CN114127523A - 具有减小的像素间距的微测辐射热计 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种微测辐射热计，该微测辐射热计包括像素的阵列，每个像素包括一个或多个检测单元，每个检测单元包括吸收层(530)，其中：检测单元在像素阵列的平面中的至少一个方向上的间距在5到11μm之间；每个像素中的一个或多个检测单元的吸收层(530)的像素填充因数FF在0.10到0.50的范围内；以及每个检测单元的吸收层(530)的薄层电阻Rs在16至189ohm/sq之间。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2019年6月5日提交的法国专利申请且分配的申请号FR1905962的优先权，其内容通过引用纳入本文中。
技术领域
本公开总体上涉及红外成像领域，并且特别涉及一种微测辐射热计(microbolometer)和一种制造微测辐射热计的方法。
背景技术
微测辐射热计是一种用于捕捉图像场景的热图像的非制冷红外(IR)相机。这种红外相机通常包括形成像素阵列的红外敏感探测器的布置。像素阵列的每个像素将在像素处测量的温度转换为对应的电信号，通常为电压，其进而由ADC(模数转换器)转换为数字输出信号。
微测辐射热计的每个像素包括悬挂在衬底上的膜。该膜包括从照射像素的红外光吸收能量的吸收层，以致使其温度根据红外光的强度而升高。例如，该膜还包括热层，具有由这种温升来改变其电阻的性质，并且因此可以通过检测该热层的电阻变化来读出像素，该热层与吸收层热连接。
微测辐射热计在目标波长范围内具有相对较高的灵敏度通常是可取的，通常意味着较高的吸收率。同样可取的是该设备相对紧凑且成本相对较低。
然而，在减小微测辐射热计的尺寸和/或成本而不降低其灵敏度方面存在技术问题。事实上，微测辐射热计的像素间距越小，吸收功率的量越低，并且设计用于支撑具有相对较高热阻的吸收层的臂就越困难。
发明内容
本公开的实施例的目的是至少部分地解决现有技术中的一个或多个问题。
根据一个实施例，提供了一种包括像素阵列的微测辐射热计，每个像素包括一个或多个检测单元，每个检测单元包括吸收层，其中：检测单元在像素阵列的平面中的至少一个方向上的间距在5至11μm之间；每个像素中的一个或多个检测单元的吸收层的像素填充因数FF在0.10到0.50的范围内；并且每个检测单元的吸收层的薄层电阻Rs在16到189ohm/sq之间。
根据一个实施例，阵列的每个像素的比率Rs/FF在200到600ohm/sq之间。
根据一个实施例，每个像素具有在0.10到0.40范围内的像素填充因数。
根据一个实施例，每个像素具有在0.20到0.40范围内的像素填充因数。
根据一个实施例，检测单元在像素阵列的平面中的至少一个方向上的间距在8到9μm之间。
根据一个实施例，阵列的每个像素具有：
-像素填充因数FF等于或大于0.40且小于0.50，并且吸收层的薄层电阻Rs至少为75ohm/sq；或
-像素填充因数FF等于或大于0.30且小于0.40，并且吸收层的薄层电阻Rs至少为50ohm/sq；或
-像素填充因数FF等于或大于0.20且小于0.30，并且吸收层的薄层电阻Rs至少为25ohm/sq；或
-像素填充因数FF等于或大于0.10且小于0.20，并且吸收层的薄层电阻Rs至少为16ohm/sq。
根据一个实施例，比率Rs/FF在377ohm/sq±20％的范围内。
根据一个实施例，每个检测单元的吸收层是金属层。
根据一个实施例，吸收层由TiN形成并且具有10至115nm之间的厚度。
根据一个实施例，像素阵列包括衬底，并且像素阵列的每个像素包括形成在衬底上的反射层和悬挂在反射层上的膜，在每个像素中的膜和反射层之间形成四分之一波长谐振腔，并且膜包括吸收层和热层。
根据一个实施例，吸收层的表面积小于膜的表面积的75％。
根据一个实施例，四分之一波长谐振腔的高度在1.5至3.5μm范围内。
根据一个实施例，检测单元在像素阵列的平面中的至少一个方向上的间距小于四分之一波长谐振腔的高度的四倍。
根据另一方面，提供了一种制造微测辐射热计阵列的方法，该方法包括：形成像素的阵列，每个像素具有一个或多个检测单元，其中形成所述阵列包括：形成在像素阵列平面的至少一个轴上具有5至11μm的间距的检测单元；以及形成每个检测单元以包括吸收层，该吸收层具有在0.10到0.50范围内的像素填充因数FF和在16到189ohm/sq之间的薄层电阻Rs。
根据又一方面，提供了一种微测辐射热计，其包括像素的阵列，每个像素包括一个或多个检测单元，每个检测单元包括形成高度h在1.5和5μm之间的四分之一波长谐振腔的吸收层，其中，检测单元在像素阵列的平面中的至少一个轴上的间距在2.4h到3.6h的范围内。
根据一个实施例，每个像素中的一个或多个检测单元的吸收层的像素填充因数FF在0.20到0.70的范围内。
根据一个实施例，每个像素中的一个或多个检测单元的吸收层的像素填充因数FF在0.10到0.50的范围内。
根据一个实施例，检测单元的间距在4到15μm的范围内。
根据一个实施例，检测单元的间距在5到11μm的范围内。
根据一个实施例，吸收层是具有189ohm/sq或更小的薄层电阻的金属层。
根据一个实施例，吸收层是具有126ohm/sq或更小的薄层电阻的金属层。
根据一个实施例，吸收层由氮化钛形成。
根据一个实施例，谐振腔高度在1.5和3.5μm之间。
根据一个实施例，阵列的每个像素具有：
-像素填充因数FF等于或大于0.40且小于0.50，并且吸收层的薄层电阻Rs至少为75ohm/sq；或
-像素填充因数FF等于或大于0.30且小于0.40，并且吸收层的薄层电阻Rs至少为50ohm/sq；或
-像素填充因数FF等于或大于0.20且小于0.30，并且吸收层的薄层电阻Rs至少为25ohm/sq；或
-像素填充因数FF等于或大于0.10且小于0.20，并且吸收层的薄层电阻Rs至少为16ohm/sq。
根据一个实施例，阵列的每个像素的比率Rs/FF在200到600ohm/sq之间。
根据一个实施例，阵列的每个像素的比率Rs/FF在377ohm/sq的20％之内。
根据一个实施例，每个检测单元包括包括吸收层、热层和介电层的膜。
