双通道热释电分光探测器、分光阵列及其制备方法与流程

本发明涉及热释电探测器电子技术领域，具体涉及一种双通道热释电分光探测器和设于其内的分光阵列及所述分光阵列的制备方法。

背景技术：

现今，国内公司的红外热释电探测器大多为单通道红外热释电探测器，而多通道红外热释电探测器研究较少，且多为几个通道并行的传统直线型结构，这种结构相对简单，探测率低，信号输出微弱，尤其是在NDIR系统中，由于机械膨胀，老化效应，使用污迹等问题会影响光路，导致进入多通道结构红外探测器内部的光束比例不等，各个通道信号不稳定。因此，现有技术的多通道结构红外探测器在应用领域和精确度上都具有一定的局限性。

技术实现要素：

本发明提供了一种双通道热释电分光探测器、设置其内的沟槽结构分光阵列及分光阵列的制备方法。本发明公开的双通道热释电分光探测器采用沟槽结构分光阵列能够克服现有技术中直线型并行多通道探测器探测率低、信号输出微弱的缺点，本发明能够保证每个通道信号的独立性和稳定性，可应用于分析同种气体的不同吸收波段，进而实现更精确的测定，也可用于同步分析多种气体，从而提高监测效率。

本发明从以下三个方面对本发明进行阐述，这三个方面的技术方案具体如下文所述：

本发明公开的第一方面是提供一种双通道热释电分光探测器，包括探测器外壳、设置于壳体内且能够接收到光源的沟槽结构分光阵列和两个探测单元，沟槽结构分光阵列是由n个分光单元形成具有V型槽结构的正方形分光阵列，所述分光单元为由镍铬片制得的底面为矩形的微型三棱柱，单个探测单元包括一片热释电晶体片和一片窄带红外滤光片；其中：探测器外壳上设有通光孔，沟槽结构分光阵列位于所述通光孔正下方，所述两个探测单元向内倾斜设置于所述沟槽结构分光阵列的两个分光方向，并且两片热释电晶体片分别与沟槽结构分光阵列的两个分光方向垂直，所述探测单元中的窄带滤光片设置于靠近分光阵列一侧。

进一步地，本发明中分光单元个数n为整数，其取值范围为30～60。

进一步地，上文所述两片窄带滤光片的透光范围根据同一待测气体的不同特征吸收波段或不同待测气体的特征吸收波段设置成彼此不同。

优选地，热释电晶体片的材料为钽酸锂晶体，两片用于接收不同波段的热释电晶体片分别平行置于与沟槽结构分光阵列中槽线相平行的两个对边外侧，并且所述热释电晶体片向内倾斜与分光阵列底面形成60°夹角。

本发明公开的第二方面是提供一种沟槽结构分光阵列，所述分光阵列是由n个分光单元的底面周期性紧密排列形成的具有V型槽结构的正方形分光阵列，所述分光单元是由镍铬片制得的底面为矩形的微型三棱柱。

进一步地，本发明中分光单元个数n为整数，其取值范围为30～60。

具体地，所述分光阵列是由n个形状、尺寸相同的分光单元顺序相连形成的周期性结构，作为优选实施方式，30≤n≤60，分光单元的矩形底面周期性排列、紧密相连形成沟槽结构分光阵列的正方形底面，所述分光单元为由镍铬片制得的底面为矩形的微型三棱柱，一个分光单元包括矩形底面、两个三角形侧面和两个平滑斜面形成的倒V形表面。

优选地，所述具有V型槽结构正方形阵列的沟槽间距为80～120μm。

本发明公开的第三方面是提供一种沟槽结构分光阵列的制备方法，包括部分刻蚀和其后的整体刻蚀，具体步骤如下：

步骤A：部分刻蚀；以矩形镍铬片表面两条短边中点连线为对称轴分为对称的区域一和区域二，然后采用光刻工艺分别在两个区域依次刻蚀，得到两个相互对称的阶梯状斜面；

步骤B：整体刻蚀；采用酸性刻蚀液对步骤A制得的镍铬片表面进行整体刻蚀，使得斜面的阶梯结构消失，进而在小矩形格内得到底面为矩形且具有两个平滑斜面形成倒V型表面的三棱柱结构，最终制得由多个三棱柱结构镍铬片形成的具有V型槽结构的正方形分光阵列。

