專利名稱：一種輻射探測(cè)芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)輻射度測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種電替代絕對(duì)輻射計(jì)，特別涉及一種用于衛(wèi)星上 測(cè)量太陽(yáng)輻射的輻射探測(cè)芯片。
技術(shù)背景絕對(duì)輻射計(jì)的測(cè)量原理是利用光電等效性，把照射到絕對(duì)輻射計(jì)上的未知輻射照度的熱效 應(yīng)同已知電功率(測(cè)定加熱電流強(qiáng)度和電壓)的熱效應(yīng)進(jìn)行比較，使加熱的電功率等效于接 收的輻射功率，用電功率再現(xiàn)的方法標(biāo)定輻射標(biāo)度。絕對(duì)輻射計(jì)的一個(gè)主要應(yīng)用是在航天器 上監(jiān)測(cè)太陽(yáng)總輻照度變化。目前，絕對(duì)輻射計(jì)主要是采用雙錐腔電替代補(bǔ)償型，如長(zhǎng)春光機(jī)所研制的SIARs太陽(yáng)輻 照絕對(duì)輻射計(jì)，它由一個(gè)熱沉外殼及其內(nèi)部?jī)蓚€(gè)輻射探測(cè)器件構(gòu)成，該兩個(gè)輻射探測(cè)器件為 對(duì)稱的30。正圓錐腔探測(cè)器。其中一個(gè)圓錐腔為工作腔，接收光輻射和電功率替代加熱；另 一個(gè)圓錐腔為參考腔，用于補(bǔ)償熱沉溫漂的影響。熱沉外殼的與工作腔開口相對(duì)處設(shè)有狹縫 和快門。圓錐腔探測(cè)器是采用電鍍工藝特殊制作的薄壁銀圓錐腔，腔口直徑為13mm，腔壁 內(nèi)埋入860Q的康銅電加熱絲，圓錐腔內(nèi)涂有一層輻射吸收材料涂料。兩個(gè)圓錐腔的開口底 套進(jìn)熱電堆環(huán)內(nèi)，熱電堆環(huán)由呈輻射狀排列的180對(duì)康銅-銅熱電堆構(gòu)成，熱電堆環(huán)外端固定 在熱沉上。這種圓錐腔探測(cè)器體積大、熱容大，因而圓錐腔與熱沉外殼之間熱傳導(dǎo)慢，輻射 計(jì)的時(shí)間常數(shù)長(zhǎng)，完成一次測(cè)量的時(shí)間長(zhǎng)(1.5-3min);加熱絲電阻小，引線電阻影響大，影 響測(cè)量精度；熱電堆環(huán)靈敏度低，最小可探測(cè)功率大。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種體積小、熱容小、加熱絲電阻大、靈敏度高的輻射探 測(cè)芯片。本發(fā)明的輻射探測(cè)芯片包括襯底，輻射吸收材料，熱敏電阻，加熱絲；所述的襯底選用高 熱導(dǎo)率、高絕緣性、低熱容的材料；輻射吸收材料、熱敏電阻及加熱絲分別接觸固定于襯底 的表面。當(dāng)光輻射在輻射吸收材料上時(shí)，輻射吸收材料對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行吸收，并將吸收的光能轉(zhuǎn)化 為熱能。該熱能通過(guò)高熱導(dǎo)率、高絕緣性、低熱容的襯底傳遞給熱敏電阻，使熱敏電阻的阻值發(fā)生變化。當(dāng)沒(méi)有光輻射在輻射吸收材料上時(shí)，在加熱絲兩端加上一個(gè)電壓，加熱絲幵始 發(fā)熱，該熱能也通過(guò)高熱導(dǎo)率、高絕緣性、低熱容的襯底傳遞給熱敏電阻，使熱敏電阻的阻 值發(fā)生變化。若上述兩種情況下熱敏電阻阻值的變化量相等，就表明照射到輻射吸收材料上 的輻射照度熱效應(yīng)同加熱絲上所加電功率的熱效應(yīng)相等，即加熱的電功率等效于接收的光 輻射功率，這樣就可以用電功率再現(xiàn)的方法標(biāo)定輻射標(biāo)度。由于輻射吸收材料、熱敏電阻和 加熱絲都接觸固定于高熱導(dǎo)率、高絕緣性、低熱容的襯底上，因而本發(fā)明體積小、熱容小， 與熱沉外殼之間熱傳導(dǎo)快；加熱絲電阻大，引線電阻影響可忽略不計(jì)；熱敏電阻靈敏度高， 可探測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍大。