钽酸锂薄膜红外探测器及制法制造技术

本发明专利技术涉及钽酸锂薄膜红外探测器及制法。本发明专利技术包括：一红外滤波窗口，一谐振斩波调制器，一聚焦透镜，一热释电钽酸锂薄膜红外探测头，一热沉腔体，一前置放大器，一低通滤波器，一电源及信号输出接口，一壳体，一环境温度探测补偿器。探测器制法，包括：选基底，在其正反面生长ＳｉＯ↓［２］层，依次在正面沉积Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］层，溅射Ｔｉ层，溅射光刻Ｐｔ电极层，制备钽酸锂薄膜层，沉积光刻Ａｌ电极层，生长光刻ＳｉＮ↓［Ｘ］抗反射层，溅射黑层，完成制作双元结构红外探头。聚焦透镜上涂防反射膜。红外窗口贴窄带滤波膜。前置放大器用ＪＦＥＴ管或运放搭建。低通滤波器由运放搭建。谐振斩波调制器用压电驱动，或电磁驱动，谐振频率为１Ｈｚ～１０００Ｈｚ。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于红外探测器领域，特别涉及一种在2 20iim波长范围内探测红外辐射的谐 振斩波调制的非制冷的热释电钽酸锂薄膜红外探测器及其制造方法。
技术介绍
非制冷热释电红外探测器是根据热释电效应工作的，是指某些具有热释电特性的晶体或 薄膜材料受到频率调制的红外热辐射时，在晶体或薄膜内将产生温度变化，其分子的电偶极矩将发生相应变化，由于热释电效应使得晶体或薄膜表面感应产生累积的热释电响应电荷。早期的光子型红外探测器，比如碲镉汞探测器，为了提高光子探测器的灵敏度，降低探 测器的本底噪声，必须制冷到70 90K非常低的温度范围才能正常工作。因此，用光子探测 器组建的红外探测系统，必须需要附加真空杜瓦瓶和制冷器等装置， 一方面使结构变得复杂， 另一方面使制造成本大大增加。而非制冷热释电红外探测器可在室温条件下工作，可以克服 光子型红外探测器必须低温制冷才能工作的致命缺点，使仪器组件的复杂性大大下降，可靠 性相对提高，性价比得到有效提高。热释电红外探测器的性能指标，比如电流响应、电压响应和器件探测率，与热释电红外 敏感元的厚度成反比，敏感元越薄(在ura量级)，器件性能就越好。所以体材料的热释电红 外敏感元由于受几何结构、厚度尺寸等限制，并不适合于高性能的热释电红外探测应用。除 此以外，目前现有的热释电红外探测器还面临三个难题，第一个是红外辐射能量通常非常微 弱，需要设计特殊结构对其进行有效吸收；第二个是背景光、环境温度波动对探测器会产生 干扰输出信号；第三是冲击或振动会使探测器输出较大的干扰信号，因为通常热释电材料同 时具有热释电和压电特性。这三个难题都是影响探测器性能的关键因素，需要从器件结构设 计上加以解决。所以本专利技术涉及的钽酸锂薄膜红外探测器，提出用新研制的钽酸锂薄膜取代以往的钽酸 锂晶体来制造热释电红外探测器，充分利用薄膜材料热容小、不受器件几何结构和厚度尺寸 限制的优势，制造出性能更好的红外探测器。
技术实现思路
本专利技术涉及一种钜酸锂薄膜红外探测器及制法。本专利技术的目的在于提供一种在2 20ym波长范围内探测红外辐射的谐振斩波调制的非 制冷的热释电钽酸锂薄膜红外探测器。本专利技术的另一目的在于提供一种钽酸锂薄膜红外探测器的制造方法。 