专利名称：一种热释电光谱探测器的制备方法
技术领域：
本发明属于光电及微机电系统技术领域，涉及一种热释电光谱探测器的制备方法，特别涉及一种用于有毒有害气体分析仪的热释电光谱探测器的制备方法。
背景技术：
由于绝大部分有毒有害气体对某一波段的光谱都具有一定的吸收，所以依据这一光谱的吸收原理就能实现有毒有害气体分析仪的制备。一般地说，有毒有害气体对某一波段的光谱的吸收吻合比耳-朗伯定律P=P0Exp (~kcl)
其中Pci为光源所产生的能量，P为通过存在待测气体环境后所剩余的能量，k为吸收系数，I为光源距探测器单元的距离，c为待测气体浓度。在实际应用中，由光源发出的光辐射到被光谱传感器上转化为电压信号，传感器的电压输出受气室中气体吸收的影响而变化，气体浓度越高，被吸收的光越高，传感器上的输出电压越低，气体浓度越低，吸收的光越少，传感器输出的电压越高。传感器输出的电压经前置放大器、差分放大器放大后，进入单片计算机或DSP数字信号处理器进行计算，根据数学模型和有关参数计算出浓度。
光谱传感器是有毒有害气体分析仪的核心电子元器件，它的性能参数直接影响到气体分析仪的性能如检测灵敏度。可供选择的气体分析仪所用的光谱能量接收器件有热电堆型探测器、热敏电阻型探测器及热释电探测器三大类。热电堆型探测器电压响应信号较小，而且温度噪声太大。热敏电阻型探测器温度噪声太大，极难校正。所以热释电探测器是应用的主流。根据光谱传感器器件所采用的光电功能材料的形态的不同，热释电传感器的技术 路线共有两条可供选择；一条是采用陶瓷材料或晶体材料的混合式器件工艺技术路线，另一条是采用薄膜材料的集成式器件工艺技术路线。混合式器件的制备需要先把光敏元材料(铁电陶瓷)减薄、研磨、抛光后再蒸镀上下电极，随之再完成焊接封装，其工艺较为复杂，特别是在材料减薄工艺上，因而成品率很低成本较高，所谓器件是做出来的。集成式器件则可以在一块衬底上一次就完成热绝缘材料、下电极、铁电薄膜及上电极的生长，随后的工艺如划片、焊接及封装等就与陶瓷式一样了。它的优点是工艺较为简单、核心技术突破后成品率可以很高(一块5英寸片上可长出几千只单元器件，所谓器件是长出来的)。目前各类有毒有害气体分析仪所用的光谱能量接收器件所用的大部分是混合式热释电器件，它的缺点有如下三个方面一、混合式热释电器件工作频率较低，只能在低频段如0. 1HZ-5HZ频率段工作才能满足较高的电压响应信号。而在这一低频段如0. 1HZ-5HZ频率段，外界噪声很大如白噪声。二、混合式热释电器件受环境温度波动的影响较大，需精确的温度校正。三、混合式热释电器件受振动(如风)的影响较大，带来较大的噪声信号，影响零点的稳定。而集成式热释电器件相对于混合式热释电器件来讲，可克服如上缺点一、集成式热释电器件工作频率较高，可在高频段如10Hz-200Hz频率段工作亦能满足较高的电压响应信号。而在这一频段，避开了低频白噪声，满足ppm级气体浓度检测灵敏度。二、集成式热释电器件受振动(如风)的影响较小大，带来的噪声信号小，基本不影响零点的稳定。因此，以集成式热释电器件代替混合式热释电器件作为气体分析仪所用的光谱能量接收器件将大大提高系统的信噪比，进而提高检测灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有实用价值的集成式热释电光谱探测器的制作方法，解决目前混合式热释电红外探测器存在的只能在低频段工作、受振动及风等外界环境变化影响较大，因而在用于气体分析仪的光谱能量接收器件时所带来的系统信噪比较差、检测灵敏度较低的缺点。为了实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种用于有毒有害气体分析仪的热释电光谱探测器的制备方法，其步骤如下 步骤一，以硅单晶为基体，在其上制备无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜为热绝缘结构薄膜。步骤二，采用直流磁控溅射法在无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜上制备钼/钛金属薄膜为下电极薄膜并采用正胶剥离法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定。