[实用新型]玻璃基底光学读出红外传感器

说明书

                              技术领域

本实用新型涉及一种用于获取并转换物体红外辐射信号的传感元件，尤其涉及一种基于微梁阵列的光学读出热型红外图像传感器。

                              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。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。美国加州大学伯克利分校设计制作的红外焦平面阵列(FPA)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。由于这种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。

本发明人在之前的发明专利(光-机械式微梁阵列热型红外图像传感器，专利号：ZL200310112820.1)中，双材料微悬臂梁器件消除了硅基底，采用侧向支撑的无底单层膜平面结构。微梁单元中包含热隔离梁、热变形梁、支撑梁和红外吸收板，热变形机构由热隔离梁和热变形梁构成折转式分布，各构件均位于同一层。热致变形量为被测微梁单元前端的红外吸收板的转角变形。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，使得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。不过，受MEMS工艺限制，制作微梁单元热变形机构时要求2微米左右的线宽，即梁宽度和间隙均要求两微米。由于感热像素的平面尺寸有限，特别是红外成像阵列的感热像素，通常要求小于100微米，在有限的微梁单元平面尺寸空间中有效地布置红外吸收板和热变形机构存在矛盾。即：为了提高吸热效率，希望红外吸收板面积尽量大；而为了提高单位温升的变形效率，并增大热阻来提高微梁单元的温升，又需要增加热变形机构的回折数，提高热变形梁和热隔热梁的长度。因此单层结构的微梁单元受到这一矛盾的制约，难于进一步提高其红外探测灵敏度。

另外，在之前的发明专利(光-机械式微梁阵列热型红外图像传感器，专利号：ZL200310112820.1)中，微梁单元悬挂在薄膜框架上。当微梁单元数目逐渐增加时，整体结构的稳定性会随之降低，还可能引起微梁反光板的抖动，产生光学读出噪声，进而降低系统的红外探测灵敏度。因此，对于制作大面阵的FPA(如1000×1000甚至2000×2000像素)，可能会带来新的问题。

                              发明内容

本实用新型的目的在于提供一种更为灵敏有效的玻璃基底光学读出红外传感器，消除框架结构，缓解热变形机构和红外吸收板在同一平面层的尺寸矛盾。并且通过从玻璃基底引入读出光的方式，可在红外吸收板上作出共振腔和提高感热单元占空比的屋檐结构，进一步提高其红外探测灵敏度。

本实用新型采用如下技术方案来解决其技术问题：