CN104409554A - 基于炭黑吸收层的热释电红外探测器及其制造方法 - Google Patents

基于炭黑吸收层的热释电红外探测器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于炭黑吸收层的热释电红外探测器及其制造方法，包括：制备热释电晶体衬底；在热释电晶体衬底的一侧上沉积镍铬合金层形成上电极；在上电极上形成炭黑红外吸收层；在热释电晶体衬底的与上电极相反的侧上沉积镍铬合金层形成下电极；将下电极金属键合到高热阻抗基底上；将炭黑红外吸收层的表面加工成纳米形貌结构，形成红外敏感吸收层。本发明的实施例中，镍铬合金层和炭黑红外吸收层的多层薄膜结构作为该热释电红外探测器的热敏感层，具有更好的表面致密性、高的吸收系数和较小的热损失，能够获取高性能热响应。

Description

基于炭黑吸收层的热释电红外探测器及其制造方法
 
技术领域
本发明涉及热释电红外探测器技术领域，尤其是涉及一种基于炭黑吸收层的热释电红外探测器及其制造方法。
 
背景技术
热释电红外探测器所用热释电材料有单晶、陶瓷、薄膜等种类。单晶热释电晶体的热释电系数高、介质损耗小，目前性能最好的热释电探测器大多选用单晶制作，如TGS、LATGS、LiTaO3 等；陶瓷热释电晶体成本较低，但响应较慢，如入侵报警用PZT 陶瓷探测器工作频率为0.2～5Hz；热释电材料是一种具有自发极化的电介质,它的自发极化强度随温度变化,可用热释电系数p来描述,p=dP/dT（P为极化强度，T为温度）。
在恒定温度下，材料的自发极化被体内的电荷和表面吸附电荷所中和。如果把热释电材料做成表面垂直于极化方向的平行薄片，则当红外辐射入射到薄片表面时，薄片因吸收辐射而发生温度变化，引起极化强度的变化。而中和电荷由于材料的电阻率高跟不上这一变化，其结果是薄片的两表面之间出现瞬态电压。若有外电阻跨接在两表面之间，电荷就通过外电路释放出来。电流的大小除与热释电系数成正比外，还与薄片的温度变化率成正比，因此，可用来测量入射辐射的强弱。
 
