一种红外焦平面探测器及制造方法

1.本发明涉及红外探测器及其周边配套设施技术领域，特别是涉及一种红外焦平面探测器及制造方法。


背景技术：

2.探测器的红外焦平面本身由众多的像元组成，像元将接收到的光信号通过光电效应转换为电信号。为了将这些电信号发送出去，需要在像元之间设置转移门和移位寄存器，像元便无法将红外焦平面阵列的表面积占满，中间会有面积占比大约为1/3的间隙。而像元的红外光能利用率只有30％～60％，有效接收面积的降低直接导致红外焦平面阵列光敏性的降低。
3.红外微透镜阵列是指微米尺度的红外透镜组成的阵列组合，其聚能效应可对红外光波的物理特性进行调控和利用。红外微透镜阵列制造是利用一定工艺方法在红外材料表面获得特征尺寸在微米级的透镜阵列单元。目前微透镜阵列的加工技术主要有热回流技术、微滴喷射技术、注塑成形技术，三种方法都主要针对树脂材料的微透镜阵列，且在单元形状、一致性和尺寸范围上都存在一定的限制。以热回流技术为例，其技术原理如图1所示，通过对光刻胶进行曝光显影，形成圆柱阵列结构，然后将阵列结构加热至光刻胶玻璃态转变温度，使阵列柱状结构在其表面张力的作用下形成微透镜阵列，最后再将其与红外焦平面探测器集成。但现有技术制造的红外微透镜阵列存在一定问题，导致不适合集成于红外探测器或集成后效果差。
4.首先，现有技术对与制造的红外微透镜阵列可控性差。利用材料张力制造出的红外微透镜阵列难以控制其透镜曲率和孔径大小，形状精度差且无法制造矩形孔径的微透镜阵列。同时，由于液滴自发成形，制造出的微透镜阵列一致性差，精度难以保证。受尺寸效应影响，现有技术可制造的透镜单元尺寸范围有限，透镜尺寸大，无法用于红外焦平面探测器的集成。其次，现有技术均采用树脂材料，该种材料红外透过率低，透过范围窄，化学稳定性及理化性能也较低。此外，传统的红外探测器集成方法是将微透镜阵列结构向上进行集成，如图2所示。基于光的折射原理，集成后的红外光线经过透镜上表面后，应汇聚到像元，即红外微透镜阵列厚度应与微透镜阵列焦距一致，这就要求制造出的红外微透镜阵列厚度减薄至小于百微米，增加工序，且某些材料无法达到这样的厚度。
5.因此，现有技术中，现有技术中的微透镜阵列精度不佳，以致影响探测器灵敏度的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种红外焦平面探测器及制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高微透镜阵列加工制造精度，同时提高红外焦平面探测器的灵敏度。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种红外焦平面探测器，包括：
8.红外焦平面阵列，所述红外焦平面阵列包括红外探测器芯片；
9.微透镜阵列，所述微透镜阵列的阵列面与所述红外探测器芯片相连。
10.优选地，所述微透镜阵列与所述红外探测器芯片粘接相连。
11.优选地，所述微透镜阵列利用光学胶与所述红外探测器芯片粘接相连。
12.本发明还提供红外焦平面探测器制造方法，包括如下步骤：
13.步骤一、加工出具有凹面的结构模具，所述凹面与微透镜阵列的阵列面形状相匹配；
14.步骤二、将所述结构模具置于玻璃坯料的底部，所述凹面朝向所述玻璃坯料，加热所述结构模具和所述玻璃坯料，对所述结构模具施加压力，对所述玻璃坯料进行模压成型，得到所述微透镜阵列；
15.步骤三、在所述微透镜阵列的底部连接衬底，所述衬底位于远离所述微透镜阵列的阵列面的一侧；
16.步骤四、将所述微透镜阵列的阵列面与红外探测器芯片粘接；
17.步骤五、去除所述衬底，得到所述红外焦平面探测器。
18.优选地，步骤一中，所述凹面为球面或非球面球冠。
19.优选地，步骤一中，采用机械加工方式加工出所述凹面。
20.优选地，步骤二中，所述玻璃坯料为硫系玻璃材质制成。
