TW200842330A - Detection beyond the standard radiation noise limit using reduced emissivity and optical cavity coupling - Google Patents

Description

200842330 九、發明說明·· 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於紅外偵測器及相關方法。特定而言，本發 明係關於在低於標準黑體輻射限制之雜訊基準之情形下起 作用之鬲靈敏度無冷卻熱偵測器。根據本發明之熱偵測器 包括基於微輻射熱計之偵測器以及鐵電、焦熱電及熱電摘 測器。本文所述技術在某些條件下亦可有益於基於光子（例 如，P-η接面及光電導體）之偵測器。 • 【先前技術】 熱偵測器包括一感測器，該感測器吸收光能且然後將所 得熱轉換為與所吸收光之量或類型有關的可用電信號。也 許當前最卓越的熱偵測器包括微輻射熱計，該等微輻射熱 - 計吸收跨越一寬頻帶紅外線（通常中波紅外線（MWIR，對應 於大概3微米至5微米波長）或長波紅外線（LWIR，大概8微米 至14微米））之光且然後將熱轉換為電阻改變。在市售無冷卻 • 成像照相機中此類裝置係極為流行。其基礎結構包括一藉 由細支撐樑連接至下伏基板之小型經微機械加工感測器 板該荨支撐標具有低熱傳導以便在小量所吸收光之情形 ' 下出現該感測器板之溫度之較大增加。該感測器板包括一 • 電阻器，该電阻器由一具有一高量值之電阻溫度係數（TCR) 之材料製成。在使用中一種常見TCR材料係氧化釩（其最初 在1980年代為微輻射熱計所研發）。將一脈衝或連續偏置電 流施加至該電阻器且可通過電壓響應量測所吸收光能。一 些其他常見熱偵測器技術包括：熱電偵測器，其中使用 126702.doc 200842330

Seebeck效應將來自光之熱轉換為電壓；及焦熱電偵測器， 其中來自所吸收光之熱經由鐵電材料之内部偏振之改變而 感應一電壓信號。

存在各種可限制熱彳貞測器之效能之雜訊源。對於一偏置 單像素偵測器而言，該等雜訊源中之最重要雜訊源包括 Johnson雜訊、Ι/f雜訊及熱雜訊。熱雜訊源自傳導至該偵測 器及自該偵測器所傳導之能量量子之波動。該等量子可採 用聲子（若固態傳導主導該熱傳遞）或光子（若輻射主導）之 形式。傳統上，輻射熱傳遞已慮及基本雜訊限制，此乃因 即使已藉由技術革新減低所有其他雜訊源，但該等光子波 動仍由於Planck定律而存在。 當前寬頻帶熱偵測器裝置正開始以其中必須慮及輻射雜 訊之方式實施。一此種實例顯示於美國專利公開案第 2002/0139933號及第2001/0028035號中，其闡述了一具有低 熱傳導支撐之微輻射熱計。在一個實施例中，作者建議選 擇一具有一較諸多其他材料為低之輻射發射之材料用於其 偵測益之背側。 該輻射限制較先月已慮及之輻射限制更為寬大。因輻射 熱傳遞直接地正關於發射率且發射率與透過心祕定 律的吸收相m及收結構較通f針對高吸收優化之 正常熱：測器遠為少地與背景輻射交互作用。對一业型摘 測器而言，此對改良效能沒有任何影響，Λ乃因所接收之 先域被減低相同量。若可將該信號光以近_。效率麵合 到該偵測器之該感測器’同時維持該背景之剩餘部分之低 126702.doc 200842330 吸收，則可將習用熱輻射雜訊減低多個數量級。 多數熱偵測器以寬頻帶運作。諸多當前裝置在其下之反 射器以允許透過該裝置所傳輸之光有另一次吸收的機會。 在此結構中該輻射熱計與基板之間之間隙大概係四分之一 • &長以增強跨-寬頻帶之耦合。在某種意義上，該整個輻 . 射熱計加上基板可視作一高吸收分佈式”鏡”。已建議各種 使用積體外部標準具之窄頻帶偵測胃，頒於c〇1_人之美 时利第7,〇15,457號及第5,55G，373號也許闡述了最先進之 乍頻f偵測器。頒於Lee等人之美國專利第5,629,521號闡述 了一種使用散射而非干涉以散佈不同波長之多光譜輻射熱 計概念。頒於Koskinen之美國專利第5,589,689號、頒於％ • 等人之美國專利公開案第2005/0017177號及頒於Talghader 等人之美國專利申請案第Π/805,240號中闡述了具有積體 濾波之偵測器。 【發明内容】 φ 本發明提供遂超出黑體輻射雜訊限制運行之高靈敏度熱 偵測器。根據本發明之熱侧器包含一（吸幻感測器，例如 (諸如）定位於一光學腔室内之微輻射熱計板。該光學腔室至 ’ 彡部分地由薄膜鏡結構界定。該感測器之吸收較佳地匹配 ， 該等腔至鏡之反射率，藉此優化輻射與該感測器之耦合。 較佳地，該等鏡之曲率亦經優化以最小化該感測器之面積 同時取大化由該感測器所收集之輻射量。共振輻射以高達 100°/。之效率與該感測器耦合，同時非共振輻射被反射走。 有利地’自側面（亦即，不在該光學腔室軸上）撞擊該感測器 126702.doc 200842330 之輻射僅最低限度地盥咭咸丨^ 感 父互作用，此乃因該感測 态之減低的吸收特性。根據本發办 ^ ^ 象本毛月之乍頻帶熱偵測器可獲 侍夕達100%的來自一個方 门及九β曰頻▼之信號，同時僅接 收一部分的源自全弁锬瓶册 王九π頻▼及方向的法線方向輻射雜訊。 根：本發明之熱偵測器具有一低於寬頻帶熱輻射限制之 '、訊土準。對於基於當前最新技術微輻射熱計之熱偵測器 而…目依於該摘測器之面積，熱輻射雜訊之典型雜訊功 率從數皮瓦至數十古^

_ 卞皮瓦不4。面積對面積，根據本發明之 基於微輕射熱計之埶福刺哭查4、 ^ ^ <…偵測器達成一杈最新技術偵測器為佳 之數量級之雜訊功率。 根據本發明之熱偵測器還較佳地利用超低熱傳導支撐結 構且提供大面積裝置或小型單像素之次輻射限制靈敏度。 在-個實施例中，較佳地使用包含—電介質結構層及導體 之t撐。在此項技術之當前狀態中’該等支撐可具有大約 ι:、/κ的熱傳導及大約10讀或更小的電阻。一般而言， 當使用相同材料時’愈高的熱傳導導致愈低的電阻。某些 較佳支撐材料包括低熱導率電介質，例如(諸如)二氧化矽及 諸如錄-鐵⑽Fe)磁性金屬合金。對於使用具有低Johnson及 Ι/f雜訊之連續偏置讀出及類似讀出之偵測器而言，低熱導 率支撐結構可用於達成超出標準黑體輻射限制之靈敏度。 然而，為使用脈衝偏置讀出獲得最大靈敏度的陣列相容小 像素，較佳地使用諸如使用熱控開關及/或介面接觸之彼等 支撐結構之更先進支撐結構。敏感讀出可使用光學構件， 即疋s兒藉由用一讀出光學探針追蹤腔室光學共振之光譜位 126702.doc 200842330 、所傳輸、所繞射圖案之 δ光學技術係更困難，但 雜訊之優點。 置或自該感測器所反射、所折射 空間位置。雖然對於成像陣列而 該等技術具有減低或消除電讀出 平乂狂 ，叫。b碍间膜，不僅出於發 射率原因，且亦為優化時間常數。Α 中双為在熱輻射限制内運作， 該熱傳導必須係極其低，此強迫兮 k孩4感測斋之時間常數為