步骤三，采用射频磁控溅射法或溶胶凝胶法在钼/钛金属薄膜上制备光电薄膜并采用干发及湿发腐蚀法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定。步骤四，采用直流磁控溅射法或真空热蒸发法在光电薄膜上制备上电极薄膜并采用干发及湿发腐蚀法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定。步骤五，采用等离子增强化学沉积法在上电极薄膜上生长一层芯片保护层，并按设计要求完成划片。步骤六，按设计要求按常规方法制备基于阻抗变换的信号处理电路，并完成芯片与信号处理电路板之间的粘接及引线焊接。步骤七，按设计要求将芯片与信号处理电路板封装于带红外窗口及底座的外壳中，即完成了集成式热释电光谱探测器的制作。在步骤二中，所述钼/钛金属薄膜的厚度为50nm lOOnm。在步骤三中，所述光电薄膜为PZT (锆钛酸铅)系列或BST (钛酸锶钡)系列铁电薄膜。在步骤三中，所述光电薄膜的厚度为400nm lOOOnm。在步骤四中，所述上电极薄膜为铬/镍金属薄膜。在步骤四中，所述上电极薄膜方块电阻为300 Q 1000Q。在步骤五中，所述芯片保护层为氮化硅薄膜。所述氮化硅薄膜的厚度为200nm 500nmo本发明的优点和有益效果在于第一，本发明所提供的方法以铁电薄膜材料代替铁电单晶或铁电陶瓷材料作为光电敏感材料，以集成式结构代替混合式结构以制备热释电光谱探测器，使器件的工作频率得以大幅度提高，从0. IHz 5Hz频率段提高到IOHz IOOHz频率段，避开了低频白噪声，使系统检测灵敏度得以提高。第二，本发明所提供的方法以铁电薄膜材料代替铁电单晶或铁电陶瓷材料作为光电敏感材料，以集成式结构代替混合式结构以制备热释电红外探测器，在用于气体分析仪的光谱能量接收器件时受振动(如风)及外界温度变化的影响较小，带来的噪声信号小，使系统检测灵敏度得以提高，而且不影响零点的稳定。第三，本发明所提供的方法采用无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜材料作为热绝缘结构，克服了目前采用微桥结构、悬空结构和空气隙结构作为集成式器件热绝缘结构的存在的机械强度差、容易发生龟裂、坍塌、脱落等问题，提高了集成式热释电光谱探测器芯片的力学性能及抗冲击性能。
图I为本发明的结构示意图；其中，I-硅单晶；2_热绝缘结构薄膜；3_下电极薄膜；4_光电薄膜；5_上电极薄膜；6-芯片保护层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式
作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。本发明具体实施的技术方案是步骤一，热绝缘结构薄膜的制备以晶体取向为(100)方向、体电阻率为0. I lOQcm、大小尺寸为20cmX20cm的、表面已热氧化的娃单晶为基体，制备厚度为Ium 5um的无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜。步骤二，下电极薄膜制备及图形化按所设计的器件的结构参数在步骤一所得到的无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜上完成光刻工艺后，采用直流磁控溅射法制备钼/钛金属薄膜并采用正胶剥离法完成图形化，说明如下I、光刻工艺所涉及的器件的结构参数表述如下(I)光敏元数单元、2X 1-128X I短线列多元、2X2-9X9小面阵多元；(2)光敏兀大小尺寸4 I臟-4 3、I臟X I臟-3臟X 3臟；(3)光敏元间距0. 2mm-3mm。2、正胶剥离法的光刻工艺所涉及的钼/钛金属薄膜的结构参数表述如下(4)压焊块大小尺寸4 0. 5mm ￠) 3、0. 5mmX 0. 5mm 3mmX 3mm ;(5)引线宽度0. 