CN107340063A - 一种热探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热探测器及其制备方法，该热探测器包括从上之下依次排列的微结构阵列、介质层、金属层、钝化层以及热敏电阻层，微结构阵列结构对入射光进行筛选并吸收具有窄带光谱的红外光，具有窄带光谱的红外光在谐振腔内谐振，经由金属层将携带有窄带光谱的红外光转化为携带有窄带光谱的红外光的强度的热信号，热敏电阻层将携带有窄带光谱的红外光的强度的热信号转化为携带有窄带光谱的红外光的强度的电阻信号，通过解调携带窄带光谱的红外光的强度信息的阻值信息获得窄带光谱的红外光强度信息。
Description
技术领域
本发明属于非制冷红外探测技术领域，更具体地，涉及一种热探测器及其制备方法。
背景技术
热探测器通过将物体造成的温度差转换为电信号并获取其信息，实质是对目标物体电磁辐射的强度信息进行感知。按照探测原理的不同，非制冷探测器分为热释电型探测器、热电偶型探测器、热敏电阻型探测器等。其中，基于热敏电阻材料的微测辐射热计探测器具有室温探测、集成度高、规模化生产、价格低廉等优点。
但热探测器在像元层次上对电磁场的波长信息和偏振信息并无感知能力，因而导致探测器对分立光学元件如滤光片和偏振片等的依赖。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种热探测器以及其制备方法，旨在解决由于现有热探测器无法对红外光进行筛选导致现有热探测器所探测红外光强度信息为含较宽光谱范围下多个偏振形式的红外光强度信息，无法实现对窄光谱范围红外线强度探测的技术问题(权利要求1中解决的问题为无法实现对窄光谱范围红外线探测)。
为实现上述目的，本发明提供了一种热探测器，包括：
从上至下依次排列的微结构阵列、介质层、金属层、钝化层以及热敏电阻层，微结构阵列、介质层以及金属层构成光学谐振腔(支撑层并不作为解决无法实现窄带光谱探测问题的必要的技术特征)；
微结构阵列用于对入射红外光进行波长筛选并吸收具有窄带光谱的红外光；金属层用于将具有窄带光谱的红外光转化为携带窄带光谱的红外光的强度信息的热信号；
钝化层用于实现金属层与热敏电阻层电气隔离；
热敏电阻层用于将携带窄带光谱的红外光的强度信息的热信号转化为携带窄带光谱的红外光的强度信息的阻值信息；
通过解调携带窄带光谱的红外光的强度信息的阻值信息获得窄带光谱的红外光强度信息，窄带光谱的红外光是指光谱范围为几百纳米内。
优选地，微结构阵列为多个呈阵列排列的圆柱体或为多个呈阵列排列的双梯形结构。
优选地，微结构阵列同时对入射红外光进行偏振形式筛选并吸收具有窄带光谱下所筛选偏振形式的红外光。
优选地，微结构阵列为多个呈阵列排列的条状结构。
优选地，热探测器还包括支撑层，其呈几字型结构，位于热敏电阻层下方，用于使得热敏电阻层与热探测器安装结构分离，防止热能信号流失，同时起到支撑作用。
本发明的另一目的在于提供一种热探测器的制备方法，包括如下步骤：
S1在第一衬底上附着热敏电阻层获得第一中间产物；
S2在第一中间产物的热敏电阻层上附着钝化层获得第二中间产物；
S2在第二中间产物的钝化层上附着金属层，获得第三中间产物；
S3在第三中间产物的金属层上附着介质层获得第四中间产物；
S4在第四中间产物的介质层上形成具有微结构阵列反结构的光刻胶层，在光刻胶层上附着金属层获得第五中间产物；
S6通过对第五中间产物采用湿化学法进行去除光刻胶处理，获得热探测器。
优选地，获得第一衬底包括如下步骤：
S11在第二衬底上附着光刻胶，形成牺牲层，获得第六中间产物；
S12在第六中间产物上附着支撑层，获得第一衬底。
优选地，步骤S3和步骤S5中为采用电子束蒸发附着金属层。
优选地，步骤S2为采用化学气相沉积附着第一钝化层。