不合意高值。為避開此情形’較佳地將感測器隔膜之厚度 減低至數十奈米或更少。以此方式，仍可達成典型訊框率 谓測。應注意’在諸如化學感測或天文學等某些可能庳用 中具有長時間常數未必係有害’故所需精確厚度將係所需 時間常數、感測器面積及所使用材料之一函數。 實例性感測器材料包含ν〇χΛ8ί〇2。ν〇χ係自至少⑼年代 中期已用於微ϋ射熱計中之工業標準微材料中之一者， 且因而具有良好表徵的高TCR響應di(^作—㈣止播 及結構材料。v〇x可經沈積以具有在該Lwmt的最小: =，且在10微米附近具有一強吸收之Si〇2可經沈積至一選 定的厚度以給出在彼波長附近之合意發射率。其他材料可 用於其他波長或用於波長可調裝置。舉例而言，若—可調 裝置係合意則-薄金屬可用於-吸收體中，此乃因與Si02 相比金屬通常具有—跨該LWIR4MWIR之更均句光譜吸收 且因此適當地耦合整個範圍之光學腔室共振。對於該等支 撐而Q具有低熱導率之材料及具有一高電對熱導率之比 例之導電層係較佳q靠材料包括三氧切作為該結構 支撐材料及經濺鍍NiFe作為該導體。 126702.doc 200842330 本發明亦提供（例如）用於以高靈敏度成像化學線之像素 冓該等像素結構具有一雜訊等效功率（NEp)，該雜訊等 力率幸又此項技術之基於微輕射熱計之偵測器之等效狀離 低至少—個數量級，此乃因藉由本發明偵測器所提供之: 輻射背景之減低的交互作用。 々另外’可藉由使用—控制該等鏡與感測器之相對間隔之 靜電激♦器使根據本發明之熱彳貞測器係可調。 u之自樣中，s供一種用於感測紅外線輕射 =熱偵測器。該熱偵測器包含：—共振光學腔室，其至少 刀地由第—及第二隔開的分層薄膜鏡結構界定；及一紅 外線感測态，其以操作方式定位於該第一及第二薄膜鏡結 狀間且藉由-個或多個導電支揮樑懸掛於該共振光學腔 至内以使藉由該共振光學腔室所接收的輻射碰撞該紅外感 測器之至少一表面部分。該光學腔室可包括複數個感測器' 在本發明之另-個態樣中，提供—種用於感測紅外線輕 射之熱镇測器。該㈣測器包含：_共振光學腔室，其至 夕邛刀地由第一及第二隔開的分層薄膜鏡結構界定；及一 紅外線感測器，其以操作方式定位於該第一及第二薄膜鏡 結構之間且藉由-個或多個導電支撐㈣掛於該共振光學 腔室内以使藉由該共振光學腔室所接收之輻射碰撞該紅外 線感測器之至少一部分且其中該紅外線感測器之該部分且 有一小於或等於25%之吸收。較佳地，在室溫下在約8微米 至約14微米之_内該紅外線感測器之該部分具有-小於 或等於25%之吸收。在更高背景溫度下此波長範圍將移向 1267D2.doc 10· 200842330 更短波長。 在本务明之另一悲樣中’提供一種感測紅外線輕射之方 法。該方法包含以下步驟：提供一至少部分地由第一及第 二隔開鏡結構所界定之共振光學腔室及一懸掛於該共振光 +腔至内之紅外線感測器；導致輕射進入該共振光學腔室 且與5亥紅外線感測器耦合；及量測藉由與該紅外線感測器 輕合之輻射所導致之該紅外線感測器之一改變。 在本發明之再一態樣中，提供一種製造一用於感測紅外 線輻射之熱偵測器之方法。該方法包含以下步驟：形成一 至少部分地由第一及第二隔開薄膜鏡結構界定之共振光學 腔室；將一紅外線感測器懸掛於該共振光學腔室内；及將 該紅外線感測器定位於該光學腔室内以使藉由該感測器吸 收之該光學腔室之該共振波長大於25〇/〇。 【實施方式】 下文所述之本發明之實施例並不意欲係排他性或將本發 明限疋於下述洋細說明中所揭示之精確形式。相反，該等 實施例經選擇及闡述以便熟習此項技術者可瞭解及理解本 發明之原理及實踐。 眾所周知輻射限制用以指示熱偵測器之最終效能。即使 所有其他雜訊源被消除或減低至可忽略位準，光子在該偵 測器（其環境）與該背景之間之傳導將導致所偵測功率之最 j波動口而本發明提供具有足夠低之發射率（吸收）之搞 測器以使該偵測器之一感測器部分僅微弱地與其環境交互 作用。通吊]也’此係不可接收，此乃因該感測器信號響應 126702.doc -11- 200842330 隨著雜訊一起減小。然而，若將該感測器安置於一經正確 地匹配之光學腔室内，則在一個方向及一個頻帶内之光將 100%或近100%地搞合至該偵測器。在該腔室軸之方向内之 其他波長之輻射將被該腔室駁回，且來自其他方向之任何 波長之幸昌射將僅微弱地與低吸收感測器元件交互作用。藉 由此類型之裝置，可將輻射雜訊限制降低兩個或更多個數 量級，從而使窄頻帶無冷卻偵測器之效能幾乎同最佳冷卻 窄頻帶銻化銦或碲鎘汞（MCT)光子偵測器之效能一樣。該 技術應用於固定波長及可調偵測器兩者。可調偵測器闡述 於頒於Talghader等人之美國專利申請案第1〇/805,24〇號（申 明於 2007 年 5 月 22 日’標題為"Tunable Finesse Infrared

