光学读出热型红外图像传感器中加强型红外吸收板及其制备方法技术

光学读出热型红外图像传感器中加强型红外吸收板及其制备方法，其结构形式是以非金属红外吸收膜为下层、以金属镀层为上层，形成单层膜结构；其结构特征是在所述红外吸收膜的底部，设置抗弯曲加强筋，所述抗弯曲加强筋与所述非金属红外吸收膜为同种材质或不同种材质。本发明专利技术以较为简单的结构形式解决了红外吸收板在厚度与平整度之间所存在着矛盾，从而更进一步提高了ＦＰＡ性能。本发明专利技术制备工艺简单、易于实施。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学读出热型红外图像传感器中的红外吸收板及其制备方法，更具体地说是 基于微梁阵列的、单层膜结构的光学读出热型红外图像传感器中的红外吸收板及其制备方法。
技术介绍
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。但是，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。 针对这种新颖的读出方法，国内外分别展开了大量的研究美国加州大学伯克利分校、美国橡树岭国家实验室和日本Nikon公司分别设计和制作了相 类似的红外焦平面阵列(FPA)，它们的共同特征为基于光-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(或简称微粱单元)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面结构，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。由于这些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。本专利技术人在公开号为CN1556648的专利技术专利说明书中，公开了一种"光-机械式微梁阵列 热型红外图像传感器"，如图l、图2所示，该技术方案中消除了硅基底，采用由支撑框架3 侧向悬臂式支撑的无硅基底单层膜平面结构。微梁单元中包含热隔离梁l、热变形梁2和红外吸收板4，红外吸收板4是由金属镀层和红外吸收膜构成的双层结构，由热隔离梁l和热变形梁 2构成折转式分布的热变形机构，所有构件位于同一层面上。热致变形量为被测微梁单元前端 的红外吸收板4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，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。但是，由于制作过程中产生的残余应力，红外吸收板4会产生弯曲，致使红 外吸收板4的表面平整度受到影响，结果导致影响光学检测灵敏度。进一步的分析表明，红外 吸收板4的弯曲主要是红外吸收膜和金属镀层的残余应力引起的。为此，在实际制作中，对热 变形梁2采用厚的金属表层，而对于红外吸收板4采用薄的金属镀层。为了进一步提高FPA性能要求，需要进一步减小红外吸收板的厚度。红外吸收板越薄，探 测灵敏度越高、热响应时间越短。然而，针对公开号为CN1556648的无基底结构形式，在进一 步减小红外吸收板厚度同时， 一个重大的问题是，红外吸收板的变形将随之增大，严重影响 了FPA性能的提高。显然，在这一技术方案中红外吸收板的厚度与平整度之间存在着矛盾。此前，本专利技术人在公开号为CN1970430的专利技术专利说明书中，进一步提出了利用双层 共振腔来解决红外吸收板的变形所带来的影响FPA性能的问题，但是这一双层共振腔的结构 形式过于复杂，制作时必须使用牺牲层及其释放工艺，而牺牲层释放工艺难度大，成品率极 低，因此制作成本昂贵。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种光学读出热型红外图像传感 器中加强型红外吸收板，以期通过较为简单的结构形式解决红外吸收板在厚度与平整度之间 所存在着矛盾，从而更进一步提高FPA性能。本专利技术同时提供光学读出热型红外图像传感器中加强型红外吸收板的制备工艺，以期通 过较为简单的工艺进行加强型红外吸收板的实施。本专利技术解决技术问题采用如下技术方案。本专利技术光学读出热型红外图像传感器中加强型红外吸收板，其结构形式是以非金属红外 吸收膜为下层、以金属镀层为上层，形成单层膜结构；其结构特点是在红外吸收膜的底部， 设置抗弯曲加强筋，抗弯曲加强筋与非金属红外吸收膜为同种材质或不同种材质。本专利技术的结构特点也在于抗弯曲加强筋的选用材质为SiNx或Si02。抗弯曲加强筋的厚度为红外吸收膜的厚度的1-3倍。本专利技术光学读出热型红外图像传感器中加强型红外吸收板的制备方法是按如下步骤操作a、 按所设定的红外吸收膜上抗弯曲加强筋的结构，在基片上刻蚀出加强筋生长槽；b、 在基片的加强筋生长槽中，生长成加强筋；c、 在生长有加强筋的基片的表面生长成红外吸收膜层；d、 在红外吸收膜层上，按微梁单元的结构形式位于中央形成红外吸收膜、位于两旁分别 形成基本梁；e、 在红外吸收膜的表面形成金属镀层；f、 在一一间隔的基本梁上形成金属表层；g、 去除基片，得到带有加强筋的红外吸收板，以及位于红外吸收板两侧的折转式分布的 热隔离梁和热变形梁。与己有技术相比，本专利技术有益效果体现在1、 为了提高探测灵敏度，需要使红外吸收板更为平整，对于单层膜结构的FPA而言，单 纯依靠改善工艺很难使红外吸收板更为平整。本专利技术加强筋结构通过提高整个板的抗弯刚度， 实现了在相同的工艺条件下进一步减小红外吸收板的曲率，因此提高了探测灵敏度。2、 对于单层膜结构的FPA而言，为了进一步提高FPA性能，需要进一步减小红外吸收材料 薄膜的厚度，而红外吸收材料薄膜越薄，红外吸收板的弯曲程度就越大。本专利技术加强筋结构 的设置使大部分弯矩由加强筋承担，因此在减少红外吸收材料薄膜的厚度时，红外吸收板的 弯曲程度不会因此而显著增加，从而有效的提高FPA的探测灵敏度。3、 本专利技术保留了公开号为CN1556648的专利技术专利中传感器所拥有的结构简单、红外能量 可以直接到达探测单元、热隔离梁及热变形梁的折转式设计有利于红外吸收板形成窄长的矩 形结构等优势，使红外吸收板处在由于变形角度叠加所致的角度偏转最大方向上，并且各微 梁单元可采用顺序平铺的方式构成探测阵列，不会出现大面积的空闲和浪费，从而避免了采用多层单元相嵌的结构。4、 本专利技术相对于公开号为CN1970430的专利技术专利来说，结构形式大为简化。5、 本专利技术制备工艺简单、制作难度并无明显加大。附图说明图l为已有技术中公开号为CN1556648、名称为无基底光-机械式微梁阵列热型红外图 像传感器结构示意图。图2为图1所示结构的微梁单元阵列平铺示意图。 图3 (a)为本专利技术实施方式一结构示意图。图3 (b)为图3 (a)所示结构加强筋分布示意图。图4 (a)为本专利技术实施方式二结构示意图。图4 (b)为图4 (a)所示结构加强筋分布示意图。图5 (a)为本文档来自技高网...

【技术保护点】
光学读出热型红外图像传感器中加强型红外吸收板，其结构形式是以非金属红外吸收膜（７）为下层、以金属镀层（８）为上层，形成单层膜结构；其结构特征是在所述红外吸收膜（７）的底部，设置抗弯曲加强筋，所述抗弯曲加强筋与所述非金属红外吸收膜（７）为同种材质或不同种材质。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张青川，史海涛，陈大鹏，焦斌斌，伍小平，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]