CN101627290A

CN101627290A - 用于红外微辐射热测定计传感器的传导结构

Info

Publication number: CN101627290A
Application number: CN200780038817A
Authority: CN
Inventors: 连明仁; K·R·科菲
Original assignee: Sensormatic Electronics Corp; University of Central Florida Research Foundation Inc UCFRF
Current assignee: Sensormatic Electronics Corp; University of Central Florida Research Foundation Inc UCFRF
Priority date: 2006-10-19
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2027-10-17
Also published as: CA2666711C; AR063346A1; EP2076745A1; CA2666711A1; AU2007353817B2; JP2010507097A; HK1135766A1; CN101627290B; WO2008143632A1; US20080093553A1; US7633065B2; AU2007353817A1

Abstract

本发明可提供用于红外微辐射热测定计传感器的一种传导结构以及用于感测电磁辐射的一种方法。该微辐射热测定计可以包括一个第一导体层(64)和一个第二导体层(68)。该微辐射热测定计可以进一步包括位于该第一导体层与第二导体层之间的一个辐射热测定计层(62)。

Description

用于红外微辐射热测定计传感器的传导结构

技术领域

本发明总体上涉及包括传感器和检测器的监测装置，并且更具体地涉及红外传感器或者成像器。

背景技术

监测装置用于很多不同的应用中。例如，形成监测系统一部分的检测器和传感器可以用于侵入保安和视频监视。其他的应用包括，例如，火灾检测和应急响应。这些应用可以是(例如)军事的、非军事的、个人的、等等。例如，基于有待在其中使用的装置的特定应用或系统可以提供不同类型的装置。例如，配置为热敏相机的红外(IR)成像器可以用在这些系统中以检测温度变化。

不同类型的IR成像器是公知的，而且通常包括一个辐射热测定计或者微辐射热测定计装置以检测入射电磁辐射。这些辐射热测定计本质上是电阻性温度计，为了得到最佳的信号和噪声特性，它们需要维持一定的总电阻。因此，优选电阻率热系数(TCR)具有较大值的材料以产生更好的IR感测性能。

就IR成像器而言，冷却和非冷却系统都是公知的。例如，带有辐射热测定计的IR成像器可以包括制冷系统(例如低温制冷系统)，并且已知通常是用在军事应用中。这些装置通常复杂并且尺寸较大。而且，这些有冷却的成像器的成本较高。带有微辐射热测定计的没有冷却的系统不太昂贵并且设计尺寸较小。然而，由于这些辐射热测定计的平面内传导模式设计的原因，这些没有冷却的系统典型地必须包括一种电阻率较低的辐射热测定计薄膜材料。与类似的但电阻率较高的材料相比，这种电阻率较低的材料通常具有较低的TCR值。增加辐射热测定计薄膜的厚度以提高电传导增加了这种装置的感测部分的热惯量/热容量，由此降低了这种成像器的整体性能。较廉价的没有冷却的系统的质量(例如成像质量)典型地低于较昂贵的有冷却的系统的质量。

发明内容

可提供一种微辐射热测定计，这种微辐射热测定计可包括一个第一传导体层和一个第二导体层。该微辐射热测定计可以进一步包括位于该第一传导体层与第二导体层之间的一个辐射热测定计层。还可以提供使用该微辐射热测定计的一种热敏相机。

可提供用于检测电磁辐射的一种方法。该方法可以包括在一个热敏感薄膜上接收电磁辐射。该方法可以进一步包括基于所接收的电磁辐射利用一个基本上垂直的电传导模式来感测一种辐射热测定计材料中的电阻变化。

附图说明

为了更好地理解本发明的不同实施方案，应参见以下详细说明并结合下面的附图来阅读，其中类似的标号表示类似的部件。

图1是根据本发明的实施方案构建的一个红外(IR)成像器的框图。

图2是根据本发明的实施方案构建的微辐射热测定计的一个阵列的俯视透视图。

图3是示出了根据本发明的实施方案形成的一个微辐射热测定计多个层的侧视图。

图4是示出了根据本发明的实施方案形成的一个微辐射热测定计结构的俯视透视图。

具体实施方式

为了简洁且易于解说，在此结合本发明的不同实施方案对本发明进行说明。然而，本领域中熟练的技术人员将会认识到，可在多种配置中实现不同实施方案的这些特征和优点。因此，应理解在此所说明的实施方案是以说明而非限制的方式给出。