Cavity Thermal Detectors”）中，該專利之整個揭示内容以引 用方式倂入本文中以用於其整個揭示内容及用於所有目 的。 超出該標準輻射雜訊限制之偵測可經擴展以在某種程度 上以更寬共振工作，然而，該頻帶愈寬則此製程變得效率 愈低。為達成寬響應，使該等鏡係較低反射性且該感測器 更具吸收性。此改變增加該感測器與該背景之交互作用且 減低該裝置之最終效能。在通常情形中，隨著人們嘗試覆 蓋整個MWIR或LWIR，該效能增強朝零降低。人們可整個 地移除一個鏡且使該感測器高度吸收以模擬常見於當前微 幸昌射熱計之其中來自該基板或其他層之反射用於將額外輻 射耦合至該感測器内之體系結構（例如，參閱美國專利第 5,〇21，663號及第5,286,976號及美國專利公開案第 126702.doc -12- 200842330 2002/0179837號）。該等裝置具有接近於習用黑體限制之輻 射雜訊。 人們热知.兩個隔開若干半波長之平行鏡將產生一在彼 波長處具有一透射峰之Fabry-Perot光學腔室。導致高透射 之相同干涉現象亦可用於將輻射耦合至該共振腔室内之一 吸收層。若將一微弱吸收層安置於一高精緻度腔室内之一 隶大場強度處’則共振輻射將被強烈地吸收，此乃因其使 諸多通路穿過該吸收體材料。非共振輻射被該腔室自身駁 回且很少與該吸收體交互作用。 如本文所使用，術語光學腔室通常係指共振Fabry_Per〇t 型干涉計，其包含至少第一及第二鏡結構及該等鏡結構之 間之區域。該等鏡及該等鏡之間之區域可包括除反射層之 外之吸收、相位調整、感測及/或其他層。該等鏡之間之區 域較佳地亦含有一真空，但可含有（例如）根據本發明之光子 偵測器中所使用之固態層。本文所述之光學腔室包含共振 光學腔室，亦即，該等光學腔室導致與相消干涉相反之相 長干涉在该光學腔室内共振。此意味該鏡結構之間之該光 學腔室間隔近似地係若干倍的該共振波長之半波長。 圖1不意性地顯示一根據本發明之實例性裝置i 〇，其具有 一Gaussian光學腔室12及一在第一及第二鏡結構（分別為16 及18)之間之中心吸收體14(感測器）。中心吸收體14藉由支 撐20定位於光學腔室12内。如圖所示，鏡16包含一曲面結 構且鏡18包含一平面結構。然而，可將包括曲面及平面鏡 …構之任何合意鏡結構用於鏡16及18。較佳地使用補充該 126702.doc -13- 200842330 中〜層之吸收之鏡反射率。隨著該感測器吸收降低，該等 鏡之反射率必須增加以保證達成該輻射之必需數量的通 路。因此，一較弱吸收體以及正確地設計之鏡意味一更明 顯之共振。 • 圖2顯示一用於同（例如）根據本發明之熱偵測器一同使 . 用之長波紅外線（LWIR)腔室之一實例性層結構。圖3中顯示 圖2之層結構之所模擬光譜。該等實例性鏡中所使用之材料 係鼠化鍺及锶，同時該中心層係經摻雜以達成近似為Ο·， 通路之合意吸收之硫化鋅。如此低之吸收係易於達成。人 們可選擇一吸收材料且使該材料極為薄或採用一透明材料 且將該材料摻雜雜質直至達成合意位準之吸收。作為一實 例，單層ZnS可用作根據本發明之感測器層，且起感測器、 吸收體及結構材料之作用。當然，該等功能可由多個層提 供。 一種在一於中波紅外線（3至5微米）或長波紅外線（8至μ # 微米）中通常係透明之半導體（例如，Ge或ZnS)中產生受控 吸收之途徑係將其摻雜。當已如此進行時，聲子可作為: 射紅外線光子肖自由载子之間交互作用之媒彳。因該製程 - 牵涉多個實體’故所得吸收係數不如頻帶-至·頻帶變換之係 &高，但此並非不合意或必'然。自由载子吸收具有-波長 相依性afree〜C，其中p通常在係在2與3之間，依據其聲學聲 子、光學聲子或#質之組合用作載子與光之間交互作用之 媒介。該波長相依性在跨LWIR(或娜叫之輕合方面產生 一頻移，但若該㈣經針對合意頻帶之巾心、優化則不根本 126702.doc -14- 200842330 性地改變效能。其他本質上吸收而無需摻雜之可用層包括 諸如鉻等薄金屬或諸如二氧化矽等電介質。 根據本發明，一具有一定位於其中之弱吸收層之光學腔 室可經設計以將處於某一波長之實質上1〇〇%的入射輻射 耦合至該吸收體。該腔室大體上駁回所有其他輻射。然而， 此僅係關於沿該光學腔室軸之方向之光。對於一熱偵測器 之效能而言，沿其他方向之輻射如何吸收亦係重要。對於 一 f/4系統而言此方向效應可提供效能增強之一約5之因 數，同時在一總計約1 〇〇之因數之情形下，對於一標準化學 線而言，光譜腔室特性（方向性及波長選擇性）提供一約2〇 之因數。因為可使該吸收層任意地弱（約i %或更少），自除 該腔室軸之外之其他方向入射於該吸收體上之任何輻射將 不具有該系統之任何額外往復行程，因此僅以極低的位準 吸收非軸向輻射。換言之，降低除特定方向及該光學腔室 針對没計之光譜頻帶之外之所有方向及波長之吸收。 一熱發射體之Stefan-Boltzmann輻射功率方程式係： prad = 2ΑεσΤ4 其中Α係一元件之面積（因數2包括頂及底），ε係發射率，〇 係Stefan-Boltzmann常數，且Τ係溫度。所輻射之功率直接 地正比例於發射率。因依據Kirchoff定律吸收率等於發射 率’故在所有波長下皆係透明之虛數物將不發射任何熱輕 射’而不管其係如何熱。在另一方面，一弱吸收材料將發 射某些熱輕射’且一強吸收材料將同一如圖6中所示具有 126702.doc •15- 200842330 s〜1之黑體一樣發射。根據Kirchoff定律，作為波長、偏振 或方向之一函數，一物體之吸收之任何變化亦將轉換為彼 物體之發射。故基本物理定律規定一僅於一個波長頻帶内 在一個方向範圍内吸收之系統將僅在相同頻帶及方向内發 射輻射。 低吸收及發射率之概念不僅僅係該感測器結構之一函 數，且亦係光學腔室及該感測器於該光學腔室内之位置之 一態樣。一簡明實例即可解釋此態樣。圖4顯示一具有包含 Ge/SrF2多層之鏡之Fabry_Per〇t腔室之層結構。該腔室針對 一接近10微米之共振設計，且該等鏡被分開一半波長。該 等鏡具有高反射率，但該底鏡反射率接近1〇〇%。該腔室之 中心層包括來自該等鏡之最内部高指數Ge層及低指數真空 (暫時忽略ZnS感測器層）。該光學腔室内之該共振波長之光 將在該光學腔室之該中心内（鏡結構之間之間隙）形成一具 有最大強度之駐波。該等中心層之低_高_低指數輪廓將在該 中心產生一最小強度。因此，該輻射將具有與該光學腔室 内居中之任何感測器之卓越耦合，且僅需要一低值的吸收 以在駁回非共振波長的同時將多數的該輻射耦合至該感測 器内。此藉由一由該感測器吸收之光比該偵測器系統之波 長之標繪圖圖解說明於圖5中。 然而，該駐波圖案在接近該等鏡處具有一最小值，因此 若該感測器與一如圖19中所示在其他方面類似之層結構一 起被放置在接近該等鏡處，該ZnS層必須具有一大得多的折 射指數之虛數部分以達成良好耦合。該光譜顯示於圖2〇 126702.doc -16- 200842330 中。當吸收層經安置而靠近一鏡時，—藉由本質上高度吸 收IR之材料（例如，Cr或Pd金屬）而非相當透明之半導體服 務之吸收層通常係較佳’此乃因難於或不可能足夠高地摻 雜該等材料以達成如此大的"k，，。在共振之情形下該輛合仍 接近100%，且在非共振之情形下，該吸收仍接近於零。藉 由正確支撐及項出设計’居中感測器及接近鏡安置之感測 器兩者皆可達成超過習用輻射限制之偵測。

