应用于红外线成像器与传感器的悬浮微结构及其制造方法.docx
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应用于红外线成像器与传感器的悬浮微结构及其制造方法
应用于红外线成像器与传感器的悬浮微结构及其制造方法
申请专利号
CN02142646.5
专利申请日
2002.09.18
名称
应用于红外线成像器与传感器的悬浮微结构及其制造方法
公开（公告）号
CN1484317
公开（公告）日
2004.03.24
类别
电学
颁证日
优先权
申请（专利权）
财团法人工业技术研究院
地址
台湾省新竹县
发明（设计）人
欧政隆;李宗昇
国际申请
国际公布
进入国家日期
专利代理机构
隆天国际知识产权代理有限公司
代理人
潘培坤;楼仙英
摘要
本发明公开了一种应用于红外线成像器与传感器的悬浮微结构及其制造方法，将连接悬浮微结构与基板的接脚形成于同一侧，并以双层或多层结构组成支撑悬浮微结构的悬臂部分，利用双层或多层结构间的应力差使悬臂形成向上翘曲；可确保悬浮微结构不会与基板产生接触，由于悬臂是向上产生微翘曲，能使制造工艺中的牺牲层厚度小至约1微米；进而，可应用现有的互补式金氧半导体工艺设备来进行批量生产，尤其可以运用半导体工艺中的金属层作为牺牲层，同时使工艺简化；有助于降低设备和制造上的成本。
主权项
1、一种应用于红外线成像器与传感器的悬浮微结构，其特征在于，包含有：
一基板，具有提供电性导通的金属电极；一对同侧接脚，对应连接于该对金属电极，该对同侧接脚各具有一悬臂，该悬臂由两层以上的应力结构所形成，由该悬臂上方产生拉应力并于该悬臂下方产生压应力，使该悬臂呈向上翘曲状；及一悬浮微结构，连接于该悬臂并由该对同侧接脚的支撑来悬浮于基板表面，由向上翘曲状的该悬臂来确保该悬浮微结构悬浮于基板表面。
FPGA+DSP升级热像设计
2010-08-24中国电子报我要评论（0）
华北光电技术研究所刘刚
“随着科学技术的不断发展，用户对电子产品的要求也越来越高，不仅要求产品具有较高的性能，还要求其具有低功耗、小型化、轻便性等优点。
作为电子产品的重要组成部分，信号处理电路的高性能设计和小型化设计显得尤为重要。
”
设计思路：
FPGA+DSP充分发挥各处理器作用
笔者主要从事红外热像仪信号处理电路的研制工作。
红外热像仪是一种成像设备。
其中，核心传感器为红外探测器，它通过光学系统接收场景的红外辐射，将光信号转化为电信号，送给模拟信号处理单元，经过模数转化后送给数字信号处理电路，经过一系列的处理后，得到符合标准视频格式的图像，供用户使用。
技术的进步和客户需求的不断提高，对红外热像仪信号处理电路的设计提出了更高的要求。
在以往的项目中，多采用现场可编程门阵列FPGA作为核心处理器，来完成所有的时序控制、图像处理算法。
目前在开展研究的项目中，以FPGA+DSP为核心处理器的设计架构，能够充分发挥各处理器的作用。
本方案中，FPGA负责完成图像处理主通道，包括红外探测器配置与模数转换芯片控制、原始数字图像制式转换、部分数字图像处理算法、各处理器之间的通信接口控制以及相关的辅助控制工作。
DSP主要完成部分图像处理算法，以及用户控制接口。
下面简要介绍一下FPGA在图像处理通道中的作用。
器件选型：
综合考虑性价比
红外热像仪产品中，最重要的环节是从场景红外辐射到数字图像信号的转换过程。
这里面包括对红外探测器的模式配置，模数转换芯片的逻辑控制和图像数据采集。
首先，根据系统设计指标，编写FPGA程序对红外探测器进行参数配置，使其工作在指定的模式下。
其次，红外探测器进入指定的工作状态后，输出反映场景红外辐射特性的电信号给模数转换（ADC）芯片，ADC芯片进行模拟信号采集和模数转换，并根据控制时序将数字信号送给FPGA。
最后，FPGA根据红外传感器的工作模式，对ADC芯片输出的数字信号进行图像数据制式转换。
为了提高系统中信号的抗干扰性，项目中采用LVDS作为FPGA与ADC芯片的通信方式；选用差分ADC芯片，其输入与输出接口均采用差分LVDS方式。
