CN115200718A - 中红外成像测温芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种中红外成像测温芯片及其制备方法，属于中外测温技术领域。中红外成像测温芯片由非制冷焦平面探测器和中红外超透镜真空封装而成，所述非制冷焦平面探测器包括热敏层、微桥结构阵列和读取电路。本申请能够实现芯片级成像光谱的设计与制备，一次流片及封装完成成像测温芯片的制备，减少后续光学系统带来的体积增大与组装工艺不稳定引入的像差问题，同时极大减小了中红外成像测温仪器的体积与质量。

Description

中红外成像测温芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于红外测温领域，特别涉及一种中红外成像测温芯片及其制备方法。

背景技术

热成像设备自其研制成功以来，最初是应用在军事领域中作为红外巡视系统，随着红外技术的不断发展，同时结合工业和民用使用中的实用性，采用了一系列压缩仪器造价，减少扫描速度，提高图像分辨率，采用非制冷型红外探测器等技术手段，已经将热成像设备的体积不断的缩小，同时也成功的完成了军用领域到民用领域的跨越，同时基于红外成像设备的测温算法的开发，使得红外成像测温仪在工业测温，疫情监控等等领域被大量使用。发展至今，探测器方面已经不是限制中红外成像测温仪体积的主要因素，传统光学透镜的体积与质量也将极大限制了红外成像测温仪的进一步微型化的可能性。

目前市面上的红外成像测温仪大致可以由以下几部分组成：中红外探测芯片，读取电路，真空封装，光学镜头。其中光学镜头部分通常并没有与芯片直接集成，而是通过镜座，镜筒，转接环，胶水等部件将中红外成像透镜与中红外探测进行连接的，而目前在中红外测温成像等领域最常用的中红外透镜一般由硅（Si），锗（Ge），硫化锌（ZnS），硒化锌（ZnSe），氟化钙（GaF2），氟化镁（MgF2）等材料构成。而这种传统折射型中红外成像透镜的使用将会引入新的问题，这些由上述材料组成的折射型成像透镜会存在体积大、重量大和成本高等缺陷。

发明内容

本申请提供了一种中红外成像测温芯片及其制备方法，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。

本申请实施例一方面提供一种中红外成像测温芯片，其由非制冷焦平面探测器和中红外超透镜真空封装而成，所述非制冷焦平面探测器包括热敏层、微桥结构阵列和读取电路。

在一可实施方式中，所述非制冷焦平面探测器包括三种类型，分别为热释电型、热电堆型和测微辐射计型。

在一可实施方式中，所述中红外超透镜包括超透镜基底和微纳结构单元；微纳结构单元的形状可以为圆柱形、方形、十字形、棱形、星形、同心方柱和同心圆柱。

在一可实施方式中，构成所述中红外超透镜的材料为硅、锗、硒化锌、硫化锌、氟化钡、氟化镁、氟化钙和硫系玻璃中的一种或多种。

在一可实施方式中，构成所述热敏层的材料为氧化钒、非晶硅和多元复合氧化物中的一种或者所述热敏层为硅二极管。

在一可实施方式中，构成所述微桥结构阵列的材料为晶体硅、氧化硅、氮化硅和铝中的其中一种。

本申请实施例另一方面提供了一种中红外成像测温芯片的制备方法，分别制备中红外超透镜和非制冷焦平面探测器，然后将两者进行晶圆级封装。

在一可实施方式中，所述中红外超透镜的制备步骤如下：

S1、根据不同的使用场景选用不同的中红外材料；

S2、通过光刻，在超透镜上刻蚀不同大小尺寸的微纳结构，制得中红外超透镜；

所述微纳结构根据如下相位公式进行设计：

其中x，y为超透镜超原子坐标，

为斜入射光束与x轴和y轴入射倾角，f为所设计超透镜的焦距，λ为入射光波长，

，

。

在一可实施方式中，所述非制冷平面探测器的制备步骤如下：在带有读取电路的基底上生长一层金属反射膜，再生长并刻蚀行成微桥结构，再依次生长牺牲层、支撑层和热敏层，然后在热敏层上镀相应波段中红外增透膜，最后经湿法腐蚀将所述牺牲层去除，形成微桥空腔。