根据另一个方面，提供了一种制造微测辐射热计的方法，该方法包括形成像素阵列，每个像素包括一个或多个检测单元，其中形成该阵列包括：形成每个检测单元以包括吸收层，该吸收层形成具有高度h在1.5至5μm之间的四分之一波长谐振腔；并形成在像素阵列的平面的至少一个轴上具有2.4h至3.6h范围内的间距的检测单元。
附图说明
上述特征和优点以及其他特征和优点将在以下以图解方式给出的特定实施例的描述中详细描述，而不限于参考附图，其中：
图1示意性地示出了根据示例实施例的红外相机的图像捕获电路；
图2是根据示例实施例的微测辐射热计的像素的横截面图；
图3是根据示例实施例的微测辐射热计阵列的一部分的平面图；
图4是示出了在像素间距为17μm、法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔高度为2.5μm以及光波长为10μm的情况下，对于吸收层的八种不同薄层电阻，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与像素填充因数的函数关系的曲线图；
图5是根据本公开的示例性实施例的微测辐射热计的像素的透视图；
图6是根据本公开的示例实施例的图5的像素的一部分的横截面图；
图7是示出了在像素间距为8.5μm、法布里-珀罗腔高度为2.5μm以及光波长为10μm的情况下，对于吸收层的八种不同薄层电阻，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与像素填充因数的函数关系的曲线图；
图8是根据本公开的示例性实施例的微测辐射热计阵列的一部分的平面图；
图9是根据本公开的另一示例实施例的微测辐射热计阵列的一部分的平面图；
图10是示出在像素间距为8.5μm、法布里-珀罗腔高度为2.5μm以及光波长为10μm的情况下，对于吸收层的许多不同薄层电阻，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与像素填充因数的函数关系的曲线图；
图11是示出在像素间距为8.5μm、法布里-珀罗腔高度为2.5μm以及光波长为10μm的情况下，对于吸收层的许多不同薄层电阻，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率增益与像素填充因数的函数关系的曲线图；
图12是更详细地示出了图11的曲线图的对应于20％或更大增益的区域的曲线图；
图13是更详细地表示图11中的曲线图的对应于50％或更大增益的区域的曲线图；
图14是表示对于不同填充因数，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率、与薄层电阻/填充因数比率的函数关系的曲线图；
图15是更详细地示出了图14中的曲线图的对应于0.9以上的吸收率的区域的曲线图；
图16是示出了在像素间距为11μm、法布里-珀罗腔高度为3.5μm以及光波长为13μm的情况下，对于吸收层的八种不同薄层电阻，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与像素填充因数的函数关系的曲线图；
图17是示出了在像素间距为5μm、法布里-珀罗腔高度为1.5μm以及光波长为6μm的情况下，对于吸收层的八种不同薄层电阻，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与像素填充因数的函数关系的曲线图；
图18是示出了在像素间距为5μm、法布里-珀罗腔高度为2.5μm以及光波长为10μm的情况下，对于吸收层的八种不同薄层电阻，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与像素填充因数的函数关系的曲线图；
图19是示出了在像素间距为6μm、法布里-珀罗腔高度为2.5μm以及光波长为10μm的情况下，对于吸收层的八种不同薄层电阻，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与像素填充因数的函数关系的曲线图；
图20是示出了在像素间距为7μm、法布里-珀罗腔高度为2.5μm以及光波长为10μm的情况下，对于吸收层的八种不同薄层电阻，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与像素填充因数的函数关系的曲线图；
图21是示出了在像素间距为8μm、法布里-珀罗腔高度为2.5μm以及光波长为10μm的情况下，对于吸收层的八种不同薄层电阻，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与像素填充因数的函数关系的曲线图；
图22是示出了在像素间距为9μm、法布里-珀罗腔高度为2.5μm以及光波长为10μm的情况下，对于吸收层的八种不同厚度，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与像素填充因数的函数关系的曲线图；
图23是示出了在像素间距为10μm、法布里-珀罗腔高度为2.5μm以及光波长为10μm的情况下，对于吸收层的八种不同薄层电阻，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与像素填充因数的函数关系的曲线图；
图24是示出了在像素间距为11μm、法布里-珀罗腔高度为2.5μm以及光波长为10μm的情况下，对于吸收层的八种不同薄层电阻，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与像素填充因数的函数关系的曲线图；
图25是示出了在像素间距为12μm、法布里-珀罗腔高度为2.5μm以及光波长为10μm的情况下，对于吸收层的八种不同薄层电阻，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与像素填充因数的函数关系的曲线图；
图26A是示出了对于七个不同的像素填充因数，对于8.5μm的像素间距和2.5μm的法布里-珀罗腔高度，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与光波长的函数关系的曲线图；
