(57)【要約】非冷却マイクロボロメータのピクセルに対する太陽光によるダメージ及びその他の熱関連のダメージを防止するための方法及び装置である。所定の実施例において、非冷却マイクロボロメータのピクセルの少なくとも一部分は、ピクセルを過剰な熱によるダメージから保護するバイメタルな熱的短絡メカニズムを伴って構成される。他の実施例においては、所定の閾値を超える温度で高反射性になる熱変色性膜がマイクロボロメータのピクセルの上に適用され、ピクセルが過剰な熱によってダメージを受けるのを防止する。
2020516872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非冷却マイクロボロメータであって、
ベース基板と、
前記ベース基板上でアレイに配置された複数のピクセルであり、各ピクセルは、少なくとも２つの第１サポートによって前記ベース基板の上方に支持されているセンサ層、および、少なくとも１つの第２サポートによって前記センサ層の上方に支持されて、前記センサ層から熱的に絶縁されている赤外線吸収層、を含む、複数のピクセルと、
ピクセルのアレイのうち対応する少なくとも１つのピクセルに対して結合されている少なくとも１つのバイメタルスイッチであり、第１材料からなる第１層および第２材料からなる第２層を含み、かつ、前記対応する少なくとも１つのピクセルの温度が既定の閾値に達したことに応答して、前記対応する少なくとも１つのピクセルを前記ベース基板に対して熱的に短絡するように構成されている、バイメタルスイッチと、
を含む、非冷却マイクロボロメータ。
【請求項２】
前記非冷却マイクロボロメータは、さらに、
前記ベース基板上に配置されたグラウンド接点を備え、
前記少なくとも１つのバイメタルスイッチは、前記グラウンド接点を介して前記対応する少なくとも１つのピクセルをグラウンドへ熱的に短絡するように構成されている、
請求項１に記載の非冷却マイクロボロメータ。
【請求項３】
中立状態において、前記少なくとも１つのバイメタルスイッチは、前記対応する少なくとも１つのピクセルの前記赤外線吸収層と平行に配置されており、かつ、
短絡状態において、前記少なくとも１つのバイメタルスイッチは、赤外線吸収層から離れて反り、前記対応する少なくとも１つのピクセルを前記ベース基板へ熱的に短絡させる、
請求項１に記載の非冷却マイクロボロメータ。
【請求項４】
前記少なくとも１つのバイメタルスイッチは、前記赤外線吸収層に結合されている、
請求項１に記載の非冷却マイクロボロメータ。
【請求項５】
前記少なくとも１つのバイメタルスイッチは、前記第２サポートに結合されている、
請求項１に記載の非冷却マイクロボロメータ。
【請求項６】
前記第１材料はチタンであり、かつ、前記第２材料はアルミニウムである、
請求項１に記載の非冷却マイクロボロメータ。
【請求項７】
前記第１材料はチタンであり、かつ、前記第２材料は窒化ケイ素である、
請求項１に記載の非冷却マイクロボロメータ。
【請求項８】
前記第１材料はアルミニウムであり、かつ、前記第２材料は窒化ケイ素である、
請求項１に記載の非冷却マイクロボロメータ。
【請求項９】
前記少なくとも１つのバイメタルスイッチは、複数のバイメタルスイッチを含み、前記複数のバイメタルスイッチの各バイメタルスイッチは、前記複数のピクセルのうち対応する１つに結合されている、
請求項１に記載の非冷却マイクロボロメータ。
【請求項１０】
前記非冷却マイクロボロメータは、さらに、
前記複数のピクセルの上に配置されて、前記ベース基板に結合されている、キャップ層、を含み、
前記キャップ層は、前記ベース基板の第１表面と前記キャップ層の第２表面との間にキャビティを提供するように構成されており、
前記複数のピクセルは、前記キャビティの中に配置されている、
請求項１に記載の非冷却マイクロボロメータ。
【請求項１１】
非冷却マイクロボロメータであって、
ベース基板と、
前記ベース基板上でアレイに配列された複数のピクセルと、
前記ベース基板に結合され、前記ベース基板の上方に配置されているキャップ層であり、前記ベース基板と前記キャップ層との間にキャビティを提供するように構成されており、前記キャビティの中に前記複数のピクセルが配置されている、キャップ層と、
前記複数のピクセルのうち少なくとも一部のサブアレイの上方で前記キャップ層の上に配置されている熱感受性保護膜であり、熱変色性材料を含み、
前記熱変色性材料は、既定の閾値に達する材料の温度に応答して、透過性状態と反射性状態との間を遷移するように構成されており、前記透過性状態においては赤外線放射に対して透過性であり、かつ、前記反射性状態においては赤外線放射に対して反射性である、
熱感受性保護膜と、
を含む、非冷却マイクロボロメータ。
【請求項１２】
前記熱変色性材料は酸化バナジウム材料である、
請求項１１に記載の非冷却マイクロボロメータ。
【請求項１３】
