CN111426398B - 多色大面阵红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种多色大面阵红外探测器及其制备方法，涉及半导体光电子领域。探测器包括探测器外壳、光学窗片、转动轴、传动轴、滚筒、多组焦平面芯片封装杜瓦装置、制冷装置、固定轴、电刷、镜头、信号处理电路和显示器。本申请将不同探测波段的焦平面芯片封装于不同杜瓦中，然后将焦平面芯片封装杜瓦装置按照一定的轴向对称方式排布焊接于滚筒的轴面上，通过滚筒的转动实现不同波段的探测，最终实现多色红外探测图像成像图。本申请仅通过单色焦平面芯片封装杜瓦装置阵列镶嵌和并列连接就可实现多色，节省工艺时间，实现低成本。此外，本申请多色大面阵红外焦平面探测器还能够根据实用领域实现不同波段波长耦合和信号输出。
Description
技术领域
本申请涉及半导体光电子领域，特别是涉及一种多色大面阵红外探测器及其制备方法。
背景技术
红外探测器作为红外成像系统中的核心组件，可以实现红外光信号与电信号之间的转换，同时对接收到的物理电信号做相应模拟和数字处理，达到人类视觉能够分辨的成像图像。到目前为止，红外探测技术的应用主要集中在军事领域，如预警、导弹拦截、侦察等军事行动，同时在医疗、农业、安防等多个民用领域也具有较为广泛的应用。
红外探测器的成像发展，不论是扫描式还是凝视型，其系统都主要包括四大组成部分，即：红外成像镜头，这部分主要作用是把探测目标成像到探测器组件上；红外焦平面阵列，这部分主要作用是将红外辐射转换为其他便于处理的电信号；信号处理部分，对红外焦平面阵列输出的物理信号做滤波处理，然后转换为视频信号；显示器，接受视频信号，显示出图像，实现高质量的成像效果。
到目前为止，短波1-3μm、中波3-5μm、长波8-12μm和甚长波>12μm的单色红外焦平面探测器都已经有成熟产品。但是随着科技的发展，单色红外探测器在预警、跟踪、拦截等军事领域的应用中出现虚假警率的概率比较高，已经满足不了日益发展的军事应用。为进一步满足探测器在高端军事应用的高精度要求，提出一种能实现多波段探测的探测器结构设计理念。近年来国内外对红外探测器的研究与产业化也逐渐在向多色、大面阵方向发展。
按照理论，实现多色红外焦平面探测器制备有两种构成方式：一是多个分别对应不同波段的探测器组件共用一个光学系统构成；二是用单个能响应多个波段的多色红外探测器共用一个光学系统构成。到目前为止，国内外大部分研究机构和公司对多色红外焦平面探测器的制备均采用第二种方式，比如针对双色红外探测器是通过在材料上形成两个不同波段叠加的光电二极管实现双色探测结果。目前已研制出三色、四色的红外探测器依旧采用第二种方式，在材料结构设计上实现纵向三个、四个叠层光电二极管，但是因制备探测器材料外延生长和刻蚀深度精度的控制等工艺限制，此种方式实现大面阵双色甚至多色探测器依旧存在很大的挑战。
因此，亟需设计出一种实现多波段大面阵红外焦平面探测器的产品，且能够解决上述手工艺限制导致的制备过程中器件工艺难度大的问题。
发明内容
本申请的目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓减解决上述问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种多色大面阵红外探测器，包括：
探测器外壳，作为外层，用于保护所述探测器中除探测器外壳之外的器件；
光学窗片，安装在所述探测器外壳的顶部，用于透光；
