光读出式焦平面阵列及其制备方法.pdf

本发明提供了一种在透明衬底上设计和制备太赫兹与全波段红外焦平面阵列的方法。本发明提供的太赫兹与全波段红外焦平面阵列利用双材料微悬臂梁作为焦平面阵列的像元，采用表面牺牲层工艺制备，光学技术读出焦平面阵列的响应信号。每个双材料微悬臂梁由吸收体、形变支腿、热隔离支腿、反射镜面和锚点组成，双材料微悬臂梁通过锚点固支在衬底上。在进行探测成像时，太赫兹与全波段红外电磁波聚焦到双材料微悬臂梁上，吸收体将吸收的电磁波能量转换成热能，形变支腿使微双材料微悬臂梁发生偏转，光学检测系统通过透明衬底读出双材料微悬臂梁阵列的形变量和分布，最终通过数据图像处理模块以光强图像的方式将被测物体的太赫兹与全波段红外图像显示出来。本发明提供的焦平面阵列可以实现多波段工作，并具有灵敏度和分辨率高，可靠性和均匀性好，以及低成本和制备工艺简单等突出优点。

1.  一种进行太赫兹与全波段红外探测探测成像的焦平面阵列，由多个结构和尺寸相同的双材料微悬臂梁和支撑多个双材料微悬臂梁的衬底组成；所述双材料微悬臂梁由吸收体、形变支腿、热隔离支腿、反射镜面和锚点组成；双材料微悬臂梁通过锚点固支在衬底上；所述支撑多个双材料微悬臂梁的衬底是对可见光具有高透过率的圆片材料，如玻璃、石英片、聚合物等；当进行太赫兹与全波段红外探测成像时，可见光穿过透明衬底照射到反射镜面上，而太赫兹与全波段红外通过透镜聚焦到双材料微悬臂梁上，吸收体将太赫兹与全波段红外能量转化为热量，形变支腿使双材料微悬臂梁发生偏转，光学读出系统读出多个双材料微悬臂梁的形变量和分布，最后通过数据图像处理模块以光强图像的方式将被测物体的太赫兹或红外图像显示出来，实现目标物的太赫兹与全波段红外探测成像。

2.  如权利要求1所述的双材料微悬臂梁，其特征在于：所述吸收体是将太赫兹与全波段红外电磁辐射能量转化为热量的薄膜或结构，所述薄膜或结构可以是氮化硅、氧化硅等半导体介质薄膜材料，也可以是黑金属、纳米金属、石墨烯等薄膜材料，亦可以是超材料吸收结构，以及这些薄膜或结构的多层叠加；所述薄膜或结构厚度需要满足最大程度吸收电磁辐射的要求。

3.  如权利要求2所述的吸收体，其特征在于：所述超材料吸收结构由位于顶层的超材料、中间的介质层和位于底面的反射镜面组成的三明治结构；所述超材料吸收结构中顶层的超材料和中间介质层可以反复相互叠加，以实现多带或宽带吸收。

4.  如权利要求3所述的超材料吸收结构，其特征在于：所述超材料是周期性排列的亚波长金属结构，用于实现超材料吸收结构与入射电磁波的谐振耦合；所述亚波长金属结构的形状、尺寸、排列方式、周期等由被探测电磁波的波长决定，包括方块型，“口”字型、劈裂环型、“十”字型、“H”型、双劈裂环型、“耶路撒冷十字”型等；所述亚波长金属结构可以通过相互嵌套、组合、叠加等方式，形成多带或宽带等特殊的吸收体；所述亚波长金属结构的制备材料可以是金属，如金、铝、铜等，也可以是掺杂的硅或锗等半导体材料，或金属硅化物，如钴硅化物、钛硅化物或钨硅化物等，或金属氧化物，如氧化钒等，还可以是金属氮化物，如氮化钛等，亦可以是其他高电导率材料，如石墨烯、碳纳米管等。

5.  如权利要求3所述的超材料吸收结构，其特征在于：所述反射镜面是一种对入射电磁波具有很好反射作用的连续金属薄膜。所述反射镜面的材料也可以是掺杂半导体材料，如掺杂的硅或掺杂锗，或金属硅化物材料，如钴硅化物、钛硅化物或钨硅化物，或金属硅化物，如钴硅化物、钛硅化物或钨硅化物等，或金属氧化物，如氧化钒等，还可以是金属氮化物，如氮化钛等，亦可以是高电导率材料，如石墨烯、碳纳米管等；所述反射镜面层的厚度大于入射电磁波的趋肤深度，从而消除入射电磁波的透射。

6.  如权利要求3所述的超材料吸收结构，其特征在于：所述介质层可以是硅基的介质材料，如氮化硅或氧化硅，也可以是聚合物，如聚酰亚胺(Polyimide)和聚对二甲苯-C(Parylene-C)；所述介质层厚度可以基于其材料本身的介电常数和超材料结构和尺寸进行调整，从而调整超材料吸收结构的等效介电常数 和等效磁导率，使其与自由空间的阻抗相匹配，达到提高入射电磁波吸收效率的目的。

