一種集成壓電熱釋電特性的溫室探測器及其製備方法
2023-05-08 01:17:41 1
一種集成壓電熱釋電特性的溫室探測器及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種集成壓電熱釋電特性的溫室探測器及其製備方法，該集成壓電熱釋電特性的溫室探測器包括：由下至上依次覆蓋的襯底，介質層，下電極層，熱釋電材料層，上電極層以及頂層輻射波長吸收層；其中，在襯底與介質層之間形成空腔體，介質層在空腔體的頂部，且介質層在所述空腔體的一側延伸至襯底上，使得介質層、下電極層、熱釋電材料層、上電極層以及頂層輻射波長吸收層整體形成懸臂梁結構，解決了現有技術中存在探測器的探測性能較低的技術問題，實現了提高了探測器的探測性能的技術效果。
【專利說明】-種集成壓電熱釋電特性的溫室探測器及其製備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及紅外及太赫茲輻射探測【技術領域】，尤其涉及一種集成壓電熱釋電特性 的溫室探測器及其製備方法。
【背景技術】 _
[0002] 在現有技術中，熱輻射被物體吸收後將轉變為熱能，熱探測器正是利用了這種輻 射的熱效應，當熱探測器的敏感元件吸收輻射後將引起溫度升高，使敏感元件的相關物理 參數發生變化，通過對這些物理參數及其變化的測量就可確定探測器所吸收的輻射。
[0003] 在外加電場作用下，電介質中的帶電粒子（電子、原子核等）將受到電場力的作用， 總體上講，正電荷趨向於陰極、負電荷趨向於陽極，這樣，電介質的一個表面帶正電、相對的 表面帶負電，把這種現象稱為電介質的"電極化"。對於大多數電介質來說，在去除電壓之 後，極化狀態隨即消失，但是，有一類稱為"鐵電體"的電介質，在外加電壓去除後仍保持著 極化狀態。
[0004] 一般，鐵電體的極化強度Ps (單位面積上的電荷）與溫度有關，溫度升高，極化強 度降低。溫度升高到一定程度，極化將突然消失，這個溫度被稱為居裡點，在居裡點一下，極 化強度Ps是溫度的函數，利用這一關係製成的熱敏類探測器稱為熱釋電探測器。
[0005] 熱釋電探測器的構造是把敏感元件做成薄膜，把敏感元件的兩個表面做成電極， 類似於電容器的構造，為了保證敏感層對輻射的吸收，在熱釋電探測器頂端製備薄膜吸收 層吸收輻射。當輻射照射到已經極化了的熱釋電薄膜上時，引起薄膜溫度升高，使其極化強 度(單位面積上的電荷）降低，表面的電荷減少，就相當於釋放了一部分電荷，因此，叫做熱 釋電傳感器。
[0006] 熱釋電材料同時也具有壓電效應，即沿一定方向受到外力作用發生形變時，其內 部會產生極化現象，同時，在兩個相對表面上出現正負相反的電荷，去掉外力時，晶體恢復 到不帶電的狀態，因此對熱釋電材料施加外力可以產生壓電電荷輸出。
[0007] 在現有技術中，還沒有將熱釋電特性與壓電特性相結合來作為對紅外及太赫茲波 的探測器，因此，現有技術存在探測性能較低的技術問題。
【發明內容】
[0008] 本申請實施例通過提供一種集成壓電熱釋電特性的溫室探測器，解決了現有技術 中存在探測器的探測性能較低的技術問題，實現了提高了探測器的探測性能的技術效果。
[0009] 本申請實施例提供了一種集成壓電熱釋電特性的溫室探測器，包括： 由下至上依次覆蓋的襯底，介質層，下電極層，熱釋電材料層，上電極層以及頂層輻射 波長吸收層； 其中，在襯底與介質層之間形成空腔體，介質層在空腔體的頂部，且介質層在所述空腔 體的一側延伸至襯底上，使得介質層，下電極層，熱釋電材料層，上電極層以及頂層輻射波 長吸收層整體形成懸臂梁結構。
[0010] 進一步地，熱釋電材料層具體為鉭酸鋰、鈮酸鋰、PZT、BST、PVDF及其混合物。
[0011] 進一步地，介質層具體為由溫度變化引起形變的材料。
[0012] 進一步地，頂層輻射波長吸收層具體是吸收波長在700nnT3ram的範圍內的紅外或 太赫茲波。
