[发明专利]用于成像系统的无源检测器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年8月17日提交的序列号为61/524,669的美国临时专利申请的优先权，其公开内容通过引用合并于此。

技术领域

领域一般性地涉及用于成像系统的检测器结构，尤其涉及带有直接数字（direct-to-digital）测量数据输出的无源前端检测器结构，用于检测电磁频谱的各部分（例如，热（IR）、近IR、UV和可见光）中的入射光子辐射。

背景技术

通常利用MEMS技术构建红外光检测器。一种这样的光（IR光子）检测器包括带有电容器的MEMS结构和悬臂。所述电容器具有固定板和移动板。所述悬臂具有被固定到基底上的第一端和被固定到所述移动的电容器板的第二端。所述悬臂还包括响应于通过吸收红外光被加热而弯曲的双晶片（bimorph）部。所述双晶片部的弯曲使移动板位移，使得改变吸收器的移动板和固定板之间的距离。因此，红外光照射MEMS结构对该结构的电特性（即电容器的电容）产生可测量的改变。通过测量这种电容的变化，光检测器能够确定照射每个MEMS结构（即检测器的每个像素元件）的红外光的强度。

热辐射检测器的另一种常见类型是非制冷式微测辐射热计（un-cooled micro-bolometer）。一般而言，微测辐射热计包括薄膜吸收检测器和热隔离结构。由检测器吸收的入射辐射引起温度增加，温度增加进一步造成薄膜检测器的电导率的变化。该电导率用于确定入射辐射的强度。

包括悬臂和微测辐射热计型结构的检测器的主要局限性归因于读取由入射辐射引起的温度变化或电特性（例如，电阻、电容）改变所需要的电连接。而且，制造像素互连和读出电路的复杂性使得这些检测器结构的造价一直太高而无法用于许多应用中。此外，这些电互连损害像素和读出系统之间的热隔离，结果限制了检测器的热灵敏度。半导体和量子电子检测方法很容易受自身产生的和外部的噪声源的影响而降低系统灵敏度，并且需要复杂和昂贵的方法来缓解这些问题。

发明内容

本发明的示例性实施例包括用于成像系统的无源检测器结构，并且尤其包括带有直接数字测量数据输出的无动力的无源前端检测器结构，用于检测电磁频谱中的各部分（例如，热（IR）、近IR、UV和可见光）中的入射光子辐射。

例如，在本发明的一个示例性实施例中，光子检测器设备包括：基底、谐振器构件、无源检测器结构以及数字电路。所述谐振器构件被配置在所述基底上，并输出具有振荡频率的信号。所述无源检测器结构被配置在所述基底上并机械耦接到所述谐振器构件。所述无源检测器结构包括检测器构件，所述检测器构件响应于光子曝射而机械变形以将机械力施加到所述谐振器构件，并响应于所述机械力改变所述谐振器构件的振荡频率。在一些实施例中，所述检测器构件由一种或多种具有热膨胀系数的材料形成，使所述检测器构件通过热膨胀和收缩来机械变形。所述数字电路耦接到所述谐振器构件。所述数字电路工作例如通过以下步骤来工作：确定所述谐振器构件的振荡频率，并基于所确定的谐振器构件的振荡频率来确定由检测器构件吸收的入射光子能量的数量，其中所述谐振器构件的振荡频率由于由所述无源检测器结构施加到所述谐振器构件上的机械力而改变。

在另一个示例性实施例中，一种用于检测光子能量的方法包括：将无源检测器构件暴露于入射光子能量，以使所述检测器构件响应于光子曝射而机械变形，响应于所述无源检测器构件的机械变形将机械力施加到谐振器构件，确定所述谐振器构件的振荡频率（所述谐振器构件的振荡频率由于由所述无源检测器构件施加到所述谐振器构件上的机械力而改变），以及基于所确定的所述谐振器构件的振荡频率来确定由所述检测器构件吸收的入射光子能量的数量。在其它实施例中，所述方法还包括使用所确定的振荡频率来生成图像数据。由所述检测器构件吸收的入射光子能量的数量可以通过以下步骤来确定：在给定计数时间段对所述谐振器构件的输出信号中的数字脉冲的数目计数来生成计数数据；以及基于所述计数数据确定所述检测器构件的光子曝射的水平。

通过下列对其结合附图阅读的说明性实施例的详细描述，本发明的这些和其它示例性实施例将变得明显。

附图说明

图1是根据本发明示例性实施例的基于热膨胀系数（CTE）框架的光子检测器的立体图。

图2是根据本发明另一示例性实施例的基于CTE框架的光子检测器的俯视图。

图3是根据本发明另一示例性实施例的基于CTE框架的光子检测器的俯视图。