CN110411567A - 一种红外光偏振传感器、芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红外偏振传感器，基于MEMs加工工艺制作，包括探测波导、环形谐振腔波导和热敏微悬梁臂，其特征在于所述热敏微悬梁臂上集成红外偏振片，该红外偏振片接收自然红外光，并输出偏振红外光至与所述红外偏振片集成的所述热敏微悬梁臂上使所述热敏微悬梁臂发生热致弯曲变形，使所述环形谐振波导中传播的所述探测光和激发光振幅和频率发生漂移。利用红外偏振滤光片阵列与MEMS结构相结合，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即可实现红外偏振光检测，具有廉价、灵敏等特点。
Description
技术领域
本发明属于红外光探测领域，特别涉及一种红外偏光偏振传感器和由该传感器组成地芯片。
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。然而，在很多实际工业应用中，低对比度以及高反光的成像环境往往会淹没有用信息，而偏振传感器能帮助解决此类问题。相较于传统的红外传感芯片，它能帮助发现被隐藏的目标属性，并提供更清晰的可判别图像。
传统的红外成像探测系统主要获取的是探测物的红外热辐射，利用目标与背景辐射强度差异实现目标物的探测与跟踪。然而，随着新型红外伪装涂料和相关红外隐身技术的发展，目标表面的热辐射信息被大大减弱，使传统红外探测技术较难有效检测目标。偏振是光的一个重要信息，偏振探测可以把信息量从三维(光强、光谱和空间)扩展到七个维度(光强、光谱、空间、偏振度、偏振方位角、偏振椭率和旋转的方向)，从而极大提高遥感探测和目标识别的准确度。例如，伪装涂层的红外辐射强度虽然较弱，但红外偏振信息较强。因此，红外偏振检测技术已在军事和民用领域展现出的广阔的应用前景，受到了国内外众多学者和有关部门的高度关注。
发明内容：
鉴于上述问题，本发明提供了一种红外光偏振传感器、芯片，把检测信息维度从三维扩展到七维，极大提升遥感探测和目标识别准确性，能帮助发现被隐藏的目标属性，并提供更清晰的可判别图像。
本发明所述一种红外光偏振传感器，基于MEMs加工工艺制作，包括探测波导、环形谐振腔波导和热敏微悬梁臂，其特征在于所述热敏微悬梁臂上集成红外偏振片，其中：
所述探测波导接收探测光和激发光，并通过倏逝波耦合进入所述环形谐振波导；
所述环形谐振波导接收通过所述探测波导偶入的所述探测光和激发光，使所述热敏微悬梁臂共振；
所述红外偏振片接收自然红外光，只有特定偏振态的红外光可以透过，并辐射至与所述红外偏振片集成的所述热敏微悬梁臂上使所述热敏微悬梁臂发生热致弯曲变形，使所述环形谐振波导中传播的所述探测光和激发光振幅和频率发生漂移；
所述探测波导耦出所述振幅和频率发生漂移的探测光。
优选的，本发明还提供一种红外偏振传感器，其特征在于所述环形谐振腔波导集成在SiO2基底上。
优选的，本发明还提供一种红外偏振传感器，其特征在于：所述热敏微悬梁臂和所述环形谐振腔波导之间有一个空气间隙，使所述热敏微悬梁臂可自由振动。
优选的，本发明还提供一种红外偏振传感器，其特征在于：所述热敏微悬梁臂和所述环形谐振腔波导之间通过SiO2连接，形成所述空气间隙。
优选的，本发明还提供一种红外偏振传感器，其特征在于：所述环形谐振波导的材料为Si3N4，所述热敏微悬梁臂材料为SiNx。
此外，本发明还提供一种红外偏振成像，其特征在于由多个权利要求1至5任一红外偏振传感器、带宽滤波片、CCD探测器组成，其中所述红外偏振传感器呈阵列式紧密排列。
本发明涉及一种红外偏振传感器和芯片，利用红外偏振滤光片阵列与MEMS结构相结合，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即可实现红外偏振光检测，具有廉价、灵敏等特点。
附图说明
图1是本发明红外偏振传感器结构示意图。
图2是本发明红外偏振MEMs结构示意图。
图3是本发明阵列式红外成像芯片像素单元结构示意图。
图4是本发明阵列式红外偏振成像芯片结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
本专利提出一种新型偏振式非制冷红外传感技术，将偏振滤光片与光学环形谐振腔、MEMS加工工艺相结合。基于热应力的调控方式，可实现高灵敏度的红外响应，其结构示意图如图1。红外传感芯片包括探测波导，环形谐振腔波导、偏振滤光片和热敏微悬梁臂四部分。光学环形谐振腔由纳米结构构成，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。当具有偏振态的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，探测波导耦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和(或)8-10um的大气红外窗口。
环形谐振腔的材料为Si3N4材料，下面是玻璃基底。本专利中所用偏振滤光片为光栅结构。进过光栅结构后，自然红外光变为偏振红外光，并入射到MEMS结构上。所用MEMs结构为微悬梁臂结构，它是决定红外传感特性的关键组成部分。这个器件由SiNx构成。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。
本专利基于该热敏传感结构设计阵列式红外成像芯片。本专利所涉及的阵列式红外成像芯片单元结构如图三所示。单个像素单元包含光偶入层、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。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。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偏振成像芯片结构如图四所示。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。多个MEMs结构紧密排列。MEMs结构上的偏振单元取向依次变化，用于探测不同偏振方向的红外光。每个MEMs单元结构依次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。探测波导上耦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。
本发明涉及一种红外偏振传感器，利用多取向的红外偏振滤光片阵列与MEMS结构相结合，将具有不同偏振态的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即可实现红外偏振光检测，具有廉价、灵敏等特点。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。
Claims (6)
1.一种红外光偏振传感器，基于MEMs加工工艺制作，包括探测波导、环形谐振腔波导和热敏微悬梁臂，其特征在于所述热敏微悬梁臂上集成红外偏振片，其中：
所述探测波导接收探测光和激发光，并通过倏逝波耦合进入所述环形谐振波导；
所述环形谐振波导接收通过所述探测波导偶入的所述探测光和激发光，使所述热敏微悬梁臂共振；
所述红外偏振片接收自然红外光，并输出偏振红外光至与所述红外偏振片集成的所述热敏微悬梁臂上使所述热敏微悬梁臂发生热致弯曲变形，使所述环形谐振波导中传播的所述探测光和激发光振幅和频率发生漂移；
所述探测波导耦出所述振幅和频率发生漂移的探测光。
2.一种如权利要求1所述红外偏振传感器，其特征在于所述环形谐振腔波导集成在SiO2基底上。
3.一种如权利要求1或2所述红外偏振传感器，其特征在于：所述热敏微悬梁臂和所述环形谐振腔波导之间有一个空气间隙，使所述热敏微悬梁臂可自由振动。
4.一种如权利要求3所述红外偏振传感器，其特征在于：所述热敏微悬梁臂和所述环形谐振腔波导之间通过SiO2连接，形成所述空气间隙。
5.一种如权利要求1至4所述任一红外偏振传感器，其特征在于：所述环形谐振波导的材料为Si3N4，所述热敏微悬梁臂材料为SiNx。
6.一种红外偏振成像芯片，其特征在于由多个权利要求1至5任一红外偏振传感器、带宽滤波片、CCD探测器组成，其中所述红外偏振传感器呈阵列式紧密排列。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114859463A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-08-05 | 中山大学 | 一种片上微腔超声增敏掏空芯片及其制备方法 |
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2019
- 2019-07-26 CN CN201910679206.4A patent/CN110411567A/zh active Pending
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