CN104614079A - 一种红外传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种红外传感器，敏感材料具有湿敏特性和温敏特性，即：固定温度条件下，水蒸气浓度越高，电容值越高；固定水蒸气浓度条件下，温度越高，电容值越低；所述中空腔体内部充满浓度大于跃变阈值的水蒸气；当水蒸气浓度取大于跃变阈值时，由敏感材料构成的传感器的感温特性曲线的变化率大于0.01pF/mK；所述感温特性曲线指：固定水蒸气浓度条件下，电容值随温度变化的曲线。本发明将同时具有温敏特性和湿敏特性的敏感材料充分暴露于一定水蒸气浓度的环境中，当敏感材料接收到红外辐照后表面温度上升，其电容随之产生变化，通过这一原理来对红外辐射进行探测，方便可靠，且受环境影响小，适用的工作温度范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外传感器，属于先进半导体材料和器件的技术领域。
背景技术
红外传感器是一类对红外光具有敏感特性的传感器件。根据器件的工作原理的不同，其一般可以分为光子探测器和热探测器。其中前者使用窄带隙的材料作为敏感元，而后者可以使用测辐射热器，热电堆及热电元件。由于光子探测器件一般使用含有有毒物质的材料，其广泛应用受到一定的限制。目前，基于量热原理的红外探测器受到了比较多的重视。作为热传感器件的红外探测器敏感材料，其需要对红外光具有较好的吸收并且具有较好的热响应行为，比如红外吸收引起显著的电学或者热学特性的变化。通常用于红外传感器件的敏感材料有热释电材料(比如钛酸锶钡)，阻变材料(比如氧化钒，非晶/多晶硅)，热电材料(比如碲化物合金)等等。这些材料一般基于红外光引起的热效应的原理，为了获得最优化的性能，器件需要工作在最优化的温度条件下。对于某些敏感材料，这一温度可能远低于室温，此时可能需要复杂的制冷元件，这也增加了器件的制造和使用成本。目前大多数研究者均比较看好非制冷性的红外探测器件，这些器件工作在室温附近，不需要复杂的外围设备，可以极大的节约制造和使用成本，也是未来的重要的发展趋势。目前研究比较多的有比如氧化钒，非晶硅材料等等。这两种材料均得到了较多的研究，并且获得了初步的应用。其中氧化钒具有优异的电阻温度相变特性，在相变点附近其电阻产生非常大的变化。这种特性适用于量热元件的敏感材料；而非晶硅的研究的应用主要基于其与半导体工业兼容的处理工艺。
氧化石墨烯材料是石墨烯的一种改性产物，其结构骨架仍然为比较稳定的碳六圆环结构，但是在其边缘或者缺陷处“嫁接”有羟基、羧基、羰基等活性基团。这些基团对一些气态分子特别是水分子具有优良的亲和性能。因此，氧化石墨烯也作为一种优良的湿度探测敏感材料。这种敏感材料在零摄氏度以上具有极高的灵敏度，而在高湿度区域有近乎陡直的湿度敏感特性。另外氧化石墨烯湿敏器件也被发现具有非常灵敏的温度响应特性，有部分研究者也将其作为温度探测传感器件使用。最近，也有研究者发现氧化石墨烯具有优良的红外吸收特性，可应用于作为红外元件。
甲酰基吡咯和聚酰亚胺以及一些富含有磺酸，羧酸，羟基等基团的化合物由于具有及其亲水的特性，水分子可以非常容易的在其表面吸附，因此这类化合物也具有优良的湿敏特性。这些材料经过适当的制备工艺并形成一定结构的器件后可以具有类似或者优于石墨烯材料的湿敏特性。另外，这些有机材料由于具有丰富的红外吸收基团，其对红外辐射也具有较强的吸收。这类物质也可应用于制备红外器件。
发明内容
本发明的目的是：提供一种红外传感器，将同时具有温敏特性和湿敏特性的敏感材料充分暴露于一定水蒸气浓度的环境中，当敏感材料接收到红外辐照后表面温度上升，其电容随之产生变化，通过这一原理来对红外辐射进行探测。基于这一工作原理的传感器件方便可靠，且受环境影响小，适用的工作温度范围广，具有很好的市场利用价值。