2mm Imm ;3、正胶剥离法的工艺目标就是在厚度为Ium 5um的无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜基底上制备其图形的钼钛金属薄膜，所涉及的钼钛金属薄膜的直流磁控溅射法生长工艺参数为工作气体氩气；靶基距70mm ;工作压强2. 6Pa ;溅射功率79W ;溅射时间钼/15s，钛8s ;金属薄膜的厚度为50nm-100nm，金属薄膜的大小尺寸比光敏元大小尺寸有所增加，但其增加幅度以不超过光敏元间距的1/4为宜。步骤三，光电薄膜的制备及图形化I、采用射频磁控溅射法在步骤二所得的、已完成图形化的钼/钛金属薄膜上制备BSTCBa0.65Sr0.35Ti03钛酸锶钡)铁电薄膜作为光电薄膜，光电薄膜的厚度为400nm lOOOnm。其生长工艺参数为
权利要求
1.一种热释电光谱探测器的制备方法，其特征在于其步骤如下 步骤一，以硅单晶为基体，在其上制备无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜为热绝缘结构薄膜； 步骤二，采用直流磁控溅射法在无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜上制备钼/钛金属薄膜为下电极薄膜并采用正胶剥离法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定； 步骤三，采用射频磁控溅射法或溶胶凝胶法在钼/钛金属薄膜上制备光电薄膜并采用干发及湿发腐蚀法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定； 步骤四，采用直流磁控溅射法或真空热蒸发法在光电薄膜上制备上电极薄膜并采用干发及湿发腐蚀法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定； 步骤五，采用等离子增强化学沉积法在上电极薄膜上生长一层芯片保护层，并按设计要求完成划片； 步骤六，按设计要求按常规方法制备基于阻抗变换的信号处理电路，并完成芯片与信号处理电路板之间的粘接及引线焊接； 步骤七，按设计要求将芯片与信号处理电路板封装于带红外窗口及底座的外壳中，即完成了集成式热释电光谱探测器的制作。
2.根据权利要求I所述的一种热释电光谱探测器的制备方法，其特征在于在步骤二中，所述钼/钛金属薄膜的厚度为50nm lOOnm。
3.根据权利要求I所述的一种热释电光谱探测器的制备方法，其特征在于在步骤三中，所述光电薄膜为锆钛酸铅系列或钛酸锶钡系列铁电薄膜。
4.根据权利要求I或3所述的一种热释电光谱探测器的制备方法，其特征在于在步骤三中，所述光电薄膜的厚度为400nm lOOOnm。
5.根据权利要求I所述的一种热释电光谱探测器的制备方法，其特征在于在步骤四中，所述上电极为铬/镍金属薄膜。
6.根据权利要求I或5所述的一种热释电光谱探测器的制备方法，其特征在于在步骤四中，所述上电极方块电阻为300 Q 1000 Q。
7.根据权利要求I所述的一种热释电光谱探测器的制备方法，其特征在于在步骤五中，所述芯片保护层为氮化硅薄膜。
8.根据权利要求7所述的一种热释电光谱探测器的制备方法，其特征在于所述氮化娃薄膜的厚度为200nm 500nm。
全文摘要
本发明属于光电及微机电系统技术领域，涉及一种热释电光谱探测器的制备方法，特别涉及一种用于有毒有害气体分析仪的热释电光谱探测器的制备方法。共分七步制备而成，本发明所提供的方法采用无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜材料作为热绝缘结构，克服了目前采用微桥结构、悬空结构和空气隙结构作为集成式器件热绝缘结构的存在的机械强度差、容易发生龟裂、坍塌、脱落等问题，提高了集成式热释电光谱探测器芯片的力学性能及抗冲击性能。
文档编号B81C1/00GK102721658SQ20121023164
公开日2012年10月10日 申请日期2012年7月5日 优先权日2012年7月5日
发明者易宏, 李永辉, 黄家新 申请人:昆明斯派特光谱科技有限责任公司