一种气体分析仪热释电光谱探测器的制备方法技术

本发明专利技术公开一种气体分析仪热释电光谱探测器的制备方法，包括七个步骤制备而成，本发明专利技术采用无机‑有机杂化的多孔SiO2薄膜材料作为热绝缘结构，克服了目前采用微桥结构、悬空结构和空气隙结构作为集成式器件热绝缘结构的存在的机械强度差、容易发生龟裂、坍塌、脱落等问题，提高了集成式热释电光谱探测器芯片的力学性能及抗冲击性能。

Method for preparing pyroelectric spectrum detector of gas analyzer

The invention discloses a gas analyzer pyroelectric detector preparation method includes seven steps of preparation, the invention adopts porous SiO2 thin film materials inorganic organic hybrid as thermal insulation structure, overcomes the disadvantages of using micro bridge structure and suspended structure and air gap structure as the integrated thermal insulation device exists the mechanical strength of the structure is poor, easy to crack and collapse, shedding problems, improve the mechanical properties of the integrated pyroelectric detector chip and anti impact property.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电及微机电系统
，具体的涉及一种气体分析仪热释电光谱探测器的制备方法。
技术介绍
由于绝大部分有毒有害气体对某一波段的光谱都具有一定的吸收，所以依据这一光谱的吸收原理就能实现有毒有害气体分析仪的制备。一般地说，有毒有害气体对某一波段的光谱的吸收吻合比耳-朗伯定律：P＝P0Exp(-kcl)其中P0为光源所产生的能量P为通过存在待测气体环境后所剩余的能量，k为吸收系数，l为光源距探测器单元的距离，c为待测气体浓度。在实际应用中，由光源发出的光辐射到被光谱传感器上转化为电压信号，传感器的电压输出受气室中气体吸收的影响而变化，气体浓度越高，被吸收的光越高，传感器上的输出电压越低，气体浓度越低，吸收的光越少，传感器输出的电压越高。传感器输出的电压经前置放大器、差分放大器放大后，进入单片计算机或DSP数字信号处理器进行计算，根据数学模型和有关参数计算出浓度。光谱传感器是有毒有害气体分析仪的核心电子元器件，它的性能参数直接影响到气体分析仪的性能如检测灵敏度。可供选择的气体分析仪所用的光谱能量接收器件有热电堆型探测器、热敏电阻型探测器及热释电探测器三大类。热电堆型探测器电压响应信号较小，而且温度噪声太大，热敏电阻型探测器温度噪声太大，极难校正。所以热释电探测器是应用的主流。根据光谱传感器器件所采用的光电功能材料的形态的不同，热释电传感器的技术路线共有两条可供选择：一条是采用陶瓷材料或晶体材料的混合式器件工艺技术路线，另一条是采用薄膜材料的集成式器件工艺技术路线。混合式器件的制备需要先把光敏元材料(铁电陶瓷)减薄、研磨、抛光后再蒸镀上下电极，随之再完成焊接封装，其工艺较为复杂，特别是在材料减薄工艺上，因而成品率很低成本较高，所谓器件是做出来的。集成式器件则可以在一块衬底上一次就完成热绝缘材料、下电极、铁电薄膜及上电极的生长，随后的工艺如划片、焊接及封装等就与陶瓷式一样了。它的优点是工艺较为简单、核心技术突破后成品率可以很高(一块5英寸片上可长出几千只单元器件，所谓器件是长出来的)。目前各类有毒有害气体分析仪所用的光谱能量接收器件所用的大部分是混合式热释电器件，它的缺点有如下三个方面：一、混合式热释电器件工作频率较低，只能在低频段如0.1Hz-5Hz频率段工作才能满足较高的电压响应信号，而在这一低频段如0.1Hz-5Hz频率段，外界噪声很大如白噪声；二、混合式热释电器件受环境温度波动的影响较大，需精确的温度校正；三、混合式热释电器件受振动(如风)的影响较大，带来较大的噪声信号，影响零点的稳定。而集成式热释电器件相对于混合式热释电器件来讲，可克服如上缺点：一、集成式热释电器件工作频率较高，可在高频段如10Hz-200Hz频率段工作亦能满足较高的电压响应信号，而在这一频段，避开了低频白噪声，满足ppm级气体浓度检测灵敏度；二、集成式热释电器件受振动(如风)的影响较小大，带来的噪声信号小，基本不影响零点的稳定。因此，以集成式热释电器件代替混合式热释电器件作为气体分析仪所用的光谱能量接收器件将大大提高系统的信噪比，进而提高检测灵敏度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种气体分析仪热释电光谱探测器的制备方法，解决目前混合式热释电红外探测器存在的只能在低频段工作、受振动及风等外界环境变化影响较大，因而在用于气体分析仪的光谱能量接收器件时所带来的系统信噪比较差、检测灵敏度较低的缺点。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是提供一种气体分析仪热释电光谱探测器的制备方法，其步骤如下：步骤一：以单晶硅为基体，表面制备无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜为热绝缘结构薄膜；步骤二：采用直流磁控溅射法在无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜上制备铂/钛金属薄膜为下电极薄膜并采用正胶剥离法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定；步骤三：采用射频磁控溅射法或溶胶凝胶法在铂/钛金属薄膜上制备光电薄膜并采用干发及湿发腐蚀法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定；步骤四：采用直流磁控溅射法或真空热蒸发法在光电薄膜上制备上电极薄膜并采用干发及湿发腐蚀法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定；步骤五：采用等离子增强化学沉积法在上电极薄膜上生长一层芯片保护层，并按设计要求完成划片。