同时，为了减少电路系统中的硬件，希望处理器FPGA能够直接和ADC芯片通信，从而去掉单极性信号转差分信号的转换芯片，这样不仅可以使电路板实现小型化，也有利于降低电路板的功耗。
通过查阅资料和分析，Altera公司的CycloneIII系列FPGAs支持高速差分接口，包括LVDS、BLVDS、mini-LVDS、RSDS和PPDS，具有丰富的逻辑资源，功耗低，并且器件的成本较低，有利于项目的成本控制。
同时，CycloneIII系列FPGAs的leftbanks和rightbanks具有精确的LVDS输入/输出缓存接口，即不需要外部电阻网络，可作为LVDS信号发送端，只需要在ADC芯片的差分接收端端接匹配电阻，实现与ADC芯片的LVDS通信。
CycloneIII系列FPGAs的LVDS差分输入端只需要端接匹配电阻即可接收ADC芯片发送过来的LVDS信号。
可见，这样的设计方案大大减少了LVDS传输所需要的硬件电路，也有利于通信接口的时序设计与调试。
但是需要注意的是，topbanks和bottombanks需要外部电阻网络才能和ADC芯片的LVDS接收接口通信，这给电路板的布局布线带来了一定的困难。
未来期望：
厂商给予更多技术支持
目前信号处理电路正在调试过程中，核心处理器FPGA与模数转换（ADC）芯片之间的LVDS接口通信稳定可靠，提高了系统的信噪比。
通过两片处理器FPGA和DSP完成所有数字信号处理和逻辑控制，减少了硬件电路面积，实现了电路板小型化。
同时，此电路设计方案也降低了电路板的功耗，为系统电源设计作出了一定的贡献。
随着客户对产品性能要求的不断提高，红外热像仪中对信号处理电路的要求也在不断提高。
这其中主要体现在信号处理速度的提高、图像处理算法复杂性的提高。
将FPGA作为数字信号处理器，能够达到很好的实时性，不过这对FPGA器件的处理速度以及逻辑资源也提出了更高的要求。
同时，由于FPGA不是每个bank都具有精确的LVDS输入/输出缓存接口，这也增加了设计难度。
与FPGA相比，DSP作为数字信号处理器，实现复杂图像处理算法具有一定的便捷性。
这样，以FPGA+DSP为核心处理器的数字信号处理构架能够充分发挥各自的优势，也必将成为红外热像仪信号处理电路的主流设计方案。
与此同时，也需要各处理器生产厂商给予更多的技术支持，使项目的开发难度得到降低，缩短开发周期，从而建立良好的长期合作关系，共同促进FPGA和DSP产业的发展以及相关用户的研制产品质量的提高。
无需冷却的热成像技术
作者：
RogerAllan
上网时间：
2006年03月01日
所属类别:
便携设备I传感技术I技术方案I技术方案I技术方案
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窗体底端
关键字:
热成像 光学滤波器 传感器
低成本的热成像技术正在敲开面向大众应用市场的大门。
本文将讨论由RedShiftSystems公司推出的CMOS兼容有源薄膜技术平台，该技术基于美国普林斯顿大学将薄膜半导体用于可调光的一项研究。
借助这些温度可调谐薄膜滤波器，低成本的CCD/CMOS相机能够感应波长为8μm至15μm的热辐射。
传统的微量测辐射热仪（microbolometer）使用热电效应来检测半导体中的红外（IR）信号，而RedShift公司则利用了热光效应。
平台中的焦平面阵列（FPA）由热可调谐薄膜滤波器的隔膜像素组成。
每个热像素都是一个波长转换器，可将远红外辐射信号转换成目前CCD或CMOS相机可检测到的近红外信号（见图1）。
这个平台利用光学滤波器和微机电系统（MEMS）技术构建无需电极或主动冷却的低成本、无源长波红外FPA。
探测信号源可以是一个热稳定度与FPA滤波器一样的可调信号源。
高质量的热成像可用于IR视觉系统。
但这种系统需要昂贵的低温冷却，从而将热成像技术的使用限制在利基的高性能应用。
另一项技术则利用焦热电材料或氧化钒材料的热阻或热极化效应，但对这些材料的处理无法采用低成本的处理方法。
图1：