前記酸化バナジウム材料はＶＯ２（二酸化バナジウム）である、
請求項１２に記載の非冷却マイクロボロメータ。
【請求項１４】
前記非冷却マイクロボロメータは、さらに、
前記熱感受性保護膜の上に配置されたカバー層、を含む、
請求項１１に記載の非冷却マイクロボロメータ。
【請求項１５】
前記キャップ層および前記カバー層は、それぞれ窒化ケイ素からなる、
請求項１４に記載の非冷却マイクロボロメータ。
【請求項１６】
前記複数のピクセルのうち少なくとも一部のサブアレイは、ピクセルの５×５サブアレイを含む、
請求項１１に記載の非冷却マイクロボロメータ。
【請求項１７】
前記複数のピクセルのうち少なくとも一部のサブアレイは、ピクセルの３×３サブアレイを含む、
請求項１１に記載の非冷却マイクロボロメータ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
非冷却マイクロボロメータ（uncooled  microbolometer）検出器は、広範囲の赤外線またはサーマルイメージング（thermal  imaging）アプリケーションにおいて使用されている。非冷却マイクロボロメータのピクセルは、熱源に曝されると、抵抗の変化および他のダメージに対して脆弱（vulnerable）である。過剰な熱（excessive  heat）は、ピクセル（pixel）における応答を基本的に変化させ、そして、結果として生じる画像を劣化させてしまう。太陽といった、極端な熱源は、ピクセルを完全に破壊してしまう。従来からの慣行は、非冷却マイクロボロメータ検出器を太陽へ直接的に曝すのを避けることである。太陽光によるダメージ（solar  damage）が発生した場合には、使用可能な画像を取得するために検出器を再較正することが必要となり得る。
【発明の概要】
【０００２】
態様および実施形態は、非冷却マイクロボロメータのピクセルに対する、太陽光によるダメージ、または他の熱関連ダメージ、を防止するための方法および装置に向けられている。
【０００３】
所定の実施形態に従って、マイクロボロメータのピクセルの少なくとも一部は、ピクセルを過剰な熱によるダメージから保護するために、ピクセル構造体の一部分の変形をトリガするために、異なる金属の熱特性を使用するバイメタルの熱的短絡構造（thermal  shorting  structure）を伴って構成されている。
【０００４】
さらなる態様に従って、熱変色性膜（thermochroic  membrane）がマイクロボロメータのピクセル構造体に対して直接的に適用される。この熱変色性膜は、所定の閾値以上の温度で反射率が高くなり、そして、従って、ピクセルが過剰な熱によってダメージを受けるのを防止するように動作する。
【０００５】
一実施形態に従って、非冷却マイクロボロメータは、ベース基板と、ベース基板上でアレイに配置された複数のピクセルであり、各ピクセルは、少なくとも２つの第１サポートによってベース基板の上方に支持されているセンサ層および少なくとも１つの第２サポートによってセンサ層の上方に支持されて、センサ層から熱的に絶縁されている赤外線吸収層を含む、複数のピクセルと、ピクセルのアレイのうち対応する少なくとも１つのピクセルに対して結合されている少なくとも１つのバイメタルスイッチであり、第１材料からなる第１層および第２材料からなる第２層を含み、かつ、対応する少なくとも１つのピクセルの温度が既定の閾値に達したことに応答して対応する少なくとも１つのピクセルをベース基板に対して熱的に短絡するように構成されている、バイメタルスイッチと、を含む。
【０００６】
一つの実施例において、非冷却マイクロボロメータは、さらに、ベース基板上に配置されたグラウンド接点（ground  contact）を備え、少なくとも１つのバイメタルスイッチは、グラウンド接点を介して対応する少なくとも１つのピクセルをグラウンドへ熱的に短絡するように構成されている。別の実施例においては、中立状態において、少なくとも１つのバイメタルスイッチは、対応する少なくとも１つのピクセルの赤外線吸収層と平行に配置されており、かつ、短絡状態において、少なくとも１つのバイメタルスイッチは、赤外線吸収層から離れて反り、対応する少なくとも１つのピクセルをベース基板へ熱的に短絡させる。一つの実施例において、少なくとも１つのバイメタルスイッチは赤外線吸収層に結合されている。別の実施例において、少なくとも１つのバイメタルスイッチは第２サポートに結合されている。一つの実施例において、第１材料はチタンであり、かつ、第２材料はアルミニウムである。別の実施例において、第１材料はチタンであり、かつ、第２材料は窒化ケイ素である。別の実施例において、第１材料はアルミニウムであり、かつ、第２材料は窒化ケイ素である。一つの実施例において、少なくとも１つのバイメタルスイッチは複数のバイメタルスイッチを含み、複数のバイメタルスイッチの各バイメタルスイッチは複数のピクセルのうち対応する１つに結合されている。非冷却マイクロボロメータは、さらに、複数のピクセルの上に配置されて、ベース基板に結合されているキャップ層を含み、キャップ層はベース基板の第１表面とキャップ層の第２表面との間にキャビティを提供するように構成されており、そして、複数のピクセルはキャビティの中に配置されている。
