CN1834599B - 测辐射热探测器、使用探测器的设备和制造探测器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电磁辐射的测辐射热探测器，其包括：敏感部分或膜，其包括敏感材料(6)的一个或多个层、与读出电路(1)保持电连续性的第一电导体元件、处于浮动电位的第二电导体元件；用于所述敏感部分的至少一个支撑区域(3)，其实现相对于所述读出电路定位所述敏感部分和电导体的功能；至少一个绝热结构(4)，其将每个支撑区域(3)电地和机械地连接到所述敏感部分；所述导体元件被分布为两个交叉的重叠的导电轨道的网络(5A，5B)，两个网络中的第一个(5A)包括所有所述第一导体元件。

Description

测辐射热探测器、使用探测器的设备和制造探测器的方法

技术领域

本发明涉及一种测辐射热探测器，并且涉及一种使用该探测器来探测红外辐射的设备。本发明还涉及一种制造该探测器的方法。本发明特别应用于红外成像领域。

背景技术

在红外探测器领域中，已知的是以阵列的形式配置并且能够在环境温度下工作即不需要冷却至极低的温度的装置，与此相反，被称作“量子探测器”的探测设备仅能在极低的温度下工作，典型地在液氮的温度下工作。

这些非冷却式探测器传统上使用适当材料的物理单位的变化作为300K左右的温度的函数。在测辐射热探测器的情况下，该物理单位是电阻率。

这种非冷却式探测器通常包括：

-吸收红外辐射并且将其转化成热的装置；

-使该探测器绝热以使其温度能够由于红外辐射的作用而上升的装置；

-测温装置，其在测辐射热探测器的情况下使用电阻元件；

-读取由所述测温装置提供的电信号的装置。

用于红外成像的探测器被制造为在通常由硅制成的衬底上的基本探测器的一维或二维阵列，所述衬底结合了电激励所述基本探测器的装置和预处理由这些基本探测器产生的电信号的装置。

这些电激励和预处理的装置在衬底上形成，并且构成读出电路。

探测器单片集成对应的读出电路在制造成本方面是有利的。然而，也有可能在这种读出电路上混合在第二个单独的衬底上制造的探测器阵列。

包括基本探测器的阵列和相关读出电路的设备通常被放置在封装(package)中，并且特别地使用传统的技术(金属线和插头)电连接到其外部环境。减少这种封装内部的压力以便限制热损失。该封装还具有对待探测的辐射透明的窗口。

为了使用该探测器观察场景，通过适当的光学器件将该场景投射到基本探测器阵列，并且经读出电路(为此目的而提供)将定时电激励应用到每个基本探测器或者该探测器的每行，以便获得电信号，该电信号构成每个基本探测器所获得的温度的图像。

然后由读出电路对该信号进行或大或小程度的处理，并且如果可适用，则由封装外部的电子设备对该信号进行处理以便产生所观察场景的热像。

该非冷却式测辐射热探测器的性能基本上取决于：

-控制将大多数高性能测辐射热材料制造和集成到极轻的结构中，该结构由测辐射热计微桥构成，所述测辐射热计微桥与读出电路绝热，以便在信噪比方面充分地利用后者；

-控制用于该场景温度变化的热响应时间常数；

-用于最低可能的制造成本的每个参数的空间一致性。

现有技术描述了布置基本探测器的不同部分的各种方法。

具有共面电极的探测器和具有平行电极(所谓的“夹层”结构)的探测器之间具有较大的差别。

本发明更特别地涉及具有共面电极的探测器，其中工作期间通过该结构的电流在测辐射热材料层的平面中流动。

这种类型的探测器通常以悬浮膜的形式构造，该悬浮膜包括：温度敏感的测辐射热材料的薄(典型地从0.1到1μm)层；两个电极，它们被布置在测辐射热材料的相同表面上，在这个意义上这两个电极共面；以及“吸收器”。术语“吸收器”表示一个或多个层或者层的布置，该吸收器的功能是捕获电磁辐射，以便在该结构的内部将其转化成热。附加部件是用来支撑该膜，并且在该膜(其由于辐射的作用而变热)和读出电路之间产生最高可能的热阻。

文献EP-A-0,828,145描述了一种包括读出电路和一个或多个基本探测器的测辐射热探测器，所述基本探测器本身包括：敏感部分，该敏感部分特别包括测辐射热材料层以及两个导电电极；以及至少一个支撑该敏感部分的元件，并且其中所述电极是相互交错的(interdigitated)。该基本测辐射热探测器示意性地在图1和2中示出。

其中，读出电路(1)由反射金属层(2)覆盖，该金属层用于反射未被实际测辐射热计吸收的红外辐射，后者位于所述反射器之上大约1.5到2.5μm(以便优化10μm波长的两侧的探测，该波长基本上等于这些探测器通常优选的灵敏度范围)。

该定位通过基本上垂直的结构(3)得到。在本说明书的其余部分被称作“支柱(post)”的这些结构导电，因而有可能通过平的伸长的结构(4)将驱动电压施加到测辐射热探测器的导电部分或电极(5)，该平的伸长的结构也导电，但是为热阻的。这些平的伸长的结构在本说明书的其余部分被称作“臂(arm)”。

也称作“热绝缘”的该热阻用于允许测辐射热材料的温度由于红外辐射的作用而上升。

测辐射热计的主体和反射器之间的空间除了支柱(3)之外没有材料，以便阻止由于固体导电导致的热损失。该空间通常填充有低压气体，以便限制气体的对流和热传导。

在该类型的设备中，读出电路经支柱(3)和臂(4)以及至少两个导电部分或电极(5)施加电流，该电流流过平行于该测辐射热探测器的平面的结构。该电流流过测辐射热材料(6)，该测辐射热材料的电阻率随温度而变化。用于此目的的最广泛使用的材料是氧化钒和非晶硅。

所述导电部分或电极(5)借助于细的、通常是金属的导电层产生。它们也用于获得红外辐射的吸收，这是因为它们在被称作膜的基本探测器的可用扩展上分布的方式。在图1中可以看到，这些电极被布置在测辐射热材料(6)的上表面上。然而，所述电极也可以被布置在测辐射热材料的下表面上，或者被插在所述材料的两个层之间。

