一种响应波段可选的非制冷红外探测器

1.本专利涉及红外探测器，具体是指一种具有单波段、双波段、三波段和全波段探测功能的响应波段可选的热敏电阻薄膜型非制冷红外探测器。


背景技术：

2.红外探测器在民用和国防军事领域都有着非常广泛的用途，如红外热成像、气象遥感、防火报警、非接触测温、医疗诊断、导弹预警和拦截等诸多方面。红外探测器通常分为制冷型和非制冷型两大类。以碲镉汞等传统窄禁带半导体为代表的光子型探测器，为获得器件的高性能响应，需要复杂的制冷装置，高成本限制了其广泛推广应用。非制冷型红外探测器无需复杂的制冷系统，可在室温下工作，虽然探测性能低于制冷型探测器，但已能满足绝大多数民用和军事应用，特别是其具有低成本优势，已经占据了当前红外探测器市场的绝大多数份额。非制冷红外探测器是未来红外探测器进一步大规模推广应用的发展趋势。
3.宽光谱、多波段或多色探测是下一代红外探测器的主要发展方向和要求，相比于单波段探测，可探测更丰富的目标信号，获得更多的光谱信息，提升温度的探测精度，提高成像的对比度，降低目标的虚警率，增加目标的识别能力。目前已实现多色探测功能的主要是基于碲镉汞、量子阱和超晶格等三类制冷型探测器，这些探测器属于光子探测型的，通过调节材料组分或能带制备成叠层结构来实现多波段响应，其制备工艺复杂，对组成器件的各功能层材料的表面、界面性能要求苛刻，目前能够实现的探测器件主要还是局限于双波段或双色响应。热敏电阻型红外探测器是一类非常重要的非制冷红外探测器，基本原理是通过测量目标红外热辐射引起的热敏材料电阻的变化来实现对红外热辐射的探测。热敏电阻材料的电阻温度系数(temperature coefficient of resistance，tcr)是决定探测性能的重要参数之一。目前，以氧化钒(vo
x
)、非晶硅(a
‑
si)等传统热敏材料为代表的热敏电阻型红外探测器已商业化应用，但在室温下这些材料的tcr绝对值相对偏低，比如室温下vo
x
和a
‑
si的tcr都约为
‑
2％/k，限制了探测性能的提升。因此，需要进一步开发具有高tcr绝对值的新型热敏材料。此外，这类非制冷型探测器采用了微桥谐振腔结构，通常微桥的高度设计成1/4波长，导致响应波段单一，比如针对室温物体探测(如300k，对应～10μm的辐射峰值波长)，需设计微桥高度约为2.5μm，探测器相应的光谱响应范围约为8
‑
14μm。微桥结构的使用会增加器件工艺的复杂性，为形成微桥，需要额外制备牺牲层、支撑层和钝化层，需要额外的刻蚀工艺，如果高度高的话，难度还会增加，存在桥面坍塌的风险，成品率会降低，进而增加制备成本。此外，传统的微桥制备工艺与标准的硅集成电路工艺不兼容，比如微桥制备包含诸如约750度的高温工艺要求，而硅基读出电路的最高耐温只有约450度。
4.关于双色/多色非制冷红外探测器，目前公开报道的文献相对很少。专利[甘先锋，杨水厂，王宏臣，陈文礼，“一种非制冷双色红外探测器mems芯片及其制造方法”，授权公告号：cn 107117578 b]公开了一种非制冷红外探测器的制备结构和制备方法，采用两种不同高度的微桥结构组合的方式来实现双波段的探测，但这种双微桥结构将显著增加制备工艺难度，降低成品率，进一步推升制备成本。


技术实现要素：

[0005]
基于上述已有技术存在的种种问题，本专利的目的是提出一种具有单波段、双波段、三波段和全波段探测功能的响应波段可选的热敏电阻薄膜型非制冷红外探测器。
[0006]
锰钴镍氧(mn
‑
co
‑
ni
‑
o，mcn)过渡金属氧化物是一种新型的热敏电阻半导体材料，我们实验室已采用磁控溅射方法[见文献1]在室温下制备出高质量的mcn薄膜，并通过实验研究发现室温下mcn薄膜的tcr约为
‑
3％～
‑
4％/k，优于传统的vo
x
、a
‑
si等热敏材料的tcr(～
‑
2％/k)。同时，组成mcn材料的过渡金属锰、钴、镍和氧化物之间存在高的极化性，会与外部电磁波产生强耦合，使得mcn材料本身具有非常宽的光谱响应(0.2～50μm)和高的红外辐射吸收能力[见文献2]。这些实验研究表明，基于mcn材料的性能优点，可以不采用导致器件具有较窄单一响应波段的传统微桥结构，而是直接在si基coms读出电路上沉积高性能的mcn热敏红外吸收层薄膜材料，充分发挥mcn材料可宽光谱响应的优点，实现全波段的非制冷红外探测。
