CN105486414A - 一种基于石墨烯的微测辐射热计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于石墨烯微测辐射热计，所述石墨烯微测辐射热计包括硅基底(101)、悬空孔(102)、悬空支撑层(103)、金属电极引线(104)、石墨烯红外敏感层(105)、石墨烯保护层(106)、悬空支撑层微孔(107)。该微测辐射热计采用石墨烯作为宽波段红外吸收敏感层，采用悬空支撑层微孔结构提高了红外探测灵敏度，结构简单，成本低，且具有优异的非制冷宽波段红外探测性能。
Description
技术领域
本发明属于光电领域，特别涉及一种基于石墨烯的微测辐射热计。
背景技术
红外成像是现代国防军事的重要技术，方便官兵在夜晚、烟雾、雾天中的观察作战。目前广泛应用的红外成像技术包括制冷和非制冷两类，其中制冷型红外成像由于需要复杂的制冷设备，而导致系统笨重，不易于单兵作战。非制冷红外成像技术起步较晚，但是发展迅速，其中以氧化钒为敏感单元的微测辐射热计非制冷红外成像技术已广泛应用于国防军事领域。但是，氧化钒自身的吸光性能较差，需要借助氮化硅等红外吸收材料以及复杂的光学腔体结构。此外，传统的微测辐射热计的探测波段单一(8～12um)，不能实现宽波段(3～12um)。
石墨烯，目前最先进的二维纳米材料，能够赋予光电器件崭新的特性、崭新的功能、崭新的概念。它同时具备优异的光学、电学、力学、热学性能。尤其地，石墨烯具有宽波段吸收能力(从可见光波段到远红外)，单层石墨烯能够吸收2.3％的光。因而，一定厚度和结构尺寸的石墨烯能够实现宽波段非制冷红外探测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于石墨烯微测辐射热计，解决现有微测辐射热计工艺复杂、红外吸收波段窄、红外吸收率低等问题，实现非制冷宽波段、低成本红外探测。
本发明所涉及的一种石墨烯微测辐射热计，包括硅基底、悬空孔、悬空支撑层、金属电极引线、红外敏感层、石墨烯保护层、悬空支撑层微孔；
所述的硅基底为常规半导体硅片，硅基底上面分布有悬空孔；
所述的悬空支撑层，置于悬空孔上方，其材料包括氮化硅、二氧化硅、聚合物弹性体或者其中二者的组合，厚度为20nm～5um；其中所述的聚合物弹性体为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯弹性体、硅橡胶、聚氨酯橡胶中的一种；
所述的红外敏感层是采用石墨烯作为宽波段红外吸收敏感层，红外敏感层置于悬空支撑层上方，石墨烯的厚度为5nm～1000nm，石墨烯的形态包括石墨烯薄膜、石墨烯纳米墙以及石墨烯微片等；
所述的石墨烯保护层，用以在制备工艺和使用过程中保护石墨烯免被破坏，具体材料包括氮化硅、二氧化硅、碳化硅等，其厚度为10nm～500nm；
所述的悬空支撑层微孔为矩形盲孔，深度为1～100um，通过常规的微纳加工手段实现，包括光刻、刻蚀等。
所述的石墨烯薄膜是通过CVD制备，并转移至悬空层上方，通过多次转移方式获得不同厚度石墨烯薄膜。
所述的石墨烯纳米墙是通过PECVD或者MPCVD方式制备，可以直接在悬空层上沉积，也可以在其他基底上制备后转移至悬空层上方，石墨烯纳米墙的厚度可以通过生长工艺控制。
所述的石墨烯微片是通过溶液旋涂的方式沉积在悬空层上方，通过溶液的浓度、旋涂转速控制石墨烯厚度。
所述的石墨烯微测辐射热计单元器件的尺寸为15×15um2～200×200um2，石墨烯敏感单元的填充因子为50％～95％。
所述的石墨烯微测辐射热计可以实现n×m阵列焦平面的器件制备，其中n＝1,2,3…的整数，m＝1,2,3…的整数。
本发明提高了红外探测灵敏度，结构简单，成本低，且具有优异的非制冷宽波段红外探测性能。
附图说明
图1为石墨烯微测辐射热计单元器件结构截面图，其中101为硅基底，102为悬空孔，103为悬空支撑层，104为金属电极引线，105为石墨烯红外敏感层，106为石墨烯保护层，107为悬空支撑层微孔；
图2为石墨烯微测辐射热计单元器件结构平面图，其中101为硅基底，103为悬空支撑层，104为金属电极引线，105为石墨烯红外敏感层，106为石墨烯保护层；
图3为石墨烯微测辐射热计阵列。
具体实施方式
以下结合石墨烯微测辐射热计单元器件结构截面图如图1、单元器件结构平面图如图2以及石墨烯微测辐射热计阵列图3，对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例一
本实施例中，在硅片基底101上通过光刻、刻蚀等微纳加工手段制备矩形盲孔作为悬空孔102阵列，该悬空孔102的深度为1um，孔的特征尺寸为18um×18um，阵列的填充因子为81％；
本实施例中，悬空支撑层103为氮化硅薄膜，通过LPCVD沉积，厚度为100nm；
本实施例中，在悬空支撑层103上通过光刻、刻蚀等微纳加工手段制备圆形通孔107阵列，孔径大小为2um，占空比为1:1；
本实施例中，石墨烯红外敏感层105的形态为石墨烯纳米墙，该石墨烯纳米墙首先通过PECVD在铜箔基底上制备，然后通过湿法腐蚀的方法转移至上述悬空支撑层上；
本实施例中，石墨烯红外敏感单元通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法实现阵列图形化，单元的尺寸为15um×15um；
本实施例中，在石墨烯红外敏感层105上沉积20nm的氮化硅作为石墨烯保护层106；
