一种多类型气体传感用多元热释电敏感元件制造技术

本发明专利技术属于红外气体传感技术领域，具体为一种多类型气体传感用多元热释电敏感元件。本发明专利技术通过设计单个红外敏感单元，将第二结构层M‑I‑M超材料结构的底层金属层同时作为第一结构层的上电极。通过对第二结构层的顶部金属图形层进行分区图形化处理，实现单一热释电材料上多敏感元集成，多红外波段的吸收，以及多气体种类的响应。本发明专利技术将热释电敏感材料与超材料完美吸波结构结合，应用于气体传感，直接实现敏感元高的红外选择性，省略现有红外气体传感器中滤光片部件，减小了器件体积，提高器件集成度，且利于批量化制作。

【技术实现步骤摘要】
一种多类型气体传感用多元热释电敏感元件
本专利技术属于红外气体传感
，涉及红外敏感元，具体为一种多类型气体传感用多元热释电敏感元件。
技术介绍
在红外气体探测元件中，探测单元通常由敏感元(热释电材料)及其上下电极、红外吸收层和滤光片组成。红外光线透过滤光片，被红外吸收层吸收，使热释电材料产生温升，电信号发生变化，由上下电极引出，以此来实现红外的探测。通常的红外吸收层无法对红外光线的波长进行选择，在一个广泛波长范围内都可以使其发生响应，但在应用时却往往只需要某一个波段的红外光。因此，在制作器件的时候，会通过对红外光线做分光处理来过滤无用波段，只留下所需波段，排除干扰，所以红外探测器件具有高的选择性和抗干扰性。如今常用的方法就是在敏感元与光源之间加入滤光片，滤光片通常为具有多层薄膜结构的高透光率晶片，其作用是在红外光到达敏感元之前对所需红外波段进行选择，这也是NDIR(非色散红外)型红外探测器件的最大特点。在实现气体探测的时候，需要利用多个敏感元，组成信号通道和参考通道，来提高信号的精确度。如若需要实现多气体探测，通道的数量则需要更多，这意味着需要更多不同的滤光片，最终结构及其制备工艺将变得更为复杂。所以，在目前的NDIR器件小型化高集成化研究过程中，滤光片由于其不可或缺性和结构的特点，大大限制了器件的发展。于是，寻找新的方式或结构来替代滤光片变得很有必要。超材料是指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合材料或复合结构。如今有实验证明，某些特殊结构的超材料可以实现对不同波段红外光线超高的选择性和吸收性，此类结构的超材料又被称为超材料完美吸波结构(MPA)。这类超材料尺寸小，处于纳米级别，主要以图形化的薄膜形式制备在基底之上，并可通过对其某些尺寸的设计，来选择吸收波段的中心位置。
技术实现思路
针对上述存在问题或不足，为解决现有红外气体探测敏感元器件中滤光片导致的器件小型化、高集成工艺复杂以及不利于批量化制备的问题；本专利技术提供了一种多类型气体传感用多元热释电敏感元件。一种多类型气体传感用多元热释电敏感元件，包括n个红外敏感单元，n≥1。各红外敏感单元结构相同，包括两个结构层：第一结构层，包含热释电材料以及上下电极，组成一个传统的红外敏感元；第二结构层，M-I-M超材料结构，即底层金属层，介质层，和顶部金属图形层三层薄膜，组成超材料红外完美吸波结构(MPA)。且第二结构层的底层金属层同时作为第一结构层的上电极。优化结构利用率。在热释电材料层上制备上电极层时，预留一个小区域不覆盖后续的超材料红外吸收结构，使热释电材料的上电极裸露出来，用于将电信号引出。进一步的，所述超材料红外完美吸波结构的顶部金属图形层进行分区图形化处理，在不同区域制备不同设计尺寸的金属纳米图形结构，针对不同气体的红外吸收峰波长。将分区图形化处理后的不同区域切割开，每一个区域作为一个红外敏感单元，单元间的切割沟道用做热隔离和信号隔离，实现单一热释电材料上多敏感元集成，多红外波段的吸收，以及多气体种类的响应。综上所述，本专利技术将热释电敏感材料与超材料完美吸波结构结合，应用于气体传感，针对不同气体的吸收峰位置设计不同形状尺寸的超材料；直接实现敏感元高的红外选择性，省略红外气体传感器中滤光片部件，大幅减小了器件体积，提高器件集成度。并可在一个热释电材料单元上同时制备多个针对不同气体吸收波段的红外敏感元，实现多气体探测，大大提升器件的集成度，减小器件尺寸。在红外气体探测领域具有应用前景。附图说明图1为实施例的侧面截面示意图；图2为实施例的单个红外敏感单元的3D结构示意图；图3为实施例的单一热释电材料单元双元双波段敏感元截面示意图。图4为实施例的单一热释电材料单元多元图形化设计俯视示意图。图5为实施例的多元激光切割加工示意图；附图标记：101下电极，102热释电材料，103上电极，104介质层，105顶层金属图形层，106顶层金属图形层，A、B、C、D为不同图形尺寸的顶部金属图形层，E为上电极。