红外探测器及其制备方法

技术领域

本申请涉及红外检测技术领域，特别涉及一种红外探测器及其制备方法。

背景技术

红外探测器，具有检测能发射红外辐射波的物体的变化的作用。

传统的红外探测器是单独通过锆钛酸铅薄片进行加工成检测单元，导致锆钛酸铅薄片经过多次加工后容易碎裂，使红外探测器的组装工艺复杂，效率低下。

因此，有必要对现有的红外探测器进行改进。

发明内容

本申请提供一种红外探测器及其制备方法，旨在解决现有技术中红外探测器组装工艺复杂，效率低下的问题。

为实现上述目的，本申请提出一种红外探测器，包括：

光学镜片，所述光学镜片的材质为硅晶圆，所述光学镜片的厚度不超过0.2mm；

第一电极，设置于所述光学镜片的一侧；

导电炭黑涂层，涂布于所述光学镜片贴装有所述第一电极的一侧，并覆盖所述第一电极的表面；

红外探测元件，设置于所述导电炭黑涂层背离所述第一电极的一侧，所述红外探测元件的厚度范围在20～50μm之间；

第二电极，设置于所述红外探测元件远离所述光学镜片的一侧；

光学薄膜，设置于所述光学镜片背离所述第一电极的一侧，用于使红外光透过，并过滤其他波长的光。

在一些实施例中，所述红外探测元件包括锆钛酸铅薄膜以及钽酸锂薄膜中的一种。

在一些实施例中，所述光学镜片为菲涅尔透镜。

在一些实施例中，所述导电炭黑涂层的厚度不超过0.1mm。

在一些实施例中，所述第二电极包括第一子电极和第二子电极，所述第一子电极和所述第二子电极相对分布于所述红外探测元件的两侧。

在一些实施例中，所述第一电极设置于所述光学镜片的中央区域。

本申请还提供一种红外探测器的制备方法，所述制备方法包括：

提供一块硅晶圆制备的厚度不超过0.2mm的光学镜片，在所述光学镜片的一侧电镀或溅射形成第一电极；

在所述光学镜片设置有所述第一电极的表面均匀喷涂一层导电炭黑层，并使所述导电炭黑层覆盖所述第一电极的表面；

在所述导电炭黑层上通过溅射或涂覆设置一层厚度在20～50μm之间的红外探测元件；

在所述红外探测元件上电镀或溅射形成第二电极，以构建红外检测框架；

对所述红外检测框架进行烧结、极化处理；

在所述光学镜片背离所述第一电极的一侧电镀形成一层光学薄膜，完成红外探测器的制备。

在一些实施例中，所述烧结温度在400～450℃之间。

本申请技术方案，提出一种红外探测器，该红外探测器包括光学镜片、第一电极、导电炭黑涂层、红外探测元件、第二电极和光学薄膜，其中，第一电极设置于所述光学镜片的一侧；导电炭黑涂层涂布于所述光学镜片贴装有所述第一电极的一侧，并覆盖所述第一电极的表面；红外探测元件设置于所述导电炭黑涂层背离所述第一电极的一侧；第二电极设置于所述红外探测元件远离所述光学镜片的一侧；光学薄膜设置于所述光学镜片背离所述第一电极的一侧，用于使红外光透过，并过滤其他波长的光。本申请技术方案通过上述结构设置将光学薄膜与红外探测元件加工形成一体，可提供组装便捷性，且基于上述组件设置，能够实现对人体红外辐射的检测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：

图1为本申请一实施例红外探测器的结构示意图；

图2为本申请一实施例红外探测器制备方法的流程图；

图3为本申请一实施例红外探测器制备方法的工艺图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

参阅图1所示，本申请提出一种红外探测器，该红外探测器包括光学镜片10、第一电极20、导电炭黑涂层30、红外探测元件40、第二电极50和光学薄膜60；其中，第一电极20设置于光学镜片10的一侧；导电炭黑涂层30涂布于光学镜片10贴装有第一电极20的一侧，并覆盖第一电极20的表面；红外探测元件40设置于导电炭黑涂层30背离第一电极20的一侧；第二电极50设置于红外探测元件40远离光学镜片10的一侧；光学薄膜60设置于光学镜片10背离第一电极20的一侧，用于使红外光透过，并过滤其他波长的光。

本申请技术方案，采用红外探测元件40作为红外探测器中的主要元件，导电炭黑涂层30吸收红外光，该红外探测元件40将探测并接收到的红外光转变成微弱的电压信号后通过电极向外输出。其中，导电炭黑涂层30的厚度不超过0.1mm。