本专利技术所述的钽酸锂薄膜红外探测器，其结构包括一红外滤波窗口，对入射辐射红外光进行滤波，消除背景可见光和其它非探测波段光对 探测器的干扰；一谐振斩波调制器，该谐振斩波调制器可以安装在探测器壳体内，也可以安装在探测器壳体外，都对通过红外滤波窗口的入射红外光进行斩波调制；一聚焦透镜，置于红外滤波窗口的正后方，使经过红外窗口滤波的入射辐射红外光全部聚焦到热释电钽酸锂薄膜红外探测头上；一热释电钽酸锂薄膜红外探测头，由多层膜系构成，包括以下几部分-(1)红外吸收黑层，吸收入射辐射红外光并转化成热能；(2)上电极层，位于红外吸收 黑层正下方，和热释电钽酸锂薄膜层上表面上方，可焊接导线，引出热释电响应信号；(3) 热释电钽酸锂薄膜层，位于上电极层的下面和下电极层的上面，为热释电红外敏感层，将黑 层吸收的热能通过钽酸锂薄膜的热释电效应转换为热电响应信号；(4)下电极层，蒸发沉积 钽酸锂薄膜层下表面，可焊接导线，引出热释电响应信号；(5)绝热层，蒸发沉积在下电极 的下表面上，阻止热流向硅基底层传播；(6)支撑层，蒸发沉积在绝热层的下表面上，对上 述各层起支撑作用；(7)背面腐空的硅基底层，位于支撑层下方，用腐蚀液对热释电钽酸锂 薄膜层正下方的硅基底层背面腐蚀出一个空腔，阻止热流散失-，一热沉腔体，为热释电钽酸锂薄膜红外探测头安装容器，并将其内部抽成真空，可避免 探测器壳体内其它元器件热辐射对红外探测头的影响；一前置放大器，与热释电钽酸锂薄膜红外探测头输出端连接，对探测头输出的电信号放 大并转换为电压信号，并实现阻抗匹配；一低通滤波器，对前置放大器输出的信号进行低通滤波处理，用以滤除斩波调制频带以 外的高频成份；一电源及信号输出接口，该接口一部分与低通滤波器输出端连接，为探测器信号输出标 准接口；该接口另一部分为电源接口，为探测器内元器件提供电源； 一壳体，将上述所有器件密封在一个壳体内，然后压接封装；一环境温度探测补偿器，通过紧贴于探测器壳体内壁的温度传感器测试外界环境温度， 经过计算补偿环境温度变化对探测器的影响；其中所述的钽酸锂薄膜红外探测器设计了双元结构，同时制作两个完全相同探测单元，一个直接用于测量红外辐射，同时也受环境温度波动和振动冲击的影响；另一个单元不测量 红外辐射，而只测量环境温度波动和冲击振动对探测器的干扰信号；将两个探测单元信号直 接相减，可消除或大大减小环境温度波动和振动冲击对探测器的影响。其中所述的谐振斩波调制器有两种驱动方式 一种是压电驱动方式，另一种是电磁耦合 驱动方式。压电驱动方式是指用电信号驱动贴在谐振片上的压电片，引起谐振片在某固定的 低频频率上谐振，实现对入射辐射红外光斩波调制；电磁耦合驱动方式是指用电磁激励装置 驱动贴在谐振片上的磁铁块，引起谐振片在某固定的低频频率上谐振，实现对入射辐射红外 光斩波调制。一种钽酸锂薄膜红外探器及制法，其特征在于包括如下歩骤(1) 选取3英寸Si (100)晶向基底，在600 1500'C其正反两面都采用湿氧化法生长 0. 5~5 u m厚的Si02膜层作为Si基片背面腐蚀空腔后的支撑层；(2) 在500 900°C条件下，在超高真空的低压化学气相沉积(LPCVD)设备中在基片 正面的Si02膜层上沉积一层0. 1 5ym厚的Si:扎薄膜，同时起支撑作用和绝热层作用；(3) 在Si.JV薄膜层上溅射沉积一层约10 100nm厚的Ti隔离缓冲层，最后Ti层上溅 射沉积20 200nm厚的Pt膜层，并光刻形成所需形状的双元结构的Pt底电极层；(4) 用溶胶-凝胶法在底电极层上制备0.5 5网厚的钽酸锂薄膜热电响应层；而后在 钽酸锂薄膜层上蒸发沉积0. 