转动轴，安装在所述探测器外壳的一侧且位于中部处，用于提供转动；
传动轴，一端与所述转动轴固定连接，用于安装滚筒并带动滚筒转动；
滚筒，一端插入于所述传动轴的另一端处并与其固定安装，滚筒与所述传动轴及所述转动轴形成所述探测器的转子；
多组焦平面芯片封装杜瓦装置，沿所述滚筒的轴线分布在所述滚筒的轴面处并焊接在轴面处，其中，每组焦平面芯片封装杜瓦装置的波长相同，各组焦平面芯片封装杜瓦装置的波长不同，每一焦平面芯片封装杜瓦装置的内部均为高真空环境，每一焦平面芯片封装杜瓦装置均具有外露的金属排针；
制冷装置，安装在所述滚筒的空腔处，采用焦汤模式制冷，用于为所述多组焦平面芯片封装杜瓦装置制冷；
固定轴，安装在所述探测器外壳的内部，用于固定电刷；
电刷，固定在所述固定轴处，电刷与固定轴形成所述探测器的定子，电刷用于与转动到其处的焦平面芯片封装杜瓦装置的金属排针接触，实现电信号的输出；
镜头、信号处理电路及显示器，镜头固定在所述探测器外壳处，用于将探测目标成像，信号处理电路和显示器外接在所述探测器外壳处，信号处理电路用于对焦平面芯片封装杜瓦装置输出的物理信号做滤波处理，然后转换为视频信号，显示器用于接受视频信号，显示出图像。
可选地，每一焦平面芯片封装杜瓦装置包括：
带冷屏的杜瓦外壳，杜瓦外壳与冷屏结合成为一体结构，作为探测器芯的外层，保护所述每一焦平面芯片封装杜瓦装置中的探测器芯，同时内部发黑，起到冷屏吸收杂散光的作用；
滤光片，安装在所述杜瓦外壳的顶部，用于透过探测器芯片所需的光；
陶瓷框架，位于所述杜瓦外壳底部，所述陶瓷框架与电路焊盘相连的两侧壁处具有所述金属排针；和
探测器芯片，包括光敏源材料与硅基电路，光敏源材料以外延的方式生长于衬底上，组成光电器件，光电器件与硅基电路采用倒装互联的方式组成探测器芯片，粘贴在所述陶瓷框架上，通过引线键合连接电路与陶瓷框架，以实现光信号与电信号的转换与传输。
可选地，所述光敏源材料选自制冷材料或非制冷材料。
可选地，所述制冷材料包括III-V、II-VI及IV族异质结、量子阱、量子点、超晶格结构或III-V及IV族大面阵制冷探测器材料，所述非制冷材料包括氧化钒和非晶硅。
可选地，所述滚筒的轴面上均分n个棱面，按照轴向对称方式排布，其中，n≥1，在所述滚筒的轴面上焊接的焦平面芯片封装杜瓦装置，同时对于每一个棱面上焊接的多组焦平面芯片封装杜瓦装置个数可以是1，2，3……m个，其中，m≥1。
可选地，所述滚筒的材料为具有高热传导的材料，优选地，所述滚筒的材料为陶瓷。
可选地，所述制冷装置包括制冷气体腔室，由所述滚筒的另一端伸入所述滚筒的空腔处，所述制冷气体腔室的前端处具有制冷气高压进气口，所述制冷气体腔室与所述滚筒之间具有排气孔。
可选地，所述电刷的数量为两个，分别位于距离光学窗口垂直距离最近处同时和滚筒的顶部轴面处于同一水平面，以实现滚筒上焦平面芯片封装杜瓦装置滚动到顶端的同时实现光信号和电信号的同步传输。
根据本申请的另一个方面，提供了一种用于所述多色大面阵红外探测器的制备方法，按照下述步骤进行：
步骤100，所述焦平面芯片封装杜瓦装置制备；
步骤200，所述焦平面芯片封装杜瓦装置、电刷的安装，将所述焦平面芯片封装杜瓦装置杜瓦焊接在所述滚筒的轴面处；
步骤300，同时在所述滚筒处的制冷气体腔室内填充气体；
步骤400，将所述电刷固定在固定轴处，将所述镜头固定在探测器外壳处，将信号处理电路和显示器外接在所述探测器外壳处，安装光学窗片，将整体探测器进行封装。
可选地，所述步骤100中所述焦平面芯片封装杜瓦装置制备包括：
