Способ изготовления устройства для обнаружения теплового излучения, содержащего активный микроболометр и пассивный микроболометр
Изобретение относится к измерительной технике. Пассивный микроболометр (12) содержит отражающий экран (17) и подвешенную мембрану с функцией поглотителя излучения, термометр и электрическое соединение. Мембрана поддерживается, по меньшей мере, двумя элементами (15) крепления, установленными на опорной подложке (16). Отражающий экран (17) может быть выполнен на основе, по меньшей мере, одного слоя (18) металлического материала. Экран (17) расположен ниже мембраны в электрическом контакте с мембранным элементом (13) поглощения излучения. Технический результат - изготовление защитного экрана, интегрировано в процесс изготовления пассивного микроболометра. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники
Изобретение относится к способу изготовления устройства для обнаружения теплового излучения, содержащего, по меньшей мере, один активный микроболометр (тепловой приемник инфракрасного излучения) и, по меньшей мере, один пассивный микроболометр, каждый из которых содержит подвешенную мембрану, выполняющую функцию поглотителя излучения, термометр и электрическое соединение, активный и пассивный микроболометры, сформированные одновременно на одной опорной подложке, и отражающий экран, сформированный на всем устройстве и затем удаленный на участках напротив активных микроболометров.
Изобретение также относится к пассивному микроболометру, изготовленному указанным способом.
Предшествующий уровень техники
Микроболометр с микроперемычкой содержит подвешенную мембрану, поддерживаемую элементами крепления на опорной подложке. Мембрана выполняет три функции, то есть поглощение падающего излучения посредством элемента поглощения, преобразование калорий в изменение сопротивления с помощью термометрического элемента и электрическое соединение с опорной подложкой с использованием одного или нескольких электродов.
Эти три функции могут быть выполнены тремя отдельными элементами. Элемент поглощения, нагреваемый под действием падающего излучения, передает тепло в термометрический элемент, причем повышение температуры этого элемента предпочтительно измеряют электронным способом с использованием электронной измерительной схемы, расположенной вне микроболометра. Электрическое соединение мембраны с опорной подложкой обеспечивается, например, с использованием электродов. Элемент поглощения, таким образом, выполнен с возможностью преобразования падающего светового потока, например фотонов, в тепловой поток. Тепловой поток индуцирует изменение температуры термометрического элемента, который преобразует изменения температуры в электрические сигналы. Опорная подложка, над которой подвешена мембрана, составляет холодную точку микроболометра и содержит электронную измерительную схему, которая использует электрические сигналы.
В определенных случаях эти три функции могут быть выполнены только двумя элементами. Например, болометрический материал может одновременно выполнять функцию элемента поглощения и термометрического элемента, при этом электрическое соединение с основанием обеспечивается с помощью электродов, соединенных с термометрическим элементом.
В другом альтернативном варианте выполнения электроды могут одновременно выполнять функцию электрического соединения и элемента поглощения. Болометрический материал при этом выполняет функцию только термометрического элемента.
Электроды, например, в форме спирали также могут одновременно выполнять функцию электрического соединения и термометрического элемента, при этом элемент поглощения выполнен как отдельный элемент.
На фиг.1 микроболометр 1 содержит мембрану, подвешенную на опорной подложке 3 посредством двух элементов 4 крепления, также формирующих тепловую связь между мембраной и подложкой 3. Мембрана содержит, по меньшей мере, один элемент 2 поглощения, поддерживающий термометрический элемент 5, изменение температуры которого измеряют с помощью электродов (не показаны). Опорная подложка 3 содержит электронную измерительную схему (не показана), предназначенную для использования измерения, выполненного микроболометром 1. Чувствительность измерения может быть улучшена путем введения изолирующих рычагов 6 между опорной подложкой 3 и мембраной, которые ограничивают теплоотдачу мембраны и, следовательно, сохраняют ее нагрев.
Термометрический элемент 5 может быть элементом резистивного типа. Измеряют изменение сопротивления и/или импеданса термометрического элемента 5. Например, термометрический элемент 5 может быть сформирован из болометрического (терморезистивного) материала, находящегося в контакте с электродом (электродами), который, благодаря специальной конфигурации, например в форме спирали, одновременно выполняет роль элемента поглощения и электрического соединения. Падающее излучение, поглощаемое микроболометром 1, приводит к повышению температуры поглотителя 2, в результате чего изменяется электрическое сопротивление термометрического элемента 5. Это изменение сопротивления измеряют на клеммах электродов, которые, предпочтительно, надежно прикреплены к элементам 4 крепления.