【０００７】
別の実施形態に従って、非冷却マイクロボロメータは、ベース基板と、ベース基板上でアレイに配列された複数のピクセルと、ベース基板に結合され、ベース基板の上方（over）に配置されているキャップ層であり、ベース基板とキャップ層との間にキャビティを提供するように構成されており、キャビティの中に複数のピクセルが配置されている、キャップ層と、複数のピクセルのうち少なくとも一部のサブアレイの上方でキャップ層の上に配置されている熱感受性保護膜（thermally  sensitive  protective  membrane）であり、既定の閾値に達する材料の温度に応答して透過性状態と反射性状態との間を遷移するように構成されており、透過性状態においては赤外線放射に対して透過性であり、かつ、反射性状態においては赤外線放射に対して反射性である、熱変色性材料（thermochroic  material）を含む、熱感受性保護膜と、を含む。
【０００８】
一つの実施例において、熱変色性材料は酸化バナジウム材料である。一つの実施例において、酸化バナジウム材料はＶＯ２（二酸化バナジウム）である。非冷却マイクロボロメータは、さらに、熱感受性保護膜の上に配置されたカバー層を含み得る。一つの実施例において、キャップ層およびカバー層は、それぞれ窒化ケイ素からなる。一つの実施例において、複数のピクセルのうち少なくとも一部のサブアレイは、ピクセルの５×５サブアレイを含む。別の実施例において、複数のピクセルのうち少なくとも一部のサブアレイは、ピクセルの３×３サブアレイを含む。
【０００９】
これらの例示的な態様および実施形態に係るさらに他の態様、実施形態、および利点が、以下で詳細に説明される。ここにおいて開示される実施形態は、ここにおいて開示される原理の少なくとも１つと矛盾しない任意の方法で他の実施形態と組み合わせることができる。そして、「実施形態（”an  embodiment”）」、「いくつかの（”some”）実施形態」、「代替的な（”an  alternate”）実施形態」、「様々な（”various”）実施形態」、「１つの（”one”）実施形態」、等への言及は、必ずしも相互に排他的ではなく、そして、説明された特定的な特徴、構造、または特性が少なくとも１つの実施形態に含まれ得ることを示すように意図されている。ここにおけるそうした用語の出現は、必ずしも同一の実施形態を参照するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
少なくとも１つの実施形態に係る様々な態様は、添付の図面を参照して以下に説明されるが、これらは、縮尺通りに描かれるように意図されたものではない。図面は、様々な態様および実施形態についての説明、および、さらなる理解を提供するために含まれており、そして、本明細書に組み込まれ、かつ、本明細書の一部分を構成するが、本発明の境界の定義として意図されたものではない。図において、様々な図に示されている同一又はほぼ同一の各コンポーネントは、同様の数字によって表されている。明確化のために、全てのコンポーネントが全ての図においてラベル付けされているわけではない。
【図１】図1は、本発明の態様に従った、マイクロボロメータの一つの実施例に係る断面概略図である。
【図２】図2は、本発明の態様に従った、バイメタルスイッチを組み込んだマイクロボロメータの一部分に係る断面図であり、反り位置（deflected  position）において示されている。
【図３Ａ】図3Aは、本発明の態様に従った、図2のバイメタルスイッチの一つの実施例に係る平面図である。
【図３Ｂ】図3Bは、図3Aに示される破線に沿って取得された図3Aのバイメタルスイッチの断面図である。
【図４】図4は、本発明の態様に従った、図3Aと3B、および表1で提供される構造および寸法に対応しているバイメタルスイッチの実施例について、温度の関数として反り（deflected）の範囲を(マイクロメートルで)示しているグラフである。
【図５】図5は、本発明の態様に従った、熱感受性保護膜（thermally  sensitive  protective  membrane）を組み込んだマイクロボロメータの一部分に係る断面図である。
【図６】図6は、図5のマイクロボロメータの一部分に係る拡大図である。
【図７】図7は、図5および6の保護膜の異なる構成および材料を有するマイクロボロメータの一つの実施例におけるピクセルの時間にわたる温度上昇を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