在RedShift公司的薄膜可调谐光学滤波器方案中，每个像素都吸收8μm至15μm的热辐射，于是850nm光探测束被发送给CMOS或CCD传感器（a）。
光束的透射特性（b）。
其它一些最新的热成像方案利用双层微悬臂梁将光反射到CCD和CMOS传感器上。
然而，这些方法将承受背景辐射和悬臂梁的振动噪声。
低成本是主要推动力
RedShift公司的方案不需要热电散热器，并与标准的CMOS工艺兼容，这是实现低成本、大批量应用的主要推动因素。
传感和读出平面的去耦特性也是另外一个因素。
“我相信我们能以低于1,000元美元的价格提供热成像模块。
”RedShift公司的CEO及创始人MatthiasWagner表示。
这意味着该解决方案的成本要比目前热成像系统的10,000美元价格低10倍。
RedShift公司采用的薄膜工艺是平板显示器中常见的标准工艺。
将热能转换为光的波长转换电路的制造工艺很简单，具有成本低、成品率高的特性。
另外，它也允许无晶圆厂生产模式（见图2）。
图2：
简单、低成本的波长转换电路制造工艺可提供高成品率，将适合无晶圆厂芯片的设计。
RedShift公司的可调谐光学滤波器采用Fabry-Perot结构，两个氮化硅/非晶硅（SiNx/a-Si）镜像层被夹在非晶硅腔体的周围。
它们能在300K温度下提供2.3×104/K的热光系数，并允许透射光谱在22°C到82°C的温度范围内可调（图3）。
“这种平台的温度敏感性可与市场上任何同类产品相媲美，而且成本更低。
”Wagner补充道，“由于低成本的优势，我们的产品将着眼于视频安全和汽车主动安全等大批量的应用。
”
汽车应用将包括行人检测、自动降低迎面而来的车辆的远光灯亮度。
其它潜在应用还包括法律执行（探测屋内和车内是否有人）和消防（在大火失控前探测着火点）。
RedShift公司计划今年推出第一款面向大批量市场的热成像模块。
该公司已在向电信行业提供产品。
最终产品将与手持安全相机一样大小。
图4展示了RedShift公司的16×120像素IRFPA封装原型，其像素互操作性超过了99.9%。
该原型的填充系数高于92％，温度系数为6%/K，在8μm到15μm波长范围内的平均吸率为42%。
它无需温度控制，便能实现在22Hz帧频下的噪声等效温度差（NETD）为0.28K。
热辐射及热成像技术小知识
我们周围的物体当它们的温度高达1000℃以上时，会发出可见光，而只要是处在绝对零度（-273℃）以上，所有物体都会不停地发出热红外线。
红外线，又称红外辐射，是指波长为0.78-1000um的电磁波。
其中波长为0.78-2.0um的部分称为近红外，波长为2.0-1000um的部分称为热红外线。
热红外线（热辐射）是自然界中存在最为广泛的辐射。
热辐射有两个重要的特性：
1．大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3-5um和8-14um的热红外线却是透明的。
因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口”。
利用这两个窗口，可以使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。
2．物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。
热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析，从而为工业生产、节约能源、保护环境等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。
利用探测仪测定目标本身和背景之间的红外线差可以得到不同的红外图像，热红外线形成的图像称为热图。
目标的热图像和目标的可见光图像不同，它不是人眼所能看到的目标可见光图像，而是目标表面温度分布图像，换一句话说，红外热成像使人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成?
眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。
图4：
热成像相机模块（左图）以及该模块的组成元件（右图）。
作者简介：
RogerAllan从事电子新闻编辑已有36年经验，并且最近15年来一直担任ElectronicDesign杂志的执行主编。
红外焦平面阵列技术的未来二十年
发表:
何伟时间:
2012-01-1612:
09:
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一、引言
本世纪中超大规模集成电路和微电机械加工（MEMS）技术的发展，使红外探测器技术取得了惊人的进展，红外焦平面阵列技术是这种技术发展的一个里程碑。
因红外探测的隐蔽性和有效性，其应用领域主要是军事方面，对该技术的迫切期望使之成为军方的“宠儿”。
特别是冷战军备竞赛，军方投入巨资使红外探测技术发展突破了前进道路上一个又一个的障碍，使红外探测器技术从30年代单一的PbS器件发展到现在的多个品种，包括InSb、HgCdTe、PtSi、InGaAs、GaAlAs、非本征硅等量子探测器、Vox、PZT、多晶硅和非晶硅等热探测器；从单元器件发展到目前焦平面信号处理的大型红外焦平面阵列。
其阵列集成规模已高达2048´2048元[2]，从极低温工作发展到了目前的77K或室温工作阵列，特别是近年的发展已接近于可见光CCD、APS和CMOS图像传感器的水平。
同时红外探测技术正在急速地拓展新的应用领域和市场，迅速地渗透到广阔的商用领域，改变其长期以来主要用于军用领域的状况。
二、器件制造技术的发展趋势
1、阵列集成规模将进军4K´4K
超大规模微电子集成电路制造技术是实现红外焦平面阵列工作的关键支撑技术之一。
由于过去30年间存储器芯片尺寸和微处理器技术所取得的进步，预期未来10~20年间仍将保持稳步攀升的势头。
而可见光Si-CCD器件焦平面集成尺寸在90年代中期已达到16M（4096´4096像元）。
DRAM和Si-CCD的发展为实现2K´2K以上乃至4K´4K（16M）红外焦平面集成开辟了道路。
红外焦平面阵列由焦平面探测器和硅信号处理多路传输器组成，其集成发展要比DRAM和Si-CCD晚1~2代。
目前的PtSi和短波HgCdTe阵列已达到了2K´2K的水平，预计到2005年焦平面阵列集成规模可达4096´4096。
陆军研究实验室、雷声公司和洛克威尔国际科学中心采用分子束外延（MBE）工艺在Si片上生长制作1K´1K和2K´2K的阵列已经取得很大进展。
2、探测器元尺寸
为实现1M级以上的高密度焦平面阵列集成，缩小探测器元尺寸是必要的。
目前的大型阵列如柯达KIR-3900型PtSi1968×1968元阵列像元尺寸为17´17mm2，洛克威尔PACE-1型2048´2048元HgCdTe短波焦平面阵列的设计规格为0.8mm，像元尺寸18´18mm2[2]，雷声公司和喷气式推进实验室分别为8~9mm2和14~15mm2，洛克希德马丁公司的640´480元非致冷阵列为28´28mm2，这些像元尺寸都已大大缩小。
相应的信号处理读出集成电路多路传输器技术必须能满足发展这种高密度大型阵列的需求，如洛克威尔HAWAⅡ-22048´2048位CMOS多路传输器读出集成电路（ROIC），其光刻的每一、四象限曝光区精度达0.05mm，晶体管数达1300万个，目前的这一水平已是非常高的了。
预计在这一基础上像元尺寸还会进一步缩小。
对于SWIR和MWIR探测器，可由下式来量化推断其像元尺寸：
d=2.44λf[5]
式中：
d—衍射限制光斑尺寸；
λ—波长；
f—聚焦透镜的焦距。
对于f/2.0光学透镜，5mm波长的光斑尺寸为25mm2，目前的MWIR480´640元生产阵列，其像元尺寸为20mm。
把用户通常超取样的因素考虑进去，像元尺寸可缩小到12mm数量级，最终可缩小到10mm。
原则上说来，长波阵列像元减小尺寸不会明显低于20mm，但预期由于读出设计和超取样，最终的中波和长波阵列像元尺寸也将会一样小。