Для эффективной работы требуется выполнение трех основных условий в отношении микроболометра 1: малая тепловая масса, хорошая теплоизоляция мембраны от опорной подложки 3 и хорошая чувствительность эффекта преобразования увеличения количества тепла в электрический сигнал. Первые два условия достигаются путем формирования тонких слоев при построении микроболометра 1.
На фиг.2 поясняется принцип считывания устройства детектирования на основе микроболометра. Устройство содержит измерительный микроболометр 7, или активный микроболометр, который поглощает падающее излучение 8, например инфракрасные лучи. Изменение сопротивления микроболометра 7 представляет значение этого излучения. Для проведения таких измерений часто используется считывание значения тока. Ток на выходе микроболометра 7 содержит переменную составляющую и неизменяемую (постоянную) составляющую. Детектор фактически работает в относительном режиме, то есть он детектирует непрерывный неизменяемый фоновый сигнал, который может мешать измерению полезного изменяемого сигнала, который обычно имеет малую величину по сравнению с этим фоновым сигналом. Постоянная составляющая тока должна быть устранена, чтобы обеспечить оптимальное измерение излучения.
Для повышения чувствительности считывания постоянную составляющую тока, предпочтительно, отделяют в дифференциальную часть, чтобы получить только изменяемую часть тока, передаваемую в интегратор 9. Что касается электронной части устройства, элемент, действующий как дифференциальная часть, не должен вносить слишком большой уровень шумов, чтобы не генерировать слишком большую помеху. Для этого дифференциальная часть выполнена на основе прямосмещенного сопротивления достаточно большого значения. Обычное решение состоит в использовании пассивного микроболометра в качестве дифференциальной части, то есть микроболометра, который не детектирует излучения.
Дифференциальная часть содержит (фиг.2) дифференциальный микроболометр 10, закрытый защитным экраном 11, размещенным между падающим на него излучением 8 и микроболометром 10. Микроболометр 10, таким образом, преобразован в пассивный микроболометр, который не поглощает никакого излучения и действует как опорный элемент.
Эффективность устройства детектирования также связана с характеристиками пассивного микроболометра 10, который должен быть полностью темным и, предпочтительно, обеспечивать минимальное тепловое сопротивление.
В других устройствах детектирования используют схему с перемычкой, содержащую два микроболометра, один из которых является пассивным, благодаря установке защитного экрана между излучением и микроболометром (см., например, EP-A-0892257 и EP-A-0566156).
Установка защитного экрана перед микроболометром вызывает проблемы при изготовлении прибора.
Краткое изложение сущности изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и создание пассивного микроболометра, изготовление защитного экрана которого интегрировано в производственный процесс изготовления пассивного микроболометра.
Поставленная задача согласно изобретению решена в соответствии с формулой изобретения путем создания устройства для обнаружения теплового излучения, мембрана которого содержит термометрический элемент и элемент поглощения излучения, обеспечивающий электрические соединения, при этом пассивный микроболометр сформирован на отражающем экране, который содержит, по меньшей мере, один металлический слой, находящийся в контакте с элементом поглощения мембраны.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества и свойства заявленного устройства поясняются описанием предпочтительных вариантов выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых
фиг.1 изображает известный микроболометр;
фиг.2 - схему известного устройства для обнаружения теплового излучения;
фиг.3 - вариант выполнения пассивного микроболометра согласно изобретению;
фиг.4-7 - этапы процесса изготовления устройства для обнаружения теплового излучения, содержащего пассивный микроболометр, согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Пассивный микроболометр 12 (фиг.3) содержит подвешенную мембрану с элементом 13 поглощения излучения и болометрическим материалом, составляющим термометрический элемент 14 пассивного микроболометра 12. Мембрана поддерживается двумя элементами 15 крепления, установленными на опорной подложке 16.
Пассивный микроболометр 12 содержит отражающий защитный экран 17, сформированный под мембраной. Защитный экран 17 сформирован, например, в виде, по меньшей мере, одного отражающего слоя 18, предпочтительно слоя металла, поскольку металл обеспечивает хорошие характеристики отражения излучения, в частности инфракрасного излучения. Экран 17 должен отражать падающее излучение и не должен замыкать накоротко термометрический элемент 14, сформированный из болометрического материала. Поэтому защитный экран 17 находится в электрическом контакте только с элементом 13 поглощения, и термометрический элемент 14, сформированный из болометрического материала, расположен на элементе 13 поглощения.