マイクロボロメータ（microbolometer）は、非冷却熱センサの一種である。マイクロボロメータは、ピクセルのアレイを含み、各ピクセルは、「ブリッジ（”bridge”）」構造として参照され得るものにおいて、いくつかの層（layers）から構成されている。例えば、図1は、所定の実施形態に従った、複数のピクセル110を含んでいるマイクロボロメータ100の一部分を示している断面図である。マイクロボロメータ100は、ベース基板120を含み、その上にピクセル110のアレイが形成される。ベース基板120は、例えば、シリコン基板であってよい。図1において特には示されていないが、ベース基板120は、各ピクセル110またはピクセルのグループに対する読出し集積回路（read-out  integrated  circuit、ROIC）を含み得る。ROICは、各ピクセル110から受け取った信号を処理し、そして、以下でさらに説明されるように、画像を構築するために使用可能な出力データを提供する。キャップ層（cap  layer）130は、キャップウェハとしても参照されるが、ピクセル110のアレイを取り囲み、かつ、カプセル化（encapsulate）して、キャップ層130とベース基板120との間に、ピクセル110が配置されるキャビティを形成する。キャビティは、マイクロボロメータ100の寿命を増加させるために、典型的には真空条件下に維持されている。所定の実施例において、キャップ層130は、窒化シリコン(SiN)からなる（made  of）。
【００１２】
各ピクセル110は、赤外線(IR)吸収材料112の層、および、熱センサまたは感知回路（sensing  circuitry）を含むセンサ層114を含んでいる。IR吸収層112は、サポート116によって、上方に吊られており（suspended）、かつ、センサ層114から熱的に絶縁されている。センサ層114は、それ自体がサポート118によってベース基板120の上方に支持されている。従って、図1に示されるように、ピクセル110は、いわゆる「ブリッジ」構造を有している。所定の実施例において、IR吸収層112は、センサ層基板114の概ね２ミクロン(μｍ)上方に吊られ得る。マイクロボロメータ100は、あらゆる冷却を受けないので、IR吸収材料112は、ベース基板120上でROICから熱的に絶縁される必要があり、そして、ブリッジ状の構造によって、これを生じさせることができる。
【００１３】
所定の実施例において、サポート118は、ピクセルのための電気接点（electrical  contacts）を提供することができる。従って、図示された実施例において、各ピクセル110は、一対のサポート（a  pair  of  supports）118を含み、グラウンド（ground）といった、基準電位（reference  potential）に接続され得る第１サポート118a、および、センサ層114上の感知回路がベース基板120上のROICに接続できるように、ベース基板120上の電気接点122に接続され得る第２サポート118bを含んでいる。図1に示される実施例において、電気接点122は、ベース基板120を通じて延在するビア（via）を含む。これにより、各ピクセル110(または、ピクセルのグループ)と関連するROICを外部回路(図示なし)に接続することができ、そうして、画像データまたは他の情報が、マイクロボロメータ100から、画像プロセッサ、メモリ、または他の電子デバイスといった、外部デバイスへ転送され得る。
【００１４】
非冷却マイクロボロメータは、マイクロボロメータ100における各ピクセル110の抵抗と受け取った熱放射（thermal  radiation）の強度との間の既知の関係性を通じて、熱放射から画像を生成する。満足できる画像解像度（imaging  resolution）を達成するために、IR吸収層112に使用される材料は、温度における微小な変化の結果として、抵抗において大きな変化を示すべきである。抵抗の変化とIR吸収層112によって吸収される熱との間の関係は、材料の抵抗の温度係数（temperature  coefficient  of  resistance、TCR）によって定められる。所定の実施例においては、IR吸収層112が加熱されると、入ってくる赤外線放射のせいで、材料の抵抗が減少する。これは、負の温度係数を有する材料の場合である。マイクロボロメータにおいて赤外線検出材料として一般的に使用される２つの材料は、アモルファスシリコン（amorphous  silicon）と酸化バナジウム（vanadium  oxide）である。
【００１５】
