[实用新型]带自支撑框架的全镂空结构光调制热成像焦平面阵列

说明书

技术领域

本实用新型涉及用于获取并转换红外信号的传感元件，尤其涉及一种带自支撑框架的全镂空结构光调制热成像焦平面阵列。

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8-14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。

应用光调制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。

应用光学调制的FPA(焦平面阵列)通常采用的结构包括：带有衬底的牺牲层结构和无衬底的网格状全镂空结构两种，前者的结构在FPA的红外敏感区存在硅衬底，当器件工作时红外线先透过硅衬底才能照射到FPA上，红外线在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，这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；后者的结构在FPA的红外吸收区域采用了全镂空无硅衬底的结构，这样在FPA吸收红外辐射时就不存在硅衬底的反射，使红外辐射的利用率提高，但它的缺陷在于整个器件结构是由一张数千埃的薄膜支撑非常的脆弱，致使其生产成品率很低且易于破损。

由此可见，上述现有的用于获取并转换红外信号的传感元件在结构和使用上，存在灵敏度不高、易于破损的缺陷，亟待进一步改进。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术中存在的产品灵敏度不高、易于破损的缺陷，提供一种新型结构的带自支撑框架的全镂空结构光调制热成像焦平面阵列，所要解决的技术问题有去掉硅衬底，设置内框。

为了实现上述的目的，本实用新型是采用如下技术方案实现的；

本实用新型提供一种光调制热成像焦平面阵列，其特征在于包括阵列框架和微悬臂梁单元；

所述阵列框架由外框和内框构成，该内框为网格状，设置在所述的外框内，形成多个镂空单元；

每个镂空单元内设置一个微悬臂梁单元，该微悬臂梁单元与构成镂空结构的内框或外框相连接，所有的微悬臂梁单元与内框采用相同的材料且一体成型。

优选的，本实用新型中的微悬臂梁单元包括至少一组热变形结构和一组红外吸收结构，所述热变形结构包括至少一根隔离梁和至少一根形变梁，所述形变梁与红外吸收结构和隔离梁相连接，所述隔离梁与所述的阵列框架连接。

优选的，本实用新型的光调制热成像焦平面阵列，所述的阵列外框为单晶硅材料，其晶向为<100>、<110>、<111>。

优选的，本实用新型的光调制热成像焦平面阵列，所述的微悬臂梁单元的材料与内框的材料相同都为氧化硅或氮化硅或碳化硅。

优选的，本实用新型中形变梁上附着有0.1-1微米的金属薄膜。

优选的，本实用新型中红外吸收结构上附着有0.1-1微米的金属薄膜。

优选的，本实用新型中形变梁上和红外吸收结构上的金属薄膜的材料为铝、金、铬、钛、锡或铅。