一種熱釋電紅外探測(cè)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)施例公開了一種熱釋電紅外探測(cè)器，包括：底座，設(shè)有第一引腳和第二引腳；殼體，設(shè)置在底座上，并與底座圍成收容空間；紅外敏感元件，位于收容空間內(nèi)，并支撐在底座上，該紅外敏感元件由單晶鉭酸鋰晶片制成；紅外吸收層，設(shè)置在紅外敏感元件的上表面上；上電極，設(shè)置在紅外吸收層的上表面上，并與第一引腳電連接；下電極，設(shè)置在紅外敏感元件的下表面上，并與第二引腳電連接。本發(fā)明實(shí)施例中的熱釋電紅外探測(cè)器響應(yīng)率高，噪聲低，探測(cè)率高。
【專利說明】一種熱釋電紅外探測(cè)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱釋電紅外探測(cè)器。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003]當(dāng)今世界各國競(jìng)相發(fā)展紅外探測(cè)和成像技術(shù)，其應(yīng)用遍及軍事、航天、科研、醫(yī)療、工業(yè)等眾多領(lǐng)域。紅外探測(cè)器主要分為光子型紅外探測(cè)器和熱型紅外探測(cè)器兩大類。目前常見的光子型紅外探測(cè)器主要采用以碲鎘汞為代表的窄禁帶半導(dǎo)體材料和以砷化鎵為代表的光電子半導(dǎo)體材料。但半導(dǎo)體紅外器件一般需要低溫致冷工作，體積大、成本高、功耗大。
[0004]而利用材料熱釋電效應(yīng)研制的熱釋電紅外探測(cè)器由于其在紫外波段、可見波段、紅外波段具有平坦的光譜響應(yīng)，同時(shí)具有無需致冷、功耗低、噪聲帶寬小、結(jié)構(gòu)緊湊、便于攜帶、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前紅外【技術(shù)領(lǐng)域】中最引人矚目的焦點(diǎn)之一。從20世紀(jì)70年代至今，一直在積極進(jìn)行非致冷熱成像技術(shù)的研宄，其核心是非致冷紅外焦平面陣列技術(shù)。隨著熱釋電紅外探測(cè)器向低成本、低功耗及小型化發(fā)展，熱釋電紅外探測(cè)器正從軍用市場(chǎng)向民用市場(chǎng)快速拓展，尤其是在人體探測(cè)、火災(zāi)預(yù)警、氣體分析、紅外光譜儀以及紅外熱成像等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，同時(shí)體現(xiàn)了巨大的市場(chǎng)潛力。
[0005]目前用于熱釋電紅外焦平面陣列器件的材料主要包括鋯鈦酸鉛(PZT)，鈦酸鍶鋇(BST)和鉭鈧酸鉛(PST)等，這些傳統(tǒng)材料有著熱釋電系數(shù)低、介電損耗大以及物理性能不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，很難滿足高性能熱釋電紅外探測(cè)器及其延伸產(chǎn)品的應(yīng)用要求。因此同時(shí)克服以上材料的缺點(diǎn)，探索獲得高探測(cè)優(yōu)值的新型熱釋電材料成為目前發(fā)展非制冷紅外器件的迫切需求。
[0006]傳統(tǒng)熱釋電紅外探測(cè)器的靈敏元件的厚度往往局限于減薄拋光技術(shù)，以致影響了最終器件的性能。如PZT陶瓷的厚度一般只能減薄至60um，而且減薄的成品率和一致性較差。因此，優(yōu)化和完善大尺寸晶片超薄減薄拋光工藝至關(guān)重要。
[0007]另外，傳統(tǒng)熱釋電紅外探測(cè)器的靈敏元件一般為全電極，面積固定，若想減小電極面積以調(diào)控靈敏元件的電學(xué)參數(shù)用于其它用途則不容易實(shí)現(xiàn)，因此也需要在電極尺寸的調(diào)整方面進(jìn)行改進(jìn)。
[0008]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的之一是提供一種具有高響應(yīng)率、低噪聲和高探測(cè)率的熱釋電紅外探測(cè)器。
[0010]本發(fā)明公開的技術(shù)方案包括:
提供了一種熱釋電紅外探測(cè)器，其特征在于，包括:底座，所述底座上設(shè)有第一引腳和第二引腳；殼體，所述殼體設(shè)置在所述底座上，并與所述底座圍成收容空間，所述殼體上設(shè)有窗口 ；紅外敏感元件，所述紅外敏感元件位于所述收容空間內(nèi)，并支撐在所述底座上，所述紅外敏感元件由單晶鉭酸鋰晶片制成；紅外吸收層，所述紅外吸收層設(shè)置在所述紅外敏感元件的上表面上；上電極，所述上電極設(shè)置在所述紅外吸收層的上表面上，并與所述第一引腳電連接；下電極，所述下電極設(shè)置在所述紅外敏感元件的下表面上，并與所述第二引腳電連接；其中紅外福射能夠通過所述窗口入射到所述上電極上。
[0011]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括絕熱元件，所述絕熱元件設(shè)置在所述紅外敏感元件與所述底座之間。
[0012]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述絕熱元件為中空的陶瓷片。
[0013]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述紅外敏感元件通過支架支撐在所述底座上。