步骤101，焦平面芯片光敏源材料结构的制备、硅基电路制备和相关材料外延，蚀刻，钝化，互联，减薄的工艺均按照标准探测器芯片制备工艺进行；
步骤102，光敏源材料与硅基电路的连接，采用倒装互联工艺，将光敏源材料与硅基电路组成的探测器芯片整体粘贴在陶瓷框架上，并采用楔焊机通过引线键合的方式将电路焊盘与陶瓷框架上的焊盘焊接起来，陶瓷框架与硅基电路焊盘相连两边的侧壁的边缘上对应有金属排针；
步骤103，滤光片安装在内部黑化的冷屏顶部，透过探测器芯片所需的光；
步骤104，将完成上述步骤的杜瓦外壳与陶瓷框架在真空环境中进行焊接，形成密封的整体芯片单元。
本申请的多色大面阵红外探测器和制备方法，本申请的多色大面阵红外焦平面探测器的设计架构模式，将不同探测波段的焦平面芯片封装于不同杜瓦中，然后将焦平面芯片封装杜瓦装置按照一定的轴向对称方式排布焊接于滚筒的轴面上，通过滚筒的转动实现不同波段的探测，最终实现多色红外探测图像成像图。本申请仅通过单色焦平面芯片封装杜瓦装置阵列镶嵌和并列连接就可实现多色，避免了在材料生长和刻蚀工艺中的技术难点，节省工艺时间，实现低成本。此外，本申请多色大面阵红外焦平面探测器还能够根据实用领域实现不同波段波长耦合和信号输出。
进一步地，本申请的制冷装置采用焦汤模式(J-T)制冷，使得多色大面阵红外焦平面探测器工作温度范围更广，相对目前制冷型红外探测器采用的斯特林制冷达到更低的制冷温度。
进一步地，本申请的使用范围广，包含目前已研制出或待研制出所有材料或种类的芯片。
进一步地，本申请的实用性更强，本申请不仅适用红外探测领域，此种结构还可应用于多色激光器的制备。
根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本申请一个实施例的多色大面阵红外探测器的示意性结构图；
图2是图1所示焦平面芯片封装杜瓦装置的示意性结构图；
图3是图1所示的滚筒、焦平面芯片封装杜瓦装置、制冷结构和传输轴的示意图结构图；
图4是图1所示的一个电刷的示意性结构图。
图中各符号表示含义如下：
1探测器外壳；2固定轴；3电刷；4排气孔；5转动轴；6传动轴；7滚筒；8焦平面芯片封装杜瓦装置；9制冷气高压进气口；10光学窗片；11传动轴与滚筒内部固定镶嵌装置；12制冷气体腔室；13滚筒内部膨胀腔室；
31金属毛刷，32电刷轴；
81杜瓦外壳，82滤光片，83金属排针，84陶瓷框架，85金线连接单元，86光敏源材料，87硅基电路；
8111第一短波焦平面芯片封装杜瓦装置；8112第二短波焦平面芯片封装杜瓦装置；8121第一中波焦平面芯片封装杜瓦装置；8122第二中波焦平面芯片封装杜瓦装置；8131第一长波焦平面芯片封装杜瓦装置；8132第二长波焦平面芯片封装杜瓦装置；8141第一甚长波焦平面芯片封装杜瓦装置；8142第二甚长波焦平面芯片封装杜瓦装置；
91节流管道。
具体实施方式
发明人在实现本发明的过程中，还发现现有技术还存在：因探测目标处于复杂环境背景对信号造成的抑制，导致探测器识别能力、探测距离、灵敏度和分辨率较低的问题。为达到解决上述问题，本申请提供了一种多色大面阵红外焦平面探测器，其包括对不同波段单色红外探测器的设计和组装。
