[实用新型]用于光学读出热型红外辐射传感器的大尺寸微梁阵列

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于获取并转换物体红外辐射信号的传感元件，尤其涉及一种用于光学读出热型红外辐射传感器的大尺寸微梁阵列。 

背景技术

室温物体(≈300K)辐射的红外线峰值波段为8-14微米，针对这一波段的红外辐射探测器大致可分为两类：量子型和热型。 

量子型的红外辐射探测器需要使用液氮冷却装置将探测器的靶面冷却至低温(≈77K)，这使得探测器的体积庞大、价格昂贵、且维护困难，不利于民用和普及。 

热型红外辐射探测器不需要液氮冷却装置、体积小、成本低、且温度分辨率高(-50mK)，因此具有广泛的应用前景。目前市场上可用的热型红外辐射探测器主要通过电学方式读出探测器焦平面阵列(FPA)上感热单元的热电信号。由于电学读出方式需要在感热单元内布置金属导线并与基底连接，而金属导线同时也是优良的热导体，这不仅在感热单元内产生了附加的热噪声，而且降低了感热单元与基底的热隔离效果，使所探测的热电信号十分微弱，因此，要求微读出电路具有相当高的信噪比和很强的增益，使探测器的制作成本和工艺难度大幅度提高。 

随着MEMS工艺的发展，一种新型的基于微悬臂梁阵列的光学读出热型红外辐射探测器逐渐受到人们的青睐。它的感热单元是一种光-机械式的微悬臂梁单元(或简称微梁单元)，由热膨胀系数差异较大的两种材料构成。微梁单元将吸收的红外能量转化为微悬臂梁的热能，并引发微悬臂梁产生热致转角变形，然后通过光学方法非接触的检测出这种热致转角变形。由于光学读出方式无需微读出电路，因此，不会产生附加的热噪声，易于在感热单元和基底之间实现良好的热隔离，并且使制作超大阵列FPA更加容易。 

在结构设计上，上述热型红外辐射探测器都是利用牺牲层工艺制作站立在硅基底上的感热单元阵列，感热单元通过支撑腿与硅基底相连。由于硅基底的热容远大于感热单元，在热学模型上通常被考虑为恒温基底，各感热单元彼此独立、互不影响，其热转换效率[定义为红外目标单位温升引起的感热单元温升]随着感热单元像素尺寸的减小而迅速降低。并且，当探测器是基于光学读出原理时，红外辐射必需透过硅基底并到达微梁阵列后，才能被微梁单元吸收，这降低了红外辐射的吸收效率，损失了大约40％的红外能量。 

为此，本申请人在之前的实用新型专利里[公开号CN1556648、CN1760651、CN1893567、CN1970430]，提出了一种基于无基底微梁阵列的光学读出热型红外辐射探测器。所述微梁阵列采用无基底单层膜平面支撑结构，彻底消除了硅基底，通过纵梁和横梁以“井”字型交叉分布形成单元网格阵列。微梁单元采用顺序平铺的方式侧向生长在单元网格内，避免了红外辐射透过硅基底时的能量损失。微梁阵列的制作无需复杂的牺牲层工艺，解决了微梁单元与硅基底的粘黏失效问题，降低了工艺难度和制作成本，提高了微梁单元阵列的成品率。 

所述专利[公开号CN1556648、CN1760651、CN1893567、CN1970430]中，构成单元网格阵列的纵梁和横梁的梁宽W无尺寸限制，梁厚H为0.1-3微米，梁长L为毫米量级。微梁单元与支撑框架处于同一结构层。由于该支撑框架的热导和热容均较小，在热学模型上属于变温结构，因此，微梁单元彼此联系、互相抬高温升，其热转换效率大幅度提高(理论极限可达到11％)，具有优良的热学性能。但由于单元网格阵列的刚度较低，特别是沿Z向的刚度十分薄弱，基于所述单元网格阵列的微梁阵列在结构性能方面存在如下问题：一、微梁阵列的固有频率较低，特别当梁长L大于等于L₀时，其固有频率只有几十赫兹，这一频率与信号读出频率接近，造成附加的低频读出噪声；二、单元网格阵列受热后会产生Z向离面位移，造成附加的读出误差；三、单元网格阵列的结构稳定性差，导致微梁阵列的抗冲击、抗震性能较弱，一定程度上制约了它的应用范围。因此，需要在保持微梁阵列优良的热学性能的基础上，提高单元网格阵列的刚度，以增强微梁阵列的结构性能，从而实现大尺寸(1024×1024像素及以上，每像素单元的尺寸为10×10-100×100平方微米)的微梁阵列。 

实用新型内容

本实用新型是针对所述专利[公开号CN1556648、CN1760651、CN1893567、CN1970430]中，微梁阵列热学性能优良，但结构性能存在不足的问题，提出一种用于光学读出热型红外辐射传感器的大尺寸微梁阵列，其刚度大幅度提高，结构性能得到有效增强。 

本实用新型采用如下技术方案来解决其技术问题：