[发明专利]具有改进性能的微测热辐射计阵列

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有改进性能的微测热辐射计阵列，尤其在检测红外辐射方面。

背景技术

非制冷红外探测器数十年来都是大力度研究和发展的主题。在这种探测器中，目前电阻微测热辐射计的市场，尤其在民用设施（家用电子产品，司机或飞行员辅助设备，夜视装置，火灾调查等）领域大量增长。电阻微测热辐射计特别适用于红外波段的探测，尤其适用于波段III（8-12μm）的探测，对应光谱带之一，在大气中传播使得物体在室温发射的或者生物发射的热量能被观察到。

准备用于摄像机的微测热辐射计阵列可以以一排探测元件的形式制造，在其余描述部分被称作“微测热辐射计像素”。微测热辐射计阵列本来用于红外热成像（波长在红外波段II和III，分别是3-5μm和8-12μm）。相比于量子探测器为基础的成像器，他们具有两大优势。一方面，他们在室温条件运作，可以减少利用他们的照相机的相当一部分制备成本和运作成本。另一方面，他们的制备技术与硅系微电子兼容，从而允许阵列直接在用CMOS技术生产的读出电路上制造。显微技术和直接连接到读出电路使得生产大型微测热辐射计阵列（一般是1024×768）成本非常低。通过结合这两种优势，微测热辐射计阵列使红外成像比基于量子探测器的成像器成本低很多。因此，目前市场上的微测热辐射计阵列是用比较成熟的技术制造的，该技术将从这些微测热辐射计阵列的本质能力获得的性能用到极致。具体的，他们可以吸收超过90%以上8-12μm波段的入射辐射，并且他们的填充因数，例如敏感区与探测器阵列的总区域之比，接近100%。尽管具有这些性能，微测热辐射计阵列与制冷技术相比的劣势在于他们有限的敏感度和较慢的反应时间。

图1A，1B和1C是根据现有技术中的微测热辐射计像素的示意图。

如图1A所示，微测热辐射计像素100主要包括形成吸收器/热敏电阻组合的隔膜101，伴随有吸收元件和一个与吸收元件良好热接触的测温元件或者热敏电阻，支撑衬底103，隔膜101悬挂在衬底103上方。其还包括热绝缘臂106和导电连接元件114以将测温元件与支撑衬底上的衬垫115电连接。该支撑衬底，例如由硅材料制成，为微测热辐射计像素提供机械硬度并且包括电路（没有在图1中显示）来偏置和读取测温元件的电阻。该吸收器/热敏电阻组合用固定元件悬挂在支撑衬底103的上方，该固定元件在图1示例中也是电连接元件114。吸收入射光子流量会增加吸收器的温度。热敏电阻能够实现对于这种温度变化的电测量。对于给定的光子通量，将吸收器/热敏电阻组合与其支撑衬底热绝缘（通过热绝缘臂和吸收器/热敏电阻组合周围的隔热真空）可以通过增加吸收器/热敏电阻单元的温度增长来增加器件的敏感度。

图1B和1C分别显示了另一现有微测热辐射计像素的俯视图和剖视图。形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜101通过固定元件（未示出）悬挂在衬底103上方，热绝缘臂106形成连接到支撑衬底上的衬垫115的电连接元件。在这个例子中，形成吸收器/热敏电阻单元的隔膜101包括在一边的一个吸收元件105（图1C）和，在另一边的与吸收器非常良好热接触的热敏元件104。该吸收器在传统技术中包括一种金属膜。该热敏电阻一般是选择随温度具有明显电阻率变化的材料例如氧化钒（VOx）或非晶硅（a-Si）材料制备的电阻。该热绝缘臂是例如低热导率机电连接装置，将吸收器/热敏电阻组合悬在隔热真空中。

在微测热辐射计阵列中的每个微测热辐射计像素接着与它的相邻的器件通过电热绝缘边分开。从而该微测热辐射计像素对于经过其某些区域的入射光子通量不敏感，包括热绝缘臂，与支撑衬底电连接的元件和绝缘边。对于入射通量不敏感区域的存在对微测热辐射计像素的敏感度影响由填充因数给出，在本描述中由吸收区域的面积107（在图1B示例中的形成吸收/热敏电阻单元的隔膜膜101）与微测热辐射计像素的总区域的面积（在图1B中由框113表示）的比例定义。

可以看出，大致上的，温度变化ΔT（K）在入射通量作用下将测温元件稳态温升量化，微测热辐射计像素的反应时间τ（秒）可通过以下公式得出：

ΔT=η.A.R_th.P（公式1）

τ=C_th.R_th（公式2）

其中η的值在0到1之间，是吸收元件吸收的入射光能量的比例，P是光功率流（W/m²），A是隔膜面积，C_th是测温元件的热容量（J/K），R_th是所有热连接测温元件和支撑衬底的元件尤其是热绝缘臂的热阻（K/W）。