增強式薄膜體聲波諧振紫外光探測器的製作方法
2023-08-10 15:24:21 3
專利名稱：增強式薄膜體聲波諧振紫外光探測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及紫外光探測器技術領域，具體的說，是涉及一種增強式薄膜體聲波諧振紫外光探測器。
背景技術：
紫外光探測器是一種非常重要的光電子器件，被應用於航天工程、火焰探測、生物效應、通信以及環境監測等民用、軍用領域。目前，已投入商用的紫外探測器，主要有紫外真空二極體、紫外光電倍增管、紫外增強器、紫外攝像管和固體紫外探測器等，其中常用的是基於寬帶隙半導體材料的光電導和p-n結器件。光電導和p-n結型紫外光探測器都是利用半導體材料的光生載流子來進行檢測的，一般需要高晶體質量的外延半導體單晶薄膜，製造成本較高。諧振式傳感器是一種以檢測其諧振頻率、相位或振幅隨檢測物質的變化為響應的傳感器，目前已經應用於多種生化檢測領域。經過對現有的文獻檢索發現，美國亞利桑那州立大學X. Qiu等人在2009年在Applied Physics Letters (應用物理快報)第94卷191517 頁公布了一種體聲波紫外光探測器。這種體聲波紫外光探測器以一種壓電薄膜諧振器為核心器件，通過外加電場在氧化鋅壓電薄膜中激發1. 46吉赫茲左右的高頻體聲波諧振。當紫外光照射時，氧化鋅壓電薄膜中的部分氧成分脫離，密度發生改變，引起諧振頻率升高。通過測量探測器諧振頻率升高的幅度可以檢測紫外光強度。基於這種原理的探測器只需多晶壓電薄膜，成本較低。另外，高頻頻率信號響應速度快、噪聲低、解析度高，且更利於數位化和無線傳輸，更適用於無線傳感器網絡。但是，上述體聲波紫外光探測器仍存在諸多缺陷， 如採用紫外透射率較低的金作為上電極，影響了壓電薄膜對紫外光的靈敏度；採用本徵氧化鋅作為壓電薄膜材料，響應光譜區間較窄且無法調整；採用懸空的橫膈膜結構，機械牢度較差。
發明內容本發明針對現有技術的不足和缺陷，提出了一種增強式薄膜體聲波諧振紫外光探測器。該探測器是利用現有微電子技術進行製造的，具有靈敏度高、響應光譜區間寬且可調整，機械牢度強，檢測信號易於數位化處理等優點，且易於實現陣列化和作為物聯網的傳感器終端。本發明是通過以下技術方案實現的一種增強式薄膜體聲波諧振紫外光探測器，包括壓電薄膜諧振器、紫外光反射膜和透明導電膜，其特徵在於，具有紫外光反射膜和作為上電極的透明導電膜，從下向上依次設置基底、聲波布拉格反射層、金屬下電極、紫外光反射膜、壓電薄膜、透明導電膜。所述的壓電薄膜為摻雜鎂的氧化鋅材料，其優選的厚度為1-1. 5微米，鎂的摻雜濃度為1%至3%。所述的紫外光反射膜為氟化鎂或氮化鋁薄膜，其厚度為所需測量的紫外光中心波長的二分之一。所述的透明導電膜為摻雜鋁的氧化鋅材料，其厚度為所需測量的紫外光中心波長的四分之一，鋁的摻雜濃度為至10%。本發明利用外加電場激勵在壓電薄膜諧振器中產生體聲波諧振，當紫外光照射時，使吸附在摻雜的氧化鋅壓電薄膜中的部分氧成分脫離，從而使其密度發生改變，這將會引起體聲波諧振頻率升高。氧成分的脫附量依賴於入射紫外光強度，因此通過測量傳感器諧振頻率升高的幅度就可以檢測入射紫外光的強度。與以往的技術相比，本發明的有益效果是(1)利用紫外光反射膜將未被吸收的紫外光再次反射進入壓電薄膜，並使用對紫外光吸收較少的透明導電膜替代金屬作為上電極，增強了壓電薄膜對紫外光的吸收，從而提高了探測器的靈敏度；(2)使用摻雜的氧化鋅材料作為壓電敏感層，可以根據所需測量的紫外光中心波長調整鎂的摻雜濃度，其敏感範圍覆蓋低紫外至深紫外的較寬光譜區間，這在民用和軍事領域都有著極其重要的應用價值；(3)採用聲波布拉格反射層替代橫膈膜結構，機械牢度高，抗衝擊力強。
附圖1為本發明的剖面結構示意圖附圖2為本發明實施例1受到能量為0. 1至0. 3毫瓦的0. 35微米紫外光照射時
