专利名称：一种热释电探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及热电探测技术领域，具体地说，本发明涉及一种热释电探测器。
背景技术：
热释电探测器通常由单个或双个响应元组合封装而成，如果响应元的热释电系数 较低，则可以连接一个信号放大电路，入射窗口采用特定波长范围内透明材料。热释电探测 器工作原理是热释电元件吸收外界辐射后，其温度变化产生热释电电流，热释电电流经放 大电路转变为电压信号，通过测量电压信号就可以得到外界辐射的信息。热释电探测器属于非制冷红外探测技术，该类探测器能在室温下工作，成本低、功 耗小、寿命长、体积小、性价比高、应用范围广，已成为红外探测技术中最引人注目的技术突 破之一。目前热释电探测器主要应用于防盗报警、家电自动控制、医疗诊断，以及夜视、遥 感、侦查、制导等方面。基于薄膜热释电材料的热释电探测器与基于块材的热释电探测器相比，具有响应 速率快、易于和半导体工艺兼容以及容易实现大规模阵列设计等优点，因此基于薄膜热释 电材料的热释电探测器逐渐成为热释电红外探测器的发展方向。但是，由于目前使用的薄 膜材料的热释电系数较低，导致灵敏度和信噪比较低，进而限制了探测器的响应率和探测 率。另外，目前基于薄膜热释电材料的热释电探测器的响应速度在微秒至毫秒量级，也有待 进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种响应速度快、灵敏度高、信噪比高的基于薄膜热释电 材料的热释电探测器。为实现上述发明目的，本发明提供了一种热释电探测器，包括外壳、响应元和信号 输出接口，所述响应元包括依次叠置的导电基片、极化后的CaCu3Ti4O12薄膜和导电透明材 料薄膜；所述响应元位于所述外壳内；所述外壳上具有透明窗口，用于接纳外界电磁辐射； 所述导电基片作为下电极，所述导电透明材料薄膜作为上电极；所述上电极和下电极与信 号输出接口电连接；所述上电极朝向所述透明窗口。其中，所述热释电探测器还包括可调电压源，所述可调电压源与所述响应元并联。其中，所述可调电压源的调压范围是0. 2V至0. 8V。其中，所述外壳为不透明的密封外壳。其中，所述响应元的上电极是正电极，所述响应元的下电极是负电极；所述 CaCu3Ti4O12薄膜的极化方向垂直于薄膜表面。其中，所述CaCu3Ti4O12 薄膜的厚度为 500nm_1000nm。其中，所述导电透明材料薄膜是铟锡氧化物、二氧化锡或氧化锌薄膜。其中，所述导电基片是Nb SrTiO3基片、SrRuO3基片或SrVO3基片。其中，所述响应元的两极与所述信号输出接口之间还连接有信号放大电路。
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其中，所述透明窗口采用广角透镜的结构。与现有技术相比，本发明具有以下技术效果1.本发明的探测器中的热释电材料具有较高的热释电系数，因而可以改善探测器 的灵敏度和探测率；2.相对其他热释电探测器，本发明的探测器在响应元两极并联一个电源，使得探 测器的响应速度得到很大提高，并且有助于保持热释电材料的极化特性，增加器件使用寿 命。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中图1是本发明一个实施例中的响应元结构示意图；图2是本发明一个实施例中的探测器结构示意图；图3(a)是本发明一个实施例中的响应元两极不加电压时对波长532nm脉冲光的 光生伏特响应信号示意图；图3(b)是图3(a)脉冲信号的半高宽示意图；图4 (a)是本发明一个实施例中的响应元两极加电压时对波长532nm脉冲光的光 生伏特响应信号示意图；图4(b)是图4(a)脉冲信号的半高宽示意图；图5 (a)是本发明一个实施例中响应元两极不加电压时对波长1064nm脉冲光的光 生伏特响应信号示意图；图5(b)是图5(a)脉冲信号的半高宽示意图；图面说明1 :Nb = SrTiO3基片，2 :CCT0薄膜，3 :ΙΤ0薄膜，4 银胶，5 响应元，6 入射信号，7 导线，8 :NBC插头，9 信号放大电路。