其中，人体辐射的红外线中心波长为9～10μm，而探测元件的波长灵敏度在7～20μm的范围内几乎稳定不变，本申请在光学薄膜60背离第一电极20的一侧设置光学薄膜60，该光学薄膜60为金属镀膜，通过调整金属镀膜厚度和材料达到滤光效果，即本申请中设置的光学薄膜60达到滤光片效果，该光学薄膜60可通过光线的波长范围为7～20μm，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其他波长的红外线由光学薄膜60予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外探测器。

而其中光学镜片10能够提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离。光学镜片10的材质为硅晶圆，光学镜片10的厚度不超过0.2mm。优选实施方案中，光学镜片10为菲涅尔透镜，利用菲涅尔透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的盲区和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。

其中，菲涅尔透镜和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样热释电红外传感器就可以检测到10～40米范围内人的行动。

在一些实施例中，红外探测元件40包括锆钛酸铅薄膜以及钽酸锂薄膜中的一种，锆钛酸铅薄膜以及钽酸锂薄膜均是高热点系数材料，非常适用于对高红外光线的探测。

其中，红外探测元件40的厚度在20～50μm之间。优选的，红外探测元件40的厚度在20～30μm之间，红外探测元件40的厚度越薄，对红外光线的检测特性越好，但同时也要保证一定的强度，因此，选取以上厚度范围的红外探测元件40。

参阅图1所示，在一些实施例中，第一电极20设置于光学镜片10的中央区域。第二电极50包括第一子电极和第二子电极，第一子电极和第二子电极相对分布于红外探测元件40的两侧。

本实施例中，第一电极20和第二电极50均为导电材料，实际上，第一电极20为两个极，只是互连在一起，看上去是一个极，将第一电极20设计成图形；第二电极50为两个极。红外探测器整体结构类似于两个电容串联，两个电容的连接点是第一电极20，另外两端是分别是第一子电极、第二子电极，电容器的中间是红外探测元件40。

参阅图2所示，本申请还提供一种红外探测器的制备方法，该制备方法包括：

步骤S110，提供一块硅晶圆制备的厚度不超过0.2mm的光学镜片10，在光学镜片10的一侧电镀或溅射形成第一电极20。

优选实施方案中，光学镜片10制备为菲涅尔透镜，利用菲涅尔透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的盲区和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。

菲涅尔透镜和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样热释电红外传感器就可以检测到10～40米范围内人的行动。

步骤S210，在光学镜片10设置有第一电极20的表面均匀喷涂一层导电炭黑层，并使导电炭黑层覆盖第一电极20的表面。

导电炭黑层用于吸收红外光，因为是导电材料，因此和第一电极20是导通的。

步骤S310，在导电炭黑层上设置一层厚度在20～50μm之间的红外探测元件40。

本工艺主要以锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂两种材料作为红外探测元件40，并编制相应的加工工艺。

其中，钽酸锂(LiTaO3)是一种优良的热释电材料，具有较高的热释电系数和探测优值，其居里温度高达620℃，因而可在很高的环境温度下工作，是优良的红外探测器材料。现有钽酸锂薄膜制备方法大多集中在：溅射法、离子束增强沉积、溶胶-凝胶法(sol-gel)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积和等。

溅射技术是建立在气体辉光放电基础上的，辉光放电是气体放电的一种类型，它是一种稳定的自持放电，靠离子轰击阴极产生二次电子来维持。根据溅射源与机理的不同，溅射法主要包括磁控溅射(Magnetron sputtering)、射频溅射(RF sputtering)、离子束溅射(Ionbeam sputtering)、反应溅射、阴极溅射等，其中以磁控溅射应用最为广泛。离子束增强沉积(IBED)也称为离子束辅助沉积，属于溅射技术的一种，其工作原理为利用离子源气体产生的高能离子束以一定的角度轰击溅射靶材表面，在能力传递过程中，高能离子会引起靶材表面原子层的级联碰撞。使靶材表面原子获得能量后脱离其表面形成溅射原子，并以一定能量及角度定向生长沉积在衬底基片上，经过成核与晶粒生长过程生长薄膜，其中多以无序的原子堆积或层状、岛状方式生长。