测辐射热计的有源部分或膜，即除了柱(3)和臂(4)之外的基本探测器的可用扩展，采用实际上等势的表面(5)的方式，该等势表面与测辐射热层的部分(6A)和驱动电流所流过的电阻表面(6B)接触，该扩展由部分(5)之间的空间来限定。

在本说明书的其余部分中，测辐射热材料(6)的层的部分(6A)和(6B)之间将具有差异，这取决于驱动电流是否流过它们(6B)或者不流过它们(6A)。

测辐射热探测器的性能传统上由其热分辨率NedT(代表噪声等效温差)表示。

例如，文献FR 2,796,148表明：假设偏置电平足以使探测器中的电噪声由低频噪声(LFN)支配，该低频噪声被称作“1/f”噪声，其特别具有非晶材料的特性，则热分辨率由下述公式来量化：

$\frac{1}{\mathrm{NedT}}\≈k.{(W.L.E)}^{1/2}.\mathrm{TCR}.\mathrm{Rth}$

其中：

·k是比例参数，在此没有对其作详细说明，该比例参数结合了读出电路的带宽、作为“1/f”的测辐射热材料(6)的低频噪声电平、基本探测器的表面积以及基本探测器的红外吸收效率；

·W和L分别是流过测辐射热材料(6)的电流的电宽度和长度，这可以在图1中看到，乘积W.L定义受电流影响的部分(6B)的面积；

·E是受到由尺寸W和L界定的电流影响的表面上的测辐射热材料(6)的厚度；

·TCR是工作温度附近的电阻变化的相关系数(dR/RdT)，它是所用的测辐射热材料的特性，其中R是横跨两个电流源终端(两个支柱(3))的电阻，以及T是微桥的温度；

·Rth是测辐射热计的中心“固体”部分和读出电路(1)之间的热阻，所述中心“固体”部分的温度由于红外辐射而上升，所述读出电路的温度是常数或者仅仅非常缓慢地变化。

通过将参数TCR和Rth结合到常数k中，可以将该公式简化为：

$\frac{1}{\mathrm{NedT}}\≈k\text{'}.{(W.L.E)}^{1/2}$

测辐射热材料的部分(6A)在限定测辐射热探测器的探测性能中不起作用，这是因为实际上在该区域中没有电流通过所述测辐射热材料，这些区域由具有小得多的电阻的部分(5)短路。

在探测阵列的情况下，在所述平面的两个尺寸上基本探测器的重复间距被定义为p。

为了得到最优探测性能，根据上述分析，将部分(6B)布置在(电)长度为L且(电)宽度为W的多边形中就足够了，并且使L.W＝p²，以便优化探测性能。

量p²表示参数L.W的上限，这是因为由于技术的原因，应当留出面积p²的部分以产生基本探测器之间的间隙和至少用于支柱(3)和臂(4)以及区域(6A)的空间，其表面积不能为零。

这些量L和W在用于典型配置的图1中被显示。

然而，显然易见的是，如果导电表面(5)的相关面积被减小以有利于高电阻表面(6B)的相关面积，则在部分覆盖有导电层的这样的结构上，甚至在表面电阻(或薄层电阻)方面被优化的一个结构上，吸收电磁辐射的效率快速下降。实际上，当区域(5)和(6B)之间平衡时获得在测辐射热分辨率方面的最佳性能。结果，测辐射热计的膜面积的大约一半(部分(6A))不能被用于优化电流，这包括使电流所通过的一个(多个)多边形的总面积W.L最大化。

图1中的导电部分(5)表示相互交错布局的特殊情况。当使用诸如非晶硅之类的高电阻率的测辐射热材料和类似材料时，该类型的布局是必然的，以便获得几百至几千千欧的电阻R，从读出电路的观点看，这是实用的。

实际上，本领域的技术人员在限定测辐射热结构时所遇到的其中一个困难在于，在环境温度左右获得驱动电压所施加到的两个导电部分或电极(5)之间的充分的电阻值R的困难。

设计测辐射热探测器表明每个电阻值都不适合于由产品设计者使用的读出电路。

为了优化所述读出电路的功能，一般而言，在有效电压方面使测辐射热计适应读出电路的最佳工作范围是更实用的，反之则不然。实际上，为了探测器的性能不受过低的信号限制，关键是在激励期间获得通过膜的足够高的电流。

使用如图1中所示的相互交错电极的结构的相关缺陷在于出现这样的区域，在所述区域上由于“尖端效应”而导致电流密度超过导电部分(5)的内端上的平均密度。这些电流集中导致了电噪声电平的增加，这对于高探测器性能是有害的。

上述文献EP-A-0,828,145也提出了使用典型地诸如氧化钒之类的具有低电阻率的材料作为测辐射热材料，并且建议电极分布在直的、平行的、不连续的条(strip)中，从而例如使所有内部条不连接，即处于浮动电位，这是通过将两个终端条连接到支柱(3)来实现的。在这样的布置下，电流于是都是平行且均匀的，由此避免了与尖端效应相关的附加电噪声。

然而，在该配置中，膜表面的大约一半不能用于优化电流，这是因为优化红外吸收需要导电部分(5)基本上均匀地分布在膜表面上。

上述文献FR-A-2,796,148提出一种配置，该配置用于减弱与辐射的吸收质量和导电部分或电极(5)的面积与测辐射热材料的面积(6B)之间的平衡的相关的约束。

如该文献中所公开的，在电极(5)和测辐射热材料(6)之间有接触的部分(6A)被减小为小的、窄的、伸长的表面。而且，电极(5)的表面的相当大的部分通过插入绝缘层(7)而与测辐射热材料绝缘。

该技术使得有可能使用膜上的大部分可用表面积以便优化面积为W.L的一个(多个)多边形，由此实现了大幅提高的性能。然而，该结果的获得是以不可忽略的额外制造复杂性为代价的，并且在证明必须使用相互交错的电极的情况下也使尖端效应所固有的过量噪声的问题变得复杂化。如果使用非晶硅或类似的材料，则由于该类型的材料通常具有高电阻率，这样的相互交错配置是必然的。

