基于纳米红外吸收层的红外探测器敏感元及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于纳米红外吸收层的红外探测器敏感元及其制备方法，属于红外探测器技术领域。

背景技术

伴随着卫星红外遥感技术的发展，我国的热释电红外探测器进入发展阶段。由于其价格低、重量轻、光谱响应度宽、响应速度快、性价比高等优点，被广泛用于军事、工业、安防医疗、科学研究及环境监测等领域，成为当前红外技术领域研究的热点之一。

如在气体检测领域，和传统的方法相比，红外气体传感器具有无间断测量、反应迅速、无污染、测量范围宽、可检测多种气体、灵敏度高等特点，因此红外传感器成为气体检测行业的首选，其中红外气体传感器的核心元件是红外探测器。

影响红外探测器性能的关键因素有两个，一个因素是探测器单元的结构，另一个是热释电材料及吸收材料的性能。现有的红外探测器多采用单晶、陶瓷或薄膜材料制备。中国专利CN 102830086 A公开了一种基于黑硅吸收层及多层组合膜结构的红外探测器敏感元件，以多层组合膜结构的PT/PZT/PT薄膜作为热释电薄膜材料，采用键合、腐蚀、真空泵蒸技术和激光扫描轰击技术得到锥状森林结构硅黑吸收层，形成红外探测器敏感元，进一步提高热释电薄膜型探测器的检测性能。此专利采用多层复合薄膜做热释电薄层，材料不易加工、强度不够，且制备的硅黑工艺复杂，成本高，且与基底结合性差，抵抗外界恶劣环境能力较弱，相对较难达到工业化进程控制。陶瓷热释电晶体成本较低，但响应较慢。而单晶热释电晶体的热释电系数高、介质损耗小，性能最好的热释电探测器大多选用单晶制作。近些年，选用的单晶热释电材料，多采用混合集成法，晶体厚度不易控制，加工工艺复杂，成本高。

因此，如何改进现有热释电晶体敏感元在红外探测器上的应用，使其达到更好的检测性能，是目前本领域研究人员的重点研究方向。

发明内容

针对现有的热释电红外探测设备的不足，本发明的目的在于提供一种基于纳米红外吸收层的红外探测器敏感元，具有易加工、低成本、抵抗外界恶劣环境影响能力强及热响应性能较高等优点。

本发明的另一目的在于提供一种所述红外探测器敏感元的制备方法，通过工艺控制可保证原始晶圆完整性，同时与纳米红外吸收材料结合强度较好，具有优良的热吸收性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于纳米红外吸收层的红外探测器敏感元，该敏感元由上至下依次包括红外敏感吸收层、上电极层、上电极连接层、热释电薄层、下电极连接层、下电极层，其中，所述红外敏感吸收层为具有纳米团簇结构的纳米红外吸收层。

进一步的，所述红外敏感吸收层的厚度小于等于10μm，确保红外吸收层稳定性；所述上电极层和所述下电极层的厚度分别为150-300nm，保证后续电极顺利打线；所述上电极连接层和所述下电极连接层的厚度分别为10-30nm，从而确保电极与基底结合牢固；所述热释电薄层的厚度为20-60μm，便于获得优良的热释电转换效率。

