一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器及其制备方法，热释电探测器包括内部中空的封装管壳、滤光片、灵敏元芯片U

【技术实现步骤摘要】
一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器及其制备方法
本专利技术涉及半导体制造工艺
，尤其涉及一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器及其制备方法。
技术介绍
在自然界，任何高于绝对温度(-273k)的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。热释电探测器是一种基于红外热辐射原理制成的通过检测红外线来探测人或物体的探测器，广泛地用于辐射和非接触式温度测量、红外光谱测量、激光参数测量、工业自动控制、空间技术、红外摄像中。一方面，大部分商用热释电探测器都是采用热释电单晶或陶瓷体材料制成的，尤其是中高端探测器，则主要以单晶体为主,传统的热释电单晶材料都各具有其局限性，或热释电系数小(如钽酸锂)，或应用温度低，物理性能不稳定(硫酸三甘肽TGS)，因此探索和研究综合性能优异的热释电单晶材料是热释电探测器和红外探测技术的核心之一。另一方面，目前国内外广泛应用的热释电探测器为电压模式，电压模式热释电探测器结构较简单。传感器主要由封装外壳、滤光片、热释电灵敏芯片、结型场效应管JFET等组成。电压模式热释电探测器的信号电压通常包含由1/f特征所造成的超低频部分(mHz)，放大器的高通滤波截止频率部分不应太低。栅电阻(负荷电阻)的电阻至少要有10Gohm，则探测器性能表现好。避免高阻抗元件漏电的最佳防潮方法是集成内部晶体管封装。在高性能应用中，不可使用没有集成阻抗前置放大器的热释电探测器。电压模式热释电探测器的电压信号以1:1放大倍数输出，信号幅度小，容易受各种噪声，热源以及光源的干扰。电压模式下，探测器的电响应时间常数τE是由热释电芯片的电容值CP和门电阻的阻值RG计算而得。由于所采用的热释电芯片均为高介电常数材料，其电容较大，加之阻值非常高的门电阻，其电时间响应一般为1s-10s量级，响应速率慢，且受热释电芯片尺寸限制，为保证性能，不可能通过改变材料和电路参数进行改善。在典型的气体分析或者火焰探测应用中，调制频率在1Hz到10Hz之间，电压模式热释电探测器是在热时间常数和电时间常数之外工作的(信号电压有1/f的规则)，且最大的响应率是在典型的调制频率之外获得，低频干扰低至几个毫赫兹会被传递，所以探测器需要静置几十秒来稳定，稳定时间过长。采用结型场效应管的电压模式热释电探测器高温环境的稳定性表现较弱，且电压模式电路所采用的门电阻阻值非常高，热冲击和温度波动会造成温漂现象，需采用反向串联或并联热释电芯片来进行热补偿。但是由于并联补偿成倍增大了输入端的等效电容，从而又增大了探测器的响应时间，同时造成了探测器输出信号的衰减(衰减1/2)，导致探测率性能的下降(下降至70％左右)。通常在实际使用中，微小的晶体温度波动会产生fA或nA级别电流。例如温度增加10℃，高度绝缘的芯片两端的静电电压可以达到数百伏特，会对结型场效应管造成极大的静电损伤。综上所述，电压模式由于结构上和价格上优势，虽然在前期应用中占据了一定的优势，但是在高技术要求和高应用要求的趋势下，电压模式仍存在诸多局限性，而具有快速响应，高稳定性，高响应率特性的热释电探测器必将成为新的发展趋势和重点对象。为此，需要开发新型的更高性能的探测器。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器及其制备方法。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：依据本专利技术的一个方面，提供了一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器，包括内部中空的封装管壳、滤光片F、灵敏元芯片Up和线路基板。所述封装管壳包括上端封闭下端开口的管帽和底座，所述滤光片F镶嵌设置在所述管帽上端开设的窗口内，所述管帽的下端与所述底座固定连接，并与所述底座形成内部中空的密封结构，所述线路基板设置在所述底座上并位于所述密封结构内，所述线路基板上设有悬空支撑架，所述灵敏元芯片Up设置在所述悬空支撑架上表面，并位于所述滤光片F的正下方；所述线路基板上设有放大反馈电路，且所述灵敏元芯片Up通过所述悬空支撑架电连接在所述放大反馈电路的两个输入端之间，所述放大反馈电路的输出端对外输出放大的探测信号。本专利技术的基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器，采用电流式电路，抗外界噪声干扰的能力强，可以实现对外界红外辐射的毫米级快速响应，开机预热和信号稳定时间缩短。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进：进一步：所述悬空支撑架包括导电柱、多个固定柱和隔热底板，所述隔热底板设置在所述线路基板上，且所述隔热底板底部向上内陷设置并与所述线路基板之间形成第一隔热腔，所述灵敏元芯片Up通过多个所述固定柱间隔设置在所述隔热底板上方，且所述灵敏元芯片Up与所述隔热底板之间形成第二隔热腔，所述导电柱设置在所述第二隔热腔内，且所述导电柱和固定柱高度相等，以使所述线路基板与所述灵敏元芯片Up电连接。上述进一步方案的有益效果是：通过上述方式可以使得所述隔热底板与所述线路基板之间以及所述灵敏元芯片Up与隔热底板分别形成第一隔热腔和第二隔热腔，进一步提高悬空高度，减小通过所述悬空支撑架和所述线路基板进行热传导，提高所吸收红外辐射能的利用率以及探测器的精度。进一步：所述放大反馈电路包括运算放大器A、反馈电阻Rf、反馈电容Cf、钳位电阻Ra和Rb，所述运算放大器A的正电源输入端与外部电源正极V+电连接，负电源输入端接地，所述热释电感应电路连接在所述运算放大器A的同相输入端和反相输入端之间，所述反馈电阻Rf和反馈电容Cf并联在所述运算放大器A的反相输入端和输出端之间，所述钳位电阻Ra和Rb串联在外部电源正极V+与地之间，且二者的公共端与所述运算放大器A的同相输入端电连接，所述运算放大器A的输出端对外输出放大的探测信号。上述进一步方案的有益效果是：通过所述运算放大器A可以有效避免寄生电容导致的电磁兼容性降低，结型场效应管的栅-源极夹断电压导致的永久热释电芯片电压偏移，以及电流噪声对温度的依赖性，且由于运算放大器A本身具有较大的放大倍数，后端应用的二级放大电路可在一定程度上省略或降低要求。另外通过钳位电阻Ra和Rb可以实现了电流模式探测器的单电源供电，使得电流式探测器的封装管壳规格能够与传统的电压模式探测器兼容，从而可实现在原有电路上的直接替换。依据本专利技术的另一个方面，提供了一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器的制备方法，包括如下步骤：步骤1：采用弛豫铁电单晶片制备灵敏元芯片Up；步骤2：将悬空支撑架固定在预先设置在底座上表面的线路基板上，再将所述灵敏元芯片Up固定在所述悬空支撑架上表面，以使所述灵敏元芯片Up通过所述悬空支撑架与所述线路基板电连接；步骤3：将放大反馈电路贴装在所述线路基板表面，且所述灵敏元芯片Up电连接在所述放大反馈电路的两个输入端之间；步骤4：将滤光片F封装于管帽上端开设的窗口内，再将封装有所述滤光片F的所述管帽的下端与载有所述线路基板的底座进行气密性封装。本专利技术的基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器的制备方法，采用电流式电路，抗外界噪声干扰的能力强，可以实现对外界红外辐射的毫秒级快速响应，开机预热和信号稳定时间缩短；采用低热导悬空支撑架，具有较高的信噪比特性，通过低噪声运算放大反馈电路保证了探测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器,其特征在于：包括内部中空的封装管壳、滤光片F、灵敏元芯片U