器件的諧振頻率。附圖3為本發明實施例2照射紫外光前後的阻抗頻率響應。圖面說明1、基底；2、聲波布拉格反射層；3、金屬下電極；4、紫外光反射膜；5、壓電敏感層；6、透明導電膜
具體實施方式
一種增強式薄膜體聲波諧振紫外光探測器，包括壓電薄膜諧振器、紫外光反射膜和透明導電膜，其特徵在於，具有紫外光反射膜4和作為上電極的透明導電膜6，從下向上依次設置基底1、聲波布拉格反射層2、金屬下電極3、紫外光反射膜4、壓電薄膜5、透明導電膜6。實施例1本實施例為針對探測中心波長為0. 35微米的紫外光探測器。基底1為(100)取向的矽片。聲波布拉格反射層2為三周期的鎢和氧化矽的交迭層。金屬下電極3為鋁。紫外光反射膜4為氟化鎂薄膜，厚度為0. 175微米。壓電薄膜5為摻雜鎂的氧化鋅材料，其厚度為1. 2微米，鎂的摻雜濃度為2%。透明導電膜6為摻雜鋁的氧化鋅材料，其厚度為0. 0875微米，鋁的摻雜濃度為8%。工作時，金屬下電極3和透明導電膜6之間施加射頻交變電信號，在壓電薄膜中激勵體聲波諧振。如附圖2所示，無紫外光照射時，器件諧振頻率為2530兆赫茲。當能量為 0. 1至0. 3毫瓦的0. 35微米紫外光照射到器件時時，使得吸附在摻雜鎂的氧化鋅中的氧發生脫附，導致其密度發生改變，從而引起體聲波諧振頻率升高。通過外接頻率檢測電路，可以檢測出諧振頻率的變化，獲得紫外光的能量值。實施例2本實施例為針對探測中心波長為0. 3微米的紫外光探測器。基底1為(100)取向的矽片。聲波布拉格反射層2為三周期的鎢和氧化矽的交迭層。金屬下電極3為鋁。紫外光反射膜4為氮化鋁薄膜，厚度為0. 15微米。壓電薄膜5為摻雜鎂的氧化鋅材料，其厚度為1. 5微米，鎂的摻雜濃度為2%。透明導電膜6為摻雜鋁的氧化鋅材料，其厚度為0. 075微米，鋁的摻雜濃度為4%。工作時，金屬下電極3和透明導電膜6之間施加射頻交變電信號，在壓電薄膜中激勵體聲波諧振。如附圖3所示，無紫外光照射時，器件諧振頻率為2011兆赫茲。當能量為 0. 1至0. 3毫瓦的0. 35微米紫外光照射到器件時時，使得吸附在摻雜鎂的氧化鋅中的氧發生脫附，導致其密度發生改變，從而引起體聲波諧振頻率升高。通過外接頻率檢測電路，可以檢測出諧振頻率的變化，獲得紫外光的能量值。
權利要求1.一種增強式薄膜體聲波諧振紫外光探測器，包括壓電薄膜諧振器、紫外光反射膜和透明導電膜，其特徵在於，具有紫外光反射膜(4)和作為上電極的透明導電膜(6)，從下向上依次設置基底(1)、聲波布拉格反射層(2)、金屬下電極(3)、紫外光反射膜(4)、壓電薄膜 (5)和透明導電膜(6)。
2.根據權利要求1所述的增強式薄膜體聲波諧振紫外光探測器，其特徵是，所述的壓電薄膜(5)為摻雜鎂的氧化鋅材料，其優選的厚度為1-1. 5微米。
3.根據權利要求1所述的增強式薄膜體聲波諧振紫外光探測器，其特徵是，所述的紫外光反射膜(4)為氟化鎂或氮化鋁薄膜，其厚度為所需測量的紫外光中心波長的二分之
4.根據權利要求1所述的增強式薄膜體聲波諧振紫外光探測器，其特徵是，所述的透明導電膜(6)為摻雜鋁的氧化鋅材料，其厚度為所需測量的紫外光中心波長的四分之一。
專利摘要本實用新型公開了一種增強式薄膜體聲波諧振紫外光探測器。包括壓電薄膜諧振器、紫外光反射膜和透明導電膜。探測器以高頻體聲波作為諧振模式，利用紫外光反射膜和透明導電膜增強了壓電薄膜對紫外光的吸收，提高了探測器的靈敏度；使用摻雜的氧化鋅材料作為壓電薄膜層，可以根據所需測量的紫外光中心波長調整鎂的摻雜濃度，其敏感範圍覆蓋低紫外至深紫外的較寬光譜區間；採用布拉格反射層結構，機械牢度高，抗衝擊力強。可以應用於航天工程、火焰探測、生物效應、物聯網以及環境監測等民用、軍用領域。
文檔編號G01J1/42GK202008402SQ201120035348
公開日2011年10月12日 申請日期2011年2月10日 優先權日2011年2月10日
發明者幹耀國, 張會雲, 張玉萍, 王璟璟, 陳達 申請人:山東科技大學