CN104280135B - 一种柔性非制冷红外探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性非制冷红外探测器及其制备方法，探测器依次包括衬底、第一电极、铁电聚合物层和第二电极，其特征在于：所述衬底为厚度1～4微米的聚酯膜，在所述衬底的表面设有红外辐射吸收电极，所述红外辐射吸收电极、衬底、第一电极构成光学谐振腔结构，被探测光自所述红外辐射吸收电极一侧入射。制备时，通过蒸发镀膜制备镍‑铬合金薄膜、第一电极；采用旋转镀膜方法制备聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物薄膜；用蒸发镀膜方法在聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物薄膜上制备金属铝膜，构成第二电极。本发明实现了对红外辐射波长的选择性吸收和吸收增强，探测率高。

Description

一种柔性非制冷红外探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种红外探测器，具体涉及一种非制冷红外探测器，尤其是具有柔性的铁电聚合物薄膜探测器及其制备方法。
背景技术
非制冷红外探测器是工作于室温下、无需制冷系统即可对红外辐射感知输出的传感器，可广泛应用于国防、生产监控、物联网、告警等众多领域。热释电探测器是一种基于交流读出模式的非制冷红外探测器，具有灵敏度高、响应速度快等特点，因此适用于众多红外传感技术中. 其中锆钛酸铅(简称PZT)、钛酸锶钡（简称BST）陶瓷是优良的热释电材料，目前广泛应用于各种红外传感器中。然而，这些陶瓷材料在制备、加工过程中工艺较为复杂，例如陶瓷片厚度要求减薄到20微米以下，不但成本高，均匀性和成品率也大受影响。另外，基于陶瓷片的红外探测器的抗冲击力不强，所以应用环境受到一定限制。此外，PZT陶瓷因为含铅元素，在其原料的生产、陶瓷的制备和加工过程中对环境造成污染。目前，投放市场的国家重点监管目录内的电子信息产品将不会含有铅、汞、镉等六类有害物质。加强电子信息产品污染防治，保护环境，已经成为新世纪世界各国不可回避的问题。因此，发展性能优良、易加工、强度大的热释电材料作为PZT、BST陶瓷的替代电子材料，对于制作红外传感器是非常必要的。
聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物[简称P(VDF-TrFE)]是一种性能优良的铁电聚合物材料，加工过程简单、无污染，可用于研制非制冷红外探测器。 中国发明专利CN102003998A公开了一种高灵敏非制冷红外探测器，用聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物作为热释电材料，并将其运用郎缪尔-布拉吉特方法生长在制备好金属底电极的聚酯材料衬底上，然后在材料上表面生长金属上电极，形成电容器结构，并在上电极上生长聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸导电聚合物作为红外吸收层。该技术方案中提供的红外探测器，虽然使用了聚酯材料，但仅将其作为衬底使用，入射光是从与聚酯层相反的方向，即聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸导电聚合物层射入，由该层作为红外吸收层的，其不能对红外辐射进行充分的吸收，因此其性能，主要是探测率，仍然比PZT或BST陶瓷探测器低。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种柔性非制冷红外探测器，通过结构的改进，实现对红外辐射的高吸收，从而获得高灵敏特性。本发明的另一发明目的是提供该柔性非制冷红外探测器的制备方法。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种柔性非制冷红外探测器，依次包括衬底、第一电极、铁电聚合物层和第二电极，所述衬底为厚度1～4微米的聚酯（mylar）膜，在所述衬底的表面设有红外辐射吸收电极，所述红外辐射吸收电极、衬底、第一电极构成光学谐振腔结构，被探测光自所述红外辐射吸收电极一侧入射。
上述技术方案中，所述红外辐射吸收电极由镍-铬合金薄膜构成，薄膜厚度为20～30纳米，镍、铬的摩尔比为20:80～40:60。
所述铁电聚合物层为聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物（P(VDF-TrFE)）薄膜，聚合单体偏二氟乙烯和三氟乙烯的摩尔比为90∶10～50∶50，共聚物薄膜的厚度为120纳米～360纳米。
优选的技术方案，所述红外辐射吸收电极、第一电极和第二电极为互相对准的方形电极，方形电边的边长为100～200微米。
一种柔性非制冷红外探测器的制备方法，包括下列步骤：
(1)在厚度为1～4微米的聚酯膜上蒸发镀一层镍-铬合金薄膜，构成红外辐射吸收电极，在聚酯膜的另一侧面上蒸发镀一层金属铝膜，构成第一电极；
(2) 采用旋转镀膜（spin-coating）方法制备聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物薄膜：在每克聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物中加入50～100 ml 碳酸二乙酯，在50～80℃下搅拌2～4小时，冷却至室温；采用匀胶机在聚酯膜镀有金属铝的一侧生长聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物薄膜，旋转速度为2000～4000转/分，旋转时间为20～30秒，单层膜厚度在40～60 纳米之间，重复3-6次，得到厚度为120～360纳米的薄膜材料，最后在120～140℃退火5～10小时；
(3)用蒸发镀膜方法在聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物薄膜上制备金属铝膜，构成第二电极；所述红外辐射吸收电极、第一电极和第二电极互相对准。
上述技术方案中，所述镍-铬合金薄膜的厚度为20～30纳米，镍、铬的摩尔比为20:80～40:60，电阻率为385～-400Ω/□。
所述第一电极的金属铝膜厚度为100～200纳米。
所述第二电极的金属铝膜与第一电极的大小、形状相同。
所述红外辐射吸收电极、第一电极和第二电极为互相对准的方形电极，方形电边的边长为100～200微米。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1．本发明改变了现有技术中仅将聚酯薄膜作为背侧支撑衬底的结构，在聚酯薄膜的另一侧设置镍-铬合金薄膜，形成谐振腔结构，由此实现了对红外辐射波长的选择性吸收和吸收增强，探测率可以达到2×109cmHz1/2W-1(500K, 标准距离)；
2．本发明的探测器制备工艺简单、成本低，加工过程和探测器本身对环境不造成任何污染。
3．本发明的探测器具有良好的稳定性和可靠性，具有高速响应，热学时间常数可以达到5 毫秒以内。
4．本发明创造性地从以前作为衬底的背侧照射入光，并在聚酯膜衬底上镀覆一层镍-铬合金薄膜，形成光学谐振腔结构，获得了意想不到的效果。
附图说明
图1是本发明实施例的结构剖面示意图。
其中：1、红外辐射吸收电极；2、聚酯膜；3、第一电极；4、铁电聚合物层；5、第二电极。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1所示，一种柔性非制冷红外探测器，依次包括红外辐射吸收电极1、衬底、第一电极3、铁电聚合物层4和第二电极5，所述衬底为厚度1～4微米的聚酯膜2，所述红外辐射吸收电极1、聚酯膜2、第一电极3构成光学谐振腔结构，被探测光自所述红外辐射吸收电极1一侧入射。
其制备方法如下：
(1). 衬底和电极
在厚度为2微米的聚酯（mylar）膜上通过金属掩膜板蒸发镍-铬合金薄膜，大小200微米×200微米，方块电阻为390Ω/□，作为红外辐射吸收电极。利用蒸发镀膜方法在mylar膜的另一侧生长金属铝膜作为红外辐射反射电极，厚度为200纳米。然后通过光刻和刻蚀工艺将电极制备成大小200微米×200微米的形状。
(2). P(VDF-TrFE)铁电聚合物薄膜和电极的制备
称取2克P(VDF-TrFE) (法国PiezoTech提供)，转移到一250毫升烧瓶中，加入100ml 碳酸二乙酯，在60℃下搅拌3小时，冷却至室温。采用匀胶机来在mylar膜金属铝一侧生长P(VDF-TrFE)聚合物薄膜，旋转速度为3000转/分，旋转时间为30秒。其中，P(VDF-TrFE)薄膜与镍-铬合金薄膜分别在mylar膜的两侧，单层膜厚度在40～60 纳米之间。 重复4次，可以得到厚度为200纳米的薄膜材料。最后薄膜在135℃退火6小时。利用蒸发镀膜方法在P(VDF-TrFE)薄膜上制备金属铝膜作为P(VDF-TrFE)电容器的另一电极，厚度为200纳米。采用光刻、刻蚀工艺把电极做成大小200微米×200微米的形状。
采用标准黑体辐射测定所制得的该型探测器的电压响应率并通过计算得出其探测率，探测率可以达到2×109cmHz1/2W-1(500K，标准距离)，在无Ni-Cr谐振腔层结构的探测器中，采用聚酯薄膜一侧背照射方式，采用相同方法实测的探测率仅能达到5×108 cmHz1/ 2W-1 (500K，标准距离)。可见，本发明显著提高了红外传感器的探测率。

