CN113503977A - 一种带有隔热结构的线列型热释电红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提拱了一种带有隔热结构的线列型热释电红外探测器，包括红外光敏感元、陶瓷结构件和PCB板，所述陶瓷结构件设置在PCB板的顶面，所述红外光敏感元设置在陶瓷结构件顶面，所述红外光敏感元与陶瓷结构件之间存在空气隙，所述空气隙采用隧道型结构，所述隧道型结构顶部横向尺寸大于底部横向尺寸，本发明通过采用陶瓷隔热结构、金属化图形电极、隧道型空气隙结构的设计，兼顾了线列型热释电红外探测器良好的热性能、良好的导电性、较好的机械强度，实现了红外线列器件各项性能的折衷与平衡。
Description
技术领域
本发明涉及器件结构领域，尤其涉及一种带有隔热结构的线列型热释电红外探测器。
背景技术
红外探测器是红外探测技术的核心。20世纪70年代以来，军事需求推动了红外探测器的研究与发展。当前在军事领域广泛的应用于夜间情报的收集对战场进行全天候的观察和监视以及各种武器系统和火控系统的夜间观察，瞄准装甲车辆、坦克、舰船、直升飞机的夜间驾驶，导弹红外制导和空间卫星遥测等。在民用领域也广泛用于工业、医学、农林、消防、搜救以及环保等领域。
根据不同敏感材料的工作原理，红外探测器通常可分为制冷型红外探测器和非制冷型红外探测器。制冷型红外探测器一般属于光电子器件，它具有许多优势，如灵敏度高、响应快、探测能力强等等，但是该探测器必须在较低温度下工作，室温下的探测率明显低于低温下的探测率，需额外使用制冷设非制冷备和低温容器，导致器件结构复杂、成本高昂，因此制冷型探测器的应用范围有限。非制冷型相比于制冷型红外传感器，在室温下就可以使用，体积小，不需要额外的制冷设备和容器。
非制冷型红外传感器主要可以分为三种：热敏电阻型探测器、热电堆探测器和热释电探测器。与热敏电阻型和热电堆型探测器相比，热释电型探测器的性能更加优异，其具有响应速度快、探测距离远、功耗低、串扰较小等特点，被广泛应用于各个领域。
对于热释电型红外传感器，根据公式
，其敏感元越隔热越保温，在外界温度变化时，敏感元可以快速积累足够热量，输出较大的电流信号，热释电型红外传感器越灵敏，性能也就越好。
一方面，热释电型红外传感器与电极接触面积越小，从金属电极流失的热量越少，但是器件的接触电阻越大，导电性能越差，另一方面由于热释电型红外器件在航空航天等较为极端应用环境和领域中，器件需要较好的机械强度，避免造成器件损坏，同时还有可能产生压电效应，引入噪声，因此隔热结构不能牺牲器件在冲击、震动等某些极端环境下的可靠性。器件的各项性能需要彼此兼容。
发明内容
本发明提供一种带有隔热结构的线列型热释电红外探测器，用以解决上述问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种带有隔热结构的线列型热释电红外探测器，包括红外光敏感元、陶瓷结构件和PCB板，所述陶瓷结构件设置在PCB板的顶面，所述红外光敏感元设置在陶瓷结构件顶面，所述红外光敏感元与陶瓷结构件之间存在空气隙，所述空气隙采用隧道型结构，所述隧道型结构顶部横向尺寸大于底部横向尺寸。
进一步的，所述红外光敏感元至少有两个，并排布置。
进一步的，所述红外光敏感元的上电极设置有接触点，所述接触点通过导线引出。
进一步的，所述多个光敏感元在陶瓷结构件上呈线列排列，且每个敏感元之间设置有间隔。
进一步的，所述金属电极的采用金作为材料，蒸镀或磁控溅镀于空气隙的上表面，所述红外光敏感元的下电极与金属电极连接。
进一步的，所述金属电极为图形化金属电极，所述图形化金属电极设置有圆形接触点，所述圆形接触点分别连接在图形化金属电极一侧的条形导线上。
进一步的，还包括中间聚合物，还包括中间聚合物，所述中间聚合物为导电银浆液，所述导电银浆将红外光敏感元的下电极与陶瓷结构件连接在一起，将陶瓷结构件与PCB板连接在一起。