[0007]
众所周知，大气中存在1
‑
2.5μm、3
‑
5μm和8
‑
14μm等3个大气透射窗口，分别称为短波红外(swir)、中波红外(mwir)和长波红外(lwir)。在上述全波段非制冷红外探测器研制成功的基础上，如果再配合针对3个大气透射窗口的带通滤光片的切换使用，可获取同一目标在不同波段的红外辐射信号，通过对信号数据的后续加减融合等算法处理，可以实现单波段、双波段、三波段和全波段探测功能。
[0008]
由此提出本专利的技术方案：直接在si基coms读出电路上沉积高性能的mcn热敏红外吸收层薄膜材料，实现全波段非制冷红外探测器的制备；进一步，在全波段非制冷红外探测器的前面配置带通滤光片循环切换装置，通过外围辅助电子学系统控制滤光片循环切换时序和信号读出时序，以及对数据进行加减融合等算法处理，实现具有单波段、双波段、三波段和全波段探测功能的响应波段可选的热敏电阻薄膜型非制冷红外探测器。
[0009]
上述所涉及的文献如下：
[0010]
1.j.wu,z.huang,l.jiang,y.gao,w.zhou,and j.chu,flexible thermistors mcno films with low resistivity and high tcr deposited on flexible organic sheets by rf magnetron sputtering,proc.spie 10403(2017)104030c；
[0011]
2.z.huang,w.zhou,c.ouyang,j.wu,f.zhang,j.huang,y.gao,and j.chu,high performance of mn
‑
co
‑
ni
‑
o spinel nanofilms sputtered from acetate precursors.sci.rep.5(2015)10899；
[0012]
本专利的一种响应波段可选的非制冷红外探测器的结构剖面图如图1所示，包括全波段响应的非制冷红外探测器1，滤光片切换装置2，其特征在于：
[0013]
所述的一种响应波段可选的非制冷红外探测器自红外辐射方向依次为滤光片切换装置2、全波段响应的非制冷红外探测器1；
[0014]
所述的全波段响应的非制冷红外探测器1的结构剖面图如图2所示，包括硅基cmos读出电路1
‑
1，绝缘层1
‑
2，隔热层1
‑
3，热敏电阻薄膜1
‑
4，金属电极1
‑
5；
[0015]
所述的全波段响应的非制冷红外探测器1自si基cmos读出电路1
‑
1之上依次为绝缘层1
‑
2、隔热层1
‑
3、热敏电阻薄膜1
‑
4和金属电极1
‑
5；
[0016]
所述的绝缘层1
‑
2为二氧化硅绝缘层，厚度为50nm；
[0017]
所述的隔热层1
‑
3为聚酰亚胺隔热层，厚度为0.8
‑
1.2μm；
[0018]
所述的热敏电阻薄膜1
‑
4为锰钴镍氧热敏电阻薄膜，厚度为1.5
‑
2.5μm；
[0019]
所述的金属电极1
‑
5为铬和金复合电极，厚度分别为30nm和150nm；
[0020]
所述的滤光片切换装置2的结构俯视图如图3所示，滤光片切换装置2为圆盘形滤光片轮，中心对称开四个圆形窗口，窗口尺寸覆盖全波段响应的非制冷红外探测器1，其中的三个窗口依次内嵌第一滤光片3
‑
1、第二滤光片3
‑
2和第三滤光片3
‑
3；
[0021]
所述的第一滤光片3
‑
1为短波红外(1
‑
2.5μm)带通滤光片；
[0022]
所述的第二滤光片3
‑
2为中波红外(3
‑
5μm)带通滤光片；
[0023]
所述的第三滤光片3
‑
3为长波红外(8
‑
14μm)带通滤光片。
[0024]
本专利的一种响应波段可选的非制冷红外探测器的制备方法，其步骤如下：
[0025]
§
1在硅基cmos读出电路上，制备二氧化硅绝缘层，厚度为50nm；
[0026]
采用的制备方法为磁控溅射方法。
