CN214334040U

CN214334040U - 一种柔性宽波段非制冷红外探测器

Info

Publication number: CN214334040U
Application number: CN202120205252.3U
Authority: CN
Inventors: 马建华; 黄志明; 褚君浩
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2031-01-26

Abstract

本专利公开了一种柔性宽波段非制冷红外探测器。所述的红外探测器自支撑层之上依次为热敏电阻薄膜和金属电极。器件选用具有宽波段响应特性的锰钴镍氧热敏电阻薄膜作为红外吸收层，不含传统的微桥制备工艺，不会形成响应波段较窄的谐振腔结构，工艺简单易操作，可实现宽波段探测。器件柔韧性好，质量轻，防震性能高，易于转移到柔性读出电路上，应用于柔性可穿戴感知等智能化电子系统中。本专利器件及其制备方法工艺成熟，与标准硅集成电路工艺兼容，适用于单元、线列及面阵红外探测器。

Description

一种柔性宽波段非制冷红外探测器

技术领域

本专利涉及红外探测器，具体是指一种柔性宽波段热敏电阻薄膜型非制冷红外探测器。

背景技术

自然界中任何高于绝对零度(-273.13摄氏度)的物体都会向外辐射红外信号，红外探测器是一种将红外辐射信号转变为电信号输出的器件，在民用和军事领域都具有非常广泛的用途，如红外热成像、气象遥感、防火报警、非接触测温、医疗诊断、导弹预警和拦截等诸多方面。

红外探测器通常分为制冷型和非制冷型两大类。以碲镉汞等传统窄禁带半导体为代表的光子型探测器，为获得器件的高性能响应，需要复杂的制冷装置，高成本限制了其广泛推广应用。非制冷型红外探测器无需复杂的制冷系统，可在室温下工作，虽然探测性能低于制冷型探测器，但已能满足绝大多数民用和军事应用，特别是其具有低成本优势，已经占据了当前红外探测器市场的绝大多数份额，是未来红外探测器进一步大规模推广应用的发展趋势。其中，热敏电阻型红外探测器是一类非常重要的非制冷红外探测器，基本原理是通过测量目标红外热辐射引起的热敏材料电阻的变化来实现对红外热辐射的探测。热敏电阻材料的电阻温度系数(Temperature coefficient of resistance，TCR)和器件所采用的结构是决定探测器性能的两方面主要因素。

与金属热敏材料相比，半导体热敏材料具有较高的TCR绝对值，是研制非制冷红外探测器的首选，其中氧化钒(VO_x)、非晶硅(a-Si)等是常用的热敏电阻材料。虽然基于VO_x、a-Si等传统热敏电阻半导体材料的非制冷红外探测器已有商业化应用，但在室温下这些材料的TCR绝对值相对偏低，比如室温下VO_x和a-Si的TCR都约为-2％/K，限制了探测性能的提升。因此，需要进一步开发具有高TCR绝对值的新型热敏材料。此外，传统的热敏型探测器通常采用微桥谐振腔结构，通常将微桥的高度设计成1/4波长，导致响应波段较窄，比如针对室温物体探测(如300K，对应～10μm的辐射峰值波长)，需设计微桥高度约为2.5μm，探测器相应的响应波段约为8～14μm。微桥结构的使用会增加器件工艺的复杂性，为形成微桥，需要额外制备牺牲层、支撑层和钝化层，需要额外的刻蚀工艺，如果高度高的话，难度还会增加，存在桥面坍塌的风险，成品率会降低，进而增加制备成本。另外，如上所述，微桥谐振腔具有波长选择性，只能响应某一相对较窄的波段，而实际目标在全波段(如1～50μm)范围内都存在红外辐射，因此微桥谐振腔结构的使用在一定程度上还会导致许多有用的目标红外辐射信息的丢失。

随着信息技术的发展，具有传感功能的柔性电子元器件是未来智慧生活的发展需求，柔性电子的诞生为经典电子学的发展提供了新的方向，触发了新形态电子设备的产生，也将使人们的日常生活发生革命性的变化。如可折叠、可卷曲、柔性显示器将改变现有图片和影视的呈现形式，使手机、电视等消费电子产品的形态更新颖、轻便。对于红外传感领域，目前的红外探测器主要还是基于半导体热敏或光敏材料在硬质衬底上加工而成，结构刚性、笨重，形状固定不变，限制了在诸如柔性可穿戴感知等智能化电子系统中的应用。

