[发明专利]迂回式红外传感器

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2012年8月31提交的美国临时申请61/695,361的优先权，其全部内容在此通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种传感器装置以及一种制造这样的装置的方法。

背景技术

根据熟知为普朗克辐射定律、史蒂芬-玻尔兹曼定律和维恩位移定律的定律，处于任何非零温度的物体辐射可描述为电磁波或光子的电磁能。维恩位移定律认为物体辐射的最长的波长(λ_max)与物体的温度大致成反比，大致描述为下述公式：

由此，对于具有接近室温的温度的物体，发出的电磁辐射的大部分位于红外区内。由于CO₂、H₂O以及其他气体和材料的存在，地球大气吸收具有特定波长的电磁辐射。然而，测量表明存在这样的“大气窗”，在所述“大气窗”处吸收是最少的。这样的“窗”的一个示例为8μm-12μm的波长区。另一个窗出现在3μm-5μm的波长范围处。通常而言，具有接近室温的温度的物体发出波长接近10μm的辐射。因此，由接近室温的物体发出的电磁辐射仅仅最少地被地球大气吸收。相应地，高于或低于周围室温的物体的存在的检测通过利用能够测量由这样的物体发出的电磁辐射的检测器被容易地实现。

电磁辐射检测器的一种常规应用是用于当人或车辆接近时自动通电的车库门灯。另一应用是热成像。在可能在用于驾驶员辅助的夜视系统中所使用的热成像中，来自场景的电磁辐射被聚焦到检测器阵列(array of detectors)上。热成像区别于以下技术：所述技术利用光电倍增器来放大已有的任何量的微弱可见光或利用近红外(～1μm波长)照明和近红外摄像机。

电磁辐射检测器的两种类型为“光子检测器”和“热检测器”。光子检测器通过利用所述光子来激发材料中的电荷载体从而检测入射光子。然后材料的激发通过电子的方式检测。热检测器也检测光子。然而，热检测器利用所述光子的能量来增加部件的温度。通过测量温度方面的变化，可以确定产生温度方面的变化的光子的强度。

在热检测器中，进入光子引起的温度变化可利用与温度相关的电阻器(热敏电阻)、热释电效应、热电效应、气体膨胀和其他方法来测量。热检测器的一个优点、特别是对于长波长红外检测的一个优点在于：热检测器不像光子检测器，热检测器无需低温冷却来实现可接受的水平的性能。

一种类型的热传感器被熟知为“辐射热测量计(bolometer)”。尽管“辐射热测量计”这一词的词源覆盖了任何用于测量辐射的装置，但辐射热测量计一般理解为依靠热敏电阻来检测长波长红外窗(8μm-12μm)中或中波长红外窗(3μm-5μm)中的辐射的热检测器。

辐射热测量计的灵敏度随着传感器相对于周围环境的更好的热隔离性、随着更高的红外吸收系数、随着更高的电阻温度系数、随着更高的电阻以及随着更高的偏置电流(bias current)而大体上增加。由此，由于辐射热测量计必须首先吸收入射电磁辐射以诱导温度方面的变化，所以辐射热测量计中的吸收体的效率与辐射热测量计的灵敏度和准确度相关。理想情况下，期望入射电磁辐射的接近100％的吸收。理论上，位于光学厚度d的电介质或真空间隙之上的、其薄片电阻(sheet resistance)(单位为：欧姆每平方米)等于自由空间的特性阻抗的金属膜对于波长4d的电磁辐射将具有100％的吸收系数。下述关系式为自由空间的特性阻抗(Y)的表达式：

其中，ε₀为真空介电常数，并且μ₀为真空磁导率。

自由空间的特性阻抗的数值接近377欧姆。所述间隙的光学长度定义为“nd”，其中，n为电介质、空气或真空的折射率。

在过去，微电机系统(MEMS)已经在各种应用中证实为有效的解决方案，这是由于MEMS装置所表现出的灵敏度、空间和时间分辨率以及低功率要求。一个这样的应用是作为辐射热测量计。已知的辐射热测量计使用用作吸收体和机械支承的支承材料。通常，支承材料为氮化硅。热敏膜形成在吸收体上以用作热敏电阻。具有所附的热敏电阻的吸收体结构通过具有高热阻的悬挂臂锚定在衬底上从而使入射电磁辐射产生传感器上的温度的大幅增加。