在一可实施方式中，所述晶圆级封装包括如下步骤：使用焊接环在真空腔体内，将非制冷平面探测器与中红外超透镜进行对准并封装。

本申请具有以下优点：

1、传统的折射型成像透镜存在体积大和重量大等缺陷，而本申请的中红外成像测温芯片具有体积小、重量轻和成本低的优点，且能够减少其他光学元件的使用，提高加工良品率，提高器件的稳定性；

2、传统折射型中红外成像透镜中，镜头与探测器芯片之间的连接和对准会由于组装工艺的不稳定造成像差，且折射型成像透镜与芯片之间的光程问题增大了中红外成像模组的整体体积，使之在一些小型化集成化的场合的应用受限，本申请实现了芯片级成像光谱的设计与制备、一次流片及封装完成成像测温芯片的制备，减少后续光学系统带来的体积增大与组装工艺不稳定引入的像差问题，同时极大减小了中红外成像测温仪器的体积质量。

附图说明

图1为中红外成像测温芯片的结构示意图；

图2为中红外超透镜的结构示意图；

图3为测微辐射计的结构示意图；

图4为黑体真实温度与探测器芯片读数标定曲线；

图5为中红外成像测温芯片晶圆剖面示意图；

图6为图5晶圆中单个红外成像测温芯片的工艺流程图。

其中，11、读取电路；12、金属反射膜；13、微桥阵列结构；14、牺牲层；15、支撑层；16、热敏层；17、增透膜；

2、中红外超透镜；21、超透镜基底；22、微纳结构单元；

3、焊接环；

4、黏附层。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

参照图1，本申请中的中红外成像测温芯片由非制冷焦平面探测器和中红外超透镜2通过真空封装而成。

中红外超透镜2包括超透镜基底21和微纳结构单元22，依据不同的使用场景，选择透过3-5um或8-14um波段的中红外材料，例如硅（Si）、锗（Ge）、硒化锌（ZnSe）、硫化锌（ZnS）、氟化钡（BaF2），氟化镁（MgF2）、氟化钙（GaF2）和硫系玻璃等材料中的一种或几种。其中微纳结构单元22的形状可以为圆柱形、方形、十字形、棱形、星形、同心方柱和同心圆柱等。

中红外超透镜2在成像测温芯片中起到将一定视场范围内物体向外辐射的中红外电磁波聚焦到热敏层上的作用，为热成像和温度检测提供了必要的光学系统。

非制冷焦平面探测器按其工作原理可分为三种类型：热释电型，热电堆型和测微辐射计型。本申请以测微辐射计型探测芯片为例，阐述中红外测温成像芯片及其制备方法，其同样适用于其他两种探测器。测微辐射计如图3包括读取电路11、微桥结构阵列13和热敏层16。

热敏层16的选取对中红外成像测温芯片的灵敏度至关重要，通常在该材料的选取中需要关注的是高温度电阻系数（TCR）和低闪烁噪声（1/f噪声）及其与读取电路集成的兼容性，一般常用的材料为氧化钒（VOx），非晶硅，多元复合氧化物薄膜，硅二极管等，其在成像测温芯片中起到接收超透镜汇聚的中红外电磁波的作用，将红外辐射条件下升温从而导致的自身等效电阻的改变，而这种等效电阻的变化通过读取电路提取所需的电信号（例如，电压，电流）。

微桥结构阵列13作为微机械支撑和热绝缘结构材料，通常可以选择晶体硅（Si），氧化硅（SiO2），氮化硅（Si3N4），铝（Al）等材料制成，在成像测温芯片中为解决平面结构空间利用率低的问题，采用上述材料制成微桥悬浮阵列结构，将上述热敏层悬浮在硅基底上方，并通过微桥的两条支撑腿与硅读取电路之间实现电连接，同时调整微桥高度，也可在热敏层与读取电路之间构成法布里珀罗谐振腔结构，提高红外吸收率，在成像测温芯片中，微桥结构阵列主要的作用是将热敏层悬空起来，起到热绝缘的作用，以提高成像测温芯片的响应率与灵敏度。