對(duì)如上所述兩種情況下熱敏電阻的阻值變化量是否相等，可以采用橋式電路來(lái)確定。以兩 個(gè)輻射探測(cè)芯片上的熱敏電阻作為橋式電路的兩個(gè)臂，以兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)精密電阻作為橋式電路的 另兩個(gè)臂。在其中 一個(gè)輻射探測(cè)芯片上的熱敏電阻和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)精密電阻之間的節(jié)點(diǎn)與另一個(gè)輻射探測(cè)芯片上的熱敏電阻和另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)精密電阻之間的節(jié)點(diǎn)之間加有一定的電功率，使電 橋達(dá)到平衡，電橋輸出為零。若光照條件下與加熱絲兩端加上電壓條件下電橋輸出相等，則 說(shuō)明熱敏電阻阻值的變化量相等，即加熱的電功率等效于接收的光輻射功率。本發(fā)明可以作為主輻射探測(cè)芯片和參考輻射探測(cè)芯片，用于衛(wèi)星上測(cè)量太陽(yáng)輻射的電替代 絕對(duì)輻射計(jì)。工作時(shí)以主輻射探測(cè)芯片和參考輻射探測(cè)芯片的熱敏電阻分別作為橋式電路的 兩個(gè)臂，以兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)精密電阻作為橋式電路的另兩個(gè)臂。在輻射計(jì)工作階段快門打開，太 陽(yáng)光通過(guò)狹縫照射在主輻射探測(cè)芯片上的輻射吸收材料上，輻射吸收材料對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行吸 收，使得主輻射探測(cè)芯片溫度上升直至與熱沉達(dá)到熱平衡，主輻射探測(cè)芯片上的熱敏電阻阻 值改變，電橋達(dá)到一個(gè)新的平衡點(diǎn)，輸出為A;參考階段關(guān)上快門不讓太陽(yáng)輻射到主輻射 探測(cè)芯片的輻射吸收材料上，這時(shí)剛才建立的熱平衡被打破，主輻射探測(cè)芯片的溫度下降， 這時(shí)在主輻射探測(cè)芯片上的加熱絲上加電壓，加熱絲開始發(fā)熱，使得主輻射探測(cè)芯片溫度再 次上升，直到再次達(dá)到熱平衡，電橋輸出為A;這就表明此時(shí)照射到絕對(duì)輻射計(jì)上的未知輻射 照度的熱效應(yīng)同已知電功率的熱效應(yīng)相等，S卩加熱的電功率等效于接收的光輻射功率，這 樣就可以用電功率再現(xiàn)的方法標(biāo)定輻射標(biāo)度。本發(fā)明還可以應(yīng)用于其它熱輻射探測(cè)領(lǐng)域。所述的襯底為具有一定厚度的長(zhǎng)方形片，輻射吸收材料接觸固定于襯底上表面的中間部 分，兩個(gè)熱敏電阻分別接觸固定于襯底上表面輻射吸收材料的兩側(cè)；熱敏電阻上表面通過(guò)導(dǎo) 電粘接材料與上電極引線相連接，下表面通過(guò)導(dǎo)電粘接材料與下電極引線及襯底的上表面相 連接；加熱絲接觸固定于襯底下表面的中間部分，兩個(gè)加熱絲壓點(diǎn)分別接觸固定于襯底下表面加熱絲的兩側(cè)；加熱絲壓點(diǎn)上表面與加熱絲引線相連接，下表面與襯底的下表面相接觸， 端面分別與加熱絲的一端相連接。本發(fā)明的輻射探測(cè)芯片的制作方法包括下列步驟(一) 、選用導(dǎo)熱性好、絕緣性好、熱容小的材料作為襯底；襯底厚度0.05 — 5mm， 一部 分表面粗糙度為1 nm 10nm (rms)，另一部分表面粗糙度為a2nm 5pm (rms)，熱導(dǎo)率 ^5W/K'cm，電阻率為1012-1017n'cm;(二) 、選用高吸收率、低反射率的材料作為輻射吸收材料；在襯底的粗糙度為1 nm l(^m (rms)的表面生長(zhǎng)輻射吸收材料，輻射吸收材料厚度為10nm—2mm，優(yōu)選100nm—500pm，最優(yōu)選lnm—30)im;然后，將輻射吸收材料膜層用掩蔽材料薄膜保護(hù)，防止在制備熱敏電阻 