CN106153202B - 一种非制冷宽波段红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件包括硅基底、支撑层、金属电极、宽波段红外吸收层、热敏感层及悬空孔；热敏感层置于宽波段红外吸收层上方或下方的中间；金属电极置于热敏感层的两旁、宽波段红外吸收层两端的上方；支撑层置于硅基底上方，悬空孔置于硅基底和支撑层的中间，并穿透了硅基底和支撑层，宽波段红外吸收层和热敏感层均置于支撑层上方且完全覆盖支撑层中间的悬空孔的上端开口。本发明的宽波段红外吸收层和热敏感层共同组成红外敏感层，并结合悬空结构，可极大提高探测器的性能。解决了现有非制冷宽波段红外探测器工艺复杂、红外吸收波段窄、红外吸收率低等问题，实现非制冷宽波段、低成本、高灵敏度红外探测。
Description
技术领域
本发明属于光电领域，涉及一种非制冷宽波段红外探测器。
背景技术
红外探测器是现代国防军事的重要技术，方便官兵在夜晚、烟雾、雾天中的观察作战。目前广泛应用的红外探测器技术包括制冷和非制冷两类，其中制冷型红外成像由于需要复杂的制冷设备，而导致***笨重，不易于单兵作战。非制冷红外成像技术起步较晚，但是发展迅速，其中以氧化钒为敏感单元的非制冷红外探测器技术已广泛应用于国防军事领域。但是，氧化钒自身的吸光性能较差，需要借助氮化硅等红外吸收材料以及复杂的光学腔体结构。此外，传统的非制冷宽波段红外探测器的探测波段单一(8～14μm)，不能实现宽波段(3～14μm)。现有非制冷宽波段红外探测器结构复杂、工艺复杂、红外吸收波段窄、红外吸收率低，尤其在3～5μm波段的非制冷红外探测技术发展缓慢。其中，宽波段红外吸收材料是关键。
因此，必须针对基于石墨烯的微测辐射热计，必须设计工艺简单、合理的器件结构，实现宽波段非制冷红外探测。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述背景技术的不足，提供一种非制冷宽波段红外探测器，采用背面刻蚀工艺制作的通孔作为悬空孔，优化红外吸收材料与热敏弹性体的材料、结构与位置，实现低成本、高性能宽波段非制冷红外探测。
本发明所涉及的一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件包括硅基底101、支撑层102、金属电极103、宽波段红外吸收层104、热敏感层105以及悬空孔106；宽波段红外吸收层104置于热敏感层105上方或者下方，且热敏感层105位于宽波段红外吸收层104的中间并与其相接触；金属电极103置于热敏感层105的两旁、宽波段红外吸收层104两端的上方，并与宽波段红外吸收层104相接触；支撑层102置于硅基底101上方，悬空孔106置于硅基底101和支撑层102的中间，并且穿透了硅基底101和支撑层102，宽波段红外吸收层104和热敏感层105均置于支撑层102上方且完全覆盖了支撑层102中间的悬空孔106的上端开口；宽波段红外吸收层104采用三维碳纳米材料，同时作为导电层，热敏感层105采用热敏弹性体；宽波段红外吸收层104和热敏感层105共同组成红外敏感层；宽波段红外吸收层104厚度为5nm～2μm；悬空孔106的上端开口大小为5μm×5μm～500μm×500μm；支撑层102厚度为20nm～2μm；热敏感层105厚度为50nm～10μm；金属电极103厚度为50nm～200nm；单元器件的大小尺寸为7μm×7μm～1000μm×1000μm，宽波段红外吸收层104的填充因子为42％～94％，即宽波段红外吸收层104的大小与单元器件的大小比例为42％～94％。
进一步，所述单元器件以n×m阵列排列，n和m均为≥1的整数。
进一步，所述三维碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯纳米墙、三维结构化碳纳米薄膜或者碳纳米材料与聚合物形成的三维多孔复合材料。
进一步，所述硅基底101为常规半导体硅片。
进一步，所述支撑层102为氮化硅或二氧化硅中的一种。
进一步，所述热敏弹性体具有良好的热变形性能，为PDMS、TPU、Ecoflex、紫外固化胶、硅橡胶或聚氨酯橡胶。
进一步，所述金属电极103为金、银、铝、铜或钛金属中的一种。