图1是根据本申请一个实施例的多色大面阵红外探测器的示意性结构图。如图1所示，本申请提供的一种多色大面阵红外探测器，包括：探测器外壳1、光学窗片10、转动轴5、传动轴6、滚筒7、多组焦平面芯片封装杜瓦装置8、制冷装置、固定轴2、电刷3、镜头、信号处理电路和显示器。探测器外壳1作为外层，用于保护所述探测器中除探测器外壳1之外的器件。光学窗片10安装在所述探测器外壳1的顶部，用于透光。转动轴5安装在所述探测器外壳1的一侧且位于中部处，用于提供转动。传动轴6的一端与所述转动轴5固定连接，用于安装滚筒7并带动滚筒7转动。滚筒7的一端插入于所述传动轴6的另一端处并与其固定安装，滚筒7与所述传动轴6及所述转动轴5形成所述探测器的转子。多组焦平面芯片封装杜瓦装置8沿所述滚筒7的轴线分布在所述滚筒7的轴面处并焊接在轴面处。其中，每组焦平面芯片封装杜瓦装置8的波长相同，各组焦平面芯片封装杜瓦装置8的波长不同，每一焦平面芯片封装杜瓦装置8的内部均为高真空环境，每一焦平面芯片封装杜瓦装置8均具有外露的金属排针83。制冷装置安装在所述滚筒7的空腔处，采用焦汤模式(J-T)制冷，对所述多组焦平面芯片封装杜瓦装置8进行制冷。固定轴2安装在所述探测器外壳1内部，用于固定电刷3。电刷3固定在所述固定轴2处，电刷3与固定轴2形成所述探测器的定子，电刷3用于与转动到其处的焦平面芯片封装杜瓦装置8的金属排针83接触，实现电信号输出。镜头固定在所述探测器外壳1处，用于将探测目标成像所述探测器处。信号处理电路和显示器外接在所述探测器外壳1处。信号处理电路用于对焦平面芯片封装杜瓦装置8输出的物理信号做滤波处理，然后转换为视频信号。显示器用于接受视频信号，显示出图像。
如图1所示，本申请的多色大面阵红外探测器中，不同探测波段的焦平面芯片封装于不同杜瓦中，然后将焦平面芯片封装杜瓦装置8按照一定的轴向对称方式排布焊接于滚筒7上，通过滚筒7的转动实现不同波段的探测，最终完成多色红外探测图像成像图。具体地，当转动轴5带动滚筒7以一定高转速度滚动时，每次当一个滚筒7的轴面转动到与光学窗口10垂直的位置时，光首先通过光学窗口10进入，然后通过与光学窗口10对应的焦平面芯片封装杜瓦装置8实现对光的过滤和杂散光的吸收，通过传动轴与滚筒内部固定镶嵌装置11接触带动滚筒7与电刷3接触实现信号传输。同时在滚筒7中心内部对芯片杜瓦装置进行制冷。整个焦平面芯片封装杜瓦装置8依旧按照标准探测器封装工艺进行。以此模式，随着滚筒7的高速转动，实现多个不同波段光电信号的转换，通过信号处理最终实现图像传输。依据本申请此种红外探测器，在一定转速范围内可高频的实现焦平面芯片封装杜瓦装置8对各个波段信号的传输，提高图像帧频和数据传输速率。
本申请的多色大面阵红外焦平面探测器的设计架构模式，将不同探测波段的焦平面芯片封装于不同杜瓦中，然后将焦平面芯片封装杜瓦装置8按照一定的轴向对称方式排布焊接于滚筒7的轴面上，通过滚筒7的转动实现不同波段的探测，最终实现多色红外探测图像成像。本申请仅通过单色焦平面芯片封装杜瓦装置8阵列镶嵌和并列连接就可实现多色，避开了在材料生长和刻蚀工艺中的技术难点，可有效解决目前多色红外探测器制备过程中器件工艺难度大的问题，节省工艺时间，降低成本。此外，本申请多色大面阵红外焦平面探测器还能够根据实用领域实现不同波段波长耦合和信号输出，同时可极大提高探测器的帧频和成像像素，实现多色高性能探测。
进一步地，本申请的使用范围广，包含目前已研制出或待研制出所有材料或种类的芯片。
进一步地，本申请的实用性更强，本申请不仅适用红外探测领域，此种结构还可应用于多色激光器的制备。
更具体地，本实施例中，所述制冷装置包括制冷气体腔室12，由所述滚筒7的另一端伸入所述滚筒7的空腔处。所述制冷气体腔室12的前端处具有制冷气高压进气口9。所述制冷气体腔室12与所述滚筒7之间具有排气孔4。