及加熱絲結(jié)構(gòu)時(shí)破壞輻射吸收材料膜層；(三) 、將熱敏電阻粘接于襯底的粗糙度為1 nm 10nm (mis)的表面；(四) 、通過(guò)磁控濺射方法將加熱絲材料沉積于襯底的粗糙度為0.2nm 5^m (rms)的表 面，沉積厚度為50nm—20nm，優(yōu)選100 nm—10pm，最優(yōu)選300nm—3^im;加熱絲材料薄膜 生長(zhǎng)完畢，用光刻工藝在加熱絲材料薄膜上表面形成與加熱絲相同的掩蔽圖形，然后蝕刻形 成加熱絲圖形，去除光刻膠；(五) 、在帶有加熱絲材料薄膜的襯底表面生長(zhǎng)加熱絲保護(hù)膜；加熱絲保護(hù)膜材料選用導(dǎo) 熱性好、絕緣性好、熱容小、易成膜、可圖形化、抗老化性好的材料；然后在加熱絲保護(hù)膜 上表面光刻，使加熱絲上方區(qū)域的光刻膠保留，作為掩蔽層；最后用蝕刻去除其余部分的保 護(hù)膜，去除光刻膠；(六) 、去除輻射吸收材料膜層上表面的掩蔽材料薄膜。 所述步驟(一)中，襯底選用金剛石片。所述步驟(二)中，可以采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積或熱陰極直流等離子體化學(xué)氣相 沉積或?yàn)R射技術(shù)或涂敷技術(shù)或燒結(jié)技術(shù)或電鍍方法在襯底表面制備輻射吸收材料膜層，輻射 吸收材料可以是碳納米管、黑色摻硼金剛石、高石墨相金剛石、碳吸收黑、鎳磷合金吸收黑 材料等，吸收膜層厚度為10nm—2mm;采用電鍍方法制備輻射吸收材料時(shí)，應(yīng)先用磁控濺射 方法在金剛石片上表面制備一層Ni或Cu或Cd或雙層鎳涂層薄膜，作用是(1)作為電鍍陰 極；(2)為了提高涂層與基體的結(jié)合力和耐蝕性。所述步驟(四)中加熱絲材料可以選用康銅或錳銅，通過(guò)或直流磁控濺射或射頻濺射或射 頻磁控濺射方法制備加熱絲。所述步驟(五)中加熱絲保護(hù)膜材料選用Si02或Al203或Si3N4;采用濺射或蒸發(fā)或涂覆 的方法在帶有加熱絲材料薄膜的襯底表面制備加熱絲保護(hù)膜。本發(fā)明的輻射探測(cè)芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸及質(zhì)量都得到了很好的控制。由于襯底選用的是高 熱導(dǎo)率、高絕緣性及低的熱容材料，并且采用MEMS方法把加熱絲及輻射吸收材料牢固地集 成在襯底上，不用膠粘等工藝，熱傳遞能更迅速。采用本發(fā)明輻射探測(cè)芯片作為輻射探測(cè)器 件，可以使絕對(duì)輻射熱計(jì)的靈敏度和響應(yīng)度得到提高，而且時(shí)間常數(shù)小，測(cè)量周期極大縮短， 提高了絕對(duì)輻射計(jì)測(cè)量效率。所以本發(fā)明輻射探測(cè)芯片一個(gè)最大的用途是可以作為航天器上 新型內(nèi)置定標(biāo)基準(zhǔn)源；并且采用本發(fā)明輻射探測(cè)芯片的絕對(duì)輻射計(jì)測(cè)量精度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性 好，可以使航天遙感儀器的星上定標(biāo)精度提高一個(gè)量級(jí)。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。


圖1為本發(fā)明輻射探測(cè)芯片結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1襯底，2輻射吸收材料，9、 IO為熱敏電 阻，15為加熱絲。圖2為本發(fā)明輻射探測(cè)芯片上表面結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖中，l為襯底，2為輻射吸收材料， 9、 IO為熱敏電阻，11、 13為熱敏電阻上電極引線，12、 14為熱敏電阻下電極引線，20、 21 為孔，22、 23為熱敏電阻下電極導(dǎo)電粘接材料，24、 25為熱敏電阻上電極導(dǎo)電粘接材料。