7.  如权利要求1所述的双材料微悬臂梁，其特征在于：所述形变支腿由两种热膨胀系数相差尽可能大的材料组成，一层材料为具有较小热导率和热膨胀系数的半导体介质材料，如氮化硅、氧化硅等；另一层材料为高热膨胀系数的材料，如金属、聚合物等；所述两种材料的厚度比和形变支腿长度是获得尽可能大的形变量；所述热隔离支腿仅包括热导率较小的半导体介质材料，该半导体介质材料可以与形变支腿的具有较小热导率和热膨胀系数的材料一致，所述热隔离支腿的厚度和长度是获得最大隔热效率；所述形变支腿一端连接于吸收体，另一端连接于热隔离支腿，所述热隔离支腿一端连接于形变支腿，另一端连接于锚点；所述形变支腿和热隔离支腿的排列方式可以有多种，包括直线式、折线式、双折线式和多折线式等。

8.  如权利要求1所述的双材料微悬臂梁，其特征在于：所述反射镜面是一层或多层金属薄膜，位于吸收体底部，用于反射穿过透明衬底的读出可见光；所述反射镜面也可以是其他对可见光具有很好反射作用的薄膜材料，如钴硅化物、钛硅化物或钨硅化物等；所述反射镜面可同时采用超材料吸收结构的反射镜面。

9.  如权利要求1所述的焦平面阵列，其特征在于：所述焦平面阵列可以使用任何一种表面牺牲层工艺制备在透明衬底上；所述牺牲层材料包括半导体介质材料和聚合物材料，如二氧化硅、聚酰亚胺等；所述牺牲层材料通过旋涂或淀积的方式制备到透明衬底上，在牺牲层上制备形成锚点之后，制备双材料微悬臂梁，包括制备吸收体、形变支腿、热隔离支腿和反射镜面；最后，进行干法刻蚀或湿法腐蚀，去除牺牲层，使多个双材料微悬臂梁悬空，并固支在透明衬底上。

10.  如权利要求9所述的焦平面阵列，一种利用聚酰亚胺作为牺牲层，超材料吸收结构作为吸收体，在玻璃衬底上制备光读出式焦平面阵列的方法，包括以下步骤：
(1).旋涂聚酰亚胺于透明玻璃衬底之上并固化，形成牺牲层；
(2).淀积薄层金属金／铬，其中铬是金与介质层之间的粘附层，金同时作为可见光读出用反射镜面和超材料吸收结构中的反射镜面；
(3).第一次光刻并以光刻胶为掩膜腐蚀铬／金，再以光刻胶和铬／金共同作为掩膜，用氧等离子体刻蚀聚酰亚胺牺牲层，形成锚点；
(4).第二次光刻并以光刻胶为掩膜腐蚀铬／金，形成可见光读出用反射镜面及超材料吸收结构中的反射镜面；
(5).淀积一定厚度的低应力氮化硅，该层材料用于制备具有较小热导率和热膨胀系数的形变支腿层和热隔离支腿，以及超材料吸收结构中的中间介质层；
(6).淀积金属铝作为形变支腿的另一层材料；
(7).第三次光刻并以光刻胶为掩膜腐蚀铝，形成形变支腿上的另一层结构；
(8).第四次光刻后，淀积金属铬／金，其中铬是金与介质层之间的粘附层，采用剥离工艺形成超材料吸 收结构中的亚波长金属结构；
(9).第五次光刻并以光刻胶和铝共同作为掩膜，刻蚀氮化硅，形成吸收体、形变支腿的一层、热隔离支腿和超材料吸收结构中的中间介质层结构；
(10).氧等离子体刻蚀聚酰亚胺牺牲层，释放双材料微悬臂梁，形成光读出式焦平面阵列。

11.  如权利要求1所述的焦平面阵列，其特征在于：所述焦平面阵列的封装方法包括圆片级和芯片级真空封装。所述圆片级真空封装的部件和材料包括：带有多个双材料微悬臂梁的衬底基片、带过孔的中间垫层基片、盖帽基片、焊料和吸气剂；所述封装步骤包括：在衬底基片上制备出需要的双材料微悬臂梁；在衬底基片的键合面、中间垫层基片的两个面和盖帽基片的一面淀积一层复合金属层，并形成键合区域图形；在盖帽基片或中间垫层基片或衬底基片上制备吸气剂；加工中间垫层基片形成过孔；把衬底基片、中间垫层基片、盖帽基片按顺序对准组合在一起，并在衬底基片和中间垫层基片之间、中间垫层基片和盖帽基片之间夹入一定厚度的焊料；把组合在一起的三层基片放入具有一定真空度的键合炉内，焊料在一定温度和压力下熔融，使衬底基片、中间垫层基片、盖帽基片粘合在一起，形成密封腔；激活吸气剂，划片形成单个焦平面阵列。