[0027]
二氧化硅绝缘层用来保护读出电路。
[0028]
§
2在二氧化硅绝缘层上制备聚酰亚胺隔热层，厚度为0.8
‑
1.2μm；
[0029]
采用的制备方法为溶液旋涂法。
[0030]
聚酰亚胺隔热层用来降低器件的热传导，提高器件的响应率。
[0031]
§
3在聚酰亚胺隔热层上制备锰钴镍氧热敏电阻薄膜，厚度为1.5
‑
2.5μm；
[0032]
采用的制备方法为磁控溅射方法[见文献1]。
[0033]
§
4通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺，将锰钴镍氧热敏电阻薄膜制备成分立的锰钴镍氧薄膜探测元，露出硅基cmos读出电路的电极；
[0034]
§
5通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺，采用一定的方法在锰钴镍氧薄膜探测元的两端制备铬和金复合电极，铬和金复合电极在底端与cmos读出电路的电极接触，厚度分别为30nm和150nm；
[0035]
所述的制备方法是磁控溅射方法或双离子束溅射方法。
[0036]
铬和金复合电极的作用是与锰钴镍氧热敏电阻薄膜形成欧姆接触，并通过与读出电路相连接来输出信号。
[0037]
§
6装配圆盘形滤光片轮，将滤光片轮中心对称开四个圆形窗口，其中的三个圆形窗口依次内嵌短波红外(1
‑
2.5μm)带通滤光片、中波红外(3
‑
5μm)带通滤光片和长波红外(8
‑
14μm)带通滤光片，第四个圆形窗口为空白窗口；
[0038]
圆形窗口和上述由
§
1～
§
5制备的全波段响应的非制冷红外探测器中心重合，圆形窗口尺寸覆盖全波段响应的非制冷红外探测器。
[0039]
通过外围的电子学系统控制滤光片循环切换时序和信号读出时序，以及对数据进行加减融合等算法处理，可实现单波段、双波段、三波段和全波段探测功能。
[0040]
本专利的最显著优点是：
[0041]
1.直接采用硅基cmos读出电路作为衬底，实现单片式集成探测器件，单片式集成有助于降低噪声、提高探测性能，适用于单元、线列及面阵红外探测器。
[0042]
2.器件不含传统的微桥结构，与标准的硅集成电路工艺兼容，不存在传统的微桥结构可能面临的桥面坍塌的风险，增加了器件的整体强度，提高了成品率，进而降低了制备成本。
[0043]
3.器件可以同时实现单波段、双波段、三波段和全波段探测，具有“一景多像”功
能，相比于单一波段探测，可探测更丰富的目标信号，获得更多的光谱信息，提升温度的探测精度，提高成像的对比度，降低目标的虚警率，增加目标的识别能力。还可选用特定波段的带通滤光片，实现对特定波段的探测，进一步扩展探测器功能。
附图说明
[0044]
图1为本专利的一种响应波段可选的非制冷红外探测器的结构剖面图。
[0045]
图2为本专利所述的全波段响应的非制冷红外探测器的结构剖面图。
[0046]
图3为本专利所述的滤光片切换装置的结构俯视图。
[0047]
图中标号：1为全波段响应的非制冷红外探测器，2为滤光片切换装置，3为滤光片，1
‑
1为硅基cmos读出电路，1
‑
2为绝缘层，1
‑
3为隔热层，1
‑
4为热敏电阻薄膜，1
‑
5为金属电极，3
‑
1为第一滤光片，3
‑
2为第二滤光片，3
‑
3为第三滤光片，3
‑
4为空白窗口。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图和实施例对本专利的具体实施方式作进一步的详细说明：
[0049]
实施例1：
[0050]
1.在硅基cmos读出电路上采用磁控溅射方法制备二氧化硅绝缘层，厚度为50nm。
[0051]
2.在二氧化硅绝缘层上采用溶液旋涂法制备聚酰亚胺隔热层，厚度为0.8μm。
[0052]
3.在聚酰亚胺隔热层上采用磁控溅射方法制备锰钴镍氧热敏电阻薄膜，厚度为1.5μm。
[0053]
4.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺，将锰钴镍氧热敏电阻薄膜制备成分立的锰钴镍氧薄膜探测元，露出硅基cmos读出电路的电极。
