專利名稱：雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基本不受環(huán)境溫度、壓強(qiáng)、氣流噪聲等影響的雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器，屬于探測(cè)器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
本發(fā)明的雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器屬于探測(cè)器領(lǐng)域。目前，傳統(tǒng)的氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器(如Chevrier等提出的氣動(dòng)室溫探測(cè)器)采用以下結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，當(dāng)紅外射線1通過(guò)紅外窗口2照射到熱容量很小的紅外吸收層3時(shí)，紅外吸收層3會(huì)吸收紅外射線1后溫度升高，之后加熱腔室內(nèi)的氣體，氣體溫度升高后壓強(qiáng)升高從而推動(dòng)敏感薄膜6形變，可變電容4的兩電極之間的距離相應(yīng)變化，這樣通過(guò)檢測(cè)可變電容4的變化，便可知紅外射線1的強(qiáng)弱。通過(guò)精確計(jì)算得到的微孔5的作用是，當(dāng)環(huán)境溫度、壓強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)，氣體會(huì)通過(guò)微孔5流入或流出腔室，從而保證敏感薄膜6的兩邊的氣壓一樣，敏感薄膜6不會(huì)形變，從而保證探測(cè)器處在正常的工作狀態(tài)。該探測(cè)器存在著如下一些缺點(diǎn)(1)腔室沒(méi)有完全密封，所以不可以封存對(duì)紅外射線1有強(qiáng)烈吸收的特殊氣體直接利用氣體吸收紅外射線1；(2)微孔5過(guò)大會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器靈敏度降低，微孔5過(guò)小時(shí)環(huán)境溫度、壓強(qiáng)變化快時(shí)微孔5不能補(bǔ)償其變化，導(dǎo)致器件不能正常工作；(3)由于微孔5的影響，器件對(duì)穩(wěn)恒信號(hào)沒(méi)有響應(yīng)。
斯坦福大學(xué)的Kenny教授以及他在美國(guó)空間微電子技術(shù)中心JPL實(shí)驗(yàn)室的同事們，設(shè)計(jì)并研制出一種非致冷的隧道氣動(dòng)紅外傳感器(見(jiàn)圖2)，它主要包括熱容量很小的紅外吸收層3、敏感薄膜6、隧道尖端9以及閉環(huán)反饋電路8。其基本思想是利用隧道位置反饋靜電力來(lái)阻止敏感薄膜6移動(dòng)，通過(guò)測(cè)量該靜電力來(lái)探測(cè)紅外射線1。反饋電路8的另一個(gè)作用是當(dāng)環(huán)境溫度、壓強(qiáng)的變化時(shí)，控制兩極板7的靜電壓，從而控制敏感薄膜6在要求的位置。該探測(cè)器存在著如下一些缺點(diǎn)(1)反饋電路8是復(fù)雜的伺服系統(tǒng)，工作的可靠性和快捷性直接影響器件的正常工作；(2)反饋電路8只是保證了當(dāng)環(huán)境溫度、壓強(qiáng)變化時(shí)器件處在正常工作狀態(tài)，沒(méi)能消除其影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，即屏蔽環(huán)境溫度、壓強(qiáng)變化對(duì)探測(cè)器的影響的方法，提出一種雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有極好的溫度、壓強(qiáng)特性，可以在很寬的溫度、壓強(qiáng)范圍正常工作。同時(shí)也屏蔽了氣流等對(duì)器件的影響，提高了探測(cè)器的性能。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器，包括由敏感薄膜6隔開(kāi)的吸收腔10和平衡腔11、覆蓋于吸收腔10上的紅外窗口2、以及檢測(cè)敏感薄膜形變的元件14和與其相接的引出電極13。對(duì)于所述的雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器，在吸收腔10底部設(shè)置紅外反射薄膜12，吸收腔10內(nèi)設(shè)置有對(duì)紅外射線1有強(qiáng)烈吸收的氣體，這時(shí)的響應(yīng)機(jī)制是吸收腔10內(nèi)的氣體直接吸收紅外射線1，其靈敏度高、響應(yīng)速度快?；蛘咴谖涨?0內(nèi)設(shè)置紅外吸收層3，吸收腔10內(nèi)為普通氣體，這時(shí)的響應(yīng)機(jī)制是紅外吸收層3吸收紅外射線1，再把熱量傳給氣體。雙腔結(jié)構(gòu)要求吸收腔10與平衡腔11內(nèi)的氣體的壓強(qiáng)相同，而沒(méi)有壓強(qiáng)大小的限制，其壓強(qiáng)可為0.5～2.0個(gè)大氣壓。檢測(cè)薄膜形變的元件14設(shè)置在吸收腔10內(nèi)或平衡腔11內(nèi)，為一由電極和薄膜電極構(gòu)成的可變電容4，或者是由隧道尖端9和敏感薄膜6構(gòu)成檢測(cè)薄膜形變的元件14。
