CN104458007A - 一种热释电红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种热释电红外探测器，包括：底座，设有第一引脚和第二引脚；壳体，设置在底座上，并与底座围成收容空间；红外敏感元件，位于收容空间内，并支撑在底座上，该红外敏感元件由单晶钽酸锂晶片制成；红外吸收层，设置在红外敏感元件的上表面上；上电极，设置在红外吸收层的上表面上，并与第一引脚电连接；下电极，设置在红外敏感元件的下表面上，并与第二引脚电连接。本发明实施例中的热释电红外探测器响应率高，噪声低，探测率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种热释电红外探测器。
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，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。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。
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60um，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。
发明内容
本发明的目的之一是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。
本发明公开的技术方案包括：
提供了一种热释电红外探测器，其特征在于，包括：底座，所述底座上设有第一引脚和第二引脚；壳体，所述壳体设置在所述底座上，并与所述底座围成收容空间，所述壳体上设有窗口；红外敏感元件，所述红外敏感元件位于所述收容空间内，并支撑在所述底座上，所述红外敏感元件由单晶钽酸锂晶片制成；红外吸收层，所述红外吸收层设置在所述红外敏感元件的上表面上；上电极，所述上电极设置在所述红外吸收层的上表面上，并与所述第一引脚电连接；下电极，所述下电极设置在所述红外敏感元件的下表面上，并与所述第二引脚电连接；其中红外辐射能够通过所述窗口入射到所述上电极上。
本发明的一个实施例中，还包括绝热元件，所述绝热元件设置在所述红外敏感元件与所述底座之间。
本发明的一个实施例中，所述绝热元件为中空的陶瓷片。
本发明的一个实施例中，所述红外敏感元件通过支架支撑在所述底座上。
本发明的一个实施例中，所述红外吸收层由多壁碳纳米管材料制成。
本发明的一个实施例中，所述红外敏感元件的厚度为10微米。
本发明的一个实施例中，还包括电流模式电路，所述电流模式电路电连接到所述红外敏感元件。
本发明的一个实施例中，所述电流模式电路为带负反馈的电流模式电路。
本发明实施例中的热释电红外探测器响应率高，噪声低，探测率高。
附图说明
图1是本发明一个实施例的热释电红外探测器的结构示意图。
图2是本发明一个实施例的电流模式电路的示意图。
图3是本发明一个实施例的热释电红外探测器的响应率（Vs）随频率（频率范围0.5Hz至1kHz）的变化关系的图。
具体实施方式
下面将结合附图详细说明本发明的实施例的热释电红外探测器的具体结构。
图1为本发明一个实施例的热释电红外探测器的结构示意图。如图1所示，根据本发明的一个实施例，一种热释电红外探测器包括底座1、壳体3和红外敏感元件5。
底座1上设有第一引脚2a和第二引脚2c。本发明的另外的实施例中，底座上还可以设有第三引脚2b和/或2d，用于接地。
壳体3设置在底座1上，并且与底座1围成收容空间S。壳体3上设有窗口4。红外辐射可以通过该窗口4入射到收容空间S中。
红外敏感元件5位于（即，设置于）壳体3和底座1围成的收容空间S内，例如，红外敏感元件5可以支撑在底座1上。本发明的一个实施例中，红外敏感元件5可以通过支架11悬空地支撑在底座1上。这样，能够降低红外敏感元件5与环境之间的热传导和热损耗，从而提高探测率。
本发明的一个实施例中，红外敏感元件5可以由单晶钽酸锂晶片制成。一个实施例中，红外敏感元件5（即单晶钽酸锂晶片）的厚度可以为10微米。例如，可以将单晶钽酸锂晶片进行化学机械抛光，将其厚度减薄至10微米，从而获得红外敏感元件5。这样，可以利用钽酸锂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等特点，获得具有高响应率、低噪声和高探测率的性能优异的热释电红外探测器。
如图1所示，本发明的一个实施例中，热释电红外探测器还设有绝热元件10。该绝热元件10设置在红外敏感元件5和底座1之间，用于隔绝红外敏感元件5与底座1之间的热传递。
一个实施例中，该绝热元件10可以为中空的陶瓷片。
