專利名稱：紅外焦平面陣列中讀出電路及其參比電阻以及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非制冷紅外探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種非制冷紅外焦平面陣列探測器中參比電阻及其制造方法，以及使用該參比電阻的讀出電路。
背景技術(shù)：
近20年來，基于微測輻射熱計的非制冷紅外探測技術(shù)取得了重大的突破并達(dá)到了實用化，它是集紅外敏感材料、光學(xué)技術(shù)、制冷技術(shù)、微電子技術(shù)等于一體的高新綜合技術(shù)。其具有抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕、隱蔽性能好等優(yōu)點，在軍事和民用領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。非制冷紅外焦平面陣列是基于MEMS技術(shù)的器件，其基本工作原理是，目標(biāo)物體的紅外輻射被紅外焦平面陣列像元吸收，從而引起熱敏感材料薄膜溫度升高，由于熱敏感薄膜具有溫度-電阻(TCR)特性，其電阻將發(fā)生變化，并通過其中的電學(xué)通道將這種變化傳遞給讀出電路，從而檢測出該電阻值得變化，最后實現(xiàn)紅外輻射的探測。非制冷紅外焦平面器件的根本是要實現(xiàn)在室溫下的紅外探測，因此其探測結(jié)構(gòu)的設(shè)計就成為整個器件的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的非制冷紅外焦平面探測器通常采用微橋結(jié)構(gòu)。微橋結(jié)構(gòu)由橋墩、橋腿、橋面組成，其中鍍有熱敏感材料薄膜的橋面通過橋墩和橋腿與襯底相連， 并懸浮于襯底之上。當(dāng)目標(biāo)物體紅外輻射進(jìn)入焦平面，并被敏感材料所吸收時，紅外輻射的變化就反映為熱敏薄膜的電阻變化。在讀出電路中，敏感電阻的敏感電流是由于其兩端加上的偏壓而產(chǎn)生的。但由于探測器周圍環(huán)境同樣具有紅外輻射，同時焦平面自身也具有一定的工作穩(wěn)定，這部分熱量就成為了系統(tǒng)的背景噪聲。在無紅外輻射的情況下產(chǎn)生的電流， 稱之為暗場電流，這就需要設(shè)計能夠根據(jù)環(huán)境溫度變化而變化的參比電路，為探測器像元輸出提供補償電流，消除暗場電流，也就是環(huán)境背景噪聲對探測效果的影響。目前，國內(nèi)外應(yīng)用較為普遍的暗場電流補償方法是采用通過設(shè)計電壓偏置的參比電路，這種參比電路具有隨環(huán)境溫度變化而變化的等效電阻，稱為參比電阻，在偏壓的作用下，參比電路根據(jù)環(huán)境穩(wěn)定產(chǎn)生暗場補償電流與敏感電流相抵消，從而屏蔽環(huán)境溫度的影響。這種暗場電流的補償方法特點是結(jié)果簡単，易于實現(xiàn)。通常情況下，參比電阻的制作采用的方法有兩種。一種是讓微測輻射熱計把接收紅外輻射產(chǎn)生的熱量直接傳到襯底，從而產(chǎn)生屏蔽掉紅外輻射的暗場補償電流的方法。這種方法的缺點在于很難讓100%的熱量都傳導(dǎo)到襯底，殘余的熱量會造成補償電流的誤差。另ー種是在微測輻射熱計上鍍上ー層反光層，將紅外輻射反射出去，從而產(chǎn)生屏蔽掉紅外輻射的暗場補償電流。這種方法的缺陷在于加入的這層反光材料會使微測輻射熱計的成分改變性狀，從而使電阻發(fā)生變化，達(dá)不到精確補償暗場電流的方法。同吋，由于紅外焦平面陣列器件一般都采用行選通、列輸出的方式設(shè)計讀出電路，其中每一列像元具有単獨的參比電阻，故每一列像元具有獨立的補償電流。這種設(shè)計方法的缺陷在干，當(dāng)每一列像元的參比電路探測單元獲得不同的參比吋，將使每一列像元的產(chǎn)生的敏感電流獲得不同的補償電流，從而導(dǎo)致紅外成像的非均勻，特別是出現(xiàn)明顯的列條紋非均勻性。