本發(fā)明屬于光電及微機電系統(tǒng)
技術領域：
，具體的涉及一種氣體分析儀熱釋電光譜探測器的制備方法。
背景技術：
：由于絕大部分有毒有害氣體對某一波段的光譜都具有一定的吸收，所以依據(jù)這一光譜的吸收原理就能實現(xiàn)有毒有害氣體分析儀的制備。一般地說，有毒有害氣體對某一波段的光譜的吸收吻合比耳-朗伯定律：P＝P0Exp(-kcl)其中P0為光源所產(chǎn)生的能量P為通過存在待測氣體環(huán)境后所剩余的能量，k為吸收系數(shù)，l為光源距探測器單元的距離，c為待測氣體濃度。在實際應用中，由光源發(fā)出的光輻射到被光譜傳感器上轉(zhuǎn)化為電壓信號，傳感器的電壓輸出受氣室中氣體吸收的影響而變化，氣體濃度越高，被吸收的光越高，傳感器上的輸出電壓越低，氣體濃度越低，吸收的光越少，傳感器輸出的電壓越高。傳感器輸出的電壓經(jīng)前置放大器、差分放大器放大后，進入單片計算機或DSP數(shù)字信號處理器進行計算，根據(jù)數(shù)學模型和有關參數(shù)計算出濃度。光譜傳感器是有毒有害氣體分析儀的核心電子元器件，它的性能參數(shù)直接影響到氣體分析儀的性能如檢測靈敏度?？晒┻x擇的氣體分析儀所用的光譜能量接收器件有熱電堆型探測器、熱敏電阻型探測器及熱釋電探測器三大類。熱電堆型探測器電壓響應信號較小，而且溫度噪聲太大，熱敏電阻型探測器溫度噪聲太大，極難校正。所以熱釋電探測器是應用的主流。根據(jù)光譜傳感器器件所采用的光電功能材料的形態(tài)的不同，熱釋電傳感器的技術路線共有兩條可供選擇：一條是采用陶瓷材料或晶體材料的混合式器件工藝技術路線，另一條是采用薄膜材料的集成式器件工藝技術路線?；旌鲜狡骷闹苽湫枰劝压饷粼牧?鐵電陶瓷)減薄、研磨、拋光后再蒸鍍上下電極，隨之再完成焊接封裝，其工藝較為復雜，特別是在材料減薄工藝上，因而成品率很低成本較高，所謂器件是做出來的。集成式器件則可以在一塊襯底上一次就完成熱絕緣材料、下電極、鐵電薄膜及上電極的生長，隨后的工藝如劃片、焊接及封裝等就與陶瓷式一樣了。它的優(yōu)點是工藝較為簡單、核心技術突破后成品率可以很高(一塊5英寸片上可長出幾千只單元器件，所謂器件是長出來的)。目前各類有毒有害氣體分析儀所用的光譜能量接收器件所用的大部分是混合式熱釋電器件，它的缺點有如下三個方面：一、混合式熱釋電器件工作頻率較低，只能在低頻段如0.1Hz-5Hz頻率段工作才能滿足較高的電壓響應信號，而在這一低頻段如0.1Hz-5Hz頻率段，外界噪聲很大如白噪聲；二、混合式熱釋電器件受環(huán)境溫度波動的影響較大，需精確的溫度校正；三、混合式熱釋電器件受振動(如風)的影響較大，帶來較大的噪聲信號，影響零點的穩(wěn)定。而集成式熱釋電器件相對于混合式熱釋電器件來講，可克服如上缺點：一、集成式熱釋電器件工作頻率較高，可在高頻段如10Hz-200Hz頻率段工作亦能滿足較高的電壓響應信號，而在這一頻段，避開了低頻白噪聲，滿足ppm級氣體濃度檢測靈敏度；二、集成式熱釋電器件受振動(如風)的影響較小大，帶來的噪聲信號小，基本不影響零點的穩(wěn)定。因此，以集成式熱釋電器件代替混合式熱釋電器件作為氣體分析儀所用的光譜能量接收器件將大大提高系統(tǒng)的信噪比，進而提高檢測靈敏度。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種氣體分析儀熱釋電光譜探測器的制備方法，解決目前混合式熱釋電紅外探測器存在的只能在低頻段工作、受振動及風等外界環(huán)境變化影響較大，因而在用于氣體分析儀的光譜能量接收器件時所帶來的系統(tǒng)信噪比較差、檢測靈敏度較低的缺點。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是提供一種氣體分析儀熱釋電光譜探測器的制備方法，其步驟如下：步驟一：以單晶硅為基體，表面制備無機-有機雜化的多孔SiO2薄膜為熱絕緣結構薄膜；步驟二：采用直流磁控濺射法在無機-有機雜化的多孔SiO2薄膜上制備鉑/鈦金屬薄膜為下電極薄膜并采用正膠剝離法完成圖形化，其大小尺寸根據(jù)設計要求而定；步驟三：采用射頻磁控濺射法或溶膠凝膠法在鉑/鈦金屬薄膜上制備光電薄膜并采用干發(fā)及濕發(fā)腐蝕法完成圖形化，其大小尺寸根據(jù)設計要求而定；步驟四：采用直流磁控濺射法或真空熱蒸發(fā)法在光電薄膜上制備上電極薄膜并采用干發(fā)及濕發(fā)腐蝕法完成圖形化，其大小尺寸根據(jù)設計要求而定；步驟五：采用等離子增強化學沉積法在上電極薄膜上生長一層芯片保護層，并按設計要求完成劃片。