為量化偵測器性能，需要考慮一熱偵測器中之雜訊。假 設-類似於圖!之彼光學腔室之光學腔室之中心板包括一 氧化饥（VOx)之電阻器層且藉由導電支撐連接至外界。雜訊 波動可/自數個源’該等源包—⑽雜訊、灣訊及熱 =訊（聲子及光子兩者）。⑽咖雜訊源自_電阻器中之電 何載子與來自熱發射分佈之超長波尾之光子之交互作用。 該Johnson rms電壓雜訊採用以下形式： '、、θ :、 Zmann系數’ τ係溫度，R係電阻，且B係該電 壓量測之帶寶。焱扁丨 γ/、一诣號，必須接收近似等於該雜訊 以之功率。此整理為—稱為雜訊等效功率（ΝΕΡ)之品質因 數’該雜訊等效功率定義如下： %, 其中Rv以v/W為單元 性頻率之料私* 偵測器響應性。對於一處於峰響應 、 W于熱計感測器而言，Rv=otVb/G，其中α係電阻 126702.doc -17· 200842330 溫度係數（TCR)，Vb係偏置電壓，且G係熱傳導。若吾人假 设一 α=0.〇2/Κ之典型丁CR，-R=25 之微輻射熱計電阻及 一在每一訊框期間應用250 之0·2 V之讀出偏置，則室溫 X Johnson雜訊限制 net係 〇·33 pW。 第一主要雜訊源係1/f雜訊。此雜訊之起因尚未良好理解 且通《在系統之間係不同。該1 rmS電壓雜訊採用以下形 式：

其中k係Ι/f雜訊參數，fi係一輻射熱計像素之再校準之間之 日守間（對應於一輻射熱計正在使用之模式所依據之開始時 1或截波日^間）’且G對應於該該電讀出之帶寬 (f2〜1/Mread)。在J〇hns〇n雜訊之先前表達式中，。所 有其他變量係與先前相同。為計算受Ι/f雜訊限制NEP，使 用先刚參數fl=：3() Hz，及ff4 kHz及Ι/f雜訊參數之一典型 V〇x 值（k=10 13)而獲得一 0.035 pW之 NEP 〇 最基本雜訊源係熱傳導雜訊。熱傳導雜訊源於至及自一 问度隔離感测器之熱傳遞之離散性。該離散性可起因於聲 子波動（若傳導熱傳遞主導該系統）或光子波動（若轄射熱傳 遞主導）。在任一情形中，該雜訊採用以下形式： NEP^g^^- 二中NEP係雜訊等效功率，G係熱傳導且c係該感測器之熱 谷。（假設一 Β = 1/4τ之微轄射熱計帶寬，其中T=c/G係該偵 126702.doc -18 - --- 200842330 測:板之時間常數）。輻射熱傳遞通常視為係輻射熱計效能 之取終限制。為評估一受輻射限制裝置之熱傳導，吾人將 Stefan B〇hZmann輻射功率定律方程式求微分且獲得：

Grad = 4(2Α)εσΤ3

若微輻射熱計感測器板之大小係10 0 μ m x 10 〇 μ m，Τ=3 ο ο 則Grad=l.5xl(r8 W/K。若降低該感測器板 Κ且發射率係i 之吸收以εκπ，則Grad〜1〇 熱傳遞將被來自該等熱支樓 W/K，一如此低之值使輻射 之傳導波動覆蓋。 該熱傳導可減低至之位準取決於該等支撐之電阻。舉例 而r對*電阻支撐而言可達成g〜1〇_9w/k。然而，在當前 ~部衣置中熱傳導未必需要如此低，此乃因諸如John議 4訊及該黑體輪射限制等其他雜訊源係過高而使如此低的 傳導無用。

假設G卿係約10-9魏，則-受熱傳導限制結構之雜訊等 效功率係赚=0.3 8 pW。求和來自f議及晴訊之 、、示成像之外之化學㉙測◎應用）’藉由使用高輕射熱計電 P可獲％*甚至更佳之效能。_25觀電阻允許該等支撐臂 中之大電阻，㈣使藉由#前材料及標準支射達成1().9魏。 貝獻’ NEP=G.5G PW。此效能之位準接近最佳冷卻MCT伯 測器之彼效能位準。若單像素而非—陣列係合意（例如，用 然而，犧牲了讀出速度。該裝置將需要在超過一整個訊框 (例如，f2〜6〇Hz且fl〜3〇Hz)讀出。在可藉由使更少功率耗 散於該裝置内增加偏置錢的同時該Johnson雜訊及1/f將 126702.doc -19· 200842330 係大約相同或更少，從而改良該NEP。 微輕射熱計之另一重要品質因數係偵測率D *，兑將變應、 性對該響應性對該感測器之面積及雜訊規範化。 D = ，其中a係該感測器在輻射下之有效面積

Vn/#係總雜訊電壓/單元頻率帶寬。 對於一受輻射限制熱偵測器而言，標準基本偵測率限制 藉由以下給出： 其中ε係發射率，Tl係感測器溫度，且A係背景溫度。然而， 此方程式假設發射率在方向及波長兩者方面皆係恆定。圖7 中係針對根據本發明之設計用於一較標準大氣壓變寬線 (Δν〜4 cm·1)稍大（Δν〜6 cnri)之波頻帶之裝置之模擬。於此， 已以在一 f /4透鏡方向上接近丨之發射率及一在其他方向上 低得多的發射率在立體角上對該黑體波動方程式求積分。 此對應於將一低吸收材料安置於一根據本發明之光學腔室 (其空間範圍匹配該透鏡之空間範圍）之情形。此外，該光學 腔室之光譜範圍進一步減低與背景之交互作用。在共振之 情形下，該光學腔室將接近1GG%的光耦合至該感測器内。 在非共振之情形下，該光學腔室將光駁回至背景且因 Kirchoff定律該等鏡自身提供極少的熱光至該感測器以使 -高反射率具有一極小的發射率。在數學上，“味人們 僅在該光學腔室之光譜共振頻帶上將pi_k定律（沿該光學 126702.doc -20- 200842330 腔室之方向）求積分。此導致一NEP表現為該光譜帶寬之平 方根。事實上，在窄共振之極限情形下人們將planck定律 乘以該腔室通頻帶吸收，此兩種方法給出類似結果。光譜 及二間效應之組合導致輻射雜訊驟降。圖7顯示一對於 LWIR中6 cm 1共振而言受輻射限制之超高靈敏度裝置之债 測率。一大氣壓線偵測器將具有一稍大的偵測率，此乃因 其減低的光譜寬度。 一次輻射限制感測器之NEP遠優於一具有一濾波器之正 常微輻射熱計之NEP，但其速度可係受限。一微輻射熱計 之時間常數係t=C/G，其中C係熱容，且G係熱傳導。因減 低該熱輻射限制減低了該熱傳導，故必須將該熱容減低以 將τ維持於一 3〇 Hz之正常訊框率。此可藉由減低該像素之 大小進行。因該波束需要完成該腔室之若干往復行程，若 該像素大小變得相當於一平行板腔室内之波長則可存在顯 著的繞射及耦合損耗。存在數種避開此問題之途徑。最簡 單的返杈係維持像素大小但將該輻射熱計隔膜（感測器）之 厚度減低至奈米級厚度。此需要控制薄膜應力但無需體系 、、口構之改麦。第一者係使用一經匹配以產生一覆蓋該輻射 熱片隔膜之光點大小之Gaussian光學腔室。該腔室聚焦該光 而該輕射熱计面積可顯著地變小。在此一設計中，將 發生繞射’但該腔室之該等鏡經定形（曲面）以匹配該經繞射 波陣面且朝該輕射熱計隔膜重定向該經繞射波陣面。此類 1之&至用於諸多雷射中以使波束大小匹配增益區域。該 等鎖1可勺4jl ' 匕枯應力定形鏡，可調鏡、經塗佈微透鏡或諸如此 126702.doc -21 - 200842330 類。避開繞射損耗之一第三種方法係改變該輻射熱計隔膜 以變成-亞波長光栅。此允許自該輻射熱計隔膜移除顯著 質量而無需減低該輻射熱計隔膜之面積及/或厚度。可以與 對反射或透射相同之方式針對一合意量之吸收改變亞波長 光柵之光學特性。

