红外焦平面阵列中读出电路及其参比电阻以及制造方法

文档序号:7793645阅读:345来源:国知局
专利名称:红外焦平面阵列中读出电路及其参比电阻以及制造方法
技术领域
本发明涉及非制冷红外探測技术领域,尤其涉及一种非制冷红外焦平面阵列探測器中參比电阻及其制造方法,以及使用该參比电阻的读出电路。
背景技术
近20年来,基于微测辐射热计的非制冷红外探测技术取得了重大的突破并达到了实用化,它是集红外敏感材料、光学技术、制冷技术、微电子技术等于一体的高新综合技术。其具有抗干扰能力强、体积小、重量轻、隐蔽性能好等优点,在军事和民用领域获得了广泛的应用。非制冷红外焦平面阵列是基于MEMS技术的器件,其基本工作原理是,目标物体的红外辐射被红外焦平面阵列像元吸收,从而引起热敏感材料薄膜温度升高,由于热敏感薄膜具有温度-电阻(TCR)特性,其电阻将发生变化,并通过其中的电学通道将这种变化传递给读出电路,从而检测出该电阻值得变化,最后实现红外辐射的探測。非制冷红外焦平面器件的根本是要实现在室温下的红外探測,因此其探测结构的设计就成为整个器件的关键。现有的非制冷红外焦平面探測器通常采用微桥结构。微桥结构由桥墩、桥腿、桥面组成,其中镀有热敏感材料薄膜的桥面通过桥墩和桥腿与衬底相连, 并悬浮于衬底之上。当目标物体红外辐射进入焦平面,并被敏感材料所吸收时,红外辐射的变化就反映为热敏薄膜的电阻变化。在读出电路中,敏感电阻的敏感电流是由于其两端加上的偏压而产生的。但由于探測器周围环境同样具有红外辐射,同时焦平面自身也具有一定的工作稳定,这部分热量就成为了系统的背景噪声。在无红外辐射的情况下产生的电流, 称之为暗场电流,这就需要设计能够根据环境温度变化而变化的參比电路,为探測器像元输出提供补偿电流,消除暗场电流,也就是环境背景噪声对探测效果的影响。目前,国内外应用较为普遍的暗场电流补偿方法是采用通过设计电压偏置的參比电路,这种參比电路具有随环境温度变化而变化的等效电阻,称为參比电阻,在偏压的作用下,參比电路根据环境稳定产生暗场补偿电流与敏感电流相抵消,从而屏蔽环境温度的影响。这种暗场电流的补偿方法特点是结果简単,易于实现。通常情况下,參比电阻的制作采用的方法有两种。一种是让微测辐射热计把接收红外辐射产生的热量直接传到衬底,从而产生屏蔽掉红外辐射的暗场补偿电流的方法。这种方法的缺点在于很难让100%的热量都传导到衬底,残余的热量会造成补偿电流的误差。另ー种是在微测辐射热计上镀上ー层反光层,将红外辐射反射出去,从而产生屏蔽掉红外辐射的暗场补偿电流。这种方法的缺陷在于加入的这层反光材料会使微测辐射热计的成分改变性状,从而使电阻发生变化,达不到精确补偿暗场电流的方法。同吋,由于红外焦平面阵列器件一般都采用行选通、列输出的方式设计读出电路,其中每一列像元具有単独的參比电阻,故每一列像元具有独立的补偿电流。这种设计方法的缺陷在干,当每一列像元的參比电路探测单元获得不同的參比吋,将使每一列像元的产生的敏感电流获得不同的补偿电流,从而导致红外成像的非均勻,特别是出现明显的列条纹非均勻性。

发明内容
针对上述现有技木,本发明要解决的技术问题是提供一种使得所有參比电阻能够获得相同的稳定系数,从而为每一列像元提供相同的补偿电流,抑制环境温度对红外探測器造成的影响,保证在没有红外辐射的情况下,输入积分器的电流为零,提高红外探测图像的均勻性的參比电阻及其制造方法,以及使用该參比电阻的读出电路。为了解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案一种非制冷红外焦平面阵列探測器中的參比电阻,每个參比电阻由4个參比单元构成,其中两个參比単元并联后串接另外两个并联的參比单元;
所述參比単元包括设有读出电路的衬底,在衬底上设有第一绝缘隔离层,在第一绝缘隔离层上表面靠近两侧设有两个与衬底连通的通孔,通孔中设有读出电极,读出电极高于第一绝缘隔离层,在两读出电极间的凹槽中设有与探測像元所用材料相同的热敏感材料层,热敏感材料层高度与读出电极高度持平,在读出电极与热敏感材料层上方设有第二绝缘隔离层,
