CN103943771A - 一种弛豫铁电单晶热释电红外探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种弛豫铁电单晶热释电红外探测器及其制备方法，该探测器包括：设有引脚的底座；与所述底座封装在一起以形成容纳空间的带有窗口的壳体；设置于所述容纳空间中的灵敏元件，所述灵敏元件由弛豫铁电单晶制成，且其厚度在20μm以下；分别设置于所述灵敏元件的上表面和所述灵敏元件的下表面的上电极和下电极；覆盖于所述灵敏元件的上电极的吸收层；以及与所述灵敏元件相连的电流模式电路。本发明的探测器可具备高响应率、低噪声和高探测率。

Description

一种弛豫铁电单晶热释电红外探测器及其制备方法

技术领域

本发明属于红外技术领域，具体地，涉及一种热释电红外探测器及其制备方法。

背景技术

当今世界各国竞相发展红外探测和成像技术，其应用遍及军事、航天、科研、医疗、工业等众多领域。红外探测器主要分为光子型红外探测器和热型红外探测器两大类。目前常见的光子型红外探测器主要采用以碲镉汞为代表的窄禁带半导体材料和以砷化镓为代表的光电子半导体材料。但半导体红外器件一般需要低温致冷工作，体积大、成本高、功耗大。

而利用材料热释电效应研制的热释电红外探测器由于其在紫外波段、可见波段、红外波段具有平坦的光谱响应，同时具有无需致冷、功耗低、噪声带宽小、结构紧凑、便于携带、成本低等优点，已经成为当前红外技术领域中最引人瞩目的焦点之一。

从20世纪70年代至今，一直在积极进行非致冷热成像技术的研究，其核心是非致冷红外焦平面阵列技术。随着热释电红外探测器向低成本、低功耗及小型化发展，热释电红外探测器正从军用市场向民用市场快速拓展，尤其是在人体探测、火灾预警、气体分析、红外光谱仪以及红外热成像等领域发挥了重要作用，同时体现了巨大的市场潜力。

目前用于热释电红外焦平面阵列器件的材料主要包括锆钛酸铅（PZT），钛酸锶钡（BST）和钽钪酸铅（PST）等，用于热释电单元探测器件的材料主要局限于钽酸锂（LiTaO₃）、硫酸三甘酞（TGS）等。但是，这些传统材料有着热释电系数低、介电损耗大以及物理性能不稳定等缺点，很难满足高性能热释电红外探测器及其延伸产品的应用要求。例如，比较成熟的商用LiTaO₃红外探测器的探测率水平仅为1×10⁸cm（Hz）^1/2/W至4×10⁸cm（Hz）^1/2/W。因此同时克服以上材料的缺点，探索获得高探测优值的新型热释电材料成为目前发展非制冷红外器件的迫切需求。

从1996年开始，罗豪甦等人率先用改进的布里奇曼（Bridgman）方法成功生长出大尺寸高质量的弛豫铁电单晶，如铌镁酸铅-钛酸铅（PMNT），并成功实现了高质量PMNT单晶的批量生产（专利文献1）。

自2003年开始，本发明人又首先发现了弛豫铁电单晶（例如，PMNT）的优异热释电性能，并开展了大量的相关研究。例如，本发明人发现当材料组成为（1-x）PMN-xPT，x处于0.24-0.30之间，晶体学方向沿自发极化方向<111>时，表现的热释电性能和介电性能最优（专利文献2）。

为了进一步降低材料的介电损耗，提高器件的探测率，本发明人生长了Mn掺杂的PMNT单晶，其中组分为Mn掺杂PMN-0.26PT的单晶，热释电系数达到17.2×10^-4 C/m²K，介电损耗降到0.0005。尽管该材料性能优异，但该新型热释电材料在红外器件中的应用进展缓慢，现有技术中尚未存在将弛豫铁电单晶应用于热释电红外探测器中的技术。

此外，传统热释电红外探测器的灵敏元件的厚度往往局限于减薄抛光技术，以致影响了最终器件的性能。如PZT陶瓷的厚度一般只能减薄至60μm，而且减薄的成品率和一致性较差。因此，优化和完善大尺寸晶片超薄减薄抛光工艺至关重要。另外传统热释电红外探测器的灵敏元件一般为全电极，面积固定，若想减小电极面积以调控灵敏元件的电学参数用于其它用途则不容易实现，因此也需要在电极尺寸的调整方面进行改进。