【技术特征摘要】
1.一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器,其特征在于：包括内部中空的封装管壳、滤光片F、灵敏元芯片Up和线路基板(3)；所述封装管壳包括上端封闭下端开口的管帽(1)和底座(2)，所述滤光片F镶嵌设置在所述管帽(1)上端开设的窗口内，所述管帽(1)的下端与所述底座(2)固定连接，并与所述底座(2)形成内部中空的密封结构，所述线路基板(3)设置在所述底座(2)上并位于所述密封结构内，所述线路基板(3)上设有悬空支撑架(4)，所述灵敏元芯片Up设置在所述悬空支撑架(4)上表面，并位于所述滤光片F的正下方；所述线路基板(3)上设有放大反馈电路，且所述灵敏元芯片Up通过所述悬空支撑架(4)电连接在所述放大反馈电路的两个输入端之间，所述放大反馈电路的输出端对外输出探测信号。2.根据权利要求1所述的基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器，其特征在于：所述悬空支撑架(4)包括导电柱(401)、多个固定柱(402)和隔热底板(403)，所述隔热底板(403)设置在所述线路基板(3)上，且所述隔热底板(403)底部向上内陷设置并与所述线路基板(3)之间形成第一隔热腔，所述灵敏元芯片Up通过多个所述固定柱(402)间隔设置在所述隔热底板(403)上方，且所述灵敏元芯片Up与所述隔热底板(403)之间形成第二隔热腔，所述导电柱(401)设置在所述第二隔热腔内，且所述导电柱(401)和固定柱(402)高度相等，以使所述线路基板(3)与灵敏元芯片Up电连接。3.根据权利要求1所述的基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器，其特征在于：所述放大反馈电路包括运算放大器A、反馈电阻Rf、反馈电容Cf、钳位电阻Ra和Rb，所述运算放大器A的正电源输入端与外部电源正极V+电连接，负电源输入端接地，所述热释电感应电路连接在所述运算放大器A的同相输入端和反相输入端之间，所述反馈电阻Rf和反馈电容Cf并联在所述运算放大器A的反相输入端和输出端之间，所述钳位电阻Ra和Rb串联在外部电源正极V+与地之间，且二者的公共端与所述运算放大器A的同相输入端电连接，所述运算放大器A的输出端对外输出探测信号。4.一种如权利要求1至3任一项所述基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器的制备方法，其特征在于,包括如下步骤：步骤1：采用弛豫铁电单晶片制备灵敏元芯片Up；步骤2：将悬空支撑架(4)固定在预先设置在底座(2)上表面的线路基板(3)上，再将所述灵敏元芯片Up固定在所述悬...

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙，
申请(专利权)人：北立传感器技术武汉有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42