CN211122490U - 一种太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构，包括吸收层、热释电芯片层和悬空绝热层，吸收层、热释电芯片层和悬空绝热层从上至下顺次相邻层叠设置，热释电芯片层的上表面和悬空绝热层的上表面分别设有引线，且位于热释电芯片层的上表面和悬空绝热层的上表面的两根引线分别与热释电芯片层的上下表面一一对应电连接。本实用新型通过热释电芯片层可以大幅度提高探测器的本征热释电性能和探测能力，通过吸收层可以大幅提高对中红外波段的吸收特性，同时将高吸收率的波段覆盖范围拓展至远红外甚长波波段，为太赫兹波的探测提供了新的可选方案，通过悬空绝热结构，降低了热释电芯片的热扩散和损耗，提高能量利用率和芯片温度变化量。

Description

一种太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构

技术领域

本实用新型涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构。

背景技术

THz波(太赫兹波)或称为THz射线(太赫兹射线)是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，其波长范围在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。目前，国际上对太赫兹辐射已达成如下共识，即太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。THz光子的能量低，频率为1THz的光子能量只有约4毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物质。由于THz射线的穿透性和对金属材料的强反射特性，例如，陶瓷，硬纸板，塑料制品，泡沫等对THz电磁辐射是透明的。并且THz的高频率使得成像的分辨率更高。适用于最受人关注的反恐、缉毒等最让人关注的问题，比如探查隐藏的走私物品包括枪械、爆炸物、和毒品等。太赫兹波的独特性能给通信(宽带通信)、穿墙雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高；又由于它的脉冲很短(皮秒量级)所以具有很高的时间分辨率。

目前太赫兹波技术主要集中在太赫兹光源和太赫兹探测器两部分。目前国内外广泛应用的太赫兹探测器种类繁多，热释电探测器是众多可用于太赫兹波探测的一类，由于热释电探测器具有非常宽的光谱响应特性，成为广受欢迎的探测手段。要满足太赫兹波红外波段到毫米波段的响应要求，热释电探测器的敏感元芯片设计，吸收层膜系设计成为关键技术难点。其目的是尽可能提高探测器的探测率和分辨率，全波段范围内提高太赫兹波的吸收率和能量利用效率，尤其是甚长波波段。

现有技术中成熟商用的热释电探测器的应用波段主要集中在近红外-中红外波段，完全不能满足甚长波需求，且随着波长增大，红外吸收率大幅衰减至50％以下。传统吸收层结构，主要包括了1.超波金属膜，(该类吸收率仅为50％，且甚长波波段更低)，2.四分之一波长结构(介质层)，可提高吸收率，但波长范围单一，不适合全波段覆盖，3.多孔金黑膜，吸收率高，但工艺复杂兼容性差，附着力差，容易因物理接触而被破坏。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构，包括吸收层、热释电芯片层和悬空绝热层，所述吸收层、热释电芯片层和悬空绝热层从上至下顺次相邻层叠设置，所述热释电芯片层的上表面和所述悬空绝热层的上表面分别设有引线，且位于所述热释电芯片层的上表面和所述悬空绝热层的上表面的两根所述引线分别与所述热释电芯片层的上下表面一一对应电连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的热释电芯片的红外吸收膜结构，通过所述热释电芯片层可以大幅度提高探测器的本征热释电性能和探测能力，通过所述吸收层可以大幅提高对中红外波段的吸收特性，同时将高吸收率的波段覆盖范围拓展至远红外甚长波波段，为太赫兹波的探测提供了新型的可选方案，通过所述悬空绝热结构，有效降低了热释电芯片的热扩散和损耗，提高能量利用率和芯片温度变化量。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进：

进一步：所述吸收层包括掩膜黑化层、次吸收层和介质层，所述掩膜黑化层、次吸收层和介质层从上至下顺次相邻设置在所述热释电芯片层上。

上述进一步方案的有益效果是：通过所述掩膜黑化层和次吸收层可以对太赫兹波进行有效吸收，并通过所述介质层与所述上导电层配合，可以对投射部分的太赫兹波实现相加干涉，提高吸收效率。