进一步的，所述空气隙形状为梯形台面。
进一步的，所述PCB板连接有线列器件。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
（1）本发明采用陶瓷材料制作隔热结构，保证了低热传导率，提高了隔热结构的绝热效果，提升了热释电型红外线列探测器的热性能和输出信号电流。
（2）并采用金属金制作图形化金属电极，在保证和器件下电极板接触面积较小的同时，保证了低欧姆接触电阻，提高了器件的导电性能。
（3）采用特定角度的梯形隧道型空气隙结构，一方面，保证了器件和空气的接触面积较大，具有较好的隔热特性；一方面，提供了足够的刚性，避免了外界震动时引发红外光敏感元共振，从而抑制了由于压电效应带来的噪声；另一方面又保证了器件的机械强度，使器件在冲击、震动等某些极端环境下具有更高的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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为本发明的分解结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的侧视图；
其中，1-红外光敏感元、2-图形化金属电极、3-空气隙、4-陶瓷结构件、5-PCB板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图2所示的热释电型红外线列器件，具有优良的热性能和机械性能，具有高比探测率，既可以应用于航空航天等军事领域，也可以应用于安防监控等民用领域，包括一个或多个红外光敏感元1，隔热结构和承载线列器件的PCB板5。
如图2所示的红外线列器件为4元线列，只需加长陶瓷隔热结构的尺寸，更优的可以承载8元线列或16元线列敏感元；红外器件的正反表面均有电极，对于器件上电极形状不做约束，但是上电极需要能够引线键合的接触孔，下电极需要能够和隔热结构上的图形化金属电极2相接触；隔热结构采用陶瓷材料，可以避免其承载的红外线列器件未于隔热结构上图形化金属电极2接触的部分从隔热结构上散失过多热量；与红外线列器件背极板接触的图形化电极用于将热释电红外器件下电极信号引出，方便后续打线接入电路，因为金属导热性良好，其与红外线列器件的背极板接触的面积需要尽可能小，从而使红外线列器件尽可能与陶瓷隔热结构接触。但是金属电极面积又不能过小，金属面积过小会导致红外线列器件与隔热结构欧姆接触电阻过大，本发明中作为优选，设计了圆形接触点加条形导线的形状，图形化电极形状不做约束，但要符合上述原则；氧化铝陶瓷的导热系数一般在20-30W/mK，金属铜的导热系数一般在400W/mK左右，而空气的导热系数一般只有0.02W/mK左右，因此设计了空气隙3的结构，本发明作为优选，采用了隧道型的空气隙3结构，在不牺牲器件的机械特性的前提下，尽可能使红外器件的下表面与空气接触面积大；由于本发明采用的红外线列器件的光敏感元不耐150摄氏度以上的高温，因此不能选用固化温度较高的中间聚合物连接红外器件和隔热结构，因此作为优选，本发明采用了导电银浆作为中间聚合物连接红外器件和隔热结构、隔热结构和PCB板5，但是也可以采用其他中间聚合物进行连接，或者采用其他类型的热释电器件。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例公开了一种优化后的用于热释电型红外线列传感器件制备的工艺流程：