12.  如权利要求11所述的圆片级真空封装，其特征在于：所述衬底基片为制备有焦平面阵列的对可见光透明的衬底，作为可见光入射窗口；所述盖帽基片为对被探测电磁波透明的圆片材料，作为被探测电磁波的入射窗口，根据所探测电磁波不同，可以为锗、硅或聚合物等材料；所述中间垫层基片可以是硅、玻璃等圆片材料；所述焊料可以是多种合金焊料，如金锡，铅锡，铟锡，银锡等焊料，所述吸气剂可选择锆、钛、铬等金属，以及其他合金材料或吸气剂。

光读出式焦平面阵列及其制备方法
技术领域
本发明属于太赫兹与全波段红外探测成像技术领域，涉及光读出式焦平面阵列的设计和制备方法，特别是涉及一种利用MEMS技术在透明衬底上设计和制备太赫兹与全波段红外焦平面阵列的方法。
背景技术
焦平面阵列(FPA-Focal Plane Array)是一种可以将电磁波转化为其它可读出信号的器件，主要应用在探测和成像技术领域。红外到太赫兹波段的电磁波在军用和民用领域均有极为广泛的应用。自二战以来，由于其可以有效提高在夜晚和昏暗环境中的单兵作战能力，红外探测器得到了极为迅速的发展。目前，商用红外探测系统已被广泛应用于汽车工业、环境检测和安保监测等领域；在军事领域，红外探测器在夜视、激光告警和制导等方面也被广泛使用。近年来，太赫兹技术也得到了长足的发展。太赫兹波段的电磁波与红外波段电磁波有很多相似的性质，但其特点也同样突出，其较低的光子能量和优秀的生物兼容性，使其在医疗诊断、安检、爆炸物检测和天文观测等领域的应用具有明显的优势。
一般来说，根据其探测原理，可以将太赫兹与红外探测器分为热探测器和光子型探测器。热探测器工作的基本原理是，吸收入射电磁波能量并将其转化为热，并进一步转化为某种可读出的物理量，这种物理量的变化一般可以是电阻变化(测辐射热式)、电压变化(热电堆式)或机械形变(双材料微悬臂梁式)。光子型探测器一般由半导体材料制备，入射的电磁波激发电子到高能级，从而产生感应电流或导致电导率变化。尽管光子型探测器在响应时间和灵敏度方面比热探测器有明显的优势，但由于其需要庞大的低温设备来抑制噪声，因此限制了其在一些商业和军事领域的应用和推广。热探测器在轻便性和低成本方面优势明显，因此具有广泛应用前景。
近年来，双材料微悬臂梁式非制冷红外探测器得到广泛的关注。这种探测器的焦平面阵列像元为双材料微悬臂梁。它由两种热膨胀系数相差很大的材料构成，因此当环境温度变化时微悬臂梁会发生弯曲形变，这种弯曲形变可以通过制备在悬臂梁上的微镜由光学读出系统读出，进而实现探测成像。一般有两种制备这种双材料微悬臂梁焦平面阵列的方法，一种是硅基表面牺牲层工艺，另一种是体硅工艺。在硅基表面牺牲层工艺中，微悬臂梁被制备在硅衬底上。在进行探测时，红外由硅衬底背面入射到微悬臂梁式上，而读出可见光由微悬臂梁面入射。由于硅材料对红外具有一定的吸收作用，使这种探测器的红外吸收效率降低，导致器件探测灵敏度降低。体硅工艺可以选择性的将微悬臂梁下的衬底去除，以避免衬底对入射红外波的吸收。然而，该工艺需要长时间的腐蚀或刻蚀硅衬底，使焦平面阵列的可靠性和均一度受到严重影响，且成本提高。
另一个非制冷探测器需要解决的问题就是吸收效率。目前，双材料微悬臂梁式焦平面阵列主要使用氮化硅作为吸收材料。氮化硅的核心吸收峰在10μm左右，因此可以在长波红外波段实现探测成像，然而对 于更短或更长波段，如短波和中波红外波段，以及太赫兹波段，其吸收率均显著下降。特别是在太赫兹频段，目前人们仍未发现具有较高吸收率且适合制备非制冷探测器的材料。另一方面，许多应用需要探测器具有多带或特定波段的探测能力，这对吸收材料提出了更高的要求。近年来，超材料进入到研究者的视线。超材料是一种周期性排列的人工材料，其电磁性质不是由材料的本征性质来决定，而是由周期性结构的形状、几何尺寸和排列方式来决定。