專利名稱：一種紅外激光敏感快速響應(yīng)角位置探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外激光敏感快速響應(yīng)角位置探測(cè)器，特別涉及一種
利用摻雜金屬納米顆粒的ZnO材料制作的紅外激光敏感快速響應(yīng)角位置探 測(cè)器。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，氧化鋅在藍(lán)光及紫外二極管和激光器方面的潛在用途引起了 人們的極大興趣。氧化鋅是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，其直接帶寬為3.37eV， 能夠用于制作紫外光探測(cè)器，例如文獻(xiàn)X.G. Zheng， Q.Sh. Li， J.R Zhao, D. Chen, B. Zhao, Y丄Yang, L.Ch. Zhang, Photoconductive ultraviolet detectors based on ZnO films, APPLIED SURFACE SCIENCE, 253(4): 2264-2267和 O.A. Xu， J.W. Zhang, K.R. Ju, X.D. Yang, X. Hou, ZnO thin film photoconductive ultraviolet detector with fast photoresponse, JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH, 289(1): 44-47所介紹的。
中國(guó)專利申請(qǐng)200810223389.0 (公開(kāi)號(hào)CN101363741A)公開(kāi)了一種 寬波段光位置探測(cè)器，其是基于ZnO薄膜的位置探測(cè)器，與角位置探測(cè)器 屬于不同的探測(cè)器件。目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)采用氧化鋅制作紅外光角位置探測(cè) 器的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種紅外激光敏感快速響應(yīng)角位置探測(cè)器，采 用摻雜有金屬納米顆粒的ZnO材料制成探測(cè)器的光響應(yīng)層，得到一種具有 響應(yīng)快、制作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的角位置探測(cè)器，在角位置控制、目標(biāo)跟蹤 以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面具有廣闊前景。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種紅外激光敏感快速響應(yīng)角位置探測(cè)器，其中，該角位置探測(cè)器包括一基底以及生長(zhǎng)于該基底上的光響應(yīng)層，
該光響應(yīng)層為添加有摻雜金屬的ZnO薄膜層，其厚度為10納米-10微米， 并且，慘雜金屬以納米顆粒的形式摻雜到ZnO中。
在本發(fā)明提供的角位置探測(cè)器中，所采用的ZnO薄膜層中的摻雜金屬可
以包括i 、 n、 m、 iv、 v、 vi、 vn族金屬元素和過(guò)渡族金屬元素中的一種；
優(yōu)選地，上述摻雜金屬可以包括Mg、 Ca、 Sr、 Ti、 Sc、 Ni、 Ta、 Cr、 Mn、 Al、 Ga、 In、 Sn、 Ir、 Os、 Mo、 W、 Ag、 Au、 Pb、 Cu、 Fe和Pt等中的一 種，更優(yōu)選地，上述摻雜金屬為Ag、 Au、 Pb、 Cu、 Fe和Pt等中的一種。
在本發(fā)明提供的角位置探測(cè)器中，以ZnO計(jì)，所采用的ZnO中的摻雜 金屬的摻雜比例按照原子比為0.1-20%，優(yōu)選為1-15%。
在本發(fā)明提供的角位置探測(cè)器中，優(yōu)選地，所釆用的ZnO中的摻雜金 屬顆粒的尺寸可以在5納米到1000納米之間。
本發(fā)明的關(guān)鍵是對(duì)于光響應(yīng)層材料的選擇，即采用摻雜納米金屬顆粒 的ZnO薄膜制成探測(cè)器中生長(zhǎng)于基底上的光響應(yīng)層，對(duì)于探測(cè)器本身的結(jié) 構(gòu)并沒(méi)有特殊限制，可以是任何現(xiàn)有的角探測(cè)器結(jié)構(gòu)，例如上述角位置探 測(cè)器可以包括基底；光響應(yīng)層，生長(zhǎng)于所述基底上；第一電極和第二電 極分別設(shè)置在所述光響應(yīng)層的左右兩端，分別連接第一電極引線和第二電 極引線。
根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，優(yōu)選地，上述角位置探測(cè)器還可以包括 阻值為1Q至1MQ的電阻和/或容量為lpF至500|iF的電容，連接于第一電