本裝置應(yīng)用現(xiàn)有的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)，敏感薄膜6的制備可采用定向腐蝕自停止技術(shù)制得，如1微米左右的濃硼硅薄膜或者氮化硅薄膜；器件的封裝可以采用玻璃和硅片的靜電健合或者采用簡(jiǎn)單的粘合技術(shù)；為了能精確的保證雙腔在同溫下壓強(qiáng)相同，雙腔氣體的封存最好同時(shí)進(jìn)行；為了便于封裝，雙腔封存的氣體最好是同種氣體，另外實(shí)際氣體并不精確的滿足理想氣體狀態(tài)方程，同種氣體才能更好的保證雙腔結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境溫度、壓強(qiáng)變化影響的屏蔽。
本發(fā)明利用雙腔結(jié)構(gòu)有效的屏蔽了環(huán)境溫度、壓強(qiáng)變化對(duì)探測(cè)器工作狀態(tài)的影響，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，當(dāng)吸收腔10和平衡腔11的溫度變化相同時(shí)，壓強(qiáng)的變化也會(huì)相同，從而敏感薄膜6在環(huán)境溫度、壓強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)不會(huì)形變，所以雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器可以在很寬的溫度、壓強(qiáng)范圍正常工作。
本發(fā)明雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器的雙腔(吸收腔10和平衡腔11)只要壓強(qiáng)相同就可以了，而沒(méi)有保持同環(huán)境壓強(qiáng)相同的限制，這樣就可以在保證密封性的前提下任意改變雙腔內(nèi)的氣體壓強(qiáng)。當(dāng)吸收腔10內(nèi)為對(duì)紅外射線1有強(qiáng)烈吸收的氣體時(shí)，提高氣壓后氣體對(duì)紅外射線1的吸收特性將增強(qiáng)，但熱傳導(dǎo)特性基本不變，從而器件的靈敏度將提高，但是由于腔內(nèi)氣體的量增多了，熱容量的增大使得探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間加長(zhǎng)了。所以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)腔內(nèi)氣體的壓強(qiáng)，可以提高靈敏度或者提高響應(yīng)速度。
本發(fā)明的雙腔結(jié)構(gòu)，使得敏感薄膜6不再暴露在空氣中，這樣氣流等將不再影響探測(cè)器。大的氣流也不會(huì)導(dǎo)致敏感薄膜6的破裂。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1)對(duì)環(huán)境溫度、壓強(qiáng)變化影響的屏蔽是一個(gè)狀態(tài)，而不是一個(gè)伺服過(guò)程，實(shí)現(xiàn)容易、效果好。
2)特別適合對(duì)紅外射線1有強(qiáng)烈吸收的特殊氣體直接吸收紅外射線1的探測(cè)機(jī)理。
3)溫度、壓強(qiáng)適用范圍寬，可以在特殊的溫度、壓強(qiáng)條件下工作。


圖1Chevrier等提出的氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖；圖2Kenny教授等提出的氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖；圖3本發(fā)明雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖；圖中，1-紅外射線，2-紅外窗口，3-紅外吸收層，4-可變電容，5-微孔，6-敏感薄膜，7-兩極板，8-反饋電路，9-隧道尖端，10-吸收腔，11-平衡腔，12-紅外反射薄膜，13-引出電極，14-檢測(cè)敏感薄膜形變的元件。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容如圖3所示，本發(fā)明雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器，其中包括敏感薄膜6隔開(kāi)的兩個(gè)充相同壓強(qiáng)氣體的密封腔，一個(gè)為吸收腔10，一個(gè)為平衡腔11；覆蓋于吸收腔10上的紅外窗口2；檢測(cè)敏感薄膜形變的元件14；以及與檢測(cè)薄膜形變?cè)?4相接的引出電極13。其中的雙腔結(jié)構(gòu)使得環(huán)境溫度、壓強(qiáng)的變化不會(huì)引起敏感薄膜6的形變，從而屏避了環(huán)境溫度、壓強(qiáng)對(duì)器件影響，同時(shí)使敏感薄膜6不暴露在空氣中，從而屏避了氣流等的影響。
