CN102721658A

CN102721658A - 一种热释电光谱探测器的制备方法

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Publication number: CN102721658A
Application number: CN2012102316461A
Authority: CN
Inventors: 李永辉; 易宏; 黄家新
Original assignee: KUNMING SIPAITE SPECTRUM TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: KUNMING SIPAITE SPECTRUM TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2012-10-10

Abstract

本发明属于光电及微机电系统技术领域，涉及一种热释电光谱探测器的制备方法，特别涉及一种用于有毒有害气体分析仪的热释电光谱探测器的制备方法。共分七步制备而成，本发明所提供的方法采用无机-有机杂化的多孔SiO₂薄膜材料作为热绝缘结构，克服了目前采用微桥结构、悬空结构和空气隙结构作为集成式器件热绝缘结构的存在的机械强度差、容易发生龟裂、坍塌、脱落等问题，提高了集成式热释电光谱探测器芯片的力学性能及抗冲击性能。

Description

一种热释电光谱探测器的制备方法

技术领域

本发明属于光电及微机电系统技术领域，涉及一种热释电光谱探测器的制备方法，特别涉及一种用于有毒有害气体分析仪的热释电光谱探测器的制备方法。

背景技术

由于绝大部分有毒有害气体对某一波段的光谱都具有一定的吸收，所以依据这一光谱的吸收原理就能实现有毒有害气体分析仪的制备。一般地说，有毒有害气体对某一波段的光谱的吸收吻合比耳-朗伯定律：

P=P₀Exp(-kcl)

其中P₀为光源所产生的能量，P为通过存在待测气体环境后所剩余的能量，k为吸收系数，l为光源距探测器单元的距离，c为待测气体浓度。

在实际应用中，由光源发出的光辐射到被光谱传感器上转化为电压信号，传感器的电压输出受气室中气体吸收的影响而变化，气体浓度越高，被吸收的光越高，传感器上的输出电压越低，气体浓度越低，吸收的光越少，传感器输出的电压越高。传感器输出的电压经前置放大器、差分放大器放大后，进入单片计算机或DSP数字信号处理器进行计算，根据数学模型和有关参数计算出浓度。

光谱传感器是有毒有害气体分析仪的核心电子元器件，它的性能参数直接影响到气体分析仪的性能如检测灵敏度。可供选择的气体分析仪所用的光谱能量接收器件有热电堆型探测器、热敏电阻型探测器及热释电探测器三大类。热电堆型探测器电压响应信号较小，而且温度噪声太大。热敏电阻型探测器温度噪声太大，极难校正。所以热释电探测器是应用的主流。

根据光谱传感器器件所采用的光电功能材料的形态的不同，热释电传感器的技术路线共有两条可供选择；一条是采用陶瓷材料或晶体材料的混合式器件工艺技术路线，另一条是采用薄膜材料的集成式器件工艺技术路线。混合式器件的制备需要先把光敏元材料（铁电陶瓷）减薄、研磨、抛光后再蒸镀上下电极，随之再完成焊接封装，其工艺较为复杂，特别是在材料减薄工艺上，因而成品率很低成本较高，所谓器件是做出来的。集成式器件则可以在一块衬底上一次就完成热绝缘材料、下电极、铁电薄膜及上电极的生长，随后的工艺如划片、焊接及封装等就与陶瓷式一样了。它的优点是工艺较为简单、核心技术突破后成品率可以很高（一块5英寸片上可长出几千只单元器件，所谓器件是长出来的）。

目前各类有毒有害气体分析仪所用的光谱能量接收器件所用的大部分是混合式热释电器件，它的缺点有如下三个方面：一、混合式热释电器件工作频率较低，只能在低频段如0.1Hz-5Hz频率段工作才能满足较高的电压响应信号。而在这一低频段如0.1Hz-5Hz频率段，外界噪声很大如白噪声。二、混合式热释电器件受环境温度波动的影响较大，需精确的温度校正。三、混合式热释电器件受振动（如风）的影响较大，带来较大的噪声信号，影响零点的稳定。