进一步地，本申请的制冷装置，采用焦汤模式(J-T)制冷，使得多色大面阵红外焦平面探测器工作温度范围更广，相对目前制冷型红外探测器采用的斯特林制冷达到更低的制冷温度。本实施例中，在滚筒7内部通过焦汤模式(J-T)方式制冷，如此可减小所述探测器的体积，相比目前探测器的制冷方式可实现更低的工作温度。焦平面芯片封装杜瓦装置8随滚筒7实现转动，保证所述探测器低温工作环境，对焦平面芯片封装杜瓦装置8进行制冷。滚筒7另一侧安装焦汤模式(J-T)方式的制冷装置，高压制冷气体通过制冷气高压进气口9进入到制冷气体腔室12，当高压气制冷气体通过节流管道91控制流速，进入滚筒内部膨胀腔室13后，由于大气压的不同，导致高压气体瞬间膨胀吸热使周围环境和焦平面芯片封装杜瓦装置8被冷却，此时高压气体恢复到低压气体，通过滚筒7内部两侧的排气孔4排放。
更具体地，本实施例中，所述多色大面阵焦平面探测器采用背入射探测模式。
更具体地，本实施例中，所述滚筒7的材料为具有高热传导的材料。优选地，所述滚筒7的材料为陶瓷。
图2是图1所示焦平面芯片封装杜瓦装置的示意性结构图。为更好说明杜瓦装置内部构造，图2的示意图为透明。本实施例中，每一焦平面芯片封装杜瓦装置8包括：带有冷屏的杜瓦外壳81、滤光片82、陶瓷框架84、探测器芯片(即光敏源材料86和硅基电路87)。本实施例中，焦平面芯片按照标准红外探测器芯片制备工艺进行，采用真空杜瓦封装工艺，并加置滤光片82。其中，杜瓦外壳91与冷屏结合成为一体结构，作为探测器芯片的外层，用于保护所述每一焦平面芯片封装杜瓦装置8中的探测器芯片。滤光片82安装在所述冷屏的顶部，用于透过探测器芯片所需要的光。陶瓷框架84位于所述杜瓦外壳81中与所述冷屏相对的一面。陶瓷框架上具有金线连接单元85。所述陶瓷框架与电路焊盘相连的两侧壁处具有所述金属排针83，金属排针83负责将焦平面芯片封装杜瓦装置8内探测器信号传输到外界装置。探测器芯片包括光敏源材料86与硅基电路87，光敏源材料86以外延的方式生长于衬底上，组成光电器件，光电器件与硅基电路87采用倒装互联的方式组成探测器芯片，粘贴在所述陶瓷框架84上，通过引线键合连接硅基电路87与陶瓷框架84，以实现电信号的传输。其中光敏材料86和硅基电路87按照正常探测器工艺进行制备，包括倒装互联和减薄工艺。
更具体地，实际应用中，研究人员可根据需求对焦平面芯片封装杜瓦装置8中光敏源的种类进行调整，若为制冷探测器则所述光敏源材料86选自III-V(如InGaAs或InAs/GaSb/AlSb二类超晶格)、II-VI(碲镉汞)及IV族异质结、量子阱、量子点、超晶格结构或III-V及IV族大面阵探测器材料中的一种，若为非制冷探测器则所述光敏源材料86选自氧化钒和非晶硅材料中的一种。同时研究人员根据需求使焦平面芯片封装杜瓦装置8达到真空要求，例如在真空环境中对陶瓷框架84和杜瓦外壳81进行焊接封装。更具体地，本实施例中，所述滚筒7的轴面上均分n个棱面，按照轴向对称方式排布，其中，n≥1，在所述滚筒7的轴面上焊接的焦平面芯片封装杜瓦装置8，同时对于每一个棱面上焊接的多组焦平面芯片封装杜瓦装置8个数可以是1，2，3……m个，其中，m≥1。
