[发明专利]一种基于超表面的非制冷红外成像传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种基于超表面的非制冷红外成像传感器及其制备方法，属于非制冷红外探测器领域。

背景技术

非制冷红外探测器(uncooled infrared bolometer)除了在军事领域的应用外，在民用领域得到了广泛的应用，如消防、汽车辅助、森林防火、野外探测、环境保护等领域。

电磁超材料(Metamaterial)，简称超材料，是指一类具有天然材料所不具备的超常电磁性质的人工复合结构或复合材料；2001年，Walser第一次提出电磁超材料的概念利用超材料可以实现电磁波和光波性能的任意“剪裁”，从而可获得诸如完美透镜、隐身斗篷、电磁波完美吸收等特殊器件；如今，超材料已成为理论基础研究与技术应用研究共同关注的热点。根据有效媒介理论，超材料的特性可以通过关键物理尺寸的结构有序设计来调控；所以，通过调整其物理尺寸及材料参数，能够使超材料与入射电磁波的电磁分量产生耦合，从而使特定频带的入射电磁波的绝大部分(甚至100％)被吸收，由此获得特殊的超材料“完美吸收器”；自从N.I.Landy等人第一次实验验证了超材料完美吸波体后，超材料吸波体取得了快速的发展，工作波段逐渐从射频波段延伸到THz波段，红外甚至可见光波段。

传统的红外探测器为了实现宽波段的功能，一般采用调整谐振腔高度的办法(专利CN103759838 A)，通过该高度的调整，增强特定波段的吸收，从而实现宽波段吸收，但是该方法的工艺难度非常大，对于红外辐射吸收具有波段选择性。

传统的红外探测器在实现偏振功能时，一般使用外置的偏振片与光学镜头结合。该方法不仅增加了光路的设计难度，而且增加了产品的成本；

传统的红外探测器在实现多色功能时，一般使用的是多种不同高度的谐振腔组合，通过调整谐振腔的高度，增加特定的吸收谱段。该方法大大增加了工艺步骤，提升了工艺实现的难度，并且由于不同的谐振腔的高度控制非常难，所以在制备过程中非常容易导致产品不能达到理想的高度，也就不能实现目标波段的吸收，从而导致产品的失效率提升。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供一种附加热容低，制作工艺简单、且探测目标能力强的基于新型超表面非制冷红外成像传感器及其制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于超表面的非制冷红外成像传感器,包括双层非制冷红外探测器，所述双层非制冷红外探测器包括包含读出电路的半导体衬底和带微桥支撑结构的探测器本体，所述探测器本体包括第一层悬空结构和第二层悬空结构，所述第二层悬空结构设置在所述第一层悬空结构上，所述第一层悬空结构包括金属反射层、绝缘介质层、金属电极层、电极保护层、第一支撑层、热敏保护层和热敏层，所述第二层悬空结构包括超材料支撑层和设置在所述超材料支撑层上的超材料支撑保护层，在超材料支撑保护层上设有超材料结构，所述超材料结构采用NiCr或/和Al，其厚度在12～30nm之间。

本发明中传感器的有益效果：

(1)实现了超材料结构与双层非制冷红外探测器进行单片集成，可以根据实际需要，定制设计结构：由于超材料吸收电磁波主要是基于物理结构和材料参数的结合，所以可以通过设计不同的结构以及使用不同的材料与该结构结合，从而能够实现多种功能的吸收结构，例如宽波段、偏振、多色、窄谱等功能。该结构的制作完全与传统的CMOS工艺兼容，而不会增加工艺难度。并且该结构与红外探测器是一个完整的整体，大大简化了工艺流程，提升了生产效率；

(2)通过使用超材料结构与红外探测器结合，超材料吸收电磁波会增强红外探测器本身吸收的电磁波信号，两个信号是完全叠加在一起的，也就是说，通过超材料与红外探测器结合可以增加信号的强度，并且可以通过一个读出电路处理该信号，而不用增加额外的算法与电路，简化了后端的信号处理模块，节省了人力与成本。

(3)结合了超材料的双层非制冷红外探测器，附加热容低，能够实现多功能的红外探测器的单片集成，从而能够提升探测器的探测目标的能力。

进一步，所述半导体衬底上设有所述金属反射层和所述绝缘介质层，所述金属反射层包括若干个金属块；