图26B至26G是示出了对于七个不同的像素填充因数，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与光波长的函数关系的曲线图，其中，图26B和26C对应于2.5μm的法布里-珀罗腔高度并且分别对应于6μm和9μm的像素间距；图26D和26E对应于1.5μm的法布里-珀罗腔高度并且分别对应于3.6μm和5.4μm的像素间距；图26F和26G对应于5μm的法布里-珀罗腔高度并且分别对应于12μm和18μm的像素间距；
图26H至26R是示出对于七个不同的像素填充因数，具有2.5μm法布里-珀罗腔高度的微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与光波长的函数关系的曲线图，其中这些图分别示出了像素间距为5μm、5.5μm、6μm、6.5μm、7μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm和10μm的示例；
图27是示出了对于七种不同的像素填充因数、8.5μm的像素间距以及2.5μm的法布里-珀罗腔高度，非吸收衍射功率的比率与光波长的函数关系的曲线图；
图28和29是分别示出了具有厚度为6nm的吸收层、0.3的像素填充因数以及对于6μm的光波长的微测辐射热计像素中的电场和磁场的空间分布的图；
图30和图31是分别示出了具有厚度为6nm的吸收层、0.3的像素填充因数以及对于8μm的光波长的微测辐射热计像素中的电场和磁场的空间分布的图；
图32和33是分别示出了具有厚度为6nm的吸收层、0.3的像素填充因数以及对于10μm的光波长的微测辐射热计像素中的电场和磁场的空间分布的图；
图34和图35是分别示出了具有厚度为6nm的吸收层、0.3的像素填充因数以及对于12μm的光波长的微测辐射热计像素中的电场和磁场的空间分布的图；
图36和图37是分别示出了具有厚度为6nm的吸收层、0.3的像素填充因数以及对于14μm的光波长的微测辐射热计像素中的电场和磁场的空间分布的图；
图38和39是分别示出了具有厚度为22nm的吸收层、0.3的像素填充因数以及对于6μm的光波长的微测辐射热计像素中的电场和磁场的空间分布的图；
图40和41是分别示出了具有厚度为22nm的吸收层、0.3的像素填充因数以及对于8μm的光波长的微测辐射热计像素中的电场和磁场的空间分布的图；
图42和图43是分别示出了具有厚度为22nm的吸收层、0.3的像素填充因数以及对于10μm的光波长的微测辐射热计像素中的电场和磁场的空间分布的图；
图44和图45是分别示出了具有厚度为22nm的吸收层、0.3的像素填充因数以及对于12μm的光波长的微测辐射热计像素中的电场和磁场的空间分布的图；以及
图46和47是分别示出了具有厚度为22nm的吸收层、0.3的像素填充因数以及对于14μm的光波长的微测辐射热计像素中的电场和磁场的空间分布的图。
具体实施方式
类似特征已由各种图中的类似参考来指定。特别地，各种实施例中常见的结构和/或功能特征可以具有相同的参考，并且可以配置相同的结构、尺寸和材料特性。
为了清楚起见，仅对有助于理解本文描述的实施例的操作和元件进行了详细说明和描述。特别地，未详细描述用于测量微测辐射热计阵列中像素电阻的电路，并且也未详细描述用于处理捕获的像素数据以生成热图像的方法。
在以下公开中，除非另有说明，否则当参考绝对位置限定词时，诸如术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等，或参考相对位置限定词，诸如术语“在……之上”、“在……之下”、“高于……”、“低于……”等，或参考方位限定词，诸如“水平的”时，“垂直的”等，即参考图中所示的方向，或参考正常使用期间所定向的微测辐射热计。
除非另有规定，否则“约”、“近似”、“基本上”和“大约”表示在10％以内，并且最好在5％以内。
在以下描述中，以下术语将被视为具有以下定义。
“吸收层”：在微测辐射热计的像素中从红外光吸收能量的层。在本公开的实施例中，该层由诸如氮化钛(TiN)、钛(Ti)或铂(Pt)的金属形成。
“像素填充因数”：吸收层表面积与像素表面积之间的比率。在本公开中，像素填充因数的值被设置有两位小数的精度。
“像素间距”或“检测单元间距”：在微测辐射热计阵列中以其形成像素/检测单元的间隔。像素间距可对应于每个像素或检测单元在x或y方向上的宽度，或从一个像素或检测单元的边缘到相邻像素或检测单元的对应边缘的距离。在本公开中，像素和检测单元的间距被设置以微米为单位，其精度为小数点后一位，并且在某些情况下为小数点后两位。
在本公开中，假定薄层电阻的值精确到5％以内，并且假定以纳米表示的厚度精确到最接近的纳米。
图1示意性地示出了根据示例性实施例的红外相机的图像捕获设备100。设备100包括形成能够在环境温度下操作的微测辐射热计的像素104的阵列102。例如，该阵列包括N列和M行，其中N和M例如分别等于2或更大，并且可以等于1000以上。阵列102的输出被耦合到读出电路106，读出电路106是例如读出集成电路(ROIC)。例如，电路106包括用于将微测辐射热计阵列102中捕获的信号转换为数字信号S的一个或多个模数转换器。例如，数字信号S被提供给处理设备(P)108，处理设备(P)108执行原始图像数据的处理以生成热图像I。例如，设备100能够捕获静止热图像或形成视频流的热图像。
图2是图1的微测辐射热计阵列102的像素104之一的更详细的横截面图。像素104包括膜202，其悬挂在被形成在衬底206上的反射表面204上。例如，膜202由臂208支撑，臂208还在衬底206和膜202之间提供热绝缘。
例如，膜202跨其至少部分表面积包括吸收层210、热层212以及介电层214，其中一个将吸收层和热层210、212彼此隔离，并且另外两个将层210、212夹在中间。
吸收层210例如由金属形成，诸如氮化钛、钛、铂或其他金属。吸收层210吸收来自撞击像素的红外光的能量，并因此被加热。该热量被传递到热层212，热层212由具有随温度变化的电阻的材料形成。接近热层212边缘的触点C1和C2允许通过读出电路(图2中未示出)经由臂208测量每个像素的热层的电阻。