Claims (9)

1.一种柔性非制冷红外探测器，依次包括衬底、第一电极、铁电聚合物层和第二电极，所述衬底为厚度1～4微米的聚酯膜，其特征在于：在所述衬底的表面设有红外辐射吸收电极，所述红外辐射吸收电极、衬底、第一电极构成光学谐振腔结构，被探测光自所述红外辐射吸收电极一侧入射。
2.根据权利要求1所述的柔性非制冷红外探测器，其特征在于：所述红外辐射吸收电极由镍-铬合金薄膜构成，薄膜厚度为20～30纳米，镍、铬的摩尔比为20:80～40:60。
3.根据权利要求1所述的柔性非制冷红外探测器，其特征在于：所述铁电聚合物层为聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物薄膜，聚合单体偏二氟乙烯和三氟乙烯的摩尔比为90∶10～50∶50，共聚物薄膜的厚度为120纳米～360纳米。
4.根据权利要求1所述的柔性非制冷红外探测器，其特征在于：所述红外辐射吸收电极、第一电极和第二电极为互相对准的方形电极，方形电极的边长为100～200微米。
5.一种柔性非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)在厚度为1～4微米的聚酯膜上蒸发镀一层镍-铬合金薄膜，构成红外辐射吸收电极，在聚酯膜的另一侧面上蒸发镀一层金属铝膜，构成第一电极；
(2) 采用旋转镀膜方法制备聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物薄膜：在每克聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物中加入50－100 ml 碳酸二乙酯，在50～80℃下搅拌2～4小时，冷却至室温；采用匀胶机在聚酯膜镀有金属铝的一侧生长聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物薄膜，旋转速度为2000～4000转/分，旋转时间为20～30秒，单层膜厚度在40～60 纳米之间，重复3-6次，得到厚度为120～360纳米的薄膜材料，最后在120～140℃退火5～10小时；
(3)用蒸发镀膜方法在聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物薄膜上制备金属铝膜，构成第二电极；所述红外辐射吸收电极、第一电极和第二电极互相对准。
6.根据权利要求5所述的柔性非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于：所述镍-铬合金薄膜的厚度为20～30纳米，镍、铬的摩尔比为20:80～40:60，电阻率为385～-400Ω/□。
7.根据权利要求5所述的柔性非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于：所述第一电极的金属铝膜厚度为100-200纳米。
8.根据权利要求5所述的柔性非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于：所述第二电极的金属铝膜与第一电极的大小、形状相同。
9.根据权利要求5所述的柔性非制冷红外探测器的制备方法，其特征在于：所述红外辐射吸收电极、第一电极和第二电极为互相对准的方形电极，方形电极的边长为100～200微米。
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