经过适当的设计，超材料可以被用作完美的电磁波吸收材料，并且其吸收峰和带宽都可以方便的设计和调整。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用MEMS技术在透明衬底上设计和制备太赫兹与全波段红外焦平面阵列的方法。本发明提供的太赫兹与全波段红外焦平面阵列利用双材料微悬臂梁作为焦平面阵列的像元，并采用光学技术读出焦平面阵列的响应信号。所述双材料微悬臂梁由吸收体、形变支腿、热隔离支腿、反射镜面和锚点组成，并通过锚点支撑并固定在透明衬底上，所述透明衬底可以是玻璃、石英、聚合物等圆片材料。所述焦平面阵列采用表面牺牲层工艺制备在透明衬底上，所用牺牲层材料可以是半导体介质材料，如氧化硅，或有机材料，如聚酰亚胺(Polyimide)。
本发明提供的焦平面阵列可进行太赫兹与全波段红外探测和成像，可工作在非制冷环境下。在进行探测成像时，双材料微悬臂梁面向被探测物体，而读出用可见光穿过透明衬底准直入射到微镜上。当被测物体的吸收太赫兹与全波段红外电磁波聚焦到双材料微悬臂梁上时，吸收体吸收太赫兹与全波段红外电磁波并将其转化为热量；根据双材料效应，当吸收体吸收电磁辐射温度发生改变时，形变支腿会发生弯曲，使双材料微悬臂梁发生偏转；热隔离支腿用来减少衬底和双材料微悬臂梁之间的热交换；可见光穿过透明衬底准直到反射镜面上，反射镜面反射入射的可见光，光学检测系统读出不同双材料微悬臂梁的形变量和分布，最终通过数据图像处理模块以光强图像的方式将被测物体的太赫兹与红外图像显示出来。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种应用于太赫兹与全波段红外探测成像的焦平面阵列，包括多个双材料微悬臂梁和支撑多个双材料微悬臂梁的衬底。所述多个双材料微悬臂梁的结构和尺寸完全相同。每个双材料微悬臂梁包括一个吸收体，两个形变支腿，两个热隔离支腿，两个锚点和一个反射镜面。所述多个双材料微悬臂梁通过锚点固支在衬底上，以密排方式排布，以提高填充因子。
所述支撑多个双材料微悬臂梁的衬底是对可见光具有高透射率的圆片材料，如玻璃、石英片、聚合物等。在焦平面阵列工作时，读出用可见光可以由透明衬底面准直入射到反射镜面上，使光学读出系统从衬底侧读出多个双材料微悬臂梁的形变量，而被探测太赫兹与全波段红外电磁波从双材料微悬臂梁面入射。这样设计可以使电磁波直接辐射到吸收体上，从而提高焦平面阵列对电磁波的吸收效率。
所述吸收体是将太赫兹与全波段红外电磁辐射能量转化为热量的薄膜或结构，所述薄膜可以是氮化硅、氧化硅等薄膜介质材料，也可以是黑金属、纳米金属、石墨烯等薄膜，以及这些薄膜材料的多层叠加， 所述吸收体也可以是超材料吸收结构。所述吸收体连接形变支腿和热隔离支腿，通过锚点固支在衬底上。
所述超材料吸收结构由位于顶层的超材料、中间的介质层和位于底面的反射镜面组成的三明治结构。所述超材料吸收结构中顶层的超材料和中间介质层可以反复相互叠加，可以实现宽带吸收、多带吸收等特殊吸收体。所述超材料是周期性排列的亚波长金属结构，可以实现超材料吸收结构与入射电磁波电场的谐振耦合。所述反射镜面是一种对入射电磁波具有很好反射作用的金属薄膜，其厚度大于电磁波的趋肤深度，从而消除入射电磁波的透射。入射电磁波通过中间介质层在顶层超材料和底面的反射镜面之间进行耦合，从而实现超材料吸收结构与入射电磁波磁场的谐振耦合。所述制备反射镜面和超材料的材料并不仅仅局限于金属，也可以是掺杂半导体材料，如掺杂的硅或掺杂锗等，或金属硅化物材料，如钴硅化物、钛硅化物或钨硅化物等，或金属氧化物，如氧化钒，或金属氮化物，如氮化钛，或其他高电导率材料，如石墨烯、碳纳米管等。所述亚波长金属结构的形状、尺寸、排列方式、周期等由被探测电磁波的波长决定，包括方块型，“口”字型，劈裂环型，“十”字型，“H”型，双劈裂环型，“耶路撒冷十字”型等。而且，这些结构可以通过相互嵌套、组合、叠加等方式，形成如多带或宽带等吸收体。。所述介质层可以是硅基的介质材料，如氮化硅或氧化硅，也可以是聚合物，如聚酰亚胺和聚对二甲苯-C(ParyIene-C)。所述介质层厚度可以基于其材料本身的介电常数和超材料结构和尺寸进行调整，从而调整超材料吸收结构的等效介电常数和等效磁导率，使其与自由空间的阻抗相匹配，达到提高入射电磁波吸收效率的目的。