现有技术：

专利文献：

专利文献1，中国专利公开CN1080777C；

专利文献2，中国专利公开CN100429334C。

发明内容

鉴于以上所述，本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有高响应率、低噪声和高探测率的热释电红外探测器及其制备方法。

为了解决上述技术问题，根据本发明的一方面，提供一种热释电红外探测器包括：设有引脚的底座；与所述底座封装在一起以形成容纳空间的带有窗口的壳体；设置于所述容纳空间中的灵敏元件，所述灵敏元件由弛豫铁电单晶制成，且其厚度在20μm以下；分别设置于所述灵敏元件的上表面和所述灵敏元件的下表面的上电极和下电极；覆盖于所述灵敏元件的上电极的吸收层；以及与所述灵敏元件相连的电流模式电路。

根据本发明，利用Mn掺杂PMNT弛豫铁电单晶的高热释电系数、高居里温度、低介电损耗和适中介电常数的特点，且通过建立的化学机械抛光技术将灵敏元件的厚度减薄至20μm以下，可制备具有高响应率、低噪声和高探测率的性能优异的热释电红外探测器，且通过设置电流模式电路可提高响应率并降低响应时间。

又，在本发明中，也可以是，所述灵敏元件悬空地固定于所述容纳空间中。

根据本发明，将灵敏元件悬空地固定于容纳空间中的优点是能够尽可能降低灵敏元件与环境之间的热传导和热损耗，提高探测率。

又，在本发明中，也可以是，还包括设置于所述灵敏元件与所述底座之间的绝热件。

根据本发明，通过设置于灵敏元件与底座之间的绝热件，可以隔绝灵敏元件与底座之间的热传递。

又，在本发明中，也可以是，所述绝热件为中空的氧化铝陶瓷。

根据本发明，通过由氧化铝陶瓷形成该绝热件，可以有利于隔绝灵敏元件与底座之间的热传递，且将绝热件形成为中空的结构也可以有利于将灵敏元件悬空地固定于容纳空间中。

又，在本发明中，也可以是，所述灵敏元件通过支架悬空地固定于所述绝热件上。

根据本发明，灵敏元件通过支架悬空地固定于绝热件上，可进一步有利于将灵敏元件悬空地固定于容纳空间中。

又，在本发明中，也可以是，所述吸收层由多壁碳纳米管材料制成。

根据本发明，通过由多壁碳纳米管材料制成吸收层，红外吸收率高，例如可达到99%以上。相比于传统热蒸发金黑吸收层，本发明的工艺简单，成本低。

又，在本发明中，也可以是，还包括用于容纳所述灵敏元件以调节所述上电极的面积的掩膜版组件，所述掩膜版组件包括用于容纳所述灵敏元件的掩膜版主体和覆盖于所述灵敏元件的盖板。

根据本发明，由于灵敏元件的面积即为上下电极重合部分，因而通过设置该掩膜版组件而调节上电极的面积，以此可以灵活改变灵敏元件的面积，克服灵敏元件的面积极小时操作不便的困难，从而实现对灵敏元件的电学参数的有效控制，以发展热释电探测器的多方面用途。

又，在本发明中，也可以是，用于提高响应率和探测率、降低响应时间的电流模式电路形成为具备负反馈的结构。

根据本发明，带负反馈的电流模式放大电路可更好地与弛豫铁电单晶灵敏元件进行匹配，充分发挥电流型弛豫铁电单晶的性能优势，得到具有更高探测率的热释电红外探测器。

又，在本发明中，也可以是，所述弛豫铁电单晶为Mn掺杂PMNT弛豫铁电单晶，即为锰掺杂铌镁酸铅-钛酸铅，其化学式为(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃–xPbTiO₃。所述弛豫铁电单晶也可以是其他弛豫铁电单晶。

根据本发明，由Mn掺杂PMNT单晶制成灵敏元件可更有效地制备具有极高探测率的热释电红外单元探测器。

根据本发明的另一方面，提供一种如上所述的热释电红外探测器的制备方法，包括：运用化学机械抛光手段将作为灵敏元件的Mn-PMNT单晶的厚度减薄至20μm以下；在减薄后的所述灵敏元件的上表面和所述灵敏元件的下表面上分别溅射沉积上电极和下电极；在所述灵敏元件的上表面喷涂吸收层；对所述灵敏元件进行封装；并采用电流模式电路进行测试。