发明内容
本发明的目的之一是提供一种操作简单、制造的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器具有良好的热吸收性能和热响应性能的制造基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的方法。
本发明的目的之一是提供一种具有良好的热吸收性能和热响应性能的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器。
本发明公开的技术方案包括：
提供了一种制造基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的方法，其特征在于，包括：制备热释电晶体衬底；在所述热释电晶体衬底的一侧上沉积镍铬合金层，形成上电极；在所述上电极上沉积炭黑红外吸收层；在所述热释电晶体衬底的与所述上电极相反的侧上沉积镍铬合金层，形成下电极；将所述下电极金属键合到高热阻抗基底上；将所述炭黑红外吸收层的表面的至少一部分加工成纳米形貌结构，形成红外敏感吸收层。
本发明的一个实施例中，所述热释电晶体衬底为钽酸锂晶片。
本发明的一个实施例中，所述制备热释电晶体衬底的步骤包括：将热释电晶体材料进行研磨、抛光、化学腐蚀和/或清洗处理，获得热释电晶体衬底。
本发明的一个实施例中，所述在所述热释电晶体衬底的一侧上沉积镍铬合金层的步骤包括：用射频磁控溅射方法在所述热释电晶体衬底的一侧上沉积镍铬合金层。
本发明的一个实施例中，所述在所述上电极上沉积炭黑红外吸收层的步骤包括：用电喷法在所述上电极上沉积所述炭黑红外吸收层。
本发明的一个实施例中，所述在所述热释电晶体衬底的与所述上电极相反的侧上沉积镍铬合金层的步骤包括：用射频磁控溅射方法在所述热释电晶体衬底的与所述上电极相反的侧上沉积镍铬合金层。
本发明的一个实施例中，所述将所述炭黑红外吸收层的表面的至少一部分加工成纳米形貌结构的步骤包括：用电喷沉积法将所述炭黑红外吸收层的表面的至少一部分加工成纳米形貌结构。
本发明的一个实施例中，在将所述下电极金属键合到高热阻抗基底上之前还包括：在所述高热阻抗基底的表面上形成引线电极，并且使当所述下电极被金属键合到所述高热阻抗基底上时所述下电极与所述引线电极接触。
本发明的实施例中还提供了一种基于炭黑吸收层的热释电红外探测器，其特征在于，包括：热释电晶体衬底；上电极，所述上电极形成在所述热释电晶体衬底的一侧上；红外敏感吸收层，所述红外敏感吸收层形成在所述上电极上，所述红外敏感吸收层包括炭黑红外吸收层，所述炭黑红外吸收层的表面的至少一部分包括纳米形貌结构；下电极，所述下电极形成在所述热释电晶体衬底的与所述上电极相反的侧上；高热阻抗基底，所述下电极金属键合到所述高热阻抗基底上。
本发明的一个实施例中，还包括引线电极，所述引线电极形成在所述高热阻抗基底的表面上并与所述下电极接触。
本发明的实施例中，镍铬合金层和炭黑红外吸收层形成的多层薄膜结构作为该基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的热敏感层，与单一金属吸收层薄膜作热敏感层相比，具有更好的表面致密性、高的吸收系数和较小的热损失，能够获取高性能热响应，从而满足高精度红外探测器对其敏感元件热响应性能的高标准要求，利于实现基于热释电晶体的高精度红外探测器。
 
附图说明
图1是本发明一个实施例的制造基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的方法的流程示意图。
图2是本发明一个实施例的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的结构示意图。
图3是本发明另一个实施例的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的结构示意图。
 