[0014]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述紅外吸收層由多壁碳納米管材料制成。
[0015]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述紅外敏感元件的厚度為10微米。
[0016]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括電流模式電路，所述電流模式電路電連接到所述紅外敏感元件。
[0017]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述電流模式電路為帶負(fù)反饋的電流模式電路。
[0018]本發(fā)明實(shí)施例中的熱釋電紅外探測(cè)器響應(yīng)率高，噪聲低，探測(cè)率高。
[0019]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的熱釋電紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電流模式電路的示意圖。
[0022]圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的熱釋電紅外探測(cè)器的響應(yīng)率(Vs)隨頻率(頻率范圍
0.5Hz至IkHz)的變化關(guān)系的圖。
[0023]

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例的熱釋電紅外探測(cè)器的具體結(jié)構(gòu)。
[0025]圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的熱釋電紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，一種熱釋電紅外探測(cè)器包括底座1、殼體3和紅外敏感元件5。
[0026]底座I上設(shè)有第一引腳2a和第二引腳2c。本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，底座上還可以設(shè)有第三引腳2b和/或2d，用于接地。
[0027]殼體3設(shè)置在底座I上，并且與底座I圍成收容空間S。殼體3上設(shè)有窗口 4。紅外輻射可以通過該窗口 4入射到收容空間S中。
[0028]紅外敏感元件5位于(即，設(shè)置于)殼體3和底座I圍成的收容空間S內(nèi)，例如，紅外敏感元件5可以支撐在底座I上。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，紅外敏感元件5可以通過支架11懸空地支撐在底座I上。這樣，能夠降低紅外敏感元件5與環(huán)境之間的熱傳導(dǎo)和熱損耗，從而提尚探測(cè)率。
[0029]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，紅外敏感元件5可以由單晶鉭酸鋰晶片制成。一個(gè)實(shí)施例中，紅外敏感元件5 (即單晶鉭酸鋰晶片)的厚度可以為10微米。例如，可以將單晶鉭酸鋰晶片進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，將其厚度減薄至10微米，從而獲得紅外敏感元件5。這樣，可以利用鉭酸鋰單晶的高熱釋電系數(shù)、高居里溫度、低介電損耗和適中介電常數(shù)等特點(diǎn)，獲得具有高響應(yīng)率、低噪聲和高探測(cè)率的性能優(yōu)異的熱釋電紅外探測(cè)器。
[0030]如圖1所示，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，熱釋電紅外探測(cè)器還設(shè)有絕熱元件10。該絕熱元件10設(shè)置在紅外敏感元件5和底座I之間，用于隔絕紅外敏感元件5與底座I之間的熱傳遞。
[0031]一個(gè)實(shí)施例中，該絕熱元件10可以為中空的陶瓷片。
[0032]該實(shí)施例中，由中空的陶瓷片形成該絕熱元件10，可以有利于隔絕紅外敏感元件5與底座I之間的熱傳遞，且絕熱元件10的中空結(jié)構(gòu)也可以有利于將紅外敏感元件5懸空地固定于容納空間S中。
[0033]如圖1所示，紅外敏感元件5上設(shè)有紅外吸收層6。一個(gè)實(shí)施例中，該紅外吸收層6可以由多壁碳納米管材料制成，例如，通過噴涂法形成在紅外敏感元件5的上表面上。由多壁碳納米管材料制成的紅外吸收層的紅外吸收率更高，可以高達(dá)90%以上。
[0034]紅外吸收層6的上表面上設(shè)有上電極7，例如通過濺射沉積的方法形成。該上電極7通過導(dǎo)線9a與底座I上的第一引腳2a電連接。
[0035]紅外敏感元件5的下表面上設(shè)有下電極8，例如通過濺射沉積的方法形成。該下電極8通過導(dǎo)線9b與底座I上的第二引腳2c電連接。
[0036]一個(gè)實(shí)施例中，上電極7和/或下電極8可以由鎳鉻合金制成。
[0037]本發(fā)明的實(shí)施例中，該熱釋電紅外探測(cè)器組裝完成之后，紅外輻射可以通過殼體3上的窗口 4入射到前述的上電極7上，S卩，窗口 4設(shè)置在使紅外輻射能夠通過它入射到上電極7上的位置處。