作为优选实施方式，本发明采用的酸性刻蚀液包括浓硝酸、浓盐酸、冰乙酸和水，各组分体积比为浓硝酸∶浓盐酸∶冰乙酸∶水＝1∶1∶1∶2。

本发明所述步骤A中每一个阶梯状斜面均要经过多次光刻，具体地，光刻工艺操作如下：

步骤A1：首先在矩形镍铬片表面均匀涂覆正性光刻胶胶，将区域一或区域二进行曝光显影，然后使用酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度，刻蚀完成后进行除胶处理；

步骤A2：在前一步骤制得镍铬片的表面整体涂覆正性光刻胶，使得区域一涂覆层和区域二涂覆层位于同一平面，然后将曝光区域向上述曝光侧平行外移，曝光区域平行外移距离与前一步骤中刻蚀深度相同，再使用酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分进行刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度，所述刻蚀深度与前一步骤的刻蚀深度相同，刻蚀完成后进行除胶处理；

步骤A3：重复步骤A2的操作直至在镍铬片区域一或区域二得到阶梯状结构，再对另一区域进行相同操作，得到两个相互对称的阶梯状斜面。

作为优选实施方式，本发明中每次光刻工艺的刻蚀深度和曝光区域平行外移距离均应为8～12μm。

作为优选实施方式，经上述步骤操作后，制得三棱柱结构镍铬片矩形底面与三角形侧面相交边的长度应为80～120μm。

在上述步骤制得三棱柱结构镍铬片后还应将其放入水中进行超声清洗，清洗完成后使用高纯氮气吹干。

本发明中，红外光束通过通光孔射向由分光单元组合形成的沟槽结构分光阵列，使得所述红外光束均匀分成两束反射光，再分别垂直射向位于所述分光阵列两个分光方向上的热释电红外探测单元上，分光处理后的红外光束先被特定波段的窄带滤光片吸收，然后传感于热释电晶体，进而实现双通道红外探测。

本发明具有以下有益效果：

本发明设计相对于狭窄的单通道光束效果卓越，并且清楚明确地给出了制备沟槽结构阵列的技术方案，保证了本发明实施与应用；本发明采用微型镜面表面技术，通过合理设计分光单元组合形成分光阵列，以实现将内置于探测器中的分光阵列作为分光器，相比于现有直线型并行多通道探测器，本发明能够避免由于机械膨胀，老化效应，使用污迹等问题影响光路，从而导致进入多通道结构红外探测器内部的光束比例不等以及单个通道信号不稳定的问题；本发明公开的沟槽结构分光阵列保证进入探测器内部的光束分光后始终保持等比例，从而使得每一个通道都能永久保持稳定的信号比例，而且各个通道信号相互独立、不受干扰，进而保证了信号的输出并且提高了探测率；运用本发明的双通道热释电分光探测器可以同步分析多种气体，提高监测效率，也可以通过测量同种气体的不同吸收波段实现单一气体更为精确的测量。

附图说明

图1是本发明一个实施例的双通道热释电分光探测器结构的俯视示意图；其中，1为窄带滤波片，2为热释电晶体片，3为分光单元，4为沟槽结构分光阵列。

图2为本发明一个实施例经刻蚀在镍铬层表面获得的沟槽结构的SEM图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和实施例对本发明进行详细的说明:

如图1所示为本发明公开的双通道热释电分光探测器，包括探测器外壳、设置于壳体内且能够接收到光源的沟槽结构分光阵列4和两个探测单元，沟槽结构分光阵列4是由n个分光单元3形成的具有V型槽结构的正方形分光阵列，其中30≤n≤60，所述分光单元是由镍铬片制得的底面为矩形的微型三棱柱，单个探测单元包括一片窄带红外滤光片1和一片热释电晶体片2；其中：探测器外壳上设有通光孔，沟槽结构分光阵列位于所述通光孔正下方，所述两个探测单元向内倾斜设置于所述沟槽结构分光阵列4的两个分光方向，并且两片热释电晶体片2分别与沟槽结构分光阵列4的两个分光方向垂直，探测单元中的窄带滤光片1设置于靠近分光阵列4一侧。