进一步，本发明所涉及的一种非制冷宽波段红外探测器的制备方法如下所述。
当宽波段红外吸收层104置于热敏感层105上方时，非制冷宽波段红外探测器的制备方法如下：
步骤一、在硅基底101正面沉积支撑层102，厚度为20nm～2μm；
步骤二、在硅基底101背面制备以n×m阵列排列的悬空孔106，n和m均为≥1的整数，形成了n×m个单元，悬空孔106位于每个单元的中间，悬空孔106穿透了硅基底101，单元的大小尺寸为7μm×7μm～1000μm×1000μm；悬空孔的上端开口大小为5μm×5μm～500μm×500μm；
步骤三、在支撑层102表面沉积热敏弹性体，并以n×m阵列图形化刻蚀热敏弹性体，得到了在每个单元内完全覆盖了悬空孔106的热敏感层105，厚度为50nm～10μm。
步骤四、在热敏感层105上转移或沉积三维碳纳米材料，并以n×m阵列图形化刻蚀三维碳纳米材料，得到宽波段红外吸收层104，厚度为5nm～2μm；每个单元内热敏感层105位于宽波段红外吸收层104的中间；每个单元内宽波段红外吸收层104的填充因子为42％～94％；即每个单元内宽波段红外吸收层104的大小与单元的大小比例为42％～94％。三维碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯纳米墙、三维结构化碳纳米薄膜或者碳纳米材料与聚合物形成的三维多孔复合材料；碳纳米管、石墨烯纳米墙在热敏感层105上直接沉积或者先生长后转移至热敏感层105上；三维结构化碳纳米薄膜通过真空镀膜的方法直接在热敏感层105上沉积；碳纳米材料与聚合物形成的三维多孔复合材料通过旋涂、印刷、喷墨打印或喷涂方式沉积在热敏感层105上。
步骤五、通过真空蒸镀及光刻、剥离的微纳加工方法在每个单元内热敏感层105的两旁、宽波段红外吸收层104两端沉积金属电极103，厚度为50nm～200nm；
步骤六、从硅基底101背面通过已有的悬空孔106刻蚀支撑层102，得到穿透硅基底101和支撑层102的悬空孔106。
当宽波段红外吸收层104置于热敏感层105下方时，非制冷宽波段红外探测器的制备方法如下：
步骤一、在硅基底101正面沉积支撑层102，厚度为20nm～2μm；
步骤二、在硅基底101背面制备以n×m阵列排列的悬空孔106，n和m均为≥1的整数，形成了n×m个单元，悬空孔106位于每个单元的中间，悬空孔106穿透了硅基底101，单元的大小尺寸为7μm×7μm～1000μm×1000μm；悬空孔的上端开口大小为5μm×5μm～500μm×500μm；
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步骤四、通过真空蒸镀及光刻、剥离的微纳加工方法在每个单元内宽波段红外吸收层104两端沉积金属电极103，厚度为50nm～200nm；
步骤五、在宽波段红外吸收层104中间的表面沉积热敏弹性体，并以n×m阵列图形化刻蚀热敏弹性体，得到了在每个单元内完全覆盖了悬空孔106的热敏感层105，厚度为50nm～10μm。每个单元内热敏感层105位于宽波段红外吸收层104的中间，金属电极103在热敏感层105的两旁；
步骤六、从硅基底101背面通过已有的悬空孔106刻蚀支撑层102，得到穿透硅基底101和支撑层102的悬空孔106。
本发明所述红外探测器灵敏度高、结构简单、工艺简单、成本低，且具有优异的非制冷宽波段红外探测性能。本发明的宽波段红外吸收层104采用三维碳纳米材料，提高红外吸收率；热敏感层105采用热敏弹性体，提高探测器的响应度；悬空孔106置于硅基底101内部，提高探测信噪比；宽波段红外吸收层104同时作为导电层，和热敏感层105共同组成红外敏感层，并结合悬空结构，可以极大提高探测器的性能；碳纳米管、石墨烯纳米墙、三维结构化碳纳米薄膜或者碳纳米材料与聚合物形成的三维多孔复合材料，作为碳纳米材料的三维延伸，表面及内部的三维结构具有极强的光吸收能力；与此同时，疏松的纳米结构为非制冷探测提供基础。解决了现有非制冷宽波段红外探测器工艺复杂、红外吸收波段窄、红外吸收率低等问题，实现非制冷宽波段、低成本红外探测。
附图说明
图1为实施例1-4的非制冷宽波段红外探测器的单元器件结构俯视图；
图2为实施例1-4的非制冷宽波段红外探测器的单元器件结构截面图；
