本发明专利技术涉及红外气体探测器的敏感元件，具体是一种集成黑硅纳米结构吸收层及多层组合膜结构的敏感元件，进一步提高了热释电薄膜型红外气体探测器的检测性能。所述敏感元件由两块敏感元基片加工获得，其加工方法包括：1、加工第一敏感元基片；2、加工第二敏感元基片；3、加工敏感元件。加工工艺合理，所得敏感元件具备良好的热吸收性能和热响应性能，能用于构建高性能红外气体探测器，满足环境安全、煤矿生产安全、以及危化品气体储运、煤气管道防泄、森林火灾防护、工业安全生产等领域中的监测需要。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及红外气体探测器的敏感元件，具体是一种集成黑硅纳米结构吸收层及多层组合膜结构的敏感元件。
技术介绍
目前，人们的生产、生活环境中充斥着各种各样的气体，部分有毒有害气体、易燃易爆气体会因气体泄漏或过量引起各种事故，危害人们的生产、生活。例如：工业矿井生产中产生的CH4、CO易造成矿井瓦斯爆炸事故发生，氮肥生产和锅炉燃烧中产生的附加废气CO常造成工人中毒事故发生，石化储运站、煤气站等场所及危化品运输过程中，有毒易燃气体泄露会导致中毒事故或爆炸事故发生，还有日常生活中的汽车尾气、室内装修污染会对我们的身体造成伤害等等。有效说明了监测有毒有害气体、易燃易爆气体的必要性。以瓦斯气体的检测来说，目前国内各大煤矿所用的瓦斯报警系统已有一定的规模，普遍采用以热催化元件、光学干涉元件实现的瓦斯气体检测传感器，但经长期使用发现，其检测精度低、检测范围窄，对高浓度瓦斯会检测错误，其它气体的交叉敏感也会对其造成干扰，导致无效判断，而且这些瓦斯气体检测传感器一致性、互换性差，需要经常校准，使用不方便；因此，急需研究和开发新型气体检测传感器来克服上述问题。当然，除了上述以热催化元件、光学干涉元件实现的气体检测方法外，现有气体检测方法还有很多，其中以红外吸收原理检测气体的方法在国内外较为先进。它克服了以往检测方法容易中毒老化、受环境因素影响等缺点,同时它还具有灵敏度高、响应速度快、选择性好等优点。并且随着近年来红外发光器件和红外探测技术的长足发展，高效、低电压、体积小的器件不断出现，为小型红外气体探测器的研制创造了条件。红外气体探测器所用热释电材料有单晶、陶瓷、薄膜等种类。单晶热释电晶体的热释电系数高、介质损耗小，至今性能最好的热释电探测器大多选用单晶制作，如TGS、LATGS、LiTaO3等；陶瓷热释电晶体成本较低，但响应较慢，如入侵报警用PZT陶瓷探测器工作频率为0.2～5Hz；薄膜热释电材料可以用溅射法、液相外延等方法制备，可以做得很薄，对于制作高性能的热释电探测器十分有利。与其它陶瓷片式探测器相比较，热释电薄膜型探测器具有红外吸收波谱区域宽、加工成本低、可在室温下工作等优点；近些年，广泛研究和应用的热释电薄膜有：应用于微电子技术方面的PbZrTiO3（PZT）薄膜、被广泛用在热释电探测器敏感元件上的PbTiO3（PT）薄膜，等等。如何改进现有热释电薄膜于红外气体探测器上的应用，使其达到更好的检测性能，是目前本领域研究人员的重点研究方向。
技术实现思路
本专利技术为了进一步提高热释电薄膜型红外气体探测器的检测性能，提供了一种集成黑硅纳米结构吸收层及多层组合膜结构的敏感元件。