在根據本發明之感測器結構中可使用此等方法中之任一 者或某些組合。舉例而言，假設一經匹配室中之 10微米輻射熱計隔膜。若該板之厚度係50奈米，且該系統 係由諸如氮化矽等正常材料製成，則該熱容將大約係10-11J/K， 若將其同約1〇-9 W/K之G—起使用，則將維持一 τ=1〇 _之 時間常數。若該傾測器大小增加至35微米，則該板較佳地 將以某一途徑變薄或製成一光栅。 在微輻射熱4支撐中達成低熱傳導之—個困難係需要維 持同電傳^。對於遵循Wiedemann-Franz定律之導體而言， 高電傳導性σ及低熱傳導性κ難於同時達成且係有限。某^ 具有最咼σ/κ之比例之材料係熱電及諸如沁以等某些金屬 合金。在上文所述之雜訊計算中，—單像素輻㈣計之電 阻假設為係2.5 ΜΩ。在將觀察到信號之任何顯著損耗之 前，用於此一裝置之支樓將具有一上至約1〇〇kQ或更多/支 撐之電阻。假二氧切支揮以及-NiFe導體（使用該等 材料之相對標準值），_具有約〇 55哗2剖面面積之2醜長 樑將具有—5xl〇-i〇W/K之熱傳導。 在本發月之一較佳實施例中，跨整個訊框時間發生一電 (或光)讀出操作以最小化帶寬。若人們意欲在一單個訊框期 126702.doc -22- 200842330 間依序地讀出一陣列中之一整列或行（即是說，藉由使用脈 衝偏置），則超出標準限制之偵測變得更加困難。因該電帶 寬增加’故Johnson雜訊增加，且該NEP顯著地降級。為避 免此種情形，可使用一更小電阻板（即是說，約25 kQiRplate 以及Rsup〜1 之支撐），但對於現有材料而言，可達成之熱 傳導將受限於一大約10·8 W/K之值。存在數種避開此問題之 迷徑’一種技術係創建一僅在電讀出期間接觸該輻射熱計 之熱開關。在熱偵測器中針對截波及響應性控制已建議及 論證了熱開關。用以在一斷電循環期間閂鎖一電連接以熱 隔離之熱開關同熱電冷卻器一同使用。用以在一斷電循環 期間閃鎖一電連接以熱隔離之熱開關之使用可應用於微輻 射熱什。該等像素提供有額外引線、更高電壓及電壓控制 電路。使用一兩電壓階躍致動方法解決靜摩擦問題。 圖8中示意性地顯示一根據本發明之實例性熱偵測器 22。如圖所示，熱偵測器22包括第一鏡結構24、第二鏡結 構2 6及精由支撐標3 0及3 1支樓於光學腔室3 〇内之之感測器 、、、口構2 8。感測益結構2 8包括感測部分2 9及支撑結構3 〇及 3 1。弟一鏡結構2 6包括孔3 2，孔3 2允許傳入轄射穿過第二 鏡結構26且進入光學腔室30。 一用於製造熱偵測器22之實例性製程較佳地以三個基板 開始。習知半導體處理技術及MEMS製造技術可用於製造 根據本發明之熱偵測器。為製程簡單起見，圖解說明且闡 述一非單塊結構。在某些實施例中，可藉由堆疊更多電介 質消除該等晶圓中之一者或多者。因石夕之成本效率及廣泛 126702.doc -23- 200842330 使用而選擇其，但依據製程及波長考慮亦可使用諸如鍺或 石英等其他材料，中以剖視圖顯示—實例性感測器結構 Μ且圖1()中顯示一俯視圖。感測器結構⑽括感測器部分 29及支揮結構3G及31。感測器結構28包括第—電介質層 34、吸收層36、第二電介質層38、微(感測器)層4〇及基‘ 42。某些或所有該等層可被移除、組合(例如，—共用層用 於感測器及吸收’或電介質及吸收)，或添加(例如，可：一 保護電介質放置於該TCR材料上）。在此實例性製程中假設 在該裝置内該感測器及吸收體層係均句。然而，在某些替 代方案中，該感測器及吸收體可經圖案化，只要該組合感 測益/吸收體結構之組合發射率經特定地設計以小於標準 =體輻射限制且沿該光學信號之方向吸收輕合至該光:腔 室（同時最佳地在多數或所有其他方向不耗合）。在一個實施 例中該電介質材料係二氧化石夕，其亦起吸收體之作用， 同=忒TCR材料係氧化釩（ν〇χ)。已選擇ν〇χ，此乃因其係 w則工業標準，但可使用任一數量之其他材料。該 感測器經圖案化且然後支撐層經沈積及圖案化。該等支撐 經設計以具有極低熱傳導，且在所圖解說明之實施例中， 提供於層34上之二氧化矽之第一層44及沁以之第二層扑分 ^用作支撐樑3〇及3 1之結構層及導電層。圖解說明兩個支 撐樑，但可使用諸如一個（具有兩個沁卜線）或三個或四個 (其中一者或多者僅係Si〇2)等支撐樑中之任一者。 一旦完成該感測器及支撐，則藉由濕或乾蝕刻（例如，藉 由習知Bosch製程）蝕刻去在該裝置區域之下之該基板。 I26702.doc -24- 200842330 在此實施例中該基板之在該感測器之下之部分之移除防止 不必要的反射及矽吸收。若該製程需要蝕刻止擋或保護 層，則可將該等層添加至該1£沈積±。該B〇seh製程（例 如）可僅需要Si〇2電介質作為一蝕刻止播。 參照圖U，以分解圖顯示第二鏡結構26及感測器結構

