高光谱成像的红外探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及探测器领域，尤其涉及一种高光谱成像的红外探测器及其制备方法。

背景技术

红外光是一种波长比红光更长的电磁波，所有温度高于绝对零度的物体都在向外辐射着红外光。工程常用的探测波段主要有短波红外(1～3μm)，中波红外(3～5μm)以及长波红外(8～14μm)。常用的非制冷红外焦平面阵列探测器以微测辐射热计技术为主，其对红外辐射的吸收主要依靠像元微桥桥面与下方的反射层形成的谐振腔的共振吸收，目前的像元微桥结构的反射层都是水平状态，构成的谐振腔也是固定高度，整个阵列仅能对一定波长范围内的红外信号进行宽光谱吸收和探测，不具备光谱分光检测能力，对目标物体的探测和识别缺少光谱维度的信息。而光谱维度的信息对于目标物体的化学成分识别、复杂环境下的成像质量、提高目标识别侦测等方面具有非常重要的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高光谱成像的红外探测器及其制备方法，能够通过探测某一波段或宽波段中不同的峰值吸收波长进而实现光谱分光检测。

为了解决上述问题，本发明提供了一种高光谱成像的红外探测器，包括：衬底；介质层，所述介质层设置于所述衬底表面，所述介质层在第一位置具有第一高度，在第二位置具有第二高度；反射层，所述反射层设置于所述介质层表面；微桥阵列，所述微桥阵列包括在第一位置位于所述反射层上方的第一微桥结构，和在第二位置位于所述反射层上方的第二微桥结构，所述第一微桥结构与其下方的反射层构成用于探测光学信号的第一谐振腔，所述第二微桥结构与其下方的反射层构成用于探测光学信号的第二谐振腔，所述第一谐振腔的高度与所述第二谐振腔的高度不同。

在一些实施例中，所述介质层的表面呈倾斜状。

在一些实施例中，所述介质层的表面的倾斜角度α的范围是0°至90°之间。

在一些实施例中，所述介质层的表面呈台阶状。

在一些实施例中，所述衬底内设置有驱动电路，所述驱动电路与微桥阵列连接，用于处理所述高光谱成像的红外探测器的输出信号。

在一些实施例中，所述第一微桥结构与所述第二微桥结构均包括：导电基座、桥柱、微悬臂梁、以及桥面；所述导电基座设置于所述衬底上；所述桥柱设置于所述导电基座表面；所述微悬臂梁连接所述桥柱与所述桥面；所述桥面通过所述微悬臂梁和所述桥柱支撑悬空于所述反射层上方。

在一些实施例中，所述桥面包括：结构支撑层、热敏电阻层、电极层、以及保护层；所述结构支撑层通过所述微悬臂梁连接至相应的所述桥柱；所述热敏电阻层设置于所述结构支撑层表面，所述热敏电阻层通过所述电极层和所述导电基座与驱动电路实现电连接；所述电极层设置于所述结构支撑层部分表面和所述热敏电阻层部分表面，并与所述热敏电阻层连接；所述保护层设置于所述热敏电阻层部分表面和所述电极层部分表面，并包覆所述热敏电阻层和所述电极层。

为了解决上述问题，本发明提供了一种探测器的制备方法，所述方法包括：提供一衬底；于所述衬底表面形成介质层，所述介质层在第一位置具有第一高度，在第二位置具有第二高度；于所述介质层表面形成反射层；于所述反射层上方形成微桥阵列，所述微桥阵列包括在第一位置位于所述反射层上方的第一微桥结构，和在第二位置位于所述反射层上方的第二微桥结构，所述第一微桥结构与其下方的反射层构成用于探测光学信号的第一谐振腔，所述第二微桥结构与其下方的反射层构成用于探测光学信号的第二谐振腔，所述第一谐振腔的高度与所述第二谐振腔的高度不同。