具体实施例方式本发明提供的热释电探测器包括不透明的密封外壳、位于所述外壳内的响应元和 信号输出接口，所述外壳上具有透明窗口，用于接纳外界电磁辐射。所述响应元具有上电极 和下电极，所述响应元的上电极和下电极与信号输出接口电连接；所述响应元置于距离所 述透明窗口 Imm 5mm处，所述上电极朝向所述透明窗口。透明窗口可以采用广角透镜的 结构，以便大角度地接收外界电磁辐射。如图1所示，本实施例的响应元包括依次叠置的Nb = SrTiO3基片1、极化后的CCTO 薄膜2和ITO薄膜3 ；所述Nb = SrTiO3基片形成下电极；所述ITO薄膜形成上电极。所述 CCTO薄膜2厚度为500nm lOOOnm，本实施例中取500nm。所述ITO薄膜3厚50nm 60nm，本实施例中取50nm。所述上电极和下电极均通过银胶4粘接导线将电极引出。CCTO 是CaCu3Ti4O12的缩写。ITO全称是Indium Tin Oxides，译名铟锡氧化物，本实施例中的 ITO也可使用SnO2, ZnO等其它导电透明材料替代。本实施例中的Nb SrTiO3基片也可使用 SrRuO3基片或SrVO3基片等其它导电基片替代。本实施例的响应元通过下述方法制备
(1)制备CCTO靶。将CaC03、Cu0和TiO2按物质的量1 3 4混合并研磨均勻， 在800°C下预烧10个小时；预烧后再次研磨，压成靶状，在1000°C下预烧10个小时；最后将 预烧的靶捣碎并研磨均勻，再压制成靶，在1300°c下焙烧12小时；本步骤中，预烧两遍的目 的是为了让CaC03、Cu0和TiO2充分混合均勻，并反应生成CCT0，同时也可除去水分、有机物 等杂质。预烧温度过高、时间过长会使下一步的捣碎、研磨困难，因此本步骤采用了较低的 预烧温度和较短的时间。(2)将Nb = SrTiO3基片放入真空腔内，加热至700 850°C (本实施例优选780°C )， 腔内抽至真空(一般5X 10_3Pa以下即可，本实施例取3X I(T3Pa)，然后通5 40Pa氧压 (本实施例取20Pa)，用PLD(pluse laser d印osit，脉冲激光沉积)方法在Nb SrTiO3基片 上镀一层500nm厚的CCTO薄膜。(3)将镀有CCTO薄膜的Nb = SrTiO3基片置于真空腔内，加热至400 600°C (本 实施例优选500°C )，腔内抽至真空(一般5 X KT3Pa以下即可，本实施例取3 X I(T3Pa)，然 后通5 40Pa氧压(本实施例取5Pa)，再用PLD方法在所述CCTO薄膜上面镀一层50nm厚 的ITO薄膜，得到由Nb = SrTiO3基片1、CCTO薄膜2和ITO薄膜3构成的薄膜热释电材料。(4)用银胶将导线分别粘到ITO薄膜和他:51~1103基片上，作为上下电极引出。(5)在所述薄膜热释电材料两极加Iv左右的电压，确保能达到10000 20000V/ cm的电场强度，又不至于击穿样品。在室温下极化24-72小时，再撤去电压，使材料内部电 偶极矩尽可能充分极化，这样最终得到所述响应元。如图2所示，将制备好的响应元5固定在绝缘板上，所述绝缘板安装在所述探测器 的外壳内，使所述响应元5的上电极朝向所述透明窗口。响应元两极并联一个0. 2-0. 8V可 控电压源，再将响应元5的两极通过导线7连到BNC插头8 (在响应元5的两极与BNC插头 8之间可以串联信号放大电路9)，用同轴电缆线将BNC插头8 (BNC的全称是Bayonet Nut Connector，一般译为同轴电缆接插件)连至示波器上。入射信号6是使用激光模拟的外界 电磁辐射。参考图1和图2，所述响应元的上电极是正电极，所述响应元的下电极是负电极。 所述CaCu3Ti4O12薄膜的极化方向垂直于薄膜表面。用波长为532nm的激光(激光参数脉冲能量3_4mJ，光斑半径3mm，波长532nm) 模拟外界电磁辐射，在响应元两电极不加电压的情况下进行热释电光生伏特信号测量，脉 冲结果如图3(a)、3(b)所示，从图3(b)可以看出脉冲宽度为9. 8 μ S。(脉冲宽度是指脉冲 的半高宽，一般来说，将所述脉冲宽度作为响应元的响应时间，这是本领域技术人员易于理 解的)在响应元两极加上0. 68V电压，然后用波长为532nm的激光(激光参数脉冲能量 3_4mJ，光斑半径3mm，波长532nm)模拟外界电磁辐射，对所述探测器进行热释电光生伏特 信号测量，脉冲响应结果如图4(a)、4(b)所示；可以发现，加上电压后探测器响应脉冲的半 高宽被大大压窄，从图4(b)可以看出脉冲宽度为0.4μ s，响应速度得到明显提高。本发明 中，响应元两极所加载电压的可调范围由实验得出。如果电压过小，脉宽压窄效果不明显， 如果电压过大，则可能导致CCTO薄膜被击穿。由于极化电压需要保证CCTO材料内部电偶 极矩能够充分极化，因此往往把极化电压设置为薄膜短期所能承载的极限值。