[0054]
5.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺，采用磁控溅射方法在锰钴镍氧薄膜探测元的两端制备铬和金复合电极，铬和金复合电极在底端与cmos读出电路的电极接触，厚度分别为30nm和150nm。
[0055]
6.装配圆盘形滤光片轮，将滤光片轮中心对称开四个圆形窗口，其中的三个圆形窗口依次内嵌短波红外(1
‑
2.5μm)带通滤光片、中波红外(3
‑
5μm)带通滤光片和长波红外(8
‑
14μm)带通滤光片，第四个圆形窗口为空白窗口。
[0056]
圆形窗口和上述由步骤1～5制备的全波段响应的非制冷红外探测器中心重合，圆形窗口尺寸覆盖全波段响应的非制冷红外探测器。通过外围的电子学系统控制滤光片循环切换时序和信号读出时序，以及对数据进行加减融合等算法处理，进行不同波段数据的排列组合，可实现单波段、双波段、三波段和全波段探测功能。
[0057]
实施例2：
[0058]
1.在硅基cmos读出电路上采用磁控溅射方法制备二氧化硅绝缘层，厚度为50nm。
[0059]
2.在二氧化硅绝缘层上采用溶液旋涂法制备聚酰亚胺隔热层，厚度为1.0μm。
[0060]
3.在聚酰亚胺隔热层上采用磁控溅射方法制备锰钴镍氧热敏电阻薄膜，厚度为1.8μm。
[0061]
4.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺，将锰钴镍氧热敏电阻薄膜制备成分立的锰钴镍氧薄膜探测元，露出硅基cmos读出电路的电极。
[0062]
5.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺，采用双离子束溅射方法在锰钴镍氧
薄膜探测元的两端制备铬和金复合电极，铬和金复合电极在底端与cmos读出电路的电极接触，厚度分别为30nm和150nm。
[0063]
6.装配圆盘形滤光片轮，将滤光片轮中心对称开四个圆形窗口，其中的三个圆形窗口依次内嵌短波红外(1
‑
2.5μm)带通滤光片、中波红外(3
‑
5μm)带通滤光片和长波红外(8
‑
14μm)带通滤光片，第四个圆形窗口为空白窗口。
[0064]
圆形窗口和上述由步骤1～5制备的全波段响应的非制冷红外探测器中心重合，圆形窗口尺寸覆盖全波段响应的非制冷红外探测器。通过外围的电子学系统控制滤光片循环切换时序和信号读出时序，以及对数据进行加减融合等算法处理，进行不同波段数据的排列组合，可实现单波段、双波段、三波段和全波段探测功能。
[0065]
实施例3：
[0066]
1.在硅基cmos读出电路上采用磁控溅射方法制备二氧化硅绝缘层，厚度为50nm。
[0067]
2.在二氧化硅绝缘层上采用溶液旋涂法制备聚酰亚胺隔热层，厚度为1.2μm。
[0068]
3.在聚酰亚胺隔热层上采用磁控溅射方法制备锰钴镍氧热敏电阻薄膜，厚度为2.5μm。
[0069]
4.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺，将锰钴镍氧热敏电阻薄膜制备成分立的锰钴镍氧薄膜探测元，露出硅基cmos读出电路的电极。
[0070]
5.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺，采用双离子束溅射方法在锰钴镍氧薄膜探测元的两端制备铬和金复合电极，铬和金复合电极在底端与cmos读出电路的电极接触，厚度分别为30nm和150nm。
[0071]
6.装配圆盘形滤光片轮，将滤光片轮中心对称开四个圆形窗口，其中的三个圆形窗口依次内嵌短波红外(1
‑
2.5μm)带通滤光片、中波红外(3
‑
5μm)带通滤光片和长波红外(8
‑
14μm)带通滤光片，第四个圆形窗口为空白窗口。
[0072]
圆形窗口和上述由步骤1～5制备的全波段响应的非制冷红外探测器中心重合，圆形窗口尺寸覆盖全波段响应的非制冷红外探测器。通过外围的电子学系统控制滤光片循环切换时序和信号读出时序，以及对数据进行加减融合等算法处理，进行不同波段数据的排列组合，可实现单波段、双波段、三波段和全波段探测功能。