[发明专利]测辐射热仪和制造测辐射热仪的方法

说明书

技术领域

本发明涉及测辐射热仪和制造测辐射热仪的方法，并且特别涉及一种可缩放的微型测辐射热仪结构。 

背景技术

测辐射热仪是用于测量特定波长范围(大概3-15μm)的电磁辐射强度的装置。它包括将电磁辐射转化热的吸收器和用于测量温度的增加的装置。依赖于材料的热容量，在吸收的辐射量和所导致的温度的增加之间存在直接的联系。因此，温度的增加可用作入射辐射强度的量度标准。最感兴趣的是用于测量红外辐射的测辐射热仪，其中红外辐射是大多数测辐射热仪具有最高敏感水平的地方。 

在技术上，测辐射热仪可用作红外传感器、夜视装置或热成像相机的成像装置。 

用作红外传感器的测辐射热仪包括以热绝缘方式设置在该传感器内部的薄层，例如像隔膜一样被悬挂着。红外辐射在该隔膜内被吸收，结果该隔膜的温度增加。如果该隔膜由金属或较佳地由半导体材料组成，电阻将依赖于温度的增加和所使用材料的阻抗的温度系数而改变。可在论文R.A.Wood：“单片硅微型测辐射热仪阵列(Monolithic siliconmicrobolometer arrays)”，Semiconductor Semimetals，vo1.47，pp.43-121，1997中发现关于各种材料的典型值。作为选择，该隔膜是绝缘体(氧化硅或氮化硅)，在该绝缘体之上电阻器已经被沉积为另一薄层。在其它工具中，绝缘层和吸收层还设置到该电阻层。 

金属层电阻的温度相关性是线性的，用作电阻材料的半导体具有指数相关性。高度相关性也希望来自作为热检测仪的二极管，其电流/电压特性满足 

I_D＝I₀*(Exp{eU_D/kT}-1) 

其中T是温度，k是波尔兹曼常数，e是元电荷，I_D和U_D表示二极管中的电流密度和电压，且I₀是独立于该电压的常数。 

测辐射热仪可用作单独的传感器，但也可设计为行或2D阵列。如今代表性地是，在表面微机械中采用微系统工程方法在硅衬底上制造行或阵列。这样的阵列称为微型测辐射热仪阵列。 

将被检测的红外辐射的首选波长约8-14μm，因为这个波长范围包括具有近似室温(300K)的物质的辐射。由于渗透性大气窗口，3-5μm的波长范围也是感兴趣的。 

相对与其它(光子学)IR检测仪(IR＝红外)，热测辐射热仪的本质优点是它们在室温是可操作的，即不被冷却。 

进一步的发展目标是在一个阵列内设置尽可能多的测辐射热仪单元(像素)。因此，在相同的阵列整体面积(芯片面积)处，该阵列将具有较高数目的像素，且提供较好的图像分辨率。例如，160x120像素的配置是常用的，也可采用320x240的配置，640x480像素(VGA分辨率)已经被公布并将很快能够应用，但是只不过需要相当大的附加费用。同时，有用的是，最小化阵列的费用以打开如汽车领域等新的市场。 

阵列内的单个像素的通常的尺寸包括35x35μm²至50x50μm²的像素面积。因此对于320x240像素，芯片面积至少为12.2x8.4mm²＝94mm²(单独的像素面积)加上用于读出电路的面积(如，每边缘额外的2mm)，总共约137mm²。由于良率(好的芯片的数目相对于盘或晶片上的整个数目)随着芯片面积的增加而急剧下降，这样的阵列的经济生产几乎是不可能的。因此，像素数目的增加会带来像素面积的降低。如今在商业上，已经使用35x35μm²的IR成像装置一段时间了。如在论文 http://www-leti.cea.fr/commun/AR-2005/pdf/t7-2-Mottin.pdf中描述的，目前正在开发25x25μm²的阵列。然而，即使这个已经缩放的表面面积仍然导致无法接受的大的芯片面积(估计约250mm²)和成像显示VGA分辨率。因此像素面积的进一步缩放是绝对必要的。所瞄准的是具有约15x15μm²面积的像素。尺寸的进一步降低将与这样的事实相冲突，在这种情况中所采用的光学系统具有很高的质量，其又将导致很高的费用。