專利名稱：薄膜熱敏電阻紅外探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測技術(shù)中的一種檢測裝置。
紅外探測技術(shù)，其應(yīng)用極其廣泛，不僅可用于空間技術(shù)中，也廣泛地應(yīng)用于民用領(lǐng)域。目前已有的原理類似的專利技術(shù)有美國的“浸沒型薄片熱敏電阻測輻射熱計”(US.3,121,208)，和國內(nèi)的“共襯底熱敏電阻紅外探測器”(CN92206035)，美國的測輻射熱計其敏感電阻薄片是用物理方法以預(yù)定比例把材料混合攪拌后燒結(jié)成的，他的生成過程是首先將錳鎳鈷三元素的氧化物按一定的比例預(yù)混合后放入球磨機(jī)中研磨起到充分?jǐn)嚢杈鶆蚝脱屑?xì)的作用。然后以厚膜工藝中常用的流涎法成型工藝形成十幾微米厚的薄層，烘干后放入高溫爐中燒結(jié)成具有尖晶石結(jié)構(gòu)的熱敏電阻，在切成所需尺寸后在薄片二側(cè)復(fù)蓋上金層，中間留出敏感面。在金層上用變截面的白金細(xì)絲涂上金漿，在高溫下燒結(jié)成牢固的接頭。在經(jīng)過電性能測試篩選后，把合格片子浸沒在鍺透鏡上。浸沒工藝的過程是在已鍍增透層的鍺透鏡上用真空鍍膜蒸上一層約10微米厚材料為80％硒20％砷的硒砷玻璃，把已鍍上硒砷玻璃的鍺透鏡放入一加溫爐中升溫至玻璃軟化，把已制成的合格片子放入一重塊的凹槽內(nèi)，凹槽周圍用高頻圈加熱。當(dāng)高頻圈把重塊及熱敏薄片加熱后，此時加溫爐也已使硒砷玻璃軟化，以重塊的重量所形成的壓力，把薄片壓入玻璃中，壓入玻璃中的深度由重塊凹槽的深度決定。此方法直到目前還只能將一片敏感薄片浸沒在鍺透鏡上，而另一片補(bǔ)償片需安置在鍺透鏡之外；而國內(nèi)浸沒型薄片熱敏電阻紅外探測器技術(shù)與美國專利在工藝上不盡相同，在薄片制備工藝上，它是采用化學(xué)合成的方法制得含水糊狀漿料，然后放入粘合劑充分?jǐn)噭蚝罂靖?，在研缽中研?xì)過篩，濾出細(xì)粉后攤在平片上加壓，壓成薄片后在高溫下燒結(jié)，然后鍍上金層留出敏感面，在金層上以涂錫細(xì)銅絲焊接在金層上制得熱敏電阻薄片，在經(jīng)過電性能篩選后，把合格片浸沒在鍺透鏡上。浸沒工藝為在鍺透鏡上，真空蒸發(fā)上二層尺寸一樣的硒砷基材料，下層與鍺透鏡相接的為硒砷玻璃，上層為硒砷硫鉈四元素玻璃，此二者軟化點不同，四元素玻璃的軟化點為85℃左右。然后把已鍍上二層玻璃的鍺透鏡放入加溫爐中，操作人員借助顯微鏡，將熱敏薄片置放在四元素玻璃上的預(yù)定位置，當(dāng)爐溫升到上層四元素玻璃軟化時，操作人員手持一小筆，將筆毛壓在薄片上，使之下陷，下陷深度無法控制，也無法測量，全憑操作人員自我感覺的手感。這種方法雖然是以人工操作，但卻比美國技術(shù)隨意性大，可以把敏感電阻與補(bǔ)償電阻同時浸沒在同一鍺透鏡襯底上，以獲得較佳的溫度補(bǔ)償，這樣就形成了專利(CN92206035)“共襯底型熱敏電阻紅外探測器。共襯底技術(shù)由于敏感電阻與補(bǔ)償電阻同時浸沒在鍺透鏡上同時受到了光照，而補(bǔ)償片不應(yīng)受到光照，需要掩蔽起來，其方法是在補(bǔ)償片的光路上鍍上一層能反射紅外輻射的金或鋁層。共襯底浸沒技術(shù)雖在溫度補(bǔ)償上有優(yōu)點，但由于需人工操作浸沒二次，因而不可避免帶來成品率比單一浸沒要低的缺點。
由上述兩方法制備的紅外探測裝置，都需用大量設(shè)備，且工序多、工藝繁瑣，制得的熱敏電阻敏感層厚度比較厚，尺寸控制也比較難。