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技木，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種使得所有參比電阻能夠獲得相同的穩(wěn)定系數(shù)，從而為每一列像元提供相同的補償電流，抑制環(huán)境溫度對紅外探測器造成的影響，保證在沒有紅外輻射的情況下，輸入積分器的電流為零，提高紅外探測圖像的均勻性的參比電阻及其制造方法，以及使用該參比電阻的讀出電路。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種非制冷紅外焦平面陣列探測器中的參比電阻，每個參比電阻由4個參比單元構(gòu)成，其中兩個參比単元并聯(lián)后串接另外兩個并聯(lián)的參比單元；
所述參比単元包括設(shè)有讀出電路的襯底，在襯底上設(shè)有第一絕緣隔離層，在第一絕緣隔離層上表面靠近兩側(cè)設(shè)有兩個與襯底連通的通孔，通孔中設(shè)有讀出電極，讀出電極高于第一絕緣隔離層，在兩讀出電極間的凹槽中設(shè)有與探測像元所用材料相同的熱敏感材料層，熱敏感材料層高度與讀出電極高度持平，在讀出電極與熱敏感材料層上方設(shè)有第二絕緣隔離層，
在所有參比單元的上方共設(shè)ー導(dǎo)熱金屬層，導(dǎo)熱金屬層與參比単元上的第二絕緣層相連接。進(jìn)ー步地，所述導(dǎo)熱金屬層為金、銀、銅或鋁。進(jìn)ー步地，所述第一絕緣隔離層和第二絕緣隔離層為Si3N4，厚度小于0. 1 μ m。進(jìn)ー步地，所述熱敏感材料薄膜為氧化釩、非晶硅或非晶硅鍺合金。一種非制冷紅外焦平面陣列探測器中的參比電阻的制造方法，包括如下步驟
(1)構(gòu)造參比単元；
①在硅襯底上形成第一絕緣隔離層，作為襯底層與敏感材料層的隔離薄膜；
②刻蝕第一絕緣隔離層，留出兩個讀出底電極和預(yù)留讀出電極橋柱孔，沉積犧牲層；
③刻蝕犧牲層，形成與預(yù)留讀出電極橋柱孔相對應(yīng)的讀出電極橋柱孔；
④往橋柱孔灌注導(dǎo)電金屬，形成兩個熱敏感層暗場電阻的讀出電扱，刻蝕犧牲層；
⑤往兩電極之間形成的凹槽中沉積熱敏感材料；
⑥在敏感材料及電極上方沉積第二絕緣隔離層；
(2)構(gòu)造參比電阻
⑦將兩個參比単元并聯(lián)后串接另外兩個并聯(lián)的參比單元構(gòu)成ー個參比電阻；
⑧將參比電阻的參比單元間填充第二層犧牲層，并在參比單元及第ニ層犧牲層上方沉積形成導(dǎo)熱金屬層；
⑨刻蝕第二層犧牲層，并實現(xiàn)導(dǎo)熱金屬層平坦化。進(jìn)ー步地，所述導(dǎo)熱金屬層為金、銀、銅或鋁。進(jìn)ー步地，所述第一絕緣隔離層和第二絕緣隔離層為Si3N4，厚度小于0. 1 μ m。進(jìn)ー步地，所述熱敏感材料薄膜為氧化釩、非晶硅或非晶硅鍺合金。ー種使用上述參比電阻的讀出電路，包括積分放大電路、列選通輸出邏輯電路，所述紅外焦平面陣列中每列包括ー個參比電阻，所有參比電阻間的導(dǎo)熱金屬層為一體連接，
每個參比電阻各有一端與一個由偏置電壓GSK控制的第一選通開關(guān)相連，另一端與另一偏置電壓Vsk相連，第一選通開關(guān)的輸出通過第二選通開關(guān)連接一列紅外焦平面陣列像素単元，所述第二選通開關(guān)與每個像素単元串聯(lián)，在列選通輸出邏輯電路的控制下，輸出圖
像信息。進(jìn)ー步地，所述的第一選通開關(guān)為場效應(yīng)晶體管。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