步骤六：按设计要求按常规方法制备基于阻抗变换的信号处理电路，并完成芯片与信号处理电路板之间的粘接及引线焊接。步骤七：按设计要求将芯片与信号处理电路板封装于带红外窗口及底座的外壳中，即完成了集成式热释电光谱探测器的制作。在步骤二中，所述铂/钛金属薄膜的厚度为50nm-100nm。在步骤三中，所述光电薄膜为PZT(锆钛酸铅)系列或BST(钛酸锶钡)系列铁电薄膜，所述光电薄膜的厚度为400nm-1000nm。在步骤四中，所述上电极薄膜为铬/镍金属薄膜，所述上电极薄膜方块电阻为300Ω-1000Ω。在步骤五中，所述芯片保护层为氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜的厚度为200nm-500nm。本专利技术的优点和有益效果在于：1、本专利技术提供的方法以铁电薄膜材料代替铁电单晶或铁电陶瓷材料作为光电敏感材料，以集成式结构代替混合式结构以制备热释电光谱探测器，使器件的工作频率得以大幅度提高，从0.1Hz-5Hz频率段提高到10Hz-100Hz频率段，避开了低频白噪声，使系统检测灵敏度得以提高。2、本专利技术提供的方法以铁电薄膜材料代替铁电单晶或铁电陶瓷材料作为光电敏感材料，以集成式结构代替混合式结构以制备热释电红外探测器，在用于气体分析仪的光谱能量接收器件时受振动(如风)及外界温度变化的影响较小，带来的噪声信号小，使系统检测灵敏度得以提高，而且不影响零点的稳定。3、本专利技术提供的方法采用无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜材料作为热绝缘结构，克服了目前采用微桥结构、悬空结构和空气隙结构作为集成式器件热绝缘结构的存在的机械强度差、容易发生龟裂、坍塌、脱落等问题，提高了集成式热释电光谱探测器芯片的力学性能及抗冲击性能。附图说明图1为本专利技术气体分析仪热释电光谱探测器的制备方法的结构示意意图；附图中，各标号所代表的部件列表如下：1-硅单晶；2-热绝缘结构薄膜；3-下电极薄膜；4-光电薄膜；5-上电极薄膜；6-芯片保护层。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。本专利技术具体实施的技术方案是：步骤一：以单晶硅为基体，表面制备无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜为热绝缘结构薄膜；以晶体取向为(100)方向、体电阻率为0.1-10Ωcm、大小尺寸为20cm×20cm的表面已热氧化的单晶硅为基体，制备厚度为1um-5um的无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜；步骤二：采用直流磁控溅射法在无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜上制备铂/钛金属薄膜为下电极薄膜并采用正胶剥离法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定；按所设计的器件的结构参数在步骤一所得到的无机-有机杂化的多孔-SiO2薄膜上完成光刻工艺后，采用直流磁控溅射法制备铂/钛金属薄膜并采用正胶剥离法完成图形化，说明如下：1、光刻工艺所涉及的器件的结构参数表述如下：(1)光敏元数：单元、2×1-128×1短线列多元、2×2-9×9小面阵多元；(2)光敏元大小尺寸：ф1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体分析仪热释电光谱探测器的制备方法，其步骤如下：步骤一：以单晶硅为基体，表面制备无机‑有机杂化的多孔SiO2薄膜为热绝缘结构薄膜；步骤二：采用直流磁控溅射法在无机‑有机杂化的多孔SiO2薄膜上制备铂/钛金属薄膜为下电极薄膜并采用正胶剥离法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定；步骤三：采用射频磁控溅射法或溶胶凝胶法在铂/钛金属薄膜上制备光电薄膜并采用干发及湿发腐蚀法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定；步骤四：采用直流磁控溅射法或真空热蒸发法在光电薄膜上制备上电极薄膜并采用干发及湿发腐蚀法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定；步骤五：采用等离子增强化学沉积法在上电极薄膜上生长一层芯片保护层，并按设计要求完成划片；步骤六：按设计要求按常规方法制备基于阻抗变换的信号处理电路，并完成芯片与信号处理电路板之间的粘接及引线焊接；步骤七：按设计要求将芯片与信号处理电路板封装于带红外窗口及底座的外壳中，即完成了集成式热释电光谱探测器的制作。

【技术特征摘要】
1.一种气体分析仪热释电光谱探测器的制备方法，其步骤如下：步骤一：以单晶硅为基体，表面制备无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜为热绝缘结构薄膜；步骤二：采用直流磁控溅射法在无机-有机杂化的多孔SiO2薄膜上制备铂/钛金属薄膜为下电极薄膜并采用正胶剥离法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定；步骤三：采用射频磁控溅射法或溶胶凝胶法在铂/钛金属薄膜上制备光电薄膜并采用干发及湿发腐蚀法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定；步骤四：采用直流磁控溅射法或真空热蒸发法在光电薄膜上制备上电极薄膜并采用干发及湿发腐蚀法完成图形化，其大小尺寸根据设计要求而定；步骤五：采用等离子增强化学沉积法在上电极薄膜上生长一层芯片保护层，并按设计要求完成划片；步骤六：按设计要求按常规方法制备基于阻抗变换的信号处理电路，并完成芯片与信号处理电路板之间的粘接及引线焊接；步骤七：按设计要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨红飞，李皓瑜，刘宇翔，钟韬，崔茂荣，
申请(专利权)人：昆明斯派特光谱科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：云南;53