具体实施方式
下面将结合附图详细说明本发明的实施例的制造基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的方法的具体步骤以及制造的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的结构。
图1显示了本发明的一个实施例的制造基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的方法的流程示意图。
如图1所示，本发明的一个实施例中，在步骤10中，首先制备热释电晶体衬底，该热释电晶体衬底作为将要制造的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的衬底元件。例如，一个实施例中，可以将热释电晶体材料进行研磨、抛光、化学腐蚀和/或清洗等处理，从而获得期望的热释电晶体衬底。
本发明的实施例中，这里使用的热释电晶体材料可以是适合的热释电晶体材料。例如，一个实施例中，热释电晶体材料可以是钽酸锂晶片。
本发明的实施例中，热释电晶体衬底的厚度可以是任何适合的厚度。例如，一个实施例中，获得的热释电晶体衬底的厚度可以为大约50微米，例如50±5微米，发明人发现，采用该厚度的热释电晶体衬底，最终制成的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的性能最优；当热释电晶体衬底的厚度更薄或者更厚时，最终制成的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的性能均不及采用该厚度的热释电晶体衬底理想。
然后，在步骤12中，可以在热释电晶体衬底上形成上电极。
例如，一个实施例中，可以在热释电晶体衬底的一侧上沉积形成镍铬合金层，该镍铬合金层形成上电极。
本发明的实施例中，可以使用适合的方法形成上电极。例如，一个实施例中，可以使用射频磁控溅射方法在该热释电晶体衬底的一侧上沉积形成镍铬合金层从而形成上电极。射频磁控溅射方法的具体步骤可以与本领域常用的方法相同，在此不再详述。
本发明的实施例中，这里的镍铬合金层的厚度可以是适合的厚度。例如，一个实施例中，形成的镍铬合金层的厚度可以为150±5纳米。发明人发现，采用该厚度的镍铬合金层，最终制成的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的性能最优；当镍铬合金层的厚度更薄或者更厚时，最终制成的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的性能均不及采用该厚度的镍铬合金层理想。
形成了上电极之后，在步骤14中，可以在上电极上沉积形成炭黑红外吸收层。
本发明的实施例中，可以使用适合的方法在上电极上形成炭黑红外吸收层。例如，一个实施例中，可以使用电喷法在上电极上沉积形成该炭黑红外吸收层。
本发明的实施例中，该炭黑红外吸收层的厚度可以是适合的厚度。例如，一个实施例中，炭黑红外吸收层的厚度可以为2毫米或者小于2毫米。发明人发现，采用该厚度的炭黑红外吸收层，最终制成的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的性能最优；当炭黑红外吸收层厚度更薄或者更厚时，最终制成的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的性能均不及采用该厚度的炭黑红外吸收层理想。
本发明的一个实施例中，在步骤16，还可以在热释电晶体衬底的与上电极相反的侧上沉积形成镍铬合金层，该镍铬合金层从而形成下电极。
本发明的实施例中，可以使用适合的方法形成下电极。例如，一个实施例中，可以使用射频磁控溅射方法在该热释电晶体衬底的与上电极相反的侧上沉积形成镍铬合金层从而形成下电极。射频磁控溅射方法的具体步骤可以与本领域常用的方法相同，在此不再详述。
本发明的实施例中，这里的下电极的镍铬合金层的厚度可以是适合的厚度。例如，一个实施例中，形成的镍铬合金层的厚度可以为150±5纳米。发明人发现，采用该厚度的镍铬合金层，最终制成的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的性能最优；当镍铬合金层的厚度更薄或者更厚时，最终制成的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的性能均不及采用该厚度的镍铬合金层理想。
本发明的实施例中，可以先形成上电极，再形成下电极；也可以先形成下电极，在形成上电极；或者也可以同时形成上电极和下电极。
本发明的一个实施例中，在形成了下电极之后，在步骤18中，可以用金属键合的方法将下电极（即也将形成了下电极的热释电晶体衬底）金属键合到高热阻抗基底上。
本发明的一个实施例中，在形成了炭黑红外吸收层之后，在步骤20中，可以将该炭黑红外吸收层的表面的至少一部分加工成纳米形貌结构，从而使得该纳米形貌结构形成红外敏感吸收层。这里，所说的“纳米形貌结构”是指由很多微小的纳米量级的结构排列成的规律的或者不规律的阵列组成的结构。
本发明的实施例中，可以使用适合的方法将该炭黑红外吸收层的表面的至少一部分加工成纳米形貌结构。例如，一个实施例中，可以使用电喷沉积方法将该炭黑红外吸收层的表面的至少一部分加工成纳米形貌结构。电喷沉积方法可以使用本领域常用的方法，在此不再详述。
经过前述步骤，即可获得所需要的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器。
图2为根据本发明一个实施例的方法制造的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的结构示意图。
如图2所示，该基于炭黑吸收层的热释电红外探测器包括热释电晶体衬底3、上电极2、下电极4、红外敏感吸收层1和高热阻抗基底5。
上电极2形成在热释电晶体衬底3的一侧上。红外敏感吸收层1形成在上电极2上，并且该红外敏感吸收层1包括炭黑红外吸收层，该炭黑红外吸收层的表面的至少一部分包括纳米形貌结构（图中未示出）。下电极4形成在热释电晶体衬底3的与上电极2相反的侧上。下电极4金属键合到高热阻抗基底5上。
本发明的一个实施例中，在将下电极金属键合到高热阻抗基底上之前还可以包括形成引线电极的步骤。即，在高热阻抗基底的表面上形成引线电极，并且使当下电极被金属键合到高热阻抗基底上时，该下电极与该引线电极接触。此时，形成的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的结构示意图如图3所示，其中6为引线电极。
根据本发明的实施例的方法制造的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器可以用来制成热释电红外探测器。例如，可以将根据本发明的实施例的方法制造的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器与外部输出电路进行连接，共同真空封装入金属壳体内。金属壳体顶部开设窗口，并通过环氧树脂于窗口处固定滤光片，构成红外辐射窗口。红外辐射选择性通过红外辐射窗口后，直射于基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的红外敏感吸收层上。
本发明的实施例中，镍铬合金和炭黑红外吸收层形成的多层薄膜结构作为该基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的热敏感层，与单一金属吸收层薄膜作热敏感层相比，具有更好的表面致密性、高的吸收系数和较小的热损失，能够获取高性能热响应，从而满足高精度红外探测器对其敏感元件热响应性能的高标准要求，利于实现基于热释电晶体的高精度红外探测器。
本发明的实施例中，采用具有纳米形貌结构的炭黑红外吸收层作为红外探测器敏感元件的红外敏感吸收层，首先，炭黑红外吸收本身对红外光的吸收能力及吸收灵敏度要优于金黑、银黑、铂黑等应用于红外探测器敏感元件的吸收材料；其次，炭黑红外吸收层设计为纳米形貌结构，可以进一步提高炭黑红外吸收层的热吸收性能，利于进一步提高红外探测器的检测精度。本发明中具有纳米形貌结构的炭黑红外吸收层是通过采用电喷法将其加工成纳米形貌结构，其加工方法极具独创性，利于实现热释电红外探测器的更新换代。
以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims (10)