Материалы, из которых изготовлен защитный экран 17, выбирают таким образом, чтобы защитный экран 17 обеспечивал необходимые оптические и термографические свойства для отражения излучения. Слой 18 выполнен из металла, предпочтительно выбранного из группы, состоящей из алюминия, серебра, золота и меди, которые обладают превосходными свойствами отражения инфракрасного излучения и образуют подлинные оптические зеркала. Толщина слоя металла составляет от 500Å до 2000Å.
Другие материалы могут быть выбраны для отражающего экрана 17. Например, экран 17 может содержать изолированные слои материалов, в частности, металлов или оксидов, легированных индием и оловом.
Экран 17 может быть также сформирован на основе отражателя интерференционного типа, то есть экран содержит набор изолирующих или электропроводных тонких слоев. Экран 17 может также быть изготовлен из материала с поверхностным или объемным эффектом текстуры. Он может быть также изготовлен из металлокерамики, то есть керамики с металлическими вставками, с пороговым значением электропроводности в зависимости от концентрации металла в керамике.
Болометрический материал, из которого выполнен термометрический элемент 14, является, например, слабо- или высокорезистивным p-типа или n-типа поликристаллическим или аморфным кремнием. Болометрический материал также может быть оксидом ванадия, обработанным в полупроводящей фазе, ферритом или манганитом.
Опорная подложка 16 представляет собой основание, выполненное, например, на основе кремния. Это обеспечивает механическую прочность пассивного микроболометра 12 и, предпочтительно, содержит устройства (не показаны), предназначенные для смещения и считывания сопротивления термометрического элемента. Она также может содержать элементы, обеспечивающие мультиплексирование, особенно в случае детектора, содержащего несколько микроболометров с матричной структурой, при этом сигналы от разных микроболометров будут преобразованы в последовательную форму и переданы на небольшое количество выходов, которые используются в обычной системе формирования изображения.
В конкретном варианте выполнения, показанном на фиг.3, поверхностное сопротивление R□ элемента 13 поглощения должно составлять 300 Ом для поглощения излучения. Для обеспечения поверхностного сопротивления узла, сформированного из элемента 13 поглощения и экрана 17, равного сопротивлению отражателя, то есть поверхностного сопротивления около 0,1 Ом, элемент 13 поглощения должен находиться в электрическом контакте с отражающимся экраном 17. Поверхностное сопротивление элемента 13 поглощения связано с поверхностным сопротивлением экрана 17.
Падающее излучение проходит через болометрический материал, из которого сформирован термометрический элемент 14, который является прозрачным в данном варианте выполнения, затем падает на узел, сформированный элементом 13 поглощения и металлическим экраном 17, который выполняет роль отражающего экрана, и затем выходит. Малое поверхностное сопротивление элементов 13, 17 препятствует поглощению излучения и, следовательно, препятствует нагреву мембраны. Термометрический элемент 14 не нагревается, и его сопротивление остается неизменным.
В альтернативном варианте выполнения (не показан) электроды, предназначенные для электрического соединения пассивного микроболометра 12 и опорной подложки 16, имеют специальную конфигурацию, например в форме спиралей, и в то же время они образуют элемент 13 поглощения.
Материал, из которого сформированы электроды, выбран, например, из титана, нитрида титана, платины, алюминия, палладия, никеля, сплава никеля и хрома и т.д. Толщина электродов составляет от 0,005 мкм до 1 мкм.
В другом альтернативном варианте выполнения (не показан) болометрический материал сформирован термометрическим элементом 14 и электродами, например, в форме спирали, а элемент 13 поглощения выполнен как отдельный элемент.
Во всех случаях, хотя отражающийся экран 17 размещен под мембраной, полученный микроболометр 12 является пассивным, поскольку его мембрана не поглощает излучения.
Конкретный вариант выполнения устройства для обнаружения теплового излучения, содержащего, по меньшей мере, один активный микроболометр 19 и один пассивный микроболометр 12 (фиг.3) и изготовленного на одной опорной подложке 16, подробно описан со ссылкой на фиг.4-7.
На фиг.4 представлен способ изготовления устройства, способ содержит последовательное осаждение на опорную подложку 16, на которой установлены элементы 15 крепления, расходуемого слоя 20, предпочтительно выполненного из полиимида толщиной, по существу равной толщине элементов 15 крепления микроболометров 12 и 19 и металлического слоя 21, образующего защитный экран 17 пассивного микроболометра 12.