优选地，步骤S4为采用化学气相沉积附着介质层。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的热探测器，由微结构阵列对入射红外光进行波长筛选并吸收窄谱范围红外光，光谱范围在几百纳米，微结构阵列、介质层以及金属层构成谐振腔，窄谱范围红外光在介质层内谐振，并经由金属层吸收转化为热信号，热信号传输至热敏电阻，经由热敏电阻转化为电阻信号，通过测量电阻信号即可获得具有窄谱范围红外光的光强信息，进而使得热探测器能够测量窄谱范围的红外光强度的能力。
2、本发明采用的圆柱微结构阵列，具有偏振无关的响应特性，能够实现对入射红外光的宽角度响应，同时通过调节圆柱结构的尺寸参数能够很容易的实现对以特定波长为中心波长窄谱范围的红外光吸收，获得窄谱范围的红外光强度信息。
3、本发明采用的双梯形微结构阵列，具有偏振无关的响应特性，同时通过调节双梯形结构的尺寸参数能够实现以特定波长为中心波长较宽谱范围的红外光吸收，获得较宽谱范围的红外光强度信息，由双梯形微结构阵列获得较宽谱范围的红外光的光谱宽度大于由圆柱微结构阵列获得窄谱范围的红外光光谱宽度，但仍然在几百纳米内。
4、本发明提供的热探测器，微结构阵列对入射红外光进行波长和偏振形式筛选并吸收窄谱范围下所筛选偏振形式红外光，窄谱范围下所筛选偏振形式红外光转化热信号进而转化为电阻信号，通过测量电阻信号即可获得窄谱范围下所筛选偏振形式红外光的强度信息。
5、本发明采用的条形微结构阵列，具有偏振相关的响应特性，同时通过调节条形结构的尺寸参数能够实现对特定波长红外光的偏振相关的选择吸收，获得特定波长和特定偏振形式红外光的强度信息。
6、可以克服现有技术中所存在的缺陷，降低工艺难度，同时实现对波长信息和偏振信息的提取，突破传统热探测器只响应宽谱电磁波强度信息的限制，明显地提高了器件的综合性能；在制备工艺上，对设备要求低，成膜工艺简单，有利于大规模生产。
附图说明
图1为本发明提出的热探测器的切面图；
图2为本发明提出的热探测器的三维结构图；
图3为本发明提出的热探测器第一实施例中圆柱型微结构阵列示意图；
图4为本发明提供热探测器第一实施例中的三种圆柱型微结构阵列结构参数下的吸收谱；
图5为本发明提出的热探测器第二实施例中双梯形微结构阵列示意图；
图6为本发明提出的热探测器第二实施例的吸收谱；
图7为本发明提出的热探测器第三实施例中条形微结构阵列示意图；
图8为本发明提出的热探测器第三实施例的偏振吸收谱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明提出的热探测器的切面图，图2为本发明提出的热探测器的三维结构图，热探测器包括微结构阵列1、介质层2、金属层3、第一钝化层405、电极层404、热敏电阻层403、支撑层402以及第二钝化层401。其中，微结构阵列1、介质层2以及金属层3从上之下依次接触排列，由微柱阵列结构1、介质层2以及金属层3构成谐振腔，微结构阵列1为多个呈阵列排列的柱体，微结构阵列1对入射红外光进行波长筛选并吸收具有窄带光谱的红外光。让具有窄带光谱的红外光在介质层2产生谐振产生电流信号，金属层3将具有窄带光谱的红外光转化为携带窄带光谱的红外光的强度信息的热信号。
第一钝化层405位于金属层3的下方，第一钝化层405用于保护电极层404和热敏电阻层403，并起到让金属层3和热敏电阻层403电气隔离的效果。电极层404为两个条状导体，电极层404位于第一钝化层405与热敏电阻层403之间，电极层用于与外部电路连接。支撑层402位于热敏电阻403下方，支撑层402呈桥形状。