因此显而易见的是，在根据现有技术的上述两个文献中，通过与电流源电极相同的材料层来制造吸收器，该吸收器具有与该布局相关的所有优点，同时也具有难以获得很好地适合于读出电路的电阻的上述缺陷。

在文献US 5,367,167中，吸收器由单独的且不同于电流源电极的导电层制造。该文献描述了一种测辐射热探测器，该测辐射热探测器包括位于测辐射热材料层的相同面的两个共面电极以及位于测辐射热材料的该层的另一面上的导电层。该导电层的功能是吸收待探测的红外辐射并且它必须通过电绝缘层与探测器的主体分离。所以其实施极其复杂。

另外，在该文献中定义的技术自然地优化电流并且因此优化低频噪声电平，这是因为一方面所述电极被离得很远地放置在基本探测器的两个相反边缘，另一方面，该特定布局仅仅可应用于具有很低电阻率的材料，典型地为氧化钒，另外膜的电阻太高以至于不能获得读出电路的正确驱动，并且在实践中，它不能被应用于非晶硅和类似材料。

发明内容

本发明的目的是不管测辐射热材料的电阻率如何而使测辐射热材料的有用表面积最大化(使乘积W.L最大化)，所述探测器的所得的性能不受尤其与尖端效应相关的过量噪声的影响，所述尖端效应是电极或导电部分(5)的相互交错配置所固有的。

根据本发明，所述测辐射热探测器包括：

-敏感部分，其包括：

·敏感材料的一个或多个层，所述敏感材料的电阻率随着温度而变化；

·与读出电路保持电连续性的第一电导体元件，所述读出电路与所述测辐射热探测器相关联，一方面，所述第一电导体元件用作所述探测器的电极，并且为此与所述敏感材料接触，另一方面，所述第一电导体元件用作红外辐射吸收器；

·处于浮动电位的第二电导体元件，其仅仅用作红外辐射吸收器；

-用于所述敏感部分的至少一个支撑区域，其实现相对于所述读出电路定位所述敏感部分和电导体的功能；

-至少一个绝热结构，其将每个支撑区域电地和机械地连接到所述敏感部分。

根据本发明的测辐射热探测器的独特之处在于，所述导体元件被分布为两个交叉的、重叠的导电轨道(track)网络，两个网络中的第一个包括所有所述第一导体元件，并且所述重叠是全部的或部分的。

在本发明的意义上，术语“交叉的”和“重叠的”应当被理解为当第二网络的导电轨道分别被投影到包含所述敏感部分的平面中时，第一网络的所述导电轨道与构成第二网络的导电轨道会聚。

所述第一网络也包括第二导体元件；然而，构成它的所述导电轨道中的至少两个与构成所述敏感部分的敏感材料接触以便形成电极。该接触有利地在它们的整个长度上发生，由此优化所述探测器的性能。

在有可能设想到的本发明的各种配置中，有可能在所述两个网络之间没有电接触。然而，如果使用带有高电阻率的敏感材料，则第二网络的轨道中的至少两个交替与所述第一网络的所述特定轨道接触，所述第一网络与构成所述敏感部分的敏感材料接触。

既然如此，根据本发明的探测器的无效表面积被显著地减小以有利于有用表面积，同时减小与电流的集聚相关的过量噪声，所述过量噪声根据导体元件的详细配置和使用的测辐射热材料而变化。

根据本发明，所述两个网络的每个的各自轨道基本上是直的并且彼此平行，第一网络的导电轨道典型地与构成第二网络的导电轨道成直角。

另外，所述网络的一个中的每个轨道之间的间距与另一网络的轨道之间的间距相同或不同。

两个不同网络的两个轨道之间的接触通过介电层中的开口获得，所述介电层被插在构成所述敏感部分的敏感层和构成第一网络的导电轨道的第一级之间。

附图说明

通过以下实施例的描述将可以更容易地理解实施本发明的方式及其产生的优点，所述实施例仅仅作为例子而给出，并且参考附图。

如已经所述的，图1是根据现有技术的基本测辐射热探测器的平面图，以及图2是沿线A-A的横截面图。

图3是根据本发明的探测器的示意性平面图，以及图4是沿线B-B的横截面图。

图5是图4中所述横截面图的一部分的详细视图。

图6和7也是详细视图，不过是本发明的其它实施例的详细视图。

具体实施方式

因此，本发明最初涉及基本测辐射热探测器，并且更具体地涉及在其敏感部分上的导电轨道的配置和布局，所述敏感部分自身构成膜的核心。当合适时，这些导电轨道用作电极，即它们从读出电路向敏感部分供应电流，并且用作待探测的红外辐射的吸收器，或者仅仅用作吸收器。

图3显示根据本发明的测辐射热膜的典型实施例。也与图1相同的各种部分具有相同的参考数字。

根据本发明的基本特征，所述膜容纳导电轨道(5)的两个单独网络。

第一网络由一系列导电轨道(5A)组成，所述导电轨道基本上是直的并且彼此平行。在所述的例子中，这些轨道中的四个(5A1，5A2，5A3和5A4)与构成膜的测辐射热材料(6)接触。另外，该接触基本上发生在所述轨道的整个长度上。

然而，为了使根据本发明的探测器能够工作，只要这些轨道中的两个实际上与所述测辐射热材料接触就足够了。事实上并且为了优化早先在处理本发明旨在解决的技术问题时提到的面积(W.L)，终端导电轨道(5A1)和(5A4)实际上与测辐射热材料(6)接触。

不同的配置将导致位于所述终端导电轨道之上的表面积的损失，其结果将正好与预期相反。

在关于图3所述的例子中，显然网络(5A)仅仅与用于三个轨道中的一个的测辐射热材料(6)接触，尤其是第一轨道(5A1)和最后的轨道(5A4)沿两个相反边缘与层(6)接触。

第二网络也由一系列导电轨道(5B)组成，所述导电轨道基本上是直的并且彼此平行，以及典型地被定向成与构成所述第一网络的导电轨道(5A)成直角。在图3中可以看到当投影在包含所述膜的平面中时，组成两个网络中的每个的导电轨道彼此垂直。