圖3本發(fā)明輻射探測(cè)芯片下表面結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖中，l為襯底，15為加熱絲，16、 17 為加熱絲壓點(diǎn)，18、 19為加熱絲引線，20、 21為孔。圖4為熱敏電阻10 (9)、熱敏電阻上電極導(dǎo)電粘接材料24 (25)及熱敏電阻下電極導(dǎo)電 粘接材料22 (23)與襯底l的位置關(guān)系示意圖。圖5為確定熱敏電阻阻值變化量是否相等而采用的橋式電路的電路圖。圖中，9、 10為熱 敏電阻，29、 30標(biāo)準(zhǔn)精密龜阻，31電源。
具體實(shí)施方式
如圖2、 3所示，本發(fā)明輻射探測(cè)芯片包括襯底1，輻射吸收材料2，熱敏電阻9、 10，熱 敏電阻上電極引線11、 13，熱敏電阻下電極引線12、 14，加熱絲15，加熱絲壓點(diǎn)16、 17, 加熱絲引線18、 19,孔20、 21，熱敏電阻下電極導(dǎo)電粘接材料22、 23，熱敏電阻上電極導(dǎo) 電粘接材料24、 25。襯底1為具有一定厚度的長(zhǎng)方形片，其上下表面分別稱為a面和b面。 襯底1的a面分布有輻射吸收材料2，熱敏電阻9、 10，熱敏電阻上電極引線ll、 13，熱敏 電阻下電極引線12、 14，孔20、 21，熱敏電阻下電極導(dǎo)電粘接材料22、 23及熱敏電阻上電極導(dǎo)電粘接材料24、 25。輻射吸收材料2位于襯底1的a面中間部分，并與襯底1接觸固定； 孔20、 21位于襯底1的兩端，貫穿a面和b面；熱敏電阻10位于襯底1的a面輻射吸收材 料2和孔20之間，它的上表面通過(guò)熱敏電阻上電極導(dǎo)電粘接材料24與熱敏電阻上電極引線 11相連接，下表面通過(guò)熱敏電阻下電極導(dǎo)電粘接材料22與熱敏電阻下電極引線12及襯底1 的a面相連接。同理，熱敏電阻9位于襯底1的a面輻射吸收材料2和孔21之間，它的上表 面通過(guò)熱敏電阻上電極導(dǎo)電粘接材料25與熱敏電阻上電極引線13相連接，下表面通過(guò)熱敏 電阻下電極導(dǎo)電粘接材料23與熱敏電阻下電極引線14及襯底1的a面相連接。襯底1的b 面分布有加熱絲15，加熱絲壓點(diǎn)16、 17，加熱絲引線18、 19，孔20、 21。加熱絲15位于襯 底1的b面中間部分，并與襯底1接觸固定；孔20、 21位于襯底1的兩端，貫穿a面和b面； 加熱絲壓點(diǎn)17位于襯底1的b面加熱絲15和孔20之間；加熱絲壓點(diǎn)17上表面與加熱絲引 線18相連接，下表面與襯底1的b面相接觸，端面與加熱絲15的一端相連接。加熱絲壓點(diǎn) 16位于襯底1的b面加熱絲15和孔21之間；加熱絲壓點(diǎn)16上表面與1加熱絲引線19相連 接，下表面與襯底1的b面相接觸，端面與加熱絲15的另一端相連接。 本發(fā)明輻射探測(cè)芯片的制作方法如下1、 襯底制備襯底要求選用導(dǎo)熱性好、絕緣性好、熱容小的金剛石材料制作。金剛石片 熱導(dǎo)率25W/cm，其電阻率為1012-1017D，cm，厚度為0.5mm。金剛石片雙面拋光，粗糙度a 面為lOnrn (rms)， b面粗糙度為2nm (rms)。2、 在襯底的a面制備輻射吸收材料電鍍方法在襯底a面制備輻射吸收材料膜層，輻射 吸收材料采用鎳磷合金吸收黑。首先，在金剛石片a面制備鈦薄膜和Ni薄膜，作用是(1) 作為電鍍陰極；(2)為了提高涂層與基體的結(jié)合力和耐蝕性。然后，用精密脈沖電鑄儀電鍍 鎳磷合金吸收黑材料，電鍍液由硫酸鎳65克/升、硫酸鋅30克/升、硫氰酸鈉13克/升、硫酸 鎳銨40克/升混合而成，鍍液溫度為30°C，電流密度0.1A/dm2，輻射吸收材料膜層厚度為100 nm、 3pm 、 5(am、 7pm、 10pm、 100nm或500nm。最后，將輻射吸收材料膜層用掩蔽材料 薄膜保護(hù)，防止在制備b面結(jié)構(gòu)時(shí)破壞輻射吸收材料膜層。3、 在襯底b面制備加熱絲及加熱絲壓點(diǎn)加熱絲材料用康銅，通過(guò)射頻磁控濺射方法制 備。加熱絲厚度為300 nm、 500nm、 800nm 、 1.2|im 、 1.6pm、 2.0nm、 2.5(am。