CN113776677A - 一种红外热成像传感器像元及红外热成像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种红外热成像传感器像元及红外热成像传感器，涉及传感器像元领域，包括：桥墩、桥臂、桥面、互连通孔、热敏电阻以及释放孔；所述像元结构整体呈现夹心式叠层结构，所述顶铝处于所述像元结构最底层，所述桥面处于所述像元结构最顶层，所述桥墩、桥臂、互连通孔以及所述热敏电阻均处于所述叠层结构内部。通过夹心式叠层结构设计加大热敏电阻可排布面积，提高了整体像元结构利用率，并降低了材料的闪烁噪声。结合桥臂所用折叠式排布，在有限空间内进一步加大桥臂长度，进而降低了像元结构热导，提升了像元结构整体响应率。另外，中心释放孔的设计，在不破坏热敏电阻的情况下，优化了PI牺牲层在燃烧过程中对于PI胶的释放。
Description
技术领域
本发明涉及成像传感器领域，更具体地，涉及一种红外热成像传感器像元及红外热成像传感器。
背景技术
随着非制冷红外热焦平面探测器技术的发展，红外成像技术的应用逐渐走进人们的生活。红外系统中，红外热成像传感器是核心，它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射。在红外成像传感器中，像元结构是核心，主要由ROIC(ReadOut Integrated Circuit，读出集成电路)衬底、桥墩、桥面以及桥臂组成。
随着微机械制造MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术的发展，红外热成像传感器已实现小型化、高集成、批量化生产，并朝向大面阵、小像元的方向发展，但像元尺寸的减小会导致热敏电阻面积的减小，一定程度上会增大热噪声，降低传感器的响应率；同时，现有技术中，为了实现良好的响应率，增加桥臂长度是一个可行的方法，但是，单纯得增加桥臂长度会导致像元结构填充率的降低。
为解决上述问题，现有技术进一步出现了一种MEMS图像传感器像元，具体如图2所示。桥面通过桥臂和桥墩固定在衬底上，并通过桥墩中的引线将桥面上产生的电信号传递至ROIC衬底上的读出电路，所述桥臂的横截面呈周期性曲折状，能够在有限的空间内，更大限度地延长桥臂，从而减小热导，提升NETD(Noise Equivalent Temperature Difference，噪声等效温差)指标。但该方式由于桥臂的横截面呈连续的梯形波形或锯齿形等特殊形状，制备工艺复杂，成本较高，现有MEMS平面工艺难以支撑该改进技术的广泛化使用。
因此，需要一种可广泛化应用的新型红外热成像传感器像元结构来在保证像元结构可获取较大填充率的前提下，可保证红外辐射吸收量的增大，同时可保证整体像元结构热导的降低。
发明内容
本发明实施例提供一种红外热成像传感器像元及红外热成像传感器，可以降低材料本身的闪烁噪声，降低热导，提高响应率，提升整体像元结构NETD指标，并可实现广泛应用。
为了解决上述问题，本发明实施例的第一方面提供了一种红外热成像传感器像元，包括：顶铝1、桥墩2、桥臂3、桥面4、互联通孔5以及热敏电阻6；
所述像元结构整体呈现夹心式叠层结构，所述顶铝1处于所述像元结构最底层，所述桥面4处于所述像元结构最顶层，所述桥墩2、所述桥臂3、所述互连通孔5以及所述热敏电阻6均处于所述叠层结构内部。
在一些实施例中，所述桥墩2排列于所述顶铝1上表面，所述桥墩2上沿同所述桥臂3相连，所述桥臂3上表面设置有所述互连通孔5。
在一些实施例中，所述互连通孔5贯穿所述热敏电阻6，所述互连通孔5内部设置有内溅沉积金属，所述热敏电阻6通过所述内溅沉积金属与所述桥臂3连接。