在一些实施例中，所述介质层的表面呈倾斜状。

在一些实施例中，于所述衬底表面形成所述介质层的方法包括：在所述衬底表面形成表面平坦的介质材料层；采用研磨工艺研磨所述介质材料层的表面形成所述介质层。

在一些实施例中，所述介质层的表面的倾斜角度α的范围是0°至90°之间。

在一些实施例中，所述介质层的表面呈台阶状。

在一些实施例中，于所述衬底表面形成所述介质层的方法包括：在所述衬底表面形成表面平坦的介质材料层；通过纳米压印及刻蚀技术加工所述介质材料层的表面形成所述介质层。

在一些实施例中，于所述介质层表面形成所述反射层的同时还于所述衬底表面形成导电基座，所述制备方法包括：于所述衬底表面和所述介质层表面形成金属材料层；对所述金属材料层图形化形成所述导电基座及所述反射层，所述导电基座位于所述衬底表面，所述反射层上表面平行于所述介质层上表面。

在一些实施例中，于所述反射层上方形成微桥阵列的具体步骤包括：形成牺牲层，所述牺牲层形成于所述衬底和所述反射层表面；于所述牺牲层表面刻蚀通孔，所述通孔终止于所述导电基座表面；在所述牺牲层上及所述通孔内依次形成支撑层、热敏电阻层、电极层、以及保护层；去除所述牺牲层形成所述微桥阵列。

本发明通过在不改变微桥阵列的高度的情况下，在衬底表面设置一层高度存在差别的介质层，使得不同区域内的微桥结构与反射层构成的谐振腔的高度不同，使得不同区域内的谐振腔具有不同的吸收波峰，从而使得本发明高光谱成像的红外探测器具备光谱分光检测能力，器件不仅能够获得图像的信息，还可以在光谱维度上进行展开，以获得高光谱图像。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

附图说明

图1是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器剖面示意图；

图2是本申请另一实施例提供的高光谱成像的红外探测器剖面示意图；

图3是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器的谐振腔剖面示意图；

图4是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器的微桥结构的俯视图；

图5是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器的封装窗口光学区域排布示意图；

图6是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法的实施步骤示意图；

图7A～图7D是本申请一实施例中高光谱成像的红外探测器制备过程示意图；

图8是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法中表面倾斜状介质层的形成方法的实施步骤示意图；

图9A～图9B是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法中表面倾斜状介质层的形成方法示意图；

图10是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法中台阶状介质层的形成方法的实施步骤示意图；

图11A～图11B是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法中台阶状介质层的形成方法示意图；

图12是本申请另一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法中反射层和导电基座的形成方法的实施步骤示意图；

图13A～图13B是本申请另一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法中反射层和导电基座的形成方法示意图；

图14是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法中微桥阵列的形成方法的实施步骤示意图；

图15A～图15D是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法中微桥阵列的形成方法示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请具体实施方式中的附图，对本申请具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本申请一部分具体实施方式，而不是全部的具体实施方式。基于本申请中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本申请保护的范围。

下面首先对本申请具体实施方式所提供的一种高光谱成像的红外探测器进行介绍。

图1是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器剖面示意图。下面请参阅图1，所述高光谱成像的红外探测器包括：衬底1、介质层2、反射层3以及微桥阵列4。

所述介质层2设置于所述衬底1表面，所述介质层2在第一位置具有第一高度，在第二位置具有第二高度；所述反射层3设置于所述介质层2表面；所述微桥阵列4包括在第一位置位于所述反射层3上方的第一微桥结构401，和在第二位置位于所述反射层3上方的第二微桥结构402，所述第一微桥结构401与其下方的反射层3构成用于探测光学信号的第一谐振腔501，所述第二微桥结构402与其下方的反射层3构成用于探测光学信号的第二谐振腔502，所述第一谐振腔501的高度与所述第二谐振腔502的高度不同，在本实施例中，进一步给出了多个微桥结构401～40n，至少有两个所述微桥结构与其下方的反射层构成的谐振腔的高度不同。

所述微桥阵列4包括多个微桥结构，多个所述微桥结构4与其下方的反射层3构成多个用于探测光学信号的谐振腔，多个所述谐振腔构成谐振腔阵列5。其中，在所述谐振腔阵列5中，至少有两个所述谐振腔的高度不同。例如，所述谐振腔阵列5包括第一谐振腔501与第二谐振腔502，所述第一谐振腔501由微桥阵列4的第一微桥结构401与其下方的反射层3构成，所述第二谐振腔502由所述微桥阵列4的第二微桥结构402与其下方的反射层3构成，所述第一谐振腔501的高度与所述第二谐振腔502的高度不同，在本实施例中，进一步给出了多个谐振腔501～50n。

