专利名称：悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及动态红外图像生成技术领域，具体涉及一种悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片。
背景技术：
红外场景产生技术是红外成像制导半实物仿真系统的核心技术，对红外成像制导技术半实物系统仿真有及其重要的作用。动态红外场景产生技术在实验室条件下模拟红外目标和背景的红外辐射特性，为被测试的红外图像传感器提供实时红外目标和背景的红外图像源。动态红外图像生成技术可归纳为直接辐射型图像转换器和辐射调制型图像转换
ο对于直接辐射型图像转换器来说，其成像像元自身产生辐射，辐射强度由计算机图像生成系统控制。直接辐射型图像转换器主要有电阻阵列、激光二极管阵列、红外阴极射线管、Bly元件和热电器件等。对于辐射调制型图像转换器来说，其实际上是空间光调制器，计算机图像生成系统控制对器件的读出光进行空间强度调制，辐射调制型图像转换器主要有液晶光阀、可变形反射镜阵列、薄膜空间光调制器等。在上述这些转换器中，只有液晶光阀、Bly元件、电阻阵列、可变形反射镜阵列和激光二极管阵列在红外图像系统半实物仿真试验中得到实际应用。其中电阻阵列和Bly元件又是较为常用的器件。电阻阵列通过电阻单元内的控制电路控制流过每个电阻的电流就可以控制每个电阻的温度，从而达到显示红外图像的目的，但是，电阻阵列中的硅桥电阻阵列的缺陷是像元尺寸大，占空比低，难以发展较大尺寸的电阻阵列，空间分辨率低。Bly元件是一种镀金黑的薄膜，它吸收可见光图像的辐射，引起薄膜发热，金黑上可产生与可见光图像相对应的红外图像。薄膜越薄响应速度越快，但是薄膜太薄OO 200nm)时机械性能就很差，不能做成大面积，因此空间分辨率低；通常不能承受500K以上的温度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片，该芯片的一侧接收入射的可见光图像，经悬浮薄膜结构像元阵列，可见光能量被吸收产生热量， 在另一侧向外产生红外图像，实现可见光图像到红外图像的转换，达到大幅度提高动态红外图像生成装置的性能指标并降低成本的目的。该芯片包括衬底和薄膜像元阵列，其中衬底是由导热性极好的材料制成的，衬底上设计有多个开孔，各开孔等间距排列， 在每个开孔上覆盖一块薄膜，各薄膜相互独立，所有相同的薄膜构成薄膜像元阵列，每个开孔的另一侧允许可见光通过。薄膜为在所述衬底上进行碳化或沉积形成高可见光吸收率物质；或者，薄膜为在所述衬底上镀制或悬浮高可见光透过率膜，在该高可见光透过率膜上涂覆红外辐射膜而形成的物质。薄膜的形状为方形、圆形或多边形。衬底的面积和厚度的设计尺寸根据需要生成的红外图像的性能指标来选定衬底的面积根据需要生成的红外图像的空间分辨率来选定需要生成的红外图像的空间分辨率越高，设计的衬底的面积越大。衬底的厚度根据需要生成的红外图像的温度分辨率来选定需要生成的红外图像的温度分辨率越高，设计的衬底的厚度越大。薄膜的结构尺寸根据需要生成的红外图像的性能指标来选定薄膜的辐射面积根据需要生成的红外图像的转换温度和图像刷新频率来选定需要生成的红外图像的转换温度越高以及图像刷新频率越高，设计的薄膜的辐射面积越小。薄膜与衬底的接触面积根据需要生成的红外图像的转换温度和图像刷新频率来选定需要生成的红外图像的转换温度越高，设计的薄膜与衬底的接触面积越小，需要生成的红外图像的图像刷新频率越高，设计的薄膜与衬底的接触面积越大。薄膜之间的间隔根据需要生成的红外图像的温度分辨率来选定需要生成的红外图像的温度分辨率越高，设计的薄膜之间的间隔越大。薄膜的材料属性根据需要生成的红外图像的性能指标来选定薄膜的材料的热传导系数根据需要生成的红外图像的转换温度和图像刷新频率来选定需要生成的红外图像的转换温度越高，选取的薄膜的材料的热传导系数越低，需要生成的红外图像的图像刷新频率越高，选取的薄膜的材料的热传导系数越高。薄膜的材料的比热容根据需要生成的红外图像的转换温度来选定需要生成的红外图像的转换温度越高，选取的薄膜的材料的比热容越低。有益效果1)本发明采用衬底加悬浮薄膜结构像元阵列的结构，与Bly元件相比大大增强了其机械强度，可以做成大面积转换芯片。通过增加转换芯片的面积，可以增大装置的空间分辨率，而且实施方便；衬底上独立悬浮薄膜像元的设计，减小了像元间的温度串扰，从而增加了转换效率。2)该转换芯片未采用电子器件，结构简单，成本低。3)采用微机械加工工艺得到的悬浮薄膜像元，可以保证转换红外图像的均勻性。4)通过设计悬浮薄膜像元的材料属性和结构，可以提高红外图像刷新频率，使其达到IOOHz 200Hz，能够有效地解决由于图像刷新频率不高导致的图像转换装置与被测探测器扫描不匹配的问题。