图3为实施例5-8的非制冷宽波段红外探测器的单元器件结构俯视图；
图4为实施例5-8的非制冷宽波段红外探测器的单元器件结构截面图；
上述图中，101为硅基底，102为支撑层，103为金属电极，104为宽波段红外吸收层，105为热敏感层，106为悬空孔；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施列1
一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件结构俯视图如图1所示，其单元器件结构截面图如图2所示。
本实施例的一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件包括硅基底101、支撑层102、金属电极103、宽波段红外吸收层104、热敏感层105以及悬空孔106。宽波段红外吸收层104置于热敏感层105上方，且热敏感层105位于宽波段红外吸收层104的中间并与其相接触；金属电极103置于热敏感层105的两旁、宽波段红外吸收层104两端的上方，并与宽波段红外吸收层104相接触；支撑层102置于硅基底101上方，悬空孔106置于硅基底101和支撑层102的中间，并且穿透了硅基底101和支撑层102，宽波段红外吸收层104和热敏感层105均置于支撑层102上方且完全覆盖了支撑层102中间的悬空孔106的上端开口；宽波段红外吸收层104采用三维碳纳米材料，同时作为导电层，热敏感层105采用热敏弹性体；宽波段红外吸收层104和热敏感层105共同组成红外敏感层。
本实施例中，硅基底101为常规的半导体双面抛光硅片；
本实施例中，支撑层102为氮化硅薄膜，通过热氧工艺在硅基底101上制备，厚度为20nm；
本实施例中，通过光刻、刻蚀等微纳加工工艺在硅基底制备悬空孔，悬空孔106的上端开口大小为5μm×5μm；
本实施例中，热敏感层105采用的热敏弹性体为PDMS薄膜，通过旋涂PDMS稀释液(正己烷稀释10倍)的方式在支撑层102表面沉积PDMS薄膜后，厚度为50nm，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形，单元尺寸为6μm×6μm；
本实施例中，宽波段红外吸收层104采用的三维碳纳米材料为碳纳米管，通过化学气相沉积(CVD)的方法在基底上沉积，然后转移到热敏弹性体105上方，厚度为5nm，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形，其单元的尺寸6.8μm×6.8μm；
本实施例中，通过真空蒸镀及光刻、剥离的微纳加工方法制备金属电极103，金属为50nm厚的金；
本实施例中，通过反应离子刻蚀***从硅基底101背面将悬空孔106顶端的支撑层102刻蚀掉；
本实施例中，非制冷宽波段红外探测器的单元器件的大小尺寸为7μm×7μm，宽波段红外吸收层104的填充因子为宽波段红外吸收层104的大小与单元器件的大小比例，即为94％，单元器件形成1024×1024阵列焦平面的器件，实现红外成像，对红外波段具有高灵敏度检测。
实施例2
一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件结构俯视图如图1所示，其单元器件结构截面图如图2所示。
本实施例的一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件包括硅基底101、支撑层102、金属电极103、宽波段红外吸收层104、热敏感层105以及悬空孔106。宽波段红外吸收层104置于热敏感层105上方，且热敏感层105位于宽波段红外吸收层104的中间并与其相接触；金属电极103置于热敏感层105的两旁、宽波段红外吸收层104两端的上方，并与宽波段红外吸收层104相接触；支撑层102置于硅基底101上方，悬空孔106置于硅基底101和支撑层102的中间，并且穿透了硅基底101和支撑层102，宽波段红外吸收层104和热敏感层105均置于支撑层102上方且完全覆盖了支撑层102中间的悬空孔106的上端开口；宽波段红外吸收层104采用三维碳纳米材料，同时作为导电层，热敏感层105采用热敏弹性体；宽波段红外吸收层104和热敏感层105共同组成红外敏感层。