實(shí)例1雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器的吸收腔10內(nèi)封存對(duì)紅外射線1有強(qiáng)烈吸收的特殊氣體，如氟乙烯，當(dāng)紅外信號(hào)1通過(guò)紅外窗口2(可采用多晶硅或者單晶硅)進(jìn)入吸收腔10后，特殊氣體會(huì)吸收紅外射線1從而溫度升高進(jìn)而壓強(qiáng)增大，推動(dòng)敏感薄膜6(為1微米左右的濃硼硅薄膜或者帶電極的氮化硅薄膜)變形，通過(guò)檢測(cè)敏感薄膜形變的元件14(此處為可變電容4)的變化便可以得知紅外射線1的強(qiáng)弱。在吸收腔10底部的紅外反射薄膜12的作用是提高氣體對(duì)紅外射線1的吸收，從而提高靈敏度。平衡腔11內(nèi)封存的氣體種類可以與吸收腔10內(nèi)相同也可以不同，只要滿足壓強(qiáng)相同就可以了。另外雙腔結(jié)構(gòu)使雙腔內(nèi)氣體的壓強(qiáng)大小沒(méi)有了限制，只要探測(cè)器能完成封裝，雙腔內(nèi)封存的氣體可以是高于一個(gè)大氣壓，如1.5個(gè)大氣壓，也可以低于一個(gè)大氣壓，如0.8個(gè)大氣壓。當(dāng)吸收腔10內(nèi)封存的特氣壓強(qiáng)增大時(shí)，其紅外吸收能力將增強(qiáng)，而熱傳導(dǎo)特性不變，從而靈敏度增加，但是響應(yīng)時(shí)間會(huì)加長(zhǎng)，所以適當(dāng)調(diào)節(jié)吸收腔10的氣壓可以提高靈敏度或者加快響應(yīng)速度。
實(shí)例2雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器的吸收腔10內(nèi)封存一般氣體(如氮?dú)?、干燥的空?，這時(shí)紅外反射薄膜12位置應(yīng)為熱容很小的紅外吸收層3(如10nm厚的金)。對(duì)敏感薄膜形變的檢測(cè)，可以如Kenny教授提出的隧道氣動(dòng)紅外傳感器，利用由隧道尖端10和敏感薄膜6構(gòu)成的檢測(cè)薄膜形變的元件14檢測(cè)薄膜形變從而探測(cè)紅外射線1的強(qiáng)弱。
權(quán)利要求
1.雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器，包括吸收腔(10)、覆蓋于吸收腔(10)上的紅外窗口(2)、在吸收腔(10)殼體上的敏感薄膜(6)以及檢測(cè)敏感薄膜形變的元件(14)，其特征在于在敏感薄膜(6)的另一側(cè)設(shè)置平衡腔(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器，其特征在于還包括設(shè)置在吸收腔(10)底部的紅外反射薄膜(12)，吸收腔(10)內(nèi)設(shè)置有對(duì)紅外射線(1)有強(qiáng)烈吸收的氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器，其特征在于還包括設(shè)置在吸收腔(10)內(nèi)的紅外吸收層(3)，吸收腔(10)內(nèi)為普通氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器，其特征在于吸收腔(10)與平衡腔(11)內(nèi)的氣體的壓強(qiáng)相同，為0.5～2.0個(gè)大氣壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器，其特征在于檢測(cè)敏感薄膜形變的元件(14)設(shè)置在吸收腔(10)內(nèi)或平衡腔(11)內(nèi)，為一由電極和薄膜電極構(gòu)成的可變電容(4)，或者是由隧道尖端(9)和敏感薄膜(6)構(gòu)成的檢測(cè)薄膜形變的元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙腔平衡式氣動(dòng)室溫紅外探測(cè)器，屬于探測(cè)器領(lǐng)域。包括吸收腔(10)、覆蓋于吸收腔上的紅外窗口(2)、在吸收腔殼體上的敏感薄膜(6)以及檢測(cè)敏感薄膜形變的元件(14)，特征在于在敏感薄膜(6)的另一側(cè)設(shè)置平衡腔(11)，吸收腔(10)與平衡腔(11)內(nèi)的氣體的壓強(qiáng)相同。其中，檢測(cè)敏感薄膜形變的元件(14)設(shè)置在吸收腔內(nèi)或平衡腔內(nèi)，為可變電容(4)，或者是由隧道尖端(9)和敏感薄膜(6)構(gòu)成的元件。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有極好的溫度、壓強(qiáng)特性，可以在很寬的溫度、壓強(qiáng)范圍正常工作。同時(shí)也屏蔽了氣流等對(duì)器件的影響，提高了探測(cè)器的性能。
文檔編號(hào)G01J5/00GK101038213SQ200710065409
公開(kāi)日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2007年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者徐晨, 沈光地, 宋義超, 李博, 施夢(mèng)娛, 高國(guó), 陳建新 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)