在本实施例中，所述衬底1内设置有驱动电路(附图中未绘示)，与所述微桥阵列4连接，用于处理探测器的输出信号。

所述介质层2设置在所述衬底1的表面，所述介质层2在第一位置具有第一高度g

如图1所示，在本实施例中，所述介质层2的表面呈倾斜状，以使得所述介质层2在不同位置具有不同高度。

所述衬底1表面与所述介质层2表面之间的角度为所述介质层2的表面的倾斜角度α，所述介质层2的表面的倾斜角度α的范围是0°至90°之间，即所述介质层2的表面的倾斜角度α大于0°，且小于90°。所述介质层2材料为氧化硅、氮化硅、以及氮氧化硅中的一种。

在另一实施例中，所述介质层2的表面呈台阶状，以使所述介质层2在第一位置具有第一高度g

所述反射层3设置于所述介质层2表面，所述反射层3与所述微桥结构构成高度不同的谐振腔，不同高度的所述谐振腔具有不同的吸收波峰。所述反射层3材料为铝、金、银、铜、钛、氮化钛、镍铬等金属材料中的一种或合金。

所述微桥阵列4包括在第一位置位于所述反射层3上方的第一微桥结构，和在第二位置位于所述反射层3上方的第二微桥结构，所述第一微桥结构与其下方的反射层3构成用于探测光学信号的第一谐振腔，所述第二微桥结构与其下方的反射层3构成用于探测光学信号的第二谐振腔，所述第一谐振腔的高度与所述第二谐振腔的高度不同。在本实施例中，进一步给出了多个位置，多个位置的介质层2都具有不同的高度g

每个谐振腔的结构如图3所示。图3是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器的谐振腔剖面示意图。图3为了直观的展示整个谐振腔结构，隐去了两侧部分介质层2。下面请参阅图3，所述微桥结构与其下方的反射层3构成用于探测光学信号的所述谐振腔。其中微桥结构包括：导电基座41、桥柱42、微悬臂梁43、以及桥面44。所述导电基座41设置于所述衬底1上，所述导电基座41与所述驱动电路(附图中未绘示)电连接；所述桥柱42设置于所述导电基座41表面；所述微悬臂梁43连接所述桥柱42与所述桥面44；所述桥面44通过所述微悬臂梁43和所述桥柱42支撑悬空于所述反射层3上方。

下面请继续参阅图3，所述桥柱42包括：结构支撑层421、电极层422、以及保护层423。所述结构支撑层421支撑所述微悬臂梁43及所述桥面44，所述电极层422设置于所述结构支撑层421表面，所述电极层422连接所述衬底1上的导电基座41，从而与所述驱动电路(附图中未绘示)实现电连接，所述保护层423设置于所述电极层422的表面并包覆所述电极层422。

在本实施例中，所述桥面44包括：结构支撑层441、热敏电阻层442、电极层443、以及保护层444。所述结构支撑层441通过所述微悬臂梁43连接至相应的所述桥柱42；所述热敏电阻层442设置于所述结构支撑层441上表面，所述热敏电阻层442通过所述电极层443和所述导电基座41与所述驱动电路(附图中未绘示)实现电连接；所述电极层443设置于所述部分结构支撑层441表面和所述部分热敏电阻层442表面，并与所述热敏电阻层442连接；所述保护层444设置于所述热敏电阻层442部分表面和所述电极层443部分表面，并包覆所述热敏电阻层442和所述电极层443。

在本实施例中，所述微悬臂梁43包括：结构支撑层431、电极层432、以及保护层433。所述桥面44的所述结构支撑层441通过所述微悬臂梁43的所述结构支撑层431连接至相应的所述导电基座41。所述桥面44的所述电极层443与所述微悬臂梁43的所述电极层432电连接，以将所述桥面44的所述电极层443连接至所述导电基座41，进而将所述热敏电阻层442连接至所述导电基座41。所述桥面44的所述保护层444与所述微悬臂梁43的所述保护层433与所述桥柱42的所述保护层423为同层结构。

所述保护层444、所述保护层433、所述保护层423的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等材料中的一种，所述电极层422、所述电极层443、所述电极层432的材料为钛、锗、铂、镍铬等材料中的一种，所述热敏电阻层442的材料为氧化钒、非晶硅、氧化铜、氧化锰、氧化钼、氧化钛等材料中的一种，用于将红外辐射转化为电学信号，所述电学信号通过所述导电基座41传递至所述驱动电路，所述驱动电路根据所述电学信号输出一结果信号以反应目标的温度。所述结构支撑层421、所述结构支撑层431、所述结构支撑层441的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等材料中的一种。