[0013] 另一方面,本申請還提供了一種集成壓電熱釋電特性的溫室探測器的製備方法， 包括如下內容： 勢）在襯底上生長犧牲層並進行光刻刻蝕，形成犧牲圖形； b )在襯底上採用PECVD形成介質層，使得介質層覆蓋犧牲層的一側和頂部，並對介質 層進行圖形化，露出電極連接接口； 在介質層上採用磁控濺射法形成下層電極層，並在下層電機層上採用光刻腐蝕或光 刻膠剝離進行圖形化； i)在下層電機層上採用溶膠-凝膠法或磁控濺射法形成熱釋電材料層； e )在熱釋電材料層上採用磁控濺射法形成上電極層，在上電極層上採用光刻腐蝕或光 刻膠剝離進行圖形化； f) 在上電極層上採用蒸發法或磁控濺射法或旋塗法形成頂層輻射波長吸收層； g) 採用氧氣等離子體轟擊器件釋放犧牲層。
[00M]進一步地，在步驟b)之後，控制介質層的形變高度小於犧牲層厚度。
[0015]進一步地，在步驟e)之後，對熱釋電材料層進行退火處理。
[0016] 進一步地，在對熱釋電材料層進行退火之後，對熱釋電材料層進行極化處理。
[0017] 本^請實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點： 1、由於採用的集成壓電熱釋電特性的溫室探測器包括有由上至下依次覆蓋的襯底，介 質層，下電極層，熱釋電材料層，上電極層以及頂層輻射波長吸收層，其中，在襯底與介質層 之間形成空腔體，介質層在空腔體的頂部，且介質層在空腔體的一側延伸至襯底上，使得介 質層，下電極層，熱釋電材料層，上電極層以及頂層輻射波長吸收層整體形成懸臂梁結構， 解現有技術中沒有將壓電特性和熱釋電特性相結合的探測器，因此，現有技術的探測 性能較低的技術問題，進而實現了將壓電特性和熱釋電特性相結合，提高了探測器的探測 性能。
[0018] 2、採用了壓電熱釋電特性的室溫探測器的製備方法，使得製備工藝簡單合理，易 大面積製備與集成，與MEMS工藝兼容，可廣泛應用於紅外預計太赫茲波探測【技術領域】。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖h?圖lg為本發明實施方式中集成壓電熱釋電特性的溫室探測器的製備方法 的流程步驟示意圖； S 2為本發明實施方式中集成壓電熱釋電特性的溫室棚器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 本發明實施例通過提供一種集成壓電熱釋電特性的溫室探測器及其製備方法，解 決了現有技術中探測器存在探測性能低的技術問題，進而實現了提高探測器的探測性能的 技術效果。
[0021] 為了解決上述探測器探測性能較低的技術問題，總體思路如下： 本發明提供的一種集成壓電熱釋電特性的溫室探測器，該探測器包括由下至上依次 覆蓋的襯底，介質層，下電極層，熱釋電材料層，上電極層以及頂層輻射波長吸收層，其中， 在襯底與介質層之間形成空腔體，介質層在空腔體的頂部以及與頂部相鄰的一側包覆空腔 體，且介質層在空腔體的一側延伸至襯底，使得介質層，下電極層，熱釋電材料層，上電極層 以及頂層輻射層整體形成懸臂梁結構。由於有熱釋電材料層以及空腔體結構，使得該探測 器具有壓電特性和熱釋電特性，從而提高了探測器的探測性能。
[0022] 為了更好的理解上述技術方案，下面將結合說明書附圖以及具體的實施方式對上 述技術方案進行詳細的說明。
[0023] 本發明提供的一種集成壓電熱釋電特性的溫室探測器的製備方法，如圖la?圖lg 所示，包括如下內容： a)在襯底上生長犧牲層並進行光刻刻蝕，形成犧牲圖形； 具體地，在帶有電極連接接口的襯底上製作犧牲層，採用聚合物PSPI作為犧牲層，可 以是聚醯亞胺、二氧化矽、氧化的多孔矽或磷矽玻璃等，將其圖形化後再採用350攝氏度固 化。
[0024] b )在襯底上採用PECVD形成介質層，使得介質層覆蓋犧牲層的一側和頂部，並對 介質層進行圖形化，露出電極連接接口； 具體地，該介質層具體採用氮化矽薄膜，薄膜厚度為〇. 1?1 μ m。
[0025] ，)在介質層上採用磁控濺射法形成下電極層，並在下層電機層上採用光刻腐蝕或 光刻膠剝離進行圖形化；該電極層的厚度為0. 05?0. 5 μ m。