根据本发明的方法制备的热释电红外探测器可具有高响应率、低噪声和高探测率。本发明制备工艺简单，无需特殊设备，可实现规模化生产。

又，在本发明中，也可以是，用掩膜版组件调节所述灵敏元件的上电极的面积。

根据本发明，通过该掩膜版组件调节上电极的面积，以此可以灵活改变灵敏元件的面积。

根据下述具体实施方式并参考附图，本发明的上述及其他目的、特征和优点将更加清晰。

附图说明

图1（a）是示出根据本发明的一实施形态的热释电红外探测器的电极掩膜版的实物演示图，图1（b）是示出电极掩膜版的结构示意图，图1（c）是示出溅射电极后的灵敏元件芯片的结构示意图；

图2是根据本发明的一实施形态的热释电红外探测器的结构示意图；

图3是根据本发明的各实施形态的热释电红外探测器的实物演示图；

图4是根据本发明的一实施形态的热释电红外探测器的与弛豫铁电单晶材料相匹配的电流模式电路示意图；

图5是示出根据本发明的一实施形态的热释电红外探测器的响应率（V _s）随频率（频率范围0.5Hz至1kHz）的变化关系的图，其中插图为频率为10 Hz时的响应信号；

图6是示出根据本发明的一实施形态的热释电红外探测器的探测率（D ^*）随频率（频率范围0.5Hz至1kHz）的变化关系的图。

具体实施方式

下面结合附图与优选实施形态对本发明的热释电红外探测器及其制备方法进一步详细说明。图2是根据本发明的一实施形态的热释电红外探测器的结构示意图。

参见图2，在本发明的一实施形态中，热释电红外探测器包括设有引脚2的底座1。如图2所示，该底座1包括三个引脚2a、2b和2c。该热释电红外探测器还包括与底座1封装在一起以形成容纳空间S的带有窗口4的壳体3。灵敏元件5设置于该容纳空间S中，该灵敏元件5由弛豫铁电单晶制成。在本实施形态中，该弛豫铁电单晶为Mn掺杂的PMNT单晶，即(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃–xPbTiO₃，以此可获得极高的探测率。并且，作为灵敏元件5的该单晶的厚度在20μm以下，且均匀性和一致性良好。

此外，该热释电红外探测器还包括覆盖于灵敏元件5的上表面的吸收层6、分别设置于吸收层6的上表面和灵敏元件5的下表面上的上电极7和下电极8；以及分别连接在该上电极7和下电极8与相应的引脚（分别为图2所示的引脚2a和2b）之间的导线9a、9b。

根据本发明，利用Mn掺杂PMNT单晶的高热释电系数、低介电损耗的特点，且通过将灵敏元件的厚度减薄至20μm以下，可制备具有高响应率、低噪声和高探测率的热释电红外探测器。极大地提高了当前红外探测领域的水平。

进一步地，在本实施形态中，上述吸收层6由多壁碳纳米管材料制成，由此，红外吸收率可达到99%以上。相比于传统热蒸发金黑吸收层，本发明的工艺简单，成本低。

又，参照图2，在本实施形态中，灵敏元件5可悬空地固定于容纳空间S中。此外，在灵敏元件5与底座1之间还可设有绝热件10。该绝热件10可为中空的氧化铝陶瓷。另外，灵敏元件5可通过支架11悬空地固定于绝热件10上。

另外，图1中的图1（a）是示出根据本发明的一实施形态的热释电红外探测器的电极的实物演示图，图1（b）是示出图1（a）中的电极的掩膜版的结构示意图，图1（c）是示出溅射电极后的灵敏元件芯片的结构示意图。如图1所示，在本实施形态中，热释电红外探测器还包括用于容纳灵敏元件5以调节上述上电极7的面积的掩膜版组件。

与传统热释电红外探测器的全电极灵敏元件不同，本发明中，由于灵敏元件5的面积即为上下电极7、8的重合部分，因而通过设置该掩膜版组件而调节上电极7的面积，以此可以灵活改变灵敏元件5的面积，克服灵敏元件5的面积极小时操作不便的困难，从而实现对灵敏元件5的电学参数的有效控制，以发展热释电探测器的多方面用途。