膜202的厚度Em通常在100nm到1μm的范围内。
膜202和反射层204的表面之间的空间限定了四分之一波长谐振腔216，也称为法布里-珀罗腔。通常，谐振腔216填充有空气或处于部分真空下。选择该谐振腔的高度h以由膜202的吸收层210在期望波长范围下实现对红外光的相对较高的吸收率。特别地，谐振腔的高度h被选择为等于λtg/4，其中λtg是目标波长。
高度h例如在0.50至5.0μm的范围内，并且在一些实施例中在1.5至3.5μm的范围内。在下文中，除非另有说明，否则示例和模拟基于2.5μm的腔高度，这为以10μm为中心的光波长提供了相对较高的吸收。事实上，该波长附近的光谱通常是热红外应用最感兴趣的。然而，在可替选的实施例中，可以针对光的不同波长。
图3根据示例实施例更详细地示出了图1的微测辐射热计阵列102的一部分。在图3中，虚线网格表示阵列的像素的界限，并且实心矩形表示每个像素的吸收层210的表面积。
图3中的x轴被定义为对应于微测辐射热计阵列平面内像素行的方向，并且图3中的y轴被定义为对应于微测辐射热计阵列平面内像素列的方向。
例如，微测辐射热计阵列中的像素具有x方向上的像素间距Px以及y方向上的像素间距Py，像素间距Px和Py例如基本相同。在下文中，当参考像素间距的特定值时，除非另有说明，否则假定这是x和y方向上的间距。像素的面积Apix等于Px·Py。吸收层210例如在x方向上具有比间距Px短的宽度Wx，并且在y方向上具有比间距Py短的宽度Wy。因此，吸收层的表面积Aabs等于Wx·Wy。每个像素内吸收层的像素填充因数FF可被定义为Aabs/Apix。
第一方面
为了提供相对较高的微测辐射热计的吸收率，并因此提供较高的灵敏度，填充因数FF通常被选择为尽可能接近1，如现在参考图4所述。
图4是表示对于由氮化钛形成的吸收层的八个不同的薄层电阻且对于10μm的光波长，具有17.0μm像素间距的微测辐射热计像素(诸如图1至图3的像素104)的吸收率(ABSORPTION RATE)与填充因数(FF)的函数关系的曲线图。
对应于图4的曲线401至408的薄层电阻和氮化钛吸收层的厚度如下表所示：
[表1]
从图4可以看出，使用厚度为5或10nm的相对较薄吸收层，并使用0.65以上的填充因数，可以实现0.9以上的吸收率。使用5nm的厚度且具有接近0.90的填充因数的吸收层可获得最佳吸收率。然而，对于具有17.0μm间距的像素，可实现的填充因数通常在0.60左右。
为了在保持像素数量的同时减小微测辐射热计阵列的尺寸，减小像素间距是期望的。然而，在不显著降低填充因数的情况下很难实现像素间距减小。此外，图4的曲线指示出，降低填充因数将导致吸收率显著降低，这是不期望的。
本发明人意外地发现，当至少一个轴(并且优选两个轴)上的像素间距减小到5到11μm范围内的值，并且优选为8到9μm范围内的值时，仍然可以通过使用0.10到0.50之间的相对较低的填充因数、并且选择具有介于16和189ohm/sq之间且在一些实施例中介于16和130ohm/sq之间的薄层电阻的吸收层210，来实现较高的吸收率。
降低吸收层的薄层电阻意味着增加其厚度。例如，对于氮化钛的吸收层，为了实现小于200ohm/sq的薄层电阻，其厚度至少为10nm，并且为了实现小于130ohm/sq的薄层电阻，其厚度至少为15nm。
吸收层厚度的这种增加会增加吸收层和衬底之间的热传导，从而导致性能较差。特别地，参考图2的像素，增加层210的厚度将增加经由臂208向衬底206的热传导，导致了灵敏度降低。现在将参考图5更详细地描述具有相对低的填充因数和相对低的与衬底的热传导的修改的像素。
图5是根据本公开的示例实施例的微测辐射热计的像素500的透视图。
像素500例如包括悬挂在形成于衬底506上的反射层504上的膜502。
膜502例如由一对臂518、520支撑，它们分别锚定到形成在像素的相对角落处的两个立柱508。每个立柱508包括基座部分510，从基座部分510延伸支柱512。两个立柱的支柱512穿过臂518、520的相应端部514、516并进入盖522。臂518、520将立柱与膜502连接起来，并且特别提供机械地支撑膜502的功能、在膜502和例如在衬底506中形成的ROIC(图5中未示出)之间提供电连接的功能、以及在膜502和衬底506之间提供热绝缘的功能。为了提供良好的热绝缘，臂518、520例如相对较长，提供相对较高的热阻。实际上，在图5的示例中，臂518、520平行于膜502的相对边缘延伸并与之分离，并且经由连接部分524附接到膜502的相对角落。因此，臂518、520例如基本上延伸膜502的一个边缘的长度。在一些实施例中，臂518、520中的每一个具有的长度为像素间距的至少50％。
例如，膜502在其表面积的一部分中包括堆叠526，其包括热层528和吸收层530，这些层例如由介电层(图5中未示出)彼此绝缘。例如，堆叠526占据了膜502表面积的75％以下，包括臂518、520的表面。围绕堆叠526的膜502的区域形成了堆叠526的支撑层，并且还提供接近热层528的边缘的点与臂518、520之间的电连接，使得热层528的电阻可以由读出电路进行测量。例如，图5中的虚线表示分别从臂518、520延伸到热层528的相对边缘的电连接531、532的示意图。这些电连接531、532和臂518、520例如由氮化钛、钛、铂或其他金属的金属层形成，它们夹在例如由氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅或其他电绝缘材料形成的介电层之间。
虽然在图5的实施例中，吸收层530形成在热层528上，但在可替选的实施例中该顺序可以颠倒，例如，吸收层530形成在膜502的底面。
反射层504和膜502之间的谐振腔533形成了高度为h的四分之一波长谐振腔。在一个示例中，该高度h为2.5μm，以便以约10μm的光波长为目标，尽管在可替选的实施例中，例如在1.5至3.5μm范围内的不同高度可被用于以不同的光波长为目标。
在图5的示例中，膜502基本上是方形的，但在相对角落处包括切口534、536，从而为立柱508留出空间。堆叠526例如形成在这些切口之间的膜502的一部分中，从而延伸到膜502的几乎全长。