加熱絲材 料薄膜生長(zhǎng)完畢，采用BP213正性光刻膠進(jìn)行光刻，在加熱絲材料薄膜上表面形成與加熱絲 及加熱絲壓點(diǎn)相同的掩蔽圖形，然后用濕法腐蝕形成加熱絲及加熱絲壓點(diǎn)圖形，用丙酮或?qū)?用去膠劑去除光刻膠。4、 制備保護(hù)膜用射頻濺射濺射方法在襯底b面制備加熱絲Si02保護(hù)膜，在保護(hù)膜上表 面光刻，使加熱絲區(qū)域的光刻膠保留，作為掩蔽層，然后用干法刻蝕去除其余部分的Si02保 護(hù)膜。去除光刻膠。5、 將熱敏電阻和熱敏電阻引線固定于襯底a面熱敏電阻下電極導(dǎo)電粘接材料及熱敏電 阻上電極導(dǎo)電粘接材料采用低溫金漿或銀漿。熱敏電阻下電極引線用低溫金漿或銀漿粘接在 襯底a面上輻射吸收材料的兩端，同時(shí)將熱敏電阻的下電極表面粘接在熱敏電阻下電極引線 上方，然后用低溫金漿或銀漿將熱敏電阻上電極引線固定于熱敏電阻上電極表面。6、 用球焊法或超聲波壓焊或熱壓焊或金漿、銀漿粘接法將加熱絲引線固定于加熱絲壓點(diǎn) 上表面。7、 去除輻射吸收材料膜層上表面的掩蔽材料薄膜。制備金剛石片及在金剛石片上制備碳納米管膜層輻射吸收材料的如下(1) 一次化學(xué)氣相沉積熱沉金剛石片。熱沉片金剛石膜是采用MW-PCVD微波等離子 體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)制備的，它屬于無(wú)極放電方法，在較低氣壓下可得到品質(zhì)極高的高純透 明金剛石膜。沉積時(shí)襯底采用金屬鉬板，襯底處理方法是采用金剛石研磨膏研磨30分鐘， 然后用丙酮、酒精各超聲處理10分鐘。氫氣和甲垸都是通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)控制流量，H2流量 為200sccm， CHU流量為3sccm，微波功率為4.2KW，沉積氣壓為llKPa，襯底溫度為850°C， 生長(zhǎng)速率約3pm/h。制備的金剛石膜片的熱導(dǎo)率為15W/K'cm，其電阻率為1013^cm， 0.4mm 厚，為無(wú)色透明膜。(2) 研磨拋光金剛石熱沉片。由于金屬鉬與金剛石之問(wèn)存在較大的熱膨脹系數(shù)上的差 異，因此金剛石膜在冷卻過(guò)程中很容易從基片上自動(dòng)脫離而成為自支撐的圓片，然后把用 MW-PCVD制備的金剛石膜采用表面化學(xué)刻蝕與機(jī)械拋光研磨相結(jié)合的方法對(duì)金 剛石膜雙面拋光，使金剛石片的一側(cè)表面的粗糙度為50 100nm (rms)，另一 側(cè)表面的粗糙度小于40rnn (rms)，厚度在0.3 0.4mm之間。(3) 切割金剛石熱沉片。采用YAG激光切割技術(shù)對(duì)金剛石膜進(jìn)行高精度切割，達(dá)到所 需設(shè)計(jì)尺寸。(4) 熱沉金剛石片的表面預(yù)處理。先用鉻酸浸泡加熱到3CKTC，加熱時(shí)間為50分鐘， 所用的鉻酸為&203溶于濃硫酸后所得到的飽和溶液；隨即用大量的去離子水沖洗，這樣去 掉了熱沉片上的雜質(zhì)和油脂；然后置于丙酮溶液中超聲清洗15分鐘；再置于酒精中超聲清 洗15分鐘；最后置于去離子水中超聲清洗15分鐘，置于15(TC熱板上烘干。(5)在上述處理后的金剛石片的表面粗糙度為50 100nm的一側(cè)面上進(jìn)行浮動(dòng)催 化法沉積碳納米管膜層。碳納米管薄膜的生長(zhǎng)在水平管式爐中進(jìn)行，首先將盛有上述處理過(guò)的熱沉金剛石片的石 英舟置于石英管中部，二茂鐵催化劑置于石英管口部，升溫階段，反應(yīng)室由N2保護(hù)，控制 其流量為60sccm;當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到700'C時(shí)，通入(:2112氣體，同時(shí)控制<32&氣體的流量為 30sccm， N2的流量控制為150sccm， 二茂鐵質(zhì)量控制在0.45g。