本实施例中，硅基底101为常规的半导体双面抛光硅片；
本实施例中，支撑层102为二氧化硅薄膜，通过热氧工艺在硅基底101上制备，厚度为200nm；
本实施例中，通过光刻、刻蚀等微纳加工工艺在硅基底制备悬空孔，悬空孔106的上端开口大小为20μm×20μm；
本实施例中，热敏感层105采用的热敏弹性体为TPU薄膜，通过旋涂的方式在支撑层102表面沉积TPU薄膜后，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形，厚度为200nm，单元尺寸为22μm×22μm；
本实施例中，宽波段红外吸收层104采用的三维碳纳米材料为石墨烯纳米墙，通过微波等离子体增强化学气相沉积(MPECVD)的方法在铜箔基底上沉积，然后转移到热敏弹性体105上方，厚度为300nm，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形，其单元的尺寸25μm×25μm；
本实施例中，通过真空蒸镀及光刻、剥离的微纳加工方法制备金属电极103，金属为100nm厚的铜；
本实施例中，通过湿法刻蚀的方法从硅基底101背面将悬空孔106顶端的支撑层102刻蚀掉；
本实施例中，非制冷宽波段红外探测器的单元器件的大小尺寸为27μm×27μm，宽波段红外吸收层104的填充因子为宽波段红外吸收层104的大小与单元器件的大小比例，即为86％，单元器件形成512×512阵列焦平面的器件，实现红外成像，对红外波段具有高灵敏度检测。
实施例3
一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件结构俯视图如图1所示，其单元器件结构截面图如图2所示。
本实施例的一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件包括硅基底101、支撑层102、金属电极103、宽波段红外吸收层104、热敏感层105以及悬空孔106。宽波段红外吸收层104置于热敏感层105上方，且热敏感层105位于宽波段红外吸收层104的中间并与其相接触；金属电极103置于热敏感层105的两旁、宽波段红外吸收层104两端的上方，并与宽波段红外吸收层104相接触；支撑层102置于硅基底101上方，悬空孔106置于硅基底101和支撑层102的中间，并且穿透了硅基底101和支撑层102，宽波段红外吸收层104和热敏感层105均置于支撑层102上方且完全覆盖了支撑层102中间的悬空孔106的上端开口；宽波段红外吸收层104采用三维碳纳米材料，同时作为导电层，热敏感层105采用热敏弹性体；宽波段红外吸收层104和热敏感层105共同组成红外敏感层。
本实施例中，硅基底101为常规的半导体双面抛光硅片；
本实施例中，支撑层102为氮化硅薄膜，通过热氧工艺在硅基底101上制备，厚度为500nm；
本实施例中，通过光刻、刻蚀等微纳加工工艺在硅基底制备悬空孔，悬空孔106的上端开口大小为50μm×50μm；
本实施例中，热敏感层105采用的热敏弹性体为聚氨酯橡胶薄膜，通过旋涂的方式在支撑层102表面沉积聚氨酯橡胶薄膜后，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形，厚度为500nm，单元尺寸为53μm×53μm；
本实施例中，宽波段红外吸收层104采用的三维碳纳米材料为三维结构化碳纳米薄膜，通过磁控溅射的方法在热敏弹性体105上方直接沉积具有三维纳米孔洞的碳薄膜，厚度为500nm，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形，其单元的尺寸55μm×55μm；
本实施例中，通过真空蒸镀及光刻、剥离的微纳加工方法制备金属电极103，金属为200nm厚的银；
本实施例中，通过反应离子刻蚀***从硅基底101背面将悬空孔106顶端的支撑层102刻蚀掉；
本实施例中，非制冷宽波段红外探测器的单元器件的大小尺寸为65μm×65μm，宽波段红外吸收层104的填充因子为宽波段红外吸收层104的大小与单元器件的大小比例，即为72％，单元器件形成128×256阵列焦平面的器件，实现红外成像，对红外波段具有高灵敏度检测。
实施例4