进一步：所述掩膜黑化层由黑化物通过超声喷涂形成，且所述掩膜黑化层的厚度为0.5-2微米。

上述进一步方案的有益效果是：掩膜黑化层具有透亮的导电性和热传导性，并且能对电磁波有更好的吸收，尤其是对高频率的电磁波。

进一步：所述次吸收层为镍铬合金材质，且所述次吸收层的厚度为5-15纳米。

上述进一步方案的有益效果是：镍铬合金材质可以通过镍铬合金形成超薄的金属层具有良好的导热性和导电性有利于提高对电磁波的吸收性能。

进一步：所述介质层为聚酰亚胺材质，且所述介质层的厚度为1-2微米。

上述进一步方案的有益效果是：通过所述介质层配合所述上导电层可以对透过所述掩膜黑化层和次吸收层的太赫兹波实现相加干涉，提高对太赫兹波的吸收率。

进一步：所述热释电芯片层包括上导电层、弛豫铁电PIMNT单晶层和下导电层，所述上导电层、弛豫铁电PIMNT单晶层和下导电层从上至下顺次相邻设置在所述悬空绝热层上。

上述进一步方案的有益效果是：通过所述上导电层可以作为弛豫铁电PIMNT单晶层的连接层起到导电的作用，又可以作为反射层，将穿过所述吸收层的太赫兹波进行反射，通过所述上导电层和下导电层形成一个以所述弛豫铁电PIMNT单晶层为电介质的电容器，当接收到特定的太赫兹波时，生成的温度变化导致其表面的电荷密度发生改变，从而产生热释电电流，并通过所述引线输出。

进一步：所述上导电层包括上电极层和上过渡层，所述上电极层和过渡层从上至下顺次相邻设置在所述弛豫铁电PIMNT单晶层上，所述下导电层包括下过渡层和下电极层，所述下过渡层和下电极层从上至下顺次相邻设置在所述悬空绝热层上。

上述进一步方案的有益效果是：通过所述上电极层可以作为弛豫铁电PIMNT单晶层的连接层起到导电的作用，又可以作为反射层，这样，所述上电极层和下电极层可以同步产生热释电电流并对外输出。

进一步：所述悬空绝热层包括绝热层和衬底层，所述热释电芯片层设置于所述绝热层上，所述绝热层设置在所述衬底层上，所述绝热层的尺寸小于所述衬底层的尺寸，且所述衬底层上裸露于所述绝热层的位置处设有焊盘，所述下导电层的下表面与所述焊盘电连接，所述焊盘与其中一根位于所述衬底层上的所述引线电连接，所述衬底层内部形成有用于隔热的空腔。

上述进一步方案的有益效果是：通过所述绝热层可以降低整个热释电芯片的热扩散和损耗，通过所述衬底层，一方面可以利用其内部的隔热空腔进一步增强绝热性能，另一方面可以起到支撑作用。

进一步：所述绝热层为氮化硅材质，所述热释电芯片层通过UV胶与所述绝热层键合。

上述进一步方案的有益效果是：通过所述氮化硅材质的绝热层可以起到较好的绝热效果，并通过等离子体增强化学气相沉积法可以使得绝热层的厚度比较均匀，并且UV胶可以使得所述热释电芯片层与所述绝热层具有较好的粘接强度，不脱胶，并且耐高温性能良好。

附图说明

图1为本实用新型的太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、掩膜黑化层，2、次吸收层，3、介质层，4、上电极层，5、上过渡层，6、弛豫铁电PIMNT单晶层，7、下过渡层，8、下电极层，9、绝热层，10、衬底层，11、引线，12、焊盘。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示，一种太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构，包括吸收层、热释电芯片层和悬空绝热层，所述吸收层、热释电芯片层和悬空绝热层从上至下顺次相邻层叠设置，所述热释电芯片层的上表面和所述悬空绝热层的上表面分别设有引线11，且位于所述热释电芯片层的上表面和所述悬空绝热层的上表面的两根所述引线11分别与所述热释电芯片层的上下表面一一对应电连接。

本实用新型的热释电芯片的红外吸收膜结构，通过所述热释电芯片层可以大幅度提高探测器的本征热释电性能和探测能力，通过所述吸收层可以大幅提高对中红外波段的吸收特性，同时将高吸收率的波段覆盖范围拓展至远红外甚长波波段，为太赫兹波的探测提供了新型的可选方案，通过所述悬空绝热结构，有效降低了热释电芯片的热扩散和损耗，提高能量利用率和芯片温度变化量。