在一些实施例中，所述像元结构还包括结构接触孔7和释放孔8，所述热敏电阻6上方设置有所述接触孔7，所述释放孔8排布位置包括所述热敏电阻6的外围和中心无器件区域。
在一些实施例中，所述像元结构内部还包括PI牺牲层。
在一些实施例中，所述桥臂3弯折形成阵列，所述桥臂3的弯折阵列至少包括：U形折叠，V形折叠、波浪形折叠。
在一些实施例中，所述桥臂3弯折形成阵列中的多个弯折段的线圈长度包括：等差数列、等比数列、指数分布式排列中至少一种。
在一些实施例中，所述热敏电阻6的结构为分段式，形状至少包括扁平状。
在一些实施例中，所述热敏电阻6上方至少设置一处所述接触孔7。
在一些实施例中，所述互连通孔5形状至少可为圆形或扁平形。
在一些实施例中，所述桥墩2内含所述互连通孔数量至少为2个。
本发明实施例的第二方面还提供了一种红外热成像传感器，所述热红外传感器包括上述实施例所述的像元，多个所述像元在所述红外热成像传感器中组成阵列。
在一些实施例中，所述像元组成的阵列中，位置相邻的两个桥臂3的弯折形状互补。
本发明实施例提供了一种夹心式叠层结构的像元及红外热成像传感器，通过夹心式叠层结构设计加大热敏电阻可排布面积，提高了整体像元结构利用率，并降低了材料的闪烁噪声。结合桥臂所用折叠式排布，在扩大的空间内，进一步加大桥臂长度，进而降低了像元结构热导，提升了像元结构整体响应率，提升了NETD指标。通过反应磁控溅射方法，比较容易实现高方阻(Rs)，高TCR(电阻温度系数，Temperature Coefficient OfResistance)的热敏电阻薄膜，同时能保证较好的阻值均匀性和一致性。通过分段式热敏电阻设计，可保证像元结构获得较小的电阻，同时保证了了阻值一致性。另外，内部释放孔的设计，改善了PI牺牲层在燃烧过程中对于PI胶的释放，降低了胶渍残留的风险。所述像元整体结构叠层清晰，制备过程无需复杂MEMS技术进行支持，具备应用普遍性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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申请的一些实施例。
图1为现有技术中L型像元结构示意图；
图2为现有技术中进一步出现的像元结构剖面示意图；
图3为根据本发明一实施方式的一种夹心式叠层结构的像元结构叠层示意图；
图4为根据本发明一实施方式的一种弯折式排列结构桥臂的结构示意图；
图5为根据本发明一实施方式的一种弯折式桥臂和桥面层别排布示意图。
图6为根据本发明一实施方式的一种弯折式桥臂和热敏电阻层别排布示意图。
图7-a为根据本发明一实施方式的一种分段式热敏电阻结构及连接示意图。
图7-b为根据本发明一实施方式的一种分段式热敏电阻结构及连接电路示意图。
图8为根据本发明一实施方式的一种释放孔排布位置示意图。图9为根据本发明一实施方式的优选实施例桥臂长度尺寸示意图。
具体实施方式
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。
本领域技术人员可以理解，本申请中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同设备、模块或参数等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。