3、双色和多色阵列
双色和多色工作的红外焦平面阵列传感器将是2020年前发展的重要课题。
由于军事和空间应用的推动与牵引，双色传感器已取得了显著的进展，像美国加州理工大学、喷气式推进实验室、洛克希德马丁等军事和航天部门都在加紧发展这种传感器，目前阵列已高达640´480元的焦平面阵列，是一种采用GaAlAs/GaAs量子阱结构的双色传感器[1]。
同时有关专家已研制出双色阵列摄像机，2~3年后将投入生产，其性能与单色传感器摄像机一样好，预期其用量将不断增长。
在双色红外焦平面阵列技术取得的成果基础上，将继续发展三色或四色红外焦平面阵列技术。
4、主流传感器将是廉价的非致冷红外焦平面阵列
虽然致冷工作的光量子型焦平面阵列技术已发展了数十年的时间，取得了举世瞩目的进展，但由于需致冷到约77K低温工作，这对于降低价格和实现小型高密度的便携式系统极为不利，妨碍了其推广应用。
无论广大的商用市场或军用市场都迫切需要一种既能满足应用且价格低廉的消耗性红外传感器。
光量子型红外焦平面阵列技术虽然具有极低的灵敏度，但却不能满足第二个条件。
由于非致冷红外焦平面阵列微桥结构的灵敏度已达到第一代和第二代致冷焦平面阵列之间的水平，其NETD通常优于0.1K，可达0.05K[1]，目前telops的红外热像仪产品普遍可以达到14mK，这个精度已经达到军用科研级别，远远超过商业应用的要求。
如萨尔洛夫公司用Si3N4作绝缘层的阵列设计时，其NETD可达到0.05K，用SiC时为0.01K，雷声公司已演示了320´240元的双层结构传感器摄像机[6]，其像元尺寸为25´25mm2。
而通常的商用红外摄像机系统的灵敏度在0.08~0.1K，目前洛克希德马丁公司的640´480元非致冷红外摄像机的灵敏度<150mK（F/1，30Hz）[7]、最小可分辨的温度<0.40℃（尼奎斯特频率）。
未来的灵敏度提高将向焦平面理论极限—0.002K的方向努力（50mm2像元尺寸），预计2020年前将发展成为今后红外焦平面阵列技术发展的主流传感器，从而成为满足军用和商用的高密度小型化的廉价消费性传感器，其机型将类同于可见光Si-CCD一体化摄录机。
总之，在红外探测方面，未来红外焦平面阵列的发展，一是探索新颖的器件结构，二是采用改进的材料，以获得更高集成密度的廉价焦平面阵列传感器，同时大幅度地提高阵列性能，而长期形成的1~3mm，3~5mm和8~14mm三个红外探测窗口的概念不会变化。
三、拓展应用
长期以来，红外探测器主要应用于为数有限的高级军用系统装备。
随着红外焦平面阵列技术的飞速发展，使其在军用和民用方面，有了潜在性的大批量应用前景。
1、多光谱和超光谱遥感
从空间对地球陆地和海洋的监察在民用和军用方面都具有极为重要的意义。
事实上，发达国家一直都在发展多光谱和超光谱遥感技术。
由于器件技术的限制，目前为止大多采用可见光—近红外（VIS-NIR）成像光谱仪。
由于红外焦平面阵列技术已由单像元单色发展到双色，并向三色、四色的方向发展，预计2020年前将获得超光谱应用的能力。
目前双色凝视焦平面阵列的野外测试已在进行[8]。
同时采用光谱滤波器线阵多色焦平面可实现覆盖可见光到长波红外的探测，其光谱段已可多达数十个到数百个。
美国波音飞机公司电子系统和导弹防御部在这方面的研究已取得了很大的进展，波音/罗克威尔的遥感器用HgCdTe多光谱红外焦平面PACE-1已达1024´1024元，Hawaii-22048´2048元阵列已制作出来[2]，其像元尺寸小达18´18mm2。
海军研究实验室的超光谱遥感技术计划和海军测绘观测卫星成像光谱区的波长区为0.4~2.5mm[8]，光谱通道多达210~512个[8]。
使用多光谱和超光谱遥感卫星对海洋、陆地、大气层、气象、农业和森林有效地监控具有重要的军用和商用价值。
例如，森林遭到严重破坏造成覆盖面积减少，而生长新一代森林需上百年时间；辐射垃圾处理，臭氧消耗和CO2积累引起的全球变暖问题等。