具体实施方式为了使本专利技术的目的、方案与优点更加清晰，下面结合附图与具体实施方法对本专利技术进行详细描述。图1示出多类型气体传感用多元热释电敏感元件的单一敏感元侧面截面图，包括101下电极、102热释电材料、103上电极、104介质层、105顶层金属图形层。101下电极用于引出热释电单元电信号的变化；采用电子束蒸发制备的金电极，完全覆盖整个热释电材料范围。金电极金属薄膜附着性不好，制备之前先镀一层铬金属薄膜作为附着层，提高金的附着力，所以本实施例的101层由两层金属薄膜构成。102为热释电材料，采用LTO(钽酸锂)薄膜，为标准4英寸晶圆，通过激光切割形成小片，用以制备器件中的探测单元。103层为上电极，制备方法以及材质与101层相同，同时还用来作为超材料红外吸收结构中所需要的底层金属层。104层为SiO2的介质层，通过PECVD方法制备。105层为金顶层金属图形层，是尺度在纳米到微米之间的图形化薄膜，通过电子束曝光和电子束蒸发制备；根据超材料红外吸收结构的原理，制备不同形状、尺寸的金属薄膜纳米结构，以及改变介质层的厚度可以对红外吸收结构的中心吸收波段的进行选择；通过对105层的形状、尺寸和104层的厚度进行不同设计实现对不同波段敏感的红外敏感元。整体结构中，101，102，103组成一个标准红外敏感元件，包括热释电敏感材料与用于引出电信号变化的上下电极。103，104，105组成超材料红外吸收结构，分别对应底层金属层，介质层和顶部金属图形层。其中，103层同时作为红外敏感元上电极和超材料红外吸收结构的底层金属层，为两个部分共用。图4为其顶部俯视图，包括A、B、C、D区域的超材料红外吸收结构顶层金属图形层，与E区域上电极。A、B、C、D区域，也就是图1中105层，覆盖几乎整个热释电材料上电极面积，用于选择性的吸收某一波段的红外光。E区域上方没有104、105层，是裸露出来的上电极103层，用于将热释电材料信号引出。图2为3D结构图，图中101、102、103、104、105分别对应图1中各层。图中104、105层覆盖103层时，缺少一角，使在这一角上裸露出103层，可以通过WireBonding等方式将电路连接至裸露出来的103层上，引出热释电材料信号。制备元件时，在大片热释电材料上进行图形化设计，对大面积热释电材料分区域图形化制备各层结构，然后利用激光切割将各区域切割开，每个区域就是一个红外敏感单元元件。如图3双元横截面所示，一个热释电单元上制备不同的顶层金属图形层，分别为105、106。两者分别针对不同波段，利用激光切割，将原本连在一起的102、103、104连同接触的105、106切开，形成两个敏感元，实现单一热释电材料上的双元结构。以此设计为基础，在图形化的设计顶层金属图形层时，针对单个热释电材料进行多区域划分，在不同区域制备中心波段不同的超材料红外吸收结构，如图4多元俯视图中A、B、C、D所示，A、B、C、D四个区域为不同顶层金属图形层设计的超材料红外吸收结构，针对不同的红外吸收波段。E区域为图1中103层，是敏感元上电极，用以信号引出。在此种设计下，实现单一热释电单元多波段的响应，形成多敏感元结构，可用于高集成度的多气体红外探测。本专利技术可通过以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多类型气体传感用多元热释电敏感元件，包括n个红外敏感单元，n≥1，其特征在于：各红外敏感单元结构相同，包括两个结构层：第一结构层，包含热释电材料以及上下电极，组成一个传统的红外敏感元；第二结构层，M‑I‑M超材料结构，即底层金属层、介质层和顶部金属图形层组成的三层薄膜，构成超材料红外完美吸波结构MPA。且第二结构层的底层金属层同时作为第一结构层的上电极。

【技术特征摘要】
1.一种多类型气体传感用多元热释电敏感元件，包括n个红外敏感单元，n≥1，其特征在于：各红外敏感单元结构相同，包括两个结构层：第一结构层，包含热释电材料以及上下电极，组成一个传统的红外敏感元；第二结构层，M-I-M超材料结构，即底层金属层、介质层和顶部金属图形层组成的三层薄膜，构成超材料红外完美吸波结构MPA。且第二结构层的底层金属层同时作为第一结构层的上电极。2.如权利要求1所述多类型气体传感用多元热释电敏感元件，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗文博，张开盛，吴传贵，帅垚，张万里，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51