专利名称：双腔平衡式气动室温红外探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基本不受环境温度、压强、气流噪声等影响的双腔平衡式气动室温红外探测器，属于探测器领域。
背景技术：
本发明的双腔平衡式气动室温红外探测器属于探测器领域。目前，传统的气动室温红外探测器(如Chevrier等提出的气动室温探测器)采用以下结构见图1，当红外射线1通过红外窗口2照射到热容量很小的红外吸收层3时，红外吸收层3会吸收红外射线1后温度升高，之后加热腔室内的气体，气体温度升高后压强升高从而推动敏感薄膜6形变，可变电容4的两电极之间的距离相应变化，这样通过检测可变电容4的变化，便可知红外射线1的强弱。通过精确计算得到的微孔5的作用是，当环境温度、压强发生变化时，气体会通过微孔5流入或流出腔室，从而保证敏感薄膜6的两边的气压一样，敏感薄膜6不会形变，从而保证探测器处在正常的工作状态。该探测器存在着如下一些缺点(1)腔室没有完全密封，所以不可以封存对红外射线1有强烈吸收的特殊气体直接利用气体吸收红外射线1；(2)微孔5过大会导致探测器灵敏度降低，微孔5过小时环境温度、压强变化快时微孔5不能补偿其变化，导致器件不能正常工作；(3)由于微孔5的影响，器件对稳恒信号没有响应。
斯坦福大学的Kenny教授以及他在美国空间微电子技术中心JPL实验室的同事们，设计并研制出一种非致冷的隧道气动红外传感器(见图2)，它主要包括热容量很小的红外吸收层3、敏感薄膜6、隧道尖端9以及闭环反馈电路8。其基本思想是利用隧道位置反馈静电力来阻止敏感薄膜6移动，通过测量该静电力来探测红外射线1。反馈电路8的另一个作用是当环境温度、压强的变化时，控制两极板7的静电压，从而控制敏感薄膜6在要求的位置。该探测器存在着如下一些缺点(1)反馈电路8是复杂的伺服系统，工作的可靠性和快捷性直接影响器件的正常工作；(2)反馈电路8只是保证了当环境温度、压强变化时器件处在正常工作状态，没能消除其影响。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的缺点，即屏蔽环境温度、压强变化对探测器的影响的方法，提出一种双腔平衡式气动室温红外探测器，其结构简单、有极好的温度、压强特性，可以在很宽的温度、压强范围正常工作。同时也屏蔽了气流等对器件的影响，提高了探测器的性能。
本发明的技术方案如下双腔平衡式气动室温红外探测器，包括由敏感薄膜6隔开的吸收腔10和平衡腔11、覆盖于吸收腔10上的红外窗口2、以及检测敏感薄膜形变的元件14和与其相接的引出电极13。对于所述的双腔平衡式气动室温红外探测器，在吸收腔10底部设置红外反射薄膜12，吸收腔10内设置有对红外射线1有强烈吸收的气体，这时的响应机制是吸收腔10内的气体直接吸收红外射线1，其灵敏度高、响应速度快。或者在吸收腔10内设置红外吸收层3，吸收腔10内为普通气体，这时的响应机制是红外吸收层3吸收红外射线1，再把热量传给气体。双腔结构要求吸收腔10与平衡腔11内的气体的压强相同，而没有压强大小的限制，其压强可为0.5～2.0个大气压。检测薄膜形变的元件14设置在吸收腔10内或平衡腔11内，为一由电极和薄膜电极构成的可变电容4，或者是由隧道尖端9和敏感薄膜6构成检测薄膜形变的元件14。
本装置应用现有的技术可以实现，敏感薄膜6的制备可采用定向腐蚀自停止技术制得，如1微米左右的浓硼硅薄膜或者氮化硅薄膜；器件的封装可以采用玻璃和硅片的静电健合或者采用简单的粘合技术；为了能精确的保证双腔在同温下压强相同，双腔气体的封存最好同时进行；为了便于封装，双腔封存的气体最好是同种气体，另外实际气体并不精确的满足理想气体状态方程，同种气体才能更好的保证双腔结构对环境温度、压强变化影响的屏蔽。
本发明利用双腔结构有效的屏蔽了环境温度、压强变化对探测器工作状态的影响，根据理想气体状态方程，当吸收腔10和平衡腔11的温度变化相同时，压强的变化也会相同，从而敏感薄膜6在环境温度、压强发生变化时不会形变，所以双腔平衡式气动室温红外探测器可以在很宽的温度、压强范围正常工作。
本发明双腔平衡式气动室温红外探测器的双腔(吸收腔10和平衡腔11)只要压强相同就可以了，而没有保持同环境压强相同的限制，这样就可以在保证密封性的前提下任意改变双腔内的气体压强。当吸收腔10内为对红外射线1有强烈吸收的气体时，提高气压后气体对红外射线1的吸收特性将增强，但热传导特性基本不变，从而器件的灵敏度将提高，但是由于腔内气体的量增多了，热容量的增大使得探测器的响应时间加长了。所以适当的调节腔内气体的压强，可以提高灵敏度或者提高响应速度。
本发明的双腔结构，使得敏感薄膜6不再暴露在空气中，这样气流等将不再影响探测器。大的气流也不会导致敏感薄膜6的破裂。