反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉C2H2,石 英管在N2氣氛下冷卻到室溫，控制N2流量為50 sccm。實(shí)驗(yàn)中所用C2H2和N2的純度均在 99.5 %以上。控制反應(yīng)時(shí)間為30分鐘，使摻硼黑色金剛石薄膜的厚度介于200nm 30pm。黑色碳納米管是由碳原子成鍵互連形成的管狀結(jié)構(gòu)，直徑范圍2nm 200nm，長(zhǎng)度范 圍50mn l(^m。碳納米管均勻分布在熱沉金剛石片上，碳納米管的分布狀態(tài)呈有序垂直 陣列。黑色碳納米管膜的熱導(dǎo)率為7W/cm，其電阻率為1013￡>cm，粗糙度為50nm 25pm， 厚度介于200nm 3(Vm。制備金剛石片及在金剛石片上制備摻硼金剛石復(fù)合膜輻射吸收材料的如下 (1) 一次化學(xué)氣相沉積制備作為熱沉材料的純金剛石片。熱沉片金剛石片是采用MW-PCVD微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)制備的，它屬于無(wú) 極放電方法，在較低氣壓下可得到品質(zhì)極高的高純透明金剛石膜。沉積時(shí)襯底采用金屬鉬板， 襯底處理方法是采用金剛石研磨膏研磨30分鐘，然后用丙酮、酒精各超聲處理10分鐘。氫 氣和甲垸都是通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)控制流量，H2流量為200sccm， CILt流量為3sccm，微波功率 為4.2KW，沉積氣壓為llKPa，襯底溫度為850'C，生長(zhǎng)速率約3nm/h。制備的金剛石膜片 的熱導(dǎo)率為15W/K'cm，其電阻率為1013i>cm， 0.4mm厚，為無(wú)色透明膜。(2) 研磨拋光熱沉金剛石片。由于金屬鉬與金剛石之問(wèn)存在較大的熱膨脹系數(shù)上的差異，因此金剛石膜在冷卻過(guò)程中 很容易從基片上自動(dòng)脫離，然后把用MW-PCVD制備的金剛石片采用表面化學(xué)刻蝕、 機(jī)械拋光研磨的方法對(duì)金剛石膜雙面拋光，使其 一 側(cè)表面的粗糙度為5 0 10 0 n m (rms)，另一側(cè)表面的粗糙度小于40nm (rms)。(3) 切割熱沉金剛石片。采用YAG激光切割技術(shù)對(duì)金剛石膜進(jìn)行高精度切割，達(dá)到所需設(shè)計(jì)尺寸。(4) 熱沉金剛石片的表面預(yù)處理。先用鉻酸浸泡加熱到300°C，加熱時(shí)間為50分鐘，所用的鉻酸為0203溶于濃硫酸后所得到的飽和溶液；隨即用大量的去離子水沖洗，這樣去掉了熱沉片上的雜質(zhì)和油脂；然后置 于丙酮溶液中超聲清洗15分鐘；再置于酒精中超聲清洗15分鐘；最后置于去離子水中超聲 清洗15分鐘，置于150'C熱板上烘干。(5)在上述處理后的金剛石片的表面粗糙度為50 100nm的一側(cè)面上進(jìn)行二次化 學(xué)氣相沉積黑色摻硼金剛石膜。將上述經(jīng)處理后的熱沉金剛石片放置在HC-PCVD熱陰極直流等離子體化學(xué)氣相沉積系 統(tǒng)的試樣臺(tái)上，進(jìn)行黑色摻硼金剛石薄膜的沉積。沉積前對(duì)對(duì)HC-PCVD熱陰極直流等離子體 化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中的加熱源鉭電極進(jìn)行表面打磨凈化處理，并用氫氣和丙酮加熱預(yù)處理 30分鐘，使鉭電極表面去除氧化層雜質(zhì)，并在鉭電極表面形成一層碳化鉭覆蓋層，以抑制 過(guò)程中鉭的揮發(fā)和減少雜質(zhì)的引入。以H2和CH4和硼酸三甲酯作沉積氣體，沉積過(guò)程中采 用的硼源為硼酸三甲酯[B(0CH3)J。硼酸三甲酯易揮發(fā)，可由氫氣攜帶進(jìn)入反應(yīng)室，其流量 由質(zhì)量流量計(jì)控制。二次化學(xué)氣相沉積黑色摻硼金剛石膜的工藝條件為氫氣和甲垸的流量為H2 = 170sccm， CH4 = 8sccm，硼酸三甲酯的流量為12 sccm;沉積室內(nèi)的溫度為900°C;沉積室 內(nèi)的氣壓為135 Torr;施加偏壓760V，電流為8. 