最近の研究は、マイクロボロメータのピクセルが直射日光に曝されると、ピクセルの性能(例えば、画像解像度)において永久的な劣化を引き起こすように、太陽エネルギーからの熱がマイクロボロメータのピクセルの抵抗を変化させることを示している。マイクロボロメータへの太陽光によるダメージは、分散開口イメージングシステム（distributed  aperture  imaging  systems）にとって特定的な問題であり得る。なぜなら、太陽光は、しばしば、そうしたシステムの視野内に存在し得るからである。従って、太陽光によるダメージを回避または軽減することができるメカニズムをマイクロボロメータに備えることは、非常に有利であろう。
【００１６】
所定の実施形態に従って、熱感受性バイメタルスイッチ（thermally  sensitive  bimetallic  switch）は、マイクロボロメータのピクセル構造体の中へ統合されており、そして、例えば、ピクセルの温度が所定の閾値に達する場合に、それぞれのピクセルをグラウンドに対して短絡（short）、例えば、熱的に短絡させる、ように構成されている。マイクロボロメータ100のうち任意の１つまたはそれ以上のピクセル110が、潜在的にダメージを与える熱源、例えば、太陽または強力なレーザビーム、に対して曝されると、例えば、赤外線吸収層112は熱を吸収し、そして、ピクセルの温度が急速に上昇する。所定の実施形態に従って、マイクロボロメータ100のうち任意または全てのピクセル110は、ピクセルの温度が特定の閾値を超えることを防止するように構成された熱感受性バイメタルスイッチを備えることができる。閾値は、ピクセルが閾値温度において永久的なダメージを受けないように選択され得る。バイメタルスイッチの材料は、スイッチが温度に敏感であるように、そして、閾値温度で動作化（activated）されてピクセルをグラウンドまたはベース基板に短絡させるように選択することができ、それによって、熱的な「シンク（”sink”）」を提供し、かつ、ピクセルの温度がさらに著しく上昇して、ピクセルにダメージを与えることを防止している。
【００１７】
図2を参照すると、そうした熱感受性バイメタルスイッチ200といった一つの実施例を組み込んだピクセル110aが示されている。バイメタルスイッチ200は、IR吸収層112及び／又は熱的絶縁サポート116に取り付けられている。中立状態(すなわち、通常の動作温度以下)において、バイメタルスイッチ200は、IR吸収層112と平行に置かれ（lie）てよい。バイメタルスイッチ200の材料は、ピクセル110aの温度が上昇するにつれて、IR吸収層112から離れてバイメタルスイッチ200が反り（deflect）または曲がる（bend）ように選択され得る。所定の実施例において、バイメタルスイッチ200は、ピクセル110aの温度がある閾値に達すると、図2に示されるように、バイメタルスイッチ200がグラウンドに接続されたサポート118aに接触するために十分に反るように構成されており、それによって、ピクセル110aをグラウンドに短絡している。他の実施例においては、グラウンド面またはグラウンド接点をベース基板120上に備えることができ、そして、バイメタルスイッチ200は、ピクセル110aの温度が閾値に達したときに、そのグラウンド面またはグラウンド接点(サポート118aである必要は無い)と接触するように構成することができる。他の実施例において、バイメタルスイッチ200は、直接的にベース基板120に接触するように構成することができ、それによって、ピクセル110aをベース基板120に短絡しており、そして、必ずしもグラウンドにではない。
【００１８】
バイメタルスイッチ200の構成は、その寸法および材料を含み得る。図3Aおよび3Bを参照すると、バイメタルスイッチ200の一つの実施例が示されている。バイメタルスイッチ200は、第１材料210の層および第２材料220の層を含んでいる。一つの実施例において、第１材料210はチタン（Ti）であり、そして、第２材料220はアルミニウム（Al）である。別の実施例において、第１材料210はアルミニウムであり、そして、第２材料220は窒化シリコンである。別の実施例において、第１材料210はチタンであり、そして、第２材料は窒化シリコンである。所定の実施形態においては、バイメタルスイッチ200の材料としてチタン、アルミニウム、または窒化ケイ素を選択することが有利であり得る。これらの材料は、マイクロボロメータ100の製造プロセスにおいて一般的に使用されるからである。加えて、これらの材料により、バイメタルスイッチ200は、閾値温度において反り、そして、ピクセル110aをグラウンドに短絡させることができる。閾値温度は、(バイメタルスイッチの存在がイメージングの範囲または性能を制限しないように)マイクロボロメータ100のための典型的な動作範囲を超えるが、ピクセル110aに対して重大または永久的なダメージが発生するレベルを十分に下回っている。しかしながら、この開示の利点が与えられると、当業者であれば、バイメタルスイッチの実施形態が、チタン、アルミニウム、または窒化シリコンの使用に限定されるものではなく、そして、他の材料が選択され得ることを正しく理解するだろう。