在本实用新型提供的一个或多个实施例中，所述吸收层包括掩膜黑化层1、次吸收层2和介质层3，所述掩膜黑化层1、次吸收层2和介质层3从上至下顺次相邻设置在所述热释电芯片层上。通过所述掩膜黑化层1和次吸收层2可以对太赫兹波进行有效吸收，并通过所述介质层与所述上导电层配合，可以对投射部分的太赫兹波实现相加干涉，提高吸收效率。

在本实用新型提供的一个或多个实施例中，所述掩膜黑化层1由黑化物通过超声喷涂形成，所述黑化物由水性环氧树脂与多壁碳纳米管分散液按体积比小于1：5混合均匀，并加入蒸馏水进行稀释制成(具体为现有具体，例如可以参考公布号为CN 106784290 A的发明专利申请)，且所述掩膜黑化层1的厚度为0.5-2微米。掩膜黑化层1具有透亮的导电性和热传导性，并且能对电磁波有更好的吸收，尤其是对高频率的电磁波。

碳纳米管，是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口)的一维量子材料，热导率极高，拥有良好的导电性和热传导；非常大的长径比，长度方向的热传递性能优异；非常大的比表面积，能够拥有对电磁波更多的散射和吸收。所述碳纳米管水性分散液为黑色的水基碳纳米管悬浮液，无团聚基团，碳纳米管为多壁碳纳米管，外径8-15nm，长度5-20微米，比表面积大于230m²/g。碳纳米管与水质量比10％。

所述树脂作为掺杂剂，实现高附着力特性。

在本实用新型提供的一个或多个实施例中，所述次吸收层2由镍铬合金通过真空电阻热蒸镀形成于所述介质层3上，且所述次吸收层2的厚度为5-15纳米。镍铬合金材质可以通过镍铬合金形成超薄的金属层具有良好的导热性和导电性有利于提高对电磁波的吸收性能。

在本实用新型提供的一个或多个实施例中，所述介质层3由聚酰亚胺通过旋转涂覆形成于所述热释电芯片层上，且所述介质层3的厚度为1-2微米。通过所述介质层3配合所述上导电层可以对透过所述掩膜黑化层1和次吸收层2的太赫兹波实现相加干涉，提高对太赫兹波的吸收率。

在本实用新型提供的一个或多个实施例中，所述热释电芯片层包括上导电层、弛豫铁电PIMNT单晶层6和下导电层，所述上导电层、弛豫铁电PIMNT单晶层6和下导电层从上至下顺次相邻设置在所述悬空绝热层上。通过所述上导电层可以作为弛豫铁电PIMNT单晶层的连接层起到导电的作用，又可以作为反射层，将穿过所述吸收层的太赫兹波进行反射，通过所述上导电层和下导电层形成一个以所述弛豫铁电PIMNT单晶层6为电介质的电容器，当接收到特定的太赫兹波时，生成的温度变化导致其表面的电荷密度发生改变，从而产生热释电电流，并通过所述引线11输出。这里，所述弛豫铁电PIMNT单晶层6的厚度为10-30微米，并且通过化学机械减薄抛光制得。

在本实用新型提供的一个或多个实施例中，所述上导电层包括上电极层4和上过渡层5，所述上电极层4和过渡层5从上至下顺次相邻设置在所述弛豫铁电PIMNT单晶层6上，所述下导电层包括下过渡层7和下电极层8，所述下过渡层7和下电极层8从上至下顺次相邻设置在所述悬空绝热层上。通过所述上电极层4可以作为弛豫铁电PIMNT单晶层的连接层起到导电的作用，又可以作为反射层，这样，所述上电极层4和下电极层7可以同步产生热释电电流并对外输出。这里，所述上电极层4和下电极层均为金材质，厚度均为100-300纳米，所述上过渡层5和下过渡层均采用铬材质。