所述形变支腿由两种热膨胀系数相差尽可能大的材料组成，一层材料为具有较小热导率和热膨胀系数的半导体介质材料，如氮化硅、氧化硅等；另一层材料为高热膨胀系数的材料，如金属、聚合物等，所述两种材料的厚度比和形变支腿长度选择是获得尽可能大的形变量。所述热隔离支腿仅包括热导率较小的半导体介质材料，该半导体介质材料可以与形变支腿的具有较小热导率和热膨胀系数的材料一致，所述热隔离支腿的厚度和长度选择是获得最大隔热效率。所述形变支腿一端连接于吸收体，另一端连接于热隔离支腿，所述热隔离支腿一端连接于形变支腿，另一端连接于锚点。所述形变支腿和热隔离支腿的排列方式可以有多种，包括直线式、折线式、双折线式和多折线式等。
所述反射镜面是一层或多层金属薄膜，位于吸收体底部，用于反射穿过透明衬底的读出可见光。所述反射镜面可同时采用超材料吸收结构的反射镜面。所述反射镜面也可以是其他对可见光具有很好反射作用的其他薄膜材料，如钴硅化物、钛硅化物或钨硅化物等。
所述进行太赫兹与全波段红外探测成像的焦平面阵列，可以采用任何一种表面牺牲层工艺制备在透明衬底上。所述牺牲层的材料可以是半导体介质材料，也可以是聚合物材料，如氧化硅，聚酰亚胺等。基本制备工艺包括：在透明衬底上制备牺牲层，并在其上形成锚点结构，之后在牺牲层上制备双材料微悬臂梁阵列。最终，进行干法刻蚀或湿法腐蚀牺牲层，去除牺牲层释放双材料微悬臂梁。
一种利用聚酰亚胺作为牺牲层、超材料吸收结构作为吸收体，在玻璃衬底上制备光读出式焦平面阵列的方法，包括以下步骤：
1)旋涂聚酰亚胺于透明玻璃衬底上并固化，形成牺牲层；
2)淀积薄层金属金／铬，其中铬是金与介质层之间的粘附层，金同时作为可见光读出用反射镜面和超材料吸收结构中的反射镜面；
3)第一次光刻并以光刻胶为掩膜腐蚀铬／金，再以光刻胶和铬／金共同作为掩膜，用氧等离子体刻蚀聚酰亚胺牺牲层，形成锚点；
4)第二次光刻并以光刻胶为掩膜腐蚀铬／金，形成读出可见光用反射镜面及超材料吸收结构中的反射镜面；
5)淀积低应力氮化硅，该层材料用于制备具有较小热导率和热膨胀系数的形变支腿的一层结构、热隔离支腿和超材料吸收结构中的中间介质层，氮化硅层厚度需要同时满足形变支腿、热隔离支腿和超材料吸收结构的性能要求；
6)淀积金属铝作为形变支腿的另一层材料，铝的厚度与氮化硅的厚度比应满足双材料微悬臂梁热膨胀失配产生尽可能大的形变要求；
7)第三次光刻并以光刻胶为掩膜腐蚀铝，形成形变支腿上的另一层结构；
8)第四次光刻后，淀积金属铬／金，其中铬是金与介质层之间的粘附层，采用剥离工艺形成超材料吸收结构中的超材料；
9)第五次光刻并以光刻胶和铝共同作为掩膜，刻蚀氮化硅，形成吸收体、形变支腿的一层结构、热隔离支腿和超材料吸收结构中的中间介质层结构；
10)氧等离子体刻蚀聚酰亚胺牺牲层，释放双材料微悬臂梁，形成光读出式焦平面阵列。
为减少焦平面阵列与空气间的热交换，需要对焦平面阵列进行真空封装，所述焦平面阵列的真空封装方法包括圆片级和芯片级真空封装。所述圆片级真空封装的部件和材料主要包括：带有多个双材料微悬臂梁的衬底基片、带过孔的中间垫层基片、盖帽基片、焊料和吸气剂。封装步骤包括：在衬底基片上制备出多个双材料微悬臂梁；在衬底基片的键合面、中间垫层基片的两个面和盖帽基片的一面淀积一层复合金属层，并形成键合区域图形，该复合金属层作为焊接中间层，在实现粘附的同时还作为气密性阻绝层；在盖帽或中间垫层或衬底基片上溅射吸吸气剂；加工中间垫层基片形成过孔；把衬底基片、中间垫层基片、盖帽基片按顺序对准组合在一起，并在衬底基片和中间垫层基片、中间垫层基片和盖帽基片之间夹入一定厚度的焊料；把组合在一起的三层基片放入具有一定真空度的键合炉内，焊料在一定温度和压力下熔融，使衬底基片、中间垫层基片、盖帽基片粘合在一起，形成密封腔；激活吸气剂，划片形成单个焦平面阵列。