CN102359821A - 热释电红外敏感元及热释电红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热释电红外敏感元及热释电红外探测器，所述热释电红外敏感元包括上电极、钽酸锂薄膜层和下电极三层结构，它的上电极同时也作为吸收层，解决了原有技术中因为敏感元厚度增加而产生的响应时间延长和灵敏度降低的问题；所述热释电红外探测器包括所述热释电红外敏感元、热释电补偿敏感元、前置放大器场效应管、阻抗匹配电阻、管帽、设置在所述管帽顶部的红外滤光窗、设置在所述管帽底部的管座、三个设置在所述管座上的管脚、封装在所述管帽内的电路板、两个安装在所述电路板上的支撑体。本发明具有结构简单、响应时间短、灵敏度高和抗干扰能力强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外探测器，具体的说，涉及了一种热释电红外敏感元及热释电红外探测器。
背景技术
早期的光子型红外探测器为了提高灵敏度和降低噪声，必须将其制冷到70K—90K这样非常低的温度才能实现，因此，光子型的红外探测器必须附加制冷装置等相关设备，这不仅使探测器的结构变得复杂，也会大大增加制造的成本。
非制冷热释电红外探测器可以在室温条件下工作，克服了光子型红外探测器必须在低温条件下才能工作的致命缺点，大大降低了仪器组件的复杂性，同时也提高了探测器的可靠性和性价比。对热释电红外探测器来说，其的电流响应率、电压响应率和探测率均与热释电敏感元的厚度成反比，敏感元越薄，器件的性能就越好。然而，现有的热释电红外敏感元主要由前吸收层、上电极、热释电薄膜以及下电极四层构成，前吸收层加上电极的双层结构会使敏感元的厚度增加，造成热容增大，从而导致了响应时间的延长和灵敏度的降低，特别是当用于要求均匀程度高和探测率高的NDIR探测器时，厚膜结构的探测器将进一步受到限制。目前的红外探测器存在的问题还有：不能有效地吸收微弱的红外辐射能量，免受不了背景光、环境温度波动对其的影响。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供了一种结构简单、响应时间短、灵敏度高和抗干扰能力强的热释电红外敏感元，还提供了一种热释电红外探测器。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种热释电红外敏感元，它包括：上电极，采用真空蒸镀工艺蒸发沉积在钽酸锂薄膜层上表面，用于吸收红外辐射热能，并用于引出热释电响应信号；所述上电极采用金或铂或铬或镍铬合金为电极材料；
钽酸锂薄膜层，设置在所述上电极和下电极之间，将所述上电极吸收的红外辐射热能以及将环境振动和环境温度波动通过所述钽酸锂薄膜的热释电效应转换为热释电响应信号；
下电极，采用真空蒸镀工艺蒸发沉积在所述钽酸锂薄膜层下表面，用于引出热释电响应信号。
基于上述，所述上电极采用铬或镍铬合金为电极材料，所述上电极的厚度为100～500埃；所述下电极采用银为电极材料，所述下电极的厚度为1500～3000埃；所述钽酸锂薄膜层的厚度是5～15微米。
一种热释电红外探测器，所述的热释电红外敏感元、热释电补偿敏感元、前置放大器场效应管、阻抗匹配电阻、管帽、设置在所述管帽顶部的红外滤光窗、设置在所述管帽底部的管座、三个设置在所述管座上的管脚、封装在所述管帽内的电路板、两个安装在所述电路板上的支撑体，其中，所述热释电红外敏感元和所述热释电补偿敏感元的上电极分别连接所述前置放大器场效应管的栅极，所述热释电红外敏感元和所述热释电补偿敏感元的下电极接地，所述阻抗匹配电阻的两端并联在所述热释电红外敏感元的上电极和下电极之间；所述前置放大器场效应管和所述阻抗匹配电阻设置在所述电路板上，三个所述管脚分别连接所述热释电红外敏感元的下电极、所述前置放大器场效应管的漏极和源极，所述热释电红外敏感元和所述热释电补偿敏感元采用SMT自动贴片工艺分别设置在两个所述支撑体上。
基于上述，所述支撑体是铁氧体。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著进步，具体的说，所述热释红外电敏感元采用三层结构，它的上电极同时也作为吸收层，解决了原有技术中因为敏感元厚度增加而产生的响应时间延长和灵敏度降低的问题；所述热释电红外敏感元和所述热释电补偿敏感元设置为双元反向并联结构，能够从结构上减弱和消除环境振动和温度波动等环境干扰对所述热释电红外探测器的影响；滤光窗能够滤除背景可见光和其他非探测波段光对所述热释电红外探测器的干扰，更进一步加强了热释电红外探测器的抗干扰能力；由于钽酸锂薄膜很薄，采用SMT自动贴片工艺，能使生产更方便、效率更高、产品的一致性更好。
附图说明
图1是所述热释电红外敏感元的结构示意图。
图2是所述热释电红外敏感元的俯视结构示意图。
图3是所述热释电红外探测器的剖视结构示意图。
图4是所述热释电红外探测器的端部结构示意图。
图5是所述热释电红外探测器的电路结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1和图2所示，一种热释电红外敏感元，它包括上电极12、钽酸锂薄膜层11、下电极13，其中，所述上电极12以金或铂或铬或镍铬合金为电极材料，采用真空蒸镀工艺蒸发沉积在钽酸锂薄膜层11上表面，其厚度可为100～500埃，用于吸收红外辐射热能，并用于引出热释电响应信号；