当然，尽管图5提供了具有相对低薄层电阻的吸收层的微测辐射热计的实施方式的一个实施例，但对于本领域技术人员来说显然可以实现许多不同的实施方式，例如省略基座部分510和/或盖522，和/或使用不同形式的臂518、520和电气连接531、532。
图6是沿着图5中穿过膜502和臂518、520的线A-A'所取的横截面图。
如图6所示，膜502例如由介电层602形成，其中电连接531、532例如通过金属沉积形成。热层528和吸收层530例如通过介电层604彼此电绝缘，并且接近热层528的底面边缘的区域例如与电连接531、532的顶面接触，除此以外由介电材料覆盖。在一个实施例中，吸收层530是厚度至少为10nm且在某些情况下至少为15nm的氮化钛层。例如，热层528具有大约100nm的厚度。
应当注意的是，尽管电连接531、532增加了像素的吸收表面积，但在给定的这些金属层的厚度相对较低并且薄层电阻较高下，本发明人已经发现它们对像素的有效光学填充因数的影响相对较小，并且因此可以忽略。
图7是表示对于吸收层530的八个不同的薄层电阻，吸收层的吸收率(ABSORPTIONRATE)与微测辐射热计像素(诸如图5的像素500)的填充因数(FF)的函数关系的曲线图，并且其间距为8.5μm。与图4的示例一样，图7基于高度为2.5μm、光波长为10μm的四分之一波长谐振腔。假设吸收层530由氮化钛形成，并且图7的曲线701至708相对应的吸收层530的薄层电阻分别与表1的曲线401至408的那些相同。
从图7中可以看出，在曲线702至708的情况下，当填充因数等于0.50或更低时，可以达到最佳吸收率，并且在曲线703至708的情况下，可以达到0.40或更低。
从图7可以看出，填充因数低于0.20时，吸收率迅速下降，即使对于最厚的吸收层。因此，在一些实施例中，填充因数可被选择为等于或大于0.20。
因此，从图7可以看出，通过将每个像素的吸收层的填充因数降低到0.1到0.5的范围，并且还将吸收层的薄层电阻降低到小于189ohm/sq，在一些实施例中小于130ohm/sq，可以实现具有相对低像素间距和高吸收率的微测辐射热计。
现在将参考图8和图9更详细地描述具有填充因数为0.5或更小的微测辐射热计阵列的示例。
图8示出了根据一个示例实施例的微测辐射热计阵列800的一部分。与图3相似，虚线网格表示阵列的像素804的界限，并且实心矩形表示每个吸收层530的表面积。然而，关于图3的示例，像素填充因数FF在图8的阵列中已经减小，例如，减小到0.10到0.50范围内的值。此外，在图8中的吸收层530不是正方形而是矩形，x轴上的宽度Wx小于y轴上的宽度Wy。像素例如为正方形，x方向上的像素间距Px等于y方向上的像素间距Py，尽管在一些实施例中这些间距可以不同。例如，间距Px和Py各自在5.0至11.0μm的范围内。
在图8的示例中，阵列的每个像素804对应于包括单个吸收层530的检测单元。在可替选的实施例中，每个像素可以包括不止一个检测单元，如现在将结合图9所述。
图9示出了根据另一示例实施例的微测辐射热计的微测辐射热计阵列900的一部分。在图9的示例中，虚线网格表示阵列的像素904的界限，并且实心矩形表示吸收层530的表面积。每个像素904包括不止一个检测单元，每个检测单元具有对应的吸收层530。在图9的示例中，每个像素904包括二乘二布置的四个检测单元。每个像素904的检测单元例如耦合在一起，使得它们生成单个像素值，并且因此可以认为每组检测单元形成阵列的单个像素。
在图9的情况下，像素填充因数FF变为等于比率Aabs/Apix，其中Apix是每个像素的表面积，并且Aabs是每个像素中吸收层530的组合表面积。
在图9的情况下，相关间距不再是像素间距，而是检测单元的间距，也就是说，是吸收层530的间距。在图9中，这些间距在x和y方向上分别标记为Px和Py。例如，这些间距Px、Py分别从一个吸收层530的边缘到相邻吸收层530的相应边缘来测量。
图10是类似于图7的曲线图，用于相同类型的微测辐射热计像素，但进一步示出了薄层电阻下降至16ohm/sq的曲线。实际上，图10的曲线1001至1008表示具有与表1的曲线401至408的那些相同的薄层电阻的吸收层。曲线1009至1023对应于下表中所示的薄层电阻和氮化钛厚度。
[表2]
| 参考曲线 | 氮化钛厚度(nm) | 薄层电阻(ohm/sq) |
| 1009 | 45 | 42 |
| 1010 | 50 | 38 |
| 1011 | 55 | 34 |
| 1012 | 60 | 31 |
| 1013 | 65 | 29 |
| 1014 | 70 | 27 |
| 1015 | 75 | 25 |
| 1016 | 80 | 24 |
| 1017 | 85 | 22 |
| 1018 | 90 | 21 |
| 1019 | 95 | 20 |
| 1020 | 100 | 19 |
| 1021 | 105 | 18 |
| 1022 | 110 | 17 |
| 1023 | 115 | 16 |
从图10可以看出，提供具有填充因数在0.10和0.50之间且薄层电阻在16和189ohm/sq之间的微测辐射热计像素可以使像素间距显著减小(在图10的示例中降低到8.5μm)，同时获得至少0.3的吸收率，或者，在薄层电阻在42至126ohm/sq之间的情况下至少为0.45的吸收率。
此外，虽然小于50ohm/sq的较低薄层电阻水平可能无法达到接近1.0的吸收率，但对于介于0.10和0.30之间的填充因数，它们可以提供关于使用与曲线1001对应的、具有薄层电阻接近377ohm/sq的吸收层的显著增益，现在将参考图11至图13更详细地解释。
图11是示出曲线1102至1135的曲线图，该曲线表示相对于由图10中曲线1001所表示的吸收层的吸收方面增益。特别地，图11的曲线1102至1123表示对应于图10的曲线1002至1023的吸收层的增益。图11中的曲线1124至1135表示具有厚度以5nm为增量增加的、从120到190nm的吸收层。曲线1126至1134未在图11中标记，但可以通过曲线1125和1135之间的顺序轻松识别。