而可控电压 源输出的电压会频繁而长时间地加载于所述响应元的两极，因此，可控电压源的电压上限 应稍低于极化电压。结合以上分析和大量实验论证，本发明优选实施例中，采用了电压可调范围是0. 2-0. 8V的可控电压源。 用波长为1064nm的激光(激光参数脉冲能量3_4mJ，光斑半径3mm，波长 1064nm)模拟外界电磁辐射，在不加外压时进行光生伏特信号测量，对所述探测器进行热释 电光生伏特信号测量，所得结果如图5(a)、5(b)所示。由脉冲响应结果可以发现该探测器 对长波段的光谱也有很好地响应，脉冲宽度为1. 2 μ S。本实施例中采用的CCTO薄膜热释电系数在290Κ至340Κ温度范围可达 1. 2Χ 10_7C/cm2 · K，因此以CCTO薄膜作为响应元材料，具有响应速度快、灵敏度高、信噪比 高、探测率高等优点，具有重要的实用价值与现实意义。另外，本发明即可以由单个响应元封装构成，可以由双个响应元组合封装构成；本 发明所涉及的透明是指对可见光和红外波段范围内的一定波段透明。以上均是本领域技术 人员易于理解的。与现有技术相比，本发明具有以下技术效果1.本发明的探测器中所采用的热释电材料工艺简单，制备成本低，且具有较高的 热释电系数，因而可以改善探测器的灵敏度和探测率；2.相对其他热释电探测器，本发明的探测器在响应元两极并联一个电压源，使得 探测器的响应速度得到很大提高，并且有助于保持热释电材料的极化特性，增加器件使用
寿命ο最后应该说明，以上实施例仅用来说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实 施例对本发明进行了详细说明，但本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案 进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的 权利要求范围当中。
权利要求
一种热释电探测器，包括外壳、响应元和信号输出接口，所述响应元包括依次叠置的导电基片、极化后的CaCu3Ti4O12薄膜和导电透明材料薄膜；所述响应元位于所述外壳内；所述外壳上具有透明窗口，用于接纳外界电磁辐射；所述导电基片作为下电极，所述导电透明材料薄膜作为上电极；所述上电极和下电极与信号输出接口电连接；所述上电极朝向所述透明窗口。
2.根据权利要求1所述的热释电探测器，其特征在于，所述热释电探测器还包括可调 电压源，所述可调电压源与所述响应元并联。
3.根据权利要求2所述的热释电探测器，其特征在于，所述可调电压源的调压范围是 0. 2V 至 0. 8V。
4.根据权利要求1所述的热释电探测器，其特征在于，所述外壳为不透明的密封外壳。
5.根据权利要求1所述的热释电探测器，其特征在于，所述响应元的上电极是正电极， 所述响应元的下电极是负电极；所述CaCu3Ti4O12薄膜的极化方向垂直于薄膜表面。
6.根据权利要求1所述的热释电探测器，其特征在于，所述CaCu3Ti4O12薄膜的厚度为 500nm-IOOOnmο
7.根据权利要求1所述的热释电探测器，其特征在于，所述导电透明材料薄膜是铟锡 氧化物、二氧化锡或氧化锌薄膜。
8.根据权利要求1所述的热释电探测器，其特征在于，所述导电基片是Nb SrTiO3基 片、SrRuO3基片或SrVO3基片。
9.根据权利要求1所述的热释电探测器，其特征在于，所述响应元的两极与所述信号 输出接口之间还连接有信号放大电路。
10.根据权利要求1所述的热释电探测器，其特征在于，所述透明窗口采用广角透镜的 结构。
全文摘要
本发明提供一种热释电探测器，包括外壳、响应元和信号输出接口，所述响应元包括依次叠置的导电基片、极化后的CaCu3Ti4O12薄膜和导电透明材料薄膜；所述响应元位于所述外壳内；所述外壳上具有透明窗口，用于接纳外界电磁辐射；所述导电基片作为下电极，所述导电透明材料薄膜作为上电极；所述上电极和下电极与信号输出接口电连接；所述上电极朝向所述透明窗口。本发明的响应元具有较高的热释电系数，因而可以改善探测器的灵敏度和探测率；与其他热释电探测器相比，本发明在响应元两极并联一个电源，使得探测器的响应速度得到很大提高，并且有助于保持热释电材料的极化特性，增加器件使用寿命。
文档编号G01J5/14GK101922972SQ20091008659
公开日2010年12月22日 申请日期2009年6月12日 优先权日2009年6月12日
发明者周岳亮, 宁廷银, 张东香, 明海, 杨国桢, 王沛, 王灿, 陆珩, 陈聪 申请人:中国科学院物理研究所