携带窄带光谱的红外光的强度信息的热信号经由第一钝化层405传输至热敏电阻层，热敏电阻层用于将携带强度信息的热信号转化为携带强度信息的阻值信息，通过电极层404与外部电路连接，获得热探测器的阻值信息，热探测器中阻值信息携带窄带光谱的红外光的强度信息，通过解调热探测器的阻值信息获得窄带光谱的红外光强度信息。支撑层通过让热敏电阻层403与安装热敏探测器的结构分离，避免热量通过安装结构传输，影响测量精度，从而提高热探测器的灵敏度。
图3为本发明提供的热探测器第一实施例中圆柱微结构阵列的结构示意图，圆柱式微结构阵列为多个呈阵列排列的圆柱体，固定金属层3和微结构阵列1材料均为金，固定金属层3的面积，固定介质层2为厚度为80nm的二氧化硅薄膜，变化圆柱直径D和两个相邻圆柱之间间距P，其中，圆柱直径D和两个相邻圆柱之间间距P有三种组合，组合1：D＝720nm、P＝2um，组合2：D＝940nm、P＝2um，组合3：D＝1290nm、P＝2um。图4为本发明提供三种圆柱型微结构阵列结构参数下的热探测器的吸收谱；其中，曲线1为组合1下热探测器的吸收谱，曲线2为组合2下热探测器的吸收谱，曲线3为组合3下热探测器的吸收谱，曲线2显示，组合2下的热探测器在4.26um附近获得高达95％的吸收率。如果改变圆柱结构的尺寸，使其由D＝940nm、P＝2um改变到D＝1290nm、P＝2um时热探测器中心响应波长将从3.27um(曲线2)移动到4.26um(曲线3)附近，向长波长移动了1um。相反，如果减小圆柱的尺寸，热探测器响应波长将向短波移动。当圆柱结构尺寸由D＝940nm、P＝2um改变到D＝720nm、P＝2um时，热探测器中心响应波长将从3.27um(曲线2)移动到2.64um(曲线1)附近，向短波长移动了0.6um。曲线1、曲线2以及曲线3的吸收波峰的宽度均在几百纳米内。
图4结果表明，通过改变圆柱微结构的结构尺寸可以改变热探测器的响应波长，圆柱直径增大，响应中心波长向长波长移动，圆柱直径减小，响应中心波长向短波长移动。依据以上规律，可以根据实际需要设计出在不同中心波长的窄光谱红外波段都具有高吸收率热探测器，同时圆柱结构具有高度的对称性，对入射光的偏振不敏感，可以实现对窄光谱范围红外线强度探测。
图5为本发明提供的热探测器第二实施例中双梯形微结构阵列，双梯形微结构阵列为多个呈阵列排列的双梯形结构，双梯形结构由两个正交的梯形结构组成，且两个梯形结构中心重合，每个梯形结构产生一个吸收峰，通过调节梯形结构的上边、下边、高度以及两个双梯形结构的之间的间隔，使两个相邻吸收峰发生耦合，产生一个吸收峰，该吸收峰的宽度在几百纳米内。同时由于双梯形结构由两个正交的梯形结构组合而成，具有一定的对称性，对入射光的偏振不敏感。
本发明提供的热探测器第二实施例中，选择金属层和微结构阵列材料均为铝，金属层和微结构阵列厚度均为100nm。介质层材料为非晶硅，厚度为60nm，梯形结构短边D1＝990nm，梯形结构长边D2＝110nm，梯形结构高度H＝1100nm，梯形结构之间间距P＝1150nm。图6为热探测器第二实施例的吸收光谱，由图6可知，具有双梯形微结构阵列结构的热探测器可以在指定波长范围实现较宽谱的偏振无关吸收，获得对较宽光谱范围红外线强度探测，较宽光谱范围的红外光的光谱宽度仍然在几百纳米之内。
本发明提供的热探测器中，微结构阵列不仅对入射红外光进行波长筛选，还能够对入射红外光进行偏振形式筛选，并吸收窄光谱范围下所筛选偏振形式的红外光，窄光谱范围下所筛选偏振形式的红外光在介质层内发生谐振，经由金属层转化为携带窄光谱范围下所筛选偏振形式的红外光的强度信息的热信号，热敏电阻层用于将携带窄光谱范围下所筛选偏振形式的红外光的强度信息的热信号转化为携带窄光谱范围下所筛选偏振形式的红外光的强度信息的阻值信号；通过解调热探测器的阻值信息获得窄带光谱的窄光谱范围下所筛选偏振形式的红外光的强度信息。