【００１９】
バイメタルスイッチ200の寸法(長さ、幅、厚さ)は、達成されるべき反り（deflection）に係る所望の範囲およびピクセル110aのサイズに基づいて選択され得る。例えば、バイメタルスイッチ200は、温度の上昇が、上述の短絡機能（shorting  function）を達成するために、バイメタルスイッチ200の反りを生じさせるように十分に薄く、厚さTと幅Wの両方を有するべきである。加えて、バイメタルスイッチ200が良好な熱的短絡経路を提供するように、厚さと幅が十分であるべきである。所定の実施例において、バイメタルスイッチ200の厚さは、０．００４μｍから０．１７５μｍの範囲にある。所定の実施例において、バイメタルスイッチ200の幅は、３μｍである。さらに、バイメタルスイッチ200の長さLは、バイメタルスイッチ200が、図2に示されるように、十分に反った状態でベース基板120上のグラウンドサポート118aまたはグラウンド面／接点と接触するように、十分であるべきである。従って、バイメタルスイッチ200の長さは、少なくとも部分的に、ピクセル110aのサイズ、特には、IR吸収層112とベース基板120との間の距離、および、隣接するピクセル間の「ピッチ（”pitch”）」または間隔（spacing）に依存し得る。ピクセルのピッチが１２μｍである所定の実施例において、バイメタルスイッチは１１μｍの長さを有している。
【００２０】
図4は、バイメタルスイッチ200の様々な実施例について、温度の関数としての反り(μｍ単位)を示すグラフである。各実施例において、バイメタルスイッチは、１１μｍの長さ、および、３μｍの幅を有している。各実施例について、第１材料および第２材料210、220は、チタン、アルミニウム、および窒化シリコンのうちそれぞれ１つであり、そして、各材料の厚さは、以下の表1において提供されている。ライン300は、反り（deflection）の所望のレベルを示している。図4の実施例においては、反りの所望のレベルが３μｍに示されており、IR吸収層112がベース基板120の約３μｍ上に配置されているピクセル110aの実施例に対応している。しかしながら、他の実施例において、反りの所望のレベルは、例えば、ピクセル110aの異なる寸法、またはバイメタルスイッチ200の異なる配置に応じて異なり得るものである。
【表１】
2020516872.tif 000003
【００２１】
図4に示される実施例は、バイメタルスイッチ200の様々な構成が、所望の熱的短絡機能を達成するように適切な温度範囲内で十分に反ることができることを示している。
【００２２】
さらなる態様および実施形態は、直接の太陽エネルギーが視野内に存在するときにマイクロボロメータがダメージを受けるのを防止するために、マイクロボロメータのピクセル構造体に適用される、熱感受性保護膜（protective  membrane）の使用に向けられている。
【００２３】
図5を参照すると、マイクロボロメータ構造の中へ一体化された保護膜400を含むマイクロボロメータ100aの一部分に係る断面図が示されている。図6は、図5のマイクロボロメータ100aの一部分に係る拡大図を示している。図6に示されるように、一つの実施例において、マイクロボロメータ100aは、約６．９７５μｍの高さHを有し、そして、保護膜400が、IR吸収層112の上方の距離Dにおいてキャップ層130の上に適用されている。この実施例において、Dは概ね１．６μｍである。保護膜400は、酸化バナジウム（vanadium  oxide）といった、熱変色性（thermochromic）スイッチ材料を含んでよく、例えば、太陽、または、レーザーといった、他の強力な熱源からの熱に対するバリア（barrier）として作用し、そして、そうした熱源へ曝すことからのダメージを防止する。酸化バナジウムといった、熱変色性スイッチ材料は、所定の閾値以上の温度まで上昇させたときに材料を高反射性（highly  reflective）にさせる材料特性を有している。これらの同一材料は、閾値以下の温度では高透過性（highly  transmissive）である。例えば、ＶＯ２は、概ね摂氏６７度（°Ｃ）付近で金属-絶縁体相変化（metal-insulator  phase  change）を経験する。そして、従って、この温度閾値より下の赤外線放射に対しては高透過性であり、かつ、それより上では高反射性である。従って、図5および6に示されるように、マイクロボロメータ100aのピクセル110の上にそういった熱変色性材料のコーティングまたはフィルムを適用することにより、アレイのイメージング性能を損なうことなく、ピクセル110に対してダメージが発生する前に、マイクロボロメータピクセル110の抵抗値を変化させ、かつ、そうでなければ、潜在的にピクセル110にダメージを与えるであろう過剰な太陽熱を、保護膜400によって反射することができる。