所述钽酸锂薄膜层11设置在所述上电极12和下电极13之间，将所述上电极12吸收的红外辐射热能以及将环境振动和环境温度波动通过所述钽酸锂薄膜的热释电效应转换为热释电响应信号，其厚度是5～15微米；
所述下电极13以导电性能好的金属为电极材料，采用真空蒸镀工艺蒸发沉积在所述钽酸锂薄膜层下表面，其厚度可为1500～3000埃，用于引出热释电响应信号。
在敏感元制备过程中，需要在钽酸锂薄膜11的上下两面分别蒸发沉积并形成所述上电极12和所述下电极13，对于十几微米厚度的钽酸锂薄膜11，电极面积总是稍小于钽酸锂薄膜11的表面积；下电极13要求有良好的导电性能，优选银为电极材料；上电极12除了要求有良好导电性能外，还需考虑对红外辐射的吸收效率，如采用金、铂、铬、镍铬等为电极材料，优选铬或镍铬为电极材料。
制备钽酸锂薄膜11时，把钽酸锂材料经过切割研磨得到尺寸符合要求、表面质量良好的薄层晶片，然后采用双面机械抛光的方法得到一定厚度的钽酸锂晶片，通过划片机把钽酸锂晶片划成一定规格尺寸的小晶片，最后再用单面研磨抛光机把小晶片研磨到5～15微米厚的钽酸锂薄膜。
如图3、图4和图5所示，一种热释电红外探测器，它包括前述的热释电红外敏感元1、热释电补偿敏感元2、前置放大器场效应管3、阻抗匹配电阻4、管帽5、设置在所述管帽5顶部的红外滤光窗6、设置在所述管帽5底部的管座7、三个设置在所述管座7上的管脚（83，81，82）、封装在所述管帽5内的电路板9、两个安装在所述电路板上的支撑体10，其中，所述热释电红外敏感元1和所述热释电补偿敏感元2的上电极分别连接所述前置放大器场效应管3的栅极31，所述热释电红外敏感元1和所述热释电补偿敏感元2的下电极接地，所述阻抗匹配电阻4的两端并联在所述热释电红外敏感元1的上电极和下电极之间；所述前置放大器场效应管3和所述阻抗匹配电阻4设置在所述电路板9上，三个所述管脚（83，81，82）分别连接所述热释电红外敏感元1的下电极、所述前置放大器场效应管3的漏极32和源极33，所述热释电红外敏感元1和所述热释电补偿敏感元2采用SMT自动贴片工艺分别设置在两个所述支撑体10上；所述支撑体10为铁氧体。
红外辐射经过所述红外滤光窗6的过滤，滤除了背景光等干扰后，被所述热释电红外敏感元1吸收，然后通过所述钽酸锂薄膜11的热释电效应转换为热释电响应信号，而所述热释电补偿敏感元则将环境振动和环境温度波动通过它自身的钽酸锂薄膜的热释电效应转换为热释电响应信号，通过双元反向并联结构的设置，两个响应信号的差值为输出的热电响应信号，这就从结构上排除了温度等环境因素的干扰；所述的热释电红外敏感元是具有特别高的源阻抗的电容性器件，所以在使用时要配置高输入阻抗低噪声的前置放大器场效应管3。
对器件进行封装时，封装的好坏会影响器件的可靠性和稳定性，故对热释电红外探测器抽真空，并充满氮气，然后采用储能焊接的封装方法把制备好的热释电红外探测器半成品封装在带有红外滤光窗口的管壳内。
本发明可通过绑定机引线来实现热电响应信号的引出，这样可以提高热释电红外敏感元的制作效率和产品的一致性，同时也可以提高热释电红外探测器的探测性能。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (4)
1.一种热释电红外敏感元，其特征在于：它包括：
上电极，采用真空蒸镀工艺蒸发沉积在钽酸锂薄膜层上表面，用于吸收红外辐射热能，并用于引出热释电响应信号；所述上电极采用金或铂或铬或镍铬合金为电极材料；
钽酸锂薄膜层，设置在所述上电极和下电极之间，将所述上电极吸收的红外辐射热能以及将环境振动和环境温度波动通过所述钽酸锂薄膜的热释电效应转换为热释电响应信号；
下电极，采用真空蒸镀工艺蒸发沉积在所述钽酸锂薄膜层下表面，用于引出热释电响应信号。
2.根据权利要求1所述的热释电红外敏感元，其特征在于：所述上电极采用铬或镍铬合金为电极材料，所述上电极的厚度为100～500埃；所述下电极采用银为电极材料，所述下电极的厚度为1500～3000埃；所述钽酸锂薄膜层的厚度是5～15微米。
3.一种热释电红外探测器，其特征在于：它包括权利要求1—2任一项所述的热释电红外敏感元、热释电补偿敏感元、前置放大器场效应管、阻抗匹配电阻、管帽、设置在所述管帽顶部的红外滤光窗、设置在所述管帽底部的管座、三个设置在所述管座上的管脚、封装在所述管帽内的电路板、两个安装在所述电路板上的支撑体，其中，所述热释电红外敏感元和所述热释电补偿敏感元的上电极分别连接所述前置放大器场效应管的栅极，所述热释电红外敏感元和所述热释电补偿敏感元的下电极接地，所述阻抗匹配电阻的两端并联在所述热释电红外敏感元的上电极和下电极之间；所述前置放大器场效应管和所述阻抗匹配电阻设置在所述电路板上，三个所述管脚分别连接所述热释电红外敏感元的下电极、所述前置放大器场效应管的漏极和源极，所述热释电红外敏感元和所述热释电补偿敏感元采用SMT自动贴片工艺分别设置在两个所述支撑体上。
4.根据权利要求3所述的热释电红外探测器，其特征在于：所述支撑体是铁氧体。
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