本发明的技术方案是：一种红外传感器，包括上下开口的中空腔体、密封中空腔体上表面的红外窗口、密封中空腔体下表面的衬底结构、和设置于中空腔体内部的敏感材料；所述敏感材料具有湿敏特性和温敏特性，即：固定温度条件下，水蒸气浓度越高，电容值越高；固定水蒸气浓度条件下，温度越高，电容值越低；所述中空腔体内部充满浓度大于跃变阈值的水蒸气；当水蒸气浓度取大于跃变阈值时，由敏感材料构成的传感器的感温特性曲线的变化率大于0.01pF/mK；所述感温特性曲线指：固定水蒸气浓度条件下，电容值随温度变化的曲线；所述水蒸气浓度指器件工作温度下腔体内的相对湿度。
进一步的，所述敏感材料为氧化石墨烯材料、甲酰基吡咯材料、聚酰亚胺材料。
进一步的，所述衬底结构底部设置热沉或者是温控装置。
进一步的，所述衬底结构包括底部带有空腔的衬底和设置于衬底上方的多层薄膜结构，所述多层薄膜结构自上而下分别为第一绝缘隔离层、平面电极、第二绝缘隔离层和衬底材料。
进一步的，所述平面电极采用叉指电极结构。
进一步的，所述第一绝缘隔离层和第二绝缘隔离层的材料为二氧化硅、氮化硅、钛酸锶钡、氧化铝、氧化铪、或者钛酸铅。
进一步的，所述衬底材料的材料为硅、氧化硅、碳化硅、或者氧化铝。
进一步的，所述衬底材料底部设置有红外吸收敏感层，所述衬底底部设置红外窗口。
进一步的，所述上下口密封的中空腔体采用具有保湿防水性能的材料，具体为聚丙烯酰胺类材料，多孔氧化铝，多孔氧化硅，或者浸渍有特定无机盐的多孔材料。
本发明的有益效果是：将同时具有温敏特性和湿敏特性的敏感材料充分暴露于一定水蒸气浓度的环境中，当敏感材料接收到红外辐照后表面温度上升，其电容随之产生变化，通过这一原理来对红外辐射进行探测，方便可靠，且受环境影响小，适用的工作温度范围广(现有的敏感器件需要复杂的制冷单元，使其工作在最优化的温度条件下。一般在液氮温度以下，比如钛酸锶钡材料；又比如使用氧化钒材料时其工作温度一般只能在30-50摄氏度范围；当环境温度与器件的工作温度不同时需要对器件进行制冷或者加热。而采用本发明后的装置，在没有复杂的制冷或者加热单元的情况下，也可实现其功能，且温度可以通过控制水蒸气浓度的方式进行调节，具有良好的市场利用价值。
附图说明
图1：不同温度(T1，T2，T3)下氧化石墨烯传感器件的感湿特性曲线；
图2：恒定湿度时，加热条件下氧化石墨烯传感器件的电容变化；
图3：基于氧化石墨烯材料的红外探测器件。其中，1：带有空腔的衬底；2：衬底上方的多层薄膜结构；3：上下开口的中空腔体；4：红外窗口；5：氧化石墨烯敏感材料；12：封有一定水气的密封腔体；
图4：图3中“A-A’”区域的放大；其中，9为衬底材料膜层；8为第二绝缘隔离层，用于隔离衬底材料膜层和平面电极；7为平面电极；6为第一绝缘隔离层，用于隔离平面电极和敏感材料；
图5：图3中“B-B’”区域的放大；其中，9为衬底材料；8为第二绝缘隔离层，用于隔离衬底材料膜层和平面电极；7为平面电极；6为第一绝缘隔离层，用于隔离平面电极和敏感材料；5为氧化石墨烯敏感材料。
图6：制备有红外吸收敏感层的多层薄膜结构；其中，9为衬底材料；8为第二绝缘隔离层，用于隔离衬底材料膜层和平面电极；7为平面电极；6为第一绝缘隔离层，用于隔离平面电极和敏感材料；10红外吸收敏感层，其吸收红外辐射后温度升高。此种结构可以使用“背入射”的形式进行探测。
图7：一种带有热沉或者是温控装置的的器件结构。其中11为热沉或者是温控装置。
图8：一种可能的表面电极结构；图上只显示出衬底材料膜层和平面电极之间的第二绝缘隔离层8和平面电极7；