[0026] ds)在下層電機層上採用溶膠-凝膠法或磁控濺射法形成熱釋電材料層； 具體地，在形成該熱釋電材料層之前，需要製備鉭酸鋰前驅體，具體的製備過程如下： 步驟一、準備反應原料，無水乙酸鋰（C2H3Li02,99. 9%)和乙醇鉭（C1QH2505Ta，99. 9%)為起 始原料，以1-2丙二醇（C3H802,99. 9%)為溶劑。
[0027] 步驟二、稱取4. 061克無水乙酸鋰，然後溶於50毫升1-2丙二醇中在110攝氏度 磁攪拌溶解3小時，25克的乙醇鉭按照摩爾比1:丨配比時，稱量4. 061克無水乙酸鋰，乙醇 鉭分子量406. 5,無水乙酸鋰分子量65. 99。
[0028] 步驟二、加入5毫升丁酸混合調節ph值4-5,保證該溶液呈酸性狀態，有利於保持 溶膠的穩定性以免溶膠迅速凝聚。
[0029] 步驟四、加入25克乙醇鉭至鉭酸鋰前驅體中，在130攝氏度磁攪拌下開始反應，反 應時間48小時。
[0030] 步驟五、鉭酸鋰（LiTa03)前驅體溶液反應呈棕黃色，將鉭酸鋰（LiTa03)前驅體取 出冷卻到室溫，靜置24小時形成穩定的鉭酸鋰（LiTa03)溶膠。從而得到該熱釋電材料層。
[0031] 這樣就形成了鉭酸鋰的前驅體的製備。
[0032] 當然，該熱釋電材料層不僅可以是鉭酸鋰，還可以是鈮酸鋰，PZT，BST，PVDF更或者 是上述兩種或兩種以上的混合物製成，在本申請實施例中就不再詳細贅述了。
[0033] 將上述製成的鉭酸鋰前驅體旋塗至襯底表面，勻膠、甩膠條件為勻膠500rpm，15S， 甩膠 3000rpm，30S。
[0034] 接著對熱釋電材料層進行退火；從而提高熱釋電材料層的結晶性能。
[0035] 具體地，將得到的溼的熱釋電材料層置於退火爐中，進行退火處理，使得熱釋電材 料層千燥，有機物熱解和結晶，重複旋塗退火5次，從而獲得0. 8 μ m厚的熱釋電材料層，由 於一次製備厚度不足可以進行多層重複製備，從而加強該熱釋電材料層的厚度，具體地，厚 度在0. 3?2 μ m範圍。
[0036] 對退火之後的熱釋電材料進行極化處理，使得，極化強度優於l*10_8C/m 2K，從而使 得熱釋電材料具有良好的熱釋電性能。
[0037] 接著，e)在熱釋電材料層上採用磁控濺射法形成上電極層，在上電極層上採用 光刻腐蝕或光刻膠剝離進行圖形化；具體是採用磁控濺射設備製備Ti電極層，厚度為 0. 05^0. 5 μ m〇
[0038] 然後，f)在上電極層上採用蒸發法或磁控濺射法或旋塗法形成頂層輻射波長吸收 層； 具體地，該頂層輻射波長吸收層為碳納米管與PSS的混合溶液的塗層。
[0039] 最後，g)採用氧氣等離子體轟擊器件釋放犧牲層。從而使得釋放犧牲層之後的結 構呈懸臂梁結構。
[0040] 由以上在製備集成壓電熱釋電特性的溫室探測器的過程中，由結構可以看出，在 釋放犧牲層之後形成的空腔體結構和製備過程中的熱釋電材料層結構，使得該探測器同時 具有壓電特性和熱釋電特性，因此，可以對紅外以及太赫茲波進行有效吸收。
[0041] 基於相同的發明構思，本發明實施例還提供了一種集成壓電熱釋電特性的溫室探 測器，如圖2所示，包括：由下至上依次覆蓋的襯底201，介質層202,下電極層203,熱釋電 材料層204,上電極層205以及頂層輻射波長吸收層206 ;其中，在襯底201與介質層202之 間形成空腔體，介質層202在空腔體的頂部以及與頂部相鄰的一側包覆空腔體，且介質層 202在空腔體的一側延伸至襯底201上，使得介質層202、下電極層203、熱釋電材料層204、 上電極層205以及頂層輻射波長吸收層206整體形成懸臂梁結構。
[0042] 具體地，空腔體是由釋放犧牲層獲得的。
[0043] 其中，在介質層202上露出的電極連接接口 207用於上電極層205連接至襯底 201，下電極層2〇6連接至襯底201。
[0044] 在具體的實施方式中，熱釋電材料層204具體為鉭酸鋰、鈮酸鋰、PZT、BST、PVDF， 或者上述幾種的混合物。
[0045] 介質層具體是由溫度變化引起形變的材料，具體為可以為氮化矽等。