图3是图1所示的滚筒、焦平面芯片封装杜瓦装置、制冷结构和传输轴的示意图结构图。更具体地，本实施例中，滚筒7为带有空腔的筒装结构，侧边具有四个棱状切面，在滚筒7的四个棱状切面上分别贴有2×4个焦平面芯片封装杜瓦装置8。具体在滚筒7的四个棱面分别安置：两个短波焦平面芯片封装杜瓦装置，即第一短波焦平面芯片封装杜瓦装置8111，第二短波焦平面芯片封装杜瓦装置8112；两个中波焦平面芯片封装杜瓦装置，即第一中波焦平面芯片封装杜瓦装置8121，第二中波焦平面芯片封装杜瓦装置8122；两个长波焦平面芯片封装杜瓦装置，即第一长波焦平面芯片封装杜瓦装置8131，第二长波焦平面芯片封装杜瓦装置8132；两个甚长波焦平面芯片封装杜瓦装置，即第一甚长波焦平面芯片封装杜瓦装置8141，第二甚长波焦平面芯片封装杜瓦装置8142。当转动轴5带动滚筒7以一定高转速度滚动时，滚筒7棱面处的焦平面芯片封装杜瓦装置8也随之转动。每次当一个棱面转动到与光学窗口10垂直的位置时，光首先通过光学窗口10进入，然后通过滤光片82实现对光的过滤，光敏源材料86吸收所需波段的光。当焦平面芯片封装杜瓦装置8转动到电刷3的正上方时，陶瓷框架84侧壁的金属排针83与滚筒7两侧的电刷3接触，实现信号输出。以此模式随着滚筒7的高速转动，实现四个不同波段光电信号的转换，通过图像处理系统最终实现图像传输。依据本发明此种红外探测器，在一定转速范围内可实现焦平面探测器对各个波段信号的高频信号传输，提高图像帧频和数据传输速率。
图4是图1所示的一个电刷的示意性结构图。本实施例中，所述电刷3的数量为两个，组件外壳上安装两个固定轴2，每一固定轴2上对应一个电刷3。每一电刷3包括一个金属毛刷31及一个电刷轴32。更具体地，两个电刷3分别位于距离光学窗口垂直距离最近处的焦平面芯片封装杜瓦装置的两侧，以实现滚筒7上的焦平面芯片封装杜瓦装置8滚动到顶端的位置时实现光信号与电信号的同步接收与输出。光学窗口是在探测器外壳挖的孔洞，用于安装光学窗片10。其中，电刷3的刷毛31是具有金属导电功能的金属材质，且刷毛31的朝向为滚筒7的顶部焦平面芯片封装杜瓦装置8的金属排针83，实现滚筒7转动到顶部时的焦平面芯片封装杜瓦装置8上金属排针83与金属刷毛31接触。
参见图1，根据本申请的另一个方面，提供了一种用于所述多色大面阵红外探测器的制备方法，按照下述步骤进行：
步骤100，所述焦平面芯片封装杜瓦装置8制备。
具体地，所述步骤100包括：
步骤101，焦平面芯片光敏源材料86结构的制备、硅基电路87制备和相关材料外延，蚀刻，钝化，互联，减薄的工艺均按照标准探测器芯片制备工艺进行；
步骤102，光敏源材料86与硅基电路87的连接，采用倒装焊互联技术，将光敏源材料86与硅基电路87组成的探测器芯片整体粘贴在陶瓷框架84上，并采用楔焊机通过引线键合的方式将电路焊盘与陶瓷框架84上的焊盘焊接起来，实现信号的传输，陶瓷框架94与硅基电路87的焊盘相连两边的侧壁的边缘上对应有金属排针83；
步骤103，滤光片82安装在内部黑化的杜瓦外壳81的顶部，最终将陶瓷框架84、光敏源材料86作为一个整体封装在具有一定高真空度环境的杜瓦装置中；
步骤104，将完成上述步骤的杜瓦外壳81与陶瓷框架84在真空环境中进行焊接，形成密封的整体芯片单元。
步骤200，所述焦平面芯片封装杜瓦装置8、的安装，将所述焦平面芯片封装杜瓦装置8焊接在所述滚筒7的轴面处。步骤300，在所述滚筒7处的制冷气体腔室12内填充气体。
步骤400，所述的固定轴2安装于组件外壳内壁上，固定轴2上对应安装一个电刷3。两个电刷3分别位于距离光学窗口10垂直距离最近处的焦平面芯片封装杜瓦装置的两侧。将所述镜头固定在探测器外壳1处，将信号处理电路和显示器外接在所述探测器外壳1处，安装光学窗片10，将整体探测器进行封装。
在其他实施例中，所述步骤300中所述滚筒处的制冷气体腔室内填充气体，若采用非制冷材料，则不需再滚筒内部制冷腔室内填充气体。
