CN1168961C - 室温光学读出红外焦平面探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用光学读出的室温红外焦平面探测器，该器件包括：带恒温加热器的芯片、窄带滤光片、半导体激光器和Si CCD面阵器件。其特征是：当一束波长在可见或近红外区域的半导体激光与被探测红外光同时入射到芯片中时、利用芯片中的VO2薄膜层的光学透过率在金属-半导体相变前后发生锐变的性质，将红外光信号转换成可见或近红外激光信号，从而直接采用光学读出的Si CCD进行信号读出。本发明的最大优点是可以很方便地将红外图象转变成可见光图象，从而把相对不成熟的红外光电探测技术转化成十分成熟的可见光波段的光电探测技术，并直接与Si CCD这一发展得十分成熟的技术相结合，大大地简化了器件的制备工艺。
Description
技术领域
本发明涉及红外焦平面器件，具体是指一种采用光学方法直接进行红外信号读出的室温红外焦平面探测器。
背景技术
现有的VO2(二氧化钒)微测辐射热计非致冷红外焦平面均是利用VO2具有较高的电阻温度系数以及与硅集成电路工艺兼容等特点，用硅集成电路的微细加工技术，在Si CMOS(硅补偿形金属氧化物半导体)读出电路上形成微桥结构，利用微桥上的VO2薄膜作为热敏电阻来探测红外辐射。采用常规的混成结构模式，热敏电阻将红外光转化成电信号，再由读出电路将电信号读出，这就不可避免带来了工艺复杂性。另外，在目前的红外焦平面技术中，焦平面规模是由当前红外光电子技术与微电子技术的水平决定的。至今位于中波和长波，如3-5μm和8-14μm波段的红外焦平面器件商业化水平仍未突破516×516。而可见光或近红外波段的Si CCD(硅电耦合)焦平面器件规模已超过1024×1024，且发展势头很强，中波或长波红外焦平面器件规模与Si CCD焦平面器件规模之间的差异主要是由于中、长波红外材料及器件工艺的相对不成熟所致。同时工业界在Si基器件上投入的强度远大于红外器件的投入，且还将继续保持这种不均等的态势，因此任何一种有可能将红外焦平面器件功能转化成由Si CCD辅助实现的技术都是很有实用价值的。
发明内容
基于上述已有技术存在的问题，本发明的目的是利用VO2薄膜的光学透过率在金属-半导体相变前后发生锐变的性质，将红外光信号转换成可见或近红外光信号，从而可直接用Si CCD进行信号读出。
为了达到上述目的，本发明的室温光学读出红外焦平面探测器包括：芯片窄带滤光片 恒温加热器 半导体激光器和Si CCD面阵器件。
芯片依次由能透可见和红外光的衬底 高密度空洞的SiO2(二氧化硅)隔热层 VO2薄膜层和SiN(氮化硅)吸热层组成。芯片置在恒温加热器中，并使其温度恒定在VO2薄膜的相变点附近，带有恒温加热器的芯片和Si CCD面阵器件之间置有窄带滤光片，半导体激光器位于芯片衬底一侧，并保持半导体激光器出射的激光束以面光源的特征与被探测的红外光同时入射到衬底上，见图1。
为了使上述结构的器件能顺利达到光学探测的目的，含VO2薄膜的整块芯片必需由一加热器将温度恒定在VO2薄膜的相变点中心，这样可保证有最大的透过率变化温度系数。芯片中SiO2隔热层气凝胶的孔洞率要高，以保证良好的隔热性能。入射光采用的是半导体激光器，以保证整个器件的小型化。Si CCD器件前的滤光片半高宽要窄，以确保对除信号激光外的其余光的过滤效果好。照射在芯片上的激光应该是均匀地类似于面源的光斑。
器件的工作过程是：当一束波长在可见或近红外区域的激光与被探测红外光同时经衬底 SiO2隔热层VO2薄膜层入射到吸热层材料上时，吸热材料被红外光辐照后引起温度升高，吸热材料将热量传给VO2薄膜，导致VO2薄膜升温，使VO2薄膜对激光的透过率发生锐减，而红外象在吸热层材料上的光强分布是按红外象光强分布特征分布的，所以导致VO2薄膜上的温度变化也是按红外象形成的红外光光强分布变化的。这样就可利用VO2薄膜的激光透过率随温度发生变化的性能，芯片上将有一与红外光光强分布相似的信号输出。所以最终在硅CCD上获得的信号上包含了红外光在VO2薄膜上的光强分布特征的激光光强信号，以此实现红外光信号的光学读出。因此，本发明具有如下的积极效果和优点：