人类正面临着对全球性污染和气候变化带来的灾害采取补救性措施的问题，要解决这一问题也许要花费数百年的时间。
红外多光谱和超光谱传感器系统将会提供极为有效的监控，提供气候变化的趋势和世界上陆地情况变化的详细图像照片，更为准确的大范围的灾难性天气预报。
图1左边是卫星提供的全球植被生长情况，右边是全球陆地温度变化照片[5]。
2、限制大规模毁灭性武器扩散监控
加紧发展这种更加先进的红外焦平面阵列传感器，对限制全球大规模毁灭性武器扩散监控具有极为重要的意义。
显然，这也是加紧发展这种高性能阵列技术的另一个重要推动因素。
这种先进的红外焦平面阵列探测系统最有希望有效地用于发现和分辨出核武器、生化武器和导弹生产的位置和区域，提高对导弹发射的探测和跟踪能力。
3、太空天文探测
未来先进的红外焦平面阵列传感器将为人类的太空天文探测提供更为先进的手段。
目前在许多空间探测器上已安装上先进的红外传感器，并已发回了大量有关我们所在太阳系遥远行星和月球的照片，如几年前获得的有关彗星撞击木星的红外天文照片[5]。
美国航天局的哈勃（Hubble）空间望远镜是目前使用红外摄像传感器最为先进的空间探测器。
图2是夏威夷凯克天文台用InSb阵列摄得的休梅克—利瓦伊彗星撞击木星的一系列红外图像中的两张照片[5]。
左照片是在1.64mm波长时摄取的，右照片是在3.41mm时摄得的。
美国洛克威尔国际科学中心已研制出天文和低背景应用的1024×1024元、2048´2048元HgCdTe短波（0.9~2.5mm）红外焦平面阵列，采用硅CMOS信号读出集成电路，后者已由该中心和夏威夷大学等单位完成了最后的结果测试，该中心的下一个发展目标即是研制4096´4096元的短波和中波红外焦平面阵列。
4、医疗卫生
由于未来高灵敏度高分辨率廉价红外焦平面阵列技术的发展，这种阵列摄像机技术将广泛应用于医疗卫生领域，如肿瘤的早期诊断，对糖尿病患者的血糖监控，对麻风病的临床诊断和医学与遗传学研究。
迄今为止，在该领域应用取得的成果表明这种应用是极为成功的，特别是在肿瘤诊断方面尤其引人注目。
研究发现，由于癌细胞释放的氧化氮会使癌变组织周围的组织血液发生变化，由于对癌毒素的敏感性，其周围被癌化的组织大多是死的。
用高灵敏度高分辨的红外焦平面阵列摄像机就可探测出因这种血液量改变而导致的温度改变，清楚地分辨出死组织和健康组织。
美国新泽西州Omm.Corcler技术公司用喷气式推进实验室（JPL）研制的中等格式GaAlAs/GaAs量子阱红外焦平面阵列（QWIRFPA）研制出了叫做Bioscan系统医用诊断热像仪[9]，用于动态区域遥控热测量（DAT），焦平面工作波长>8mm，帧速为30Hz，NETD<30mK，1999年12月美国食品和药品管理局已对该系统发放了乳腺肿瘤和其它医疗应用的市场许可证。
该仪器已在波士顿Dana-Farber癌症研究所测试。
南加州大学的一个外科小组也使用这一摄像机诊断脑肿瘤和皮癌与麻风病。
在脑肿瘤截除外科手术中这种高灵敏度的热摄像机可帮助外科医生发现癌变的毛细血管。
图3是这一手术中用GaAlAs/GaAs量子阱红外焦平面阵列摄像机获得的脑癌手术图像，其健康组织和癌变死组织分辨十分清晰。
预期2020年前这一应用将会急剧扩大。
5、分配孔径红外传感器的（DAIRS）应用
在天空飞行并发出热辐射的任何物体都可能成为热寻导弹的牺牲品。
许多飞机甚至目前最先进的军用战机等战术武器，由于没有导弹逼近告警器，或其告警装置还不足以对抗先进的热寻导弹，因而热寻导弹对战术喷气式战机、运输机、军用旋转翼飞机特别是飞得低和飞得慢的飞机的威胁最大，往往离导弹很近，探测和反应的时间少，幸免于难的机动能力极差。
基于这种情况，欧洲和美国军方目前正在发展飞机自保护告警技术，开发数百万探测器元集成焦平面阵列，其分辨率已达到和超过电视质量水平，这使一种新型
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