[发明专利]光学读出热型红外图像传感器中加强型红外吸收板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学读出热型红外图像传感器中的红外吸收板及其制备方法，更具体地说是基于微梁阵列的、单层膜结构的光学读出热型红外图像传感器中的红外吸收板及其制备方法。

背景技术

室温物体红外辐射的峰值波段为8-14微米，针对于这一波段的红外成像主要有量子型和热型成像装置。

量子型红外成像需要对探测器靶面进行制冷，附加的制冷设备使得整个装置体积笨重且价格昂贵，不利于民用化和大量普及。

热型成像装置不需要制冷装置，降低了体积，减少了成本，保持了高精度，有着广泛的应用前景。目前市场上使用的热型红外成像装置通过电学方式读出探测器阵列感热像素上的热电信号，获得红外图像。但是，由于所探测的热电信号很微弱，集成电路要有相当高的信噪比和很强的增益。由于感热像素与基底之间所使用的金属导线连接降低了感热像素的热阻，从而降低了探测时的温升，并且读出电流会在探测器上产生附加热量，结果降低了热成像的温度探测灵敏度。同时高难度的读出电路的设计和制作会使整个探测装置的成本很高。

而通过光学读出方法检测因吸收红外辐射产生的双材料微悬臂梁阵列变形不会在探测器上产生附加的热量，无需金属导线连接，更易于在探测单元与基底之间实现良好的热隔离。针对这种新颖的读出方法，国内外分别展开了大量的研究：

美国加州大学伯克利分校、美国橡树岭国家实验室和日本Nikon公司分别设计和制作了相类似的红外焦平面阵列(FPA)，它们的共同特征为基于光-机械式的双材料微悬臂梁，通过站立的锚脚悬空立于硅基底上嵌套而成阵列。FPA的微悬臂梁单元(或简称微梁单元)为红外辐射探测器的敏感单元，由热胀系数不同的两种材料组成双面结构，双材料梁在吸收入射红外辐射后温度升高，产生热致离面位移。再通过光学读出系统，检测出微梁单元中红外吸收板的离面位移，就可以得到被测物体的热辐射信息。由于这些结构中保留了硅基底，而可见光不能透过硅基底，因而只能从微梁单元的上面引入读出光，让红外线透过硅基底。但是，当红外线经过硅基底前后两个表面的时候，会发生反射现象，大约40％的红外线无法到达探测器件上，这使得红外线的吸收率严重下降，降低了探测器件的灵敏性。

本发明人在公开号为CN1556648的发明专利说明书中，公开了一种“光-机械式微梁阵列热型红外图像传感器”，如图1、图2所示，该技术方案中消除了硅基底，采用由支撑框架3侧向悬臂式支撑的无硅基底单层膜平面结构。微梁单元中包含热隔离梁1、热变形梁2和红外吸收板4，红外吸收板4是由金属镀层和红外吸收膜构成的双层结构，由热隔离梁1和热变形梁2构成折转式分布的热变形机构，所有构件位于同一层面上。热致变形量为被测微梁单元前端的红外吸收板4的转角变形。这种结构形式由于无硅基底，避免了红外线经过硅基底前后两个表面的情况发生，红外线可直接到达红外吸收板的表面，克服了红外线损失，显著提高了探测器件的灵敏性。但是，由于制作过程中产生的残余应力，红外吸收板4会产生弯曲，致使红外吸收板4的表面平整度受到影响，结果导致影响光学检测灵敏度。进一步的分析表明，红外吸收板4的弯曲主要是红外吸收膜和金属镀层的残余应力引起的。为此，在实际制作中，对热变形梁2采用厚的金属表层，而对于红外吸收板4采用薄的金属镀层。

为了进一步提高FPA性能要求，需要进一步减小红外吸收板的厚度。红外吸收板越薄，探测灵敏度越高、热响应时间越短。然而，针对公开号为CN1556648的无基底结构形式，在进一步减小红外吸收板厚度同时，一个重大的问题是，红外吸收板的变形将随之增大，严重影响了FPA性能的提高。显然，在这一技术方案中红外吸收板的厚度与平整度之间存在着矛盾。

此前，本发明人在公开号为：CN1970430的发明专利说明书中，进一步提出了利用双层共振腔来解决红外吸收板的变形所带来的影响FPA性能的问题，但是这一双层共振腔的结构形式过于复杂，制作时必须使用牺牲层及其释放工艺，而牺牲层释放工艺难度大，成品率极低，因此制作成本昂贵。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种光学读出热型红外图像传感器中加强型红外吸收板，以期通过较为简单的结构形式解决红外吸收板在厚度与平整度之间所存在着矛盾，从而更进一步提高FPA性能。

本发明同时提供光学读出热型红外图像传感器中加强型红外吸收板的制备工艺，以期通过较为简单的工艺进行加强型红外吸收板的实施。

本发明解决技术问题采用如下技术方案。