[发明专利]光－机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器

说明书

技术领域

本发明涉及红外成像系统中非制冷红外焦平面阵列探测器技术领域，尤其涉及一种光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器。

背景技术

红外辐射探测装置用于将不可见的红外辐射转化为可见的图像。按照探测原理的不同，可以把传统的红外辐射探测装置大致分为两类：量子型的和热型的红外辐射探测器。

量子型的红外辐射探测器将红外光子的能量转化为电子的能量。由于8至14微米的红外光子的受激电子的能量和室温下电子热运动产生的能量相当，因此需要将探测器的温度维持在液氮温度(约77K)来抑制电子热运动，使量子型的红外辐射探测装置不仅笨重而且价格昂贵。

传统的热型红外辐射探测器吸收入射的红外光能量，使探测单元温度上升，再通过集成电路检测探测器的温升引发的热电效应，比如电阻率和电容的变化等，得到红外辐射的信息。传统的热型红外探测器中热电效应是用集成电路从每个探测器单元中读出的，由于电流输入会在探测器单元上产生附加的热量，所以这种方式难以准确地检测到入射的红外辐射。同时探测器单元与基底之间通过导热性能很好的金属导线相连，使得热隔离变得很困难，严重限制了温升性能。另外热电效应都极为微弱，为了探测信号，集成电路要有相当高的信噪比和很强的增益。这不仅增加了探测器和读出电路的设计难度，同时提高了热型的红外辐射探测装置的整机价格，不便于其广泛的运用。

应用光-机械原理的非制冷型红外探测焦平面阵列(FPA)大多采用双材料微悬臂梁热隔离结构。入射的红外光能被探测单元吸收后转化为悬臂梁的热能，引发双材料悬臂梁产生热致形变，从而使整个微悬臂梁结构产生形变，再通过光学读出系统，非接触的检测出形变，例如悬臂梁的挠度或转角等，就可以得到被测物体的热辐射信息。

这种热型的红外辐射探测器可以在不需要制冷的条件下工作，而且光学读出的方式不会在探测器上产生附加的热量，无需金属导线连接，更易于在探测单元与基底之间实现良好的热隔离。另外，探测器敏感单元和读出系统之间没有电的互连，也省去了读出电路的设计和制作，这就大大地降低了开发和制作成本。因此基于这种光-机械微悬臂梁单元的红外探测器，有望开发出更高性能和低成本的热型红外辐射探测装置。

应用光学读出的FPA(焦平面阵列)通常采用的包括带有牺牲层的多层双材料悬臂梁热隔离结构和镂空的单层双材料悬臂梁热隔离结构，前者需要保留图形区的硅衬底，这样当红外线经过硅衬底前后两个表面的时候，会发生反射现象，大约40％的红外线无法到达探测器件上，就使得红外线的吸收率严重下降，降低了探测器件的灵敏性；后者的图形区采用无硅衬底的结构，这样在探测红外辐射时不存在衬底的反射，使辐射的利用率很高，但它的缺陷由于热变形结构中的热隔离梁和变形梁位于同一平面，使象素面积偏大，结构利用率低，难以提高分辨率和清晰度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器，以克服图形区硅衬底对红外线反射的问题，提高探测灵敏度，解决器件象素面积偏大的问题，提高探测的分辨率和清晰度。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种光-机械式双层结构非制冷红外成像焦平面阵列探测器，该探测器由微悬臂梁单元采用相互覆盖平铺嵌套的方式构成，所述微悬臂梁单元包括红外吸收板1、热变形结构2和支撑梁3，所述热变形结构2与支撑梁3固定连接，所述红外吸收板1与热变形结构2位于不同的平面内且固定连接；每个微悬臂梁单元的红外吸收板1覆盖在另一个与之相邻的微悬臂梁单元的热变形结构2的上方，形成相互覆盖平铺嵌套的微悬臂梁单元阵列。

所述热变形结构2包括热隔离梁4和变形梁5，所述热隔离梁4和变形梁5相间回折连接，且分布于同一平面上。

所述热变形结构2通过两端的热隔离梁4与支撑梁3固定连接，所述红外吸收板1与热变形结构2中部的热隔离梁4通过锚爪6固定连接。

所述变形梁5采用双材料结构，在非金属薄膜上附着一层金属薄膜，两层材料厚度的比值接近两层材料杨氏模量的反比平方根值。

所述非金属薄膜为氮化硅SiN_x或二氧化硅薄膜，所述金属薄膜为金Au或铝Al薄膜。

所述热隔离梁4和变形梁5的厚度为0.3至2μm。

所述红外吸收板1的厚度为0.3至2μm，其光学检测面上进一步附着一层对红外有吸收作用的薄膜材料。