发明内容

基于上述已有技术存在的种种问题，本专利的目的是提出一种柔性的具有宽波段响应特征的新型热敏电阻薄膜型非制冷红外探测器。

锰钴镍氧(Mn-Co-Ni-O，MCN)过渡金属氧化物是一种新型的热敏电阻半导体材料。我们通过实验研究发现室温下MCN薄膜的TCR约为-3％～-4％/K，优于传统的VO_x、a-Si等热敏材料的TCR(～-2％/K)。同时，组成MCN材料的过渡金属锰、钴、镍和氧化物之间存在高的极化性，会与外部电磁波产生强耦合，使得MCN材料本身具有非常宽的光谱响应(0.2～50μm)和高的红外辐射吸收能力[见文献1]。这些实验研究表明，基于MCN材料的性能优点，可以不采用导致器件具有较窄响应波段的传统微桥结构，实现宽波段的非制冷红外探测。我们实验室已采用磁控溅射方法[见文献2]在室温下制备出了高质量的MCN薄膜，低温生长过程不会破环柔性有机聚合物材料。另外，有文献[见文献3]报道了一种剥离工艺(lift-off)可用来制备柔性光电器件，如制备柔性太阳能电池，首先在玻璃等硬质衬底上生长一层水溶性的氯化钠薄膜，然后再在其上生长柔性太阳能电池结构，最后通过在水中溶解去除氯化钠薄膜来实现柔性太阳能电池的制备。

由此提出本专利的技术方案：采用MCN热敏电阻薄膜作为红外吸收层，通过剥离工艺，实现高性能的柔性宽波段非制冷红外探测器的制备。

上述所涉及的文献如下：

1.Z.Huang,W.Zhou,C.Ouyang,J.Wu,F.Zhang,J.Huang,Y.Gao and J.Chu,Highperformance of Mn-Co-Ni-O spinel nanofilms sputtered from acetateprecursors.Sci.Rep.5(2015)10899；

2.J.Wu,Z.Huang,L.Jiang,Y.Gao,W.Zhou,and J.Chu,Flexible thermistorsMCNO films with low resistivity and high TCR deposited on flexible organicsheets by RF magnetron sputtering,Proc.SPIE 10403(2017)104030C；

3.X.Mathew,J.P.Enriquez,A.Romeo and A.N.Tiwari,CdTe/CdS solar cellson flexible substrates,Solar Energy 77(2004)831；

本专利的一种柔性宽波段非制冷红外探测器的结构图如图1和图2所示，包括支撑层1，热敏电阻薄膜2和金属电极3，其特征在于：

所述的红外探测器自支撑层1之上依次为热敏电阻薄膜2和金属电极3；

所述的金属电极3位于热敏电阻薄膜2的两端；

所述的支撑层1聚酰亚胺支撑层，厚度为1-2μm；

所述的热敏电阻薄膜2为锰钴镍氧热敏电阻薄膜，厚度为6-9μm；

所述的金属电极3为铬和金复合电极，厚度分别为30nm和150nm。

本专利的一种柔性宽波段非制冷红外探测器的制备方法的流程示意图如图3A～图3F所示，其步骤如下：

§1在硬质衬底上制备牺牲层，厚度为500-800nm；

所述的硬质衬底为硅衬底。

所述的牺牲层为氯化钠牺牲层。

采用的制备方法为热蒸发方法。

氯化钠是一种水溶性的物质，在全部器件工艺完成后，通过水中溶解的剥离工艺实现柔性探测器件。

§2在氯化钠牺牲层制备聚酰亚胺支撑层，厚度为1-2μm；

采用的制备方法为溶液旋涂法。

聚酰亚胺一方面为热敏电阻薄膜起到柔性支撑作用，另一方面起到隔热作用，降低器件热传导，提高器件响应率。

§3在聚酰亚胺支撑层上制备锰钴镍氧热敏电阻薄膜，厚度为6-9μm；

采用的制备方法为磁控溅射方法[见文献2]。

§4通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺，将锰钴镍氧热敏电阻薄膜制备成分立的锰钴镍氧薄膜探测元，探测元的面积根据器件设计要求而定；

§5通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺，采用一定的制备方法在锰钴镍氧薄膜探测元的两端制备铬和金复合电极，厚度分别为30nm和150nm，电极的面积根据器件设计要求而定；