图1(a)为本发明提供的一种悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片示意图；图1 (b)为本发明提供的一种悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片的多个开孔的结构示意图；图2(a)和图(b)为本发明提供的一种悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片的两种薄膜的结构示意图；图3为本发明提供的一种悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片的工作示意图；其中，1-衬底，2-悬浮薄膜结构，3-悬浮薄膜结构像元阵列，4-开孔，5-可见光图像，6-红外图像，7-准直透镜，8-高可见光吸收率物质，9-高可见光透过率膜，10-红外辐射膜，11-凹槽。
具体实施例方式下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。图1(a)为本发明提供的一种悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片示意图，该芯片包括衬底1和薄膜像元阵列3，其中所述衬底1是由导热性极好的材料制成的，衬底1上设计有多个开孔4，各开孔4 等间距排列，在每个开孔4上覆盖一块薄膜2，各薄膜2相互独立，所有相同的薄膜2构成薄膜像元阵列3，每个开孔4的另一侧允许可见光通过。本发明所提供的芯片可以根据所需输出的红外图像的性能指标来设计衬底1的结构尺寸以及薄膜2的结构尺寸和材料属性。所需输出的红外图像的性能指标主要包括转换温度、图像刷新频率、空间分辨率、温度分辨率。对于衬底1来说，设计尺寸的参数包括衬底1的厚度和面积衬底1的厚度根据需要生成的红外图像的温度分辨率来选定需要生成的红外图像的温度分辨率越高，设计的衬底1的厚度越大；在实际中，其厚度一般为0. 5 1mm，甚至可以大于1mm，否则不利于转换芯片残余热量的导出从而影响温度分辨率。当单个悬浮薄膜结构2的辐射面积一定时，设计的衬底1的面积越大，亦即悬浮薄膜结构2的数目越多，所以，衬底1的面积根据需要生成的红外图像的空间分辨率来选定需要生成的红外图像的空间分辨率越高，设计的衬底1的面积越大。对于薄膜2来说，设计参数包括薄膜形状、结构尺寸和材料属性薄膜2的薄膜形状比较灵活，可以为圆形、方形或多边形。如图1所示，本实施例的薄膜2为正方形。薄膜2的结构尺寸包括辐射面积、薄膜2与衬底1的接触面积以及薄膜2之间的间隔。所有薄膜2的面积之和构成了芯片的辐射面积，薄膜2与衬底1的接触面积与衬底 1的开孔4的大小有关。具体来说薄膜2的辐射面积根据需要生成的红外图像的转换温度和图像刷新频率来选定 需要生成的红外图像的转换温度越高以及图像刷新频率越高，设计的薄膜2的辐射面积越小。薄膜2与衬底1的接触面积根据需要生成的红外图像的转换温度和图像刷新频率来选定需要生成的红外图像的转换温度越高，设计的薄膜2与衬底1的接触面积越小，需要生成的红外图像的图像刷新频率越高，设计的薄膜2与衬底1的接触面积越大。薄膜2与衬底1的接触面积大小可以通过调整薄膜2大小或调整开孔4的大小来实现。薄膜2之间的间隔根据需要生成的红外图像的温度分辨率来选定需要生成的红外图像的温度分辨率越高，设计的所述薄膜2之间的间隔越大。根据上述薄膜2的结构尺寸的选定原则，可知，在要实现较高的红外图像的转换温度，薄膜2的辐射面积要小，与衬底1的接触面积要小。要实现较高的红外图像的图像刷新频率，薄膜2的辐射面积要小，与衬底1的接触面积要大。红外图像的高温度分辨率要求阵列间隔不宜过小，否则引起阵列间温度串扰，温度分辨率降低。薄膜2的材料属性主要包括热传导系数和比热容。具体来说薄膜2的材料的热传导系数根据需要生成的红外图像的转换温度和图像刷新频率来选定需要生成的红外图像的转换温度越高，选取的薄膜2的材料的热传导系数越低， 需要生成的红外图像的图像刷新频率越高，选取的薄膜2的材料的热传导系数越高；薄膜2的材料的比热容根据需要生成的红外图像的转换温度来选定需要生成的红外图像的转换温度越高，选取的薄膜2的材料的比热容越低。