对于陶瓷隔热结构，选用2mm左右厚度的陶瓷，进行UV激光加工，刻蚀出深度大约1mm的隧道型悬空结构，如图3所示其空气隙3形状为梯形，上边大于下边长度，且上边长度小于器件宽度。然后采用硬掩膜对陶瓷隔热结构的上表面进行金的蒸镀，形成如图1所示的图形。接下来在图形化金属电极2上的圆形处涂抹导电银胶，将制备好的带上下电极的热释电红外器件对准陶瓷结构件4的空气隙3和图形化金属电极2的圆形接触点，将绝热结构对准事先准备好的PCB上的丝印处，将器件进行组合，在100-150摄氏度的环境下对中间聚合物固化0.5-2个小时，最后在图形化金属电极2处进行引线键合引出下电极，在器件上极板预留接触点处引出上电极，将信号引出至PCB板5后续处理电路中，器件制备完成。
上述实施例创新性得利用了陶瓷材料的优良的隔热效果和金属金的优良的导电性，通过设计隧道型的空气隙结构，既保证了器件的机械特性，又保证了良好的绝热效果，且易于制备。通过设计图形化的电极，既防止了金属电极导热，又保证了器件与绝热陶瓷结构的欧姆接触电阻较小，导电性良好。该发明实现了红外线列器件各项性能的折衷与平衡。虽然提高了红外线列器件的制作成本，但是在高需求应用场景或某些军用领域，这个缺点是可以妥协的。
本发明通过上述实施例达到了以下效果：
（1）克服了以往直接将器件贴在PCB板上、或者采用硅衬底制作悬空结构的探测器热性能较差的缺点；
（2）克服了采用其他空气隙结构难以制备、机械强度低的缺点；
（3）克服了采用其他材料和其他图形的金属电极和隔热结构欧姆接触电阻高，导电性能差的缺点。
需要说明的是，本技术方案的保护范围不仅限于线列型热释电红外探测器，阵列型热释电红外探测器，以及其他类型需要进行隔热的薄膜型器件，也可依据上述原理进行实现，所不同的只是热释电红外光敏感元1数量与排列方式、需要隔热的薄膜型器件材料类型、金属电极的材料、隔热结构的材料、中间聚合物的类型，其余皆可按照实施例1所述原理进行实现，视为等同替换。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种带有隔热结构的线列型热释电红外探测器，其特征在于，包括红外光敏感元（1）、陶瓷结构件（4）和PCB板（5），所述陶瓷结构件（4）设置在PCB板（5）的顶面，所述红外光敏感元设置在陶瓷结构件顶面，所述红外光敏感元（1）与陶瓷结构件（4）之间存在空气隙（3），所述空气隙（3）采用隧道型结构，所述隧道型结构顶部横向尺寸大于底部横向尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种带有隔热结构的线列型热释电红外探测器，其特征在于，所述红外光敏感元（1）至少有两个，并排布置。
3.根据权利要求2所述的一种带有隔热结构的线列型热释电红外探测器，其特征在于，所述红外光敏感元的上电极设置有接触点，所述接触点通过导线引出。
4.根据权利要求2所述的一种带有隔热结构的线列型热释电红外探测器，其特征在于，所述多个光敏感元在陶瓷结构件（4）上呈线列排列，且每个敏感元之间设置有间隔。
5.根据权利要求1和2所述的一种带有隔热结构的线列型热释电红外探测器，其特征在于，所述金属电极的采用金作为材料，蒸镀或磁控溅镀于空气隙（3）的上表面，所述红外光敏感元（1）的下电极与金属电极连接。
6.根据权利要求1所述的一种带有隔热结构的线列型热释电红外探测器，其特征在于，所述金属电极为图形化金属电极（2），所述图形化金属电极（2）设置有圆形接触点，所述圆形接触点分别连接在图形化金属电极（2）一侧的条形导线上。
7.根据权利要求1所述的一种带有隔热结构的线列型热释电红外探测器，其特征在于，还包括中间聚合物，所述中间聚合物为导电银浆液，所述导电银浆将红外光敏感元（1）的下电极与陶瓷结构件（4）连接在一起，将陶瓷结构件（4）与PCB板（5）连接在一起。
8.根据权利要求1所述的一种带有隔热结构的线列型热释电红外探测器，其特征在于，所述空气隙（3）的形状为梯形台面。
9.根据权利要求1所述的一种带有隔热结构的线列型热释电红外探测器，其特征在于，所述PCB板（5）连接有线列器件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211015 |