离子束增强沉积气体离子源可以使用多种气体，常使用惰性气体作为离子源：如氩(Ar)、氙(Xe)等。由于惰性气体和气体离子的化学性质非常稳定，气体离子在溅射沉积过程中为纯物理沉积过程，不会改变溅射和沉积材料的基本性质。在薄膜沉积的过程，可以通过辅助性离子对生长期间的薄膜进行注入、掺杂、合成等结构或者性质方面的改良。

本工艺的方案采用溅射法，制作电极及吸收层。在离子束溅射沉积薄膜过程中，伴随着靶材位置和形态的转移；位置转移是离子束轰击使靶材原子转移到衬底表面；形态转变是将靶的体材料转变为薄膜材料。离子束溅射沉积的薄膜具有很好的粘附性，离子束流入射到衬底表面，会引起衬底表面原子碰撞以及晶格振动，使衬底原子结构由有序变为无序，产生大量结构缺陷以及晶格损伤。这样在沉积的过程中，结构变化的衬底表面层与沉积的薄膜会产生结合过渡层，过渡层的原子结合能通常会高于衬底表面原子结合能，从而提高界面结合性能；另外入射离子束轰击会造成衬底表面产生离子空位，能够促使沉积原子与离子结合，从而提高薄膜粘附结合力。

离子束增强沉积技术主要有以下优点：把离子轰击、离子注入和薄膜沉积结合起来，使膜与衬底的结合力明显提高，同时也使膜的致密度提高；可以对其化学组成进行单独调控，而且能够沉积合成各种不同类型的薄膜；沉积过程中的衬底温度较低，与IC工艺兼容，且对膜和衬底的影响都比较小。

溶胶-凝胶法(Sol-Gel)是制备材料的一种湿化学方法，以金属有机化合物、金属无机化合物或上述两种混合物作为前驱体，溶于溶液中后形成溶胶，经过水解聚缩反应逐渐凝胶化，再经过干燥、烧结或热处理等后续处理工艺来获得所需要的化合物。

金属有机化学气相沉积法是将反应气体和气化的金属有机物前体溶液通过反应室，经过热分解沉积在加热的衬底上形成薄膜。此法的主要优点是薄膜生长速率快，可制备大面积薄膜，能精确控制薄膜的化学组分和厚度。

脉冲激光沉积法是20世纪80年代发展起来的新型薄膜制备技术。它是利用高功率的准分子激光器或二氧化碳激光器所产生的高强度脉冲激光束聚焦于靶材表面，使其表面产生高温及烧蚀，并进一步产生高温高压等离子体，等离子体定向局域膨胀在衬底上沉积成膜。脉冲激光沉积法薄膜工艺制作未来的气体传感器的检测单元。

其中，在以锆钛酸铅系陶瓷作为红外探测器加工方案时，可获得大小为40*40*0.5或50*50*0.5的锆钛酸铅薄片，而后对锆钛酸铅方片减薄，锆钛酸铅薄片的厚度在20～50μm之间。优选锆钛酸铅薄片的厚度在20～30μm之间，锆钛酸铅薄片的厚度越薄，对红外光线的检测特性越好，但同时也要保证一定的强度。其中，钽酸锂薄膜同样在此厚度内。

步骤S410，在红外探测元件40上电镀或溅射形成第二电极50，以构建红外检测框架。

其中，第一电极20和第二电极50均为导电材料，实际上，第一电极20为两个极，只是互连在一起，看上去是一个极，将第一电极20设计成图形，第二电极50为两个极。红外检测框架结构类似于两个电容串联，两个电容的连接点是第一电极20，另外两端是分别是第一子电极、第二子电极，电容器的中间是红外探测元件40。

步骤S510，对红外检测框架进行烧结、极化处理。

其中，烧结温度在400～450℃之间，通过烧结使红外探测元件40与光学镜片10结合在一起，提高红外探测器个组件之间的结合稳定性。

步骤S610，在光学镜片10背离第一电极20的一侧电镀形成一层光学薄膜60，完成红外探测器的制备。

该光学薄膜60为金属镀膜，通过调整金属镀膜厚度和材料达到滤光效果，即本申请中设置的光学薄膜60达到滤光片效果，该光学薄膜60可通过光线的波长范围为7～20μm，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其他波长的红外线由光学薄膜60予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外探测器。

通过上述方法步骤完成对本申请红外探测器的制备，将光学薄膜与红外探测元件加工形成一体，可提供组装便捷性，且基于上述组件设置，能够实现对人体红外辐射的检测，具体可参见图3所示的工艺图。

以上所述的仅为本申请的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本申请保护的范围，凡是在与本申请一个整体的构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请保护的范围内。