(1)每個參比電阻由四個參比單元構(gòu)成，這種設(shè)計有利于降低參比電阻由于エ藝問題引起的阻值不均，能提高參比電阻均勻性。(2)采用本發(fā)明提出的參比電阻，在所有參比電阻上方制作完整的導(dǎo)熱金屬層，能使參比單元探測統(tǒng)ー環(huán)境溫度，產(chǎn)生相同的等效電阻，能夠為像元提供共同的補償電流，從而使非制冷紅外焦平面陣列器件成像效果得到進(jìn)ー步提升。(3)采用此種設(shè)計方法，參比電阻阻值受導(dǎo)熱金屬層和襯底層溫度共同影響，解決了襯底導(dǎo)熱不均的問題，同時反射外界紅外輻射對參比電阻的影響，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力；
(4)此種參比電阻設(shè)計引入導(dǎo)熱金屬層，保證了環(huán)境溫度產(chǎn)生的熱量能良好的傳到襯底，從而提升了器件整體的探測效率；
(5)此種參比層設(shè)計方法簡單，與現(xiàn)有非制冷紅外焦平面陣列器件的制備エ藝完全兼容，易于實現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明紅外焦平面陣列單元讀出電路結(jié)構(gòu)圖； 圖2為本發(fā)明單個參比単元結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明的參比電阻層制作過程示意圖4為本發(fā)明等效參比電阻示意圖，其中Rblind為參比單元產(chǎn)生的等效電阻，Rsenstff為像元敏感材料產(chǎn)生的等效電阻；
圖5為本發(fā)明紅外焦平面陣列整體讀出電路等效圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)ー步的描述。參見圖1為紅外焦平面陣列單元讀出電路結(jié)構(gòu)圖，區(qū)域1為參比電阻提供的補償電路，其中Rblind為四個參比單元敏感材料產(chǎn)生的等效電阻；區(qū)域2為一列紅外焦平面像元， 其中民》·為單個像元微橋橋面敏感材料的等效電阻，像元的選通由第二選通開關(guān)^lect 控制；區(qū)域3為讀出電路為像元輸出信號積分運算放大電路，Vo為焦平面圖像信息輸出端。本發(fā)明所提供的提高非制冷紅外焦平面陣列探測器參比電阻均勻性的方法，其特征在于，針對的紅外器件像元讀出電路如圖1所示，Vsk、Vfid、Gsk為外加可調(diào)偏置電壓，Vfid 的輸入范圍為1. 8V士5mV，Gsk的輸入范圍為2. 6V士5mV，Vsk的輸入范圍為4. 9V 士5mV，Vref 為不隨溫度和生產(chǎn)エ藝而變化的恒定偏置電壓，輸入范圍為2. 2V士5mV。Rsenstff為像元熱敏電阻，其阻值隨外界紅外輻射強(qiáng)度變化而變化，Rblind為暗場電阻，由參比層四個參比単元串接而成，其阻值不隨外界紅外輻射強(qiáng)度強(qiáng)弱而不同，但是會隨環(huán)境溫度變化而變化，在選通控制信號(^sk的控制下，接入電路，產(chǎn)生補償電流I1,與像元敏感電阻產(chǎn)生的像元電流I2 相互抵消，從而消除系統(tǒng)背景噪聲的影響。根據(jù)圖1，可以得到
權(quán)利要求
1.一種紅外焦平面陣列中讀出電路的參比電阻，其特征在于每個參比電阻由4個參比單元構(gòu)成，其中兩個參比単元并聯(lián)后串接另外兩個并聯(lián)的參比單元；所述參比単元包括設(shè)有讀出電路的襯底，在襯底上設(shè)有第一絕緣隔離層，在第一絕緣隔離層上表面靠近兩側(cè)設(shè)有兩個與襯底連通的通孔，通孔中設(shè)有讀出電極，讀出電極高于第一絕緣隔離層，在兩讀出電極間的凹槽中設(shè)有與探測像元所用材料相同的熱敏感材料層，熱敏感材料層高度與讀出電極高度持平，在讀出電極與熱敏感材料層上方設(shè)有第二絕緣隔離層，在所有參比單元的上方共設(shè)ー導(dǎo)熱金屬層，導(dǎo)熱金屬層與參比単元上的第二絕緣層相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外焦平面陣列中讀出電路的參比電阻，其特征在于所述導(dǎo)熱金屬層為金、銀、銅或鋁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外焦平面陣列中讀出電路的參比電阻，其特征在于所述第一絕緣隔離層和第二絕緣隔離層為Si3N4，厚度小于0. 1 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外焦平面陣列中讀出電路的參比電阻，其特征在于所述熱敏感材料薄膜為氧化釩、非晶硅或非晶硅鍺合金。