[0038]根據(jù)前述的實(shí)施例，由于熱釋電材料兩端產(chǎn)生的電壓導(dǎo)致電極的重合部分才有電流產(chǎn)生，因此紅外敏感元件5的有效面積即為上電極7和下電極8的重合的部分，因此通過調(diào)節(jié)上電極7的面積，即可以靈活改變紅外敏感元件5的有效面積，從而克服紅外敏感元件5的有效面積極小時(shí)操作不便的困難，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外敏感元件的電學(xué)參數(shù)的有效控制，以發(fā)展熱釋電探測(cè)器的多方面用途。
[0039]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該熱釋電紅外探測(cè)器還設(shè)有電流模式電路，該電流模式電路電連接到紅外敏感元件5。例如，一個(gè)實(shí)施例中，該電流模式電路可以為帶負(fù)反饋的電流模式電路。帶負(fù)反饋的電流模式電路可更好地與鉭酸鋰單晶紅外敏感元件進(jìn)行匹配，充分發(fā)揮電流型單晶的性能優(yōu)勢(shì)，得到具有更高探測(cè)率的熱釋電紅外探測(cè)器。
[0040]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電流模式電路的示意圖。如圖2所示，該電流模式電路主要包括反饋電阻Rf、反饋電容Cf、前置放大器(例如低電流噪聲和低電壓噪聲的AD795)、供電電源、屏蔽系統(tǒng)等。經(jīng)過測(cè)試，例如選用20G歐姆的反饋電阻和0.25pF的反饋電容時(shí)響應(yīng)最高。入射到紅外敏感元件表面的調(diào)制紅外輻射，在其表面產(chǎn)生溫度變化，進(jìn)而紅外敏感元件在熱釋電效應(yīng)的作用下產(chǎn)生電荷，通過外部連接電路以電流形式輸出，經(jīng)前置放大器輸入端進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大，放大的信號(hào)通過前置放大器輸出端輸出，利用鎖相放大器即可讀出。
[0041]本發(fā)明實(shí)施例中的熱釋電紅外探測(cè)器響應(yīng)率高，噪聲低，探測(cè)率高。例如，如圖3所示，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的熱釋電紅外探測(cè)器的響應(yīng)率(Vs)隨頻率(頻率范圍0.5Hz至IkHz)的變化關(guān)系的圖。
[0042]以上通過具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限于這些具體的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，還可以對(duì)本發(fā)明做各種修改、等同替換、變化等等，這些變換只要未背離本發(fā)明的精神，都應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。此外，以上多處所述的“一個(gè)實(shí)施例”表示不同的實(shí)施例，當(dāng)然也可以將其全部或部分結(jié)合在一個(gè)實(shí)施例中。
【權(quán)利要求】
1.一種熱釋電紅外探測(cè)器，其特征在于，包括: 底座，所述底座上設(shè)有第一引腳和第二引腳； 殼體，所述殼體設(shè)置在所述底座上，并與所述底座圍成收容空間，所述殼體上設(shè)有窗P ； 紅外敏感元件，所述紅外敏感元件位于所述收容空間內(nèi)，并支撐在所述底座上，所述紅外敏感元件由單晶鉭酸鋰晶片制成； 紅外吸收層，所述紅外吸收層設(shè)置在所述紅外敏感元件的上表面上； 上電極，所述上電極設(shè)置在所述紅外吸收層的上表面上，并與所述第一引腳電連接； 下電極，所述下電極設(shè)置在所述紅外敏感元件的下表面上，并與所述第二引腳電連接; 其中紅外輻射能夠通過所述窗口入射到所述上電極上。
2.如權(quán)利要求1所述的熱釋電紅外探測(cè)器，其特征在于:還包括絕熱元件，所述絕熱元件設(shè)置在所述紅外敏感元件與所述底座之間。
3.如權(quán)利要求2所述的熱釋電紅外探測(cè)器，其特征在于:所述絕熱元件為中空的陶瓷片。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的熱釋電紅外探測(cè)器，其特征在于:所述紅外敏感元件通過支架支撐在所述底座上。
5.如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的熱釋電紅外探測(cè)器，其特征在于:所述紅外吸收層由多壁碳納米管材料制成。
6.如權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的熱釋電紅外探測(cè)器，其特征在于:所述紅外敏感元件的厚度為10微米。
7.如權(quán)利要求1至6中任意一項(xiàng)所述的熱釋電紅外探測(cè)器，其特征在于:還包括電流模式電路，所述電流模式電路電連接到所述紅外敏感元件。
8.如權(quán)利要求7所述的熱釋電紅外探測(cè)器，其特征在于:所述電流模式電路為帶負(fù)反饋的電流模式電路。
【文檔編號(hào)】G01J5/20GK104458007SQ201410763213
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】劉子驥, 梁志清, 王濤, 黎威志, 蔣亞東 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)