从总体上讲，本发明的不同实施方案提供了具有一种垂直传导结构的一种红外(IR)微辐射热测定计装置。例如，可以将这些不同的实施方案用作热敏相机中的检测器。

具体而言，本发明的不同实施方案可以如图1所示在一个IR成像器20中实施，例如，可以将该成像器配置为一个红外相机。IR成像器20通常可以在前端包括一个光学组件22，该光学组件可包括一个或多个透镜24。光学组件22可以被连接到一个IR传感器26上，该传感器可包括一个或多个辐射热测定计装置，并且更具体地是一个或多个微辐射热测定计(MB)单元28。该一个或多个微辐射热测定计单元26总体上限定了IR成像器20的一个成像内核。IR传感器26还可以连接到一个控制单元30以及一个滤波器/转换器32上。该滤波器/转换器32可以进一步地连接到一个处理器34上，该处理器可被连接到一个显示器36上。处理器34还可以连接到一个存储器38上。

不同实施方案中的IR成像器20被配置为一个没有冷却的IR检测器，这样就不提供外部冷却装置。然而，应注意，IR成像器20可替代地可以是一个冷却的IR检测器。更具体地讲，IR成像器20可以包括被配置为没有冷却的热传感器的一个或多个微辐射热测定计单元28。在运行中，IR成像器20运行以测量由光学组件22接收并且聚焦到IR传感器26上的入射电磁辐射。实质上，该一个或多个微辐射热测定计单元28各自包括一个或多个微辐射热测定计，它们在一个或多个频率范围对辐射进行测量，对这种辐射是作为电阻变化进行检测的。对所检测的电阻变化进行测量并处理，这可以包括以任何已知的方式对信号进行滤波和/或者利用滤波器/转换器32将这些信号从模拟输入转换为数字输出。然后，处理器34可以基于存储器38中存储的设置生成温度映射并且提供作为显示器36上的热图像的输出。

应注意，还可以将不同的控制提供给IR成像器20。例如，可以提供偏压和/或参考信号以控制和校准IR成像器20，例如，以便接收以不同频率范围的辐射。

该一个或多个微辐射热测定计单元28可以被配置为图2所示的单个的微辐射热测定计42的一个格栅40，并且限定一个传感器阵列。然而，应注意，可以根据希望或者需要对该阵列的大小和尺寸进行修改。而且，这些微辐射热测定计42各自可以包括将这些微辐射热测定计42各自连接到一个基板46上的一个或多个电极44。

如图3中所示，每个微辐射热测定计28总体上可以由通过一个绝缘层52(例如一个绝缘的联接)连接到一个散热器50(例如恒温区域)上的一个吸收层48形成。一个温度测量装置(未示出)可以被连接到该吸收层48上。应注意，吸收层48和温度测量装置可以作为一个单独的单元来提供。还应注意，在不同实施方案中的绝缘层52可以是空气或者真空区域或者空隙。同样，应注意，这种热传导可以穿过绝缘层52或者沿着微辐射热测定计28的一个或多个边缘。

在运行中，由吸收层48吸收的辐射将温度升高到高于散热器层50的温度，这样，吸收的功率越高，温度就越高。连接到吸收层48的温度测量装置对温度进行测量，从该温度中可以用已知的任何方式计算出吸收的功率。因此，格栅40可以用位于一个相应的硅格栅的顶部上的多个(例如)氧化钒或者非晶态硅热传感器来形成。来自特定波长范围的红外辐射可以照在该顶部的隔栅层并且改变该层的电阻。对电阻中的变化进行测量并且处理成温度值，这些温度值能够以图形表示或者用于形成在此所说明的图像(例如，在一个IR相机中)。格栅40实质上包括多个感测元件，这些感测元件限定了带有IR吸收涂层的多个热感测薄膜像素，在受到红外能量辐射时，该IR吸收涂层使该装置的温度上升，从而导致电阻的变化。应注意，对电阻的变化可以进行电感测并处理(例如，转换)成视频信号。另外，每个像素实质上限定一个热敏电阻器，其电阻值随温度而变化。例如，可以采用不同的方式对这些像素进行配置(例如)以便检测约为一摄氏度的二十分之一的温度变化，或者通常小于一摄氏度的十分之一。然而，可以将每个像素配置为检测更高或者更低的温度变化，例如一摄氏度或更高摄氏度的变化。

应注意，这些微辐射热测定计42可以通过例如一个半导体淀积过程来形成。例如，可以在基底上淀积一个铝层，接着在该铝层上淀积非晶态硅。此后，可以在该非晶态硅上淀积另一个铝层。然后可以利用光刻工艺在所成形的材料中切出多个检测区域(例如多个窗口)。可用本领域中公知的任何方式来提供用于形成这些微辐射热测定计的不同步骤。