酸化バナジウムの他の相、および、他の熱変色性スイッチ材料は、異なる温度閾値において相変化を経験し得る。従って、所定の実施例において、保護膜400の材料は、材料が、所定のスペクトル範囲内で透過性から、そのスペクトル範囲内で反射性に変化する、適切な温度閾値に基づいて選択され得る。所定の実施例においては、ＶＯ２といった、酸化バナジウム材料が、望ましい選択であり得る。他の酸化バナジウム材料は、マイクロボロメータ100aにおいて他の構成要素のために一般的に使用されており、かつ、マイクロボロメータ100aの製造のために使用されるCMOS製造プロセスの中へ容易に統合され得るからである。
【００２４】
所定の実施形態に従って、マイクロボロメータ100aにおいて、ピクセル110は、２次元アレイとして行（rows）および列（columns）に配列されている。図5は、５個のピクセル110の行(または列)の一つの実施例を示している。所定の実施例に従って、保護膜400は、連続フィルム（continuous  film）としてマイクロボロメータ100aの全てのピクセル110の上に適用され得る。他の実施例において、保護膜400は、ピクセル110のグループ（group(s)）の上に１つまたはそれ以上の別個のフィルム「パッチ（”patches”）」として適用され得る。例えば、保護膜400は、3×3ピクセル110または5×5ピクセルに対応する１つまたはそれ以上のサブアレイ上に提供される１つまたはそれ以上のフィルムを含み得る。
【００２５】
さらに図5および6を参照すると、所定の実施例においては、膜400のための構造的サポートおよび保護を追加するように、保護膜400上にカバー層140が適用され得る。カバー層140は、キャップ層130と同じ材料から作ることができる。例えば、カバー層140は、窒化シリコンで作られてよい。
【００２６】
図7は、保護膜400の異なる構成および材料について、マイクロボロメータ100aの一つの実施例に係るピクセル110の時間にわたる温度上昇を示すグラフである。以下の表2および3は、図7に示される実施例に対応するパラメータを提供している。表2は、図7に示され、かつ、表3に記載された４つの実施例の全てについて適用される。
【表２】
2020516872.tif 000004
【表３】
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【００２７】
図7を参照すると、赤外線放射がマイクロボロメータ100aのピクセル110によって受け取られ、そして、吸収されると、ピクセル110の温度が上昇する。しかしながら、保護膜400の存在のおかげで、所定の閾値において、ピクセル110は「定常状態（”steady  state”）」温度に達し、そこを超えて、ピクセル110の温度は、さらに感知できるほど上昇しない。表3および図7を参照すれば分かるように、定常温度は、保護膜400がその上に適用されているピクセル110の構成および保護膜400の熱伝導率を含む、様々な要因に依存している。
【００２８】
実施例１(曲線510に対応している)においては、ＶＯ２の保護膜400がピクセル110の5×5アレイの上に適用され、そして、保護膜400は、１０ワット/メートルケルビン(W/m-k)の伝導率で構成された。赤外線放射がピクセル110によって受け取られると、ピクセル110の温度は、保護膜400の熱変色性スイッチ材料が実質的に透過性から実質的に反射性へ変化する閾値温度に達するまで、時間にわたり上昇する。そして、保護膜400は、赤外線放射をピクセル110から遠くへ反射し始め、ピクセル110の温度のさらなる著しい上昇を妨げている。実施例１において、ピクセル110は、概ね５マイクロ秒(μｓ)後に概ね１０５．５℃の定常温度に達した。
【００２９】
実施例2(曲線520に対応している)においては、ＶＯ２の保護膜400が同様にピクセル110の5×5アレイの上に適用されたが、たった１W/m-Kの熱伝導率で構成された。図7に示されるように、この実施例において、ピクセル110は、概ね９μs後に概ね１１７℃の定常温度に達した。
【００３０】
実施例3および4においては、ＶＯ２の保護膜400がピクセル110のより小さな3×3アレイの上に適用された。実施例3(曲線530に対応している)においては、保護膜400が、熱伝導率１０W/m-Kで(実施例１のように)構成され、実施例4(曲線540に対応している)においては熱伝導率１W/m-Kで(実施例２のように)構成された。図7に示されるように、実施例3において、ピクセル110は、概ね２μs後に約５４．５度の定常温度に達し、そして、実施例4において、ピクセル110は、概ね３μs後に約７６．５度の定常温度に達した。
【００３１】
