集成紅外熱傳感器及其制造方法及成像系統(tǒng)和成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種集成紅外熱傳感器及其制造方法及 成像系統(tǒng)和成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當前紅外熱傳感器按照工作原理分為光子型紅外熱傳感器和熱敏型紅外熱傳感 器兩種。其中光子型紅外熱傳感器以碲鎘汞為典型代表，特別是在8~14 μπι遠紅外波段， 因其出色的探測性能，碲鎘汞紅外熱傳感器一直占據(jù)高端應用領(lǐng)域。但是，碲鎘汞紅外熱傳 感器工作時需要制冷器來維持低溫狀態(tài)，要犧牲整機功耗來提高紅外光探測信噪比。另外， 高性能碲鎘汞薄膜材料制備困難，器件成品率低導致價格居高不下。綜上兩個方面，碲鎘汞 探測器多用在軍事和天文領(lǐng)域，民用領(lǐng)域很少涉足。
[0003] 相比光子型紅外熱傳感器，非制冷熱敏型紅外熱傳感器最大特點是在室溫下即可 工作，同時器件制作工藝較為簡單，成品率很高，價格低廉，是民用紅外熱成像系統(tǒng)的核心 部件，其兩大關(guān)鍵性能指標是靈敏度和響應速度，靈敏度越高，成像可識別距離越遠，圖像 更清晰；響應速度快，能夠?qū)崟r探測跟蹤高速運動物體，影像不拖尾。盡管非制冷紅外熱傳 感器經(jīng)過多年發(fā)展，但其兩個關(guān)鍵性能指標還遠遠落后于制冷型紅外熱探測器，這極大地 限制了其應用范圍。
[0004] 現(xiàn)有非制冷熱敏型紅外傳感技術(shù)種類繁多，以微測熱輻射計和熱釋電探測器技術(shù) 發(fā)展最為成熟，另外還包括電容式、光學讀出式等。微測熱輻射計在像元尺寸和像素規(guī)模方 面均已達到光子型紅外熱傳感器水平，但是平均靈敏度比光子型探測器小三個數(shù)量級，響 應速度只有毫秒級。熱釋電探測器響應速度可以達到微秒級，但是靈敏度比微測熱輻射計 還低。電容式和光學讀出式多數(shù)處于實驗室研發(fā)階段，是目前的研發(fā)熱點之一?，F(xiàn)有的光 學讀出型紅外熱傳感器受工藝限制，其單點像元制作容易實現(xiàn)，但集成成百數(shù)千個像元陣 列相當困難，因此其難以達到較高的靈敏度和響應速度，并且需要同時集成較多的光電探 測器，成本也有待降低。另外，當整個器件溫度隨環(huán)境發(fā)生改變時，其響應波長也隨之改變， 熱探測器將無法正常工作。本發(fā)明將針對光學讀出型熱傳感器進行改進，以解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的第一目的在于提供一種光學讀出型的集成紅外熱傳感器，旨在提高其靈 敏度和響應速度，并降低成本。
[0006] 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種集成紅外熱傳感器，包括用于輸出不同波長的參考光 的光輸出裝置、微環(huán)波導陣列組件、直波導陣列組件及光電探測器；
[0007] 所述微環(huán)波導陣列組件包括第一襯底及連接于所述第一襯底上的多個中心諧振 波長不同的微環(huán)波導，多個微環(huán)波導排布成多個并列的微環(huán)波導列；
[0008] 所述直波導陣列組件包括第二襯底及設(shè)置于所述第二襯底上的多個并列的直波 導，所述微環(huán)波導列與直波導一一上下對應且可實現(xiàn)參考光的耦合傳輸，還包括用于將所 述參考光親合至相應直波導的輸入波導，以及用于將直波導輸出的參考光傳輸至所述光電 探測器的輸出波導；所述第一襯底和第二襯底通過支撐柱對接。
[0009] 本發(fā)明的第二目的在于提供一種成像系統(tǒng)，包括所述的集成紅外熱傳感器。
[0010] 本發(fā)明的第三目的在于提供一種集成紅外熱傳感器的制造方法，包括下述步驟：
[0011] 選取紅外透過率高的材料制作第一襯底，在所述第一襯底上依次沉積紅外透過率 高且絕熱的第一薄膜和第二薄膜；
[0012] 刻蝕掉大部分第二薄膜，僅保留用于制作支撐柱的部分；
[0013] 在所述第一薄膜上沉積高導熱且具有自支撐能力的第三薄膜；
[0014] 在所述第三薄膜上沉積熱光敏感材料，并將該熱光敏感材料刻蝕成微環(huán)波導陣 列；
[0015] 在所述微環(huán)波導和第三薄膜的表面濺射一層紅外吸收薄膜，并刻蝕掉覆蓋在所述 微環(huán)波導陣列表面的紅外吸收薄膜；
[0016] 根據(jù)預設(shè)的像元間距刻蝕掉像元間隙的紅外吸收薄膜和第三薄膜；
[0017] 刻蝕所述第一薄膜，形成連接于所述第三薄膜和第一襯底之間的絕熱支柱以及支 撐柱；
[0018] 制作第二襯底，并在所述第二襯底上沉積熱光敏感材料，并刻蝕所述熱光敏感材 料，形成直波導陣列、輸入波導和輸出波導；
[0019] 將所述第一襯底和第二襯底通過所述支撐柱對接。