所述衬底基片为制备有焦平面阵列的透明衬底，可以从其背面实现可见光读出。所述盖帽基片作为被探测电磁波的入射窗口，根据所探测电磁波不同，可以为锗、硅或聚合物等材料。所述中间垫层基片可以是硅、玻璃等圆片材料，位于盖帽基片和衬底基片之间，为双材料微悬臂梁提供一定的真空腔。所述焊料可以是多种合金焊料，如金锡，铅锡，铟锡，银锡等焊料，所述吸气剂可选择锆、钛、铬等金属，以及其他合金材料等。
综上所述，本发明提出了一种光读出式太赫兹与全波段红外探测成像用焦平面阵列及其制备方法，本发明具有如下优势：
1)本发明改变了传统的在硅衬底上制备双材料微悬臂梁焦平面阵列，被测电磁波从衬底面入射的工作方式，提出在透明衬底基片上制备双材料微悬臂梁焦平面阵列，这样被测电磁波由双材料微悬臂梁面入射，而从衬底面进行光学读出，这样可以使电磁波不经过衬底直接聚焦到吸收体上，极大地提高了太赫兹与全波段红外能量的吸收效率，从而提高焦平面阵列的灵敏度；
2)本发明提出的焦平面阵列采用表面牺牲层工艺制备，与体硅工艺制备焦平面阵列相比，牺牲层工艺制备的焦平面阵列的均匀性和可靠性明显提升，而且制备工艺简单、成本更低；
3)本发明提出的聚酰亚胺牺牲层工艺是一种低温制备工艺，适用于玻璃等不耐高温的低成本衬底材料。同时采用氧等离子干法刻蚀聚酰亚胺释放悬臂梁，因此避免了因为湿法腐蚀释放带来的双材料微悬臂梁失效问题；
4)本发明使用的玻璃和石英衬底具有很好的热隔离特性，可以有效减少双材料微悬臂梁之间通过衬底的热传导；
5)本发明提出的焦平面阵列圆片级真空封装方法，可利用制备有双材料微悬臂梁的透明衬底作为可见光入射窗口，另一片对入射电磁波透明的盖帽圆片作为电磁波入射窗口，采用钎焊技术实现真空封装，具有低温、工艺简单、成本低、可靠性好等优势；
6)本发明提出的焦平面阵列采用光学读出方式，光学读出系统可以对焦平面阵列信息进行整体处理，在增加像元数量时基本不会增加信息的处理量，且相比电学读出的焦平面阵列，光读出式焦平面阵列的制备工艺简单，易于提高阵列的像元数量，从而提高探测器的分辨率。
附图说明
图1为本发明提出的焦平面阵列立体结构示意图；
图2为本发明提出的双材料微悬臂梁俯视结构示意图；
图3为本发明提出的双材料微悬臂梁剖面结构示意图；
图4A为本发明提出的超材料吸收结构的俯视结构示意图，图4B为本发明提出的超材料吸收结构的剖面结构示意图，图4C-4H为其他几种超材料结构示意图；
图5为本发明提出的焦平面阵列制备工艺流程图；
图6为本发明提出的焦平面阵列的圆片级真空封装示意图；
附图中相同的附图标记代表相同的部件。
其中：
101-双材料微悬臂梁；102-锚点；103-衬底；201-吸收体；202-形变支腿；203-热隔离支腿；
204-超材料；205-介质层；301-反射镜面；501-牺牲层；601-盖帽基片；602-中间垫层基片；
603-中间垫层基片的过孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构及方法作详细描述。
一种应用于太赫兹与全波段红外探测成像的焦平面阵列，如图1所示，包括多个双材料微悬臂梁(101)和支撑多个双材料微悬臂梁的衬底(103)。所述多个双材料微悬臂梁(101)的结构和尺寸完全相同，通过锚点(102)固支在衬底上。如图2A俯视图所示，所述双材料微悬臂梁包括一个吸收体(201)，两个形变支腿(202)，两个热隔离支腿(203)，两个锚点(102)和一个反射镜面(301)。所述多个双材料微悬臂梁以密排方式排布，以提高填充因子。