これらの実施例は、マイクロボロメータ100aにおけるピクセル110のより小さいサブアレイの上に保護膜400を適用することによって、より低い定常状態温度が達成され得ることを示している。従って、保護膜400が適用されるピクセルのサブアレイのサイズは、少なくとも部分的に、定常状態温度の所望の範囲または概ねの目標値に基づいて選択され得る。定常状態の温度は、マイクロボロメータ100aのサーマルイメージングの範囲または性能を制限しないように十分に高いが、ピクセル110が入射光によってダメージを受けないように十分に低いことが望ましいだろう。さらに、保護膜400のために使用される熱変色性スイッチ材料の熱伝導率は、保護膜400の温度分布の均一性を決定する。保護膜400のより高い熱伝導率は、より低い定常状態温度を結果として生じ、他のパラメータは同等である。
【００３２】
このように、態様および実施形態はメカニズムを提供し、それによって、非冷却マイクロボロメータにおいて、太陽光によるダメージ、または他の強力な熱原／光源からのダメージが防止され得る。これらのメカニズムは、マイクロボロメータの外部に追加のデバイスを必要とすることなく自動的な保護を提供するように、マイクロボロメータのピクセル構造体の中に組み込むことができる。上述のように、所定の実施例においては、マイクロボロメータの製造の最中に、熱変色性スイッチ材料で作られた保護膜をピクセルブリッジ構造体に適用することができる。保護膜の存在によって、マイクロボロメータは、熱変色性スイッチ材料の動作を介して、太陽光によるダメージについて本質的に免れる（immune）ことができる。他の実施例においては、過剰な熱の存在下で、ピクセルを基板、またはサーマルシンクとして作用し得る他の構造に対して熱的に短絡させるように、ピクセルブリッジ構造体の中にバイメタルスイッチを組み込むことができる。従って、シーンまたは周囲の温度の上昇を、メカニズムを動作化するために使用することができ、そうでなければ、ピクセルにダメージを与えるであろう過剰な熱を緩和するために、熱変色性膜を使用して過剰なエネルギーを偏向させるか、または、バイメタルスイッチを使用してピクセルを熱的に短絡させるかのいずれかを行う。そうした保護メカニズムを組み込むことによって、地上および航空機アプリケーションのためのDASシステムといった、太陽光によるダメージに対する脆弱性（vulnerability）のせいで従来使用されてきていないアプリケーションについて、非冷却マイクロボロメータを使用することができる。
【００３３】
少なくとも１つの実施形態に係るいくつかの態様が上述されてきたが、当業者にとっては、様々な変更、修正、および改良が容易に生じることが正しく理解されよう。そうした変更、修正、および改良は、本開示の一部分であるように意図されており、そして、本発明の範囲内であるように意図されている。従って、ここにおいて説明された方法および装置の実施形態は、適用において、上述の説明で明らかにされ、または、添付の図面において示されたコンポーネントに係る構成および配置の詳細について限定されないことが正しく理解されるべきである。ここにおいて開示される技術およびメカニズムは、他の実施形態において実施可能であり、そして、様々な方法で、実施され、または、実行することができる。具体的な実施例は、説明目的のためだけにここにおいて提供されたものであり、そして、限定的であることが意図されたものではない。また、ここにおいて使用される表現および用語は、説明目的のためのものであり、そして、限定するものとして理解されるべきではない。ここにおける「含む（”including”、”comprising”、”having”、”containing”、”involving”）」および、それらの変形の使用は、それ以降にリストされたアイテム、およびそれらの均等物、ならびに追加のアイテムを包含することを意味している。「または（”or”）」への言及は、「または」を使用して記載される任意の用語が、単一、複数、および記載される用語の全てを示し得るように、包括的なものとして理解することができる。前後（”front  and  back”）、左右（”left  and  right”）、上下（”top  and  bottom”）、上方と下方（”upper  and  lower”）、垂直と水平（”vertical  and  horizontal”）への言及は、説明の便宜のために意図されたものであって、本システムおよび方法またはそれらのコンポーネントを、いずれか１つの位置または空間方向について限定するものではない。従って、上述の説明および図面は、単なる例示のためのものであり、そして、本発明の範囲は、添付の請求項の適切な構成、およびそれらの均等物から決定されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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