基板50上之分佈式Bragg反射鏡（DBR)結構48。間隔物52經 圖案化以圍繞感測器結構28之裝置區域同時仍允許接入至 感測器結構28之電引線。DBR結構48可包括（例如）Ge&ZnS 之四分之一波長層。請注意，對某些裝置而言，可藉由使 用非四为之一波長層可獲得更佳光譜特性（例如，吸收比頻 率標繪圖之改良的對稱性）。使用多個半導體製程中之任一 者（例如，薄環氧樹脂）將間隔物52黏合至基板5〇。間隔物52 用於界定第二鏡結構26與該感測器之間之一合意距離。在 夕數h形中，該間隔用於幫助界定一總半波長或若干倍半 波長光學共振腔室。如上文所提及，較佳地藉由一濕或乾 蝕刻（例如，Bosch過程，其將需要一額外Si〇2蝕刻止擋層 及其隨後移除）移除在該裝置區域之下之該基板以消除基 板反射及吸收。 圖12中所不之第一鏡結構24亦較佳地塗佈有一 DBR 54或 類似南反射性塗層。在諸多情形中，第一鏡結構24之反射 性將經選擇以係接近1〇〇%以最小化損耗、最小化對除該信 遽之彼方向之方向的不必要的耦合，及擴展在可調裝置之 情形中之可用調諧帶寬。DBr 54較佳地經圖案化且圍繞其 126702.doc -25- 200842330 之基板區域被過蝕刻至一預定深度。第一鏡結構24然後可 插入至感測器結構28之下之相應區域56以使第一鏡結構24 及感測器結構28處於一良好界定之間隔。再次，此間隔較 佳地經選擇以界定該合意共振頻率（或在可調裝置之情形 中之開始共振頻率）之半波長或若干倍半波長之總腔室長 度（包括所有結構）。 在一熱偵測器中，該頂鏡及感測器層可經組合且仍具有 起過該輪射雜訊限制之效能。此需要針對與該裝置之面積 之黑體輻射限制相比為低之發射率特定地設計該吸收體及 感測器組合。此一體系結構闡述於頒於Talghader等人之美 國專利申请案第1 1/8 05，240號中，且除具有針對低得多的雜 訊所設計之支撐及讀出之外將類似於本文中所揭示之裝 置。然而，存在與此相關之效能態樣。第一，當與該吸收 體/感測器組合時该頂鏡之額外體積可增加該時間常數。用 以減輕此問題之方法（例如，藉由使用如美國專利申請案第 11/805,240號中所述之特殊金屬及電介質使該頂鏡變薄）可 導致欠佳的離軸及非共振吸收特性。第二，該兩層光學腔 室可允許更多來自除該光學軸之外之方向的光，從而可能 減低效率。儘管如此，仍可達成顯著NEP改良。 如先前所提及，依據該光學塗層設計，該感測器板自身 可安置於該光學腔室内之各個點處。舉例而言，若該感測 器在該兩個鏡之間係等距’則一輕度摻雜半導體層可良好 地作為該吸收體及/或TCR材料而工作。若該半導體板靠近 該等頂及底鏡，則一薄金屬層可良好地為優化耦合而工作。 126702.doc -26 - 200842330 尤其感興趣之情形係當該感測器接近該扁平底鏡且該腔 室具有-如圖13之熱制㈣中所示之曲面頂鏡時。㈣ 測器軸似於，中所示之熱偵測器22，且包括第一鏡結構 24、感測器結構28、第二鏡62及間隔_。第二鏡結構^ 可包含任何分層鏡結構，例如本文所述彼等分層鏡結構。 在此情形中，若第二鏡結構62之曲率經設定以同扁平第一 鏡結構24-起形成-半球腔室（亦即1二鏡結㈣之曲率 之半L匹配該第-與第—鏡結構（分別地為Μ及Μ)之間之 距離），則與否則對於扁平鏡腔室可能之情形相比，可以低 ㈣將光學裝置匹配於該光學腔室。在輸入信號之角度範圍 開始顯著地降級一感測器之光譜解析度之前，一感測光譜 寬度4 cm_i之標準大氣壓化學線之正常扁平_扁平鏡腔室^ 最佳使用一 f/4透鏡。藉由使該等射線透過該透鏡之角展度 (亦即，波陣面之形狀）匹配第二鏡結構62之曲率之半徑可顯 著地降低可用f/#及（因此）NEP。該感測器接近第一鏡結構Μ 之安置確保該腔室内之任一射線之總傳播距離接近相同。 更特定而言，該感測器自第一鏡結構24隔開一對應於一波 長之一小部分（例如，少於λ/10)之距離。曲面鏡、低f/#光學 裝置及適當感測器安置之使用允許該感測器與扁平_扁平 鏡腔室相比減低相對於共振波長之大小。 在圖14中示意性地顯示另一根據本發明之實例性熱偵測 器70。熱偵測器70包括第一及第二鏡結構（分別地為”及μ) 及感測器結構28。第一鏡結構72包含多層堆疊76及間隔物 80。第二鏡結構74包含多層堆疊82及間隔物％。除一增加 126702.doc •27- 200842330 的最小長度外，曲面-曲面腔室之效能相對類似於曲面.扁平 腔室’其可將其他共振引入至該等DBR鏡之光譜頻帶内。 此種鏡可用於簡化製造製程，此乃因頂及底鏡在光學及電 極結構方面可接近係相同且因而切割自相同晶圓。 根據本發明之熱偵測器亦可製成可調式。此可以諸多途 徑藉由諸多類型之微機械致動器完成，例如（諸如）壓電、靜 電及磁性致動器。一根據本發明之實例性基於靜電之熱摘 測器88顯示於圖15中且類似於圖13中所示之熱偵測器6〇。 圖16顯不偵測益8 8之一俯視圖且圖17顯示感測器结構2 $之 一俯視圖。該製程仍很大程度上相同但將包括用於圖案化 致動器及該頂鏡之支撐之額外步驟。提供於該等支撐上之 致動電極係可選。致動電壓V2可直接地應用於如圖所示之 感測器元件或獨立電極。若直接地應用於該TCR層及/或吸 收體層’則在應用電壓中需要慮及該讀出偏置。舉例而言， 若致動電壓（V1-V2)=(V3-V2)=20 V，但需要〇·〇2 V以偏置該 裝置以供讀出，則V2—側將設定為〇 ν且其他將設定為〇 〇2 V，同時VI及V3將設定為20 V。一般而言，電位差vレV2 及V3-V2不相同，且其量值及時序可經單獨地調整以維持最 佳光譜特性。亦可連續地或動態地（例如，定時步驟或脈衝） 應用該等致動電壓。在某些情形中，該等頂及底鏡及該感 測器中之層可用作致動電極。舉例而言，該等鏡中之面向 該間隙之表面Ge層及該感測器中之TCR層可用作致動電 才虽0 在多數情形中，較佳地電介質不出現於電極之間，乃因 126702.doc -28- '—~—. '—~—.200842330 此可導致不合意電介質裝料。該感測器結構之區域亦可具 有一在該電介質之下之金屬電極，其可直接地連接至該感 測1§頂致動電極。亦請注意，為讀出該偵測器，將需要跨 忒感測器之左及右電極安置一電位差。此可導致該偵測器 相對於該等頂及底鏡之位置之_微小傾斜。然而，相對於 «亥致動I壓該電位差將很可能係極小，且因此除在極高腔 室精緻度之情形下該傾斜將不影響光學效能。 I笞預，月、、工外線中之無冷卻熱裝置之多數偵測應用將超 出該輻射限制，但該概念可同樣地良好應用於紅外線中之 光子偵測1§。本發明跟不上減低熱背景與窄頻帶偵測器之 交互作用’因此任何受背景限制之偵測器皆可使用本文之 概念。在一光子偵測器中，人們通常將該偵測器冷卻至一 其中限制雜_熱背景之位準。若人們設計該m之電 子-電洞吸收區域具有一小吸收/通路且將此系統安置於腔 室中，則可減低背景限制。因此，為保持受背景限制效能， 人們將需要進一步冷卻該裝置以使該裝置雜訊低於新背景 限制在正❺環境中，此過程稍不同於一標準經冷屏及冷 過濾偵測器，但隨著可冷卻極小體積之微冷卻器之發展， 人們可遇到冷卻至遠低於周圍系統之溫度（或另一旋轉 為，以某些圖解加熱圍繞其之區域）之電子-電洞產生區域。 此類型之光子债測器肯定可受益於本文所述之技術。 圖18中示意性地顯示一根據本發明之實例性光子偵測器 9〇偵測器90包括具有第一鏡結構94及可選微冷卻器％之 基板92。有源區域98提供於第一鏡結構料上。有源區域％ 126702.doc -29- 200842330 包含其間具有介面區域104之η型層100及p型層1〇2。介面區 域包含一低帶隙吸收電子-電洞產生區域。光子偵測器9〇亦 包括第二鏡結構106及第一及第二觸點（108及11〇)。此實施 例中之感測器包括吸收電子·電洞產生區域1 。該光學腔 室包括鏡94與106之間之區域且包括鏡94及1〇6。光子偵測 器90以與一正常光子偵測器極為相同之方式運作，其中藉 由電子-電洞對產生區域104吸收紅外線光，但在此裝置 中，僅腔室共振光被顯著地吸收。在此裝置中，較佳地圍 • 繞該感測益之區域較周圍組件為冷且因而該腔室中一減低 的吸收導致一減低的輻射限制。可藉由在一個鏡與該裝置 之剩餘部分之間引入一間隙及電極而將光子偵測器9〇製成 可調式。 根據本發明之熱偵測器可用於（例如）化學感測裝置、工 業製程控制裝置、引擎監控裝置、排放物監控裝置、環境 監控裝置、溫度量測裝置、壓力量測裝置、爆炸物檢測裝 φ 置、成像裝置、醫學監控裝置中。此偵測器可（例如）該等系 統中之任何濾波器及紅外線偵測器、單色器及紅外線偵測 器或光栅/繞射結構及紅外線偵測器。該等應用之運作概念 • 係：正在讀取之發射/吸收光譜在其光譜強度方面具有可使 . 用根據本發明之偵測器量測且轉換成一相關信號之變化， 該信號闡述（例如）用以評估化學濃度、溫度或壓力之強度、 強度比例或線寬。 熟習此項技術者根據本文所揭示之說明書或本發明之實 鈿可易於瞭解本發明之其他實施例。熟習此項技術者在不 126702.doc -30 - 200842330 背離由隨附申請專利範圍所指示之本發明之範疇及精神之 情形下可對本文所述之原理及實施例做出各種刪節、修改 及改變。 參考文獻 下述參考文獻各自以引用方式倂入本文中以用於其整個 揭示内容及用於所有目的。