所述支撑多个双材料微悬臂梁的衬底(103)是对可见光有高透射率的圆片材料，如玻璃、石英片、聚合物等。焦平面阵列工作时，读出用可见光由透明衬底面准直入射到双材料微悬臂梁(101)上，使光学读出系统从衬底面读出多个双材料微悬臂梁的形变量，而被探测太赫兹与全波段红外电磁波从双材料微悬臂梁面入射。这样设计可以使电磁波直接辐射到双材料微悬臂梁(101)上，从而提高焦平面阵列对电磁波的吸收效率。
所述吸收体(201)是将太赫兹与全波段红外电磁辐射能量转化为热量的薄膜或结构，所述薄膜可以是氮化硅、氧化硅等薄膜介质材料，也可以是黑金属、纳米金属、石墨烯等薄膜，以及这些薄膜材料的多层叠加，所述吸收体也可以是超材料吸收结构。如图2B所示，为采用超材料吸收结构作为吸收体的双材料微悬臂梁俯视图；如图3所示，为采用超材料吸收结构作为吸收体的双材料微悬臂梁剖面图。所述吸收体(201)连接形变支腿(202)和热隔离支腿(203)，通过锚点(102)固支在衬底(103)上。
所述超材料吸收结构，其俯视图和剖面图分别如图4A和图4B所示，由位于顶层的超材料(204)、中间的介质层(205)和位于底面的反射镜面(301)组成的三明治结构。所述超材料吸收结构中顶层的超材料(204)和中间介质层(205)可以反复相互叠加，以实现宽带吸收或多带吸收等特殊吸收特性。所述超材料(204)是周期性排列的亚波长金属结构，可以实现超材料吸收结构与入射电磁波电场的谐振耦合。所述亚波长金属结构的形状、尺寸、排列方式、周期等由探测电磁波的波长决定，方块型(图4A)，“口”字型(图4C)，劈裂环型(图4D)，“十”字型(图4E)，“H”型(图4F)，双劈裂环型(图4G)，“耶路撒冷十字”型(图4H)等。而且，这些结构可以通过相互嵌套、组合、叠加等方式，形成如多带或宽带等特殊的吸收特性。
所述反射镜面(301)是一种对入射电磁波具有很好反射作用的金属薄膜，其厚度大于电磁波的趋肤深度，从而消除入射电磁波的透射。入射电磁波通过中间介质层(205)在顶层超材料(204)和底面的反射镜面(301)之间进行耦合，从而实现超材料吸收结构与入射电磁波磁场的谐振耦合。所述反射镜面(301) 和超材料(204)的材料并不仅仅局限于金属，也可以是掺杂半导体材料，如掺杂的硅或掺杂锗等，或金属硅化物材料，如钴硅化物、钛硅化物或钨硅化物等，或金属氧化物，如氧化钒，或金属氮化物，如氮化钛，或其他高电导率材料，如石墨烯、碳纳米管等。所述介质层(205)可以是硅基的介质材料，如氮化硅或氧化硅，也可以是聚合物，如聚酰亚胺和聚对二甲苯-C(Parylene-C)。所述介质层(205)，其厚度可以基于其材料本身的介电常数和超材料结构和尺寸进行调整，从而调整超材料吸收结构的等效介电常数和等效磁导率，使其与自由空间阻抗的阻抗相匹配，达到提高入射波吸收效率的目的。
所述形变支腿(202)由两种热膨胀系数相差尽可能大的材料组成，一层材料为具有较小热导率和热膨胀系数的半导体介质材料，如氮化硅、氧化硅等；另一层材料为高热膨胀系数的材料，如金属、聚合物等，所述两种材料的厚度比和形变支腿(202)长度选择是获得尽可能大的形变量。所述热隔离支腿(203)仅包括热导率较小的半导体介质材料，该半导体介质材料可以与形变支腿(202)的一层材料一致，所述热隔离支腿(203)的厚度和长度选择是获得最大隔热效率。所述形变支腿(202)一端连接于吸收体(201)，另一端连接于热隔离支腿(203)，所述热隔离支腿(203)一端连接于形变支腿(202)，另一端连接于锚点(102)。所述形变支腿(202)和热隔离支腿(203)的排列方式可以有多种，包括直线式、折线式、双折线式和多折线式等。如图2C所示，为另一种折线式双材料微悬臂梁结构，其具有更长的热隔离支腿，可以实现更好的热隔离特性。
所述反射镜面(301)是一层或多层金属薄膜，位于吸收体(102)底部，用于反射穿过透明衬底的读出可见光。所述反射镜面(301)可同时作为超材料吸收结构的反射镜面。所述反射镜面(301)也可以是其他对可见光具有很好反射作用的其他薄膜材料，如钴硅化物、钛硅化物或钨硅化物等。