在所述的例子中，这些导电轨道的三对(5B1，5B2)、(5B3，5B4)和(5B5，5B6)分别交替地与第一网络的特定轨道(5A1，5A2，5A3和5A4)电接触，即与接触测辐射热材料(6)的第一网络的导电轨道电接触。因此，在图3中，第二网络(5B)仅仅与用于两个轨道中的一个(平均地)的所述第一网络(5A)的特定轨道(5A1，5A2，5A3和5A4)接触。

该特定的典型配置有可能尽管使用具有高电阻率的敏感材料(6)也能获得足够低的电阻。事实上，在该特定配置中，存在足够数量的与网络(5A)的轨道的电接触，所述接触以规则距离L间隔以便获得均匀的电流密度。这些接触在连接的帮助下被交替地设置成高和低电位(在读出期间)，所述连接依靠第二网络(5B)的轨道(至少两个)进行。

既然如此，产生相互交错的“梳状件”，其电阻与L/(n-1)成比例，其中n表示与敏感材料(6)接触的网络(5A)的导电轨道的数量。因此，对于间距为p并且极大地进行简化，可以使p/L导电轨道(5A)接触敏感材料(6)，所述敏感材料具有电阻：

R≈p/n(n-1)

因此，导电轨道(5A1)和(5A3)的每个都与导电轨道(5B2，5B4和5B6)电接触，而导电轨道(5A2)和(5A4)的每个都与导电轨道(5B1，5B3和5B5)电接触。然而，再一次地，为了使根据本发明的探测器能够工作，只要这些轨道(5B)中的两个实际上与所述第一网络的所述特定导电轨道(5A1，5A2，5A3和5A4)交替接触就足够了。

该交替有可能防止膜的电极之间的任何短路。

因此所有这些特定轨道，不管它们是属于第一还是第二网络，都用作电极和吸收器。相反，所有其它轨道被限定成仅仅实现辐射吸收器的功能。

在网络(5A)的仅仅两个导电轨道与敏感材料(6)接触的特定配置中，即在足够产生起作用的基本测辐射热计的配置中，不需要产生与网络(5B)的导电轨道的接触，这是因为后者仅仅用作辐射吸收器。

在很大程度上以及与根据现有技术的探测器所施加的约束对比，每个网络的导电轨道的密度(即间距)是任意的，并且不影响探测器的性能。具有相对较自由的间距的导电轨道的两个独立交叉网络的可能性显然有可能产生更大数量的布局和组合，以便限定测辐射热材料(6)中电流的几何形状，并从而限定探测器的总电阻R。

由于导电轨道可以被配置和分布的此灵活性，所以显然本领域的技术人员可以通过小心地改变导电轨道之间的间隔(它们的间距)，尤其是与所述测辐射热材料接触的网络(5A)的导电轨道之间的间隔以及所述两个网络之间的连接分布，从而容易地获得探测器的期望总电阻值R，该电阻值取决于所使用的测辐射热材料(6)。应当强调的是，获得这样的结果使得没有必要如现有技术所推荐的那样采用折叠的或相互交错的电极与测辐射热材料接触，读者可以想到，这就是与尖端效应相关的过量噪声的根源。不仅如此，本发明的实施例使得有可能利用测辐射热材料的大部分有用表面积(使乘积W.L最大化)。既然如此，本发明具有高度灵活设计和最佳性能的双重优点。

从实践的观点来看，在第一网络的特定导电轨道(5A1，5A2，5A3和5A4)和测辐射热材料(6)之间形成接触典型地通过第一插入介电层(7A)中的基本上线性(linear)的开口获得，所述第一插入介电层覆盖测辐射热材料(6)的层，并且允许后者和仅仅用作辐射吸收器的所述第一网络的导电轨道(5Aa)之间的电绝缘。

然而，本发明的一个特定实施例包括赋予所述第一网络的所有导电轨道(5A)作为电极和红外辐射吸收器的双重功能。在该情况下，所述第一网络的所有导电轨道(5A)与测辐射热材料(6)的层接触。既然如此，介电材料的层(7A)就是多余的。在该配置中，并非网络(5A)的所有所述导电轨道需要被连接到网络(5B)。在该情况下，未被连接到网络(5B)的轨道的网络(5A)的那些导电轨道用作处于浮动电位的电极。

根据上面的说明，在第一网络的特定导电轨道(5A1，5A2，5A3和5A4)和第二网络的某些导电轨道之间形成电接触典型地通过在介电材料(7B)的第二层中形成的基本尖端状的开口(8)获得(术语“尖端状”应当被理解为“与膜的尺寸相比具有极小的尺寸”)，所述介电材料的第二层被插在所述第一网络的仅仅用作吸收器(5Aa)的导电轨道和所述第二网络的导电轨道(5B)之间(参见图5)。根据前面的描述，这些开口(8)位于所述导电轨道的某些特定交叉点处。

图3显示根据本发明的可能的特定配置中的一个。显然使用测辐射热材料(6)的相同层，该配置使得有可能获得大约相当于使用图1中配置所获得的总电阻两倍高的总电阻R。

两个网络的其它配置使得有可能保持可比的电阻R。在图3中提出的配置使得有可能简单地解释本发明的所有有利的特征，一旦理解了本发明的一般的根本原理，就不需要解释完全在本领域技术人员的能力范围内的其它配置。

导电轨道的两个网络之间的接触点(8)的布局解释了早先提到的交替接触原则，以便在网络(5A)的导电轨道之间产生有规则交替的等电位。然而，也有可能在所述网络(5A)的轨道和网络(5B)的所有轨道之间建立接触，并且如果能产生可接受的输入电阻R，那么也有可能在它们和用于每个等电位组的网络(5B)的仅仅一个轨道之间形成接触。事实上，两个导电网络(5A)和(5B)之间的接触的密度主要受可能过高的输入电阻支配，过低的接触密度将导致所述过高的输入电阻。