在所有參比单元的上方共设ー导热金属层,导热金属层与參比単元上的第二绝缘层相连接。进ー步地,所述导热金属层为金、银、铜或铝。进ー步地,所述第一绝缘隔离层和第二绝缘隔离层为Si3N4,厚度小于0. 1 μ m。进ー步地,所述热敏感材料薄膜为氧化钒、非晶硅或非晶硅锗合金。一种非制冷红外焦平面阵列探測器中的參比电阻的制造方法,包括如下步骤
(1)构造參比単元;
①在硅衬底上形成第一绝缘隔离层,作为衬底层与敏感材料层的隔离薄膜;
②刻蚀第一绝缘隔离层,留出两个读出底电极和预留读出电极桥柱孔,沉积牺牲层;
③刻蚀牺牲层,形成与预留读出电极桥柱孔相对应的读出电极桥柱孔;
④往桥柱孔灌注导电金属,形成两个热敏感层暗场电阻的读出电扱,刻蚀牺牲层;
⑤往两电极之间形成的凹槽中沉积热敏感材料;
⑥在敏感材料及电极上方沉积第二绝缘隔离层;
(2)构造參比电阻
⑦将两个參比単元并联后串接另外两个并联的參比单元构成ー个參比电阻;
⑧将參比电阻的參比单元间填充第二层牺牲层,并在參比单元及第ニ层牺牲层上方沉积形成导热金属层;
⑨刻蚀第二层牺牲层,并实现导热金属层平坦化。进ー步地,所述导热金属层为金、银、铜或铝。进ー步地,所述第一绝缘隔离层和第二绝缘隔离层为Si3N4,厚度小于0. 1 μ m。进ー步地,所述热敏感材料薄膜为氧化钒、非晶硅或非晶硅锗合金。ー种使用上述參比电阻的读出电路,包括积分放大电路、列选通输出逻辑电路,所述红外焦平面阵列中每列包括ー个參比电阻,所有參比电阻间的导热金属层为一体连接,
每个參比电阻各有一端与一个由偏置电压GSK控制的第一选通开关相连,另一端与另一偏置电压Vsk相连,第一选通开关的输出通过第二选通开关连接一列红外焦平面阵列像素単元,所述第二选通开关与每个像素単元串联,在列选通输出逻辑电路的控制下,输出图
像信息。进ー步地,所述的第一选通开关为场效应晶体管。与现有技术相比,本发明具有以下有益效果
(1)每个參比电阻由四个參比单元构成,这种设计有利于降低參比电阻由于エ艺问题引起的阻值不均,能提高參比电阻均勻性。(2)采用本发明提出的參比电阻,在所有參比电阻上方制作完整的导热金属层,能使參比单元探測统ー环境温度,产生相同的等效电阻,能够为像元提供共同的补偿电流,从而使非制冷红外焦平面阵列器件成像效果得到进ー步提升。(3)采用此种设计方法,參比电阻阻值受导热金属层和衬底层温度共同影响,解决了衬底导热不均的问题,同时反射外界红外辐射对參比电阻的影响,增强系统的抗干扰能力;
(4)此种參比电阻设计引入导热金属层,保证了环境温度产生的热量能良好的传到衬底,从而提升了器件整体的探测效率;
(5)此种參比层设计方法简单,与现有非制冷红外焦平面阵列器件的制备エ艺完全兼容,易于实现。


图1为本发明红外焦平面阵列单元读出电路结构图; 图2为本发明单个參比単元结构示意图3为本发明的參比电阻层制作过程示意图4为本发明等效參比电阻示意图,其中Rblind为參比单元产生的等效电阻,Rsenstff为像元敏感材料产生的等效电阻;
图5为本发明红外焦平面阵列整体读出电路等效图。
具体实施例方式下面将结合附图及具体实施方式
对本发明作进ー步的描述。參见图1为红外焦平面阵列单元读出电路结构图,区域1为參比电阻提供的补偿电路,其中Rblind为四个參比单元敏感材料产生的等效电阻;区域2为一列红外焦平面像元, 其中民》·为单个像元微桥桥面敏感材料的等效电阻,像元的选通由第二选通开关^lect 控制;区域3为读出电路为像元输出信号积分运算放大电路,Vo为焦平面图像信息输出端。本发明所提供的提高非制冷红外焦平面阵列探測器參比电阻均勻性的方法,其特征在于,针对的红外器件像元读出电路如图1所示,Vsk、Vfid、Gsk为外加可调偏置电压,Vfid 的输入范围为1. 8V士5mV,Gsk的输入范围为2. 6V士5mV,Vsk的输入范围为4. 9V 士5mV,Vref 为不随温度和生产エ艺而变化的恒定偏置电压,输入范围为2. 2V士5mV。Rsenstff为像元热敏电阻,其阻值随外界红外辐射强度变化而变化,Rblind为暗场电阻,由參比层四个參比単元串接而成,其阻值不随外界红外辐射強度强弱而不同,但是会随环境温度变化而变化,在选通控制信号(^sk的控制下,接入电路,产生补偿电流I1,与像元敏感电阻产生的像元电流I2 相互抵消,从而消除系统背景噪声的影响。根据图1,可以得到
权利要求