1. K. Lai and J.C· Campbell，"Design of a tunable GaAs/A 1 GaAs multiple-quantum-we 11 re sonant-cavity photodetector?,f IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 30，no· 1，pp· 108-14，1994. 2. M.S. Wu, E.C. Vail, G.S. Li, W. Yuen, and C.J. Chang-Hasnain, 11 Widely and continuously tunable micromachined resonant cavity detector with wavelength tracking，" IEEE Photonics Technology Letters^ vol. 8? no. 1, pp. 98-100, 1996. 3. Y. Wang，B.J. Potter，and J.J. Talghader，"Coupled absorption filters for thermal detectors，’’ Optics Letters, vol. 31, no. 13, pp. 1945-1947, July 15 2006. 4. Η.Y. Fan，"Effects of free carriers on the optical properties," in Semiconductors and Semimetals, vol· 35 ed. R.K. Willardson and A.C. Beer, pp. 405-419, 1967. 5. F.L. Pedrotti and L.S. Pedrotti, Introduction to Optics, Prentice Hall, p. 573, 1993. 126702.doc -31- 200842330 6. E. Palik, Handbook of Optical Constants, Academic Press, 1998· 7. J.I. Pankove，Optical Processes in Semiconductor^,

Dover，pp· 74-76，1971· 8. C. Kittel and H. Kroemer, Thermal Physics, 2nd Ed.? Freeman，1980·

9. R. A. Wood， ” Monolithic silicon microbolometer arrays，” in Semicondiictor and Semimetals, Eds. P.W. Kruse and D.D. Skatrud, vol. 47，pp. 43-121. 10. W. Liu and J. J. Talghader， M Current-control led curvature of coated micromirrors，" Optics Letters, vol. 28，no. 11，pp. 932-934，June 1, 2003. 11. K. Cao， W. Liu, and J. J. Talghader， "Curvature compensation in micromirrors with high reflectivity optical coatings，’’ IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 10, no. 3, pp. 409-417, September 2001. 12. S. Collin，F. Pardo, R. Teissier，and J.L. Pelouard， ’’Efficient light absorption in metal-semiconductor-metal nanostructures5M Applied Physics Letters, voL 85? no. 25 pp. 194-196, 2004. 13. C.1VL Hanson，D. Dudley，and J.E. Robinson, "Thermal imaging system with integrated thermal chopper,” U.S. Patent No. 5,486,698 (23 January 1996). 14. W.B. Song and J.L Talghader，’’Adjustable responsivity 126702.doc -32- 200842330 for thermal infrared detectors，’’ Applied Physics Letters^ vol. 81? pp, 550-552, 2002. 15. C. Hilbert, R. Nelson, J. Reed? B. Lunceford, A. Somadder，K. Hu，and U. Ghoshal, ’’Thermoelectric MEMS coolers,1* Proceedings of the International Conference on Thermoelectrics„ pp. 117-122, 1999. 16. T.S. Kim and H.C. Lee, "A highly sensitive bolometer

structure with an electrostatic-actuated signal bridge,” Transactions on Electron Devices，vol. 53，no. 9，pp. 2392-2400, 2006. 17. Y. Wang and J.J. Talghader，"Stiction-free soft landing for infrared thermal detectors,*1 Technical Digest of the 2006 IEEE/LEOS Optical MEMS Conference，Big Sky， MT，August 21-24，2006，pp· 60-61. 18. D. A. Czaplewski, H. Sumali, J. E. Massad, J. D. Kuppers，I. Reines, W. D. Cowan and C. P. Tigges, f,A soft-landing waveform for actuation of a single-pole single-throw Ohmic RF MEMS switch，’’ J·， Microelectromech Syst·，vol· 15，pp. 1586-1594，2006. 【圖式簡單說明】 倂入本說明書中並構成本說明書之一部分之隨附圖式圖 解說明了本發明之數個態樣，並與該等實施例之說明一起 用於解釋本發明之原理。該等圖式之簡要說明如下： 圖1係一根據本發明之具有一 Gaussian光學腔室及一中 126702.doc -33- 200842330 心吸收感測器之實例性超高靈敏度窄頻帶熱偵測器之—八 意圖。該感測器具有低發射率且因此最強地與處於該光= 腔室之頻率及方向内之輻射交互作用。 予 圖2係-顯示一用於一根據本發明之腔室增強吸收感測 器之實例性層結構及厚度之表格。 圖3係-顯示一根據本發明之次輻射限制偵測器共振光 學腔室之吸收比波長之曲線圖，該共振光學腔室具有一類

似於圖2之該表袼之該層結構之層結構。 圖4係-顯示-根據本發明之具有包含以/响之鏡結構 之共振光學腔室之層結構之表格。在此光學腔室結構中， 該感測器居中於該光學腔室内。 圖5係圖4之表袼之該共振光學腔室 線圖。 之吸收比波長之一 曲 圖6係自A體透明物體所得的發射率及吸收率之改變 之一概念圖。