根据上述薄膜2的材料属性的选定原则，可知，在需要较高的红外图像的转换温度时，可以选用热传导系数较低和比热容较低的材料；在需要较高的红外图像的图像刷新频率时，则需选用热传导系数较高的材料。以上是衬底1和薄膜2的设计原则，在实际设计时，并不能一次性的选定参数，而是通过不断地进行软件仿真和参数调整实现。首先根据之前的设计经验给出衬底1和薄膜 2的结构尺寸，采用仿真软件求取该结构尺寸对应的芯片性能，然后根据上述参数的选定原则，对当前结构尺寸进行调节，再采用仿真软件求取该结构尺寸所对应的芯片性能，直到该芯片达到理想的性能指标为止。在实际情况下，薄膜2的形成方式如果采用制造单块薄膜，并将该薄膜直接贴覆到衬底的开孔上的技术，则制造工艺较为复杂，其不容易实施贴覆，因此，为了方便实施，较佳地，可以先在衬底上形成薄膜结构，该薄膜结构覆盖在整个衬底的一侧上，再利用刻蚀技术划分出薄膜2的形状，其具体包括但不限于以下两种实施方式方式一如图2(a)所示，在衬底1上直接形成高可见光吸收率物质8，例如在衬底 1上进行碳化或沉积形成高可见光吸收率物质8，然后根据所选定的薄膜2之间的间隔大小以及薄膜2的辐射面积大小对高可见光吸收率物质8进行刻蚀，形成凹槽11，凹槽11的形成使得在高可见光吸收率物质8上划分出薄膜2。所述高可见光吸收率物质8可采用碳化硅等。方式二 如图2(b)所示，在所述衬底1上镀制或悬浮极薄的高可见光透过率膜9， 再在该高可见光透过率膜9上涂覆红外辐射膜10，然后根据所选定的薄膜2之间的间隔大小以及薄膜2的辐射面积大小对涂覆红外辐射膜10的高可见光透过率膜9进行刻蚀，形成凹槽11，凹槽11的形成使得在高可见光透过率膜9上划分出薄膜2。所述高可见光透过率薄膜9可以采用聚酰亚胺薄膜；所述红外辐射膜10可以通过溅射钨，石墨等制成。图2(b)中红外辐射膜10的使用可以增加入射可见光吸收和红外辐射，从而提高可见光到红外的转换效率。红外辐射膜10的性能影响悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片生成红外图像的红外辐射波段、温度范围和图像刷新频率。红外辐射膜10是产生多波段红外辐射、高的辐射强度和高帧频的关键。红外辐射膜10的厚度极薄，通常为几十个纳米。下面举两个实施例，对于薄膜2的实际设计过程如下所述对于所述方式一衬底1采用厚度0. 3mm,直径为50mm的硅片，高可见光吸收率物质8为直接在衬底1上形成的0. 1 ym碳化硅层，悬浮薄膜结构2的辐射面积为 30 μ mX 30 μ m，间距为20 μ m,衬底1上开孔面积为29 μ mX 29 μ m，悬浮薄膜结构2与衬底 1接触面积为59 μ m2。经实验仿真后得到，所设计的转换芯片的空间分辨率达到512X512， 在最高温度为150°C时，红外图像的图像刷新频率可达100Hz，温度分辨率可达0. 05°C，具有良好的空间一致性，采用全白图入射时，全视场转换温度的非均勻性低于2%。对于所述方式二 衬底1采用厚度0. 3mm，直径为50mm的硅片，高可见光透过率膜 9为0. 1 μ m厚度的聚酰亚胺层，红外辐射膜10采用在聚酰亚胺层上溅射0. 01 μ m厚度的钨来制成，悬浮薄膜结构2的辐射面积为30 μ mX 30 μ m，间距20 μ m,衬底1上开孔面积为 29 μ m μ mX 29 μ m，悬浮薄膜结构2与衬底1接触面积为59 μ m2。经实验仿真后得到，所设计的转换芯片的空间分辨率为512X512，在最高温度为150°C时，红外图像的图像刷新频率可达100Hz，温度分辨率可达0. 05°C，具有良好的空间一致性，采用全白图入射时，全视场转换温度的非均勻性低于2%。图3为本发明提供的一种悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片的工作示意图。该芯片被密封于真空制冷环境中，在图3中使用本发明所提供的转换芯片时，可见光图像5入射，经过准直透镜7折射到衬底1 一侧的多个开孔4中，折射后的可见光经覆盖在开孔4的薄膜2的一侧，经薄膜2的热传导转换为热量，最终在薄膜2的另一侧产生红外图像6。由以上所述可见，本发明提供的悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片，其空间分辨率可以通过转换芯片面积的增加而大大增加；产生薄膜像元阵列3时采用微机械加工工艺，所谓的微结构加工工艺包括涂覆光刻胶、对板、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶等工序，其为已知技术手段。