本实施例中，通过真空蒸镀及光刻、剥离的微纳加工方法制备金属电极引线104，金属为100nm厚的金。
本实施例中，石墨烯微测辐射热计实现350×450的阵列焦平面，填充因子为56.25％。
实施例二
本实施例中，在硅片基底101上通过光刻、刻蚀等微纳加工手段制备矩形盲孔作为悬空孔102阵列，该悬空孔102的深度为10um，孔的特征尺寸为23um×23um，阵列的填充因子为84.64％；
本实施例中，悬空支撑层103为二氧化硅薄膜，通过LPCVD沉积，厚度为200nm；
本实施例中，在悬空支撑层103上通过光刻、刻蚀等微纳加工手段制备圆形通孔107阵列，孔径大小为5um，占空比为1:1；
本实施例中，石墨烯红外敏感层105的形态为石墨烯纳米墙，该石墨烯纳米墙首先通过MPCVD在悬空支撑层105上直接制备；
本实施例中，石墨烯红外敏感单元通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法实现阵列图形化，单元的尺寸为20um×20um；
本实施例中，在石墨烯红外敏感层105上沉积100nm的氮化硅作为石墨烯保护层106；
本实施例中，通过真空蒸镀及光刻、剥离的微纳加工方法制备金属电极引线104，金属为100nm厚的金。
本实施例中，石墨烯微测辐射热计实现320×560的阵列焦平面，填充因子为64％。
实施例三
本实施例中，在硅片基底101上通过光刻、刻蚀等微纳加工手段制备矩形盲孔作为悬空孔102阵列，该悬空孔102的深度为20um，孔的特征尺寸为50um×50um，阵列的填充因子为92.46％；
本实施例中，悬空支撑层103为PDMS薄膜，通过旋涂的方法沉积，厚度为200nm；
本实施例中，在悬空支撑层103上通过光刻、刻蚀等微纳加工手段制备圆形通孔107阵列，孔径大小为10um，占空比为1:1；
本实施例中，石墨烯红外敏感层105的形态为石墨烯薄膜，该石墨烯薄膜首先通过CVD在铜箔基底上制备，然后通过湿法腐蚀的方法转移至上述悬空支撑层上；
本实施例中，石墨烯红外敏感单元通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法实现阵列图形化，单元的尺寸为48um×48um；
本实施例中，在石墨烯红外敏感层105上沉积100nm的二氧化硅作为石墨烯保护层106；
本实施例中，通过真空蒸镀及光刻、剥离的微纳加工方法制备金属电极引线104，金属为100nm厚的金。
本实施例中，石墨烯微测辐射热计实现100×150的阵列焦平面，填充因子为85.21％。
Claims (6)
1.一种石墨烯微测辐射热计，包括硅基底、悬空孔、悬空支撑层、金属电极引线、红外敏感层、石墨烯保护层、悬空支撑层微孔，其特征在于：
所述的硅基底为常规半导体硅片，硅基底上面分布有悬空孔；
所述的悬空支撑层，置于悬空孔上方，其材料包括氮化硅、二氧化硅、聚合物弹性体或者其中二者的组合，厚度为20nm～5um；其中所述的聚合物弹性体为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯弹性体、硅橡胶、聚氨酯橡胶中的一种；
所述的红外敏感层是采用石墨烯作为宽波段红外吸收敏感层，红外敏感层置于悬空支撑层上方，石墨烯的厚度为5nm～1000nm，石墨烯的形态包括石墨烯薄膜、石墨烯纳米墙以及石墨烯微片等；
所述的石墨烯保护层，用以在制备工艺和使用过程中保护石墨烯免被破坏，具体材料包括氮化硅、二氧化硅、碳化硅等，其厚度为10nm～500nm；
所述的悬空支撑层微孔为矩形盲孔，深度为1～100um，通过常规的微纳加工手段实现，包括光刻、刻蚀等。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯微测辐射热计，其特征是所述的石墨烯薄膜是通过CVD制备，并转移至悬空层上方，通过多次转移方式获得不同厚度石墨烯薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯微测辐射热计，其特征是所述的石墨烯纳米墙是通过PECVD或者MPCVD方式制备，可以直接在悬空层上沉积，也可以在其他基底上制备后转移至悬空层上方，石墨烯纳米墙的厚度可以通过生长工艺控制。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯微测辐射热计，其特征是所述的石墨烯微片是通过溶液旋涂的方式沉积在悬空层上方，通过溶液的浓度、旋涂转速控制石墨烯厚度。
5.根据权利要求书1所述的石墨烯微测辐射热计，其特征是微测辐射热计单元器件的尺寸为15×15um2～200×200um2，石墨烯敏感单元的填充因子为50％～95％。
6.根据权利要求1所述的石墨烯微测辐射热计，其特征是可以实现n×m阵列焦平面的器件制备，其中n＝1,2,3…的整数，m＝1,2,3…的整数。
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| CN111504934A (zh) * | 2020-05-19 | 2020-08-07 | 浙江大学 | 一种基于双悬空结构的可调红外热辐射器件 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160413 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |