上方的多層薄膜結構，所述多層薄膜結構自上而下分別為第一絕緣隔離層6、平面電極7、第二絕緣隔離層8和襯底材料9。所述平面電極7采用叉指電極結構(如圖8所示)。所述上下口密封的中空腔體3采用具有保濕防水性能的材料，具體為聚丙烯酰胺類材料，多孔氧化鋁，多孔氧化硅，或者浸漬有特定無機鹽的多孔材料均可。所述第一絕緣隔離層6和第二絕緣隔離層8的材料為二氧化硅、氮化硅、鈦酸鍶鋇、氧化鋁、鈦酸鉛均可。所述襯底材料9的材料為硅、氧化硅、或者氧化鋁均可。上述所使用的材料均具有一定的防水性能，
[0028]如圖7所示，所述襯底結構底部設置熱沉或者是溫控裝置11。雖然器件可以工作于一定的、較寬的溫度范圍，但是器件有一個最佳的工作溫度。為此，可以在器件的一側(非紅外光入射一側)加入一個溫度控制單元或者使用熱沉防止溫度漂移給器件的穩(wěn)定性帶來影響。
[0029]如圖6、9所示，所述襯底材料膜層8底部設置有紅外吸收敏感層10，所述襯底I底部也設置一個紅外窗口 4。該裝置結構可以使用“背入射”(紅外光由下部的紅外窗口入射)的形式進行探測，降低腔體內(nèi)的水氣吸收帶來的衰減。
[0030]實施實例1:使用氧化石墨烯材料作為敏感材料。設定目標工作溫度為20攝氏度。使用氧化石墨烯材料制備的器件在20攝氏度的感濕敏感特性曲線特征為:0-50% RH濕度區(qū)間為約2pF/l% RH, 60-99% RH濕度區(qū)間為約50pF/l% RH。則在60-99% RH濕度區(qū)間感濕敏感特性曲線具有較陡峭的曲線。氧化石墨烯器件在20攝氏度下，濕度60-99% RH之間時的溫度響應為100-500pF/攝氏度。則使用本發(fā)明所述結構制備氧化石墨烯電容式傳感器件后將其密封于濕度60-99% RH(20攝氏度)之間的腔體中，形成紅外傳感器件。器件具有 0.1-0.5pF/mK 的響應。
[0031]實施實例2:使用氧化石墨烯材料作為敏感材料。設定目標工作溫度為50攝氏度。使用氧化石墨烯材料制備的器件在50攝氏度的感濕敏感特性曲線特征為:0-30% RH濕度區(qū)間為2pF/l% RH, 40-99% RH濕度區(qū)間為70pF/l% RH。則在40-99% RH濕度區(qū)間感濕敏感特性曲線具有較陡峭的曲線。氧化石墨烯器件在50攝氏度下，濕度50-99% RH之間時的溫度響應為200-1000pF/攝氏度。則使用本發(fā)明所述結構制備氧化石墨烯電容式傳感器件后將其密封于濕度50-99% RH(50攝氏度)之間的腔體中，形成紅外傳感器件。器件具有0.2-lpF/mK 的響應。
[0032]實施實例3:使用氧化石墨烯材料作為敏感材料。設定目標工作溫度為90攝氏度。使用氧化石墨烯材料制備的器件在90攝氏度的感濕敏感特性曲線特征為:0-20% RH濕度區(qū)間為5pF/l% RH, 30-99% RH濕度區(qū)間為90pF/l% RH。則在20-99% RH濕度區(qū)間感濕敏感特性曲線具有較陡峭的曲線。氧化石墨烯器件在90攝氏度下，濕度30-99% RH之間時的溫度響應為500-2000pF/攝氏度。則使用本發(fā)明所述結構制備氧化石墨烯電容式傳感器件后將其密封于濕度30-99% (90攝氏度)之間的腔體中，形成紅外傳感器件。器件具有0.5-2pF/mK 的響應。
[0033]實施實例4:使用聚酰亞胺材料作為敏感材料。設定目標工作溫度為10攝氏度。使用聚酰亞胺材料制備的器件在10攝氏度的感濕敏感特性曲線特征為:0-20% RH濕度區(qū)間為lpF/1% RH，30-99% RH濕度區(qū)間為5pF/l% RH。則在30-99% RH濕度區(qū)間感濕敏感特性曲線具有較陡峭的曲線。聚酰亞胺器件在10攝氏度下，濕度40-99% RH之間時的溫度響應為100-300pF/攝氏度。則使用本發(fā)明所述結構制備聚酰亞胺電容式傳感器件后將其密封于濕度40-99% RH (10攝氏度)之間的腔體中，形成紅外傳感器件。器件具有0.1-0.3pF/mK的響應。
[0034]實施實例5:使用甲?；量┎牧献鳛槊舾胁牧?。設定目標工作溫度為-10攝氏度。使用甲?；量┎牧现苽涞钠骷?10攝氏度的感濕敏感特性曲線特征為:0-10% RH濕度區(qū)間為1pF/1 % RH, 40-99% RH濕度區(qū)間為50pF/l% RH。則在40-99% RH濕度區(qū)間感濕敏感特性曲線具有較陡峭的曲線。甲酰基吡咯器件在-10攝氏度下，濕度60-99% RH之間時的溫度響應為100-300pF/攝氏度。則使用本發(fā)明所述結構制備甲?；量╇娙菔絺鞲衅骷髮⑵涿芊庥跐穸?0-99% RH(-10攝氏度)之間的腔體中，形成紅外傳感器件。器件具有0.1-0.3pF/mK的響應。
[0035]應當理解的是，本發(fā)明的應用不限于上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，所有這些改變和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。所使用的敏感元部分除可以使用本發(fā)明已經(jīng)列出的平面電極結構以外，也可以使用上下電極結構。使用上下電極結構時其中至少有一個電極需要具有良好的水蒸氣通透性。另外，所使用的支持膜結構主要用于增加熱阻，減少熱量的流失，提升器件的響應特性，其也可以換用為其他懸空支持結構或者低熱導材料或結構。
【主權項】
1.一種紅外傳感器，包括上下開口的中空腔體(3)、密封中空腔體上表面的紅外窗口(4)、密封中空腔體下表面的襯底結構、和設置于中空腔體內(nèi)部的敏感材料(5);其特征在于:所述敏感材料(5)具有濕敏特性和溫敏特性，即:固定溫度條件下，水蒸氣濃度越高，電容值越高；固定水蒸氣濃度條件下，溫度越高，電容值越低；所述中空腔體(3)內(nèi)部充滿濃度大于躍變閾值的水蒸氣；當水蒸氣濃度取大于躍變閾值時，由敏感材料構成的傳感器的感溫特性曲線的變化率大于0.0lpF/mK ;所述感溫特性曲線指:固定水蒸氣濃度條件下，電容值隨溫度變化的曲線；所述水蒸氣濃度指器件工作溫度下腔體內(nèi)的相對濕度。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種紅外傳感器，其特征在于:所述敏感材料(5)為氧化石墨烯材料、甲?；量┎牧稀⒕埘啺凡牧?。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種紅外傳感器，其特征在于:所述襯底結構底部設置熱沉或者是溫控裝置(11)。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種紅外傳感器，其特征在于:所述襯底結構包括底部帶有空腔的襯底(I)和設置于襯底(I)上方的多層薄膜結構，所述多層薄膜結構自上而下分別為第一絕緣隔離層(6)、平面電極(7)、第二絕緣隔離層(8)和襯底材料(9)。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種紅外傳感器，其特征在于:所述平面電極(7)采用叉指電極結構。
6.根據(jù)權利要求4所述的一種紅外傳感器，其特征在于:所述第一絕緣隔離層(6)和第二絕緣隔離層(8)的材料為二氧化硅、氮化硅、鈦酸鍶鋇、氧化鋁、氧化鉿、或者鈦酸鉛。
7.根據(jù)權利要求4所述的一種紅外傳感器，其特征在于:所述襯底材料(9)的材料為硅、氧化硅、碳化硅、或者氧化鋁。
8.根據(jù)權利要求4所述的一種紅外傳感器，其特征在于:所述襯底材料(9)底部設置有紅外吸收敏感層(10)，所述襯底(I)底部設置紅外窗口。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種紅外傳感器，其特征在于:所述上下口密封的中空腔體(3)采用具有保濕防水性能的材料，具體為聚丙烯酰胺類材料，多孔氧化鋁，多孔氧化硅，或者浸漬有特定無機鹽的多孔材料。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種紅外傳感器，敏感材料具有濕敏特性和溫敏特性，即：固定溫度條件下，水蒸氣濃度越高，電容值越高；固定水蒸氣濃度條件下，溫度越高，電容值越低；所述中空腔體內(nèi)部充滿濃度大于躍變閾值的水蒸氣；當水蒸氣濃度取大于躍變閾值時，由敏感材料構成的傳感器的感溫特性曲線的變化率大于0.01pF/mK；所述感溫特性曲線指：固定水蒸氣濃度條件下，電容值隨溫度變化的曲線。本發(fā)明將同時具有溫敏特性和濕敏特性的敏感材料充分暴露于一定水蒸氣濃度的環(huán)境中，當敏感材料接收到紅外輻照后表面溫度上升，其電容隨之產(chǎn)生變化，通過這一原理來對紅外輻射進行探測，方便可靠，且受環(huán)境影響小，適用的工作溫度范圍廣。
【IPC分類】G01J5-34
【公開號】CN104614079
【申請?zhí)枴緾N201510069980
【發(fā)明人】萬能, 黃見秋
【申請人】東南大學
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年2月10日