在本实用新型提供的一个或多个实施例中，所述悬空绝热层包括绝热层9和衬底层10，所述热释电芯片层设置于所述绝热层9上，所述绝热层9设置在所述衬底层10上，所述绝热层9的尺寸小于所述衬底层10的尺寸，且所述衬底层10上裸露于所述绝热层9的位置处设有焊盘12，所述下导电层的下表面与所述焊盘12电连接，所述焊盘12与其中一根位于所述衬底层10上的所述引线11电连接，所述衬底层10内部形成有用于隔热的空腔。通过所述绝热层9可以降低整个热释电芯片的热扩散和损耗，通过所述衬底层10，一方面可以利用其内部的隔热空腔进一步增强绝热性能，另一方面可以起到支撑作用。

优选地，在本实用新型提供的一个或多个实施例中，所述绝热层9为氮化硅材质，并通过在单晶硅基片(厚度400微米)上采用等离子体增强化学气相沉积法形成于所述衬底层10的上表面，厚度为200纳米，所述热释电芯片层通过UV胶与所述绝热层9键合。通过所述氮化硅材质的绝热层9可以起到较好的绝热效果，并通过等离子体增强化学气相沉积法可以使得绝热层9的厚度比较均匀，并且UV胶可以使得所述热释电芯片层与所述绝热层9具有较好的粘接强度，不脱胶，并且耐高温性能良好。

这里，采用半导体刻蚀工艺刻蚀单晶硅衬底，制作梯形绝热空腔。降低热释电芯片的热扩散和损耗，提高能量利用率和芯片温度变化量。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构，其特征在于：包括吸收层、热释电芯片层和悬空绝热层，所述吸收层、热释电芯片层和悬空绝热层从上至下顺次相邻层叠设置，所述热释电芯片层的上表面和所述悬空绝热层的上表面分别设有引线(11)，且位于所述热释电芯片层的上表面和所述悬空绝热层的上表面的两根所述引线(11)分别与所述热释电芯片层的上下表面一一对应电连接。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构，其特征在于：所述吸收层包括掩膜黑化层(1)、次吸收层(2)和介质层(3)，所述掩膜黑化层(1)、次吸收层(2)和介质层(3)从上至下顺次相邻设置在所述热释电芯片层上。

3.根据权利要求2所述的太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构，其特征在于：所述掩膜黑化层(1)由黑化物通过超声喷涂形成，且所述掩膜黑化层(1)的厚度为0.5-2微米。

4.根据权利要求2所述的太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构，其特征在于：所述次吸收层(2)为镍铬合金材质，且所述次吸收层(2)的厚度为5-15纳米。

5.根据权利要求2所述的太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构，其特征在于：所述介质层(3)为聚酰亚胺材质，且所述介质层(3)的厚度为1-2微米。

6.根据权利要求1所述的太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构，其特征在于：所述热释电芯片层包括上导电层、弛豫铁电PIMNT单晶层(6)和下导电层，所述上导电层、弛豫铁电PIMNT单晶层(6)和下导电层从上至下顺次相邻设置在所述悬空绝热层上。

7.根据权利要求6所述的太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构，其特征在于：所述上导电层包括上电极层(4)和上过渡层(5)，所述上电极层(4)和过渡层(5)从上至下顺次相邻设置在所述弛豫铁电PIMNT单晶层(6)上，所述下导电层包括下过渡层(7)和下电极层(8)，所述下过渡层(7)和下电极层(8)从上至下顺次相邻设置在所述悬空绝热层上。

8.根据权利要求6或7所述的太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构，其特征在于：所述悬空绝热层包括绝热层(9)和衬底层(10)，所述热释电芯片层设置于所述绝热层(9)上，所述绝热层(9)设置在所述衬底层(10)上，所述绝热层(9)的尺寸小于所述衬底层(10)的尺寸，且所述衬底层(10)上裸露于所述绝热层(9)的位置处设有焊盘(12)，所述下导电层的下表面与所述焊盘(12)电连接，所述焊盘(12)与其中一根位于所述衬底层(10)上的所述引线(11)电连接，所述衬底层(10)内部形成有用于隔热的空腔。

9.根据权利要求8所述的太赫兹波探测用热释电芯片的红外吸收膜结构，其特征在于：所述绝热层(9)为氮化硅材质，所述热释电芯片层通过UV胶与所述绝热层(9)键合。

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