现有技术中像元结构设计如图1所示，桥臂多为L型设计，单个像元桥面搭载两个中心对称排布的共用圆形桥墩，每个圆形桥墩通过独立桥臂和桥面相连。现如今随着MEMS技术的发展，红外热成像传感器已实现小型化，高集成，批量化生产。近年来，红外热成像传感器已经实现像元尺寸从17μm到8μm的演变，并继续朝向大面阵，小像元，低NETD指标方向发展。但依照现有L型像元结构设计背景下，单纯的像元面积减小会带来热敏电阻面积的减小，这会导致制备热敏电阻的材料的闪烁噪声变大，同时，像元面积的减小对桥臂长度和填充率都存在负向影响。
为了保证获取优异的NETD指标，保证NETD数值越低越好，行业内常用直接手段是降低整体像元结构的噪声以及提升像元结构的响应率。降低噪声的方式需要通过增大热敏电阻面积实现，并且同步保证大面积下的热敏电阻阻值的一致性越高越好；提升像元结构响应率的方式需要增加所诉像元结构桥臂长度。但是，无论是增大热敏电阻面积还是增加像元结构桥臂长度，两种优化NETD指标的手段依照现阶段像元结构基础的情况下，都是同像元整体结构小型化发展的趋势相违背的。
为解决上述问题，现有技术中进一步出现了一种MEMS图像传感器像元，具体如图2所示。所述桥面结构通过桥臂和桥墩固定在衬底上，并通过桥墩中的引线将桥面上产生的电信号传递至ROIC衬底上的读出电路，所述桥臂的横截面呈周期性曲折状，能够在有限的空间内，更大限度的延长桥臂，从而减小热导，提升NETD指标。现有MEMS主要以光刻、薄膜淀积、溅射、刻蚀、清洗、划片和封装等为基本工艺步骤来针对半导体进行三维形体的微加工，加工尺度纳米至毫米尺度不等，但由于桥臂的横截面呈连续的梯形波形或锯齿形等特殊形状，现有MEMS平面工艺难以支撑其改进技术的广泛化使用。
如图3所示，为本发明一实施方式的一种夹心式叠层结构的像元，包括：顶铝1、桥墩2、桥臂3、桥面4、互连通孔5、热敏电阻6以及接触孔7；所述像元结构整体呈现夹心式叠层结构，所述顶铝1处于所述像元结构最底层，所述桥面4处于所述像元结构最顶层，所述桥墩2排列于所述顶铝结构上表面；
所述桥墩2上沿同所述桥臂3相连，所述桥臂3上表面设置有所述互连通孔5；
所述互联通孔5贯穿于所述热敏电阻6上表面，所述互连通孔5与所述桥臂3连接；
所述热敏电阻6上方设置有所述接触孔7，所述接触孔7上表面被所述桥面4覆盖。
在本发明的一项实施例中，为保证在所述桥墩2预留固定间距内尽可能延长所述桥臂3长度，所述桥臂3排布形状采用弯折排列，如图4所示。根据热阻计算公式θ＝L/(λS)(λ：导热系数；L：材料厚度或长度；S：传热面积)可知，在固定热导系数λ的条件下，物体对热流传导的阻碍能力，与传导路径长度成正比；由于热阻增大时，像元结构热导能力降低，故增加所述桥臂3长度可有效降低热导。结合现有实际生产或已公开的DOE(Design OfExperiment)结论可知，热导为影响像元结构NETD指标主要因子，两者呈正相关关联，现阶段生产制备中对于NETD的数值期望越低越好，热导的降低可使NETD数值降低，提升NETD指标(我们希望NETD越小越好，提升NETD指标就是降低其值)。
可选的，在一些实施例中，所述桥臂3弯折形成阵列中的多个弯折段的线圈排列模式可以为递增式排列或递减式排列。
可选的，在一些实施例中，所述桥臂3的弯折阵列横向弯折，如图4所示，也可以选择纵向弯折，如图5所示。
在本发明的一项实施例中，为保证像元结构整体填充率和红外热辐射的吸收面积尽可能大。对所述桥臂3和所述桥面4进行叠层结构设计，使两者不处于相同水平高度，如图5所示。保证了所述桥面4作为吸收层，拥有足够大的填充率。
可选的，在一些实施例中，所述桥面4处于所述桥臂3的上方叠层空间。
在本发明的一项实施例中，为保证像元结构中所述热敏电阻6面积尽可能大。对所述桥臂3和所述热敏电阻6进行叠层结构设计，使两者不处于相同水平高度，如图6所示。保证了所述热敏电阻具有足够大的排布空间。