所述进行太赫兹与全波段红外探测成像的焦平面阵列，可以采用任何一种表面牺牲层工艺制备在透明衬底上。所述牺牲层(501)的材料可以是半导体介质材料，如氧化硅，也可以是或聚合物材料，如聚酰亚胺等。基本制备工艺包括：在透明衬底(103)上制备牺牲层(501)，并在其上形成锚点(102)结构，之后在牺牲层(501)上制备多个双材料微悬臂梁。最终，干法刻蚀或湿法腐蚀牺牲层，去除牺牲层释放双材料微悬臂梁(101)。
一种利用聚酰亚胺作为牺牲层、超材料吸收结构作为吸收体，在玻璃衬底上制备光读出式焦平面阵列的方法，工艺流程图如图5所示，包括以下步骤：
1)旋涂聚酰亚胺于透明玻璃衬底之上并固化，形成牺牲层(601)，结构剖面图剖面图如图6A；
2)淀积薄层金属金／铬，其中铬是金与介质层之间的粘附层，金同时作为可见光读出用反射镜面和超材料吸收结构中的反射镜面材料；
3)第一次光刻并以光刻胶为掩膜腐蚀铬／金，再以光刻胶和铬／金共同作为掩膜，用氧等离子体刻蚀聚酰亚胺牺牲层，形成锚点，结构剖面图如图6B；
4)第二次光刻并以光刻胶为掩膜腐蚀铬／金，形成可见光读出用反射镜面及超材料吸收结构中的反射镜 面，结构剖面图如图6C；
5)淀积低应力氮化硅，该层材料用于制备形变支腿的第一层结构、热隔离支腿和超材料吸收结构中的中间介质层，氮化硅层厚度需要同时满足形变支腿、热隔离支腿和超材料吸收结构的性能要求，结构剖面图如图6D；
6)淀积金属铝作为形变支腿的另一层材料，铝的厚度与氮化硅的厚度比应满足双材料微悬臂梁热膨胀失配产生尽可能大的形变要求；
7)第三次光刻并以光刻胶为掩膜腐蚀铝，形成形变支腿上的另一层结构，结构剖面图如图6E；
8)第四次光刻后，淀积金属铬／金，其中铬是金与介质层之间的粘附层，采用剥离工艺形成超材料吸收结构中最上层的超材料，结构剖面图如图6F；
9)第五次光刻并以光刻胶和铝共同作为掩膜，刻蚀氮化硅，形成吸收体、形变支腿的第一层结构、热隔离支腿和超材料吸收结构中的中间介质层结构，结构剖面图如图6G；
10)氧等离子体刻蚀聚酰亚胺牺牲层，释放双材料微悬臂梁，形成光读出式焦平面阵列，结构剖面图如图6H。
所述焦平面阵列的封装方法包括圆片级和芯片级真空封装方法，以减少焦平面阵列与空气间的热交换，如图7所示。所述圆片级真空封装的部件和材料主要包括：带有多个双材料微悬臂梁的衬底基片(103)、带过孔的中间垫层基片(602)、盖帽基片(603)、焊料和吸气剂。真空封装基本步骤包括：在衬底基片(103)上制备出需要的双材料微悬臂梁(101)；在衬底基片(103)的键合面、中间垫层基片(602)的两个面和盖帽基片(603)的一面淀积一层复合金属层，并形成键合区域图形，该复合金属层作为焊接中间层，在实现粘附的同时还作为气密性阻绝层；在盖帽基片(603)或中间垫层基片(602)或衬底基片(103)上溅射吸气合金作为吸气剂；加工中间垫层(602)基片形成过孔(603)；把衬底基片(103)、中间垫层基片(602)、盖帽基片(601)按顺序对准组合在一起，并在衬底基片(103)和中间垫层基片(602)、中间垫层基片(602)和盖帽基片(601)之间夹入一定厚度的焊料；把组合在一起的三层基片放入具有一定真空度的键合炉内，焊料在一定温度和压力下熔融，使衬底基片(103)、中间垫层基片(602)、盖帽基片(601)粘合在一起，形成密封腔；激活吸气剂，划片形成单个焦平面阵列。
所述衬底基片(103)为制备有焦平面阵列的透明衬底，可以从其背面实现可见光读出。所述盖帽基片(601)作为被探测电磁波的入射窗口，需要对被探测电磁波透明，根据所探测电磁波不同，可以为锗、硅或聚合物等材料。所述中间垫层基片(602)可以是硅、玻璃等圆片材料，位于盖帽基片和衬底基片之间，为双材料微悬臂梁提供一定空间的真空腔。所述焊料可以是多种合金焊料，如金锡，铅锡，铟锡，银锡等焊料，所述吸气剂可选择锆、钛、铬等金属，以及其他合金材料等。