1.一种红外焦平面阵列中读出电路的參比电阻,其特征在于每个參比电阻由4个參比单元构成,其中两个參比単元并联后串接另外两个并联的參比单元;所述參比単元包括设有读出电路的衬底,在衬底上设有第一绝缘隔离层,在第一绝缘隔离层上表面靠近两侧设有两个与衬底连通的通孔,通孔中设有读出电极,读出电极高于第一绝缘隔离层,在两读出电极间的凹槽中设有与探測像元所用材料相同的热敏感材料层,热敏感材料层高度与读出电极高度持平,在读出电极与热敏感材料层上方设有第二绝缘隔离层,在所有參比单元的上方共设ー导热金属层,导热金属层与參比単元上的第二绝缘层相连接。
2.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列中读出电路的參比电阻,其特征在于所述导热金属层为金、银、铜或铝。
3.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列中读出电路的參比电阻,其特征在于所述第一绝缘隔离层和第二绝缘隔离层为Si3N4,厚度小于0. 1 μ m。
4.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列中读出电路的參比电阻,其特征在于所述热敏感材料薄膜为氧化钒、非晶硅或非晶硅锗合金。
5.一种红外焦平面阵列中读出电路的參比电阻的制造方法,其特征在干,包括如下步骤(1)构造參比単元;①在硅衬底上形成第一绝缘隔离层,作为衬底层与敏感材料层的隔离薄膜;②刻蚀第一绝缘隔离层,留出两个读出底电极和预留读出电极桥柱孔,沉积牺牲层;③刻蚀牺牲层,形成与预留读出电极桥柱孔相对应的读出电极桥柱孔;④往桥柱孔灌注导电金属,形成两个热敏感层暗场电阻的读出电扱,刻蚀牺牲层;⑤往两电极之间形成的凹槽中沉积热敏感材料;⑥在敏感材料及电极上方沉积第二绝缘隔离层;(2)构造參比电阻⑦将两个參比単元并联后串接另外两个并联的參比单元构成ー个參比电阻;⑧将參比电阻的參比单元间填充第二层牺牲层,并在參比单元及第ニ层牺牲层上方沉积形成导热金属层;⑨刻蚀第二层牺牲层,并实现导热金属层平坦化。
6.根据权利要求5所述的红外焦平面阵列中读出电路的參比电阻的制造方法,其特征在于所述导热金属层为金、银、铜或铝。
7.根据权利要求5所述的红外焦平面阵列中读出电路的參比电阻的制造方法,其特征在于所述第一绝缘隔离层和第二绝缘隔离层为Si3N4,厚度小于0. 1 μ m。
8.根据权利要求5所述的红外焦平面阵列中读出电路的參比电阻的制造方法,其特征在于所述热敏感材料薄膜为氧化钒、非晶硅或非晶硅锗合金。
9.ー种使用权利要求1-4任一项所述參比电阻的读出电路,包括积分放大电路、列选通输出逻辑电路,红外焦平面阵列中每列包括ー个參比电阻,其特征在干所有參比电阻间的导热金属层为一体连接,每个參比电阻各有一端与一个由偏置电压GSK控制的第一选通开关相连,另一端与另ー偏置电压Vsk相连,第一选通开关的输出通过第二选通开关连接一列红外焦平面阵列像素単元,所述第二选通开关与每个像素単元串联,在列选通输出逻辑电路的控制下,输出图像信息。
10.根据权利要求9所述的读出电路,其特征在于所述的第一选通开关为场效应晶体管。
全文摘要
本发明公开了一种红外焦平面阵列中读出电路及其参比电阻以及制造方法,其中参比电阻包括4个参比单元,其中两个参比单元并联后串接另外两个并联的参比单元;所述参比单元包括设有读出电路的衬底,在衬底上设有第一绝缘隔离层,在第一绝缘隔离层上表面靠近两侧设有两个与衬底连通的通孔,通孔中设有读出电极,读出电极高于第一绝缘隔离层,在两读出电极间的凹槽中设有与探测像元所用材料相同的热敏感材料层,热敏感材料层高度与读出电极高度持平,在读出电极与热敏感材料层上方设有第二绝缘隔离层,在所有参比电阻的上方共设一导热金属层,导热金属层与参比单元上表面的第二绝缘层相连接。
文档编号H04N5/33GK102564599SQ20111043720
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者刘子骥, 劳常委, 曾星鑫, 蒋亚东, 郑兴, 黄泽武 申请人:电子科技大学
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