CN104716255A - 一种厚膜热释电敏感元及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子材料与元器件技术领域，具体涉及了一种厚膜热释电红外敏感元及其制备方法。厚膜热释电红外敏感元，包括：用作公用电极和红外辐射吸收面厚度为10nm-500nm的上电极；设置在上电极和下电极之间，由热释电陶瓷粉体和有机热释电聚合物复合制备，厚度为1-100um的热敏感层；用于引出热释电响应信号厚度为10nm-1um的下电极。根据热释电红外敏感元类型不同，对所述红外敏感元的上电极和下电极进行图形化。应用于民用领域的各类安全防盗、人体探测等。具有热绝缘效果好，对微弱环境温度变化更敏感，灵敏度更高，且制造工艺简单，成本低，易于批量加工，有利于产业化生产。

Description

一种厚膜热释电敏感元及其制备方法

技术领域

本发明属于电子材料与元器件技术领域，更具体地涉及了一种热释电红外敏感元及其制备方法。

背景技术

热释电红外探测器是根据热释电效应而设计的一种将红外辐射信号转变为电信号的热敏型探测器，因其室温工作无须制冷，功耗低，重量轻，光谱响应范围宽，易于成像，性价比高等优点，成为当前红外探测技术领域研究热点之一。热释电红外探测器作为红外探测技术的核心部件，已广泛应用在民用领域的各类安全防盗、人体探测等，军用领域的各类热瞄具、制导导弹等，工业领域的带电检测、防漏热腐蚀等，甚至医学领域的疾病诊断，农业领域的减灾防灾等。

限制热释电红外探测器的两个关键因素是热释电红外敏感元和探测器绝热结构。在材料研究方面，目前已报到的热释电红外敏感元材料主要有单晶型、陶瓷块材型和陶瓷薄膜型。第一种单晶型如硫酸三甘肽(TGS)和钽酸锂(LiTaO₃)等热释电系数高，灵敏度高，但单晶材料成本高，制造工艺难度大。第二种是采用减薄技术制备的陶瓷块材如钛酸锶钡(BST)等，虽然陶瓷型器件具有良好的热释电性能，但陶瓷敏感元件不仅对减薄工艺要求高，而且由于陶瓷敏感元器件热容量大，导致器件性能尤其是高频性能显著降低。第三种陶瓷薄膜型如锆钛酸铅(PZT)和钛酸镧铅(PLT)等，通过采用薄膜工艺降低了器件热容，具有性能优良、响应速度快等特点，但薄膜沉积条件与器件微加工技术兼容性较差，同时器件性能受绝热结构影响较大。

另一方面，当探测器的敏感元材料和工艺选定时，要提高探测器性能就必须降低器件的热导，即设计热绝缘性好的结构。目前绝热结构主要有热绝缘层结构、微桥结构和空气隙结构。热绝缘层结构多为将多孔SiO₂、聚酰亚胺PI等低热导材料设置在衬底和热敏感元之间的绝热结构，以减小热量的纵向传导；这种结构较简单，但多层结构之间存在台阶，金属互连工艺兼容性不高，且不易实现器件全集成。微桥结构和空气隙结构是将器件中非敏感元部分(如衬底等)通过各种腐蚀方法(如湿法腐蚀、干法刻蚀)去掉，形成隔热结构，虽然隔热效果好，但制作成本高，工艺复杂，抗机械冲击能力弱。

发明内容

针对上述存在的问题或不足，本发明提供了一种厚膜热释电敏感元及其制备方法。

厚膜热释电红外敏感元(3)，包括：

上电极(33)，以Pt、Au、Cu、Ni或NiCr为电极材料，采用溅射、蒸镀或激光脉冲沉积PLD工艺沉积在热敏感层上表面，其厚度为10nm-500nm；所述上电极用作公用电极和红外辐射吸收面。

热敏感层(31)，设置在上电极和下电极之间，由热释电陶瓷粉体和有机热释电聚合物复合制备，其厚度为1-100um。

下电极(32)，采用Pt、Au、Cu、Ag、Ni或NiCr为电极材料，采用溅射、蒸镀、PLD或丝网印刷工艺沉积在热敏感层下表面，其厚度为10nm-1um；所述下电极用于引出热释电响应信号。