本發(fā)明的目的在于提出一種主要由鍺透鏡、阻擋層、介質(zhì)層、導(dǎo)電層、敏感層和過度電極所組成的薄膜熱敏電阻紅外探測器，它不僅在制造中各工藝參數(shù)可調(diào)可控，大大改善了一致性和重復(fù)性，而且產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案在于，它主要由聚光鍺透鏡、阻擋層、類金剛石膜介質(zhì)層、鉻金導(dǎo)電層、薄膜熱敏電阻、內(nèi)引線、陶瓷或其他絕緣材料的過渡電極和一外殼所組成。薄膜熱敏電阻紅外探測器是一種能在室溫環(huán)境中工作、不接觸目標(biāo)對象就能感知該目標(biāo)在不同溫度時輻射出來的紅外輻射能量的探測器。當(dāng)紅外輻射投射到薄膜敏感材料上時，引起敏感材料溫度升高，該材料的電阻隨之變化。在由一采光敏感電阻與另一不采光補(bǔ)償電阻組成的橋式電路中，敏感電阻由于光輻射照射后電阻發(fā)生變化，引起橋路不平衡而產(chǎn)生信號輸出，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的輻射能量或溫度的檢測。由于目標(biāo)輻射的能量較弱，因而輸出信號也較小，如單純通過電路放大，信號雖然增加了，但噪聲也隨之增大，不能改變其信噪比。因而探測微弱信號時，要獲得有足夠大的信噪比和較大的輸出信號，只能設(shè)法增加敏感面上的接收能量。一般是采用在熱敏電阻敏感面前增加一光學(xué)系統(tǒng)以起到聚光作用來增加敏感面接收的能量。本探測器是采用半球或超半球的能透過紅外的鍺透鏡，以起到聚光增加能量密度的作用，經(jīng)過計算，加了鍺透鏡后能獲得十幾倍的光學(xué)增益。但鍺是半導(dǎo)體，電阻率不大，錳鎳鈷三元素氧化物薄膜熱敏電阻的電阻值一般為105-106Ω量級，如把它直接鍍在鍺表面上會引起短路，因而在鍺與薄膜熱敏電阻之間必需要有一層既能透紅外，又有很高的絕緣電阻的過渡層，也就是所謂的介質(zhì)層。為提高光學(xué)增益，還必需考慮到鍺-介質(zhì)層-敏感層三者折射率的合理匹配。我們采用的類金剛石膜，其折射率為2左右。類金剛石膜是一種在物理、化學(xué)、電學(xué)、機(jī)械等方面具有優(yōu)良性能的新型薄膜，它是采用真空鍍膜技術(shù)沉積在鍺透鏡表面上的。它同鍺有很好的結(jié)合強(qiáng)度，優(yōu)良的透紅外性能，良好的電氣性能，是一種很適用的介質(zhì)層。本發(fā)明中最關(guān)鍵的敏感層-薄膜熱敏電阻是采用了以錳鎳鈷三元素合金靶在氧氣氣氛中濺射而生成的。薄膜熱敏電阻中的錳鎳鈷三元素的原子比為錳占60至80％，鎳占14至5％、鈷占26至15％。本探測器的敏感層幾何尺寸、鉻金導(dǎo)電層的幾何尺寸及定位精度都是通過光刻工藝和鍍膜技術(shù)得到保證的。
本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)全部工藝都采用了先進(jìn)現(xiàn)代的真空鍍膜、光刻、熱壓焊接等半導(dǎo)體工藝，工藝參數(shù)易于控制與調(diào)整。工藝上的一致性、可靠性、重復(fù)性大大高于浸沒型。
(2)由于浸沒型的工藝繁雜、工序多，每道工序都會引入不利的因素，最終影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成品率。而本發(fā)明工序少，工藝簡單。
(3)浸沒型的浸沒工藝，由于必需選用低熔點材料，因而大大限制了對介質(zhì)層材料的選擇，而本發(fā)明由于沒有浸沒工藝，所以對介質(zhì)層材料有較寬、較大的選擇余地。