而集成式热释电器件相对于混合式热释电器件来讲，可克服如上缺点：一、集成式热释电器件工作频率较高，可在高频段如10Hz-200Hz频率段工作亦能满足较高的电压响应信号。而在这一频段，避开了低频白噪声，满足ppm级气体浓度检测灵敏度。二、集成式热释电器件受振动（如风）的影响较小大，带来的噪声信号小，基本不影响零点的稳定。

因此，以集成式热释电器件代替混合式热释电器件作为气体分析仪所用的光谱能量接收器件将大大提高系统的信噪比，进而提高检测灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有实用价值的集成式热释电光谱探测器的制作方法，解决目前混合式热释电红外探测器存在的只能在低频段工作、受振动及风等外界环境变化影响较大，因而在用于气体分析仪的光谱能量接收器件时所带来的系统信噪比较差、检测灵敏度较低的缺点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种用于有毒有害气体分析仪的热释电光谱探测器的制备方法，其步骤如下：

步骤一，以硅单晶为基体，在其上制备无机-有机杂化的多孔SiO₂薄膜为热绝缘结构薄膜。

步骤二，采用直流磁控溅射法在无机-有机杂化的多孔SiO₂薄膜上制备铂/钛金属薄膜为下电极薄膜并采用正胶剥离法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定。

步骤三，采用射频磁控溅射法或溶胶凝胶法在铂/钛金属薄膜上制备光电薄膜并采用干发及湿发腐蚀法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定。

步骤四，采用直流磁控溅射法或真空热蒸发法在光电薄膜上制备上电极薄膜并采用干发及湿发腐蚀法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定。

步骤五，采用等离子增强化学沉积法在上电极薄膜上生长一层芯片保护层，并按设计要求完成划片。

步骤六，按设计要求按常规方法制备基于阻抗变换的信号处理电路，并完成芯片与信号处理电路板之间的粘接及引线焊接。

步骤七，按设计要求将芯片与信号处理电路板封装于带红外窗口及底座的外壳中，即完成了集成式热释电光谱探测器的制作。

在步骤二中，所述铂/钛金属薄膜的厚度为50nm～100nm。

在步骤三中，所述光电薄膜为PZT（锆钛酸铅）系列或BST（钛酸锶钡）系列铁电薄膜。

在步骤三中，所述光电薄膜的厚度为400nm～1000nm。

在步骤四中，所述上电极薄膜为铬/镍金属薄膜。

在步骤四中，所述上电极薄膜方块电阻为300Ω～1000Ω。

在步骤五中，所述芯片保护层为氮化硅薄膜。所述氮化硅薄膜的厚度为200nm～500nm。

本发明的优点和有益效果在于：第一，本发明所提供的方法以铁电薄膜材料代替铁电单晶或铁电陶瓷材料作为光电敏感材料，以集成式结构代替混合式结构以制备热释电光谱探测器，使器件的工作频率得以大幅度提高，从0.1Hz～5Hz频率段提高到10Hz～100Hz频率段，避开了低频白噪声，使系统检测灵敏度得以提高。第二，本发明所提供的方法以铁电薄膜材料代替铁电单晶或铁电陶瓷材料作为光电敏感材料，以集成式结构代替混合式结构以制备热释电红外探测器，在用于气体分析仪的光谱能量接收器件时受振动（如风）及外界温度变化的影响较小，带来的噪声信号小，使系统检测灵敏度得以提高，而且不影响零点的稳定。第三，本发明所提供的方法采用无机-有机杂化的多孔SiO₂薄膜材料作为热绝缘结构，克服了目前采用微桥结构、悬空结构和空气隙结构作为集成式器件热绝缘结构的存在的机械强度差、容易发生龟裂、坍塌、脱落等问题，提高了集成式热释电光谱探测器芯片的力学性能及抗冲击性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中，1-硅单晶；2-热绝缘结构薄膜；3-下电极薄膜；4-光电薄膜；5-上电极薄膜；6-芯片保护层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明具体实施的技术方案是：步骤一，热绝缘结构薄膜的制备：