本发明所推荐的配置的附带优点也应当被强调。使用仅仅由尖端状接触相互连接的两个网络，尤其是所述接触分布在所述两个网络之间的至少两个轨道(5B)上的事实，实现了连接冗余，该连接冗余大幅提高了正确分布电位的概率，并且避免了两个轨道之间的单一的可能误形成的接触的有害影响。

仅仅网络(5A)的终端线(5A1)和(5A4)与测辐射热材料(6)的层接触的很特别的情况需要被考虑。在该情况下不需要在两个网络(5A)和(5B)之间形成电接触(8)，因为这样的接触将导致该结构中的短路。由于交替电位的消失，所以在该特定配置中的所得电阻将在所述膜的所讨论的方向上具有其最大可能值，所述方向与网络(5A)成直角，但是所述结构仍然将在低频噪声电平和光吸收方面被优化。

还应当注意到，除了由所述层(6)的附加接触所占用的表面积之外，在基本不改变电流的结构，从而不改变探测器的功能或质量的情况下，网络(5A)的其它内部轨道(在这些终端轨道之间)也可以与测辐射热材料(6)的层接触。如已经所述的，假设网络(5A)的所有轨道与层(6)接触，优先除去随后无意义的层(7A)显然是方便的。

本发明所推荐的配置使得有可能大幅简化这样的探测器的实施。例如它使得有可能朝着导电支柱(3)将网络(5A)的终端轨道(5A1)和(5A4)连续地延伸到臂(4)上。

另外，本发明使得有可能将测辐射热材料(6)保持在臂(4)的附近，由此也简化了制造这样的探测器的过程。不可否认，一般而言人们避免将所述材料保持在该区域中以便提高探测器的热阻，但这不是本发明的目的。

在不超出本发明的范围的情况下可以想象将电流供应给敏感膜的“终端”的其它方法。例如可以通过将网络(5B)而非(5A)延伸到支柱(3)上来获得另一特定的实施例。为此目的所选的特定导电层的选择首先受用于每个网络的电和热传导性质支配，所述电和热传导性质可以是不同的，其次受可以用于组装所述结构的技术的方便性支配。

事实上应当注意的是，根据本发明，导电轨道的数量和两个导电网络的几何特征(宽度、厚度、具体形状)决不应当被限定成所述的例子中的那样，所述例子仅仅用于示范的目的。

也可以设想在本发明范围内的其它网络配置。有可能将网络(5A)放置在测辐射热材料(6)的层之下。在该情况下，可选的介电层(7A)被放置在所述网络和层(6)之间。与设计者想要与测辐射热材料(6)接触的网络(5A)的轨道相对的该介电层(7A)被除去。两个网络(5A)和(5B)之间的接触点通过在所述材料(6)的层和介电层(7B)中形成通孔(through-opening)而获得，所述介电层覆盖测辐射热材料(6)的所述层的上表面。网络(5B)然后形成于该组件的顶上。然而，有可能颠倒网络(5A)和(5B)的角色，即在上网络的帮助下与测辐射热材料(6)进行线性接触。该配置在图6中被显示。

也有可能如图7中所示通过将所述两个网络(5A)和(5B)放置在测辐射热材料(6)的层之下而完全相反地转变图3中所述的结构。由于制造过程的原因，如果有人希望在组装过程中尽可能晚地沉积敏感材料(6)，则该特定配置是有利的。特别是，这样一种需要可能是敏感材料与限定其它材料的过程不相容的问题的结果，或者是完成所述设备后获得直接接近敏感材料的整个表面的问题的结果。

然而，所有这些变化依赖于本发明的同一工作原理。

下面说明用于获得根据本发明制造的探测器的功能优化的标准。

我们应当考虑典型的但非限制性的情况，其中微测辐射热计的膜远至其边界或边缘被两个正交网络(5A)和(5B)均匀地覆盖，每个网络由平行的规则间隔的导电轨道组成，在每个网络中所述导电轨道具有相同的线性电阻。该配置导致最佳吸收效率。如果所述膜的两个相对边缘之间的总电阻R大约为380欧姆，则入射电磁辐射的吸收被优化。该值用于悬在反射器之上1.5μm-3μm的膜，并且对于本领域的技术人员来说是公知的，以便使用连续导电层来产生电磁吸收器。网络(5A)和(5B)中的每个必须使得该标准被满足，至少大致被满足。

该数据对于具有正方形外部形状的膜来说是有效的。然而，如果足够大以至于包含由所述膜自身界定的网络(5A，5B)的每个的至少两个轨道段的每个轮廓线满足该标准，则任何其它膜形状都可以被优化。这样的轮廓线在图3中由虚线轮廓示出。

评估探测器的优化的另一方式是通过局部扩展所述膜的边界(伴随着所述网络的扩展)来绘制“外切的”正方形，直到获得满足上述标准的正方形。

例如正方形膜可以被10个平行导电轨道的网络覆盖，每个轨道在一个方向上具有3800欧姆的电阻，并且被五个平行导电轨道的网络覆盖，每个轨道在与后者成直角的方向上具有1900欧姆的电阻。在两个相对边缘之间“看到的”电阻等于与n个平行导电轨道的这些边缘成直角的单导电轨道的电阻的1/n倍。

该标准是非临界的最佳值，因为实际上其两个相对边缘之间的电阻在每个方向上大约为300或500欧姆的正方形膜仅仅在边上是不太有效的。本领域的技术人员意识到，事实上，吸收仅仅随着上述最佳值附近的电阻的变化而缓慢地变化。

为了优化根据本发明的探测器，由基于网络(5A)和(5B)的每个的间距的特定标准来有利地补充该一般标准。所述间距必须优选地不超过待探测的平均辐射的波长的一半。对于打算探测从8到14μm的辐射的探测器，应当对于导电轨道的每个网络有利地使用小于6μm的间距。更高的间距值特别地导致了衍射现象，该衍射现象会对电磁吸收的质量有不利的影响。

通过满足这些标准，可以典型地实现在指定的探测光谱中入射辐射的超过90％的吸收。

下面描述根据本发明的探测器的一个实施例。

通常使用本领域技术人员熟悉的传统方法通过构成成品的各种层的连续沉积和蚀刻来获得微测辐射热计的视网膜(retina)阵列，所述层包括：介电层、测辐射热材料层、用于等电位区域的金属层(例如电流源和电极)。