图4是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器的微桥结构的俯视图。下面请参阅图4，所述介质层2(附图中未绘示)设置于所述衬底1表面，所述反射层3设置于所述介质层2表面，所述桥柱42设置于所述衬底1的对侧，所述桥柱42支撑所述微悬臂梁43和所述桥面44悬空于所述反射层3的上方。

图5是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器的封装窗口光学区域排布示意图。下面请参阅图5，所述光学区域61～6n呈水平排布，对应光的吸收波长渐进变化。在本实施例中，相邻的多列微桥结构构成一个所述光学区域，其对应的谐振腔具有相同的吸收波峰。

基于同一发明构思，本申请具体实施方式还提供一种高光谱成像的红外探测器的制备方法。

图6是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法的实施步骤示意图。下面请参阅图6，所述探测器的制备方法包括：步骤S601，提供一衬底；步骤S602，于所述衬底表面形成介质层，所述介质层在第一位置具有第一高度，在第二位置具有第二高度；步骤S603，于所述介质层表面形成反射层；步骤S604，于所述反射层上方形成微桥阵列，所述微桥阵列包括在第一位置位于所述反射层上方的第一微桥结构，和在第二位置位于所述反射层上方的第二微桥结构，所述第一微桥结构与其下方的反射层构成用于探测光学信号的第一谐振腔，所述第二微桥结构与其下方的反射层构成用于探测光学信号的第二谐振腔，所述第一谐振腔的高度与所述第二谐振腔的高度不同。

图7A～图7D是本申请一实施例中高光谱成像的红外探测器制备过程示意图。

附图7A所示，参考步骤S601，提供一衬底1。所述衬底1内设置有驱动电路(附图中未绘示)。

附图7B所示，参考步骤S602，于所述衬底表面形成介质层2，所述介质层2在第一位置具有第一高度，在第二位置具有第二高度。所述介质层2材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等中的一种。所述介质层2的表面呈倾斜状，所述衬底1表面与所述介质层2表面之间的角度为α，所述介质层2的表面的倾斜角度α的范围是0°至90°之间。

附图7C所示，参考步骤S603，于所述介质层2表面形成反射层3。所述反射层3的材料为铝、金、银、铜、钛、氮化钛、镍铬等金属材料中的一种。

附图7D所示，参考步骤S604，于所述反射层3上方形成微桥阵列4，所述微桥阵列4包括在第一位置位于所述反射层3上方的第一微桥结构401，和在第二位置位于所述反射层3上方的第二微桥结构402，所述第一微桥结构401与其下方的反射层3构成用于探测光学信号的第一谐振腔501，所述第二微桥结构402与其下方的反射层3构成用于探测光学信号的第二谐振腔502，所述第一谐振腔501的高度与所述第二谐振腔502的高度不同。上述设置方式使所述介质层2在第一位置具有第一高度g

图8是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法中表面倾斜状介质层的形成方法的实施步骤示意图。

参考附图8，在所述衬底形成表面倾斜状介质层的方法包括：步骤S801，在所述衬底表面形成表面平坦的介质材料层；步骤S802，采用研磨工艺研磨所述介质材料层的表面形成所述介质层。

图9A～图9B是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法中表面倾斜状介质层的形成方法示意图。

附图9A所示，参考步骤S801，在所述衬底1表面形成表面平坦的介质材料层21。所述介质材料层21的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等中的一种。

附图9B所示，参考步骤S802，采用研磨工艺研磨所述介质材料层21的表面形成所述介质层211。所述介质层211的表面的倾斜角度α的范围是0°至90°之间。所述研磨工艺包括化学机械研磨及抛光处理。

在其他实施例中，还可以利用纳米压印及刻蚀技术制备所述倾斜状介质层。纳米压印的模板呈倾斜状，可压印出呈倾斜状的光刻胶，在刻蚀过程中可以刻蚀出所述倾斜状介质层。

在另一实施例中，所述介质层可以为台阶状，图10是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法中台阶状介质层的形成方法的实施步骤示意图。