根据本发明的另一方面，提供一种制备如上所述的热释电红外探测器的方法，包括：运用化学机械抛光手段将作为灵敏元件5的单晶的厚度减薄至20μm以下；在减薄后的灵敏元件5的上表面喷涂吸收层6；利用例如磁控溅射在吸收层6的上表面和灵敏元件5的下表面上分别溅射沉积上电极7和下电极8；随后，对灵敏元件5进行封装。

具体地，大尺寸单晶采用水溶性光敏胶粘接、提高了单晶与玻璃基片粘接时的均匀性和一致性。且上述化学机械抛光手段包括通过对化学抛光液（PH值9-10，SiO₂抛光液）流速的实时控制和对单晶厚度的实时监测与调整，实现了将大尺寸20×20mm²以上的单晶减薄至厚度20μm以下，且单晶各个位置一致性良好。

根据本发明的方法制备的热释电红外探测器可具有高响应率、低噪声和高探测率。

以下更具体地说明根据本发明的热释电红外探测器的制备及其成品的性能。

本发明所涉及的材料介电性能测试是用Agilent 4294A型阻抗分析仪测得样品电容，根据平板电容器近似计算得到的；单晶极化后的热释电系数是通过自主建立的动态法热释电系数测量系统测得，将单晶沿<111>方向升温极化后，交流驱动温度幅度为1℃，频率为45mHz；极薄灵敏元件是通过化学机械抛光得到的，该热释电红外探测器的响应率是通过自主建立的黑体红外响应测试系统测得的，器件噪声通过Agilent 35670A动态信号分析仪测得，探测率是根据黑体探测率的理论公式，由测得的响应率和噪声计算得到。

实施例1

利用专利文献1的方法（改进的Bridgman方法）生长出大尺寸高性能的弛豫铁电单晶，即Mn掺杂PMNT单晶，然后对该单晶进行定向、切割、后处理以及性能测试等一系列工艺过程，选择出性能优异的单晶以备进一步处理。采用化学机械减薄抛光，将大尺寸20×20mm²晶片减薄抛光至20μm，然后使用划片机将该极薄的单晶划切为2.5×2.5mm²以制备热释电红外探测器的灵敏元件。

将单晶划切后，利用磁控溅射在其上下表面分别溅射沉积例如Ni-Cr电极和Ni-Cr/Au电极以作为上电极和下电极，电极尺寸可分为φ2.5mm，φ2.0mm，φ1.0mm和φ0.5mm四种，电极厚度可控，本实施例采用了φ2.0mm的电极尺寸。此外，灵敏元件的吸收层采用了高红外吸收率的多壁碳纳米管材料，其红外吸收性能在宽的红外波段里接近99%。

图1示出了本实施例的电极和掩膜版组件。如图1所示，上下电极设计成不对称结构，将单晶置于掩膜版主体内，加盖不同尺寸的电极掩膜版盖板，实现上电极面积的有效调控。

在此结合图2具体说明本实施例的热释电红外探测器的制备工艺。图2中将制备的灵敏元件5近似悬空地固定于中空的氧化铝绝热陶瓷基座10上，然后通过诸如金丝导线9a、9b将灵敏元件5的上下电极7、8与封装管壳（底座1）的引脚2a、2b进行电路连接，最后将管帽（壳体2）封装在底座1上。

图3是根据本发明的各实施形态的热释电红外探测器的实物演示图，其中图3（a）为热释电红外探测器的内部结构，图3（b）、图3（c）和图3（d）为加盖了不同窗口材料的探测器，可用于相应气体的探测。（需要注意的是，对探测器性能进行测试时，探测器是不带无窗口的）。

此外，所制备的热释电红外探测器没有内部集成电路，因此自主建立了用于性能测试的匹配电路，该匹配电路采用了有利于发挥弛豫铁电单晶性能优势的电流模式电路。图4是根据本发明的一实施形态的热释电红外探测器的与弛豫铁电单晶材料相匹配的电流模式电路示意图。该匹配电路的元件主要有：灵敏元件5，反馈电阻R _f ，反馈电容C _f ，前置放大器（例如低电流噪声和低电压噪声的AD795），供电电源，屏蔽系统等。经过测试，例如选用20GΩ的反馈电阻和0.25pF的反馈电容时响应最高。各元件的连接关系如图4电路所示，入射到灵敏元件表面的调制红外辐射，在其表面产生温度变化，进而灵敏元件在热释电效应的作用下产生电荷，通过外部连接电路以电流形式输出，经前置放大器输入端进入，实现信号的放大，放大的信号通过前置放大器输出端输出，利用频谱分析仪即可读出。

