專利名稱：帶硅支撐框架的全鏤空結構光調制熱成像焦平面陣列的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及用于獲取并轉換紅外信號的傳感元件，尤其涉及一種帶有硅支撐 框架的全鏤空光調制熱成像焦平面陣列。
背景技術：
紅外輻射探測裝置用于將不可見的紅外輻射轉化為可見的圖像。按照探測原理的 不同，可以把傳統的紅外輻射探測裝置大致分為兩類量子型的和熱型的紅外輻射探測器。量子型的紅外輻射探測器將紅外光子的能量轉化為電子的能量。由于8-14微米 的紅外光子的受激電子的能量和室溫下電子熱運動產生的能量相當，因此需要將探測器的 溫度維持在液氮溫度(約77K)來抑制電子熱運動，使量子型的紅外輻射探測裝置不僅笨重 而且價格昂貴。傳統的熱型紅外輻射探測器吸收入射的紅外光能量，使探測單元溫度上升，再通 過集成電路檢測探測器的溫升引發的熱電效應，比如電阻率和電容的變化等，得到紅外輻 射的信息。傳統的熱型紅外探測器中熱電效應是用集成電路從每個探測器單元中讀出的， 由于電流輸入會在探測器單元上產生附加的熱量，所以這種方式難以準確地檢測到入射的 紅外輻射。同時探測器單元與基底之間通過導熱性能很好的金屬導線相連，使得熱隔離變 得很困難，嚴重限制了溫升性能。另外熱電效應都極為微弱，為了探測信號，集成電路要有 相當高的信噪比和很強的增益。這不僅增加了探測器和讀出電路的設計難度，同時提高了 熱型的紅外輻射探測裝置的整機價格。應用光調制原理的非制冷型紅外探測焦平面陣列(FPA)大多采用雙材料微懸臂 梁熱隔離結構。入射的紅外光能被探測單元吸收后轉化為懸臂梁的熱能，引發雙材料懸臂 梁產生熱致形變，從而使整個微懸臂梁結構產生形變，再通過光學讀出系統，非接觸的檢測 出形變，例如懸臂梁的撓度或轉角等，就可以得到被測物體的熱輻射信息。這種熱型的紅外 輻射探測器可以在不需要制冷的條件下工作，而且光學讀出的方式不會在探測器上產生附 加的熱量，無需金屬導線連接，更易于在探測單元與基底之間實現良好的熱隔離。另外，探 測器敏感單元和讀出系統之間沒有電的互連，也省去了讀出電路的設計和制作，這就大大 地降低了開發和制作成本。因此基于這種光-機械微懸臂梁單元的紅外探測器，有望開發 出更高性能和低成本的熱型紅外輻射探測裝置。應用光學調制的FPA(焦平面陣列)通常采用的結構包括帶有襯底的犧牲層結 構和無襯底的網格狀全鏤空結構兩種，前者的結構在FPA的紅外敏感區存在硅襯底，當器 件工作時紅外線先透過硅襯底才能照射到FPA上，紅外線在經過硅襯底前后兩個表面的時 候，會發生反射現象，大約40%的紅外線無法到達探測器件上，這就使得紅外線的吸收率嚴 重下降，降低了探測器件的靈敏性；后者的結構在FPA的紅外吸收區域采用了全鏤空無硅 襯底的結構，這樣在FPA吸收紅外輻射時就不存在硅襯底的反射，使紅外輻射的利用率提 高，但它的缺陷在于整個器件結構是由一張數千埃的薄膜支撐非常的脆弱，致使其生產成 品率很低且易于破損。[0007]由此可見，上述現有的用于獲取并轉換紅外信號的傳感元件在結構和使用上，存 在靈敏度不高、易于破損的缺陷，亟待進一步改進。

實用新型內容本實用新型的主要目的在于克服現有技術中存在的產品靈敏度不高、易于破損的 缺陷，提供一種新型結構的帶支撐框架的全鏤空結構光調制熱成像焦平面陣列，所要解決 的技術問題有去掉硅襯底，設置內框。為了實現上述的目的，本實用新型是采用如下技術方案實現的；本實用新型提供一種光調制熱成像焦平面陣列，其特征在于包括陣列框架和微懸 臂單元；所述陣列框架由外框和內框構成，該內框為網格狀，設置在所述的外框內，形成多 個鏤空單元；每個鏤空單元內設置一個微懸臂單元，該微懸臂單元與構成鏤空結構的內框或外 框相連接。優選的，本實用新型中的微懸臂單元包括至少一組熱變形結構和一組紅外吸收結 構，所述熱變形結構包括至少一根隔離梁和至少一根形變梁，所述形變梁與紅外吸收結構 和隔離梁相連接，所述隔離梁與所述的陣列框架連接。優選的，本實用新型中內框和外框的材料為材料，其晶向為<100>、<110>、<111>。