本申请多色大面阵红外探测器的制备方法，将不同探测波段的焦平面芯片封装于不同杜瓦中，然后将焦平面芯片封装杜瓦装置8按照一定的轴向对称方式排布焊接于滚筒7的轴面上，通过滚筒7的转动实现不同波段的探测，最终实现多色红外探测图像成像图。本申请仅通过单色焦平面芯片封装杜瓦装置8阵列镶嵌和并列连接就可实现多色，避免了在材料生长和刻蚀工艺中的技术难点，节省工艺时间，实现低成本。此外，本申请多色大面阵红外焦平面探测器还能够根据实用领域实现不同波段波长耦合和信号输出。
进一步地，本申请的采用焦汤模式(J-T)制冷，使得多色大面阵红外焦平面探测器工作温度范围更广，相对目前制冷型红外探测器采用的斯特林制冷达到更低的制冷温度。
进一步地，本申请的使用范围广，包含目前已研制出或待研制出所有材料或种类的芯片。
进一步地，本申请的实用性更强，本申请不仅适用红外探测领域，此种结构还可应用于多色激光器的制备。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种多色大面阵红外探测器，其特征在于，包括：
探测器外壳（1），作为外层，用于保护所述探测器中除探测器外壳（1）
之外的器件；
光学窗片（10），安装在所述探测器外壳（1）的顶部，用于透光；
转动轴（5），安装在所述探测器外壳（1）的一侧且位于中部处，用于提
供转动；
传动轴（6），一端与所述转动轴（5）固定连接，用于安装滚筒（7）并带
动滚筒（7）转动；
滚筒（7），一端插入于所述传动轴（6）的另一端处并与其固定安装，滚
筒（7）与所述传动轴（6）及所述转动轴（5）形成所述探测器的转子；
多组焦平面芯片封装杜瓦装置（8），沿所述滚筒（7）的轴线分布在所述
滚筒（7）的轴面处并焊接在轴面处，其中，每组焦平面芯片封装杜瓦装置（8）
的波长相同，各组焦平面芯片封装杜瓦装置（8）的波长不同，每一焦平面芯片
封装杜瓦装置（8）的内部均为高真空环境，每一焦平面芯片封装杜瓦装置（8）
均具有外露的金属排针（83）；
制冷装置，安装在所述滚筒（7）的空腔处，采用焦汤模式制冷，用于为所
述多组焦平面芯片封装杜瓦装置（8）制冷；
固定轴（2），安装在所述探测器外壳（1）的内部，用于固定电刷（3）；
电刷（3），固定在所述固定轴（2）处，电刷（3）与固定轴（2）形成所
述探测器的定子，电刷（3）用于与转动到其处的焦平面芯片封装杜瓦装置（8）
的金属排针（83）接触，实现电信号的输出；和
镜头、信号处理电路及显示器，镜头固定在所述探测器外壳（1）处，用于
将探测目标成像，信号处理电路和显示器外接在所述探测器外壳（1）处，信号
处理电路用于对焦平面芯片封装杜瓦装置（8）输出的物理信号做滤波处理，然
后转换为视频信号，显示器用于接受视频信号，显示出图像。
2.根据权利要求1 所述的多色大面阵红外探测器，其特征在于，每一焦平
面芯片封装杜瓦装置（8）包括：
带有冷屏的杜瓦外壳（81），杜瓦外壳（81）与冷屏结合成为一体结构，
作为探测器芯片的外层，保护所述每一焦平面芯片封装杜瓦装置（8）中的探测
器芯片，同时内部发黑，起到冷屏吸收杂散光的作用；
滤光片（82），安装在所述杜瓦外壳（81）的顶部，用于透过探测器芯片
所需要的光；
陶瓷框架（84），位于所述杜瓦外壳（81）的底部，所述陶瓷框架（84）
与硅基电路焊盘相连的两侧壁处具有所述金属排针（83）；和
探测器芯片，包括光敏源材料（86）与硅基电路（87），光敏源材料（86）