極引線和第二電極引線之間，以加快響應(yīng)速度。
根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，優(yōu)選地，該角位置探測(cè)器還可以包括一 放大電路或電壓測(cè)試設(shè)備，連接于第一電極引線和第二電極引線之間；更 優(yōu)選地，上述電壓測(cè)試設(shè)備可以是電壓放大器或者示波器。
在本發(fā)明提供的角位置探測(cè)器中，優(yōu)選地，基底的材料可以是硅、氧 化鎂、白寶石、水晶片、鋁酸鑭和鈦酸鍶等中的一種。在本發(fā)明提供的角位置探測(cè)器中，優(yōu)選地，電極形狀可以為點(diǎn)狀、線
狀或平面狀等；并且，電極的材料可以是銦、銀、鉑、金、鋁和其他金屬 中的一種；可以用銀膠連接，或用銦直接焊接，也可以用真空鍍膜、磁控 濺射光刻和化學(xué)腐蝕等方法制備鉑、金、銀或鋁電極等。
本發(fā)明提供的制備紅外激光敏感快速響應(yīng)角位置探測(cè)器的方法可以按 照以下步驟進(jìn)行
1、 利用激光分子束外延、脈沖激光沉積、分子束外延、磁控濺射、電 子束蒸發(fā)或者溶膠凝膠法的制膜工藝，在基底上制備摻雜金屬納米顆粒的 ZnO薄膜光響底層，按需要選擇生長(zhǎng)條件，以保證薄膜很好的生長(zhǎng)；
2、 參照?qǐng)Dl用常規(guī)方法制備電極和引線，然后釆用常規(guī)半導(dǎo)體封裝工 藝封裝在外殼內(nèi)，制備出摻雜金屬納米顆粒的ZnO紅外激光敏感快速響應(yīng) 角位置探測(cè)器件。
本發(fā)明的紅外激光敏感快速響應(yīng)角位置探測(cè)器件可以釆用激光分子束 外延、脈沖激光沉積、分子束外延、磁控濺射、電子束蒸發(fā)或溶膠凝膠法 等制膜方法，利用半導(dǎo)體工藝，可以在一塊摻雜金屬納米顆粒的ZnO薄膜 芯片上制作單個(gè)單元器件，還可以制備出多個(gè)單元、多元列陣式的摻雜金
屬納米顆粒的ZnO薄膜光位置探測(cè)器件，因此本發(fā)明的光敏感快速響應(yīng)角 位置探測(cè)器的制備方法簡(jiǎn)單，成本低廉，易于工業(yè)化批量生產(chǎn)。該器件輸 出光敏信號(hào)反應(yīng)快，時(shí)間短，可達(dá)到幾個(gè)納秒，隨著角位置的變化，光生 電壓信號(hào)的極值也清楚而且可分辨，可以用來(lái)測(cè)量連續(xù)光或者脈沖光的角 位置和角位移量。
本發(fā)明提供的釆用摻雜金屬納米顆粒的ZnO薄膜制作的紅外激光敏感 快速響應(yīng)角位置探測(cè)器件在工業(yè)(如，機(jī)床的位置控制、目標(biāo)跟蹤、精密 定位)、計(jì)算機(jī)(如，漢字輸入器件)、國(guó)防(如，激光準(zhǔn)直、光源跟蹤) 等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是利用摻雜金屬納米顆粒的ZnO薄膜制作的紅外激光敏感快速響 應(yīng)角位置探測(cè)器的優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖2是利用慘雜金屬納米顆粒ZnO薄膜制作的紅外激光敏感快速響應(yīng) 角位置探測(cè)器的另一優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明的探測(cè)波長(zhǎng)為1.064微米紅外激光照射探測(cè)器所產(chǎn)生的光 生伏特信號(hào)隨光與薄膜表面法線夾角(0°~90°)的變化圖4是本發(fā)明的探測(cè)波長(zhǎng)為1.064微米紅外激光照射探測(cè)器所產(chǎn)生的光 生伏特信號(hào)隨光與薄膜表面法線夾角(-90°~0°)的變化圖5是入射角為60°時(shí)1.064微米紅外激光照射下的光生伏特信號(hào)。
附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明
1基底 2光響應(yīng)層 3第一電極 4第二電極
5第一電極引線 6第二電極引線 7電阻 8電容
9電壓測(cè)試或放大設(shè)備
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合具體實(shí)施例詳細(xì)介紹本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)和特點(diǎn)，以幫助 閱讀者理解本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和有益效果，但不能構(gòu)成對(duì)本發(fā)明可實(shí)施范 圍的任何限定。
本發(fā)明提供的紅外激光敏感快速反應(yīng)角位置探測(cè)器可以包括以下具體 結(jié)構(gòu)
如圖1所示，該角位置探測(cè)器包括基底l;厚度在10納米-10微米的 光響應(yīng)層2，生長(zhǎng)于基底1上，光響應(yīng)層2為摻雜金屬納米顆粒的ZnO薄 膜層；第一電極3和第二電極4分別設(shè)置在光響應(yīng)層2的左右兩端，分別 連接第一電極引線5和第二電極引線6;阻值為1Q-1MQ的電阻(R) 7， 連接于第一電極引線5和第二電極引線6之間；