这些不同的层沉积在结构层的上表面上，由于所述结构层在过程结束时被除去以便使测辐射热计的结构并且更特别地使所述膜仅仅由其绝热部件(特别是臂(4))悬挂，因此所述结构层被称为“牺牲”层。

通过将单位膜并置在如图1或3所示的阵列中来获得成像视网膜；微电子技术自然地适合于该类型的构造，并且同时在单个衬底上制造大量的视网膜。

更具体而言，以下阶段涉及制造根据本发明的探测设备。关于特定组件进行该描述。同样，该描述决不意味着对本发明的实际范围的任何限制，尤其在本领域技术人员可以容易想象的结构变化方面，举例来说，例如与实际探测器自身相关的前述说明中所建议的结构变化。层的顺序的任何颠倒、各种部分的任何具体布置或特定制造过程都处于本发明的范围内。

下面描述的操作直接涉及制造根据图3的探测器。

第一阶段包括在衬底(通常由硅制造)的表面上沉积“牺牲”层，所述衬底包括读出电路。该牺牲层典型地可以由聚酰亚胺或能够耐受随后制造过程的工作条件并且能够在完成制造后选择性地被除去的任何有机或矿物材料组成。

有利地，在公知的布置中，反射金属层(2)(例如由铝制造)首先被沉积在衬底(1)的表面上，并且使用已知的合适技术进行局部蚀刻以便优化探测器的光谱特性。在该情况下，如果目标是在从8至14μm的波长谱中优化辐射的吸收，则所述牺牲层的厚度被设置为1.5至3μm。

然后使用传统技术将测辐射热材料(6)的层在牺牲层的表面上典型地沉积50至500纳米的厚度。在此描述的结构特别适合于非晶硅或Si_xGe_yC_(1-x-y)类型的类似材料。

典型地为氧化硅或氮化硅的介电材料(7A)的第一层典型地具有10至50纳米的厚度，所述第一层然后例如使用等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)被沉积在测辐射热材料(6)的层的表面上。

例如根据图3中的图案，即很窄的平行轨道，使用传统的光刻掩模和合适的蚀刻过程来蚀刻介电材料(7A)的该层。然而，这些蚀刻的轨道的宽度典型地不小于材料(6)的厚度，并且例如延长到0.2至2μm的宽度。这些蚀刻的轨道之间的间隔例如为5至50μm。

然后使用适合于该类型的层的已知技术来沉积导电材料(5A)的第一层。可以使用任何类型的金属，优选是通常用于微电子器件中的一种金属，例如铝、钛或氮化钛。使用第二光刻掩模由传统的蚀刻来限定导电轨道的第一网络(5A)。形成网络(5A)的轨道中的一些与下面的介电材料(7A)的先前制造的层中形成的开口相对地布置。其它轨道保持“悬浮”，即通过介电层(7A)与测辐射热材料(6)绝缘。

层(5A)的厚度e和电阻率(Rho)，即由Rho/e定义的薄层电阻(以本领域技术人员通常使用的量来表示)根据网络(5A)的导电轨道的最终尺寸来进行选择，以便满足早先所述的一般标准。例如，由虚线正方形界定的膜的部分包括九个导电轨道，每个导电轨道在所述轨道与图3中虚线所绘的正方形的“水平”边缘的交叉点之间的电阻必须大约为3400欧姆。如果采用所述九个平行轨道，这在所述虚线正方形的两个相对“水平”边缘之间大约提供380欧姆。

如果导电层(5A)具有100欧姆/平方的薄层电阻，所述薄层电阻例如通过电阻率为100微欧.厘米的10纳米的氮化钛获得，则长度(虚线正方形内部)与宽度的比必须是大约34。假设图3显示了具有50μm的总边缘尺寸的测辐射热计，封闭的虚线正方形将具有大约34μm的边缘尺寸，并且轨道(5A)的宽度因此必须大约为1μm，所述轨道(5A)以优选大约3.8μm的规则间距被重复，以便安装所述九个轨道和形成在虚线正方形内部分离所述轨道的九个空间。

显然，根据薄层电阻、轨道宽度和密度的参数的其它组合能够产生满足上述一般标准的结果。

如已经指出的，有可能提供一种配置，其中第一网络(5A)的所有导电轨道与测辐射热材料(6)接触。该特定情况的有利之处在于然后它不再必须使用介电材料(7A)的层，并且它消除了相关的限定技术(光刻和蚀刻)。它导致复杂性明显减小。

然而，与层(6)接触的轨道(5A)的总表面积必须被看作是在优化所述设备方面的浪费，这是因为这些轨道(5A)的表面积等于图3中的表面积(6A)。所以有利的是限制与测辐射热材料(6)接触的轨道与最小要求的裸露之间的比例，以便一旦完成组装后获得用于整个膜的期望的总电阻。

类似地，在介电层(7A)中形成的开口的该情况下，接触区域的宽度被限制成由于同样的理由而可应用的最小值。

与支撑导电结构(4)相对的层(5A)保持完整(在图3中的左边和右边)。

然后通过应用用于保护除小尺寸的开口之外的整个结构的新光刻掩模来形成导电支撑或支柱(3)，所述开口例如为侧向尺寸从一至若干μm的开口。然后这些开口通过表面层按照以下顺序被蚀刻：导电材料(5A)、介电材料(7A)、测辐射热材料(6)，并且然后通过牺牲层直至接触表面，所述接触表面先前在读出电路(1)的表面上形成。然后沉积相对较厚的层，例如仅仅作为例子包括从为此目的的传统材料中选择的0.2至2μm的金属的层，所述材料例如为铝和合金、钛、氮化钛、钨或硅化钨或者这些不同材料的组合。

然后应用光刻掩模以便将该金属保持在先前形成的所述开口的最接近的附近，并且先前使用传统的过程沉积的一种(多种)金属通过蚀刻从所述表面的剩余部分被除去。一显现层(5A)就选择性地停止蚀刻。将最后两个光刻掩模和相关蚀刻操作的顺序颠倒也可以是有利的。