可选的，在一些实施例中，所述热敏电阻6设置于所述互联通孔5上面，所述互连通孔5贯穿所述热敏电阻6的上表面。通过所述互连通孔5与所述桥臂3连接。
本发明的一项实施例中，通常热敏电阻的制备过程需求优先保证像元结构电阻值满足产品需求。热敏电阻是一种传感器电阻，其电阻值随着温度变化而变化。按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻(PTC thermistor，即Positive Temperature Coefficientthermistor)和负温度系数热敏电阻(NTC thermistor，即Negative TemperatureCoefficient thermistor)。正温度系数热敏电阻器的电阻随温度的升高而增大，负温度系数热敏电阻的电阻值随温度的升高而减小，它们属于半导体器件。
通常的，在热敏电阻阻值满足产品需求的基础上优先追求热敏电阻的TCR能力越高越好。TCR即电阻温度系数表示电阻当温度改变1摄氏度时，电阻值的相对变化，单位为ppm/℃(即10-6/℃)。有负温度系数、正温度系数以及在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度系数。电阻温度系数是一个与材料的微观结构密切相关的一个参数，在没有任何缺陷的情况下，它具有理论上的最大值。
可选的，热敏电阻材质以现阶段较为通用的氧化钒例，并设计为扁平形状(即电流长度流向小于宽度流向)。
根据方阻Rs的的定义，在一长为l，宽w，高d(即膜厚)，电阻率为ρ，此时方阻Rs＝ρ*l/(w*d)＝(ρ/d)*(l/w)，令l＝w时，即方阻Rs＝ρ/d。在固定电阻率ρ不变的情况下，通常来说厚度d越大，所用制程越难。因此，在可广泛地应用于实际制备过程中，所用热敏电阻厚度d偏小，在方阻一定的情况下，d越小，热敏电阻的阻值越大。通常的，热敏电阻值理论值为热敏电阻方阻Rs同方块数θ的乘积，此处方块数θ的物理定义为电流流向的长度与宽度比。实际生产过程中，热敏薄膜的方阻越大，越容易制备，均匀性越好，TCR越大，由此可知，在满足热敏电阻需求阻值为固定值或固定范围值的前提下(即热敏电阻阻值满足产品需求)，实际所需的方块数θ，越小越好，即需求电流在热敏电阻中走过的宽度越大，长度越小。
可选的，热敏电阻结构设定为分段式扁平形状，方块数可选1/2，各分段部分采用并联手段进行连接，如图7-a所示。电流流经所述分段式热敏电阻(此处以两段为例)，相当于流向两处并联在电路中的热敏电阻，如图7-b所示。因此，理论上分段式热敏电阻结构方块数至少可达到相同面积原一体式热敏电阻结构方块数的1/4。
在本发明的一项实施例中，为保证所述像元结构在后续制程中保证PI(聚酰亚胺)牺牲层充分释放，减少因释放不充分导致PI胶残留于像元结构内部造成负向影响的概率。如图8所示，在所述热敏电阻6上方设置有所述释放孔8。所述释放孔8的设置，可在PI牺牲层释放过程中保证氧气等离子体得足够流通，助其燃烧充分。由于所述释放孔8不存在于所述热敏电阻6所处平面，因此设定过程不影响所述热敏电阻6的结构排布。
可选的，所述释放孔8上表面覆盖于所述桥面4。
可选的，所述释放孔8设定数量至少为1个。
在本发明的一项优选实施例中，以设计14微米的像元结构为例。单侧所述桥臂3的长度144.244μm，面积计算填充率可达90.39％，所述热敏电阻6的有效面积为80.6μm2。如图1所示，现有技术方案中单侧桥臂长度为27.53μm，填充率为66％，热敏电阻的有效面积为70μm2。通过两者比对可知，像元桥臂改善后是所述现有技术方案的5.24倍，填充率改善后是所述现有技术的1.37倍，热敏电阻的有效面积是所述现有技术的1.15倍。比对结果表明，本方案实施例所述的像元结构的桥臂长度，填充率，热敏电阻有效面积三项可量化指标均优于现有技术，所带来的影响是通过增加桥臂长度，实现了降低热导，提高了整体结构响应率，增加热敏电阻面积，实现了降低材料本身的闪烁噪声，从而获得了优异得NETD指标。。