图9：“背入射”情况下的一种可能器件结构；其中红外光由下部的红外窗口入射。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图3所示，一种红外传感器，包括上下开口的中空腔体3、密封中空腔体上表面的红外窗口4、密封中空腔体下表面的衬底结构、和设置于中空腔体内部的氧化石墨烯敏感材料5；所述敏感材料5具有湿敏特性和温敏特性，即：固定温度条件下，水蒸气浓度越高，电容值越高；固定水蒸气浓度条件下，温度越高，电容值越低；所述中空腔体3内部充满浓度大于跃变阈值的水蒸气；当水蒸气浓度取大于跃变阈值时，由敏感材料构成的传感器的感温特性曲线的变化率大于0.01pF/mK；所述感温特性曲线指：固定水蒸气浓度条件下，电容值随温度变化的曲线；所述水蒸气浓度指器件工作温度下腔体内的相对湿度。所述敏感材料5选用为氧化石墨烯材料、甲酰基吡咯材料、聚酰亚胺材料。例如敏感材料为氧化石墨烯材料时，水蒸气浓度的选用原则是：在此水蒸气范围内器件的温度-电容响应比较高。一般应该在0.01pF/mK以上。
其中：如图4、5所示，所述衬底结构包括底部带有空腔的衬底1和设置于衬底1上方的多层薄膜结构，所述多层薄膜结构自上而下分别为第一绝缘隔离层6、平面电极7、第二绝缘隔离层8和衬底材料9。所述平面电极7采用叉指电极结构(如图8所示)。所述上下口密封的中空腔体3采用具有保湿防水性能的材料，具体为聚丙烯酰胺类材料，多孔氧化铝，多孔氧化硅，或者浸渍有特定无机盐的多孔材料均可。所述第一绝缘隔离层6和第二绝缘隔离层8的材料为二氧化硅、氮化硅、钛酸锶钡、氧化铝、钛酸铅均可。所述衬底材料9的材料为硅、氧化硅、或者氧化铝均可。上述所使用的材料均具有一定的防水性能，
如图7所示，所述衬底结构底部设置热沉或者是温控装置11。虽然器件可以工作于一定的、较宽的温度范围，但是器件有一个最佳的工作温度。为此，可以在器件的一侧(非红外光入射一侧)加入一个温度控制单元或者使用热沉防止温度漂移给器件的稳定性带来影响。
如图6、9所示，所述衬底材料膜层8底部设置有红外吸收敏感层10，所述衬底1底部也设置一个红外窗口4。该装置结构可以使用“背入射”(红外光由下部的红外窗口入射)的形式进行探测，降低腔体内的水气吸收带来的衰减。
实施实例1：使用氧化石墨烯材料作为敏感材料。设定目标工作温度为20摄氏度。使用氧化石墨烯材料制备的器件在20摄氏度的感湿敏感特性曲线特征为：0-50％RH湿度区间为约2pF/1％RH,60-99％RH湿度区间为约50pF/1％RH。则在60-99％RH湿度区间感湿敏感特性曲线具有较陡峭的曲线。氧化石墨烯器件在20摄氏度下，湿度60-99％RH之间时的温度响应为100-500pF/摄氏度。则使用本发明所述结构制备氧化石墨烯电容式传感器件后将其密封于湿度60-99％RH(20摄氏度)之间的腔体中，形成红外传感器件。器件具有0.1-0.5pF/mK的响应。
实施实例2：使用氧化石墨烯材料作为敏感材料。设定目标工作温度为50摄氏度。使用氧化石墨烯材料制备的器件在50摄氏度的感湿敏感特性曲线特征为：0-30％RH湿度区间为2pF/1％RH,40-99％RH湿度区间为70pF/1％RH。则在40-99％RH湿度区间感湿敏感特性曲线具有较陡峭的曲线。氧化石墨烯器件在50摄氏度下，湿度50-99％RH之间时的温度响应为200-1000pF/摄氏度。则使用本发明所述结构制备氧化石墨烯电容式传感器件后将其密封于湿度50-99％RH(50摄氏度)之间的腔体中，形成红外传感器件。器件具有0.2-1pF/mK的响应。
实施实例3：使用氧化石墨烯材料作为敏感材料。设定目标工作温度为90摄氏度。使用氧化石墨烯材料制备的器件在90摄氏度的感湿敏感特性曲线特征为：0-20％RH湿度区间为5pF/1％RH,30-99％RH湿度区间为90pF/1％RH。则在20-99％RH湿度区间感湿敏感特性曲线具有较陡峭的曲线。氧化石墨烯器件在90摄氏度下，湿度30-99％RH之间时的温度响应为500-2000pF/摄氏度。则使用本发明所述结构制备氧化石墨烯电容式传感器件后将其密封于湿度30-99％(90摄氏度)之间的腔体中，形成红外传感器件。器件具有0.5-2pF/mK的响应。