所述的制备方法是磁控溅射方法或双离子束溅射方法。

铬和金复合电极的作用是与锰钴镍氧热敏电阻薄膜形成欧姆接触。

§6通过在去离子水中溶解氯化钠牺牲层的剥离工艺，去除硅衬底；

通过铬和金复合电极与读出电路相连接输出信号，实现柔性宽波段红外探测功能。

本专利的最显著优点是：

1.器件不含传统的微桥结构，一方面减少了微桥结构制备相关的步骤，简化了工艺流程；另一方面，不会形成响应波段较窄的谐振腔结构，可实现宽波段响应，有助于获得更完整的目标红外热辐射信息。

2.器件本身是一种自支撑结构，热容量小，有利于提高器件响应速度。

3.在制备过程中，采用硅片作为硬质衬底，易于与现代硅基微电子加工工艺兼容，而且剥离后的硅片可以重复使用，进而降低了制备成本。

4.器件柔韧性好，质量轻，防震性能高，适用于单元、线列及面阵红外探测器，易于转移到柔性读出电路上，应用于柔性可穿戴感知等智能化电子系统中。

附图说明

图1为本专利的柔性宽波段非制冷红外探测器的结构剖面图。

图2为本专利的柔性宽波段非制冷红外探测器的结构俯视图。

图3A～图3F为本专利的柔性宽波段非制冷红外探测器的制备方法的步骤示意图。

图中标号：1为支撑层，2为热敏电阻薄膜，3为金属电极，4为牺牲层，5为硬质衬底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本专利的具体实施方式作进一步的详细说明：

实施例1：

1.在硅片上采用热蒸发方法制备氯化钠牺牲层，厚度为500nm。

2.在氯化钠牺牲层上采用溶液旋涂法制备聚酰亚胺支撑层，厚度为1μm。

3.在聚酰亚胺支撑层上采用磁控溅射方法制备锰钴镍氧热敏电阻薄膜，厚度为6μm。

4.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺，将锰钴镍氧热敏电阻薄膜上制备成分立的锰钴镍氧薄膜探测元，探测元的面积30μm×30μm。

5.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺，采用双离子束溅射方法在锰钴镍氧薄膜探测元的两端制备铬和金复合电极，厚度分别为30nm和150nm，电极的面积为30μm×10μm。

6.通过在去离子水中溶解氯化钠牺牲层的剥离工艺，去除硅片。

实施例2：

1.在硅片上采用热蒸发方法制备氯化钠牺牲层，厚度为700nm。

2.在氯化钠牺牲层上采用溶液旋涂法制备聚酰亚胺支撑层，厚度为1.5μm。

3.在聚酰亚胺支撑层上采用磁控溅射方法制备锰钴镍氧热敏电阻薄膜，厚度为8μm。

4.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺，将锰钴镍氧热敏电阻薄膜上制备成分立的锰钴镍氧薄膜探测元，探测元的面积50μm×50μm。

5.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺，采用双离子束溅射方法在锰钴镍氧薄膜探测元的两端制备铬和金复合电极，厚度分别为30nm和150nm，电极的面积为50μm×15μm。

实施例3：

1.在硅片上采用热蒸发方法制备氯化钠牺牲层，厚度为800nm。

2.在氯化钠牺牲层上采用溶液旋涂法制备聚酰亚胺支撑层，厚度为2μm。

3.在聚酰亚胺支撑层上采用磁控溅射方法制备锰钴镍氧热敏电阻薄膜，厚度为9μm。

4.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺，将锰钴镍氧热敏电阻薄膜上制备成分立的锰钴镍氧薄膜探测元，探测元的面积75μm×75μm。

5.通过光刻、腐蚀、显影处理等光刻图形工艺，采用磁控溅射方法在锰钴镍氧薄膜探测元的两端制备铬和金复合电极，厚度分别为30nm和150nm，电极的面积为75μm×20μm。

Claims

1.一种柔性宽波段非制冷红外探测器，包括支撑层(1)，热敏电阻薄膜(2)和金属电极(3)，其特征在于：

所述的红外探测器自支撑层(1)之上依次为热敏电阻薄膜(2)和金属电极(3)；

所述的金属电极(3)位于热敏电阻薄膜(2)的两端；

所述的支撑层(1)是聚酰亚胺支撑层，厚度为1-2μm；

所述的热敏电阻薄膜(2)为锰钴镍氧热敏电阻薄膜，厚度为6-9μm；

所述的金属电极(3)为铬和金复合电极，厚度分别为30nm和150nm。