[0020] 本發(fā)明的第四目的在于提供一種基于集成紅外熱傳感器的紅外成像方法，包括下 述步驟：
[0021] 由光輸出裝置分時輸出單色相干的參考光，所述參考光通過輸入波導依次耦合進 入相應直波導；
[0022] 不同波長的參考光經(jīng)過相應微環(huán)波導后，通過輸出波導被光電探測器分時探測；
[0023] 根據(jù)光電探測器的探測信號確定每種參考光的強度變化，反演出每個微環(huán)波導的 溫度變化，進而確定紅外輻射的強度，獲取紅外圖像。
[0024] 該集成紅外熱傳感器在不同的襯底（第一襯底和第二襯底）上制作微環(huán)波導陣列 和直波導陣列，形成獨立的微環(huán)波導陣列組件和直波導陣列組件，再將這兩個組件通過支 撐柱對接，一個微環(huán)波導和與其正對的直波導部分構(gòu)成一個像元，由這兩個組件構(gòu)成的組 合架構(gòu)形成了像元陣列，與傳統(tǒng)的單獨制作像元再組合為像元陣列相比，在工藝上更易實 現(xiàn)，尺寸、對位等更加精準，突破了傳統(tǒng)傳感器難以在同一陳襯底上制作像元陣列的局限， 有利于光學讀出型紅外熱傳感器的靈敏度和響應速度的提升。每個微環(huán)像元對應不同的諧 振波長，可采用一個探測器探測全部像元的輸出光，既簡化了結(jié)構(gòu)又節(jié)約了成本。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明實施例提供的集成紅外熱傳感器的平面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2是本發(fā)明實施例提供的集成紅外熱傳感器的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明實施例提供的集成紅外熱傳感器的一個像元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖4是本發(fā)明實施例提供的集成紅外熱傳感器的微環(huán)波導響應光波的洛倫茲曲 線；
[0029] 圖5是本發(fā)明實施例提供的集成紅外熱傳感器的制造方法流程圖；
[0030] 圖6是本發(fā)明實施例提供的基于集成紅外熱傳感器的成像方法流程圖。
【具體實施方式】
[0031] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0032] 以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的具體實現(xiàn)進行詳細描述：
[0033] 請參考圖1至圖3,本發(fā)明實施例提供一種集成紅外熱傳感器，包括用于輸出不同 波長的參考光的光輸出裝置1，以及微環(huán)波導陣列組件2、直波導陣列組件3和光電探測器 4,微環(huán)波導陣列組件2和直波導陣列組件3是該傳感器的成像部件，是兩個獨立且相互對 接的部件。微環(huán)波導陣列組件2包括第一襯底21及連接于第一襯底21上的多個中心諧振 波長不同的微環(huán)波導22,多個微環(huán)波導22排布成多個并列的微環(huán)波導列；直波導陣列組件 3包括第二襯底31及設(shè)置于第二襯底31上的多個并列的直波導32,微環(huán)波導列與直波導 32 -一上下對應且可實現(xiàn)參考光的耦合傳輸，第一襯底21和第二襯底31通過支撐柱5對 接。直波導陣列組件3還包括在光輸出裝置1的輸出端和直波導陣列之間設(shè)置的輸入波導 33,該輸入波導33與直波導32的取向垂直，用于將光輸出裝置1發(fā)出的參考光耦合至相應 直波導32,以及在直波導陣列的輸出端設(shè)置的輸出波導34,輸出波導34與直波導32的取 向垂直，用于將上述參考光經(jīng)過微環(huán)波導22和直波導32后傳輸至光電探測器4。
[0034] 該集成紅外熱傳感器在不同的襯底（第一襯底21和第二襯底31)上制作微環(huán)波 導陣列和直波導陣列，形成獨立的微環(huán)波導陣列組件2和直波導陣列組件3,再將這兩個組 件通過支撐柱5對接，一個微環(huán)波導22和與其正對的直波導部分構(gòu)成一個像元，由這兩個 組件構(gòu)成的組合架構(gòu)形成了像元陣列，與傳統(tǒng)的單獨制作像元再組合為像元陣列相比，在 工藝上更易實現(xiàn)，尺寸、對位等更加精準，突破了傳統(tǒng)傳感器難以在同一陳襯底上制作像元 陣列的局限，有利于光學讀出型紅外熱傳感器的靈敏度和響應速度的提升。
[0035] 進一步的，該微環(huán)波導22可以設(shè)置于一高熱導率的薄膜23表面，在該薄膜23設(shè) 置微環(huán)波導22的表面還設(shè)有紅外吸收層24,用于吸收紅外光并產(chǎn)生熱量，并通過薄膜23將 熱量傳導至微環(huán)波導22。在該薄膜23的另一面可以通過絕熱支柱25與第一襯底21連接， 絕