一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件结构俯视图如图1所示，其单元器件结构截面图如图2所示。
本实施例的一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件包括硅基底101、支撑层102、金属电极103、宽波段红外吸收层104、热敏感层105以及悬空孔106。宽波段红外吸收层104置于热敏感层105上方，且热敏感层105位于宽波段红外吸收层104的中间并与其相接触；金属电极103置于热敏感层105的两旁、宽波段红外吸收层104两端的上方，并与宽波段红外吸收层104相接触；支撑层102置于硅基底101上方，悬空孔106置于硅基底101和支撑层102的中间，并且穿透了硅基底101和支撑层102，宽波段红外吸收层104和热敏感层105均置于支撑层102上方且完全覆盖了支撑层102中间的悬空孔106的上端开口；宽波段红外吸收层104采用三维碳纳米材料，同时作为导电层，热敏感层105采用热敏弹性体；宽波段红外吸收层104和热敏感层105共同组成红外敏感层。
本实施例中，硅基底101为常规的半导体双面抛光硅片；
本实施例中，支撑层102为二氧化硅薄膜，通过热氧工艺在硅基底101上制备，厚度为2μm；
本实施例中，通过光刻、刻蚀等微纳加工工艺在硅基底制备悬空孔，悬空孔106的上端开口大小为500μm×500μm；
本实施例中，热敏感层105采用的热敏弹性体为紫外固化胶薄膜，通过旋涂的方式在支撑层102表面沉积紫外固化胶薄膜后，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形，厚度为10μm，单元尺寸为600μm×600μm；
本实施例中，宽波段红外吸收层104采用的三维碳纳米材料为碳纳米材料与聚合物形成的三维多孔复合材料，通过喷涂的方法在热敏弹性体105上方直接沉积宽波段红外吸收层104，厚度为2μm，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形，其单元的尺寸650μm×650μm；
本实施例中，通过真空蒸镀及光刻、剥离的微纳加工方法制备金属电极103，金属为200nm厚的钛；
本实施例中，通过反应离子刻蚀***从硅基底101背面将悬空孔106顶端的支撑层102刻蚀掉；
本实施例中，非制冷宽波段红外探测器的单元器件的大小尺寸为1000μm×1000μm，宽波段红外吸收层104的填充因子为宽波段红外吸收层104的大小与单元器件的大小比例，即为43％，单元器件形成3×3阵列焦平面的器件，实现红外成像，对红外波段具有高灵敏度检测。
实施例5
一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件结构俯视图如图3所示，其单元器件结构截面图如图4所示。
本实施例的一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件包括硅基底101、支撑层102、金属电极103、宽波段红外吸收层104、热敏感层105以及悬空孔106。热敏感层105置于宽波段红外吸收层104上方，且热敏感层105位于宽波段红外吸收层104的中间并与其相接触；金属电极103置于热敏感层105的两旁、宽波段红外吸收层104两端的上方，并与宽波段红外吸收层104相接触；支撑层102置于硅基底101上方，悬空孔106置于硅基底101和支撑层102的中间，并且穿透了硅基底101和支撑层102，宽波段红外吸收层104和热敏感层105均置于支撑层102上方且完全覆盖了支撑层102中间的悬空孔106的上端开口；宽波段红外吸收层104采用三维碳纳米材料，同时作为导电层，热敏感层105采用热敏弹性体；宽波段红外吸收层104和热敏感层105共同组成红外敏感层。
本实施例中，硅基底101为常规的半导体双面抛光硅片；
本实施例中，支撑层102为氮化硅薄膜，通过热氧工艺在硅基底101上制备，厚度为20nm；
本实施例中，通过光刻、刻蚀等微纳加工工艺在硅基底制备悬空孔，悬空孔106的上端开口大小为5μm×5μm；
本实施例中，宽波段红外吸收层104采用的三维碳纳米材料为碳纳米管，通过化学气相沉积(CVD)的方法在支撑层102上直接沉积，厚度为5nm，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形，其单元的尺寸6.8μm×6.8μm；
本实施例中，通过真空蒸镀及光刻、剥离的微纳加工方法制备金属电极103，金属为50nm厚的金；
本实施例中，热敏感层105采用的热敏弹性体为PDMS薄膜，通过旋涂PDMS稀释液(正己烷稀释10倍)的方式在宽波段红外吸收层104表面沉积PDMS薄膜后，厚度为50nm，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形，单元尺寸为6μm×6μm；
本实施例中，通过反应离子刻蚀***从硅基底101背面将悬空孔106顶端的支撑层102刻蚀掉；
本实施例中，非制冷宽波段红外探测器的单元器件的大小尺寸为7μm×7μm，宽波段红外吸收层104的填充因子为宽波段红外吸收层104的大小与单元器件的大小比例，即为94％，单元器件形成1024×1024阵列焦平面的器件，实现红外成像，对红外波段具有高灵敏度检测。
实施例6
一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件结构俯视图如图3所示，其单元器件结构截面图如图4所示。
本实施例的一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件包括硅基底101、支撑层102、金属电极103、宽波段红外吸收层104、热敏感层105以及悬空孔106。热敏感层105置于宽波段红外吸收层104上方，且热敏感层105位于宽波段红外吸收层104的中间并与其相接触；金属电极103置于热敏感层105的两旁、宽波段红外吸收层104两端的上方，并与宽波段红外吸收层104相接触；支撑层102置于硅基底101上方，悬空孔106置于硅基底101和支撑层102的中间，并且穿透了硅基底101和支撑层102，宽波段红外吸收层104和热敏感层105均置于支撑层102上方且完全覆盖了支撑层102中间的悬空孔106的上端开口；宽波段红外吸收层104采用三维碳纳米材料，同时作为导电层，热敏感层105采用热敏弹性体；宽波段红外吸收层104和热敏感层105共同组成红外敏感层。
本实施例中，硅基底101为常规的半导体双面抛光硅片；
本实施例中，支撑层102为二氧化硅薄膜，通过热氧工艺在硅基底101上制备，厚度为200nm；
本实施例中，通过光刻、刻蚀等微纳加工工艺在硅基底制备悬空孔，悬空孔106的上端开口大小为20μm×20μm；
本实施例中，宽波段红外吸收层104采用的三维碳纳米材料为石墨烯纳米墙，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法在支撑层102上直接沉积，厚度为300nm，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形，其单元的尺寸25μm×25μm；
本实施例中，通过真空蒸镀及光刻、剥离的微纳加工方法制备金属电极103，金属为100nm厚的铜；
本实施例中，热敏感层105采用的热敏弹性体为TPU薄膜，通过旋涂的方式在宽波段红外吸收层104表面，沉积TPU薄膜后，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形，厚度为200nm，单元尺寸为22μm×22μm；
本实施例中，通过湿法刻蚀的方法从硅基底101背面将悬空孔106顶端的支撑层102刻蚀掉；
本实施例中，非制冷宽波段红外探测器的单元器件的大小尺寸为27μm×27μm，宽波段红外吸收层104的填充因子为宽波段红外吸收层104的大小与单元器件的大小比例，即为86％，单元器件形成512×512阵列焦平面的器件，实现红外成像，对红外波段具有高灵敏度检测。
实施例7
一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件结构俯视图如图3所示，其单元器件结构截面图如图4所示。