本发明的不同实施方案提供了具有垂直传导模式的一种微辐射热测定计。更具体地讲，可以由一个第一导体层64与一个第二导体层66之间的辐射热测定计层62形成图4所示的IR敏感内核材料60。确切地讲，辐射热测定计层62可以用一种感测材料(例如，电阻性半导体材料)形成，而且第一导体层64和第二导体层66形成将辐射热测定计层62夹在中间的电极层(例如铝传导片)。第一导体层64和第二导体层66还可以包括延伸接片68，这些接片延伸超过这些层的边缘，这些边缘限定相对的角落上的多条引线。应注意，图4中的多个箭头指示穿过IR敏感内核材料60的电子流。还应注意，示于图4的结构可以限定IR传感器26(图1中示出)的一个单一像素。

当与通过辐射热测定计层62的电阻相比可忽略穿过第一导体层64与第二导体层66的电阻时，IR敏感内核材料60的电阻可以定义如下：

R＝ρ＊t/(L＊W)(1)

其中，ρ表示辐射热测定计层62的电阻率，t表示辐射热测定计层62的厚度，L表示辐射热测定计层62的长度，并且W代表辐射热测定计层62的宽度。应注意，辐射热测定计层62可以是一个薄膜层，例如，厚度约为0.01微米。

在运行中，感测电流从第一导体层64的接片68流入第一导体层64，在平面内穿过辐射热测定计层62的厚度(t)扩展开并且到达相对的导体层，即第二导体层66。然后，该感测电流在平面内流过第二导体层66并被汇集在接片68上。应注意，这些接片68总体上可以限定第一导体层64和第二导体层66的第一和第二引线。

就辐射热测定计层62(例如，它可以由非晶态硅材料形成)的TCR而言，可以通过改变掺杂等级来提供较宽的电阻率范围。在形成IR敏感内核材料60的不同层时，将第一导体层64和第二导体层66构成为薄层，这样第一导体层64和第二导体层66对于敏感内核材料60的平面中的热传导不占主导。还可以通过在热设计(例如，长的隔热引线)过程中进行的其他方面的优化来减少热传导。然而，在此说明的第一和第二导体层64的热传导的减少是一个独立因素。相应地，第一和第二导体层64的厚度按如下方式确定。应注意，因为这种电极材料可以是例如具有高的电传导率和热传导率的一种金属，除其他的之外，例如是但不限于铂和铝，所以第一和第二导体层64的厚度可以比辐射热测定计层62的厚度实质性地更薄。因此，在该敏感内核材料60的平面内热传导率对于这种热设计十分重要的实施方案中，以下方程式限定了第一和第二导体层64和66与辐射热测定计层62之间的关系：

G_c＊t_c＜G_b＊t_b (2)

其中G_c和G_b分别是第一和第二导体层64和66、以及辐射热测定计层62的材料的热传导率，t_c和t_b分别是第一和第二导体层64和66、以及辐射热测定计层62的厚度。

作为一个实例，对于非晶态硅而言，在室温附近G_b＝5W/m-K，而以类似的值适于其他的用于形成辐射热测定计的非晶态半导体材料。对于G_c而言，金属的热传导率随着金属的电传导率增加，并且这些值可在例如从100W/m-K至400W/m-K的范围内。例如，铝在室温附近具有大约300W/m-K的热传导率。因此，将第一和第二导体层64和66的厚度设置为使得由第一和第二导体层64和66提供出最小的附加平面内热消散。

进一步地，将第一和第二导体层64的厚度设置为使得第一和第二导体层64仅提供了一个像素元件的整体电阻的一小部分，如以下所详细说明。确切地讲，提供了以下方程式用于配置不同的层：

R_total＝(ρ_b＊t_b/(L＊W))+(2＊(ρ_c＊L/(W＊t_c))(3)

和

(ρ_b＊t_b/(L＊W))＞(2＊(ρ_c＊L/(W＊t_c))(4)

其中，(1)ρ_b和ρ_c分别是辐射热测定计层62、以及第一和第二导体层64和66的电阻率，(2)t_b和t_c分别是辐射热测定计层62、以及第一和第二导体层64和66的厚度，以及(3)W和L是这些层的宽度和长度。

合并式2和4可以推导出如下方程式：

t_{b}^{2} > 2 \frac{ρ_{c} G_{c} L^{2}}{ρ_{b} G_{b}}

或

t_{b} > L \sqrt{\frac{{2 ρ}_{c} G_{c}}{ρ_{b} G_{b}}} - - - (5)

因此，可以用等式5确定辐射热测定计层62的厚度。例如，非晶态硅和铝分别具有约为103Ω·cm和3×10^-6Ω·cm的电阻率。利用等式5，对于30微米(μm)乘30μm的一个感测面积而言，产生t_b＞L＊6＊10^-4，或者18纳米(nm)的辐射热测定计层的最小厚度。因此，辐射热测定计层62的厚度可以是例如50nm或高于50nm(例如，将设计公差包括在内)。在不同的IR成像器应用中，辐射热测定计层62的厚度可以是在例如10nm至1000nm之间，而使第一和第二导体层64厚度分别为10nm。然而，根据希望或者需要辐射热测定计层62的厚度可以更大或者更小。