所述优选实施例可通过现阶段MEMS技术实现，如表面微加工和体型微加工等。
本发明实施例提供了一种夹心式叠层结构的像元及红外热成像传感器，通过夹心式叠层结构设计加大热敏电阻可排布面积，提高了整体像元结构利用率，并降低了材料的闪烁噪声。结合桥臂所用折叠式排布，在扩大的有限空间内，进一步加大桥臂长度，进而降低了像元结构热导，提升了像元结构整体响应率，提升了NETD指标。并且，通过反应磁控溅射方法，比较容易实现高方阻(Rs)，高TCR(电阻温度系数，Temperature Coefficient OfResistance)的热敏电阻薄膜，同时能保证较好的阻值均匀性和一致性。同时，通过分段式热敏电阻设计，可保证像元结构获得较小的电阻，同时保证了了阻值一致性。另外，内部释放孔的设计，改善了PI牺牲层在燃烧过程中对于PI胶的释放，降低了胶渍残留的风险。所述像元整体结构叠层清晰，制备过程无需复杂MEMS技术进行支持，具备应用普遍性。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种红外热成像传感器像元，其特征在于，至少包括：顶铝(1)、桥墩(2)、桥臂(3)、桥面(4)、互连通孔(5)以及热敏电阻(6)；
所述像元结构整体呈现夹心式叠层结构，所述顶铝(1)处于所述像元结构最底层，所述桥面(4)处于所述像元结构最顶层，所述桥墩(2)、所述桥臂(3)、所述互连通孔(5)以及所述热敏电阻(6)均处于所述叠层结构内部。
2.根据权利要求1所述的红外热成像传感器像元，其特征在于，所述桥墩(2)排列于所述顶铝(1)上表面，所述桥墩(2)上沿同所述桥臂(3)相连，所述桥臂(3)上表面设置有所述互连通孔(5)。
3.根据权利要求1所述的红外热成像传感器像元，其特征在于，所述互连通孔(5)贯穿所述热敏电阻(6)，所述互连通孔(5)内部设置有内溅沉积金属，所述热敏电阻(6)通过所述内溅沉积金属与所述桥臂(3)连接。
4.根据权利要求1所述的红外热成像传感器像元，其特征在于，所述像元还包括结构接触孔(7)和释放孔(8)，所述热敏电阻(6)上表面设置有所述接触孔(7)，所述释放孔(8)排布位置包括所述热敏电阻(6)的外围和中心无器件区域。
5.根据权利要求1所述的红外热成像传感器像元，其特征在于，所述桥臂(3)弯折阵列形状包括：U形折叠、V形折叠和波浪形折叠中至少一种。
6.根据权利要求1所述的红外热成像传感器像元，其特征在于，所述桥臂(3)弯折形成阵列中的多个弯折段的线圈长度包括：等差数列、等比数列和指数分布式排列中至少一种。
7.根据权利要求1所述的红外热成像传感器像元，其特征在于，所述热敏电阻(6)的结构为分段式，形状至少包括扁平状。
8.根据权利要求1所述的红外热成像传感器像元，其特征在于，所述接触孔(7)设计外形包括：圆形以及扁平形。
9.一种红外热成像传感器，其特征在于，所述红外热成像传感器包括多个如权利要求1-8中任一项所述的像元，多个所述像元在所述红外热成像传感器中组成阵列。
10.根据权利要求9所述红外热成像传感器，其特征在于，所述像元组成的阵列中，位置相邻的两个桥臂(3)的弯折形状互补。
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