本实施例的一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件包括硅基底101、支撑层102、金属电极103、宽波段红外吸收层104、热敏感层105以及悬空孔106。热敏感层105置于宽波段红外吸收层104上方，且热敏感层105位于宽波段红外吸收层104的中间并与其相接触；金属电极103置于热敏感层105的两旁、宽波段红外吸收层104两端的上方，并与宽波段红外吸收层104相接触；支撑层102置于硅基底101上方，悬空孔106置于硅基底101和支撑层102的中间，并且穿透了硅基底101和支撑层102，宽波段红外吸收层104和热敏感层105均置于支撑层102上方且完全覆盖了支撑层102中间的悬空孔106的上端开口；宽波段红外吸收层104采用三维碳纳米材料，同时作为导电层，热敏感层105采用热敏弹性体；宽波段红外吸收层104和热敏感层105共同组成红外敏感层。
本实施例中，硅基底101为常规的半导体双面抛光硅片；
本实施例中，支撑层102为氮化硅薄膜，通过热氧工艺在硅基底101上制备，厚度为500nm；
本实施例中，通过光刻、刻蚀等微纳加工工艺在硅基底制备悬空孔，悬空孔106的上端开口大小为50μm×50μm；
本实施例中，宽波段红外吸收层104采用的三维碳纳米材料为三维结构化碳纳米薄膜，通过磁控溅射的方法在支撑层102上方直接沉积具有三维纳米孔洞的碳薄膜，厚度为500nm，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形，其单元的尺寸55μm×55μm；
本实施例中，通过真空蒸镀及光刻、剥离的微纳加工方法制备金属电极103，金属为200nm厚的银；
本实施例中，热敏感层105采用的热敏弹性体为聚氨酯橡胶薄膜，通过旋涂的方式在宽波段红外吸收层104表面沉积聚氨酯橡胶薄膜后，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形，厚度为500nm，单元尺寸为53μm×53μm；
本实施例中，通过反应离子刻蚀***从硅基底101背面将悬空孔106顶端的支撑层102刻蚀掉；
本实施例中，非制冷宽波段红外探测器的单元器件的大小尺寸为65μm×65μm，宽波段红外吸收层104的填充因子为宽波段红外吸收层104的大小与单元器件的大小比例，即为72％，单元器件形成128×256阵列焦平面的器件，实现红外成像，对红外波段具有高灵敏度检测。
实施例8
一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件结构俯视图如图3所示，其单元器件结构截面图如图4所示。
本实施例的一种非制冷宽波段红外探测器，其单元器件包括硅基底101、支撑层102、金属电极103、宽波段红外吸收层104、热敏感层105以及悬空孔106。热敏感层105置于宽波段红外吸收层104上方，且热敏感层105位于宽波段红外吸收层104的中间并与其相接触；金属电极103置于热敏感层105的两旁、宽波段红外吸收层104两端的上方，并与宽波段红外吸收层104相接触；支撑层102置于硅基底101上方，悬空孔106置于硅基底101和支撑层102的中间，并且穿透了硅基底101和支撑层102，宽波段红外吸收层104和热敏感层105均置于支撑层102上方且完全覆盖了支撑层102中间的悬空孔106的上端开口；宽波段红外吸收层104采用三维碳纳米材料，同时作为导电层，热敏感层105采用热敏弹性体；宽波段红外吸收层104和热敏感层105共同组成红外敏感层。
本实施例中，硅基底101为常规的半导体双面抛光硅片；
本实施例中，支撑层102为二氧化硅薄膜，通过热氧工艺在硅基底101上制备，厚度为2μm；
本实施例中，通过光刻、刻蚀等微纳加工工艺在硅基底制备悬空孔，悬空孔106的上端开口大小为500μm×500μm；
本实施例中，宽波段红外吸收层104采用的三维碳纳米材料为碳纳米材料与聚合物形成的三维多孔复合材料，通过喷涂的方法在支撑层102上方直接沉积宽波段红外吸收层104，厚度为2μm，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形，其单元的尺寸650μm×650μm；
本实施例中，通过真空蒸镀及光刻、剥离的微纳加工方法制备金属电极103，金属为200nm厚的钛；
本实施例中，热敏感层105采用的热敏弹性体为紫外固化胶薄膜，通过旋涂的方式在宽波段红外吸收层104表面沉积紫外固化胶薄膜后，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形，厚度为10μm，单元尺寸为600μm×600μm；