图7为本发明提供的热探测器第三实施例中条形微结构阵列结构示意图，条形微结构阵列为多个呈阵列排布的横截面为矩形的柱体，由于条形微结构阵列非旋转对称结构，对入射光的偏振形式敏感，当入射光的偏振态发生变化时，具有条形微结构阵列的热探测器的响应会发生显著变化，条形微结构阵列1对入射激光进行偏振形式以及波长筛选并吸收窄光谱范围下所筛选偏振形式的红外光。
本发明提供热探测器第三实施例中，金属层和微结构阵列的材料均为金，介质层材料为二氧化硅，介质层厚度为340nm，条形微结构阵列中横截面宽度为D＝0.7um，两个柱体的间距P＝3.3um。
图8为热探测器第三实施例中偏振相关选择吸收谱，曲线1是入射光为TM偏振(电场方向垂直长边)时热探测器的响应，曲线2显示的是入射光为TE偏振(电场方向平行长边)时热探测器的响应；对比曲线1和曲线2在5um处的吸收率，具有条形微结构阵列的热探测器对TM偏振的吸收率是TE偏振吸收率的24倍。曲线1表明具有条形微结构阵列的热探测器对TM偏振入射的红外光具有较高的吸收率。通过调节条形微结构阵列的横截面宽度D和柱体的间距P，可以在指定波长处实现偏振选择性吸收，实现窄光谱范围下所筛选偏振形式的红外光强度测量。
本发明提供的热探测器的制备方法第一实施例，包括如下步骤：
S1、清洗硅片6，吹干后利用等离子体增强化学气相沉积设备生长一层Si3N4，厚度为100-200nm，作为第二钝化层401，获得第二衬底；
在第二衬底的第二钝化层401上旋涂一层聚酰亚胺光刻胶5，厚度为1-3um，并进行光刻处理使聚酰亚胺光刻胶呈几字形，然后进行热固化处理，形成牺牲层，获得第七中间产物；
在第七中间产物的牺牲层的表面，利用等离子体增强化学气相沉积设备生长一层Si3N4薄膜，厚度为400-600nm，形成支撑层402，获得第一衬底；
在第一衬底的支撑层402的表面，利用磁控溅射设备沉积一层VOx薄膜，厚度为50-100nm，形成热敏电阻层403，获得第一中间产物；
S2、在第一中间产物的热敏电阻层403表面利用等离子体增强化学气相沉积生长一层Si3N4薄膜，行成第一钝化层405，获得第二中间产物；
S3、在第一钝化层405的表面，利用电子束蒸发设备生长一层Au薄膜，厚度为50-200nm，形成金属层3，获得第三中间产物；
S4、在金属层3的表面利用PECVD设备生长一层SiO2介质层，厚度为50-500nm，形成介质层2，获得第四中间产物；
S5、在介质层2的表面旋涂一层聚酰亚胺光刻胶，采用电子束光刻设备在聚酰亚胺光刻胶表面刻蚀微结构阵列反结构，利用电子束蒸发设备生长一层Au薄膜，厚度为50-100nm，获得第五中间产物，
S5对第五中间产物采用湿化学法进行剥离后形成微结构阵列1；
利用干法刻蚀的方法，分别刻蚀VOx热敏电阻层403和Si3N4支撑层402，直至裸露出支撑层下方的聚酰亚胺光刻胶5，利用氧等离子体去除牺牲层，形成空腔，制备出热探测器。
本发明提供热探测器的制备方法第一实施例中，通过在硅片上依次沉积第二钝化层、牺牲层、支撑层、热敏电阻层、第二钝化层、金属层、介质层以及微结构阵列，实现热探测器的制备。
本发明提供的热探测器的制备方法第二实施例，与本发明提供的热探测器制备方法第一实施例存在如下区别：
根据如下步骤获得第二衬底：
清洗硅片6，吹干后利用等离子体增强化学气相沉积设备生长一层Si3N4，厚度为100-200nm，作为第二钝化层401；
对第二钝化层401进行光刻蚀处理，形成用于电路连接的两个通孔，两个通孔位于工作电路的输入端，进而获得第二衬底。
根据如下步骤获得第二中间产物：
在第一中间产物的热敏电阻层403的表面与第二钝化层401两个通孔相对应的位置利用干法刻蚀方法进行光刻，在热敏电阻层403和第一钝化层401上均形成通孔，获得第八中间产物；
在第八中间产物的热敏电阻层403表面旋涂一层聚酰亚胺光刻胶，进行光刻形成电极层反结构形状，利用电子束蒸发设备生长一层Cr，厚度为50-100nm，进行剥离处理后形成电极层404，获得第九中间产物；