所述热释电陶瓷粉体为钛酸锶钡BST、锆钛酸铅PZT或铌镁酸铅-钛酸铅PMN-PT，有机热释电聚合物为聚二氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)或聚偏氟乙烯PVDF。

根据热释电红外敏感元(3)类型不同，对所述红外敏感元的上电极和下电极进行图形化；图形化方法为丝网印刷法、掩模法、光刻剥离法或激光刻蚀。

所述厚膜热释电红外敏感元(3)的制备方法包括下列步骤：

(1)将热释电陶瓷粉体和有机热释电聚合物粉体按质量比为1:9-7:3混合并溶于有机溶剂中，有机热释电聚合物粉体和有机溶剂满足质量比为1:5-1:9，超声搅拌直至得到混合均匀的复合材料浆料。

(2)采用丝网印刷法、流延法或喷涂法将所述复合材料浆料成型在平整的基板上，预烘干成厚膜后将其从基板上剥离，再固定于平面夹具内保温1-4h，得到具有平整上下表面的自支撑热敏感层(31)，所述基板为玻璃基板或PI载带；

(3)采用电极制备及图形化工艺在热敏感层(31)上下表面分别制备图形化的上电极(33)和下电极(32)，得到电容式结构的热释电红外敏感元母片(8)；

(4)将步骤3制备的热释电红外敏感元母片(8)进行极化，然后采用激光刻蚀工艺切割所述热释电红外敏感元母片(8)，得到独立的热释电红外敏感元(3)。

一种热释电红外探测器，包括管座(1)、PCB板(2)、支撑柱(4)、结型场效应晶体管JFET(5)、热释电红外敏感元(3)和镶嵌有红外滤光片(6)的管帽(7)。所述PCB板(2)设有三个通孔和两个焊盘，并置于管座(1)相应的三个管脚上，支撑柱(4)置于PCB板(2)焊盘上，一个焊盘(21)连接栅极(G)，另一焊盘(22)连接一个通孔(25)并接地，另外两个通孔分别连接漏极(D)和源极(S)，热释电红外敏感元(3)置于支撑柱(4)上，镶嵌有红外滤光片(6)的管帽(7)罩在管座(1)上。其特征在于：热释电红外敏感元(3)采用上述厚膜热释电红外敏感元。

本发明通过：

1)自支撑热释电红外敏感元不仅兼具陶瓷和有机材料的优势，还具有良好的热特性，且制造成本低、工艺简单、易于大面积制备和制备温度低等特点；

2)热释电红外敏感元批量制造工艺简单。采用简单的浆料成型和电极图形化方法获得热释电红外敏感元母片；再采用紫外激光切割工艺实现单个独立结构的热释电红外敏感元批量制备；

3)热释电红外探测器采用非自支撑的悬空热绝缘结构。采用支撑柱支撑所述无衬底的热释电红外敏感元，使其悬空与空气直接接触，而空气热导率低，故热绝缘效果好。此外，支撑柱所在面为电信号读出电路板，该结构还可节省空间，为电路板布线及放置其它电子元器件提供足够的空间，使基于该结构的热释电红外探测器能实现全集成制造。

本发明提供的热释电红外敏感元的热释电红外探测器，热绝缘效果好，对微弱环境温度变化更敏感，灵敏度更高，且制造工艺简单，成本低，易于批量加工，有利于产业化生产。

附图说明

图1是本发明所述的热释电红外探测器剖视结构示意图；

图2是本发明设计PCB板示意图；

图3是本发明制备的热释电红外敏感元母片剖视结构示意图；

图4是本发明设计热释电红外敏感元母片的切割图；

图5是本发明优选实施例紫外激光刻蚀工艺切割热释电红外敏感元母片的效果图；

图6是本发明优选实施例的热释电红外探测器的电压响应图；

图7是本发明优选实施例的热释电红外探测器的探测率曲线图。

附图标记：1-底座，2-PCB板，3-热释电红外敏感元，4-支撑柱，5-JFET，6-红外滤光片，7-管帽，8-热释电红外敏感元母片；21和22是焊盘，23、24和25是通孔，S、D和G分别是JFET的源极、漏极和栅极；31-热敏感层，32-下电极，33-上电极；9-横向切割线，10-纵向切割线。