读取电路11通常包括信号提取电路，信号放大电路和信号输出电路，其中信号读取电路用于将热敏层因接收中红外辐射后等效阻值变化而引起的电信号变化，该信号是非常小，是纳安甚至皮安的量级，故而需要信号放大电路将其放大，再将放大后的信号经由读取电路取出。

真空封装技术的目的在于保证器件功能的稳定性，由于本申请中光学成像系统的集成度极高，为保证成像测温功能的稳定性与整体器件的微型化与集成化，本申请采用晶圆级封装技术，将所制备的中红外超透镜与上述测微辐射晶圆提高精密对位，再在真空腔体内通过焊接环3焊接在一起，最后裂片为一个个的真空密封的晶圆级中红外成像测温芯片。

通过上述各部件结合，其工作原理类似于光学系统将视场内的目标物辐射的中红外光成像在测微辐射晶圆上，从而得到目标物的热像图，即完成热成像探测，但是要想得到目标物热像图同时，测量目标物温度，需要从成像测温芯片中提取原始电信号数据，辅助测温算法，计算目标物温度，并实时显示在热像图中。其中温度的探测原理基于黑体辐射定律，自然界一切温度高于绝对零度的物体均在不断地向外辐射能量，温度越高辐射能量越大，同时辐射能量极大值所对应的波长减小。基于黑体辐射理论的普朗克定理和斯特潘-玻尔兹曼定理，可成功将黑体辐射能量与温度进行关联，从而依据标准黑体温度与成像测温芯片读数进行标定关联，得到辐射数据与黑体真实温度值拟合的关系曲线，如图4所示。在进行实际测温时，根据标定得到的关系曲线和成像测温芯片采集到的目标物辐射读数，计算目标物实际温度，并实时在热像图中显示。此外，微透镜阵列取代中红外超透镜2，结合特定图像处理算法与测温算法，也可达到上述效果。

以测微辐射计晶圆为例，如图3所示的测微辐射计由读取电路11，反射层12，微桥阵列结构13和热敏层16组成。将测微辐射计晶圆与中红外超透镜2一一对准，再通过焊接环3在真空腔体内进行焊接，最后裂片为一个个的晶圆级成像测温芯片，其整体结构示意图如图1所示。

上述晶圆级成像测温芯片的工作原理为：首先超透镜视野内的目标物辐射的中红外电磁波经由超透镜聚焦于其像面处，即热敏层16；其次热敏层16吸收其目标物所辐射的中红外电磁波，从而导致其阻值发生变化；这种阻值的改变经由读取电路11将其转换为电信号，再经过放大，输出；最终将其转换为热像图，实时显示超透镜视野内的目标物，其对不同目标物的区分主要依靠不同目标物的温度，和其表面辐射率的差异导致其辐射中红外电磁波的不同；同时所输出的电信号值与黑体温度关系曲线进行关联，计算目标物的实际温度，并经过不同环境下的测温算法辅助修正，最后显示在热像图中的目标物上。

通过半导体加工工艺及晶圆级封装工艺，可以在一张晶圆中同时制备大量上述成像测温芯片，其中整张晶圆上的测温成像芯片剖面示意图如图5所示。

为更清晰表达晶圆级成像测温芯片的制备工艺技术，将图5中的成像测温芯片阵列中的一个放大，详细描述其主要工艺流程，如图6所示，中红外成像测温芯片的制备方法主要包括如三个制备步骤：中红外超透镜的制备、测温辐射计晶圆的制备和晶圆级封装。

中红外超透镜2通过光刻，在其上刻蚀不同大小尺寸的微纳结构，其微纳结构的大小可根据其超透镜的相位公式进行设计，依据不同的应用场景，设计超透镜的直径，视场角，像面与焦距等参数，使用相位分布公式，计算超透镜各位置处的相位情况：

