CN111781666B - 测体温用红外滤光片及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测体温用红外滤光片，所述的红外滤光片包括基底、第一膜系结构以及第二膜系结构，所述的第一膜系结构和第二膜系结构分别设置于所述的基底的两侧。本发明还涉及相应的制备方法及相应的红外测温传感器。采用了本发明的测体温用红外滤光片及其制备方法和应用，透射波段5.5～14μm平均透射率≥85%，截止波段UV～5μm最大透射率＜0.1%；采用非规整膜系结构，两侧膜层厚度接近，有利于保持膜层的应力平衡。
Description
技术领域
本发明涉及红外测温传感器技术领域，涉及一种测体温用红外滤光片及其制备方法和应用。
背景技术
体温是人体基本生理指标之一，是临床疾病和生命体征判断的重要依据。传统的体温测量是使用的水银温度计进行接触式测量，具有性能稳定、误差小的优点，但该方法也存在测量时间长、交叉传染风险大、玻璃破碎易引起汞中毒的缺点。而红外测温仪是基于红外辐射的原理测量物体温度，具有非接触、响应速度快、灵敏度高、准确度高的优点。尤其是在“SARS”、“H1N1”、“埃博拉”、“新冠肺炎”等重大疫情期间，非接触式红外体温计具有其突出的作用。
红外体温计的核心部件为TO封装热电堆传感器，当人体辐射的红外光线通过滤光片后辐射到热电堆芯片上，芯片会将热能转换为电信号，经过数据处理后转变成人体的温度。这里滤光片的作用是将人体发射的特征红外波段信号尽量多的传递到芯片上，同时阻止环境中的其他波段光线进入芯片。
人体辐射的光谱分布由普朗克黑体辐射公式确定，即：
式中： 
，
。
图1为人体37℃（310K）时的辐射出射度与波长的对应关系，从图中可以看出人体
辐射的红外线主要集中在5.5～17μm波段，其中峰值波长可以利用维恩位移公式确定，即：
；
考虑到红外滤光片的材料吸收特性，一般将滤光片的高透射波段设定为5.5～14μm，将截止波段设定为UV～5μm。
中国发明专利CN201610588840.3公开了一种温度探测用长波通红外滤光片及其制备方法，使用了单晶硅基底和非规整膜系制备了滤光片，其1500～5500nm平均透过率为0.19%，在目标波长范围内透过率有大有小，其要求平均透过率小于0.2%，因此其截止区并不能严格实现对目标波长范围内的截止。
中国实用新型专利CN201220090816.4公开了一种5500纳米长波通红外滤光片，使用硅基板和非规整膜系制备了滤光片，由其图1可知，透射率曲线在9μm附近有明显吸收峰，这不利于人体测温的需要，同时其专利提供的非规整膜系，其通带起始波长为6μm，并不是5.5μm，也不利为人体测温的需要。
并且，上述专利均未考虑膜层敏感度，这会导致在实际生产中对膜层误差控制要求过高，不利于控制产品良率。
因此，设计并制作一款具有高透射波段为5.5～14μm、截止波段设定为UV～5μm光谱特点的滤光片十分重要。
发明内容
本发明的主要目的就是针对以上存在的问题，提供一种具有高透射波段为5.5～14μm、截止波段设定为UV～5μm光谱特点的测体温用红外滤光片及其制备方法和应用。
为了实现上述目的，本发明采用的测体温用红外滤光片的技术方案如下：
所述的红外滤光片包括基底、第一膜系结构以及第二膜系结构，所述的第一膜系结构和第二膜系结构分别设置于所述的基底的两侧；
所述的第一膜系结构为：
Sub/0.37H0.39L0.88H0.57L0.79H0.68L0.66H0.72L0.57H0.75L0.63H0.69L0.67H0.63L0.82H0.82L0.84H1.12L0.79H1.05L1.08H0.81L1.12H1.09L0.66H1.52L0.73H0.71L2.50H0.14L1.23H1.96L/Air，其中Sub表示基底，Air表示空气，H为四分之一波长光学厚度的Ge膜层，L为四分之一波长光学厚度的ZnS膜层，设计波长为4300nm；
所述的第二膜系结构为：
Sub/0.34H0.37L0.84H0.39L0.49H0.35L0.48H0.30L0.38H0.40L0.37H0.55L0.50H0.72L0.42H0.61L0.42H0.48L0.55H0.43L0.54H0.39L0.87H0.74L0.45H0.34L0.25H1.68L0.38H1.31L1.13H0.41L1.93H0.72L0.59H2.33L0.39H0.88L2.34H0.06L1.38H1.89L/Air，其中Sub表示基底，Air表示空气，H为四分之一波长光学厚度的Ge膜层，L为四分之一波长光学厚度的ZnS膜层，设计波长为4300nm；