優選的，本實用新型中微懸臂梁單元的材料為氧化硅或氮化硅或碳化硅。優選的，本實用新型中形變梁上附著有0. 1-1微米的金屬薄膜。優選的，本實用新型中紅外吸收結構上附著有0. 1-1微米的金屬薄膜。優選的，本實用新型中形變梁上和紅外吸收結構上的金屬薄膜的材料為鋁、金、 鉻、鈦、錫或鉛。優選的，本實用新型中所述的內框的梁寬度相等，所述的寬度在0. 5微米到10微 米之間；所有所述的內框的梁厚度相等，所述的厚度在0. 5微米到100微米之間。優選的，本實用新型中所述的鏤空單元橫截面的形狀為正方形或者長方形，所有 所述的鏤空單元均相同。優選的，本實用新型中所述的微懸臂梁單元排列方向一致。上述說明僅是本實用新型技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技 術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本實用新型的較佳實施例并配合附圖詳 細說明如后。

圖1為實施例1的光調制熱成像焦平面陣列的俯視圖。圖2為陣列框架的示意圖。圖3為微懸臂梁單元的結構示意圖。圖4為圖1中A-A向的剖視圖。
具體實施方式
為進一步闡述本實用新型為達成預定實用新型目的所采取的技術手段及功效，以 下結合附圖及較佳實施例，對依據本實用新型提出的一種帶硅支撐框架的全鏤空結構光調 制熱成像焦平面陣列其具體實施方式
、結構、特征及其功效，詳細說明如后。參見圖1所示，本實用新型提出一種帶硅支撐框架的全鏤空結構光調制熱成像焦 平面陣列，包括陣列柜架和微懸臂單元，所述的陣列框架用于支撐所述的微懸臂單元。優選 的，所有所述的微懸臂梁單元排列方向一致。如圖2所示，所述的陣列框架由外框1和內框 2構成，所述的外框1為一個封閉的框架結構，所述的內框2為由多條橫縱交織的梁構成的 網格狀結構，該內框2設置在所述的外框1內，從而形成多個鏤空單元10，該陣列框架可由 外框和內框一體成型制得。鏤空單元的數量為單元數2X2個至4096X4096個。所述陣列 框架采用的材料為單晶硅材料，其晶向包括<100>、<110>、<111>三種。該陣列框架的外圍 尺寸由像元的數目多少決定，在2毫米X 2毫米到200毫米X 200毫米之間，其外框1的寬 度的范圍在1毫米到100毫米之間，其厚度在10微米到600微米之間。內框2的梁的寬度 在0. 5微米到10微米之間，厚度在0. 5微米到100微米之間。外框1的形狀通常為正方形， 也可是圓形或別的形狀，所述鏤空單元的區域形大致為正方形或矩形。在每一個鏤空單元10內設置一個微懸臂單元20，入射的紅外光能被微懸臂單元 檢測并被光學讀出，從而實現對紅外光的檢測。請參閱圖3所示，每個懸臂梁單元20包含 熱變形結構和紅外吸結構5。所述熱變形結構由至少一根熱隔離梁3和至少一根變形梁4 組成。在實施中，隔熱梁3與構成鏤空單元的框架(內框或者外框)相連，從而將微懸臂單 元固定，形成陣列框架對微懸臂單元的支撐。在本實施例中，熱隔離梁3和變形梁4相間回 折式構成熱變形結構，并分布于紅外吸收結構5的兩側。上述的微懸臂單元是由一層薄膜 材料構成，其厚度在0. 1-1微米之間，較佳的選用氧化硅、氮化硅和碳化硅等材料，從而使 該微懸臂單元對8-14微米波長紅外光具有吸收能力強、熱導率低、熱膨脹系數低、楊氏模 量高等特點。請參閱圖4所示，所述的微懸臂單元的紅外吸收結構5上附著有一層金屬薄膜51， 厚度在0.01-1微米之間，用于反射可見光，該金屬薄膜采用鋁、金、鉻、鈦、錫、鉛等金屬材料 制備。在所述熱變形結構的變形梁上也附著有一層金屬薄膜41，厚度在0. 1-1微米之間，用 于在溫度變化時產生相應的熱形變，該金屬薄膜采用鋁、金、鉻、鈦、錫、鉛等金屬材料制備。入射的紅外光被微懸臂單元單元的紅外吸收結構5吸收后轉化為熱能，引發雙材 料構成的變形梁4產生熱致形變，從而使整個微懸臂單元結構產生形變，再通過光學讀出 系統，非接觸的檢測出形變，例如微懸臂單元的撓度或轉角等，就可以得到被測物體的熱輻 射信息。