1 5 u m厚的Al膜层，并光刻形成所需形状的上电极层；(5) 在PECVD设备中生长1(K100nm厚SiNx膜并光刻形成抗反射层；(6) 在反射层上溅射沉积20 200nm厚的超薄黑层作红外吸收黑层，完成双元结构的 钽酸锂薄膜红外探器红外探头的制作；(7) 在聚焦透镜表面上涂上防反射膜，可以阻止入射红外光的反射，使入射红外光全 部聚焦到热释电钽酸锂薄膜红外探测头上；(8) 红外窗口上贴有窄带红外滤波膜对入射辐射红外光进行滤波，滤波波带宽度根据 应用需要确定， 一般为中心滤波波长土 10nm;(9) 前置放大器采用低噪声高灵敏度JFET场效应管及其附属电路搭建而成，或采用 低噪声高灵敏高输入阻抗的运算放大器及其附属电路搭建而成， 一方面能将红外探头输出的 pA级微弱电流信号放大为mV级电压信号输出，另一方面实现阻抗匹配，将红外探头的TQ级 的阻抗转化为KQ级阻抗；(10) 低通滤波器是有源滤波电路，由高精度低噪声运算放大器搭建而成，其截止 频率根据应用需要确定，对于高温探测其截止频率居于1Hz 1000Hz之间，具体数值由应用试 验确定；(11)环境温度探测补偿器，采用数字化硅温度探测头及其附属电路搭建成，可探测温度范围介于-4crc 75'c之间，探测精度在o. 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钽酸锂薄膜红外探测器及制法，包括：一红外滤波窗口，对入射辐射红外光进行滤波，消除背景可见光和其它非探测波段光对探测器的干扰；一谐振斩波调制器，该谐振斩波调制器可以安装在探测器壳体内，也可以安装在探测器壳体外，都对通过红外滤波窗口的入射红外光进行斩波调制；一聚焦透镜，置于红外滤波窗口的正后方，使经过红外窗口滤波的入射辐射红外光全部聚焦到热释电钽酸锂薄膜红外探测头上；一热释电钽酸锂薄膜红外探测头，由多层膜系构成，包括以下几部分：（１）红外吸收黑层，吸收入射辐射红外光并转化成热能；（２）上电极层，位于红外吸收黑层正下方，和热释电钽酸锂薄膜层上表面上方，可焊接导线，引出热释电响应信号；（３）热释电钽酸锂薄膜层，位于上电极层的下面和下电极层的上面，为热释电红外敏感层，将黑层吸收的热能通过钽酸锂薄膜的热释电效应转换为热电响应信号；（４）下电极层，蒸发沉积钽酸锂薄膜层下表面，可焊接导线，引出热释电响应信号；（５）绝热层，蒸发沉积在下电极的下表面上，阻止热流向硅基底层传播；（６）支撑层，蒸发沉积在绝热层的下表面上，对上述各层起支撑作用；（７）背面腐空的硅基底层，位于支撑层下方，用腐蚀液对热释电钽酸锂薄膜层正下方的硅基底层背面腐蚀出一个空腔，阻止热流散失；一热沉腔体，为热释电钽酸锂薄膜红外探测头安装容器，并将其内部抽成真空，可避免探测器壳体内其它元器件热辐射对红外探测头的影响；一前置放大器，与热释电钽酸锂薄膜红外探测头输出端连接，对探测头输出的电信号放大并转换为电压信号，并实现阻抗匹配；一低通滤波器，对前置放大器输出的信号进行低通滤波处理，用以滤除斩波调制频带以外的高频成份；一电源及信号输出接口，该接口一部分与低通滤波器输出端连接，为探测器信号输出标准接口；该接口另一部分为电源接口，为探测器内元器件提供电源；一壳体，将上述所有器件密封在一个壳体内，然后压接封装；一环境温度探测补偿器，通过紧贴于探测器壳体内壁的温度传感器测试外界环境温度，经过计算补偿环境温度变化对探测器的影响；。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄大贵，张德银，董政，李金华，李坤，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]