В результате вытравливания слоя 21 (фиг.5), составляющего защитный экран 17, только напротив места расположения активного микроболометра 19 обеспечивается возможность сохранения защитного экрана 17 только на уровне пассивного микроболометра 12. В частности, отражающийся экран 17 выполнен из проводника. Поэтому необходимо предусмотреть диэлектрическую изоляцию этого слоя от элементов 15 крепления. Эта изоляция формируется, например, разрывом в отражающем экране 17, полученным путем вытравливания (фиг.3). Различные слои, формирующие мембраны 22 микроболометров 12 и 19, затем наносят на расходуемый слой 20 и на защитный экран 17 на уровне пассивного микроболометра 12.
В результате вытравливания мембраны 22 (фиг.6) очерчиваются контуры микроболометров 12 и 19. Наконец, в результате вытравливания расходуемого слоя 20 получают детектор (фиг.7) с пассивным микроболометром 12, с интегрированным защитным экраном 17, расположенным под мембраной 22, и с активным микроболометром 19, выполненным на той же опорной подложке 16.
В описанном выше способе изготовления контур защитного экрана 17 очерчивают, например, с использованием процессов химического вытравливания, или вытравливания плазмой, или путем применения процесса отрыва. В случае защитного металлического экрана 17 металлический слой 18 осаждают, например, путем катодного напыления или теплового разложения (LPCVD, ХОППД, химическое осаждение из паровой фазы при пониженном давлении).
Для улучшения работы пассивный микроболометр 12 может быть термализован, то есть его теплопроводность может быть улучшена путем удаления теплоизолирующих рычагов 6, присутствующих, в частности, на активном микроболометре 19.
Во всех случаях установка отражающего экрана 17 не влияет на технологию изготовления микроболометров 12 и 19, поскольку формирование отражающего экрана 17 интегрировано в процесс изготовления микроболометров 12 и 19. Это приводит к экономии времени и особенно стоимости, поскольку не требует изменять уже известные способы и линии изготовления микроболометров.
Кроме того, поскольку устройство детектирования предпочтительно работает в вакууме, поверхность защитного экрана 17, находящегося в контакте с излучением, не требуется защищать специальным покрытием.
Изобретение не ограничено вариантом выполнения, описанным выше. Детектор может содержать матричную структуру, обеспечивающую возможность формирования инфракрасного изображения. Матричная структура состоит из множества активных микроболометров 19 и множества пассивных микроболометров 12, установленных регулярно в рядах и столбцах на одной опорной подложке 16. При этом используют те же способы изготовления, а электронная измерительная схема, интегрированная на опорной подложке 16, считывает и использует каждое измерение микроболометров 12 и 19 для преобразования их в инфракрасное изображение.
Детектор может быть помещен в вакуум или в газ, который является очень слабым проводником тепла, для улучшения рабочих характеристик. Корпус, в который помещен детектор, также содержит прозрачное для излучения окно.
Микроболометры 12, 19 устройства детектирования могут содержать термометрический элемент любого типа, например терморезистор, электрод, диод, и т.д.
1. Способ изготовления устройства для обнаружения теплового излучения, содержащего, по меньшей мере, один активный микроболометр (19) и, по меньшей мере, один пассивный микроболометр (12), каждый из которых содержит подвешенную мембрану (22), выполняющую функцию поглотителя излучения, термометра и электрических соединений, заключающийся в том, что активный (19) и пассивный (12) микроболометры формируют одновременно, используя одну опорную подложку (16), отражающий экран (17) формируют на всей подложке устройства, а затем удаляют в местах, расположенных напротив активных микроболометров (19), отличающийся тем, что формируют мембрану (22), содержащую термометрический элемент (14) и элемент (13) поглощения излучения, обеспечивающий электрические соединения с подложкой, при этом пассивный микроболометр (12) формируют на отражающем экране (17), расположенном под подвешенной мембраной (22), причем отражающий экран (17) содержит, по меньшей мере, один металлический слой (18), обеспечивающий контакт экрана (17) с элементом (13) поглощения мембраны (22).
2. Устройство для обнаружения теплового излучения, выполненное согласно способу, заявленному по п.1, в котором отражающийся экран (17) расположен под мембраной (22) в контакте с элементом (13) поглощения мембраны.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что толщина металлического слоя (18) составляет от 500 до 2000А.
