[发明专利]集成像元级聚光透镜的红外探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及红外探测器技术领域，尤其涉及一种集成像元级聚光透镜的红外探测器及其制备方法。 

背景技术

红外探测器技术（尤其是非制冷红外探测器技术）在过去的二十几年内得到飞速发展。一方面，非制冷焦平面技术由最初的中、小规模阵列，发展到大规模的640×480阵列，甚至是2048×1536规模的非制冷焦平面阵列。另一方面，像元尺寸也由50微米、35微米、25微米逐步缩小到17微米甚至以下。非制冷焦平面探测器凭借其体积小、成本低、可靠性好等优点，在工业、电力、医疗、消防等诸多关键领域得到广泛应用。随着电路水平及制造工艺的改进，非制冷焦平面的灵敏度逐步提高，也推动非制冷红外热成像技术在军事领域得到了成功应用，尤其在轻武器瞄具、驾驶员视力增强器、手持式便携热像仪等轻武器方面，非制冷热成像系统更具优势，有望在近年内逐步取代价格高、体积笨重的制冷型热成像系统。 

红外探测器一般分为制冷型和非制冷型。制冷型主要包括InSb、MCT、QWIP等类型。非制冷红外探测器一般是指热探测器，即通过探测红外辐射的热效应来工作。常用的红外热探测器包括热电堆、热释电、以及微测辐射热计。其中，采用微桥结构的微测辐射热计（Microbolometer）日渐成为绝对主流的非制冷红外焦平面探测器技术。微测辐射热计通过检测红外辐射热效应引起的热敏电阻的阻值变化而探测相应的辐射强度。入射到探测器光敏单元（像元）上的红外辐射被吸收后，引起像元温度的升高，这时像元的电阻值随着其温度升高而发生变化。通过检测像元电阻值的变化来进一步探测红外辐射信号的强弱。  

微测辐射热计的特点在于采用表面微加工工艺制作出悬空于CMOS读出电路（ROIC）衬底之上，以细长悬臂梁支撑的业界通称为微桥结构的像元。成千上万个相同的像元构成的二维阵列称为焦平面阵列。微桥结构的性能直接影响焦平面的灵敏度及成像效果，首先要具有良好的热绝缘性能，以利于把吸收的红外辐射最大化地转化为温度变化；其次，要求具有较低的热质量，以保证足够小的热时间常数和一定的成像频率；第三，要求具有较高的红外吸收效率。

像元的红外响应率与像元的红外吸收有效面积直接成正比，在像元尺寸逐渐缩小的趋势下，如何提高像元的红外吸收有效面积变得更加重要。一种方法是通过双层或多层微桥设计提高像元的填充因子以提高像元的红外吸收有效面积。另外一种方法是通过聚光透镜阵列来汇聚入射的红外辐射从而提高吸收效率。聚光透镜阵列在可见光图像传感器（CIS，CMOS Imaging Sensor）中已经批量应用。 

在红外焦平面探测器方面，专利US5701008公开了一种集成聚光透镜阵列的红外探测器。利用在硅片下表面制作聚光透镜并通过焊料与红外探测器芯片结合，聚光透镜阵列中的单个透镜单元与红外探测器中的单个像元一一对应，聚光透镜把入射红外辐射汇聚到对应的像元上，从而改善像元的红外吸收率。 

聚光透镜阵列主要对于超小像元（例如12微米像元）的探测器使用，而专利US5701008采用的芯片级键合的方式，由于键合工艺存在较大的对准误差，导致聚光透镜无法与下面的像元完全对准，必然影响透镜的汇聚效率，更严重的情况下将引起相邻像元间的串扰。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种集成像元级聚光透镜的红外探测器及其制备方法，它能够有效提高聚光透镜与像元之间的对准精度及红外探测器的集成度，减小红外探测器体积，降低制造成本。 

为了解决上述问题，本发明提供了一种集成像元级聚光透镜的红外探测器，包括衬底及多个设置在所述衬底上的红外探测器像元，还包括多个密封盖及多个聚光透镜，每一所述密封盖包围一红外探测器像元，形成一容纳所述红外探测器像元的密封腔，每一所述密封盖的顶部外表面设置一所述聚光透镜，以将红外辐射汇聚到每一所述红外探测器像元上。 

进一步，制作所述密封盖材料与制作所述聚光透镜的材料相同，以提高密封盖及聚光透镜对红外辐射的透射。 

进一步，所述聚光透镜与密封盖接触面的面积小于或者等于所述密封盖的顶部外表面的面积。 

进一步，所述衬底包括多个读出电路，每一所述读出电路与每一所述红外探测器像元电连接。 

进一步，所述集成像元级聚光透镜的红外探测器为微测辐射热计。 

进一步，所述聚光透镜采用多晶硅、非晶硅、碳化硅、锗材料中的一种制备。