实施实例4：使用聚酰亚胺材料作为敏感材料。设定目标工作温度为10摄氏度。使用聚酰亚胺材料制备的器件在10摄氏度的感湿敏感特性曲线特征为：0-20％RH湿度区间为1pF/1％RH,30-99％RH湿度区间为5pF/1％RH。则在30-99％RH湿度区间感湿敏感特性曲线具有较陡峭的曲线。聚酰亚胺器件在10摄氏度下，湿度40-99％RH之间时的温度响应为100-300pF/摄氏度。则使用本发明所述结构制备聚酰亚胺电容式传感器件后将其密封于湿度40-99％RH(10摄氏度)之间的腔体中，形成红外传感器件。器件具有0.1-0.3pF/mK的响应。
实施实例5：使用甲酰基吡咯材料作为敏感材料。设定目标工作温度为-10摄氏度。使用甲酰基吡咯材料制备的器件在-10摄氏度的感湿敏感特性曲线特征为：0-10％RH湿度区间为10pF/1％RH,40-99％RH湿度区间为50pF/1％RH。则在40-99％RH湿度区间感湿敏感特性曲线具有较陡峭的曲线。甲酰基吡咯器件在-10摄氏度下，湿度60-99％RH之间时的温度响应为100-300pF/摄氏度。则使用本发明所述结构制备甲酰基吡咯电容式传感器件后将其密封于湿度60-99％RH(-10摄氏度)之间的腔体中，形成红外传感器件。器件具有0.1-0.3pF/mK的响应。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改变和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。所使用的敏感元部分除可以使用本发明已经列出的平面电极结构以外，也可以使用上下电极结构。使用上下电极结构时其中至少有一个电极需要具有良好的水蒸气通透性。另外，所使用的支持膜结构主要用于增加热阻，减少热量的流失，提升器件的响应特性，其也可以换用为其他悬空支持结构或者低热导材料或结构。
Claims (9)
1.一种红外传感器，包括上下开口的中空腔体(3)、密封中空腔体上表面的红外窗口(4)、密封中空腔体下表面的衬底结构、和设置于中空腔体内部的敏感材料(5)；其特征在于：所述敏感材料(5)具有湿敏特性和温敏特性，即：固定温度条件下，水蒸气浓度越高，电容值越高；固定水蒸气浓度条件下，温度越高，电容值越低；所述中空腔体(3)内部充满浓度大于跃变阈值的水蒸气；当水蒸气浓度取大于跃变阈值时，由敏感材料构成的传感器的感温特性曲线的变化率大于0.01pF/mK；所述感温特性曲线指：固定水蒸气浓度条件下，电容值随温度变化的曲线；所述水蒸气浓度指器件工作温度下腔体内的相对湿度。
2.根据权利要求1所述的一种红外传感器，其特征在于：所述敏感材料(5)为氧化石墨烯材料、甲酰基吡咯材料、聚酰亚胺材料。
3.根据权利要求1所述的一种红外传感器，其特征在于：所述衬底结构底部设置热沉或者是温控装置(11)。
4.根据权利要求1所述的一种红外传感器，其特征在于：所述衬底结构包括底部带有空腔的衬底(1)和设置于衬底(1)上方的多层薄膜结构，所述多层薄膜结构自上而下分别为第一绝缘隔离层(6)、平面电极(7)、第二绝缘隔离层(8)和衬底材料(9)。
5.根据权利要求4所述的一种红外传感器，其特征在于：所述平面电极(7)采用叉指电极结构。
6.根据权利要求4所述的一种红外传感器，其特征在于：所述第一绝缘隔离层(6)和第二绝缘隔离层(8)的材料为二氧化硅、氮化硅、钛酸锶钡、氧化铝、氧化铪、或者钛酸铅。
7.根据权利要求4所述的一种红外传感器，其特征在于：所述衬底材料(9)的材料为硅、氧化硅、碳化硅、或者氧化铝。
8.根据权利要求4所述的一种红外传感器，其特征在于：所述衬底材料(9)底部设置有红外吸收敏感层(10)，所述衬底(1)底部设置红外窗口。
9.根据权利要求1所述的一种红外传感器，其特征在于：所述上下口密封的中空腔体(3)采用具有保湿防水性能的材料，具体为聚丙烯酰胺类材料，多孔氧化铝，多孔氧化硅，或者浸渍有特定无机盐的多孔材料。
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