以晶体取向为（100）方向、体电阻率为0.1～10Ωcm、大小尺寸为20cm×20cm的、表面已热氧化的硅单晶为基体，制备厚度为1um～5um的无机-有机杂化的多孔SiO₂薄膜。

步骤二，下电极薄膜制备及图形化：

按所设计的器件的结构参数在步骤一所得到的无机-有机杂化的多孔SiO₂薄膜上完成光刻工艺后，采用直流磁控溅射法制备铂/钛金属薄膜并采用正胶剥离法完成图形化，说明如下：

1、光刻工艺所涉及的器件的结构参数表述如下：

（1）光敏元数：单元、2×1-128×1短线列多元、2×2-9×9小面阵多元；

（2）光敏元大小尺寸：ф1mm-ф3、1mm×1mm-3mm×3mm；

（3）光敏元间距：0.2mm-3mm。

2、正胶剥离法的光刻工艺所涉及的铂/钛金属薄膜的结构参数表述如下：

（4）压焊块大小尺寸：ф0.5mm～ф3、0.5mm×0.5mm～3mm×3mm；

（5）引线宽度：0.2mm～1mm；

3、正胶剥离法的工艺目标就是在厚度为1um～5um的无机-有机杂化的多孔SiO₂薄膜基底上制备其图形的铂钛金属薄膜，所涉及的铂钛金属薄膜的直流磁控溅射法生长工艺参数为：工作气体：氩气；靶基距：70mm；工作压强：2.6Pa；溅射功率：79W；溅射时间：铂/15s，钛8s；金属薄膜的厚度为50nm-100nm，金属薄膜的大小尺寸比光敏元大小尺寸有所增加，但其增加幅度以不超过光敏元间距的1/4为宜。

步骤三，光电薄膜的制备及图形化：

1、采用射频磁控溅射法在步骤二所得的、已完成图形化的铂/钛金属薄膜上制备BST（Ba_0.65Sr_0.35TiO₃钛酸锶钡）铁电薄膜作为光电薄膜，光电薄膜的厚度为400nm～1000nm。其生长工艺参数为：

溅射功率	基片温度	溅射气压	氧氩分压	靶基距	自偏压
						150W	550℃	5Pa	1：9	50mm	115v

2、利用正胶完成光刻工艺，并采用湿发腐蚀法完成BST光电薄膜图形化，光电薄膜单元大小尺寸应比光敏元大小尺寸有所增加，但其增加幅度以光敏元间距的1/4～1/2为宜。其湿发腐蚀法工艺参数为：

（1）湿法腐蚀腐蚀剂配方为HF：HNO₃：H₂O=2：10：100；

（2）湿法腐蚀时间：10秒～20秒。

步骤四，上电极薄膜制备及图形化：

1、在以步骤三所得的已完成图形化的BST光电薄膜为基底，采用直流磁控溅射法制备铬/镍金属薄膜作为上电极，铬/镍薄膜的方块电阻为300Ω～1000Ω，所涉及的铬/镍金属薄膜的直流磁控溅射法生长工艺参数为：工作气体：氩气；靶基距：70mm；工作压强：2.2Pa；溅射功率：75W；溅射时间：镍/30s，铬/60s。

2、利用正胶完成光刻工艺，并采用湿法腐蚀法完成铬/镍薄膜图形化，铬/镍薄膜图形大小尺寸即为比光敏元大小尺寸。

步骤五，芯片保护层的制备及图形化：

1、采用等离子增强化学沉积法，以硅烷及氨气为工作气体在步骤四所制得的芯片上生长氮化硅薄膜，其厚度约为300nm，所涉及的等离子增强化学沉积法的工艺参数为：

等离子增强化学沉积法（PECVD）生长氮化硅薄膜工艺条件

载气	功率	工作气体1	工作气体2	生长时间
					氩气	280W	硅烷SiH₄	氨气NH₃	1.5小时

2、氮化硅薄膜的图形大小为第二步中所述的铂/钛金属薄膜的图形大小再减去压焊块的尺寸，氮化硅薄膜的图形化工艺中的氮化硅薄膜的去除工艺采用干发刻蚀法（反应离子刻蚀法），其工艺条件下表：

反应离子刻蚀法去除碳化硅薄膜工艺条件

载气	功率	反应气体	刻蚀时间
				氩气	250W	六氟化硫SF₆	1.2小时

步骤七，集成式热释电红外探测器的制作：

对上述步骤所制成的多个材料芯片进行划片，将划片后的材料芯片与处理电路连接并进行封装，即完成了多个集成式热释电红外探测器的制作。

1、利用划片机沿每个材料芯片的交界处下刀完成划片，从整片20mm×20mm的硅片上得到同样的多片材料芯片，并完成某一个材料芯片压焊块与芯片连接线的其中一端之间的焊接。

2、将芯片与信号处理电路板粘接在一起，并完成芯片连接线的另一端与及信号处理电路板引线的焊接，得到材料芯片组件。

3、将材料芯片组件、带其中光谱窗口及底座的外壳封装即完成了多个本方法所示的一种集成式热释电红外探测器的制作。其中光谱窗口为窄带带通滤光片，其中心波长即为待测气体的红外光谱的吸收波长。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种热释电光谱探测器的制备方法，其特征在于：其步骤如下：

步骤一，以硅单晶为基体，在其上制备无机-有机杂化的多孔SiO₂薄膜为热绝缘结构薄膜；

步骤二，采用直流磁控溅射法在无机-有机杂化的多孔SiO₂薄膜上制备铂/钛金属薄膜为下电极薄膜并采用正胶剥离法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定；

步骤三，采用射频磁控溅射法或溶胶凝胶法在铂/钛金属薄膜上制备光电薄膜并采用干发及湿发腐蚀法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定；

步骤四，采用直流磁控溅射法或真空热蒸发法在光电薄膜上制备上电极薄膜并采用干发及湿发腐蚀法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定；

步骤五，采用等离子增强化学沉积法在上电极薄膜上生长一层芯片保护层，并按设计要求完成划片；

步骤六，按设计要求按常规方法制备基于阻抗变换的信号处理电路，并完成芯片与信号处理电路板之间的粘接及引线焊接；

2.根据权利要求1所述的一种热释电光谱探测器的制备方法，其特征在于：在步骤二中，所述铂/钛金属薄膜的厚度为50nm～100nm。

3.根据权利要求1所述的一种热释电光谱探测器的制备方法，其特征在于：在步骤三中，所述光电薄膜为锆钛酸铅系列或钛酸锶钡系列铁电薄膜。

4.根据权利要求1或3所述的一种热释电光谱探测器的制备方法，其特征在于：在步骤三中，所述光电薄膜的厚度为400nm～1000nm。

5.根据权利要求1所述的一种热释电光谱探测器的制备方法，其特征在于：在步骤四中，所述上电极为铬/镍金属薄膜。

6.根据权利要求1或5所述的一种热释电光谱探测器的制备方法，其特征在于：在步骤四中，所述上电极方块电阻为300Ω～1000Ω。

7.根据权利要求1所述的一种热释电光谱探测器的制备方法，其特征在于：在步骤五中，所述芯片保护层为氮化硅薄膜。

8.根据权利要求7所述的一种热释电光谱探测器的制备方法，其特征在于：所述氮化硅薄膜的厚度为200nm～500nm。