21.优选地，步骤三中，采用粘接方式在所述微透镜阵列的底部固定所述衬底。
22.优选地，步骤四中，在所述红外探测器芯片上涂覆光学胶，利用所述光学胶粘接所述微透镜阵列。
23.优选地，步骤四中，在所述红外探测器芯片上旋涂所述光学胶。
24.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的红外焦平面探测器，包括红外焦平面阵列和微透镜阵列，其中，红外焦平面阵列包括红外探测器芯片，微透镜阵列的阵列面与红外探测器芯片相连。本发明在红外焦平面阵列上集成微透镜阵列，从而提升红外焦平面探测器的光能利用率，进而提升红外焦平面探测器灵敏度。
25.与此同时，本发明还提供一种红外焦平面探测器制造方法，首先，加工出结构模具，结构模具具有与微透镜阵列形状相匹配的凹面，然后对玻璃坯料进行模压成型得到微透镜阵列，大大提高了加工出的微透镜阵列的精度和一致性。在利用结构模具制得微透镜阵列后，在微透镜阵列的底部设置衬底，然后将微透镜阵列和衬底与红外焦平面阵列相连，利用衬底粘接微透镜阵列，操作便捷，将微透镜阵列的阵列面粘在红外探测器芯片上，避免微透镜阵列对探测器的影响，去除衬底后得到红外焦平面探测器。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为现有技术中热回流技术的原理图；
28.图2为现有技术中红外焦平面阵列的集成示意图；
29.图3为本发明的红外焦平面探测器制造方法的步骤一的示意图；
30.图4为本发明的微透镜阵列的加工装置的结构示意图；
31.图5为本发明的微透镜阵列的加工装置的工作示意图；
32.图6为本发明的红外焦平面探测器制造方法的步骤三的示意图；
33.图7为本发明的红外焦平面探测器制造方法中在红外探测器芯片上旋涂光学胶的示意图；
34.图8为本发明的红外焦平面探测器制造方法的步骤四的示意图；
35.图9为本发明的红外焦平面探测器制造方法的步骤五的示意图。
36.其中，1为结构模具，2为凹面，3为玻璃坯料，4为平面模具，5为第一套筒，6为第二套筒，7为衬底，8为红外探测器芯片，9为光学胶，10为微透镜阵列，11为像元，12为电路板。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.本发明的目的是提供一种红外焦平面探测器及制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高微透镜阵列加工制造精度，同时提高红外焦平面探测器的灵敏度。
39.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
40.请参考图3-图9，其中，图3为本发明的红外焦平面探测器制造方法的步骤一的示意图，图4为本发明的微透镜阵列的加工装置的结构示意图，图5为本发明的微透镜阵列的加工装置的工作示意图，图6为本发明的红外焦平面探测器制造方法的步骤三的示意图，图7为本发明的红外焦平面探测器制造方法中在红外探测器芯片上旋涂光学胶的示意图，图8为本发明的红外焦平面探测器制造方法的步骤四的示意图，图9为本发明的红外焦平面探测器制造方法的步骤五的示意图。
41.本发明提供一种红外焦平面探测器，包括红外焦平面阵列和微透镜阵列10，其中，红外焦平面阵列包括红外探测器芯片8，微透镜阵列10的阵列面与红外探测器芯片8相连。本发明在红外焦平面阵列上集成微透镜阵列10，从而提升红外焦平面探测器的光能利用率，进而提升红外焦平面探测器灵敏度。
42.此处还需要解释说明的是，红外焦平面阵列还包括像元11和电路板12，如图7所示，微透镜阵列10的阵列面与红外探测器芯片8相连，且微透镜阵列10的透镜对准像元11连接固定。
43.具体地，微透镜阵列10与红外探测器芯片8粘接相连，为了避免胶连影响探测器性能，实际应用中，可选择利用光学胶9实现微透镜阵列10与红外探测器芯片8粘接相连。