如圖2所示，該魚(yú)位置探測(cè)器還可以包括容量為lpF至500pF的電容(C) 8，與電阻7并聯(lián)于第一電極引線5和第二電極引線6之間，以及 電壓測(cè)試或放大設(shè)備(A) 9，與電阻7、電容8并聯(lián)于第一電極引線5和 第二電極引線6之間。 實(shí)施例1
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)施例提供的紅外激光敏感快速反應(yīng)角位 置探測(cè)器的結(jié)構(gòu)以及制備進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明。
參考圖1，制備以摻雜金納米顆粒的ZnO薄膜材料制作光響應(yīng)層的角 位置探測(cè)器件選用脈沖激光沉積設(shè)備，在n型Si單晶基底1上直接生長(zhǎng) 摻雜金納米顆粒的ZnO光響應(yīng)薄膜層2 (金納米顆粒的摻雜量為5%，原子 比，顆粒大小約為十幾個(gè)納米)，厚度為500nm，得到摻雜金納米金屬顆粒 的ZnO薄膜樣品；把制備好的摻雜金納米顆粒的ZnO薄膜樣品切割成尺寸 為lxlci^的芯片，用銦在薄膜左右邊的表面對(duì)稱位置上，設(shè)置第一電極3 和第二電極4成為一組，電極約為lmm、用())0.05mm的銅線作第一電極引 線5和第二電極引線6,其一端分別用銦焊接在第一電極3和第二電極4上； 在引線5、 6之間并聯(lián)阻值為1MQ的電阻(R) 7，這樣探測(cè)器就制備完成。
用波長(zhǎng)為1.064微米的激光(能量密度0.5mJ/mm2)照射這個(gè)角位置探 測(cè)器，電極3、 4間輸出光生伏特電壓信號(hào)，改變激光入射角，得到不同激 光入射角度下的光生伏特信號(hào)。圖3、 4是入射光和薄膜表面夾角不同時(shí)的 光生伏特信號(hào)和夾角之間的響應(yīng)曲線，圖中所示的角度為激光束和如圖1 所示的ZnO薄膜表面法線之間的夾角。在1.064微米紅外激光照射下，入 射角為60。時(shí)所產(chǎn)生的光生伏特信號(hào)如圖5所示。
實(shí)施例2
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)施例提供的紅外激光敏感快速反應(yīng)角位 置探測(cè)器的結(jié)構(gòu)以及制備進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明。
參考圖2，制備以摻雜銀納米顆粒的ZnO薄膜材料制作光響應(yīng)層的角
位置探測(cè)器件選用激光分子束外延設(shè)備，在鈦酸鍶單晶襯底r上直接生
8長(zhǎng)摻雜銀納米顆粒的ZnO光響應(yīng)薄膜層2 (銀納米顆粒的摻雜量為10%， 原子比，顆粒的大小約為幾十個(gè)納米)，厚度為0.5微米，得到摻雜銀納米 顆粒的ZnO薄膜樣品；把制備好的摻雜銀納米顆粒的ZnO薄膜樣品切割成 尺寸為lxl^u^的芯片，用濺射方法在薄膜的表面制作金電極，在薄膜的表 面左右對(duì)稱位置上設(shè)置第一電極3和第二電極4成為一組，電極約為1mm2; 用小0.05mm的銅線作第一電極引線5和第二電極引線6，其一端分別采用銦 焊接在第一電極3和第二電極4上；在引線5、 6之間并聯(lián)阻值為1MQ的 電阻(R) 7、容量為500pF的電容(C) 8以及放大設(shè)備(A) 9，這樣探 測(cè)器就制備完成。
用波長(zhǎng)為1.064微米的激光(能量密度0.8mJ/mm2)照射這個(gè)角位置探 測(cè)器件，電極3、 4間輸出的光生電壓信號(hào)隨入射光和薄膜表面夾角不同時(shí) 的光生伏特信號(hào)和夾角之間的響應(yīng)曲線與圖3、圖4類似。
實(shí)施例3
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)施例提供的紅外激光敏感快速反應(yīng)角位 置探測(cè)器的結(jié)構(gòu)以及制備進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明。
參考圖1，制備以摻雜鐵納米顆粒的ZnO薄膜材料制作光響應(yīng)層的角 位置探測(cè)器件選用脈沖激光沉積設(shè)備，在n型Si單晶基底1上直接生長(zhǎng) 摻雜鐵納米顆粒的ZnO光響應(yīng)薄膜層2 (金納米顆粒的摻雜量為15%，原 子比，顆粒的大小約為十幾個(gè)納米)，厚度為500nm，得到摻雜鐵納米金屬 顆粒的ZnO薄膜樣品；把制備好的摻雜金納米顆粒的ZnO薄膜樣品切割成 尺寸為lxlcn^的芯片，用銦在薄膜左右邊的表面對(duì)稱位置上，設(shè)置第一電 極3和第二電極4成為一組，電極約為lmm2;用())0.05mm的銅線作第一電 極引線5和第二電極引線6，其一端分別用銦焊接在第一電極3和第二電極 4上；在引線5、 6之間并聯(lián)阻值為1MQ的電阻(R) 7，這樣探測(cè)器就制備 完成。