在在第九中间产物的电极层404表面利用等离子体增强化学气相沉积生长一层Si3N4薄膜，行成第一钝化层405，获得第二中间产物。
采用本发明提供的热探测器制备方法的第二实施例中，通过在带有工作电路的硅片上依次沉积第二钝化层、牺牲层、支撑层、热敏电阻层，并在热敏电阻层上通过剥离工艺形成电极层，继而在电极层上继续沉积第二钝化层、金属层、介质层以及微结构阵列，实现热探测器的制备，该热探测器在接收到光信号后，光信号传输至热敏电阻层，将热敏电阻层通过电极层与硅片上工作电路，通过工作电路对热敏电阻层接收到信号进行解调，该热探测可以直接获得窄光谱红外光的强度或直接获得窄光谱红外光下所筛选偏振形式的强度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种热探测器，其特征在于，包括：从上至下依次排列的微结构阵列、介质层、金属层、第一钝化层以及热敏电阻层，所述微结构阵列、所述介质层以及所述金属层构成光学谐振腔；
所述微结构阵列用于对入射红外光进行波长筛选并吸收具有窄带光谱的红外光；
所述金属层用于将具有窄带光谱的红外光转化为携带所述窄带光谱的红外光强度信息的热信号；
所述第一钝化层用于实现所述金属层与所述热敏电阻层电气隔离；
所述热敏电阻层用于将携带所述窄带光谱的红外光强度信息的热信号转化为携带所述窄带光谱的红外光强度信息的阻值信息；
通过解调携带所述窄带光谱的红外光强度信息的阻值信息获得所述窄带光谱的红外光强度信息，所述窄带光谱的红外光是指光谱范围为几百纳米内的红外光。
2.如权利要求1所述的热探测器，其特征在于，所述微结构阵列为多个呈阵列排列的圆柱体或为多个呈阵列排列的双梯形结构。
3.如权利要求1所述的热探测器，其特征在于，所述微结构阵列同时对入射红外光进行偏振形式筛选并吸收具有窄带光谱下所筛选偏振形式的红外光。
4.如权利要求3所述的热探测器，其特征在于，所述微结构阵列为多个呈阵列排列的条状结构。
5.如权利要求1至4所述的任一项热探测器，其特征在于，所述热探测器还包括支撑层，其呈几字型结构，位于热敏电阻层下方，用于使热敏电阻层与用于安装热探测器的结构分离，防止热量流失。
6.一种基于权利要求1所述的热探测器的制备方法，包括如下步骤：
S1在第一衬底上附着所述热敏电阻层获得第一中间产物；
S2在所述第一中间产物的热敏电阻层上附着所述第一钝化层获得第二中间产物；
S3在所述第二中间产物的第一钝化层上附着金属层，获得第三中间产物；
S4在所述第三中间产物的金属层上附着所述介质层获得第四中间产物；
S5在所述第四中间产物的介质层上形成具有微结构阵列反结构的光刻胶层，在所述光刻胶层上附着金属层获得第五中间产物；
S6通过对第五中间产物采用湿化学法进行去除光刻胶处理，获得所述热探测器。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，获得所述第一衬底包括如下步骤：
S11在第二衬底上附着光刻胶，形成牺牲层，获得第六中间产物；
S12在所述第六中间产物上附着所述支撑层，获得第一衬底。
8.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3和所述步骤S5中为采用电子束蒸发附着金属层。
9.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2为采用化学气相沉积附着第一钝化层。
10.如权利要求6或7中所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4为采用化学气相沉积附着介质层。
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