以外延的方式生长于衬底上，组成光电器件，光电器件与硅基电路（87）采用
倒装互联的方式组成探测器芯片，粘贴在所述陶瓷框架（84）上，通过引线键
合连接硅基电路与陶瓷框架（84），以实现光信号与电信号的转换与传输。
3.根据权利要求2 所述的多色大面阵红外探测器，其特征在于，所述光敏
源材料（86）选自制冷材料或非制冷材料。
4.根据权利要求3 所述的多色大面阵红外探测器，其特征在于，所述制冷
材料包括III-V、II-VI 及IV 族异质结、量子阱、量子点、超晶格结构或大面阵
探测器材料，所述非制冷材料包括氧化钒和非晶硅。
5.根据权利要求1 所述的多色大面阵红外探测器，其特征在于，所述滚筒
（7）的轴面上均分n 个棱面，按照轴向对称方式排布，其中，n ≥1，在所述
滚筒（7）的轴面上焊接的焦平面芯片封装杜瓦装置（8），同时对于每一个棱
面上焊接的焦平面芯片封装杜瓦装置（8）个数可以是1，2，3……m 个，其中，
m ≥1。
6.根据权利要求1 所述的多色大面阵红外探测器，其特征在于，所述滚筒
（7）的材料为具有高热传导的材料。
7.根据权利要求1 所述的多色大面阵红外探测器，其特征在于，所述制冷
装置包括制冷气体腔室（12），由所述滚筒（7）的另一端伸入所述滚筒（7）
的空腔处，所述制冷气体腔室（12）的前端处具有制冷气高压进气口（9），所
述制冷气体腔室（12）与所述滚筒（7）之间具有排气孔（4）。
8.根据权利要求1 所述的多色大面阵红外探测器，其特征在于，所述电刷
（3）的数量为两个，分别位于距离光学窗口垂直距离最近处同时和滚筒（7）
的顶部轴面处于同一水平面，以实现滚筒（7）上的焦平面芯片封装杜瓦装置（8）
每次滚动到顶端时实现光信号和电信号的同步接收和输出。
9.用于权利要求1-8 中任一项所述的多色大面阵红外探测器的制备方法，
其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤100，所述焦平面芯片封装杜瓦装置（8）制备；
步骤200，所述焦平面芯片封装杜瓦装置（8）、电刷（3）的安装，将所
述焦平面芯片封装杜瓦装置（8）焊接在所述滚筒（7）的轴面处；
步骤300，同时在所述滚筒（7）处的制冷气体腔室（12）内填充气体；步
骤400，将所述电刷（3）固定在固定轴（2）处，将所述镜头固定在探测器外
壳（1）处，将信号处理电路和显示器外接在所述探测器外壳（1）处，安装光
学窗片（10），将整体探测器进行封装。
10.根据权利要求9 所述的制备方法，其特征在于，所述步骤100 中所述
焦平面芯片封装杜瓦装置（8）制备包括：
步骤101，焦平面芯片光敏源材料（86）结构的制备、硅基电路（87）制
备和相关材料外延，蚀刻，钝化，互联，减薄的工艺均按照标准探测器芯片制
备工艺进行；
步骤102，光敏源材料（86）与硅基电路（87）的连接，采用倒装互联技
术，将光敏源材料（86）与硅基电路（87）组成的探测器芯片整体粘贴在陶瓷
框架（84）上，并采用楔焊机通过引线键合的方式将硅基电路焊盘与陶瓷框架
（84）上的焊盘焊接起来，陶瓷框架（84）与硅基电路（87）焊盘相连两边的
侧壁的边缘上对应有金属排针（83）；
步骤103，滤光片（82）安装在内部黑化的冷屏顶部，透过探测器芯片所
需的光；
步骤104，将完成上述步骤的杜瓦外壳（81）与陶瓷框架（84）在真空环
境中进行焊接，形成密封的整体芯片单元。
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