这样，本发明的不同实施方案提供了具有垂直传导模式的一种微辐射热测定计，由此提高了TCR并且产生了改进的灵敏性。相应地，具有较高电阻率的多种辐射热测定计材料可以用于提供一种希望的或者所要求的装置的总电阻。应注意，当使用具有负TCR的辐射热测定计材料(例如，非晶态硅、VOx以及其他半导体材料)时，可以利用更高的电阻率获得更高的TCR值。因此，利用更高电阻率的材料提供了更高的TCR系数。

应注意，不同的实施方案(包括例如在此所说明的不同的层)可以用任何适当的材料形成并且可以基于例如特定的应用。进一步讲，还可以根据希望或需要修改各种层的尺寸和形状。另外，这些不同的实施方案可以与其中需要或者希望有一个辐射热测定计或微辐射热测定计的一种系统或装置结合使用。

尽管已经就不同的具体实施方案而言进行了说明，但本领域中熟练的技术人员将认识到在权利要求书的精神和范围内可以实施本发明的不同实施方案。

Claims

1.一种微辐射热测定计，包括：

一个第一导体层；

一个第二导体层；以及

在该第一导体层与第二导体层之间的一个辐射热测定计层。

2.如权利要求1所述的微辐射热测定计，其中该第一导体层和第二导体层各自包括超出该第一导体层和第二导体层各自的一个边缘而延伸的一条引线。

3.如权利要求1所述的微辐射热测定计，其中该第一导体层和第二导体层被配置为提供一种基本上垂直的电传导模式。

4.如权利要求1所述的微辐射热测定计，其中利用以下方程式限定该第一导体层和第二导体层以及该辐射热测定计层：

G_c＊t_c＜G_b＊t_b

其中G_c和G_b分别是用于该第一导体层和第二导体层以及该辐射热测定计层的材料的热传导率；并且t_c和t_b分别是该第一导体层和第二导体层以及该辐射热测定计层的厚度。

5.如权利要求1所述的微辐射热测定计，其中利用以下方程式限定该辐射热测定计层的厚度：

t_{b}^{2} > 2 \frac{ρ_{c} G_{c} L^{2}}{ρ_{b} G_{b}}

或

t_{b} > L \sqrt{\frac{2 ρ_{c} G_{c}}{ρ_{b} G_{b}}} - - - (5)

其中ρ_b和ρ_b分别是该辐射热测定计层以及第一层和第二层的电阻率；G_c和G_b是用于第一导体层和第二导体层的材料的热传导率；并且L是该辐射热测定计层的长度。

6.如权利要求1所述的微辐射热测定计，其中该微辐射热测定计层是夹在该第一与第二导体层之间。

7.如权利要求1所述的微辐射热测定计，其中该微辐射热测定计层的长度和宽度是与该第一导体层和第二导体层的长度和宽度基本上相等。

8.如权利要求1所述的微辐射热测定计，其中该辐射热测定计层的厚度是至少50纳米(nm)。

9.如权利要求1所述的微辐射热测定计，其中该第一导体层和第二导体层各自包括一种金属。

10.如权利要求1所述的微辐射热测定计，其中该辐射热测定计层包括一种半导体材料。

11.如权利要求1所述的微辐射热测定计，其中该第一导体层和第二导体层的厚度是实质性地小于该辐射热测定计层的厚度。

12.如权利要求1所述的微辐射热测定计，其中电子流基本上垂直穿过该辐射热测定计层并且基本上位于该第一导体层和第二导体层各自的平面内。

13.如权利要求1所述的微辐射热测定计，进一步包括位于该第一导体层和第二导体层的相对角落的多个触点。

14.如权利要求1所述的微辐射热测定计，其中该辐射热测定计层被配置为感测红外辐射。

15.一种热敏相机，包括根据权利要求1形成的一个微辐射热测定计。

16.如权利要求15所述的热敏相机，其中该微辐射热测定计被配置为感测红外(IR)辐射。

17.如权利要求15所述的热敏相机，其中该微辐射热测定计是一种没有冷却的装置。

18.用于检测电磁辐射的一种方法，该方法包括：

在一个热敏感薄膜上接收电磁辐射；并且

基于所接收的电磁辐射、利用一种基本上垂直的电传导模式来感测在一种辐射热测定计材料中的一个电阻变化。

19.如权利要求18所述的方法，进一步包括在限定该热敏感薄膜的多个导体层之间提供该辐射热测定计材料。

20.如权利要求18所述的方法，进一步包括基于所接收的电磁辐射来形成一个热图像。