這種熱型的紅外輻射探測單元可以在不需要制冷的條件下工作，而且光學讀出的 方式不會在探測單元上產生附加的熱量，無需金屬導線連接，更易于在探測單元與基底之 間實現良好的熱隔離。另外，探測單元的敏感部件和讀出系統之間沒有電的互連，也省去了 讀出電路的設計和制作，這就大大地降低了開發和制作成本。因此基于這種光機械微懸臂 單元的紅外探測陣列，有望開發出更高性能和低成本的熱型紅外輻射探測裝置。實例1構成外框的材料為<100>晶向單晶硅，其外框為正方形，尺寸為20. 1毫米X20. 1 毫米，厚度為510微米，外框的寬度為10毫米；內框的寬度為3微米，厚度為10微米，其所構成的鏤空單元區域的尺寸為50微米X50微米。構成微懸臂單元的薄膜為氮化硅材料， 厚度為0. 5微米，微懸臂單元中熱形變梁上金屬薄膜為A1材料，厚度為0. 35微米，微懸臂 梁單元中紅外吸收結構的金屬薄膜也為A1材料，厚度為0. 05微米，微懸臂梁單元中的熱形 變梁和熱隔離梁以及之間的間隔距離都為0. 8微米，金屬薄膜的尺寸為40. 6微米X45. 4 微米，微懸臂梁單元的數目為4X 4個。 上述實施例，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式 上的限制，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本實用新型技術方案范圍內，當可利用上 述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本實用新 型技術方案的內容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同 變化與修飾，均仍屬于本實用新型技術方案的范圍內。
權利要求一種光調制熱成像焦平面陣列，其特征在于包括陣列框架和微懸臂單元；所述陣列框架由外框和內框構成，該內框為網格狀，設置在所述的外框內，形成多個鏤空單元；每個鏤空單元內設置一個微懸臂單元，該微懸臂單元與構成鏤空結構的內框或外框相連接。
2.根據權利要求1所述的光調制熱成像平面陣列，其特征在于所述的微懸臂單元包括 至少一組熱變形結構和一組紅外吸收結構，所述熱變形結構包括至少一根隔離梁和至少一 根形變梁，所述形變梁與紅外吸收結構和隔離梁相聯結，所述隔離梁與所述的陣列框架連接。
3.根據權利要求2所述的光調制熱成像焦平面陣列，其特征在于所述的陣列框架為 單晶硅材料，其晶向為< 100>、< 110>、< 111>。
4.根據權利要求1所述的光調制熱成像焦平面陣列，其特征在于所述的微懸臂梁單 元的材料為氧化硅或氮化硅或碳化硅。
5.根據權利要求2所述的光調制熱成像焦平面陣列，其特征在于所述的形變梁上附 著有0. 1-1微米的金屬薄膜。
6.根據權利要求2所述的光調制熱成像焦平面陣列，其特征在于所述的紅外吸收結 構上附著有0. 1-1微米的金屬薄膜。
7.根據權利要求5或6所述的光調制熱成像焦平面陣列，其特征在于所述的金屬薄 膜的材料為鋁、金、鉻、鈦、錫或鉛。
8.根據權利要求1所述的光調制熱成像焦平面陣列，其特征在于所有所述的內框的 梁寬度相等，所述的寬度在0. 5微米到10微米之間；所有所述的內框的梁厚度相等，所述的 厚度在0. 5微米到100微米之間。
9.根據權利要求1所述的光調制熱成像焦平面陣列，其特征在于所述的鏤空單元橫 截面的形狀為正方形或者長方形，所有所述的鏤空單元均相同。
10.根據權利要求1所述的光調制熱成像焦平面陣列，其特征在于所有所述的微懸臂 梁單元排列方向一致。
專利摘要本實用新型涉及用于獲取并轉換紅外信號的傳感元件，尤其涉及一種帶有硅支撐框架的全鏤空光調制熱成像焦平面陣列，本實用新型由外框和內框構成，該內框為網格狀，設置在所述的外框內，形成多個鏤空單元；每個鏤空單元內設置一個微懸臂單元，該微懸臂單元與構成鏤空結構的內框或外框相連接。
文檔編號B81B7/02GK201561801SQ200920311669
公開日2010年8月25日 申請日期2009年9月28日 優先權日2009年9月28日
發明者葉甜春, 歐毅, 焦斌斌, 陳大鵬 申請人:中國科學院微電子研究所