参考附图10，在所述衬底形成表面倾斜状介质层的方法包括：步骤S1001，在所述衬底表面形成表面平坦的介质材料层；步骤S1002，通过纳米压印及刻蚀技术加工所述介质材料层的表面形成所述介质层。

图11A～图11B是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法中台阶状介质层的形成方法示意图。

附图11A所示，参考步骤S1001，在所述衬底1表面形成表面平坦的介质材料层21。所述介质材料层21的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等中的一种。

附图11B所示，参考步骤S1002，通过纳米压印及刻蚀技术加工所述介质材料层21的表面形成所述介质层212。纳米压印的模板具有高度不同的台阶，可压印出具有不同高度台阶的光刻胶，在刻蚀过程中可以刻蚀出所述台阶状介质层。所述介质层2的表面呈台阶状，以使所述介质层2在第一位置具有第一高度g

图12是本申请另一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法中反射层和导电基座的形成方法的实施步骤示意图。

参考附图12，于所述介质层上表面形成反射层的同时于所述衬底表面形成导电基座的具体步骤包括：步骤S1201，于所述衬底表面和所述介质层上表面形成金属材料层；步骤S1202，对所述金属材料层图形化形成所述导电基座及所述反射层，所述导电基座位于所述衬底表面，所述反射层上表面平行于所述介质层上表面。

图13A～图13B是本申请另一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法中反射层和导电基座的形成方法示意图。

附图13A所示，参考步骤S1201，于所述衬底1表面和所述介质层2上表面形成金属材料层31。所述金属材料层31的材料为铝、金、银、铜，钛，氮化钛、镍铬等材料中的一种。

附图13B所示，参考步骤S1202，对所述金属材料层31图形化形成所述导电基座41及所述反射层3，所述导电基座41位于所述衬底1表面，所述反射层3上表面平行于所述介质层2上表面。以上所述导电基座41的具体结构请参考附图3。

图14是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法中微桥阵列的形成方法的实施步骤示意图。

参考附图14，于所述反射层上方形成微桥阵列的具体步骤包括：步骤S1401，形成牺牲层，所述牺牲层形成于所述衬底和所述反射层表面；步骤S1402，于所述牺牲层表面刻蚀通孔，所述通孔终止于所述导电基座表面；步骤S1403，在所述牺牲层上及所述通孔内依次形成支撑层、热敏电阻层、电极层、以及保护层；步骤S1404，去除所述牺牲层形成所述微桥阵列。

图15A～图15D是本申请一实施例提供的高光谱成像的红外探测器制备方法中微桥阵列的形成方法示意图。

附图15A所示，参考步骤S1401，形成牺牲层51，所述牺牲层51形成于所述衬底1和所述反射层3表面，并且包覆所述衬底1、所述反射层3以及所述导电基座41。以上所述导电基座41的具体结构请参考附图3。所述牺牲层51的材料为聚酰亚胺、苯丙环丁烯、以及丙烯酸均聚物等有机聚合物中的一种，或者是非晶硅、氧化硅、以及磷硅玻璃中的一种。

附图15B所示，参考步骤S1402，于所述牺牲层51表面刻蚀通孔6，所述通孔6终止于所述导电基座41表面。

附图15C所示，参考步骤S1403，在所述牺牲层51上及所述通孔6内依次形成支撑层、热敏电阻层、电极层、以及保护层。在本实施例中，在该步骤中，结构支撑层、热敏电阻层、电极层以及保护层横向延伸构成微桥结构的桥柱、桥面及微悬臂梁，具体地说，所述桥柱包括所述结构支撑层421、电极层422以及保护层423，所述桥面包括结构支撑层441、热敏电阻层442、电极层443以及保护层444，所述微悬臂梁包括结构支撑层431、电极层432以及保护层433，以上所述微桥结构具体的层级结构请参考附图3。

附图15D所示，参考步骤S1404，去除所述牺牲层51形成所述微桥阵列4。

上述技术方案通过在不改变微桥阵列的高度的情况下，在衬底表面设置一层高度存在差别的介质层，使得不同区域内的微桥结构与反射层构成的谐振腔的高度不同，使得不同区域内的谐振腔具有不同的吸收波峰，从而使得本发明高光谱成像的红外探测器具备光谱分光检测能力。器件不仅能够获得图像的信息，还可以在光谱维度上进行展开，以获得高光谱图像。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。