[0046]頂層輻射波長吸收層具體是吸收波長在700nm?3mm的範圍內的紅外或太赫茲波 的吸收層。
[0047] 因此，由上述的集成壓電熱釋電特性的溫室探測器的結構可以看出，具有空腔體 結構使得介質層以上的結構層形成懸臂梁結構，因此，具有壓電特性；而且，在上電極層 205與下電極層203之間有熱釋電材料層204,因此，也具有熱釋電特性。當紅外或者太赫 茲波輻射到該集成壓電熱釋電特性的溫室探測器的探測結構上時，使得壓電電荷和熱釋電 荷輸出，增強了紅外或者太赫茲波的探測性能。
[0048] 同時，由於該集成壓電熱釋電特性的溫室探測器的製備工藝簡單合理，易大面積 製備和集成，與MEMS工藝兼容，可廣泛應用於紅外以及太赫茲波探測【技術領域】。
[0049] 儘管己描述了本發明的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造 性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優 選實施例以及落入本發明範圍的所有變更和修改。
[0050] 顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精 神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍 之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1. 一種集成壓電熱釋電特性的溫室探測器，其特徵在於，包括： 由下至上依次覆蓋的襯底，介質層，下電極層，熱釋電材料層，上電極層以及頂層輻射 波長吸收層； 其中，在襯底與介質層之間形成空腔體，介質層在空腔體的頂部,且介質層在所述空腔 體的一側延伸至襯底上，使得介質層、下電極層、熱釋電材料層、上電極層以及頂層福射波 長吸收層整體形成懸臂梁結構。
2. 根據權利要求1所述的集成壓電熱釋電特性的溫室探測器，其特徵在於，熱釋電材 料層具體為鉭酸鋰、鈮酸鋰、PZT、BST、PVDF及其混合物。
3·根據權利要求1所述的集成壓電釋電特性的溫室探測器，其特徵在於，介質層具體 為由溫度變化引起形變的材料。
4. 根據權利要求1所述的集成壓電釋電特性的溫室探測器，其特徵在於，頂層輻射波 長吸收層具體是吸收波長在7〇〇nnT3mm的範圍內的紅外或太赫茲波的吸收層。
5. -種集成壓電熱釋電特性的溫室探測器的製備方法，其特徵在於，包括如下內容： *)在襯底上生長犧牲層並進行光刻刻蝕，形成犧牲圖形； 1>)在襯底上採用PECVD形成介質層，使得介質層覆蓋犧牲層的一側和頂部，並對介質層 進行圖形化，露出電極連接接口； e)在介質層上採用磁控濺射法形成下層電極層，並在下層電機層上採用光刻腐蝕或光 刻膠剝離進行圖形化； d) 在下層電機層上採用溶膠-凝膠法或磁控濺射法形成熱釋電材料層； e) 在熱釋電材料層上採用磁控濺射法形成上電極層，在上電極層上採用光刻腐蝕或光 刻膠剝離進行圖形化； f) 在上電極層上採用蒸發法或磁控濺射法或旋塗法形成頂層輻射波長吸收層； g) 採用氧氣等離子體轟擊器件釋放犧牲層。
6. 根據權利要求5所述的集成壓電熱釋電特性的溫室探測器的製備方法，其特徵在 於，在步驟b)之後，控制介質層的形變高度小於犧牲層厚度。
7. 根據權利要求5所述的集成壓電熱釋電特性的溫室探測器的製備方法，其特徵在 於，在步驟d)之後，對熱釋電材料層進行退火處理。
8·根據權利要求7所述的集成壓電熱釋電特性的溫室探測器的製備方法，其特徵在 於，在對熱釋電材料層進行退火處理之後，對退火處理之後的熱釋電材料層進行極化處理。
【文檔編號】G01J5/10GK104215338SQ201410439239
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月1日 優先權日:2014年9月1日
【發明者】王軍, 蔣亞東, 孫斌偉, 黃澤華, 黎威志 申請人:電子科技大學