该实施例中，由中空的陶瓷片形成该绝热元件10，可以有利于隔绝红外敏感元件5与底座1之间的热传递，且绝热元件10的中空结构也可以有利于将红外敏感元件5悬空地固定于容纳空间S中。
如图1所示，红外敏感元件5上设有红外吸收层6。一个实施例中，该红外吸收层6可以由多壁碳纳米管材料制成，例如，通过喷涂法形成在红外敏感元件5的上表面上。由多壁碳纳米管材料制成的红外吸收层的红外吸收率更高，可以高达90%以上。
红外吸收层6的上表面上设有上电极7，例如通过溅射沉积的方法形成。该上电极7通过导线9a与底座1上的第一引脚2a电连接。
红外敏感元件5的下表面上设有下电极8，例如通过溅射沉积的方法形成。该下电极8通过导线9b与底座1上的第二引脚2c电连接。
一个实施例中，上电极7和/或下电极8可以由镍铬合金制成。
本发明的实施例中，该热释电红外探测器组装完成之后，红外辐射可以通过壳体3上的窗口4入射到前述的上电极7上，即，窗口4设置在使红外辐射能够通过它入射到上电极7上的位置处。
根据前述的实施例，由于热释电材料两端产生的电压导致电极的重合部分才有电流产生，因此红外敏感元件5的有效面积即为上电极7和下电极8的重合的部分，因此通过调节上电极7的面积，即可以灵活改变红外敏感元件5的有效面积，从而克服红外敏感元件5的有效面积极小时操作不便的困难，实现对红外敏感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。
本发明的一个实施例中，该热释电红外探测器还设有电流模式电路，该电流模式电路电连接到红外敏感元件5。例如，一个实施例中，该电流模式电路可以为带负反馈的电流模式电路。带负反馈的电流模式电路可更好地与钽酸锂单晶红外敏感元件进行匹配，充分发挥电流型单晶的性能优势，得到具有更高探测率的热释电红外探测器。
图2是根据本发明一个实施例的电流模式电路的示意图。如图2所示，该电流模式电路主要包括反馈电阻Rf、反馈电容Cf、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20G欧姆的反馈电阻和0.25pF的反馈电容时响应最高。入射到红外敏感元件表面的调制红外辐射，在其表面产生温度变化，进而红外敏感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，利用锁相放大器即可读出。
本发明实施例中的热释电红外探测器响应率高，噪声低，探测率高。例如，如图3所示，其显示了根据本发明的一个实施例的热释电红外探测器的响应率（Vs）随频率（频率范围0.5Hz至1kHz）的变化关系的图。
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 (8)
1.一种热释电红外探测器，其特征在于，包括：
底座，所述底座上设有第一引脚和第二引脚；
壳体，所述壳体设置在所述底座上，并与所述底座围成收容空间，所述壳体上设有窗口；
红外敏感元件，所述红外敏感元件位于所述收容空间内，并支撑在所述底座上，所述红外敏感元件由单晶钽酸锂晶片制成；
红外吸收层，所述红外吸收层设置在所述红外敏感元件的上表面上；
上电极，所述上电极设置在所述红外吸收层的上表面上，并与所述第一引脚电连接；
下电极，所述下电极设置在所述红外敏感元件的下表面上，并与所述第二引脚电连接；
其中红外辐射能够通过所述窗口入射到所述上电极上。
2.如权利要求1所述的热释电红外探测器，其特征在于：还包括绝热元件，所述绝热元件设置在所述红外敏感元件与所述底座之间。
3.如权利要求2所述的热释电红外探测器，其特征在于：所述绝热元件为中空的陶瓷片。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的热释电红外探测器，其特征在于：所述红外敏感元件通过支架支撑在所述底座上。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的热释电红外探测器，其特征在于：所述红外吸收层由多壁碳纳米管材料制成。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的热释电红外探测器，其特征在于：所述红外敏感元件的厚度为10微米。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的热释电红外探测器，其特征在于：还包括电流模式电路，所述电流模式电路电连接到所述红外敏感元件。
8.如权利要求7所述的热释电红外探测器，其特征在于：所述电流模式电路为带负反馈的电流模式电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150325 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |