CN110456436A - 6750nm长波通红外滤光敏感元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种6750nm长波通红外滤光敏感元件，包括基板、第一镀膜层和第二镀膜层，其中基板设于第一镀膜层和第二镀膜层之间，其中第一镀膜层包括12组交替设置的Ge层和ZnS层，第二镀膜层包括13组交替设置的Ge层和ZnS层。本发明所设计的6750nm长波通红外滤光敏感元件的性能参数最佳可达到：5％Cut on＝6750±50nm，6900～14000nm，Tavg≥86％，7000～14000nm，Tavg≥84％，3200～6500nm，Tavg≤3％。

Description

6750nm长波通红外滤光敏感元件

技术领域

本发明涉及红外滤光敏感元件领域，尤其是一种6750nm长波通红外滤光敏感元件。

背景技术

红外热成像仪(热成像仪或红外热成像仪)是通过非接触探测红外能量(热量)，并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。红外热成像仪(热成像仪或红外热成像仪)能够将探测到的热量精确量化或测量，使您不仅能够观察热图像，还能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。

红外热成像仪的探测器是实现红外能量(热能)转换电信号的关键，由于各种生物所发出来的红外能量(热能)是不同的，所以在日常使用中为了观察某种特定生物的热图像，人们往往会在探测器中添加红外滤光片，通过红外滤光片可以使探测器只接受特定波段的红外能量(热能)，保证红外热成像仪的成像结果。

但是，目前的红外滤光敏感元件，其信噪比低，精度差，不能满足市场发展的需要。为解决该技术问题，现有技术公开了一种6000nm长波通红外滤光敏感元件(CN104597538A)，该滤光敏感元件5％Cut on＝6000±300nm，7500～13500nm，Tavg≥70％，400～5500nm，Tavg≤0.1％，T≤3.0％；还公开一种7600nm长波通红外滤光敏感元件(CN104597543A)，该滤光敏感元件50％Cut on＝7600±50nm，7700～11000nm，Tavg≥90％，8000～11000nm，T≥88％，1500～7400nm，T≤3％；均不适用于6750nm长波通红外滤光的情况，故需要对现有技术做进一步改进。

发明内容

本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种6750nm长波通红外滤光敏感元件。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种6750nm长波通红外滤光敏感元件，包括基板、第一镀膜层和第二镀膜层，其中基板设于第一镀膜层和第二镀膜层之间，其特征在于：

所述基板为Ge基板；

所述第一镀膜层由内向外依次排列包含有322～342nm厚度的Ge层、273～293nm厚度的ZnS层、236～256nm厚度的Ge层、403～423nm厚度的ZnS层、137～157nm厚度的Ge层、474～494nm厚度的ZnS层、227～247nm厚度的Ge层、458～478nm厚度的ZnS层、237～257nm厚度的Ge层、341～361nm厚度的ZnS层、163～183nm厚度的Ge层、523～543nm厚度的ZnS层、224～244nm厚度的Ge层、564～584nm厚度的ZnS层、364～384nm厚度的Ge层、447～467nm厚度的ZnS层、309～329nm厚度的Ge层、783～803nm厚度的ZnS层、182～202nm厚度的Ge层、671～691nm厚度的ZnS层、432～452nm厚度的Ge层、237～257nm厚度的ZnS层、421～441nm厚度的Ge层、1178～1198nm厚度的ZnS层；

所述的第二镀膜层由内向外依次排列包含有335～355nm厚度的Ge层、224～244nm厚度的ZnS层、246～266nm厚度的Ge层、143～163nm厚度的ZnS层、72～92nm厚度的Ge层、230～250nm厚度的ZnS层、120～140nm厚度的Ge层、234～254nm厚度的ZnS层、125～145nm厚度的Ge层、117～137nm厚度的ZnS层、100～120nm厚度的Ge层、232～252nm厚度的ZnS层、140～160nm厚度的Ge层、228～248nm厚度的ZnS层、151～171nm厚度的Ge层、262～282nm厚度的ZnS层、126～146nm厚度的Ge层、428～448nm厚度的ZnS层、140～160nm厚度的Ge层、281～301nm厚度的ZnS层、165～185nm厚度的Ge层、295～315nm厚度的ZnS层、495～515nm厚度的Ge层、196～216nm厚度的ZnS层、361～381nm厚度的Ge层、1164～1184nm厚度的ZnS层。

作为一种可实施方式：

所述第一镀膜层由内向外依次排列包含有332nm厚度的Ge层、283nm厚度的ZnS层、246nm厚度的Ge层、413nm厚度的ZnS层、147nm厚度的Ge层、484nm厚度的ZnS层、237nm厚度的Ge层、468nm厚度的ZnS层、247nm厚度的Ge层、351nm厚度的ZnS层、173nm厚度的Ge层、533nm厚度的ZnS层、234nm厚度的Ge层、574nm厚度的ZnS层、374nm厚度的Ge层、457nm厚度的ZnS层、319nm厚度的Ge层、793nm厚度的ZnS层、192nm厚度的Ge层、681nm厚度的ZnS层、442nm厚度的Ge层、247nm厚度的ZnS层、431nm厚度的Ge层、1188nm厚度的ZnS层；

所述的第二镀膜层由内向外依次排列包含有345nm厚度的Ge层、234nm厚度的ZnS层、256nm厚度的Ge层、153nm厚度的ZnS层、82nm厚度的Ge层、240nm厚度的ZnS层、130nm厚度的Ge层、244nm厚度的ZnS层、135nm厚度的Ge层、127nm厚度的ZnS层、110nm厚度的Ge层、242nm厚度的ZnS层、150nm厚度的Ge层、238nm厚度的ZnS层、161nm厚度的Ge层、272nm厚度的ZnS层、136nm厚度的Ge层、438nm厚度的ZnS层、150nm厚度的Ge层、291nm厚度的ZnS层、175nm厚度的Ge层、305nm厚度的ZnS层、505nm厚度的Ge层、206nm厚度的ZnS层、371nm厚度的Ge层、1174nm厚度的ZnS层。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：

本发明所设计的6750nm长波通红外滤光敏感元件最佳可达到5％Cut on＝6750±50nm，6900～14000nm，Tavg≥86％，7000～14000nm，Tavg≥84％，3200～6500nm，Tavg≤3％，能够提高信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种6750nm长波通红外滤光敏感元件的结构示意图；

图2是实施例1中6750nm长波通红外滤光敏感元件的红外光谱透过率实测曲线示意图；

图3是实施例1与实施例2的6750nm长波通红外滤光敏感元件的设计曲线的对比示意图；

图4是实施例1与实施例2的6750nm长波通红外滤光敏感元件的红外光谱透过率实测曲线的对比示意图；

图5是实施例1与实施例3的6750nm长波通红外滤光敏感元件的设计曲线的对比示意图；

图6是实施例1与实施例3的6750nm长波通红外滤光敏感元件的红外光谱透过率实测曲线的对比示意图；

图7是实施例1、对比例1和对比例2的6750nm长波通红外滤光敏感元件的红外光谱透过率设计曲线的对比示意图；

图8是实施例1和对比例3的6750nm长波通红外滤光敏感元件的红外光谱透过率设计曲线的对比示意图；

图9是对比例1和对比例4的6750nm长波通红外滤光敏感元件的红外光谱透过率设计曲线的对比示意图。

图1中，1是第一镀膜层、2是基板、3是第二镀膜层。

图2至图9所示的示意图的横坐标表示波长λ，纵坐标表示透过率T。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1、一种6750nm长波通红外滤光敏感元件，如图1所示，包括基板2、第一镀膜层1和第二镀膜层3，其中基板2设于第一镀膜层1和第二镀膜层3之间；

本实施例中，所述基板为Ge基板；

所述第一镀膜层1由内向外依次排列包含有332nm厚度的Ge层、283nm厚度的ZnS层、246nm厚度的Ge层、413nm厚度的ZnS层、147nm厚度的Ge层、484nm厚度的ZnS层、237nm厚度的Ge层、468nm厚度的ZnS层、247nm厚度的Ge层、351nm厚度的ZnS层、173nm厚度的Ge层、533nm厚度的ZnS层、234nm厚度的Ge层、574nm厚度的ZnS层、374nm厚度的Ge层、457nm厚度的ZnS层、319nm厚度的Ge层、793nm厚度的ZnS层、192nm厚度的Ge层、681nm厚度的ZnS层、442nm厚度的Ge层、247nm厚度的ZnS层、431nm厚度的Ge层、1188nm厚度的ZnS层；

所述的第二镀膜层3由内向外依次排列包含有345nm厚度的Ge层、234nm厚度的ZnS层、256nm厚度的Ge层、153nm厚度的ZnS层、82nm厚度的Ge层、240nm厚度的ZnS层、130nm厚度的Ge层、244nm厚度的ZnS层、135nm厚度的Ge层、127nm厚度的ZnS层、110nm厚度的Ge层、242nm厚度的ZnS层、150nm厚度的Ge层、238nm厚度的ZnS层、161nm厚度的Ge层、272nm厚度的ZnS层、136nm厚度的Ge层、438nm厚度的ZnS层、150nm厚度的Ge层、291nm厚度的ZnS层、175nm厚度的Ge层、305nm厚度的ZnS层、505nm厚度的Ge层、206nm厚度的ZnS层、371nm厚度的Ge层、1174nm厚度的ZnS层。

上述6750nm长波通红外滤光敏感元件的性能参数可达到：5％Cut on＝6750±50nm，6900～14000nm，Tavg≥86％，7000～14000nm，Tavg≥84％，3200～6500nm，Tavg≤3％。

利用现有的真空镀膜技术制备上述6750nm长波通红外滤光敏感元件，并利用红外光谱仪进行红外光谱透过率实测的结果如图2所示，图2中横坐标表示波长λ，范围0～14um，纵坐标表示透过率T，范围0～100％，由图2可知，在截止区域(3200～6500nm)，截止的深度一致性较好，透过率在本实施所提出的范围内；在透过区域(7000～14000nm)，透过率在满足上述性能要求，一致性较好，波形较平滑，波纹幅度变化小，符合上述对透过率的要求。

本实施例与CN104597538A所提出的长波通红外滤光敏感元件对比透过区域的透过率由70％提高到86％，使范围内有更多的光透过，减少反射和吸收对光的损耗，灵敏度提高，一致性更好；

本实施例本发明与CN104597543A所提出的长波通红外滤光敏感元件对比，扩大了波长透过范围，由7600～11000nm扩充到6750～14000nm，且光的透过率并没有明显降低，故本实施的应用范围更广。

实施例2、减少实施例1的第一镀膜层1中部分Ge层和ZnS层的厚度，其余均等同与实施例1，所得6750nm长波通红外滤光敏感元件的性能参数为：

5％Cut on＝6750±100nm，7000～14000nm，Tavg≥87％，7100～14000nm，Tavg≥84％，3200～6500nm，Tavg≤3％。

本实施例中第一镀膜层1具体厚度如表1所示：

表1

将实施例1与实施例2对应的产品分别通过现有的计算机光学镀膜软件辅助进行光学薄膜设计和分析，分析结果如图3所示，图3中曲线A表示实施例1的设计曲线，图3中曲线B表示实施例2的设计曲线。由图3可知，透过区域中曲线B的波纹幅度与曲线A的波纹幅度相比变化相对较大，导致整个透过区域光谱特性一致性相对实施例1较差。

由上可知，当减少厚度会导致膜系与基板、膜系(所有膜层)与入射介质(如空气)间的等效折射率匹配不佳。当减少的膜层厚度在预设的公差范围(即±10nm)内是允许的，但当减少的膜层超过预设的下限值时，将会导致不可预知的结果，如波形差异性很大，严重的直接报废，故合理的膜层的厚度是影响产品性能的关键。

通过现有的真空镀膜技术制备与实施例1和实施例2对应的产品，并利用红外光谱仪对所得产品进行红外光谱透过率实测，结果如图4所示，图4中曲线A表示实施例1的实测曲线，图4中曲线B表示实施例2的实测曲线。由图4可知，曲线A和曲线B对比，曲线A比曲线B的光谱特性一致性相对较好，曲线A波纹变动优于曲线B；

由图3和图4对比可知，第一：实际曲线比理论曲线透过率要低一些，原因是基板、膜料材料折射率有偏差，另外镀膜工艺的环境、膜层的均匀性、镀膜人员的专业性等都是影响因素；第二：理论设计曲线细微的差异，经过诸多的流程，到实际的产品中会被放大或缩小，如图4中，在5％Cut on附近，曲线B向右移动；第三：实际产品曲线大致还是按照设计曲线的趋势走，满足设计要求。

实施例3、增加实施例1的第一镀膜层1中部分Ge层和ZnS层的厚度，其余均等同与实施例1，所得6750nm长波通红外滤光敏感元件的性能参数为：

5％Cut on＝6750±50nm，6900～14000nm，Tavg≥86％，7000～14000nm，Tavg≥82％，3200～6500nm，Tavg≤3％。

本实施例中第一镀膜层1具体厚度如表2所示：

表2

将实施例1与实施例3对应的产品分别通过现有的计算机光学镀膜软件辅助进行光学薄膜设计和分析，分析结果如图5所示，图5中曲线A表示实施例1的设计曲线，图5中曲线B表示实施例3的设计曲线。

由图5可知，理论设计的曲线差异性较小。但在某些波段，膜层厚度加厚会引起反面效果，性能不仅没有提升，反而降低了，主要还是膜系与基板、膜系与入射介质间的等效折射率匹配不佳导致的，故当增加的膜层在预设的公差范围内是允许的，但增加的膜层超过预设的上限值时，不仅不会获得更好的效果，反而影响性能，浪费膜料，增加成本，合理的膜层厚度是影响产品性能的关键。

通过现有的真空镀膜技术制备实施例1与实施例3对应的产品，并利用红外光谱仪对其进行红外光谱透过率实测，结果如图6所示，图6中曲线A表示实施例1的实测曲线，图6中曲线B表示实施例3的实测曲线。

由图6可知，曲线A和曲线B对比，曲线A比曲线B的光谱特性一致性相对较好，曲线B在透过区域后半段波长范围内，透过率有降低。由图5和图6对比可知，第一：实际曲线比理论曲线透过率要低一些，原因是基板、膜料材料折射率有偏差，另外镀膜工艺的环境、膜层的均匀性、镀膜人员的专业性等都是影响因素；第二：实际产品曲线大致还是按照设计曲线的趋势走，满足设计要求。

通过实施例2和实施3例对比，在公差允许范围内，产品的性能都还能满足要求。当超过公差范围，减少或者增加任意一层膜层的厚度都会对性能产生很大的影响。

对比例1和对比例2，将实施例1中第一镀膜层1的第21层(上表中的L21)的膜层厚度进行调整，其余等同于实施例1：

对比例1：将作为第一镀膜层1的第21层(上表中的L21)的Ge层的厚度由442nm更改为542nm，即，增加100nm，其余均等同与实施例1。

对比例2：将作为第一镀膜层1的第21层(上表中的L21)的Ge层的厚度由442nm更改为342nm，即，减少100nm，其余均等同与实施例1。

通过现有的计算机光学镀膜软件辅助对所述对比例1与所述对比例2提供的产品进行光学薄膜设计和分析，分析结果如图7所示，图7中曲线A表示为实施例1的设计曲线，曲线B为对比例1的设计曲线，曲线C为对比例2的设计曲线。由图7可知，曲线B的透过区域缩小，并且整体向右移动，波形特性差，波形陡度不好，透过率降低；曲线C透过区域变大，波形不平滑，陡度特性差，透过率降低。因此，随意更改膜层厚度会导致膜系与基板、膜系与入射介质间的等效折射率匹配性差，从而使所得产品的性能参数无法达到要求。

对比例3、取消实施例1的第一镀膜层1中部分Ge层和ZnS层，其余均等同与实施例1，所得6750nm长波通红外滤光敏感元件的性能参数为：

5％Cut on＝6760±50nm，6900～1400nm，Tavg≥65％，7000～14000nm，Tavg≥68％，3200～6500nm，Tavg≤8％。

本对比例中第一镀膜层1具体厚度如表3所示：

表3

将实施例1与对比例3对应的产品分别通过现有的计算机光学镀膜软件辅助进行光学薄膜设计和分析，分析结果如图8所示，图8中曲线A表示实施例1的设计曲线，图8中曲线B表示对比例3的设计曲线。由图8可知，在透过区域范围内，设计曲线B随着波长的增加曲线走势严重偏离正常的设计曲线A，透过率严重下降，特性完全不满足，曲线B和曲线A最大透过率差达到T＞35％，表示反射率增多，此现象是由于减少膜层，导致膜系与基板、膜系与入射介质间的等效折射率不匹配导致的；在截止区域内，设计曲线B的波纹幅度变化变大，均高于设计曲线A的波纹。

对比例4、将实施例1的基板2由Ge基板更改为Si基板，其余均等同与实施例1，所得6750nm长波通红外滤光敏感元件的性能参数为：

5％Cut on＝6750±50nm，6900～14000nm，Tavg≥74％，7000～14000nm，Tavg≥76％，3200～6500nm，Tavg≤5％。

