[发明专利]一种基于MEMS技术的全波段红外焦平面阵列

说明书

技术领域

本发明属于红外探测和微电子机械系统技术领域，涉及红外焦平面阵列的设计和制备方法，特别是涉及一种基于MEMS技术的透明衬底的全波段红外焦平面阵列的设计和制备方法。

背景技术

红外探测器是一种探测目标的红外辐射并将红外辐射转化为可检测量的设备。在民用领域，红外热成像系统可制造汽车夜视仪、进行无损检测等；在军事领域，它可以突破黑夜的障碍，实施夜间作战，大幅度提高武器系统的作战能力。二战时期开始出现了现代的红外探测技术，光子技术与半导体材料技术的结合以及集成电路的发展和军事需求的刺激作用，使得上世纪红外探测器在短时间内得到了快速发展。

传统红外探测器分为热探测器和光子型红外探测器。热探测器的基本原理是吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化、自发极化强度变化、或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。光子型探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变从而引起内光电效应和外光电效应等光子效应，从光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。

近年来，微悬臂梁式非制冷红外探测器得到了广泛重视，这种探测器的核心器件是由多个双材料微悬臂梁像元组成的焦平面阵列。利用金属材料和半导体材料的热膨胀系数相差很大的特性，当焦平面阵列吸收红外辐射产生温度变化时，双材料微悬臂梁像元由于两种材料热膨胀系数的差别，会响应不同温升产生不同的热致形变，光学或电学方法读出焦平面阵列像元的形变量，即可实现红外探测。这类红外探测器具有更高的灵敏度和分辨率，以及更快的响应速度，而制备成本却更为低廉，体积、功耗更小。

微悬臂梁式非制冷红外探测器一般由自身对红外辐射吸收率较高的材料制成，是运用材料自身吸收能力的一种机制，但也受限于材料自身属性，吸收频率较为单一，吸收率也不是十分理想。随着近年来超材料结构的发展，将超材料应用于红外探测领域成为一种可能。超材料结构并非一种单一材料，而是将多种材料多种结构组合形成的特殊结构，可以通过结构调整进行全波段的吸收并提高吸收率。将超材料结构应用于红外探测器，就可以不再受材料自身属性制约，可对全波段的红外辐射进行探测，拓展红外探测器的应用领域。

目前的微悬臂梁式非制冷红外探测器是将微悬臂梁像元阵列制备在硅衬底上，红外辐射由衬底方向入射，微悬臂梁一侧进行光学读出。红外辐射通过衬底面入射的红外焦平面阵列一是衬底要损耗部分红外能量，使得探测器的灵敏度降低。另外，目前的微悬臂梁式焦平面阵列均采用薄介质层或金属层作为红外吸收层，工作在8-14μm的长波红外波段，不能进行其他波段的选择性探测。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于MEMS技术的全波段红外焦平面阵列。本发明提供的全波段红外焦平面阵列由微悬臂梁像元阵列和支撑微悬臂梁像元阵列的衬底组成，其中微悬臂梁像元由红外敏感面和微悬臂梁支腿组成，红外敏感面包括主结构层、红外吸收结构层和光学反射镜面。为了实现全波段探测，本发明在红外敏感面上设计超材料结构，通过改变周期性谐振结构形状和尺寸来实现不同红外频段的共振吸收。为了消除硅衬底引起的能量损失，本发明采用正面红外光入射、衬底面可见光读出的方式，衬底可采用透明的玻璃、石英圆片材料，这样红外辐射不再经由硅衬底，大大提高了探测器的灵敏度。另外，如果应用传统的在硅衬底上制备微悬臂梁阵列，在红外吸收结构层上制备超材料结构后，会影响反射镜面的平整度，从而影响光学读出。本发明的制备工艺是先制备反射镜面，最后制备超材料结构中的周期性谐振结构，保证了镜面的平整度和光学读出的精准度。

本发明提供的红外焦平面阵列可进行全波段红外探测和成像，工作在非制冷环境下，可采用简单的聚酰亚胺牺牲层工艺制造。当红外光辐射到红外焦平面阵列时，设计在红外敏感面上的红外吸收结构将吸收的能量转换成热能，使微悬臂梁像元发生偏转，光学检测系统通过透明衬底读出微悬臂梁像元阵列的形变量和分布，最终通过数据图像处理模块以光强图像的方式将被测物体的红外图像显示出来。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种MEMS全波段红外探测焦平面阵列，它包括有多个微悬臂梁像元和支撑多个微悬臂梁像元的衬底。所述支撑多个微悬臂梁像元的衬底是玻璃、石英片等透明材料，所述衬底材料对可见光有高透射率，从而可以从衬底侧进行光学读出，红外辐射从悬臂梁侧入射。本发明采用透明衬底作为光学读出面，这样使红外辐射不经过衬底直接辐射到红外敏感面，可消除红外辐射从衬底侧入射导致的硅衬底对红外辐射的吸收，提高红外焦平面阵列的灵敏度。