本实施例中，通过反应离子刻蚀***从硅基底101背面将悬空孔106顶端的支撑层102刻蚀掉；
本实施例中，非制冷宽波段红外探测器的单元器件的大小尺寸为1000μm×1000μm，宽波段红外吸收层104的填充因子为宽波段红外吸收层104的大小与单元器件的大小比例，即为43％，单元器件形成3×3阵列焦平面的器件，实现红外成像，对红外波段具有高灵敏度检测。
Claims (6)
1.一种非制冷宽波段红外探测器，其特征在于，其单元器件包括硅基底( 101 )、支撑层 (102)、金属电极(103)、宽波段红外吸收层(104)、热敏感层(105)以及悬空孔(106)；宽波段红外吸收层(104 )置于热敏感层(105 )下方，且热敏感层(105 )位于宽波段红外吸收层(104)的中间并与其相接触；金属电极(103)置于热敏感层(105)的两旁、宽波段红外吸收层( 104 )两端的上方，并与宽波段红外吸收层( 104 )相接触；支撑层( 102 )置于硅基底 (101 )上方，悬空孔(106)置于硅基底(101 )和支撑层(102)的中间，并且穿透了硅基底(101 )和支撑层(102)，宽波段红外吸收层(104)和热敏感层(105)均置于支撑层(102)上方且完全 覆盖了支撑层(102 )中间的悬空孔(106 )的上端开口；宽波段红外吸收层(104 )采用三维碳纳米材料，同时作为导电层，热敏感层(105)采用热敏弹性体；宽波段红外吸收层(104)和热敏感层(105)共同组成红外敏感层；宽波段红外吸收层(104)厚度为5nm～2μm；悬空孔(106) 的上端开口大小为5μm×5μm～500μm×500μm；支撑层( 102 )厚度为20nm～2μm；热敏感层 (105 )厚度为50nm～10μm；金属电极(103 )厚度为50nm～200nm；单元器件的大小尺寸为7μm ×7μm～1000μm×1000μm，宽波段红外吸收层(104)的填充因子为42％～94％；
所述三维碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯纳米墙、三维结构化碳纳米薄膜或者碳纳米材料与聚合物形成的三维多孔复合材料；
所述热敏感层（105）采用的热敏弹性体为PDMS薄膜，通过旋涂PDMS稀释液的方式在宽波段红外吸收层（104）表面沉积PDMS薄膜后，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形；或者，
所述热敏感层（105）采用的热敏弹性体为TPU薄膜，通过旋涂的方式在宽波段红外吸收层（104）表面，沉积TPU薄膜后，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形；或者，
所述热敏感层（105）采用的热敏弹性体为聚氨酯橡胶薄膜，通过旋涂的方式在宽波段红外吸收层（104）表面沉积聚氨酯橡胶薄膜后，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形；或者，
所述热敏感层（105）采用的热敏弹性体为紫外固化胶薄膜，通过旋涂的方式在宽波段红外吸收层（104）表面沉积紫外固化胶薄膜后，通过光刻及氧气等离子体刻蚀的方法获得阵列化图形。
2.根据权利要求1所述的一种非制冷宽波段红外探测器，其特征在于，所述单元器件以n×m阵列排列，n和m均为≥1的整数。
3.根据权利要求1所述的一种非制冷宽波段红外探测器，其特征在于，所述硅基底(101)为常规半导体硅片。
4.根据权利要求1所述的一种非制冷宽波段红外探测器，其特征在于，所述支撑层(102)为氮化硅或二氧化硅中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种非制冷宽波段红外探测器，其特征在于，所述热敏弹性体为PDMS、TPU、Ecoflex、紫外固化胶、硅橡胶或聚氨酯橡胶。
6.根据权利要求1所述的一种非制冷宽波段红外探测器，其特征在于，所述金属电极(103)为金、银、铝、铜或钛金属中的一种。
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