[发明专利]一种光学读出红外传感器及其制备方法

说明书

本发明属于传感器领域，尤其涉及一种光学读出红外传感器及其制备方法。本发明提供的光学读出红外传感器包括：硅基底；固定在硅基底上的微悬臂梁单元阵列；微悬臂梁单元阵列由若干个微悬臂梁单元组成，每个所述微悬臂梁单元均包括支撑腿、隔热梁、双材料变形梁和吸热反光板；所述双材料变形梁和吸热反光板均由复合到一起的碳纳米管膜层和金膜层组成。本发明利用碳纳米管在室温下的轴向热膨胀系数约为‑11×10^‑6K^‑1，以及碳纳米管对8～14μm波段的红外光有接近黑体的吸收率等特性，与金结合应用于双材料悬臂梁结构时，可以提高辐射热转换效率和热制变形量，从而提高探测灵敏度。而且碳纳米管的密度和比热较小，可以缩短响应时间。

技术领域

本发明属于传感器领域，尤其涉及一种光学读出红外传感器及其制备方法。

背景技术

室温下物体辐射的红外波长在8～14μm范围内，红外传感器可以获取物体的辐射能并转换成可见的图像。在红外成像技术中，起关键作用的部件是焦平面阵列FPA(focus-plane array)，发展高温度灵敏性和空间分辨率的FPA是推动红外成像技术发展的重要因素。

红外成像技术主要分为光量子型(制冷型)和热型(非制冷型)两大类。基于光电效应的致冷型红外成像装置中，探测器靶面温度必须冷却到低温(约77K)，其噪声等效温度差(NETD)能达到0.01K，响应速度可到毫秒或亚毫秒级。然而，体积庞大、成本过高，设备运行维护复杂等因素使它难于普及。非制冷红外成像技术的原理是FPA面上探测单元将红外辐射转变为其自身热能，而温度变化引起FPA探测单元可测物理参量的变化，再通过检测单元阵列上的这些参量变化获得物体红外热像。传统的FPA单元采用高信噪比的微集成阵列电路，检测微梁感热单元的热电信号。但是辐射热转换效率典型值为1％K^-1，材料的热致电导率变化的值约为2％K^-1，要想获得100mK的温度分辨率，能读出的阻抗变化值将会十分微小，这对电路的放大倍数与噪声控制提出了很高的要求，成本会大大的提高。

加州大学伯克利分校赵旸等人提出一种不同于电学参量读出FPA的方法。这种方法基于双层材料微悬臂梁阵列受热变形，利用光学方法检测出微悬臂梁阵列的热变形分布，从而获得物体的红外成像，也属于非制冷型红外成像技术的范畴。由于该技术中，FPA上的每一个感热单元不需要微集成电路，在无金属引线的情况下，绝热效果得到提高。同时单元阵列的制备工艺得到简化，在缩小单元尺寸、增多像素点的同时，成本也能得到有效的控制。赵旸等人研究的微梁双层材料选用金+氮化硅的方式来实现，应用该项技术制备的探测器的探测灵敏度和响应时间还有待进一步提高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光学读出红外传感器及其制备方法，本发明提供的光学读出红外传感器具有较高的探测灵敏度和较快的响应时间。

本发明提供了一种光学读出红外传感器，包括：

硅基底；

固定在所述硅基底上的微悬臂梁单元阵列；

所述微悬臂梁单元阵列由若干个微悬臂梁单元组成，每个所述微悬臂梁单元均包括支撑腿、隔热梁、双材料变形梁和吸热反光板；其中，所述支撑腿的第一端固定在所述硅基底上，所述支撑腿的第二端与所述隔热梁的第一端相连接，所述隔热梁的第二端与所述双材料变形梁的第一端相连，所述双材料变形梁的第二端与所述吸热反光板连接在一起；

所述双材料变形梁和吸热反光板均由复合到一起的碳纳米管膜层和金膜层组成；其中，朝向所述硅基底的一侧为碳纳米管膜层，背向所述硅基底的一侧为金膜层；所述碳纳米管膜层由定向且顺排的碳纳米管构成。