另外，在本实施例中，利用黑体辐射源系统以及动态信号分析仪等建立了红外响应测试系统，黑体的温度由温度控制仪精确控制，选为500K，红外辐射通过机械调制盘调制为不同频率的方波输出，探测器置于距离黑体辐射源出光孔10cm处，出光孔径为φ10mm。图5给出了所得到的探测器的响应率在0.5Hz-1kHz频率范围内的变化关系。随频率的增大，响应率先增大后减小，在0.9Hz附近达到最大值，在频率大于2.6Hz以后响应率近似与频率成反比关系，10 Hz下的响应信号电压达到了886mV。例如，在调制频率10Hz、黑体温度500K、环境温度25℃的条件下，探测器的电压响应率R _v为80355V/W，平均噪声水平V _n为6.45μV/(Hz)^1/2。

又，图6给出了探测器的探测率（D ^*）随频率的变化关系，此处探测率D ^*是根据其理论公式，通过测得的响应率和噪声计算所得。从图中可以看出，在频率为2Hz时，探测率D ^*达到3.0×10⁹cm·(Hz)^1/2/W。且探测率D ^*在频率为2.5Hz附近时达到最大值，并随着频率的增大而减小，10Hz下的探测率（D ^*）为2.21×10⁹cm（Hz）^1/2/W，是目前商用LiTaO₃红外探测器的4倍之多，并远高于其他任何热释电红外探测器。

综上所述，根据本发明热释电红外探测器可具有高响应率、低噪声和高探测率的优异性能。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在本发明中。

Claims (11)

1.一种热释电红外探测器，其特征在于，包括：

设有引脚的底座；

与所述底座封装在一起以形成容纳空间的带有窗口的壳体；

设置于所述容纳空间中的灵敏元件，所述灵敏元件由弛豫铁电单晶制成，且其厚度在20μm以下；

分别设置于所述灵敏元件的上表面和所述灵敏元件的下表面的上电极和下电极；

覆盖于所述灵敏元件的上表面的吸收层；

以及

与所述灵敏元件相连的电流模式电路。

2.根据权利要求1所述的热释电红外探测器，其特征在于，所述灵敏元件悬空地固定于所述容纳空间中。

3.根据权利要求2所述的热释电红外探测器，其特征在于，还包括设置于所述灵敏元件与所述底座之间的绝热件。

4.根据权利要求3所述的热释电红外探测器，其特征在于，所述绝热件为中空的氧化铝陶瓷。

5.根据权利要求3所述的热释电红外探测器，其特征在于，所述灵敏元件通过支架悬空地固定于所述绝热件上。

6.根据权利要求1所述的热释电红外探测器，其特征在于，所述吸收层由多壁碳纳米管材料制成。

7.根据权利要求1所述的热释电红外探测器，其特征在于，还包括用于容纳所述灵敏元件以调节所述上电极的面积的掩膜版组件，所述掩膜版组件包括用于容纳所述灵敏元件的掩膜版主体和覆盖于所述灵敏元件的盖板。

8.根据权利要求1所述的热释电红外探测器，其特征在于，所述电流模式电路形成为具备负反馈的结构。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的热释电红外探测器，其特征在于，所述弛豫铁电单晶为Mn掺杂PMNT弛豫铁电单晶，其为锰掺杂铌镁酸铅-钛酸铅。

10.一种热释电红外探测器的制备方法，其特征在于，包括：

运用化学机械抛光手段将作为灵敏元件的弛豫铁电单晶的厚度减薄抛光至20μm以下；

在减薄后的所述灵敏元件的上下表面分别溅射沉积上电极和下电极；

在所述灵敏元件的上表面喷涂吸收层；

对所述灵敏元件进行封装。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，还包括：用掩膜版组件调节所述灵敏元件的上电极的面积。