1.可以很方便地将红外图象转变成可见光图象，从而把相对不成熟的红外光电探测技术转化成十分成熟的可见光波段的光电探测技术，并直接与Si CCD这一发展得十分成熟的技术相结合。
2.本发明对红外图象读出的方式比通常红外焦平面读出方式要简单得多，可以明确地回避超大规模如：大于1024×1024规模时遇到的对微电子工艺和红外光电子功能材料以及混成技术中的极高要求。
3.本发明芯片在接受红外图象时不需要分立的象元，从而不需要目前普遍的制备红外焦平面及芯片时的象元分离技术，大大地简化了工艺环节。
4.本发明在图象成象应用中可以有很好的均匀性，从而大大地改善作为焦平面最为重要指标之一的均匀性特性。不同于普遍使用的红外焦平面制备技术，本发明中的芯片均匀性将主要由材料自身性能以及Si CCD均匀性决定。而VO2薄膜材料已有十分好的均匀性，同样Si CCD的均匀性也远优于红外焦平面的均匀性。
5.本发明将消除焦平面中需排除的盲点存在的可能性。芯片起着一种无需电子束扫描的红外荧光屏的作用。
附图说明
图1为VO2薄膜在可见光和近红外区域相变前曲线a和相变后曲线b的透过率变化图。
图2为本发明的器件结构和功能实施示意图。
具体实施方式
1.芯片的制备：
选择一种对波长范围在0.8-1μm的激光全部透过而且导热性能差的固体材料如：石英或光学玻璃作为衬底1，在衬底上通过气凝胶的方法形成高密度空洞的SiO2隔热层2，厚度约1-2μm，在SiO2隔热层上采用溶胶-凝胶法或溅射法制备一层VO2薄膜3，厚度约0.1-0.5μm，在VO2薄膜层上制备一层SiN吸热材料4，厚度约0.5-2μm。
2.芯片的工作条件：
用一个加热恒温器7将上述制备的含VO2薄膜的整块芯片的温度恒定在VO2薄膜的相变点附近，根据本实施例的材料特性，该温度将在65-75℃，选择所制备的VO2薄膜变色最强烈的温度点70℃为具体芯片的工作温度点。
3.器件的整合：
将上述结构的芯片放在Si CCD 5之前，并在两者之间附加一片对所采用的激光透过的窄带滤光片6，将除信号激光外的其余光滤掉，从而使Si CCD只探测到作为信号光的激光。半导体激光器8位于芯片衬底1一侧，并保持半导体激光器出射的激光束以面光源的特征与被探测的红外光同时入射到衬底上。
本器件以半导体激光器的一种典型波长0.98μm的入射激光为例，VO2薄膜的金属-半导体相变将引起60％的相对透过率的变化，见图1，而相变的温度过渡区为10K，所以相对透过率变化的温度系数为60％/10K＝0.06/K，与VO2的电阻温度系数0.04/K相当，从而可以推测本发明的焦平面器件的性能可以与常规的测辐射热计焦平面器件相当，但在此采用Si CCD器件直接以光方式进行读出，从而使器件向大面阵发展的可行性大大增强。
Claims (3)
1.一种室温光学读出红外焦平面探测器，包括：芯片窄带滤光片恒温加热器半导体激光器和Si CCD面阵器件，其特征在于：
A.芯片依次由衬底(1)高密度空洞的SiO2隔热层(2)VO2薄膜层(3)和SiN吸热层(4)组成；
B.芯片置在使其温度恒定在VO2薄膜的相变点附近的恒温加热器(7)中；
C.带有恒温加热器的芯片和Si CCD面阵器件(5)之间置有窄带滤光片(6)；
D.半导体激光器(8)位于芯片衬底(1)一侧，并保持半导体激光器出射的激光束以面光源的特征与被探测的红外光同时入射到衬底(1)上。
2.根据权利要求1.一种室温光学读出红外焦平面探测器，其特征在于：所说的半导体激光器为一种出射波长范围在0.8-1μm的半导体激光器。
3.根据权利要求1.一种室温光学读出红外焦平面探测器，其特征在于：所说的衬底(1)为石英或光学玻璃材料。
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