如图2所示为本发明公开的分光阵列的沟槽结构，所述沟槽结构是由n个分光单元3的底面周期性排列、紧密相连形成沟槽结构的正方形阵列，所述正方形阵列中槽线相互平行且间距相等，所述分光单元3包括矩形底面、两个侧面和两个平滑斜面形成的倒V型表面，分光单元3的矩形底面紧密相连形成沟槽结构分光阵列4的正方形底面；所述单个分光单元的制备方法如以下实施例所述：

实施例1：

一种分光单元的制备方法，包括部分刻蚀和其后的整体刻蚀，具体步骤如下：

选择长为80μm，宽为4mm，厚度为100μm的镍铬片刻蚀形成一个分光单元，将上述刻蚀得到的分光单元的底面顺序排列、紧密连接得到由50个分光单元形成的具有沟槽结构的正方形阵列，以下为一个分光单元的具体刻蚀过程：

步骤A：部分刻蚀；

首先配制酸性刻蚀液，作为优选实施方式，本发明采用的酸性刻蚀液可以在常温下对镍铬层进行快速高效的刻蚀，缩短了反应时间；所述酸性刻蚀液具体组成包括浓硝酸、浓盐酸、冰乙酸和水，各组分体积比为浓硝酸∶浓盐酸∶冰乙酸∶水＝1∶1∶1∶2；

以矩形镍铬片表面两条短对边中点连线为对称轴分为左右对称的左半部分和右半部分，然后采用光刻工艺分别在两个部分依次刻蚀，刻蚀先后不做具体限定，本实施例先对右半部分进行刻蚀；

本发明为得到阶梯状斜面均要经过多次光刻，具体地，光刻工艺操作如下：

步骤A1：首先在矩形镍铬片表面均匀涂覆正性光刻胶胶，将右半部分进行曝光显影，然后使用所述酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度为8μm，刻蚀完成后进行除胶处理；

步骤A2：在前一步骤制得镍铬片的表面整体涂覆正性光刻胶，使得左半部分涂覆层和右半部分涂覆层位于同一平面，然后将曝光区域向右平行外移8μm，再使用酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分进行刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度为8μm，刻蚀完成后进行除胶处理；

步骤A3：重复步骤A2的操作直至在镍铬片右半部分得到阶梯状结构，再通过同样步骤对左半部分进行处理，得到两个相互对称的阶梯状结构。

步骤B：整体刻蚀；采用酸性刻蚀液对步骤A制得的镍铬片表面进行整体刻蚀，使得斜面的阶梯结构消失，将制得具有平滑斜面的镍铬层放入水中进行超声清洗，清洗完成后使用高纯氮气吹干，最终制得单个分光单元。

在实际生产应用中逐一制备单个分光单元不符合工业化生产标准，这种制作方式费时耗力且效率较低，因此可以采用如下制备工艺直接制备得到沟槽结构分光阵列：

实施例2：

一种沟槽结构分光阵列的制备方法，包括部分刻蚀和其后的整体刻蚀，具体步骤如下：

步骤A：部分刻蚀；

首先配制酸性刻蚀液，作为优选实施方式，本发明采用的酸性刻蚀液可以在常温下对镍铬层进行快速高效的刻蚀，缩短了反应时间；所述酸性刻蚀液具体组成包括浓硝酸、浓盐酸、冰乙酸和水，各组分体积比为浓硝酸∶浓盐酸∶冰乙酸∶水＝1∶1∶1∶2；

选择长和宽均为3.6mm，厚度为100μm的镍铬片平均划分为30个小矩形格，每个小矩形格的尺寸为120μm×3.6mm，每个小矩形格内刻蚀工艺同步进行；以下为任意一个小矩形格内刻蚀的具体操作，即为一个分光单元的制备方法：