9A，沉積時(shí)間為3小時(shí)，獲得的黑色摻硼 金剛石薄膜的厚度介于20 30pm。黑色摻硼金剛石膜是由大量的硼原子均勻分布在金剛石 '晶體中形成。摻硼黑色金剛石薄膜的表面以(111)晶面為主的微納尺寸金剛石晶粒組成， 熱導(dǎo)率為10W/K《m，其電阻率為l(^acm，粗糙度為5nm 3(Vm，黑色摻硼金剛石的晶粒 直徑為lnm 30nm，晶體形狀為八面體，晶粒間形成凹坑。制備金剛石片及在金剛石片上制備高石墨相金剛石膜層輻射吸收材料的如下a. —次化學(xué)氣相沉積金剛石熱沉片。采用MW-PCVD微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)制備金剛石熱沉片，以H2和CHW乍原 料介質(zhì)、金屬鉬片作襯底，它屬于無(wú)極放電方法，在較低氣壓下可得到品質(zhì)極高的高純透明 金剛石膜。襯底處理方法是采用金剛石研磨膏研磨15分鐘，然后用丙酮、酒精各超聲處理 10分鐘。氫氣和甲烷都是通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)控制流量，H2流量為200sccm， CILt流量為3sccm， 微波功率為4.2KW，沉積氣壓為llKPa，襯底溫度為85(TC，生長(zhǎng)速率約3pm/h。制備的金 剛石膜片的熱導(dǎo)率為15W/K《m，其電阻率為1013i>cm， 0.4mm厚，為無(wú)色透明膜。b. 研磨拋光金剛石熱沉片。由于金屬鉬與金剛石之間存在較大的熱膨脹系數(shù)上的差異， 因此金剛石膜在冷卻過(guò)程中很容易從基片上自動(dòng)脫離，然后把用MW-PCVD制備的0.4mm厚金剛石膜先采用表面化學(xué)刻蝕，然后機(jī)械研磨拋光(金剛石膜鏡面拋光機(jī))相 結(jié)合的方法對(duì)金剛石膜雙面拋光，得到金剛石膜片厚度為0.35mm，金剛石片的 一側(cè)表面粗糙度為50 100nm (rms)，另 一側(cè)表面粗糙度小于40nm (rms)。c. 切割金剛石熱沉片。采用YAG激光切割實(shí)現(xiàn)金剛石膜的高精度切割，尺寸誤差約在 0.05 0.1mm之間，最后得到1.5><12><0.35mm的金剛石熱沉片。d. 金剛石熱沉片的表面預(yù)處理。先用鉻酸浸泡加熱到30(TC，加熱時(shí)間為50分鐘，所用 的鉻酸為&203溶于濃硫酸后所得到的飽和溶液；隨即用大量的去離子水沖洗，這樣去掉了 熱沉片上的雜質(zhì)和油脂；然后置于丙酮溶液中超聲清洗15分鐘；再置于酒精中超聲清洗15 分鐘；最后置于去離子水中超聲清洗15分鐘，置于150'C熱板上烘干。e. 二次化學(xué)氣相沉積黑色金剛石膜。將上述經(jīng)處理的金剛石熱沉片放置在HC-PCVD熱 陰極直流等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的試樣臺(tái)上，在粗糙度為50 100nm的一側(cè)表面 上進(jìn)行黑色金剛石薄膜的沉積。沉積前對(duì)HC-PCVD熱陰極直流等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng) 中的加熱源鉭電極進(jìn)行表面打磨凈化處理，并用氫氣和丙酮加熱預(yù)處理30分鐘，使鉭電極 表面去除氧化層雜質(zhì)，并在鉭電極表面形成一層碳化鉭覆蓋層，以抑制過(guò)程中鉭的揮發(fā)和減 少雜質(zhì)的引入。二次化學(xué)氣相沉積黑色金剛石膜的工藝參數(shù)為氫氣和甲烷的流量分別為 H2 = 160sccm， CH4 = 5sccm,;沉積室內(nèi)的溫度為700°C;沉積室內(nèi)的氣壓為130Torr;施加 偏壓700V,電流為8.2A;沉積時(shí)間為2小時(shí)。獲得厚度為20|mi的黑色金剛石膜層。該膜即 為含有石墨相的黑色金剛石膜層，其熱導(dǎo)率為6W/K*cm、電阻率為108Q*cm，該膜層表面具 有微納米凹凸結(jié)構(gòu)，粗糙度為15nm，該膜層金剛石的晶粒直徑為lnm 10pm，晶粒間形成 凹坑，在凹坑周圍形成以(111)晶面為主的直立的微納米尺寸金剛石晶粒陣列，形成光局 域化膜。