其中x,y为超透镜超原子坐标，

为斜入射光束与x轴和y轴入射倾角，f为所设计超透镜的焦距，λ为入射光波长，

，

。从而依据该相位分布，采用光刻或电子束刻蚀技术制造出该应用场景下的中红外超透镜。

参照图6，测温辐射计晶圆的制备如下：在带有读取电路11的基底上，生长一层金属反射膜12，再生长刻蚀微桥阵列结构13，然后生长牺牲层14，其材料的选择主要考虑其去除方法对微桥结构的稳定性的影响及其工艺兼容性，一般可以选择磷硅玻璃，疏松SiO2，聚酰亚胺等；再在牺牲层14上生长支撑层15，该材料可以选择自身张力较小，低热导性，低比热性，机械性能良好，工艺兼容性好，同时具有较稳定的光电性能，化学性能和热稳定性，一般选择晶体硅，氮化硅（Si3N4）等；再在支撑层15上生长热敏层16，为了提高热敏层16的光吸收率，可以选择在热敏层16上镀增透膜17；最后经过湿法腐蚀的工艺将牺牲层14去除，形成微桥空腔，最终完成晶圆级测微辐射计的制备。

完成中红外超透镜的制备和晶圆级测微辐射计的制备后，采用晶圆级封装技术，在中红外超透镜2的表面电镀黏附层4和焊接环3，然后在真空腔体内，将测微辐射计与中红外超透镜2进行对准，封装，其中微纳结构单元22背离测微辐射计放置，微纳结构单元22的表面与热敏层16的间距为中红外超透镜2的后焦距。为提高目标物辐射的中红外电磁波的透过率，待封装完成后，可以采用电子束蒸发或沉积增透膜。通过上述工艺步骤完成中红外成像测温芯片的制备。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一可实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种中红外成像测温芯片，其特征在于，其由非制冷焦平面探测器和中红外超透镜真空封装而成，所述非制冷焦平面探测器包括热敏层、微桥结构阵列和读取电路。

2.根据权利要求1所述的中红外成像测温芯片，其特征在于：所述非制冷焦平面探测器包括三种类型，分别为热释电型、热电堆型和测微辐射计型。

3.根据权利要求1所述的中红外成像测温芯片，其特征在于：所述中红外超透镜包括超透镜基底和微纳结构单元；

微纳结构单元的形状可以为圆柱形、方形、十字形、棱形、星形、同心方柱和同心圆柱。

4.根据权利要求1所述的中红外成像测温芯片，其特征在于：构成所述中红外超透镜的材料为硅、锗、硒化锌、硫化锌、氟化钡、氟化镁、氟化钙和硫系玻璃中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的中红外成像测温芯片，其特征在于：构成所述热敏层的材料为氧化钒、非晶硅和多元复合氧化物中的一种或者所述热敏层为硅二极管。

6.根据权利要求1所述的中红外成像测温芯片，其特征在于：构成所述微桥结构阵列的材料为晶体硅、氧化硅、氮化硅和铝中的其中一种。

7.权利要求1-6中任一中红外成像测温芯片的制备方法，其特征在于：分别制备中红外超透镜和非制冷焦平面探测器，然后将两者进行晶圆级封装。

8.根据权利要求7所述的中红外成像测温芯片的制备方法，其特征在于，所述中红外超透镜的制备步骤如下：

S1、根据不同的使用场景选用不同的中红外材料；

S2、通过光刻，在超透镜上刻蚀不同大小尺寸的微纳结构，制得中红外超透镜；

所述微纳结构根据如下相位公式进行设计：

其中x，y为超透镜超原子坐标，

为斜入射光束与x轴和y轴入射倾角，f为所设计超透镜的焦距，λ为入射光波长，

，

。

9.根据权利要求7所述的中红外成像测温芯片的制备方法，其特征在于，所述非制冷平面探测器的制备步骤如下：

在带有读取电路的基底上生长一层金属反射膜，再生长并刻蚀行成微桥结构，再依次生长牺牲层、支撑层和热敏层，然后在热敏层上镀相应波段中红外增透膜，最后经湿法腐蚀将所述牺牲层去除，形成微桥空腔。

10.根据权利要求7所述的中红外成像测温芯片的制备方法，其特征在于，所述晶圆级封装包括如下步骤：使用焊接环在真空腔体内，将非制冷平面探测器与中红外超透镜进行对准并封装。

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