(4)熱敏電阻型紅外探測器其介質(zhì)層的性能與厚度直接影響探測器的各項電參數(shù)性能，影響探測器的重復(fù)性、一致性及可靠性。在上述國內(nèi)外浸沒型探測器中，介質(zhì)層的性能與厚度主要取決于浸沒工藝。國內(nèi)，該浸沒工藝主要靠人工操作，介質(zhì)層的厚度無法嚴(yán)格控制。美國的技術(shù)較之國內(nèi)要好，基本上能把厚度控制到所需的范圍，但操作比較復(fù)雜，而且也不易精確控制。在介質(zhì)層性能方面則都存在著共同性的缺點，因介質(zhì)層是某一種配比的硒砷合金，由于各元素的蒸發(fā)溫度不同，從而在真空蒸發(fā)過程中不可避免要發(fā)生分餾現(xiàn)象，導(dǎo)致介質(zhì)層組分的梯度變化。這現(xiàn)象在上述兩種國內(nèi)外浸沒工藝中都是普遍存在的，是無法克服的。美國在79年、80年的NASA報告中對噪聲變大失效探測器的故障分析，其結(jié)論就是探測器噪聲變大的原因是因為介質(zhì)層的分餾，在表面形成富硒層的晶化所引起的。而本發(fā)明的介質(zhì)層不存在分餾現(xiàn)象，且厚度均勻一致，可以嚴(yán)格控制到所需的厚度，因此可以明顯提高探測器的一致性、重復(fù)性和可靠性。
(5)焊接點的可靠性。美國的焊接方法，焊點比較可靠，但工藝繁雜。國內(nèi)是采用在薄的金層上錫焊的工藝，該焊接方法存在的缺點是錫與金極易形成合金，從而產(chǎn)生難以克服的錫‘吃’金現(xiàn)象，因此焊點質(zhì)量極不穩(wěn)定，導(dǎo)致產(chǎn)品成品率低，質(zhì)量不穩(wěn)定。而本發(fā)明是采用半導(dǎo)體工藝中的熱壓焊工藝，焊點穩(wěn)定可靠。
(6)本發(fā)明最明顯的優(yōu)點是在響應(yīng)時間即時間常數(shù)上。影響時間常數(shù)的主要參數(shù)有兩個一是敏感層的厚度，即其熱容的大小；另一是介質(zhì)層的厚度與熱導(dǎo)性能。對浸沒型探測器而言，因為離不開浸沒工藝，所以其介質(zhì)層材料的選擇余地有限，直到目前為止，還只有用硒砷基材料，尚無其他材料可供選用，由于在浸沒工藝中(包括美國和國內(nèi))介質(zhì)層要經(jīng)受熔化-擠壓-冷卻等步驟，其最后生成的厚度比較難以控制，而且有明顯的應(yīng)力產(chǎn)生。介質(zhì)層厚度直接與時間常數(shù)有關(guān)，因而要獲得比較一致的時間常數(shù)較難，而本發(fā)明中的介質(zhì)層厚度可以很容易控制到所需范圍，均勻性、一致性非常好，從而保證了所需的時間常數(shù)的一致性和重復(fù)性，且可按要求調(diào)整。另一影響時間常數(shù)的重要因素是敏感層的自身厚度。美國和國內(nèi)的敏感層厚度均為10μm左右，其時間常數(shù)為毫秒級。美國的產(chǎn)品可達(dá)到1ms，而國內(nèi)由于工藝水平的限制，最小只能達(dá)到2ms。本發(fā)明中的薄膜厚度僅為它們的幾分之一，理論上，時間常數(shù)也應(yīng)該僅為它們的幾分之一，明顯地小于現(xiàn)有的浸沒型探測器的時間常數(shù)，從而明顯地提高了探測速度。