5.一種紅外焦平面陣列中讀出電路的參比電阻的制造方法，其特征在干，包括如下步驟(1)構(gòu)造參比単元；①在硅襯底上形成第一絕緣隔離層，作為襯底層與敏感材料層的隔離薄膜；②刻蝕第一絕緣隔離層，留出兩個讀出底電極和預(yù)留讀出電極橋柱孔，沉積犧牲層；③刻蝕犧牲層，形成與預(yù)留讀出電極橋柱孔相對應(yīng)的讀出電極橋柱孔；④往橋柱孔灌注導(dǎo)電金屬，形成兩個熱敏感層暗場電阻的讀出電扱，刻蝕犧牲層；⑤往兩電極之間形成的凹槽中沉積熱敏感材料；⑥在敏感材料及電極上方沉積第二絕緣隔離層；(2)構(gòu)造參比電阻⑦將兩個參比単元并聯(lián)后串接另外兩個并聯(lián)的參比單元構(gòu)成ー個參比電阻；⑧將參比電阻的參比單元間填充第二層犧牲層，并在參比單元及第ニ層犧牲層上方沉積形成導(dǎo)熱金屬層；⑨刻蝕第二層犧牲層，并實現(xiàn)導(dǎo)熱金屬層平坦化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的紅外焦平面陣列中讀出電路的參比電阻的制造方法，其特征在于所述導(dǎo)熱金屬層為金、銀、銅或鋁。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的紅外焦平面陣列中讀出電路的參比電阻的制造方法，其特征在于所述第一絕緣隔離層和第二絕緣隔離層為Si3N4，厚度小于0. 1 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的紅外焦平面陣列中讀出電路的參比電阻的制造方法，其特征在于所述熱敏感材料薄膜為氧化釩、非晶硅或非晶硅鍺合金。
9.ー種使用權(quán)利要求1-4任一項所述參比電阻的讀出電路，包括積分放大電路、列選通輸出邏輯電路，紅外焦平面陣列中每列包括ー個參比電阻，其特征在干所有參比電阻間的導(dǎo)熱金屬層為一體連接，每個參比電阻各有一端與一個由偏置電壓GSK控制的第一選通開關(guān)相連，另一端與另ー偏置電壓Vsk相連，第一選通開關(guān)的輸出通過第二選通開關(guān)連接一列紅外焦平面陣列像素単元，所述第二選通開關(guān)與每個像素単元串聯(lián)，在列選通輸出邏輯電路的控制下，輸出圖像信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的讀出電路，其特征在于所述的第一選通開關(guān)為場效應(yīng)晶體管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種紅外焦平面陣列中讀出電路及其參比電阻以及制造方法，其中參比電阻包括4個參比單元，其中兩個參比單元并聯(lián)后串接另外兩個并聯(lián)的參比單元；所述參比單元包括設(shè)有讀出電路的襯底，在襯底上設(shè)有第一絕緣隔離層，在第一絕緣隔離層上表面靠近兩側(cè)設(shè)有兩個與襯底連通的通孔，通孔中設(shè)有讀出電極，讀出電極高于第一絕緣隔離層，在兩讀出電極間的凹槽中設(shè)有與探測像元所用材料相同的熱敏感材料層，熱敏感材料層高度與讀出電極高度持平，在讀出電極與熱敏感材料層上方設(shè)有第二絕緣隔離層，在所有參比電阻的上方共設(shè)一導(dǎo)熱金屬層，導(dǎo)熱金屬層與參比單元上表面的第二絕緣層相連接。
文檔編號H04N5/33GK102564599SQ20111043720
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者劉子驥, 勞常委, 曾星鑫, 蔣亞東, 鄭興, 黃澤武 申請人:電子科技大學(xué)