所述的红外滤光片的透射波段5.5～14μm的平均透射率Tave＞85%，截止波段UV～5μm的最大透射率Tmax<0.1%。
较佳地，所述的基底为区熔单晶硅或区熔单晶锗片。
较佳地，所述的基底的厚度为0.35～0.5mm。
本发明提供了一种用于制备所述的测体温用红外滤光片的方法，所述的方法包括步骤：
（1）将基底装入夹具并放置到镀膜机真空室内，抽真空；
（2）烘烤基底；
（3）离子轰击基底；
（4）在基底的一侧，按照第一膜系结构要求的膜层逐层镀制第一膜系结构；
（5）将基底翻面，重复步骤（1）～（3），以在基底的另一侧，按照第二膜系结构要求的膜层逐层镀制第二膜系结构；
（6）镀制结束后，破空，取件。
较佳地，所述的步骤（1）具体为：
将厚度为0.35～0.5mm、光洁度满足40/20标准的区熔单晶硅片或锗片基底材料装入夹具并放置到镀膜机真空室内，将本底真空度抽至1×10-3Pa；
所述的步骤（2）具体为：
在170℃～190℃下烘烤基底材料，并保持恒温20min以上；
所述的步骤（3）具体为：
采用霍尔离子源离子轰击所述的基底材料5～15min，其中，离子源使用高纯氩气，气体流量为10～20sccm，轰击结束5分钟以内开始镀膜；
所述的步骤（6）具体为：
镀制结束后，烘烤温度降至40～60℃，进行破空、取件。
较佳地，所述的步骤（4）具体为：
按照第一膜系结构要求的膜层逐层镀制第一膜系结构，采用电子束蒸发工艺蒸发Ge膜料，采用电阻蒸发工艺蒸发ZnS膜料，其中Ge膜的镀膜速率为0.4～0.6nm/s，ZnS膜的镀膜速率为0.9～1.1nm/s，沉积过程使用间接光控和晶控联合控制膜层厚度及速率。
较佳地，所述的步骤（5）具体为：
将镀好第一膜系结构的基底反转，并重复步骤（1）～（3），在基底的另一侧，按照第二膜系结构要求的膜层逐层镀制第二膜系结构，采用电子束蒸发工艺蒸发Ge膜料，Ge膜的镀膜速率为0.4～0.6nm/s，采用电阻蒸发工艺蒸发ZnS膜料，ZnS膜的镀膜速率为0.9～1.1nm/s，沉积过程使用间接光控和晶控联合控制膜层厚度及速率。
较佳地，所述的方法还包括步骤：
（7）将镀制好的红外滤光片放置到退火炉中退火，退火温度180～220℃，恒温时间7～9小时，升/降温速度1℃/min；
（8）使用PE spectrum two傅里叶变换红外光谱仪测量滤光片正入射时的透射率光谱；
（9）在室温下放置24小时以上，按预设尺寸进行划片。
本发明还提供一种红外测温传感器，所述的红外测温传感器设置所述的测体温用红外滤光片。
采用了本发明的测体温用红外滤光片及其制备方法和应用，透射波段5.5～14μm平均透射率≥85%，截止波段UV～5μm最大透射率＜0.1%；采用非规整膜系结构，两侧膜层厚度接近，有利于保持膜层的应力平衡。
附图说明
图1为归一化的人体辐射光谱图。
图2为本发明提供的测体温用红外滤光片的结构示意图。
图3为本发明提供的测体温用红外滤光片的透射光谱图。
图4为不同基底的透射率光谱图。
图5a和5b分别为第一膜系结构和第二膜系结构的各膜层的敏感度分析。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
如图2所示，为本发明提供的测体温用红外滤光片的实施例，其中所述的红外滤光片包括基底、第一膜系结构以及第二膜系结构，所述的第一膜系结构和第二膜系结构分别设置于所述的基底的两侧。其中，所述的基底的厚度为0.35～0.5mm。
其中，所述的第一膜系结构为：
Sub/0.37H0.39L0.88H0.57L0.79H0.68L0.66H0.72L0.57H0.75L0.63H0.69L0.67H0.63L0.82H0.82L0.84H1.12L0.79H1.05L1.08H0.81L1.12H1.09L0.66H1.52L0.73H0.71L2.50H0.14L1.23H1.96L/Air，其中Sub表示基底，Air表示空气，H为四分之一波长光学厚度的Ge膜层，L为四分之一波长光学厚度的ZnS膜层，设计波长为4300nm。
第一膜系结构如表1所示，其中GE：锗，ZNS：硫化锌。
表1
| 膜层序号 | 材料 | 折射率 | 厚度/nm |
| 1 | GE | 4 | 99.51 |