44.与此同时，本发明还提供一种红外焦平面探测器制造方法，包括如下步骤：
45.步骤一、加工出具有凹面2的结构模具1，凹面2与微透镜阵列10的阵列面形状相匹配；
46.步骤二、将结构模具1置于玻璃坯料3的底部，凹面2朝向玻璃坯料3，加热结构模具
1和玻璃坯料3，对结构模具1施加压力，对玻璃坯料3进行模压成型，得到微透镜阵列10；
47.步骤三、在微透镜阵列10的底部连接衬底7，衬底7位于远离微透镜阵列10的阵列面的一侧；
48.步骤四、将微透镜阵列10的阵列面与红外探测器芯片8粘接；
49.步骤五、去除衬底7，得到红外焦平面探测器。
50.本发明在利用结构模具1制得微透镜阵列10后，在微透镜阵列10的底部设置衬底7，然后将微透镜阵列10和衬底7与红外焦平面阵列相连，利用衬底7粘接微透镜阵列10，操作便捷，将微透镜阵列10的阵列面粘在红外探测器芯片8上，避免微透镜阵列10对探测器的影响，去除衬底7后得到红外焦平面探测器。
51.需要强调的是，凹面2为球面或非球面球冠，可根据探测器类型选择合适的凹面2，进而得到合适类型的微透镜阵列10。
52.更具体地，采用机械加工方式加工出凹面2，采用机械加工方式制造结构模具1，可控程度高，然后对玻璃坯料3进行模压成型得到微透镜阵列10，大大提高了加工出的微透镜阵列10的精度和一致性。
53.另外，步骤二中，玻璃坯料3为硫系玻璃材质制成，硫系玻璃作为红外透镜材料具有独特的优势，红外透过率高、透过范围宽，有利于提升红外焦平面探测器的性能。
54.在本具体实施方式中，步骤三中，采用粘接方式在微透镜阵列10的底部连接衬底7，方便进行后续去除衬底7的操作。
55.除此之外，在步骤三中，采用粘接方式在微透镜阵列10的底部固定衬底7，衬底7位于远离微透镜阵列10的阵列面的一侧，操作方便，且为后续去除衬底7提供了便利。
56.进一步地，在步骤四中，在红外探测器芯片8上旋涂光学胶9，然后将微透镜阵列10与红外探测器芯片8的像元11对准并将两者粘接。
57.还需要说明的是，在进行微透镜阵列10的加工时，加工装置包括结构模具1，结构模具1具有凹面2，凹面2与微透镜阵列10的形状相匹配，结构模具1采用机械加工方式制成，能够加工出高精度、高一致性的微透镜阵列10。
58.同时，微透镜阵列10的加工装置还包括平面模具4，平面模具4设置于结构模具1的顶部，凹面2朝向平面模具4设置，结构模具1与平面模具4之间能够容纳待加工的玻璃坯料3。在生产微透镜阵列10的过程中，可通过加热平面模具4达到加热玻璃坯料3的目的，提高玻璃坯料3加热均匀性。
59.实际操作中，微透镜阵列10的加工装置还包括第一套筒5，如图4所示，第一套筒5与平面模具4插接相连，结构模具1可滑动地伸入第一套筒5内，利用第一套筒5可固定结构模具1、平面模具4以及玻璃坯料3的相对位置，提高装置的稳定性，为微透镜阵列10加工制造提供便利。
60.在本具体实施方式中，结构模具1以及平面模具4的纵向截面均为t字形，第一套筒5与平面模具4插接相连，为玻璃坯料3提供稳定支撑，同时第一套筒5为结构模具1向玻璃坯料3施加压力提供了导向作用，保证了模压成型的顺利进行。
61.在本发明的其他具体实施方式中，微透镜阵列10的加工装置还可以包括第二套筒6，第二套筒6套装于第一套筒5的外部，进一步提高了装置的结构稳定性，提高了微透镜阵列10制造可靠性。
62.本发明能够制造出高精度、高一致性的矩形孔径红外微透镜阵列10，且更重要的是，本发明提供了一种红外焦平面探测器，微透镜阵列10的阵列面与红外探测器芯片8相连，在每个像元11上装一个小透镜，使光聚焦在像元11上，可使摄像机的灵敏度提高近1倍，像元11的量子效率在红外光谱范围内提高1倍，并能够提高信噪比，提升图像质量。
63.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。