本专利技术是采用如下技术方案实现的：集成黑硅纳米结构吸收层及多层组合膜结构的敏感元件，所述敏感元件由两块敏感元基片加工获得，其加工方法如下：1、加工第一敏感元基片1）、采用溅射工艺技术在SOI基底片上依次溅射Ti层、Pt层，形成上电极；其中，Ti层厚度为80nm，Pt层厚度为150nm；2）、采用溶胶-凝胶加工工艺在上电极上交替制备PT薄膜和PZT薄膜，形成PT/PZT/PT～PT/PZT/PT热释电薄膜组合层，所述热释电薄膜组合层厚度小于等于1μm；3）、对PT/PZT/PT～PT/PZT/PT热释电薄膜组合层涂胶、曝光、显影，光刻图形化PT/PZT/PT～PT/PZT/PT热释电薄膜组合层；4）、采用溅射工艺技术在PT/PZT/PT～PT/PZT/PT热释电薄膜组合层上依次溅射Pt层和Ti层，并使用剥离工艺，形成下电极，其中，Ti层厚度为80nm，Pt层厚度为150nm，得到第一敏感元基片；2、加工第二敏感元基片1）、先采用等离子体增强化学气相沉积法在硅基底片上沉积Si3N4薄膜；然后采用湿氧氧化工艺在Si3N4薄膜上生长SiO2薄膜，形成Si3N4/SiO2热隔离层；其中，Si3N4薄膜厚度为150nm，SiO2薄膜厚度为500nm；2）、采用溅射工艺技术在Si3N4/SiO2热隔离层上依次溅射Pt层、Ti层，并使用剥离工艺，形成与第一敏感元基片下电极位置对应的下电极，得到第二敏感元件基片，其中，Ti层厚度为80nm，Pt层厚度为150nm；3、加工敏感元件1）、翻转第一敏感元基片，采用金属键合技术，将第一敏感元基片的下电极与第二敏感元基片的下电极进行键合，得到敏感元件半成品；2）、采用湿法腐蚀工艺，依次腐蚀敏感元件半成品中第一敏感元基片SOI基底片的硅衬底和SiO2层，保留第一敏感元基片SOI基底片的顶层硅；3）、采用反应离子刻蚀技术，将第一敏感元基片SOI基底片的顶层硅加工成锥状森林形貌结构的黑硅纳米结构吸收层，即红外敏感吸收层，得到敏感元件。所述溅射工艺技术、溶胶-凝胶加工工艺、涂胶、曝光、显影、光刻图形化、剥离工艺、等离子体增强化学气相沉积法、湿氧氧化工艺、金属键合技术、湿法腐蚀工艺、反应离子刻蚀技术皆为现有技术。本专利技术以多层PT薄膜和PZT薄膜交替设置构成的PT/PZT/PT～PT/PZT/PT多层薄膜结构作为敏感元件的热敏感层，与单一PT薄膜作热敏感层相比，具有较好的表面致密性、好的结晶性能和较小的残余应力，能够获取高性能热响应，满足高精度红外探测器对其敏感元件热响应性能的高标准要求，利于实现基于热释电薄膜的高精度红外探测器。本专利技术采用具有锥状森林形貌结构的黑硅纳米结构吸收层作为红外探测器敏感元件的红外敏感吸收层，首先黑硅本身对红外光的吸收能力及吸收灵敏度要优于碳黑、金黑、银黑、铂黑等应用于红外探测器敏感元件的吸收材料；第二黑硅纳米结构吸收层设计为锥状森林结构，以进一步提高黑硅吸收层的热吸收性能，利于进一步提高红外探测器的检测精度。本专利技术中具有锥状森林形貌结构的黑硅纳米结构吸收层是通过腐蚀技术腐蚀SOI材料的硅衬底及二氧化硅层，保留顶层硅，最后采用反应离子刻蚀技术将SOI材料的顶层硅加工成锥状森林形貌结构，其加工方法极具独创性，利于实现红外气体探测器的更新换代。本专利技术结构及加工工艺合理，具备良好的热吸收性能和热响应性能，能用于构建高性能红外气体探测器，满足环境安全、煤矿生产安全、以及危化品气体储运、煤气管道防泄、森林火灾防护、工业安全生产、蔬菜大棚种植等领域中的监测需要。附图说明图1为本专利技术所述敏感元件的加工工艺流程示意图；图2为双元结构的结构示意图；图3为应用本专利技术所述敏感元件的红外探测器的结构示意图；图4为本专利技术所述敏感元件用外部输出电路的电路原理图；图中：1-上电极；2-PT/PZT/PT～PT/PZT/PT热释电薄膜组合层；3-下电极；4-第一敏感元基片；5-硅基底片；6-Si3N4薄膜；7-SiO2薄膜；8-下电极；9-第二敏感元件基片；10-敏感元件半成品；11-黑硅纳米结构吸收层；12-敏感元件；13-TO-5型金属壳体；14-CaF2滤光片。