与现有技术相比，本发明具有以下优点1)对环境温度、压强变化影响的屏蔽是一个状态，而不是一个伺服过程，实现容易、效果好。
2)特别适合对红外射线1有强烈吸收的特殊气体直接吸收红外射线1的探测机理。
3)温度、压强适用范围宽，可以在特殊的温度、压强条件下工作。
图1Chevrier等提出的气动室温红外探测器结构图；图2Kenny教授等提出的气动室温红外探测器结构图；图3本发明双腔平衡式气动室温红外探测器结构图；图中，1-红外射线，2-红外窗口，3-红外吸收层，4-可变电容，5-微孔，6-敏感薄膜，7-两极板，8-反馈电路，9-隧道尖端，10-吸收腔，11-平衡腔，12-红外反射薄膜，13-引出电极，14-检测敏感薄膜形变的元件。
具体实施例方式
以下结合实例进一步说明本发明的内容如图3所示，本发明双腔平衡式气动室温红外探测器，其中包括敏感薄膜6隔开的两个充相同压强气体的密封腔，一个为吸收腔10，一个为平衡腔11；覆盖于吸收腔10上的红外窗口2；检测敏感薄膜形变的元件14；以及与检测薄膜形变元件14相接的引出电极13。其中的双腔结构使得环境温度、压强的变化不会引起敏感薄膜6的形变，从而屏避了环境温度、压强对器件影响，同时使敏感薄膜6不暴露在空气中，从而屏避了气流等的影响。
实例1双腔平衡式气动室温红外探测器的吸收腔10内封存对红外射线1有强烈吸收的特殊气体，如氟乙烯，当红外信号1通过红外窗口2(可采用多晶硅或者单晶硅)进入吸收腔10后，特殊气体会吸收红外射线1从而温度升高进而压强增大，推动敏感薄膜6(为1微米左右的浓硼硅薄膜或者带电极的氮化硅薄膜)变形，通过检测敏感薄膜形变的元件14(此处为可变电容4)的变化便可以得知红外射线1的强弱。在吸收腔10底部的红外反射薄膜12的作用是提高气体对红外射线1的吸收，从而提高灵敏度。平衡腔11内封存的气体种类可以与吸收腔10内相同也可以不同，只要满足压强相同就可以了。另外双腔结构使双腔内气体的压强大小没有了限制，只要探测器能完成封装，双腔内封存的气体可以是高于一个大气压，如1.5个大气压，也可以低于一个大气压，如0.8个大气压。当吸收腔10内封存的特气压强增大时，其红外吸收能力将增强，而热传导特性不变，从而灵敏度增加，但是响应时间会加长，所以适当调节吸收腔10的气压可以提高灵敏度或者加快响应速度。
实例2双腔平衡式气动室温红外探测器的吸收腔10内封存一般气体(如氮气、干燥的空气)，这时红外反射薄膜12位置应为热容很小的红外吸收层3(如10nm厚的金)。对敏感薄膜形变的检测，可以如Kenny教授提出的隧道气动红外传感器，利用由隧道尖端10和敏感薄膜6构成的检测薄膜形变的元件14检测薄膜形变从而探测红外射线1的强弱。
权利要求
1.双腔平衡式气动室温红外探测器，包括吸收腔(10)、覆盖于吸收腔(10)上的红外窗口(2)、在吸收腔(10)壳体上的敏感薄膜(6)以及检测敏感薄膜形变的元件(14)，其特征在于在敏感薄膜(6)的另一侧设置平衡腔(11)。
2.根据权利要求1所述的双腔平衡式气动室温红外探测器，其特征在于还包括设置在吸收腔(10)底部的红外反射薄膜(12)，吸收腔(10)内设置有对红外射线(1)有强烈吸收的气体。
3.根据权利要求1所述的双腔平衡式气动室温红外探测器，其特征在于还包括设置在吸收腔(10)内的红外吸收层(3)，吸收腔(10)内为普通气体。
4.根据权利要求2或3所述的双腔平衡式气动室温红外探测器，其特征在于吸收腔(10)与平衡腔(11)内的气体的压强相同，为0.5～2.0个大气压。
5.根据权利要求2或3所述的双腔平衡式气动室温红外探测器，其特征在于检测敏感薄膜形变的元件(14)设置在吸收腔(10)内或平衡腔(11)内，为一由电极和薄膜电极构成的可变电容(4)，或者是由隧道尖端(9)和敏感薄膜(6)构成的检测薄膜形变的元件。
全文摘要
本发明涉及一种双腔平衡式气动室温红外探测器，属于探测器领域。包括吸收腔(10)、覆盖于吸收腔上的红外窗口(2)、在吸收腔壳体上的敏感薄膜(6)以及检测敏感薄膜形变的元件(14)，特征在于在敏感薄膜(6)的另一侧设置平衡腔(11)，吸收腔(10)与平衡腔(11)内的气体的压强相同。其中，检测敏感薄膜形变的元件(14)设置在吸收腔内或平衡腔内，为可变电容(4)，或者是由隧道尖端(9)和敏感薄膜(6)构成的元件。本发明结构简单、有极好的温度、压强特性，可以在很宽的温度、压强范围正常工作。同时也屏蔽了气流等对器件的影响，提高了探测器的性能。
文档编号G01J5/00GK101038213SQ200710065409
公开日2007年9月19日 申请日期2007年4月13日 优先权日2007年4月13日
发明者徐晨, 沈光地, 宋义超, 李博, 施梦娱, 高国, 陈建新 申请人:北京工业大学