用波長(zhǎng)為1.064微米的激光(能量密度0.5mJ/mm2)照射這個(gè)角位置探測(cè)器，電極3、 4間輸出光生伏特電壓信號(hào)，改變激光入射角，得到不同激 光入射角度下的光生伏特信號(hào)。入射光和薄膜表面夾角不同時(shí)的光生伏特 信號(hào)和夾角之間的響應(yīng)曲線和圖3、 4類似。
最后所應(yīng)說(shuō)明的是以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方 案，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員應(yīng)當(dāng)理解對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，如用增加或改 變光響應(yīng)層中摻雜的材料和摻雜量，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何 修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1、一種紅外激光敏感快速響應(yīng)角位置探測(cè)器，其中，該角位置探測(cè)器包括一基底以及生長(zhǎng)于該基底上的光響應(yīng)層，該光響應(yīng)層為添加有摻雜金屬的ZnO薄膜層，其厚度為10納米-10微米，并且，所述摻雜金屬以納米顆粒的形式摻雜到ZnO中。
2、 如權(quán)利要求1所述的角位置探測(cè)器，其中，所述摻雜金屬包括Mg、 Ca、 Sr、 Ti、 Sc、 Ni、 Ta、 Cr、 Mn、 Al、 Ga、 In、 Sn、 Ir、 Os、 Mo、 W、 Ag、 Au、 Pb、 Cu、 Fe禾口Pt中的一種。
3、 如權(quán)利要求2所述的角位置探測(cè)器，其中，所述摻雜金屬為Ag、 Au、 Pb、 Cu、 Fe和Pt中的一種。1
4、 如權(quán)利要求1所述的角位置探測(cè)器，其中，以ZnO計(jì)，所述ZnO 中的摻雜金屬的摻雜比例按照原子比為0.1-20%。
5、 如權(quán)利要求4所述的角位置探測(cè)器，其中，以ZnO計(jì)，所述ZnO 中的摻雜金屬的摻雜比例為1-15%。
6、 如權(quán)利要求1所述的角位置探測(cè)器，其中，該角位置探測(cè)器包括 基底；光響應(yīng)層，生長(zhǎng)于所述基底上；第一電極和第二電極分別設(shè)置在所述光響應(yīng)層的左右兩端，分別連接 第一電極引線和第二電極引線。
7、 如權(quán)利要求6所述的角位置探測(cè)器，其中，該角位置探測(cè)器還包括 阻值為1Q至1MQ的電阻和/或容量為lpF至500(iF的電容，連接于所述第一電極引線和第二電極引線之間，以加快響應(yīng)速度。
8、 如權(quán)利要求6或7所述的角位置探測(cè)器，其中，該角位置探測(cè)器還 包括一放大電路或電壓測(cè)試設(shè)備，連接于第一電極引線和第二電極引線之 間。
9、 如權(quán)利要求1或6所述的角位置探測(cè)器，其中，所述基底的材料為硅、氧化鎂、白寶石、水晶片、鋁酸鑭和鈦酸鍶中的一種。
10、如權(quán)利要求6所述的角位置探測(cè)器，其中，所述電極的形狀為點(diǎn) 狀、線狀或平面狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種紅外激光敏感快速響應(yīng)角位置探測(cè)器，其包括一基底以及生長(zhǎng)于該基底上的光響應(yīng)層，該光響應(yīng)層為添加有摻雜金屬的ZnO薄膜層，其厚度為10納米-10微米，并且，所述摻雜金屬以納米顆粒的形式摻雜到ZnO中。該器件輸出光敏信號(hào)反應(yīng)快，時(shí)間短，可達(dá)到幾個(gè)納秒，光生電壓信號(hào)的極值隨著角位置的變化關(guān)系清楚可分辨，可以用來(lái)測(cè)量連續(xù)光或者脈沖光的角位置和角位移量。本發(fā)明提供的采用摻雜金屬納米顆粒的ZnO薄膜制作的紅外激光敏感快速響應(yīng)角位置探測(cè)器件在工業(yè)、計(jì)算機(jī)、國(guó)防等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01D5/26GK101514908SQ200910080009
公開(kāi)日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2009年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月17日
發(fā)明者周岳亮, 昆 趙, 趙嵩卿 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(北京)