[实用新型]一种非制冷式红外焦平面阵列探测器

说明书

技术领域

本实用新型涉及用于红外成像系统技术领域中的一种非制冷式红外焦平面阵列探测器，针对的红外辐射波长范围是8～14μm。 

背景技术

根据普朗克黑体辐射定律，任何物体在绝度零度以上都会向外界发射红外电磁热辐射，这种辐射的光波范围约是0.8～1000μm，并不能为人眼所直接看见。在常温下(300K)，黑体辐射的发射谱中心波长正好在10μm波段附近；并且人体以及环境中温度相近的其它物体所发射的红外热辐射，38％的能量集中在波长8～14μm范围内，因此，该波段更适合强烈阳光、漆黑夜晚或者恶劣天气下的探测需要。 

能够探测红外光波的红外辐射探测器，按探测原理分为光子型和热敏型探测器。光子型需要工作在液氦(约77K)制冷的环境中，而热敏型探测器通常工作在常温下，是种“非制冷式”探测器，多个该种探测器单元以二维阵列的形式排列在芯片基底上，并将芯片置于红外辐射成像系统聚焦透镜的焦平面上时，则构成了非制冷式红外焦平面阵列探测器(IRFPA)。 

这种非制冷式红外探测器(IRFPA)通常包括： 

-用于吸收红外辐射并将其转化为热的装置； 

-将该探测器对于基底热绝缘并以便探测器在红外热辐射的作用下可以实现温升的装置； 

-热敏感装置，是在红外辐射的加热作用下，电阻或者电阻率随温度变化的电阻部件； 

-以及读取热敏感电阻变化的电路装置。 

对于红外焦平面阵列探测器，电路装置通常集成在基底上，是利用标准的半导体工艺制造。该电路是一种能够施加电信号激励把探测器各个单元的电阻变化转化为电信号(电流或者电压)、并对二维探测器阵列实现顺序寻址CMOS读出集成电路，该读出电路还能够对探测器单元(Pixel)的电信号进行预处理，例如进行增益放大、非均匀校正(NUC)等处理。 

在本实用新型中，非制冷式红外探测器的立体结构示意图如1所示，主要用于吸收红外辐射能量的是位于桥面10上的金属吸收层12，材料是氮化钛或者镍铬合金等。根据电磁波传输理论，当该金属吸收层12的薄膜 方块电阻(Sheet Resistance)等于自由空间阻抗(Free Space Impedance)达到377Ω/sq时，入射的红外辐射能量50％被吸收，另外50％被透射。通过采取多个红外吸收途径，可以将吸收率提高到50％以上，例如在探测器的基底50表面上加上一层红外反射薄膜51，所谓的真空间隙层40就变为了光学真空谐振腔。另外，光学真空谐振腔对红外波长对光波还具有λ/4选择的能力，例如2.5μm厚的谐振腔，对应λ＝10μm的远红外光波长。 

在探测器单元中，起到对于基底热绝缘作用的就是桥腿20装置。在吸收相等的红外辐射能量条件下，如果桥腿20的热阻R越大，就意味着桥面10上的温升越高，这样探测器电阻在该温升下的变化就越明显，电压响应率相对就会越大，减轻了基底50上集成电路的读出压力。桥腿20的热阻R不仅和其上各层材料的热传导率有关，还和桥腿20的长、宽以及厚度尺寸有关；如果桥腿20数量大于1，探测器单元整个热阻R就还和桥腿20的数量有关。25μm×25μm、17μm×17μm探测器对热阻R的要求较高，在目前商业化的红外探测器中，已经能够达到50MK/W以上。为了获得较大的热阻R，通常会采取的方案是选择热传导率较小的材料、并且将桥腿20的长度加长、宽度减小、厚度减薄。另外，对探测器热绝缘性造成不利干扰的还有外界的空气，因为探测器的桥面10以及桥腿20结构向空气进行热交换，造成热量的流失，所以红外探测器需要采用真空封装的方式。 

探测器的核心材料是桥面10中热敏感层14，其特点就是：当被吸收层12吸收的红外热辐射加热后其温度发生变化，其自身可测量的某些性质也随之发生变化。最常用的热敏感层14是其电阻值(或者电阻率)随温度的变化而变化，即为电阻温度变化特性，描述指标是电阻温度系数(TCR)。目前，这类热敏感层材料应用最多的是氧化钒VOx，其特点是：TCR值较大，应用范围通常在2％-3％之间；电阻率较低，应用范围通常在0.5Ω·cm-2Ω·cm之间，这样造成探测器的电阻值较小，与电阻值相关的约翰逊噪声(Johnson Noise)就越小；氧化钒VOx材料的1/f噪声因子K通常较低，典型值约为K＝10^-13，所以大多性能较佳的探测器采用氧化钒VOx作为热敏感层14。氢化非晶硅a-Si:H材料也具有较高的TCR，而且其制备工艺较为简单，能和当前主流的半导体标准工艺相兼容，所以以非晶硅a-Si:H为热敏感层14的探测器也得到了大力发展。