红外辐射后受热膨胀所产生的压力要明显大于其它波段，因而在这一波段引起的薄膜的形变要明显大于其它波段，体现在所要检测的物理量(如电容上为电容值)有明显的变化，通过测量这些物理量的变化，便可达到间接探测红外辐射的目的。这样，根据不同需要，在密闭腔中选择性地充入不同的气体，便可制成检测不同波段红外辐射的探测器，实现对不同波段的红外辐射的选择性检测。另外，本发明不象传统的气动探测器(如高莱管)那样通过辐照使吸收膜先加热，然后吸收膜把热量传给气室中的普通气体，使气体受热膨胀产生压力，而是直接由对特定波段红外线具有较强吸收性的气体(如氟乙烯)吸收红外辐射，使气体受热膨胀产生压力，这样避免了辐照使吸收膜加热这样一个慢过程，无疑缩短了响应时间，加快了响应速度。所选择的气体能引起红外吸收的前提是这种气体(如氟乙烯)分子的转动和振动能引起偶极矩的变化，因而能引起红外吸收，普通气体如氢气、氮气、氧气等没有没有偶极矩和偶极矩的变化，因而对红外辐射没有响应，即其红外吸收率为零，因此传统的气动探测器只有借助吸收膜，红外辐照先将吸收膜加热，然后吸收膜再将热量传给普通的气体，使气体的温度和压力增大，这无疑增大了响应时间。其次，由于本发明是在硅基底上实现的，它利用的是传统的IC平面工艺和硅微机械的方法，因此体积小、可靠性高、成本低、利于批量生产，它是红外探测器和硅工艺的结合，是半导体红外探测器，它为红外探测器的小型化开辟了一条道路。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)具有一般热探测器室温下可正常工作的特点，无需制冷。
2)具有光子探测器的选择吸收性，通过对不同气体内选择可制成不同波段的红外探测器。
3)响应速度较快，探测灵敏度高。
4)与现有硅工艺兼容且工艺简单，成本低。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
图1：高莱探测器示意图；
图2：本发明一个具体实施例的整体结构示意图(以电容式测量元件为例)；
图3：图2的剖视图(正视)。
具体实施方式
如图2、图3所示，分别为采用本发明而设计的红外探测器的一个具体实施例的整体结构及剖视图，它为一个单元硅基红外探测器，从图中可见，它主要包括有硅基衬底14，制作在硅基衬底上的密闭腔13(气室)，覆盖于密闭腔上方的透红外窗口薄膜10(同时也是形变薄膜)，分别在密闭腔两面淀积的上、下电极9、11(电极可采用Al、Au等金属及硅扩散层制作而成)，及密封填充区12，密闭腔内充有吸收红外线的气体(如氟乙烯)。其中，所述透红外窗口薄膜可采用多晶硅膜，所述密封填充区可由聚酰亚胺、光刻胶、或其它粘结剂构成。通过上述结构，在密闭腔的上下电极之间形成一可变电容器，可变电容器的上极板即可变形板由多晶硅膜及金属电极组成。使用时，透过透红外窗口薄膜(同时也是形变薄膜)，密闭腔内的气体吸收特定波段的红外辐射后受热膨胀，产生的压力导致透红外窗口薄膜产生形变，导致电容器上下极板间距发生变化，引起电容器电容量的变化，通过测量形变导致的电容量的变化，便可达到间接探测红外辐射的目的。
如前所述，除采用本实施例所示的单元硅基红外探测器结构外，本发明的红外探测器也可做成多个单元硅基红外探测器的并联组合结构。另外，本发明的密闭腔、覆盖膜及电极等元件之间也可采用其它的连接方式或结构，从而在它们之间形成一个以充有吸收红外线的气体的密闭腔为主要部件的其它可变参量元件(如可变电阻等)的结构，这样，通过测量由于密闭腔内气体吸收红外辐射后的压力变化进而引起的这些可变参量元件的参量变化，来达到对一定波段的红外探测目的，以上这些结构变型都不脱离本发明的范围。
Claims (9)
1.一种红外探测器，其特征在于：包括硅基衬底，在硅基利底上制作带有透红外窗口薄膜、形变薄膜及测量薄膜形变的元件的密闭腔，腔内充有对红外线具有强烈吸收特性的气体。
2.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于：所述测量形变薄膜的形变的元件为一可变电容，它通过在密闭腔的形变薄膜上做一极板、在密闭腔相对形变薄膜的另一面做另一极板而构成。
3.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于：所述测量形变薄膜的形变的元件也包括在形变薄膜上制作的电阻或将电容、电阻变化转换为相应的频率、电压、电流和相位变化进行测量。
4.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于：根据探测波段的不同，在密闭腔中充入对探测波段的红外线具有强烈吸收特性的气体，该气体对其它波段红外线的吸收性与所要探测波段红外线吸收性相比极其微小。
5.根据权利要求1或4所述的红外探测器，其特征在于：所述气体包括多种在红外波段具有相似特性的气体的混合。
6.根据权利要求1或4所述的红外探测器，其特征在于：所述气体包括用中性气体Ar、He对上述气体进行稀释。
7.根据权利要求1或4所述的红外探测器，其特征在于：所述气体在探测波段5～13μm时选用氟乙烯。
8.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于：所述透红外窗口薄膜与形变薄膜为同一结构，或独立存在的两个结构。
9.根据权利要求1或8所述的红外探测器，其特征在于：所述透红外窗口薄膜为多晶硅膜或单晶硅膜。
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