1.一种制造基于炭黑吸收层的热释电红外探测器的方法，其特征在于，包括：
制备热释电晶体衬底；
在所述热释电晶体衬底的一侧上沉积镍铬合金层，形成上电极；
在所述上电极上沉积炭黑红外吸收层；
在所述热释电晶体衬底的与所述上电极相反的侧上沉积镍铬合金层，形成下电极；
将所述下电极金属键合到高热阻抗基底上；
将所述炭黑红外吸收层的表面的至少一部分加工成纳米形貌结构，形成红外敏感吸收层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述热释电晶体衬底为钽酸锂晶片。
3.如权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述制备热释电晶体衬底的步骤包括：将热释电晶体材料进行研磨、抛光、化学腐蚀和/或清洗处理，获得热释电晶体衬底。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述在所述热释电晶体衬底的一侧上沉积镍铬合金层的步骤包括：用射频磁控溅射方法在所述热释电晶体衬底的一侧上沉积镍铬合金层。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述在所述上电极上沉积炭黑红外吸收层的步骤包括：用电喷法在所述上电极上沉积所述炭黑红外吸收层。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述在所述热释电晶体衬底的与所述上电极相反的侧上沉积镍铬合金层的步骤包括：用射频磁控溅射方法在所述热释电晶体衬底的与所述上电极相反的侧上沉积镍铬合金层。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述将所述炭黑红外吸收层的表面的至少一部分加工成纳米形貌结构的步骤包括：用电喷沉积法将所述炭黑红外吸收层的表面的至少一部分加工成纳米形貌结构。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的方法，其特征在于，在将所述下电极金属键合到高热阻抗基底上之前还包括：在所述高热阻抗基底的表面上形成引线电极，并且使当所述下电极被金属键合到所述高热阻抗基底上时所述下电极与所述引线电极接触。
9.一种基于炭黑吸收层的热释电红外探测器，其特征在于，包括：
热释电晶体衬底；
上电极，所述上电极形成在所述热释电晶体衬底的一侧上；
红外敏感吸收层，所述红外敏感吸收层形成在所述上电极上，所述红外敏感吸收层包括炭黑红外吸收层，所述炭黑红外吸收层的表面的至少一部分包括纳米形貌结构；
下电极，所述下电极形成在所述热释电晶体衬底的与所述上电极相反的侧上；
高热阻抗基底，所述下电极金属键合到所述高热阻抗基底上。
10.如权利要求9所述的基于炭黑吸收层的热释电红外探测器，其特征在于：还包括引线电极，所述引线电极形成在所述高热阻抗基底的表面上并与所述下电极接触。
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