具体实施方式集成黑硅纳米结构吸收层及多层组合膜结构的敏感元件本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种集成黑硅纳米结构吸收层及多层组合膜结构的敏感元件，其特征在于：所述敏感元件由两块敏感元基片加工获得，其加工方法如下：1、加工第一敏感元基片1）、采用溅射工艺技术在SOI基底片上依次溅射Ti层、Pt层，形成上电极(1)；其中，Ti层厚度为80nm，Pt层厚度为150nm；2）、采用溶胶‑凝胶加工工艺在上电极上交替制备PT薄膜和PZT薄膜，形成PT/PZT/PT ～ PT/PZT/PT热释电薄膜组合层(2)，所述热释电薄膜组合层厚度小于等于1μm；3）、对PT/PZT/PT ～ PT/PZT/PT 热释电薄膜组合层(2)涂胶、曝光、显影，光刻图形化PT/PZT/PT ～ PT/PZT/PT 热释电薄膜组合层；4）、采用溅射工艺技术在PT/PZT/PT ～ PT/PZT/PT热释电薄膜组合层(2)上依次溅射Pt层和Ti层，并使用剥离工艺，形成下电极(3)，其中，Ti层厚度为80nm，Pt层厚度为150nm，得到第一敏感元基片(4)；2、加工第二敏感元基片1）、先采用等离子体增强化学气相沉积法在硅基底片(5)上沉积Si3N4薄膜(6)；然后采用湿氧氧化工艺在Si3N4薄膜(6)上生长SiO2薄膜(7)，形成Si3N4/SiO2 热隔离层；其中，Si3N4 薄膜厚度为150nm，SiO2 薄膜厚度为500nm；2）、采用溅射工艺技术在Si3N4/SiO2 热隔离层上依次溅射Pt层、Ti层，并使用剥离工艺，形成与第一敏感元基片下电极(3)位置对应的下电极(8)，得到第二敏感元件基片(9)，其中，Ti层厚度为80nm，Pt层厚度为150nm；3、加工敏感元件1）、翻转第一敏感元基片(4)，采用金属键合技术，将第一敏感元基片(4)的下电极(3)与第二敏感元基片(9)的下电极(8)进行键合，得到敏感元件半成品(10)；2）、采用湿法腐蚀工艺，依次腐蚀敏感元件半成品(10)中第一敏感元基片SOI基底片的硅衬底和SiO2层，保留第一敏感元基片SOI基底片的顶层硅；3）、采用反应离子刻蚀技术，将第一敏感元基片SOI基底片的顶层硅加工成锥状森林形貌结构的黑硅纳米结构吸收层(11)，即红外敏感吸收层，得到敏感元件(12)。...
【技术特征摘要】
1.一种集成黑硅纳米结构吸收层及多层组合膜结构的敏感元件，其特征在于：所述敏感元件由两块敏感元基片加工获得，其加工方法如下：
1、加工第一敏感元基片
1）、采用溅射工艺技术在SOI基底片上依次溅射Ti层、Pt层，形成上电极(1)；其中，Ti层厚度为80nm，Pt层厚度为150nm；
2）、采用溶胶-凝胶加工工艺在上电极上交替制备PT薄膜和PZT薄膜，形成PT/PZT/PT～PT/PZT/PT热释电薄膜组合层(2)，所述热释电薄膜组合层厚度小于等于1μm；
3）、对PT/PZT/PT～PT/PZT/PT热释电薄膜组合层(2)涂胶、曝光、显影，光刻图形化PT/PZT/PT～PT/PZT/PT热释电薄膜组合层；
4）、采用溅射工艺技术在PT/PZT/PT～PT/PZT/PT热释电薄膜组合层(2)上依次溅射Pt层和Ti层，并使用剥离工艺，形成下电极(3)，其中，Ti层厚度为80nm，Pt层厚度为150nm，得到第一敏感元基片(4)；
2、加工第二敏感元基片
1）、先采用等离子体增强化学气相沉积法在硅基底片(5)上沉积Si3N4薄膜(6)；然后采用湿氧氧化工艺在Si3N4薄膜(...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭秋林，熊继军，薛晨阳，梁庭，石云波，张斌珍，刘俊，张文栋，裴向东，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14
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