具体实施方式

下面通过具体实施方式并配合附图，对本发明的技术方案、构造特征和实现效果做进一步的详细说明。

本发明的热释电红外敏感元3制备工艺步骤包括：

1.热敏感层31的制备。

1)将BST和PVDF按质量比为1:1混合加入到N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，其中，PVDF：DMF＝1:7，超声搅拌直至得到混合均匀的浆料；

2)采用喷涂法在平整的玻璃基板上喷涂步骤1)制备的浆料，然后静置10min，待浆料流平后放入80℃烘箱中，待烘干形成厚膜后将其从玻璃基板上剥离并固定在平面夹具中，所述夹具的两个表面由具有良好平整度和热稳定性的玻璃或者金属箔制成，再于100℃烘箱中保温2h，直至有机溶剂全部挥发，最后得到厚度为30um的无衬底热敏感层31。

2.在热敏感层31下表面制备图形化的下电极32。

采用图形化的下电极32作为热释电响应信号的引出端。采用丝网印刷工艺在热敏感层31下表面制备图形化的下电极32，电极材料为银浆，电极厚度为500nm，并保证良好的导电性。

3.在热敏感层31上表面制备图形化的上电极33。

上电极33用作公用电极和红外辐射的吸收面。采用直流溅射在热敏感层31上表面制备一层Ni电极，电极厚度为50nm。至此，完成了热释电红外敏感元母片8的制备，如图3所示。为进一步增加红外辐射吸收率，采用丝网印刷工艺在Ni电极上制备一层油墨，其厚度为1um。

4.热释电红外敏感元母片8极化。

将步骤3制备的热释电红外敏感元母片8在电场强度为25MV/m，温度为150℃条件下进行热极化1h，然后再保持施加的电场强度下降温至室温，得到热释电性能均匀的热释电红外敏感元母片8。

5.紫外激光刻蚀工艺切割热释电红外敏感元母片8。

将热释电红外敏感元母片8进行切割，得到所需大小的单个独立结构的热释电红外敏感元3，实现热释电红外探测器核心部分的批量制备，切割工艺如下：

1)设计切割图形化结构图

如图4a所示，9和10表示横向和纵向的切割线，横向切割线设置在图形化下电极32的空隙位置处，根据设计的热释电红外敏感元3尺寸及类型确定纵向切割线的位置，并在对角处设计圆形对准标记。

2)将所述设计图导入激光刻蚀软件中并编辑切割参数

所述切割参数包括激光功率0.1-2W，切割深度10-300um，切割速度5-500mm/s，并对不同切割图层配置相应的刀具。根据本发明优选实施例，激光功率为0.7W(通过平均功率和重复频率调节)，切割深度30um，切割速度300mm/s。

3)热释电红外敏感元母片8的批量切割。

采用激光划切视觉对准方式对热释电红外敏感元母片8进行批量式切割。首先根据步骤1)进行视觉定位工序，再根据步骤2)实施切割加工工序，则完成一次自动切割操作。每次将热释电敏感元母片8放在载物台的固定位置即可自动完成批量加工，如图4b表示加工后的一个独立的热释电红外敏感元3。本发明在优选实施例下的紫外激光刻蚀工艺切割热释电红外敏感元母片8的效果图如图5所示。

本发明涉及的热释电红外探测器制备工艺如下：

如图1、图2所示，采用点胶或焊锡工艺将管座1的三个管脚分别与PCB板相应的三个通孔连接；采用点胶或SMT贴片工艺将支撑柱4和JFET5贴于PCB板2上，其中支撑柱4设置在PCB板2的焊盘21和焊盘22处；采用SMT贴片工艺将热释电红外敏感元3放置在支撑柱4上；采用储能封装机将带有红外滤光片6的管帽7与底座1真空封装；最后热释电红外响应信号通过连接JFET5源极S的管脚输出。