(7)本發(fā)明提供的薄膜熱敏電阻紅外探測器，其應(yīng)用極其廣泛，不僅在空間技術(shù)中，而且在民用領(lǐng)域中均可獲得廣泛應(yīng)用，并在不斷開發(fā)出新的應(yīng)用。如作為紅外輻射溫度計可用于土壤、水面、海面等溫度測量；爐內(nèi)移動物體、轉(zhuǎn)動物體的溫度測量；高壓電路接頭開關(guān)發(fā)熱檢查；氣象觀測等。如用于火車熱軸測量方面，由于本發(fā)明提供的探測器的時間常數(shù)小，可滿足探測具有較高速度目標(biāo)的要求，因而可保證高速列車的軸溫探測需要。同樣，由于其快速、靈敏的特點，還可作為分析儀器中的接收器，如在紅外氣體分析儀中作為紅外接收器，在紅外分光計上用作接收器等，在儀器儀表行業(yè)中可作為微型人體溫度感知器、流量計等等，應(yīng)用極其廣泛。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的核心部分側(cè)視圖。
圖3為本發(fā)明的核心部分仰視圖。
現(xiàn)在結(jié)合上述各附圖來進(jìn)一步說明本發(fā)明的較佳具體實施例，如圖1至圖3所示，本發(fā)明主要由帶增透層的聚光鍺透鏡1、阻擋層2、類金剛石膜介質(zhì)層3、鉻金導(dǎo)電層4、敏感層-錳鎳鈷三元素氧化物膜層薄膜熱敏電阻5、6，內(nèi)引線7，陶瓷或其他絕緣材料過渡電極8、管座9和外殼所組成，其中，所說的外殼包括有壓緊螺母10、12，管殼11和墊片13，所說的阻擋層2，可以采用金或鋁等高反射率的材料。為了實施本發(fā)明，首先是獲得所需規(guī)格的鍺透鏡，并在其上鍍增透層1，在鍺透鏡平面上的局部位置上(即布置補(bǔ)償熱敏電阻6處)用真空鍍膜技術(shù)和光刻工藝生成阻擋層2。隨后在整個鍺透鏡平面上用真空鍍膜技術(shù)生成一層類金剛石膜3，在類金剛石膜上利用真空鍍膜及光刻工藝按設(shè)計要求制成鉻金導(dǎo)電層布線4。然后，在鍺透鏡光軸中心位置上及其旁側(cè)有阻擋層的位置上，利用真空鍍膜技術(shù)和光刻工藝生成二個所需尺寸的薄膜熱敏電阻一為敏感電阻5，一為補(bǔ)償電阻6。在鉻金導(dǎo)電層4的三個端點用半導(dǎo)體熱壓焊技術(shù)引出三根細(xì)金絲7，把這些細(xì)金絲分別焊在陶瓷過渡電極8上，在8上另用三根較粗導(dǎo)線將其直接焊到探測器管座9的管腿上，則可直接與測量電路相接。
薄膜熱敏電阻紅外探測器與其他類型熱敏電阻紅外探測器一樣，在應(yīng)用時都需加上偏壓連成橋式電路后輸入到一前置放大器把微弱信號放大。
由于熱敏電阻阻值較高，要求前放有較高的輸入阻抗。在不同應(yīng)用中，對經(jīng)過前置放大器放大了的信號作不同的處理后，就可獲得與量測對象特征相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，如用在非接觸測溫上，以火車熱軸測量為例，火車特別是貨運(yùn)列車在長途運(yùn)行后，由于種種原因，列車車廂的某一根車軸溫度會升高達(dá)到或超過許可值，如不立刻采取緊急措施把此節(jié)車廂甩開，而讓之繼續(xù)跟整趟列車運(yùn)行，那此根發(fā)熱車軸很可能發(fā)生“切軸”(即斷軸)造成鐵路中斷的重大事故，因此，在所有的鐵路線上都必需在每隔幾十公里處就設(shè)置一對車軸軸溫監(jiān)測點。熱敏電阻紅外探測器就安放在鐵軌兩旁約1米處，其探測視場對準(zhǔn)了車軸經(jīng)過處，車軸溫度所產(chǎn)生的輻射能量經(jīng)過鍺透鏡的會聚透過介質(zhì)層集中在熱敏電阻敏感薄膜上引起電阻變化，測量橋路發(fā)生不平衡而輸出與車軸溫度對應(yīng)的電信號，經(jīng)過信號處理就可以判定被測的車軸是否已超過安全值，就可以及時報警采取必要措施。而過去，此功能主要靠工人用手觸摸，現(xiàn)在有了熱敏電阻型紅外探測器后就可以實行自動監(jiān)測，并聯(lián)網(wǎng)控制。