以每个小矩形镍铬片表面两较短对边中点连线为对称轴，将每个小矩形镍铬片分为左右对称的左半部分和右半部分，然后采用光刻工艺分别在两个部分依次刻蚀，刻蚀先后不做具体限定，本实施例先对左半部分进行刻蚀；

本发明为得到阶梯状斜面均要经过多次光刻，具体地，光刻工艺操作如下：

步骤A1：首先在矩形镍铬片表面均匀涂覆正性光刻胶胶，将左半部分进行曝光显影，然后使用所述酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度为10μm，刻蚀完成后进行除胶处理；

步骤A2：在前一步骤制得镍铬片的表面整体涂覆正性光刻胶，使得左半部分涂覆层和右半部分涂覆层位于同一平面，然后将曝光区域向左外移12μm，再使用酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分进行刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度为12μm，刻蚀完成后进行除胶处理；

步骤A3：重复步骤A2的操作直至在镍铬片左半部分得到阶梯状结构，再对右半部分进行相同操作，得到两个相互对称的阶梯状结构。

步骤B：整体刻蚀；采用酸性刻蚀液对步骤A制得的镍铬片表面进行整体刻蚀，使得每个小矩形镍铬层斜面的阶梯结构消失，将制得的多个具有平滑斜面的连续形成的沟槽结构的镍铬层放入水中进行超声清洗，清洗完成后使用高纯氮气吹干，最终制得沟槽结构分光阵列。

实施例3：

一种沟槽结构分光阵列的制备方法，包括部分刻蚀和其后的整体刻蚀，具体步骤如下：

步骤A：部分刻蚀；

首先配制酸性刻蚀液，作为优选实施方式，本发明采用的酸性刻蚀液可以在常温下对镍铬层进行快速高效的刻蚀，缩短了反应时间；所述酸性刻蚀液具体组成包括浓硝酸、浓盐酸、冰乙酸和水，各组分体积比为浓硝酸∶浓盐酸∶冰乙酸∶水＝1∶1∶1∶2；

选择长和宽均为5mm，厚度为100μm的镍铬片平均划分为50个小矩形格，每个小矩形格的尺寸为100μm×5mm，每个小矩形格内刻蚀工艺同步进行；以下为任意一个小矩形格内刻蚀的具体操作，即为一个分光单元的制备方法：

以每个小矩形镍铬片表面两较短对边中点连线为对称轴，将每个小矩形镍铬片分为左右对称的左半部分和右半部分，然后采用光刻工艺分别在两个部分依次刻蚀，刻蚀先后不做具体限定，本实施例先对左半部分进行刻蚀；

本发明为得到阶梯状斜面均要经过多次光刻，具体地，光刻工艺操作如下：

步骤A1：首先在矩形镍铬片表面均匀涂覆正性光刻胶胶，将左半部分进行曝光显影，然后使用所述酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度为10μm，刻蚀完成后进行除胶处理；

步骤A2：在前一步骤制得镍铬片的表面整体涂覆正性光刻胶，使得左半部分涂覆层和右半部分涂覆层位于同一平面，然后将曝光区域向左外移10μm，再使用酸性刻蚀液对上述曝光显影后无光刻胶保护部分进行刻蚀，通过控制反应时间控制刻蚀深度为10μm，刻蚀完成后进行除胶处理；

步骤A3：重复步骤A2的操作直至在镍铬片左半部分得到阶梯状结构，再对右半部分进行相同操作，得到两个相互对称的阶梯状结构。

步骤B：整体刻蚀；采用酸性刻蚀液对步骤A制得的镍铬片表面进行整体刻蚀，使得每个小矩形镍铬层斜面的阶梯结构消失，将制得的多个具有平滑斜面的连续形成的沟槽结构的镍铬层放入水中进行超声清洗，清洗完成后使用高纯氮气吹干，最终制得沟槽结构分光阵列。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。