将实施例1与对比例4对应的产品分别通过现有的计算机光学镀膜软件辅助进行光学薄膜设计和分析，如图9所示，图9中曲线A表示实施例1的设计曲线，图9中曲线B表示对比例4的设计曲线。由图9可知，设计曲线B的波纹变化幅度大，幅度差大，波纹很尖很深，并且曲线有突变掉坑、断裂情况，这在设计的时候是不允许出现的，曲线变化不平滑，在透过区域，设计曲线透过率最高点和最低点相差T＝15％，性能差异很大。由此可知，由于更改了基板材料，材料的折射率不同，相同膜系对不同基板的等效折射率完全不同，需要与之匹配和优化。

需要说明的是：说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种6750nm长波通红外滤光敏感元件，包括基板、第一镀膜层和第二镀膜层，其中基板设于第一镀膜层和第二镀膜层之间，其特征在于：

所述基板为Ge基板；

所述第一镀膜层由内向外依次排列包含有322～342nm厚度的Ge层、273～293nm厚度的ZnS层、236～256nm厚度的Ge层、403～423nm厚度的ZnS层、137～157nm厚度的Ge层、474～494nm厚度的ZnS层、227～247nm厚度的Ge层、458～478nm厚度的ZnS层、237～257nm厚度的Ge层、341～361nm厚度的ZnS层、163～183nm厚度的Ge层、523～543nm厚度的ZnS层、224～244nm厚度的Ge层、564～584nm厚度的ZnS层、364～384nm厚度的Ge层、447～467nm厚度的ZnS层、309～329nm厚度的Ge层、783～803nm厚度的ZnS层、182～202nm厚度的Ge层、671～691nm厚度的ZnS层、432～452nm厚度的Ge层、237～257nm厚度的ZnS层、421～441nm厚度的Ge层、1178～1198nm厚度的ZnS层；

所述的第二镀膜层由内向外依次排列包含有335～355nm厚度的Ge层、224～244nm厚度的ZnS层、246～266nm厚度的Ge层、143～163nm厚度的ZnS层、72～92nm厚度的Ge层、230～250nm厚度的ZnS层、120～140nm厚度的Ge层、234～254nm厚度的ZnS层、125～145nm厚度的Ge层、117～137nm厚度的ZnS层、100～120nm厚度的Ge层、232～252nm厚度的ZnS层、140～160nm厚度的Ge层、228～248nm厚度的ZnS层、151～171nm厚度的Ge层、262～282nm厚度的ZnS层、126～146nm厚度的Ge层、428～448nm厚度的ZnS层、140～160nm厚度的Ge层、281～301nm厚度的ZnS层、165～185nm厚度的Ge层、295～315nm厚度的ZnS层、495～515nm厚度的Ge层、196～216nm厚度的ZnS层、361～381nm厚度的Ge层、1164～1184nm厚度的ZnS层。

2.根据权利要求1所述的6750nm长波通红外滤光敏感元件，其特征在于：

所述第一镀膜层由内向外依次排列包含有332nm厚度的Ge层、283nm厚度的ZnS层、246nm厚度的Ge层、413nm厚度的ZnS层、147nm厚度的Ge层、484nm厚度的ZnS层、237nm厚度的Ge层、468nm厚度的ZnS层、247nm厚度的Ge层、351nm厚度的ZnS层、173nm厚度的Ge层、533nm厚度的ZnS层、234nm厚度的Ge层、574nm厚度的ZnS层、374nm厚度的Ge层、457nm厚度的ZnS层、319nm厚度的Ge层、793nm厚度的ZnS层、192nm厚度的Ge层、681nm厚度的ZnS层、442nm厚度的Ge层、247nm厚度的ZnS层、431nm厚度的Ge层、1188nm厚度的ZnS层；

所述的第二镀膜层由内向外依次排列包含有345nm厚度的Ge层、234nm厚度的ZnS层、256nm厚度的Ge层、153nm厚度的ZnS层、82nm厚度的Ge层、240nm厚度的ZnS层、130nm厚度的Ge层、244nm厚度的ZnS层、135nm厚度的Ge层、127nm厚度的ZnS层、110nm厚度的Ge层、242nm厚度的ZnS层、150nm厚度的Ge层、238nm厚度的ZnS层、161nm厚度的Ge层、272nm厚度的ZnS层、136nm厚度的Ge层、438nm厚度的ZnS层、150nm厚度的Ge层、291nm厚度的ZnS层、175nm厚度的Ge层、305nm厚度的ZnS层、505nm厚度的Ge层、206nm厚度的ZnS层、371nm厚度的Ge层、1174nm厚度的ZnS层。