类型和厚度典型地等同于第一层(7A)的介电材料(7B)的第二层被沉积，然后使用保留局部开口(8)的新光刻掩模进行蚀刻，所述开口张开到与测辐射热材料(6)接触的网络(5A)的导电轨道(5A1，5A2，5A3，5A4)上。

第二导电层(5B)然后被沉积，并且通过使用合适的光刻级(level)被限定为基本与第一网络(5A)成直角的网络。

与用于第一网络相同的材料可以被使用。再一次地，该层(5B)的厚度和电阻率以及由此它的“薄层电阻”根据该第二网络的导电轨道的最终尺寸来进行选择，以便满足上述的一般标准。例如，由虚线正方形界定的、假定具有34μm的边缘尺寸的膜的一部分在该特定构造的情况下也包括九个导电轨道(5B)，每个导电轨道在由虚线正方形的两个“垂直”边缘所限定的点之间必须具有大约3400欧姆的电阻。如果希望将每个轨道的宽度限定为大约2μm(由此间隔为1.8μm)，对于该第二网络(5B)，必须使用200欧姆/平方的金属层，所述金属层例如通过电阻率为200微欧.厘米左右的10纳米的氮化钛获得。所述九个平行轨道于是在虚线正方形的两个“垂直”边缘之间大约等于380欧姆，并且这满足上述的优化标准。

通过非选择性地蚀刻构成所述膜的所有材料直到牺牲层的表面被穿透，最终的光刻级用于切掉所述膜的周边以及支撑结构(4)和支柱(3)，构成所述膜的材料包括：5(B)，如果适用还有(7B)、(5A)、(7A)、(6)。对于提到的所有材料最适合该操作的优选的干蚀刻技术对于本领域技术人员来说是公知的。

例如，在所述牺牲层是有机类型并且所述膜在其最后的操作、优化状态中悬挂在衬底(1)的上方的通常情况下，然后通过在氧等离子体中燃烧来消除牺牲层。

显然，如果比较图1和3中并且尤其是相应的横截面图(图2和4)中所示的配置以及特别地关于表面(6A)和(6B)(其中仅仅指示了较短侧面)的相关几何形状，在电流(6A)意义上的无效表面积由于本发明的使用而被显著减小以有利于有用的表面积(6B)。

在图1和3中指示的特征量W和L的比较评价表明，根据本发明提出的典型配置使距离L提高大约2倍，并且使距离W提高约10％。事实上，在图3的例子中的电宽度基本上等于总的电宽度W₁+W₂+W₃。在信噪比方面所得的性能的相对提高因此大约为50％，或者作为另一选择，热分辨率被减少(改善)33％，所述热分辨率是本领域中非常重要的数字。

为此，也可以增加与电流集聚相关的过量噪声的消失，所述过量噪声根据具体配置和使用的测辐射热材料而变化。期望在信噪比方面获得10-15％的额外改善是合理的，即与文献EP-A-0,828,145中描述的技术相比热分辨率大约减少40％。

由于允许在限定膜的电阻方面具有附加的最大灵活性以便将其调节到读出电路的功能要求，同时基本不会对最终性能造成任何损害，所以由本发明提供的性能益处是清楚的。该特征典型地未出现在引言中所引用的文献中所公开的现有技术中。

Claims (18)

1.一种用于电磁辐射的测辐射热探测器，包括：

I敏感部分或膜，其包括：

i敏感材料(6)的一个或多个层，所述敏感材料的电阻率随着温度而变化；

ii与读出电路(1)保持电连续性的第一电导体元件，所述读出电路与所述测辐射热探测器相关联，一方面，所述第一电导体元件用作所述探测器的电极，为此与所述敏感材料(6)接触，另一方面，所述第一电导体元件用作电磁辐射吸收器；

iii处于浮动电位的第二电导体元件，其仅仅用作电磁辐射吸收器；

II用于所述敏感部分的至少一个支撑区域(3)，其实现相对于所述读出电路定位所述敏感部分的功能；

III至少一个绝热结构(4)，其将每个支撑区域(3)电地和机械地连接到所述敏感部分；

其特征在于，所述第一和第二电导体元件被分布为两个交叉的重叠的导电轨道的第一网络(5A)和第二网络(5B)，两个网络中的第一个(5A)包括所有所述第一电导体元件。

2.如权利要求1所述的用于电磁辐射的测辐射热探测器，其特征在于，所述第一网络(5A)和第二网络(5B)全部地或部分地重叠。

3.如权利要求1或2所述的用于电磁辐射的测辐射热探测器，其特征在于，所述第一网络(5A)也包括所述第二电导体元件，但是构成它的所述导电轨道中的至少两个(5A1，5A2，5A3，5A4)与基本上在它们整个长度上构成所述敏感部分的敏感材料(6)接触。

4.如权利要求3所述的用于电磁辐射的测辐射热探测器，其特征在于，第二网络(5B)的导电轨道中的至少两个交替地与所述第一网络(5A)的所述至少两个导电轨道(5A1，5A2，5A3，5A4)接触。

5.如权利要求1、2和4中任何一项所述的用于电磁辐射的测辐射热探测器，其特征在于，所述第一网络(5A)和第二网络(5B)的每个的各自导电轨道是直的并且彼此平行，以及第一网络(5A)的导电轨道与构成第二网络(5B)的导电轨道成直角。

6.如权利要求1、2和4中任何一项所述的用于电磁辐射的测辐射热探测器，其特征在于，导电轨道的所述第一网络(5A)和第二网络(5B)被定位在敏感材料(6)的层的上表面的上方。

7.如权利要求6所述的用于电磁辐射的测辐射热探测器，其特征在于：

·第一网络(5A)通过用介电材料(7A)制成的第一层与敏感材料(6)的所述层电绝缘，所述第一层局部地具有开口，所述开口与所述第一网络(5A)的特定导电轨道(5A1，5A2，5A3，5A4)和敏感材料(6)的所述层之间接触的区域相对；

·介电材料(7B)的第二层被插在所述第一网络(5A)的仅仅用作吸收器(5Aa)的导电轨道和所述第二网络的导电轨道(5B)之间；

·以及第一网络(5A)的特定导电轨道(5A1，5A2，5A3和5A4)和第二网络(5B)的某些导电轨道之间的接触在开口(8)处获得，所述开口在介电材料(7B)的第二层中形成。

8.如权利要求1、2和4中任何一项所述的用于电磁辐射的测辐射热探测器，其特征在于，所述第一网络(5A)和第二网络(5B)中的一个被定位在敏感材料(6)的所述层的下方，并且另一网络被定位在敏感材料(6)的所述层的上方。

9.如权利要求8所述的用于电磁辐射的测辐射热探测器，其特征在于：

·第一网络(5A)被定位在敏感材料(6)的所述层的下方，并且通过用介电材料(7A)制成的第一层与后者电绝缘，所述第一层局部地具有开口，所述开口与所述第一网络(5A)的特定导电轨道(5A1，5A2，5A3，5A4)和敏感材料(6)的所述层之间接触的区域相对；

·第二网络(5B)被定位在敏感材料(6)的所述层的上方，并且通过用介电材料(7B)制成的第二层与后者电绝缘；

·以及所述第一网络(5A)和第二网络(5B)之间的电接触点通过在所述敏感材料(6)的层和介电材料(7B)的第二层中形成通孔而获得。

10.如权利要求8所述的用于电磁辐射的测辐射热探测器，其特征在于：

·第一网络(5A)被定位在敏感材料(6)的所述层的上方，并且通过用介电材料(7A)制成的第一层与后者电绝缘，所述第一层局部地具有开口，所述开口与所述第一网络(5A)的特定导电轨道(5A1，5A2，5A3，5A4)和敏感材料(6)的所述层之间接触的区域相对；

·第二网络(5B)被定位在敏感材料(6)的所述层的下方，并且通过用介电材料(7B)制成的第二层与后者电绝缘；

·以及所述第一网络(5A)和第二网络(5B)之间的电接触点通过在所述敏感材料(6)的层和介电材料(7B)的第二层中形成通孔而获得。

11.如权利要求8所述的用于电磁辐射的测辐射热探测器，其特征在于，所述第一网络的所有导电轨道(5A)都与敏感材料(6)的层接触。

12.如权利要求6所述的用于电磁辐射的测辐射热探测器，其特征在于，所述第一网络的所有导电轨道(5A)都与敏感材料(6)的层接触。

13.如权利要求11所述的用于电磁辐射的测辐射热探测器，其特征在于：

·所述第一网络(5A)被定位在敏感材料(6)的所述层的上方；

·介电材料(7B)的层被插在所述第一网络(5A)的导电轨道和所述第二网络的导电轨道(5B)之间；

·以及第一网络(5A)的导电轨道和第二网络(5B)的某些导电轨道之间的接触在开口(8)处获得，所述开口在所述介电材料(7B)的层中形成。

14.如权利要求11所述的用于电磁辐射的测辐射热探测器，其特征在于：

·所述第一网络(5A)被定位在敏感材料(6)的所述层的下方；

·第二网络(5B)被定位在敏感材料(6)的所述层的上方，并且通过用介电材料(7B)制成的层与后者电绝缘；

·以及所述第一网络(5A)和第二网络(5B)之间的电接触点通过在所述敏感材料(6)的层和介电材料(7B)的层中形成通孔而获得。

15.一种测辐射热型红外探测设备，其特征在于，它使用如权利要求1-13中所述的一个或多个测辐射热探测器，并且所述探测器通过柱型结构(3)连接到读出电路(1)。

16.如权利要求15所述的测辐射热型红外探测设备，其特征在于，它具有包括至少两个测辐射热探测器的阵列结构。

17.一种用于制造测辐射热型红外探测器的方法，涉及从读出电路开始，所述方法包括：

-首先在衬底上形成第一辅助牺牲层，在制造所述探测器之后将用任何已知的方法除去所述牺牲层，以便使读出电路(1)与探测模块或敏感部分热绝缘；

-在该辅助牺牲层上形成敏感测辐射热材料(6)的一个或多个层；

-在该敏感测辐射热材料(6)的层上沉积用介电材料制成的层(7A)；

-使用光刻掩模和蚀刻在该用介电材料制成的层中产生线性开口以便产生与敏感测辐射热材料(6)的层接触的区域；

-沉积导电材料的第一层；

-使用光刻掩模产生导电轨道的第一网络(5A)，所述导电轨道中的一些被定位成与在介电材料(7A)的层中形成的开口相对，并且因为此而与敏感测辐射热材料(6)电接触；

-通过应用用于保护除小尺寸的开口之外的整个结构的新的光刻掩模来产生导电支撑或支柱(3)，所述开口通过表面层按照以下顺序被蚀刻：导电材料(5A)、介电材料(7A)、敏感测辐射热材料(6)，然后通过牺牲层直至接触表面，所述接触表面先前在读出电路(1)的表面上形成，然后通过沉积至少一个金属层，然后在远离支柱(3)的光刻掩模的帮助下通过蚀刻这个/这些金属层；

-在网络(5A)上沉积介电材料(7B)的第二层；

-使用光刻掩模和蚀刻来在所述介电材料(7B)的第二层中产生开口(8)，所述介电材料(7B)的第二层中产生的所述开口(8)局部地位于与敏感测辐射热材料(6)接触的网络(5A)的导电轨道上；

-在介电材料(7B)的第二层上沉积导电材料的第二层；

-使用光刻掩模产生导电轨道的第二网络(5B)，构成第二网络(5B)的导电轨道基本上相对于构成第一网络(5A)的导电轨道被定向成直角；

-使用光刻掩模和蚀刻来限定支撑臂(4)和所述探测器的膜或敏感部分的周边轮廓；

-以及最后，除去所述牺牲层以使所述膜或敏感部分被悬在衬底(1)的上方。

18.如权利要求17所述的用于制造测辐射热型红外探测器的方法，其特征在于，所述读出电路是在硅衬底上(1)制造的。

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