| 2 | ZNS | 2.2 | 191.15 |
| 3 | GE | 4 | 236.7 |
| 4 | ZNS | 2.2 | 280.63 |
| 5 | GE | 4 | 214.95 |
| 6 | ZNS | 2.2 | 336.19 |
| 7 | GE | 4 | 178.25 |
| 8 | ZNS | 2.2 | 354.72 |
| 9 | GE | 4 | 153.98 |
| 10 | ZNS | 2.2 | 367.6 |
| 11 | GE | 4 | 169.89 |
| 12 | ZNS | 2.2 | 340.19 |
| 13 | GE | 4 | 182.11 |
| 14 | ZNS | 2.2 | 311.38 |
| 15 | GE | 4 | 222.43 |
| 16 | ZNS | 2.2 | 405.24 |
| 17 | GE | 4 | 227.45 |
| 18 | ZNS | 2.2 | 548.92 |
| 19 | GE | 4 | 214.86 |
| 20 | ZNS | 2.2 | 516.29 |
| 21 | GE | 4 | 291.24 |
| 22 | ZNS | 2.2 | 396.57 |
| 23 | GE | 4 | 301.92 |
| 24 | ZNS | 2.2 | 536.1 |
| 25 | GE | 4 | 177.51 |
| 26 | ZNS | 2.2 | 744.68 |
| 27 | GE | 4 | 198.2 |
| 28 | ZNS | 2.2 | 349.6 |
| 29 | GE | 4 | 673.42 |
| 30 | ZNS | 2.2 | 71.3 |
| 31 | GE | 4 | 332.91 |
| 32 | ZNS | 2.2 | 960.02 |
| 总厚度 | 10585.91 |
所述的第二膜系结构为：
Sub/0.34H0.37L0.84H0.39L0.49H0.35L0.48H0.30L0.38H0.40L0.37H0.55L0.50H0.72L0.42H0.61L0.42H0.48L0.55H0.43L0.54H0.39L0.87H0.74L0.45H0.34L0.25H1.68L0.38H1.31L1.13H0.41L1.93H0.72L0.59H2.33L0.39H0.88L2.34H0.06L1.38H1.89L/Air，其中Sub表示基底，Air表示空气，H为四分之一波长光学厚度的Ge膜层，L为四分之一波长光学厚度的ZnS膜层，设计波长为4300nm。
第二膜系结构如表2所示，其中GE：锗，ZNS：硫化锌。
表2
| 膜层序号 | 材料 | 折射率 | 厚度/nm |
| 1 | GE | 4 | 92.15 |
| 2 | ZNS | 2.2 | 185.03 |
| 3 | GE | 4 | 227.04 |
| 4 | ZNS | 2.2 | 192.37 |
| 5 | GE | 4 | 133.93 |
| 6 | ZNS | 2.2 | 172.64 |
| 7 | GE | 4 | 129.05 |
| 8 | ZNS | 2.2 | 147.05 |
| 9 | GE | 4 | 102.71 |
| 10 | ZNS | 2.2 | 199.92 |
| 11 | GE | 4 | 101.12 |
| 12 | ZNS | 2.2 | 270.22 |
| 13 | GE | 4 | 134.43 |
| 14 | ZNS | 2.2 | 352.28 |
| 15 | GE | 4 | 113.65 |
| 16 | ZNS | 2.2 | 300.79 |
| 17 | GE | 4 | 114.12 |
| 18 | ZNS | 2.2 | 238.31 |
| 19 | GE | 4 | 148.2 |
| 20 | ZNS | 2.2 | 211.46 |
| 21 | GE | 4 | 147.27 |
| 22 | ZNS | 2.2 | 191.55 |
| 23 | GE | 4 | 234.47 |
| 24 | ZNS | 2.2 | 363.04 |
| 25 | GE | 4 | 121.84 |
| 26 | ZNS | 2.2 | 169.94 |
| 27 | GE | 4 | 69.14 |
| 28 | ZNS | 2.2 | 822.15 |