即獲得由含有石墨相的黑色金剛石膜層與純金剛石片層復(fù)合而成的吸收輻射復(fù)合金剛 石熱交換膜片。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明的輻射探測(cè)芯片進(jìn)行各種改動(dòng)和變形而不脫離本發(fā) 明的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變形屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù) 的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變形在內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種輻射探測(cè)芯片，包括輻射吸收材料，加熱絲；其特征在于還包括襯底，熱敏電阻；所述的襯底選用高熱導(dǎo)率、高絕緣性、低熱容的材料；輻射吸收材料、熱敏電阻及加熱絲分別接觸固定于襯底的表面。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測(cè)芯片，其特征在于所述的襯底為具有一定厚度的長(zhǎng)方 形片，輻射吸收材料接觸固定于襯底上表面的中間部分，兩個(gè)熱敏電阻分別接觸固定于襯底 上表面輻射吸收材料的兩側(cè)；熱敏電阻上表面通過(guò)導(dǎo)電粘接材料與上電極引線相連接，下表 面通過(guò)導(dǎo)電粘接材料與下電極引線及襯底的上表面相連接；加熱絲接觸固定于襯底下表面的 中間部分，兩個(gè)加熱絲壓點(diǎn)分別接觸固定于襯底下表面加熱絲的兩側(cè)；加熱絲壓點(diǎn)上表面與 加熱絲引線相連接，下表面與襯底的下表面相接觸，端面分別與加熱絲的一端相連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的輻射探測(cè)芯片，其特征在于所述的襯底為金剛石片，其厚度為 0.05 — 5mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的輻射探測(cè)芯片，其特征在于所述的輻射吸收材料選用碳納米管、 黑色摻硼金剛石、高石墨相金剛石、碳吸收黑或鎳磷合金吸收黑材料；輻射吸收材料厚度為 10nm—2mm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的輻射探測(cè)芯片，其特征在于加熱絲材料選用康銅或錳銅。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種輻射探測(cè)芯片，包括襯底，輻射吸收材料，熱敏電阻，加熱絲；所述的襯底選用高熱導(dǎo)率、高絕緣性、低熱容的材料；輻射吸收材料、熱敏電阻及加熱絲分別接觸固定于襯底的表面。由于輻射吸收材料、熱敏電阻和加熱絲都接觸固定于高熱導(dǎo)率、高絕緣性、低熱容的襯底上，因而本發(fā)明體積小、熱容小，與熱沉外殼之間熱傳導(dǎo)快；加熱絲電阻大，引線電阻影響可忽略不計(jì)；熱敏電阻靈敏度高，可探測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍大，可以作為航天器上新型內(nèi)置定標(biāo)基準(zhǔn)源，也可以應(yīng)用于其它熱輻射探測(cè)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01J5/02GK101246051SQ20081005050
公開日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2008年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月18日
發(fā)明者新 葉, 偉 方, 梁靜秋, 王玉鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所