微机械加工工艺保证转换红外图像均勻，生成红外图像帧频可达到 IOOHz 200Hz，能有效解决本发明提供的转换芯片与被测探测器扫描匹配的问题；辐射波段范围广，包括可见和红外波段；通过选用热传导系数较低和比热容较低的材料，可以提高红外图像的转换温度；而且芯片的结构简单、可靠性高、成本低。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片，其特征在于，包括衬底(1)和薄膜像元阵列⑶，其中所述衬底(1)是由导热性极好的材料制成的，衬底(1)上设计有多个开孔G)，各开孔 ⑷等间距排列，在每个开孔⑷上覆盖一块薄膜0)，各薄膜⑵相互独立，所有相同的薄膜( 构成薄膜像元阵列(3)，每个开孔的另一侧允许可见光通过。
2.如权利要求1所述的悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片，其特征在于，所述衬底(1)的面积和厚度的设计尺寸根据需要生成的红外图像的性能指标来选定所述衬底(1)的面积根据需要生成的红外图像的空间分辨率来选定需要生成的红外图像的空间分辨率越高，设计的所述衬底(1)的面积越大；所述衬底(1)的厚度根据需要生成的红外图像的温度分辨率来选定需要生成的红外图像的温度分辨率越高，设计的所述衬底(1)的厚度越大。
3.如权利要求1所述的悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片，其特征在于，所述薄膜O)的结构尺寸根据需要生成的红外图像的性能指标来选定所述薄膜O)的辐射面积根据需要生成的红外图像的转换温度和图像刷新频率来选定需要生成的红外图像的转换温度越高以及图像刷新频率越高，设计的所述薄膜(2)的辐射面积越小；所述薄膜( 与衬底(1)的接触面积根据需要生成的红外图像的转换温度和图像刷新频率来选定需要生成的红外图像的转换温度越高，设计的所述薄膜( 与衬底(1)的接触面积越小，需要生成的红外图像的图像刷新频率越高，设计的所述薄膜( 与衬底(1)的接触面积越大；所述薄膜(2)之间的间隔根据需要生成的红外图像的温度分辨率来选定需要生成的红外图像的温度分辨率越高，设计的所述薄膜( 之间的间隔越大。
4.如权利要求1所述的悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片，其特征在于，所述薄膜O)的材料属性根据需要生成的红外图像的性能指标来选定所述薄膜O)的材料的热传导系数根据需要生成的红外图像的转换温度和图像刷新频率来选定需要生成的红外图像的转换温度越高，选取的所述薄膜O)的材料的热传导系数越低，需要生成的红外图像的图像刷新频率越高，选取的所述薄膜O)的材料的热传导系数越高；所述薄膜O)的材料的比热容根据需要生成的红外图像的转换温度来选定需要生成的红外图像的转换温度越高，选取的所述薄膜(2)的材料的比热容越低。
5.如权利要求1所述的悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片，其特征在于，所述薄膜( 为在所述衬底(1)上进行碳化或沉积形成高可见光吸收率物质；或者，所述薄膜( 为在所述衬底(1)上镀制或悬浮高可见光透过率膜，在该高可见光透过率膜上涂覆红外辐射膜而形成的物质。
6.如权利要求1所述的悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片，其特征在于，所述薄膜O)的薄膜形状为方形、圆形或多边形。
全文摘要
本发明公开了一种悬浮薄膜型可见光图像到红外图像转换芯片，能够实现可见光图像到红外图像的转换，达到大幅度提高动态红外图像生成装置的性能指标并降低成本的目的；该芯片包括衬底和薄膜像元阵列，衬底是由导热性极好的材料制成的，衬底上设计有多个开孔，各开孔等间距排列，在每个开孔上覆盖一块薄膜，各薄膜相互独立，所有相同的薄膜构成薄膜像元阵列，每个开孔的另一侧允许可见光通过；薄膜为在所述衬底上进行碳化或沉积形成高可见光吸收率物质；或者，薄膜为在所述衬底上镀制或悬浮高可见光透过率膜，在该高可见光透过率膜上涂覆红外辐射膜而形成的物质；薄膜的形状为方形、圆形或多边形。
文档编号H01L27/146GK102354697SQ20111020682
公开日2012年2月15日 申请日期2011年7月22日 优先权日2011年7月22日
发明者吴峰霞, 李卓, 范增名, 钱丽勋, 韩阶平 申请人:北京理工大学, 北京金盛微纳科技有限公司