| 29 | GE | 4 | 102.14 |
| 30 | ZNS | 2.2 | 640.49 |
| 31 | GE | 4 | 305.23 |
| 32 | ZNS | 2.2 | 202.25 |
| 33 | GE | 4 | 519.67 |
| 34 | ZNS | 2.2 | 351.95 |
| 35 | GE | 4 | 159.8 |
| 36 | ZNS | 2.2 | 1141.96 |
| 37 | GE | 4 | 106.08 |
| 38 | ZNS | 2.2 | 431.07 |
| 39 | GE | 4 | 630.71 |
| 40 | ZNS | 2.2 | 30.16 |
| 41 | GE | 4 | 372.68 |
| 42 | ZNS | 2.2 | 924.82 |
| 总厚度 | 11604.88 |
如图3所示，所述的红外滤光片的透射波段5.5～14μm的平均透射率Tave＞85%，截止波段UV～5μm的最大透射率Tmax<0.1%，能够有效保证人体辐射有效透过，同时高效阻止环境辐射干扰光透过。
所述的基底为区熔单晶硅（FZ-Si）或单晶锗片，非常规使用的光学级直拉单晶硅。如图4所示，光学级直拉单晶硅（OCZ-Si）在9.1μm和13.5μm处有明显吸收，其中9.1μm的吸收峰非常靠近人体红外发射峰9.34微米，不利于有效信号收集。而区熔单晶硅在9μm处没有明显吸收峰，适合做人体测温滤光片。
如图5a和5b所示，本发明提供的第一膜系结构和第二膜系结构均具有较低的膜层敏感度，可以降低镀制过程的难度，提高良率。
本发明提供了一种用于制备所述的测体温用红外滤光片的方法，所述的方法包括步骤：
（1）将基底装入夹具并放置到镀膜机真空室内，抽真空；
（2）烘烤基底；
（3）离子轰击基底；
（4）在基底的一侧，按照第一膜系结构要求的膜层逐层镀制第一膜系结构；
（5）重复步骤（1）～（3），以在基底的另一侧，按照第二膜系结构要求的膜层逐层镀制第二膜系结构；
（6）镀制结束后，破空，取件；
（7）将镀制好的红外滤光片放置到退火炉中退火，退火温度200℃，恒温时间8小时，升/降温速度1℃/min；
（8）使用PE spectrum two傅里叶变换红外光谱仪测量滤光片正入射时的透射率光谱；
（9）在室温下放置24小时，使用蓝膜粘贴好并放入DISCO划片机中，将滤光片按照要求尺寸进行划片，备用。
所述的步骤（1）具体为：
将厚度为0.35～0.5mm、直径100mm、光洁度满足40/20标准的区熔单晶硅片或锗片基底材料装入夹具并放置到镀膜机真空室内，将本底真空度抽至1×10-3Pa；
所述的步骤（2）具体为：
在180℃下烘烤基底材料，并保持恒温30min以上；
所述的步骤（3）具体为：
采用霍尔离子源离子轰击所述的基底材料10min，其中，离子源使用高纯氩气，气体流量为15sccm，轰击结束5分钟以内开始镀膜；
所述的步骤（4）具体为：
按照第一膜系结构要求的膜层逐层镀制第一膜系结构，采用电子束蒸发工艺蒸发Ge膜料，采用电阻蒸发工艺蒸发ZnS膜料，其中Ge膜的镀膜速率为0.5nm/s，ZnS膜的镀膜速率为1.0nm/s，沉积过程使用间接光控和晶控联合控制膜层厚度及速率。
所述的步骤（5）具体为：
将镀好第一膜系结构的基底反转，并重复步骤（1）～（3），在基底的另一侧，按照第二膜系结构要求的膜层逐层镀制第二膜系结构，采用电子束蒸发工艺蒸发Ge膜料，Ge膜的镀膜速率为0.5nm/s，采用电阻蒸发工艺蒸发ZnS膜料，ZnS膜的镀膜速率为1.0nm/s，沉积过程使用间接光控和晶控联合控制膜层厚度及速率。
所述的步骤（6）具体为：
镀制结束后，烘烤温度降至50℃，进行破空、取件。
本发明还提供一种红外测温仪，所述的红外测温仪设置所述的测体温用红外滤光片。
本发明根据人体辐射红外波段的特点优化设计了专业红外滤光片，保证了传感器的探测效率，降低了环境光的干扰。
采用了本发明的测体温用红外滤光片及其制备方法和应用，透射波段5.5～14μm平均透射率≥85%，截止波段UV～5μm最大透射率＜0.1%；采用非规整膜系结构，两侧膜层厚度接近，有利于保持膜层的应力平衡。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (8)
1.一种测体温用红外滤光片，其特征在于，所述的红外滤光片包括基底、第一膜系结构以及第二膜系结构，所述的第一膜系结构和第二膜系结构分别设置于所述的基底的两侧；
