[发明专利]一种热成像传感器像素单元及其阵列

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种热成像传感器像素单元及其阵列。

背景技术

根据普朗克黑体辐射理论，任何温度高于绝对零度的物体都会发出与其特性相关的红外辐射，又称热辐射。物体的热辐射特性主要由物体的温度决定，温度越高，辐射强度越大，能量越高。能够进行红外辐射探测的传感器称为红外传感器或红外探测器，分为光子型红外传感器与测热型红外传感器两大类。光子型红外传感器利用半导体材料的光电效应，通过测量红外电磁波的光子所引起的探测器的电子状态改变而产生的光伏或光电导等现象实现红外测量。光子型红外传感器具有较高的探测灵敏度，噪声等效温度差(NETD)可以达到5～10mK的水平，但是存在着需要杜瓦或机械制冷、系统复杂、体积庞大、价格昂贵，以及信号处理电路集成困难、热应力导致的可靠性低等显著缺点。

测热型红外传感器如热成像传感器利用红外辐射引起的传感器自身温度升高而改变热敏感元件的物理性质实现热成像。由于红外辐射产生的热量及其引起的温度变化非常低，为了获得较高的灵敏度，必须抑制传感器吸收的热量向衬底和环境散失，因此传感器用热导率低的结构将其支撑悬空在衬底表面。近年来各种敏感材料和结构不断涌现，基于氧化钒、多晶硅(非晶硅)、热释电等材料的红外传感器开始商品化。热成像传感器无需制冷、成本低、体积小、重量轻、系统简单，易于维护和使用，但是热传感器的探测灵敏度通常比光子传感器低1个数量级，已商品化的热传感器的噪声等效温差一般为30～150mK左右。

通常的热成像传感器包括热吸收层和位于热吸收层上的温度敏感器件。常用的温度敏感器件为氧化钒或非晶硅(多晶硅)制成的电阻，以及红外热释电材料等。由于红外热辐射极度微弱，必须将热吸收层采用细长的支撑臂支撑悬空，以减少热辐射的热量向衬底的流失，尽量提高热辐射产生的温度变化，从而提高探测灵敏度。由于支撑臂占据了热吸收层所在的面积，导致热吸收层面积减小，使得灵敏度下降。另外，近年来焦平面阵列的规模不断增大，每个像素面积不断减小，而支撑臂不能同比例减小，进一步影响了探测灵敏度，也限制了阵列规模的继续扩大。

为了补偿支撑臂占用的面积，有些热成像传感器在热吸收层上方增加了一层热吸收层，采用一个支撑柱将热吸收层支撑起来，架在带有温度传感器的下层热吸收层上。这样上层热吸收层吸收的热量，通过支撑柱传递到温度传感器所在的下层热吸收层，改变温度的变化。因此，高性能红外热成像传感器结构带有两层结构和一个支撑柱，实现对热辐射的最大化吸收。但是这种结构也存在较为明显的缺点，主要是两层结构和支撑柱大幅度增加了系统的热容量，影响了热吸收导致的温度变化的幅度和系统的响应速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种热成像传感器像素单元，通过设置悬空的聚焦透镜以提高热吸收板的温度变化幅度，进而可以提高热辐射测温的灵敏度。

为此目的，本发明提出了一种热成像传感器像素单元，包括：

衬底、热量汇聚组件和热吸收组件；所述热吸收组件位于所述衬底和热量汇聚组件之间；

所述热量汇聚组件包括聚焦透镜；所述聚焦透镜内嵌在中空的框架内悬空架设在所述热吸收组件的上方；

所述热吸收组件包括热吸收板和位于所述热吸收板表面的温度传感器；所述热吸收板通过第一支撑架悬空架设在所述衬底的上方；

所述聚焦透镜用于将热辐射汇聚至所述热吸收板的表面。

优选的，该热成像传感器像素单元还包括：位于所述衬底和热吸收组件之间的热反射组件；

所述热反射组件包括位于所述衬底和热吸收板之间的热反射膜层；所述热反射膜层用于将透射所述热吸收板的热辐射反射至所述热吸收板。

优选的，所述聚焦透镜在所述热吸收板所在平面内的投影大于或等于所述热吸收板的面积；

所述热吸收板在所述热反射膜层所在平面内的投影小于或等于所述热反射膜层的面积。

优选的，所述热反射膜层与所述热吸收板之间的距离为2-4微米。

优选的，所述聚焦透镜为具有双面凸起结构的六边形的微凸透镜。

优选的，所述热吸收板与所述聚焦透镜之间的距离为a，2f≥a；

其中，f为所述聚焦透镜的焦距。

优选的，所述热吸收板与所述聚焦透镜之间的距离等于所述聚焦透镜的焦距。

优选的，所述第一支撑架包括绝热支撑臂和第一支撑柱；所述绝热支撑臂用于固定所述热吸收板，所述第一支撑柱通过支撑所述绝热支撑臂使所述热吸收板悬空架设在所述衬底的上方。