目前全國鐵路正在向高速列車方向迅速發(fā)展，由于時間常數(shù)的限制浸沒型薄片熱敏電阻紅外探測器只能應(yīng)用在對車速為140公里以下列車的熱軸測量，而本發(fā)明的時間常數(shù)小，可適用于對更高速度列車的熱軸測量。又如在紅外線分析應(yīng)用中，在樣品室內(nèi)含有某種具有紅外吸收的微量待測氣體或液體。當(dāng)一紅外輻射源的能量透過此樣品室時，紅外輻射能量就會因被吸收而減弱，因此會聚在熱敏電阻上的能量也減小，引起橋路不平衡而輸出與待測氣體或液體濃度含量有關(guān)的電信號，經(jīng)過信號處理后，就可以得出該氣體或液體的含量。
權(quán)利要求
1.一種薄膜熱敏電阻紅外探測器，其特征在于它包含有聚光鍺透鏡、高紅外反射阻擋層、類金剛石膜介質(zhì)層、鉻金導(dǎo)電層、薄膜熱敏電阻、陶瓷或其它絕緣材料過渡電極、內(nèi)引線和外殼。其中，在所需規(guī)格的鍺透鏡上鍍上增透層，在鍺透鏡平面上的補(bǔ)償熱敏電阻處用真空鍍膜技術(shù)和光刻工藝制成阻擋層，隨后在整個鍺透鏡平面上用真空鍍膜技術(shù)生成一層類金剛石膜，在類金剛石薄膜介質(zhì)層上利用真空鍍膜技術(shù)及光刻工藝制成設(shè)計好的鉻金導(dǎo)電層布線，然后，在鍺透鏡軸中心位置上及其旁側(cè)有阻擋層的位置上，利用真空鍍膜技術(shù)和光刻工藝生成二個所需尺寸具有一定比例關(guān)系的錳鎳鈷三元系氧化物薄膜熱敏電阻，在鉻金導(dǎo)電層的三端點用半導(dǎo)體熱壓焊接技術(shù)引出三根細(xì)金絲，即內(nèi)引線，把這些細(xì)金絲分別焊在陶瓷或其它絕緣材料過渡電極上，又在過渡電極上另用三根較粗導(dǎo)線將它直接焊到探測器管座的管腿上。
2.按照權(quán)利要求1所說的薄膜熱敏電阻紅外探測器，其特征在于所說的薄膜熱敏電阻是以反應(yīng)濺射技術(shù)生成的具有一定比例關(guān)系的錳鎳鈷三元素氧化物薄膜熱敏電阻。
3.按照權(quán)利要求1所說的薄膜熱敏電阻紅外探測器，其特征在于所說的薄膜熱敏電阻中的錳鎳鈷的比例，一般是錳在60至80％，鎳在14至5％，鈷在26至15％。
4.按照權(quán)利要求1所說的薄膜熱敏電阻紅外探測器，其特征在于所說的阻擋層，是由金或鋁等高反射率材料組成的。
5.按照權(quán)利要求1所說的薄膜熱敏電阻紅外探測器，其特征在于所說的介質(zhì)層是由一層類金剛石薄膜組成的。
全文摘要
本發(fā)明涉及檢測技術(shù)中的一種檢測裝置，它由聚光鍺透鏡，阻擋層，類金剛石膜介質(zhì)層，鉻金導(dǎo)電層，錳鎳鈷三元素氧化物薄膜敏感層，內(nèi)引線，陶瓷過渡電極等組成。各組成部分均采用先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)來實現(xiàn)，保證了較好較穩(wěn)定的一致性與重復(fù)性，且提高了可靠性。由于其敏感層、介質(zhì)層薄膜厚度僅為微米量級，可明顯的減小時間常數(shù)，這對熱敏電阻型紅外探測器時間常數(shù)偏大限制了使用是個重大突破，更有利于提高探測速度，擴(kuò)展了應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號G01N21/00GK1155076SQ9610961
公開日1997年7月23日 申請日期1996年9月5日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月5日
發(fā)明者梁仁杰, 黃玢 申請人:馬開榮, 郭興華