所述的第一膜系结构为：
Sub/0.37H0.39L0.88H0.57L0.79H0.68L0.66H0.72L0.57H0.75L0.63H0.69L0.67H0.63L0.82H0.82L0.84H1.12L0.79H1.05L1.08H0.81L1.12H1.09L0.66H1.52L0.73H0.71L2.50H0.14L1.23H1.96L/Air，其中Sub表示基底，Air表示空气，H为四分之一波长光学厚度的Ge膜层，L为四分之一波长光学厚度的ZnS膜层，设计波长为4300nm；
所述的第二膜系结构为：
Sub/0.34H0.37L0.84H0.39L0.49H0.35L0.48H0.30L0.38H0.40L0.37H0.55L0.50H0.72L0.42H0.61L0.42H0.48L0.55H0.43L0.54H0.39L0.87H0.74L0.45H0.34L0.25H1.68L0.38H1.31L1.13H0.41L1.93H0.72L0.59H2.33L0.39H0.88L2.34H0.06L1.38H1.89L/Air，其中Sub表示基底，Air表示空气，H为四分之一波长光学厚度的Ge膜层，L为四分之一波长光学厚度的ZnS膜层，设计波长为4300nm；
所述的红外滤光片的透射波段5.5～14μm的平均透射率Tave＞85%，截止波段UV～5μm的最大透射率Tmax<0.1%；
所述的基底为区熔单晶硅或区熔单晶锗片。
2.根据权利要求1所述的测体温用红外滤光片，其特征在于，所述的基底的厚度为0.35～0.5mm。
3.一种用于制备权利要求1或2所述的测体温用红外滤光片的方法，其特征在于，所述的方法包括步骤：
（1）将基底装入夹具并放置到镀膜机真空室内，抽真空；
（2）烘烤基底；
（3）离子轰击基底；
（4）在基底的一侧，按照第一膜系结构要求的膜层逐层镀制第一膜系结构；
（5）将基底翻面，重复步骤（1）～（3），以在基底的另一侧，按照第二膜系结构要求的膜层逐层镀制第二膜系结构；
（6）镀制结束后，破空，取件。
4.根据权利要求3所述的用于制备所述的测体温用红外滤光片的方法，其特征在于，所述的步骤（1）具体为：
将厚度为0.35～0.5mm、光洁度满足40/20标准的区熔单晶硅片或区熔单晶锗片基底材料装入夹具并放置到镀膜机真空室内，将本底真空度抽至1×10-3Pa；
所述的步骤（2）具体为：
在170℃～190℃下烘烤基底材料，并保持恒温20min以上；
所述的步骤（3）具体为：
采用霍尔离子源离子轰击所述的基底材料5～15min，其中，离子源使用高纯氩气，气体流量为10～20sccm，轰击结束5分钟以内开始镀膜；
所述的步骤（6）具体为：
镀制结束后，烘烤温度降至40～60℃，进行破空、取件。
5.根据权利要求3所述的用于制备所述的测体温用红外滤光片的方法，其特征在于，所述的步骤（4）具体为：
按照第一膜系结构要求的膜层逐层镀制第一膜系结构，采用电子束蒸发工艺蒸发Ge膜料，采用电阻蒸发工艺蒸发ZnS膜料，其中Ge膜的镀膜速率为0.4～0.6nm/s，ZnS膜的镀膜速率为0.9～1.1nm/s，沉积过程使用间接光控和晶控联合控制膜层厚度及镀膜速率。
6.根据权利要求3所述的用于制备所述的测体温用红外滤光片的方法，其特征在于，所述的步骤（5）具体为：
将镀好第一膜系结构的基底反转，并重复步骤（1）～（3），在基底的另一侧，按照第二膜系结构要求的膜层逐层镀制第二膜系结构，采用电子束蒸发工艺蒸发Ge膜料，Ge膜的镀膜速率为0.4～0.6nm/s，采用电阻蒸发工艺蒸发ZnS膜料，ZnS膜的镀膜速率为0.9～1.1nm/s，沉积过程使用间接光控和晶控联合控制膜层厚度及镀膜速率。
7.根据权利要求3所述的用于制备所述的测体温用红外滤光片的方法，其特征在于，所述的方法还包括步骤：
（7）将镀制好的红外滤光片放置到退火炉中退火，退火温度180～220℃，恒温时间7～9小时，升/降温速度1℃/min；
（8）使用PE spectrum two傅里叶变换红外光谱仪测量滤光片正入射时的透射率光谱；
（9）在室温下放置24小时以上，按预设尺寸进行划片。
8.一种红外测温传感器，其特征在于，所述的红外测温传感器设置权利要求1或2所述的测体温用红外滤光片。
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