从图11可以看出，在以下任一情况下，可以实现可检测增益：
-像素填充因数等于或大于0.40且小于0.50，并且薄层电阻在75至189ohm/sq之间；或
-像素填充因数等于或大于0.30且小于0.40，并且薄层电阻在47和189ohm/sq之间；或
-像素填充因数等于或大于0.20且小于0.30，并且薄层电阻在25至189ohm/sq之间；或
-像素填充因数等于或大于0.10且小于0.20，并且薄层电阻在16和189ohm/平方之间。
图12更详细地说明了图11的曲线1102至1125，并且特别是20％或以上的增益。从图12可以看出，在以下任一情况下，可以实现超过20％的收益：
-像素填充因数等于或大于0.30且小于0.40，并且薄层电阻在94和189ohm/sq之间；或
-像素填充因数等于或大于0.20且小于0.30，并且薄层电阻在38和189ohm/sq之间；或
-像素填充因数等于或大于0.10且小于0.25，并且薄层电阻在22和189ohm/sq之间。
图13更详细地说明了图11的曲线1102至1115，并且特别是50％或以上的增益。从图13可以看出，当像素填充因数等于或大于0.10且小于0.24，并且薄层电阻在34和189ohm/sq之间时，可以实现50％以上的增益。
图14是表示对于填充因数为0.10(曲线1401)和0.20至0.90(曲线1402至1409，图14中仅标记了曲线1402和1409)，吸收率对薄层电阻(Rs)与填充因数(FF)之比的函数关系的曲线图。与前面的示例一样，图14的曲线对应于由氮化钛形成的吸收层，其像素间距为8.5μm，四分之一波长谐振腔高度为2.5μm，并且光波长为10μm。
图15更详细地说明了对于吸收率大于等于0.90的图14中的曲线1402至1409。可以看出，当填充因数在0.10和0.50之间，并且比率Rs/FF在200到600ohm/sq的范围内时，可以实现超过0.90的吸收率。从图15还可以注意到，曲线基本上以377ohm/sq的比率为中心，其中377ohm对应于自由空间Z0的阻抗。事实上，例如，当比率Rs/FF等于377±40％时，可以观察到超过0.93的高吸收率，并且当比率Rs/FF等于377±20％时，甚至可以观察到超过0.95的更高吸收率。
上述示例基于2.5μm的四分之一波长谐振腔高度。与这些示例相关描述的原理同样适用于不同的四分之一波长谐振腔高度，例如对于在1.5至3.5μm范围内的四分之一波长谐振腔高度，现在将参考图16和图17进行解释。
图16是表示对于吸收层530的八个不同薄层电阻以及对于13μm的光波长，并且具有11μm的间距和1.5μm的四分之一波长谐振腔高度，吸收率(ABSORPTION RATE)与微测辐射热计像素(诸如图5的像素500)的填充因数(FF)的函数关系的曲线图。假设吸收层530由氮化钛形成，并且吸收层530的薄层电阻(对应于图16的曲线1601至1608)分别与表1的曲线401至408的薄层电阻相同。
从图16可以看出，结果与图7的结果相似。
图17是表示对于吸收层530的八个不同薄层电阻以及6μm的光波长，并且具有5μm的间距和1.5μm的四分之一波长谐振腔高度，吸收率(ABSORPTION RATE)与微测辐射热计像素(诸如图5的像素500)的填充因数(FF)的函数关系的曲线图。假设吸收层530由氮化钛形成，并且吸收层530的薄层电阻(对应于图17的曲线1701至1708)分别与表1的曲线401至408的薄层电阻相同。
从图17可以看出，由曲线1702至1708关于曲线1701示出的增益对于0.10至0.50范围内的填充因数更为显著，但当薄层电阻小于75ohm/sq时，可获得最佳结果。
更一般地，本文描述的原理例如适用于5到11μm范围内的任何像素间距，其中四分之一波长谐振腔高度例如等于λtg/4，其中λtg是感兴趣的光波长(目标波长)，并且间距小于λtg。因此，在1.5μm的四分之一波长谐振腔高度的情况下，像素间距例如小于6μm，并且在四分之一波长谐振腔高度为3.5μm的情况下，像素间距例如在5到11μm范围内的任何地方。
图7和图10至图13的结果是基于具有8.5μm间距的像素的。关于这些示例所描述的原理可应用于具有5至11μm范围内任意位置的间距的像素，如现在将参考图18至图25更详细地描述的。
图18至25是表示具有2.5μm的四分之一波长谐振腔高度以及10μm的光波长，对于吸收层530的八个不同薄层电阻，吸收率(ABSORPTION RATE)与微测辐射热计像素(诸如图5的像素500)的填充因数(FF)的函数关系的曲线图。假设吸收层530由氮化钛形成，且对应于图18至25的曲线i01至i08(对于i从18至25)的吸收层530的薄层电阻分别与表1的曲线401至408的薄层电阻相同。
图18示出了像素间距为5μm的示例，图19为像素间距为6μm的示例，图20为像素间距为7μm的示例，图21为像素间距为8μm的示例，图22为像素间距为9μm的示例，图23为像素间距为10μm的示例，图24为像素间距为11μm的示例，并且图25为像素间距为12μm的示例。
如图18至22所示，对于5至6μm的像素间距和0.10至0.40的填充因数，当薄层电阻在94至189ohm/sq之间时获得最佳结果；对于6至7μm的像素间距和从0.10至0.50的填充因数，当薄层电阻在94至189ohm/sq之间时获得最佳结果，并且对于7至9μm的像素间距和从0.10到0.50的填充因数，当薄层电阻在75到189ohm/sq之间时获得最佳结果。
如图22至25所示，对于9至10μm的像素间距和从0.10至0.50的填充因数，当薄层电阻在75至189ohm/sq之间时可获得最佳结果，并且对于10至小于12μm的像素间距和从0.10至0.50的填充因数，当薄层电阻在94至189ohm/sq之间时，可获得最佳结果。
第二方面
微测辐射热计的另一个困难是滤除目标范围以外的波长的光。在一些实施例中，表面处理和/或涂层可应用于微测辐射热计阵列和图像场景之间的一个或多个光学元件，以过滤接收到的光。然而，这些技术增加了成本。
本发明人已发现，像素间距或检测单元间距的某种选择可导致滤波功能，如现在参考图26A和图27所述。
图26A是示出对于8.5μm的像素间距/检测单元间距，并且对于微测辐射热计像素(诸如图5的像素500)的七个不同像素填充因数，吸收率作为光波长函数的曲线图。对于每个填充因数，选择吸收层的厚度，使得比率Rs/FF基本上等于377ohm/sq。特别地，图26A中的曲线2601至2607基于由氮化钛形成的吸收层，该吸收层具有下表中所定义的填充因数和薄层电阻。
[表3]
从图26A可以看出，取决于填充因数，在波长范围(RANGEλr)约为6至8μm下，获得了具有截止频率λr(被定义为小于0.5的吸收率)的滤波功能。本发明人已发现，该滤波功能是当像素或检测单元在x和y方向中的任意一个或两个方向上的间距接近由每个像素的四分之一波长谐振腔所定义的较低截止波长时发生的衍射的结果。在图26A的示例中，四分之一波长谐振腔的高度h为2.5μm，导致约6μm的较低截止波长λc。更一般地，由四分之一波长谐振腔所定义的较低截止波长λc等于约0.6λ0，其中λ0等于目标波长，其等于四分之一波长谐振腔的高度h的四倍。
应当注意，低于约6μm处的波谷，吸收率再次上升，在约4μm处的波长达到峰值。然而，这些较低波长例如通过应用于微测辐射热计阵列和图像场景之间的光学元件的相对便宜的表面处理或滤波层来去除。
更一般地，每个像素的四分之一波长谐振腔的高度h(例如参见图2和图5)在0.5到5μm的范围内，导致目标光波长在2到20μm之间。然而，对于至少1.5μm的四分之一波长谐振腔(对应于至少6μm的目标光波长)，滤波性能尤其明显。
高度为1.5μm的四分之一波长谐振腔导致了约3.6μm的较低截止波长λc，高度为5μm的四分之一波长谐振腔导致约12μm的较低截止波长λc。在一些实施例中，每个像素的四分之一波长谐振腔的高度h在1.5到3.5μm的范围内。
例如，为了获得滤波功能，检测单元间距被选择在0.9λc到1.65λc的范围内，对应于范围[1.2λ0/2–1.8λ0/2]±10％，并且优选地从λc到1.5λc。实际上，这与四分之一波截止频率效应工作的范围相对应。当检测单元间距选择在2.4h到3.6h的范围内时，滤波性能尤其明显，其中h是四分之一波长谐振腔高度，并且因此对于2.5μm的四分之一波长谐振腔高度，像素间距在6到9μm的范围内。在一些实施例中，根据第二方面，检测单元的间距在3.6μm和18μm之间，并且例如在4μm和15μm之间，并且优选在5和11μm之间。
从图26A中可以看出，随着填充因数的降低和吸收层厚度的增加，抑制也就是滤波被增强。在一些实施例中，吸收层由金属形成并且具有小于189ohm/sq的薄层电阻Rs。
在一些实施例中，吸收层的填充因数和薄层电阻基于与上文关于第一方面所述的相同标准来选择。例如，吸收层具有范围为0.10到0.50的像素填充因数FF和范围为16到189ohm/sq的薄层电阻Rs。此外，为了获得相对较高的吸收增益，吸收层被选择为使得：
-像素填充因数等于或大于0.40且小于0.50，并且薄层电阻在75至189ohm/sq之间；或
-像素填充因数等于或大于0.30且小于0.40，并且薄层电阻在47和189ohm/sq之间；或
-像素填充因数等于或大于0.20且小于0.30，并且薄层电阻在25至189ohm/sq之间；或
-像素填充因数等于或大于0.10且小于0.20，并且薄层电阻在16和189ohm/sq之间。
此外，在一些实施例中，比率Rs/FF在200至600ohm/sq的范围内，或在377±40％的范围内，或者甚至在377±20％的范围内。
图27是示出了非吸收衍射功率的比率与光波长的函数关系的曲线图。图27的七条曲线2701至2707分别对应于与图26A的曲线2601至2607相同的吸收层。非吸收衍射功率被计算为输入功率减去吸收功率再减去反射功率。
虽然图27的曲线图示出了一些伪影，诸如5μm波长附近的负功率，但该曲线图仍然代表了吸收层的一般行为。图27的曲线图特别确认了在波长为6至8μm的情况下过滤掉的功率，即在四分之一波长谐振腔的较低截止波长λc左右，等于约7μm。
此外，图27的曲线图证实了，随着填充因数的降低和吸收层厚度的增加，滤波效果得到增强。
图26B至26G是示出了对于与图26A相同的七个不同像素填充因数和吸收层厚度，微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与光波长的函数关系的曲线图，其中对应的曲线用与图26A相同的参考标记。
图26B和26C对应于2.5μm的法布里-珀罗腔高度并且分别对应于6μm和9μm的像素间距。
图26D和26E对应于1.5μm的法布里-珀罗腔高度并且分别对应于3.6μm和5.4μm的像素间距。
图26F和26G对应于5μm的法布里-珀罗腔高度并且分别对应于12μm和18μm的像素间距。
图26H至26R是示出了对于与图26A相同的七个不同像素填充因数和吸收层厚度，具有法布里-珀罗腔高度为2.5μm的微测辐射热计像素的吸收层的吸收率与光波长的函数关系的曲线图，其中对应的曲线用与图26A中相同的参考标记。图26H至26R分别示出了像素间距为5μm、5.5μm、6μm、6.5μm、7μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm和10μm的示例，并证明当像素间距在2.4h至3.6h的范围内时，对应于6μm至9μm的范围，并且特别是填充因数至少为0.2，滤波功能特别明显。
应当注意的是，如果绘制的曲线图与图26H至26R相似，但四分之一波长谐振腔高度为1.5μm、5μm或介于两者之间的任何位置，则将获得类似曲线，但鉴于目标波长对x轴进行缩放。
常见方面
图28至47是示出了在像素间距为8.5μm以及四分之一波长谐振腔高度h为2.5μm的情况下，像素(诸如上述像素104或500)中电场和磁场的空间分布的图。还参考图2，在图28至47的图中所示的垂直比例中，反射层204被定位于约0μm处，并且吸收层210定位于约2.5μm处。
例如，电场由对应于图中以V/m表示的电场强度的等高线表示。例如，磁场由与图中以A/m表示的磁场强度相关联的等高线表示。