圖7係—根據本發明之熱制器之债測率比波長之曲線 圖’該熱偵測器具有-在—針對1G微米優化之光學腔室内 之鉻吸收體層。 圖8係—根據本發明之實例性㈣測器之-示意圖。 圖9係圖8之熱偵測器之感測器結構之一示意圖。 圖10係圖8之熱偵測器之一俯視圖。 圖11係圖8之執偵測a 、 、 … 盗之一局邛分解圖，其顯示一鏡結構 及感測器結構。 圖12係圖8之熱偵測器之分解圖’其顯示第一及第二鏡結 126702.doc •34- 200842330 構及一感測器結構。 圖1 3係另一根據本發明眚 知月乏貫例性熱偵測器之一示意圖。 圖14係另一根據本發明夕者 令七月之κ例性熱偵測器之一示意圖。 圖15係另-根據本發明之實例性熱㈣器之—示意圖。 圖16係圖15之熱偵測器之一俯視圖。 圖17係圖15之熱j貞測器之感測器結構之一俯視圖。 圖18係一根據本發明之實例性光子偵測器之一示意圖。 圖19係一顯不一根據本發明之具有包含Ge/SrF2之鏡結 構之共振光學腔室之層結構之表格。在此光學腔室結構 中，該感測器未居中於該光學腔室内。 圖20係圖19之表格之該共振光學腔室之吸收比波長之一 曲線圖。 【主要元件符號說明】 10 裝置 12 Gaussian光學腔室 14 中心吸收體 16 第一鏡結構 18 第二鏡結構 20 支撐 22 熱偵測器 24 第一鏡結構 26 第二鏡結構 28 感測器結構 29 感測器部分 126702.doc -35- 200842330

30 光學腔室 31 支撐樑 32 孔 34 第一電介質層 36 吸收層 38 第二電介質層 40 TCR層 42 基板 44 第一層 46 第二層 48 分佈式Bragg反射鏡結構 50 基板 52 間隔物 54 DBR 56 相應區域 60 熱偵測器 62 弟一鏡 68 間隔物 70 熱偵測器 72 第一鏡結構 74 弟二鏡結構 76 堆疊 80 間隔物 82 堆疊 126702.doc •36- 200842330 86 間隔物 88 熱偵測器 90 光子偵測器 92 基板 94 第一鏡結構 96 微冷卻 98 有源區域 104 介面區域 106 第二鏡結構 108 第一觸點 110 第二觸點 126702.doc 37-

Claims (1)

1. 200842330 十、申請專利範圍·· ’該熱偵測器包含： 第一及第二隔開的 1. 一種用於感測紅外線輻射之熱该測器 一共振光學腔室，其至少部分地由 分層薄膜鏡結構界定；及 a 一紅外線感測器，其以操作方式定位於該第一及第二 薄膜鏡結構之間且藉由-個❹個導電支揮結構懸掛於 該共振光學腔㈣，以使得由該共振光學腔$所接收之 輻射碰撞於該紅外線感測器之至少一表面部分上。

   2· 如請求们之熱摘測器’其中該第一及第二薄膜鏡結構中 之至少一者包含一分佈式Bragg反射鏡。 3·如請求们之熱偵測器，其中該第一及第二薄膜鏡結構提 供一於該共振光學腔室内居中之持續最大值。 4·如請求項丨之熱偵測器，其中該第一及第二薄膜鏡結構中 之至少—者包含一在約3微米與約14微米之間居中之反 射率。

   5·如請求項丨之熱偵測器，其中該共振光學腔室提供一真空 以將該紅外線感測器與該第一及第二薄膜鏡結構熱隔 離。 …、 6·如請求項1之熱偵測器，其中該紅外線感測器包含一輻射 熱計。 7·如請求項6之熱偵測器，其中該輻射熱計包含一電連接至 該一個或多個導電支撐結構之薄膜溫度敏感電阻器。 8·如請求項7之熱偵測器，其中該薄膜溫度敏感電阻器包含 氧化釩、YBaCuO、多晶矽及鈦中之一者或多者。 126702.doc 200842330 9 ·如請求項β之執相、 .Λ , α …、偵測器，其中該輻射熱計包含一吸收層。 1〇·如請求項9之勒&、 、 …、摘測器，其中該吸收層包含一金屬、合 金 '電介質及t μ 、+蛉體中之一者或多者。 11 ·如請求項1之勒 、 …、偏測器，其中該一個或多個導電支撐結構 熱隔離該红外給^ 、 琛感測器且包含一低於約1 W/(Km2)之熱導/ 單位表面面積。 ,月求項1之熱偵測器，其可與一化學感測裝置、一工業

   ===制裝置、—引擎監控裝置、一排放物監控裝置、 衣k L控裝置、一溫度量測裝置、一壓力量測裝置、 -爆炸物偵測裝置、一成像裝置及一醫學監控裝置中之 一者或多者組合。 13. 種用於感測紅外線轄射之熱债測器，該熱積_器包含： 一共振光學腔室，其至少部分地由第一及第二隔開分 層溥膜鏡結構界定；及 一紅外線感測器，其以操作方式定位於該第一及第二 薄膜鏡結構之間且藉由一個或多個導電支撐結構懸掛於 該共振光學腔室内，以使得由該共振光學腔室所接收之 輻射碰撞於該紅外線感測器之至少一部分上，且其中該 紅外線感測器之該部分具有一小於或等於25%之吸收率。 14·如請求項丨3之熱偵測器，其中該紅外線感測器具有一小 於約10%之吸收率。 15.如請求項13之熱偵測器，其中該紅外線感測器包含一輻 射熱計。 16·如請求項13之熱偵測器，其中該一個或多個導電支撐結 126702.doc -2 - 200842330 構熱隔離該紅外線感測器 熱傳導。 且包含—低於約1 W/K/m2之 17. 如請求項13之熱偵測器’其中該紅外線感測器包含一具 有一小於約一百奈米厚度之隔膜。 18. 如請求項之㈣測器，其中該—個或多個導電支撑結 構包含一包含一絕緣層及一導電層之薄膜結構。 19. 一種感測紅外線輻射之方法，該方法進一步包含以下步 驟：

   提供一至少部分地由第一及第二隔開鏡薄膜結構所界 定之共振光學腔室及一懸掛於該共振光學腔室内之紅外 線感測器； 致使輻射進入該共振光學腔室且與該紅外線感測器耦 合，及 S測該紅外線感測器由與該紅外線感測器耦合的該輻 射所導致之一改變。 20.如請求項19之方法，其中該紅外線感測器包含一輻射熱 計。 21 ·如請求項19之方法，其中該量測該紅外線感測器之一改 變之步驟包括量測該紅外線感測器之至少一部分之電阻 之一改變。 22· —種製造一用於感測紅外線輻射之熱偵測器之方法，該 方法包含以下步驟： 形成一至少部分地由第一及第二隔開薄膜鏡結構所界 定之共振光學腔室； 126702.doc 200842330 將一紅外線感測器懸掛於該共振光學腔室内；及 將該紅外線感測器定位於該光學⑲室内以使得該感測 器對該光學腔室之該共振波長之吸收大於 23.如請求項22之方法，其包含在該共振光學腔室内提供一 真空。 24·如明求項22之$法，纟中該將―紅外線感測器㈣於該 共振光學腔室内之步驟包含形成—輻射熱計結構。 25·如明求項22之方法，其中該感測器對該光學腔室之該共 振波長之該吸收大於75%。

   126702.doc