根据本发明优选实施例的热释电红外探测器进行光电性能测试，结果如图6所示，2通道为斩波器调制的红外辐射信号，1通道为热释电红外探测器在2通道信号控制下输出的电压信号。在黑体温度为500K，环境温度为300K，斩波频率为5.3Hz的测试条件下，得到热释电红外探测器的电压响应峰-峰值为4.357V。

根据本发明优选实施例的热释电红外探测器在不同斩波频率下进行探测率测试，结果如图7所示。由图可知，在8.3Hz处，得到探测率的最大值，D*＝1.61×10⁸cm·Hz^1/2·W^-1。

本发明热释电红外探测器的关键是热释电红外敏感元的制备和悬空热绝缘结构。热释电红外敏感元感受到调制的红外辐射时，其热绝缘效果好，就会减少热散失，使敏感材料获得最大的温升，对微弱红外辐射信号感应更灵敏，并转化为电信号。以上表明，基于所述新型敏感元的热释电红外探测器，制备工艺简单，成本低，易于批量生产，且灵敏度高，具有很好的应用前景及市场价值。

Claims (5)

1.一种厚膜热释电红外敏感元，其特征在于，包括:

上电极，以Pt、Au、Cu、Ni或NiCr为电极材料，采用溅射、蒸镀或激光脉冲沉积PLD工艺沉积在热敏感层上表面，其厚度为10nm-500nm；所述上电极用作公用电极和红外辐射吸收面；

热敏感层，设置在上电极和下电极之间，由热释电陶瓷粉体和有机热释电聚合物复合制备，其厚度为1-100um；

下电极，采用Pt、Au、Cu、Ag、Ni或NiCr为电极材料，采用溅射、蒸镀、PLD或丝网印刷工艺沉积在热敏感层下表面，其厚度为10nm-1um；所述下电极用于引出热释电响应信号。

2.如权利要求1所述的厚膜热释电红外敏感元，其特征在于：所述热释电陶瓷粉体为钛酸锶钡BST、锆钛酸铅PZT或铌镁酸铅-钛酸铅PMN-PT，有机热释电聚合物为聚二氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)或聚偏氟乙烯PVDF。

3.如权利要求1所述的厚膜热释电红外敏感元，其特征在于：所述红外敏感元的上电极和下电极需进行图形化；图形化方法为丝网印刷法、掩模法、光刻剥离法或激光刻蚀。

4.如权利要求1所述的厚膜热释电红外敏感元的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：将热释电陶瓷粉体和有机热释电聚合物粉体按质量比为1:9-7:3混合并溶于有机溶剂中，有机热释电聚合物粉体和有机溶剂满足质量比为1:5-1:9，超声搅拌直至得到混合均匀的复合材料浆料；

步骤2：采用丝网印刷法、流延法或喷涂法将所述浆料成型在基板上，预烘干成厚膜后将其从基板上剥离，再固定夹在平面夹具内保温1-4h，制得具有平整上下表面的自支撑热敏感层；

步骤3：采用电极制备及图形化工艺在热敏感层上下表面分别制备图形化的上电极和下电极，得到电容式结构的热释电红外敏感元母片；

步骤4：将步骤3制备的热释电红外敏感元母片进行极化，并采用紫外激光刻蚀工艺切割热释电红外敏感元母片，得到独立结构的热释电红外敏感元。

5.一种热释电红外探测器，包括管座、PCB板、支撑柱、结型场效应晶体管JFET、热释电红外敏感元和镶嵌有红外滤光片的管帽，所述PCB板设有三个通孔和两个焊盘，并置于管座相应的三个管脚上，支撑柱置于PCB板焊盘上，一个焊盘连接栅极，另一焊盘连接一个通孔并接地，另外两个通孔分别连接漏极和源极，热释电红外敏感元置于支撑柱上，镶嵌有红外滤光片的管帽罩在管座上，其特征在于：所述热释电红外敏感元为权利要求1-3中任一权利要求所述的厚膜热释电红外敏感元。