图28至37的曲线图示出了微测辐射热计的像素中的电场和磁场的空间分布，该微测辐射热计具有6nm的吸收层厚度以及0.30的像素填充因数。在这些图中，图28和29分别表示在波长为6μm的光的情况下电场和磁场分布，图30和31分别表示在波长为8μm的光的情况下电场和磁场分布，图32和33分别表示在波长为10μm的光的情况下电场和磁场分布，图34和图35分别表示在波长为12μm的光的情况下电场和磁场分布，以及图36和图37分别表示在波长为14μm的光的情况下电场和磁场分布。
图38至47的曲线图示出了微测辐射热计的像素中的电场和磁场的空间分布，该微测辐射热计具有22nm厚的吸收层和0.30的像素填充因数。在这些图中，图38和39分别表示在波长为6μm的光的情况下电场和磁场分布，图40和41分别表示在波长为8μm的光的情况下电场和磁场分布，图42和图43分别表示在波长为10μm的光的情况下电场和磁场分布，图44和图45分别表示在波长为12μm的光的情况下电场和磁场分布，以及图46和图47分别表示在波长为14μm的光的情况下电场和磁场分布。
可以看出，在6μm的光波长下(图28、29、38和39)，法布里-珀罗腔的效应占主导地位，而在相对较厚的吸收层的情况下(图38和39)，存在衍射效应，导致了高分散的场强。
对于波长为8μm的光(图30、31、40和41)，衍射效应占主导地位，特别是对于相对较厚的吸收层(图40和41)。当填充因数下降时，这种现象也会被放大。此外，对于相对较厚的吸收层，场强被强烈放大。
对于波长为10μm、12μm和14μm的光，在吸收层厚度相对较薄的情况下(图32至37)，法布里-珀罗耦合占主导地位，而对于较厚的吸收层(图42至47)，法布里-珀罗耦合由表征为吸收层的边缘的电场集中和吸收层下方的磁场限制的现象所取代。
本文描述的与第一方面相关的实施例的优点是，当使用相对紧凑的微测辐射热计阵列时，可以实现相对较高的吸收率。
本文描述的与第二方面相关的实施例的优点是可以获得滤波功能，从而放松对微测辐射热计的光学滤波器的约束。
此外，基于对厚度为6和18nm的吸收层进行的模拟，本发明人已经发现，像素填充因数减小到0.10到0.50的范围以及吸收层厚度的增加不会导致像素之间的串扰增加。
已经描述了各种实施例和变体。本领域技术人员将理解，可以组合这些实施例的某些特征，并且本领域技术人员将容易产生其他变体的想法。例如，对于本领域技术人员来说显而易见的是，虽然已经详细描述了由氮化钛形成的吸收层的示例，但是本文描述的原理可以应用于其他材料，包括不同的金属。
Claims (13)
1.一种包括像素阵列的微测辐射热计，每个像素包括一个或多个检测单元，每个检测单元包括吸收层(210、530)，其中：
-所述检测单元在像素阵列平面中的至少一个方向上的间距在5到11μm之间；
-每个像素中的所述一个或多个检测单元的吸收层(530)的像素填充因数FF在0.10到0.50的范围内；以及
-每个检测单元的吸收层(530)的薄层电阻Rs在16到189ohm/sq之间，并且所述阵列的每个像素的比率Rs/FF在200到600ohm/sq之间。
2.根据权利要求1所述的微测辐射热计，其中，每个像素具有范围为0.10至0.40的像素填充因数。
3.根据权利要求1所述的微测辐射热计，其中，每个像素具有范围为0.20至0.40的像素填充因数。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的微测辐射热计，其中，所述检测单元在像素阵列平面中的至少一个方向上的间距在8至9μm之间。
5.根据权利要求4所述的微测辐射热计，其中，所述阵列的每个像素具有：
-像素填充因数FF等于或大于0.40且小于0.50，并且所述吸收层(530)的薄层电阻Rs为至少75ohm/sq；或
-像素填充因数FF等于或大于0.30且小于0.40，并且所述吸收层(530)的薄层电阻Rs为至少50ohm/sq；或
-像素填充因数FF等于或大于0.20且小于0.30，并且所述吸收层(530)的薄层电阻Rs为至少25ohm/sq；或
-像素填充因数FF等于或大于0.10且小于0.20，并且所述吸收层(530)的薄层电阻Rs为至少16ohm/sq。
6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的微测辐射热计，其中，比率Rs/FF在377ohm/sq±20％的范围内。
7.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的微测辐射热计，其中，每个检测单元的吸收层(530)为金属层。
8.根据权利要求7所述的微测辐射热计，其中，所述吸收层(530)由TiN形成且具有10至115nm之间的厚度。
9.根据权利要求1至8中任一项权利要求所述的微测辐射热计，其中，所述像素阵列包括衬底(506)，并且所述像素阵列的每个像素包括：形成在所述衬底(506)上的反射层(504)和悬挂在所述反射层(504)上的膜(502)，每个像素中的膜(502)和反射层(504)之间形成四分之一波长谐振腔(533)，以及所述膜(502)包括所述吸收层(530)和热层(528)。
10.根据权利要求9所述的微测辐射热计，其中，所述吸收层(530)具有的表面积小于所述膜(502)的表面积的75％。
11.根据权利要求9或10所述的微测辐射热计，其中，所述四分之一波长谐振腔(533)具有1.5至3.5μm范围内的高度(h)。
12.根据权利要求11所述的微测辐射热计，其中，所述检测单元在像素阵列平面中的至少一个方向上的间距小于所述四分之一波长谐振腔(533)的高度(h)的四倍。
13.一种制造微测辐射热计阵列的方法，包括：
-形成像素阵列，每个像素具有一个或多个检测单元，其中形成所述阵列包括：
-形成所述检测单元，使其在所述像素阵列的平面中的至少一个轴上具有5至11μm之间的间距；以及
-形成每个检测单元以包括吸收层(210、530)，所述吸收层具有在0.10到0.50的范围内的像素填充因数FF以及在16至189ohm/sq之间的薄层电阻Rs，并且所述阵列的每个像素的比率Rs/FF在200至600ohm/sq之间。
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