进一步的，所述上电极层的材料为金属A1、Au、Ag、Cu中的任意一种或几种；所述上电极连接层的材料为金属Ti、W、Cr中的任意一种或几种。

进一步的，所述热释电薄层为双面抛光的热释电晶体材料薄片，所述热释电晶体材料为钽酸锂晶体、铌酸锂晶体、铌酸锶钡晶体或硫酸锂晶体。

进一步的，所述下电极连接层的材料为金属Ti、W、Cr中的任意一种或几种；所述下电极层的材料为金属Al、Au、Ag、Cu中的任意一种或几种。

一种所述基于纳米红外吸收层的红外探测器敏感元的制备方法，包括以下步骤：

1)将双面抛光的热释电晶体薄片放在衬底托上，依次用丙酮、酒精、去离子水清洗干净，并用氮气轻轻吹干；

2)采用直流磁控溅射或热蒸发镀膜技术在热释电体薄片上依次沉积上电极连接层、上电极层；

3)采用直流磁控溅射或热蒸发镀膜技术在热释电晶体薄片反面，依次沉积下电极连接层、下电极层；

4)将粘合剂与纳米材料充分混合，制备成纳米红外吸收材料；

5)将热释电晶体薄片粘接到衬底托上，利用旋涂、丝网印刷或喷涂方法将纳米红外吸收材料图形化，制备成红外敏感吸收层；

6)利用机械划片机或激光划片技术，对阵列器件进行划片分割，依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗，得到单个红外探测器敏感元成品。

其中，在所述步骤4)中，所述纳米材料为纳米碳粉、碳纳米管或金属纳米颗粒，粒径为25-75nm。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明采用纳米小团簇纳米混合材料层作为红外敏感吸收层，热吸收系数高，具有优良的热吸收性能，加工工艺简单，成本低，提高了敏感元热响应性能，能够达到更好的检测效果。本发明的红外探测器敏感元能够用于构建高性能红外探测器，对环境安全、健康医疗及工业安全等领域监测有重要作用。

附图说明

图1为本发明的敏感元的结构示意图。

图2为本发明的敏感元的加工工艺流程图。

图3为本发明实施例中所得敏感元表面薄膜的SEM图。

图4为本发明实施例中所得敏感元的吸收率曲线。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例来详细说明本发明。所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

如图1所示，一种基于纳米吸收层的红外探测器敏感元，其由上至下包括红外敏感吸收层1、上电极层2、上电极连接层3、热释电薄层4、下电极连接层5、下电极层6。红外敏感吸收层1为具有纳米小团簇结构的纳米红外吸收层其，厚度为5μm。上电极层2的材料为金属Cu薄膜，其厚度为300nm。上电极连接层3的材料为金属Ti薄膜，其厚度为15nm。热释电薄层4为双面抛光的热释电钽酸锂晶体薄片，其厚度为25μm。下电极连接层5的材料为Ti金属薄膜，其厚度为15nm。下电极层6的材料为金属A1薄膜，其厚度为300nm。

如图2所示，该基于纳米红外吸收层的红外探测器敏感元的制备方法包括以下制备步骤：

1)将厚度为40μm的双面抛光的热释电晶体薄片放在衬底托上，用丙酮，酒精，去离子水依次清洗干净，并用氮气轻轻吹干；

2)采用磁控溅射薄膜工艺在热释电体薄片上依次沉积上电极连接层、上电极层，其中，上电极连接层材料为金属Ti薄膜；厚度为15nm，上电极层材料为金属A1薄膜，厚度为300nm；

3)采用磁控溅射薄膜工艺在热释电晶体薄片反面，依次沉积下电极连接层，下电极层，其中下电极连接层材料为金属Ti薄膜，厚度为15nm，下电极层为金属Au薄膜，厚度为300nm；

4)将粘合剂与粒径为50nm的碳粉及碳管充分混合，制备成纳米红外吸收材料；

5)将热释电晶体薄片粘接到衬底托上，利用喷涂的方法将纳米红外吸收材料图形化，制备成红外敏感吸收层，其中红外敏感吸收层的厚度为5μm；

6)利用机械划片机，对阵列器件进行划片分割，用丙酮、乙醇及去离子水依次清洗，得到单个红外探测器敏感元成品。图3示出了本实施例所得基于纳米红外吸收层的红外探测器敏感元表面薄膜的SEM图，从图中可知，采用本实施例提供的红外探测器敏感元制备方法，能够得到具有纳米红外吸收层的红外探测器敏感元，且表面红外吸收层纳米结构均匀稳定；

7)将制备的红外探测器敏感元通过红外光谱仪测试得到敏感元的吸收率曲线，如图4所示。从图中可得出，本实施例所得基于纳米红外吸收层的红外探测器敏感元的吸收率达92％以上，具有较高的红外吸收率，响应性能好。