步驟六：按設計要求按常規(guī)方法制備基于阻抗變換的信號處理電路，并完成芯片與信號處理電路板之間的粘接及引線焊接。步驟七：按設計要求將芯片與信號處理電路板封裝于帶紅外窗口及底座的外殼中，即完成了集成式熱釋電光譜探測器的制作。在步驟二中，所述鉑/鈦金屬薄膜的厚度為50nm-100nm。在步驟三中，所述光電薄膜為PZT(鋯鈦酸鉛)系列或BST(鈦酸鍶鋇)系列鐵電薄膜，所述光電薄膜的厚度為400nm-1000nm。在步驟四中，所述上電極薄膜為鉻/鎳金屬薄膜，所述上電極薄膜方塊電阻為300Ω-1000Ω。在步驟五中，所述芯片保護層為氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜的厚度為200nm-500nm。本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果在于：1、本發(fā)明提供的方法以鐵電薄膜材料代替鐵電單晶或鐵電陶瓷材料作為光電敏感材料，以集成式結構代替混合式結構以制備熱釋電光譜探測器，使器件的工作頻率得以大幅度提高，從0.1Hz-5Hz頻率段提高到10Hz-100Hz頻率段，避開了低頻白噪聲，使系統(tǒng)檢測靈敏度得以提高。2、本發(fā)明提供的方法以鐵電薄膜材料代替鐵電單晶或鐵電陶瓷材料作為光電敏感材料，以集成式結構代替混合式結構以制備熱釋電紅外探測器，在用于氣體分析儀的光譜能量接收器件時受振動(如風)及外界溫度變化的影響較小，帶來的噪聲信號小，使系統(tǒng)檢測靈敏度得以提高，而且不影響零點的穩(wěn)定。3、本發(fā)明提供的方法采用無機-有機雜化的多孔SiO2薄膜材料作為熱絕緣結構，克服了目前采用微橋結構、懸空結構和空氣隙結構作為集成式器件熱絕緣結構的存在的機械強度差、容易發(fā)生龜裂、坍塌、脫落等問題，提高了集成式熱釋電光譜探測器芯片的力學性能及抗沖擊性能。附圖說明圖1為本發(fā)明氣體分析儀熱釋電光譜探測器的制備方法的結構示意意圖；附圖中，各標號所代表的部件列表如下：1-硅單晶；2-熱絕緣結構薄膜；3-下電極薄膜；4-光電薄膜；5-上電極薄膜；6-芯片保護層。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的具體實施方式作進一步描述，以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明具體實施的技術方案是：步驟一：以單晶硅為基體，表面制備無機-有機雜化的多孔SiO2薄膜為熱絕緣結構薄膜；以晶體取向為(100)方向、體電阻率為0.1-10Ωcm、大小尺寸為20cm×20cm的表面已熱氧化的單晶硅為基體，制備厚度為1um-5um的無機-有機雜化的多孔SiO2薄膜；步驟二：采用直流磁控濺射法在無機-有機雜化的多孔SiO2薄膜上制備鉑/鈦金屬薄膜為下電極薄膜并采用正膠剝離法完成圖形化，其大小尺寸根據(jù)設計要求而定；按所設計的器件的結構參數(shù)在步驟一所得到的無機-有機雜化的多孔-SiO2薄膜上完成光刻工藝后，采用直流磁控濺射法制備鉑/鈦金屬薄膜并采用正膠剝離法完成圖形化，說明如下：1、光刻工藝所涉及的器件的結構參數(shù)表述如下：(1)光敏元數(shù)：單元、2×1-128×1短線列多元、2×2-9×9小面陣多元；(2)光敏元大小尺寸：ф1mm-ф3、1mm×1mm-3mm×3mm；(3)光敏元間距：0.2mm-3mm。2、正膠剝離法的光刻工藝所涉及的鉑/鈦金屬薄膜的結構參數(shù)表述如下：(4)壓焊塊大小尺寸：ф0.5mm-ф3、0.5mm×0.5mm-3mm×3mm；(5)引線寬度：0.2mm-1mm；3、正膠剝離法的工藝目標就是在厚度為1um-5um的無機-有機雜化的多孔SiO2薄膜基底上制備其圖形的鉑鈦金屬薄膜，所涉及的鉑鈦金屬薄膜的直流磁控濺射法生長工藝參數(shù)為：工作氣體靶基距工作壓強濺射功率濺射時間氬氣70mm2.6Pa79w鉑15s、鈦8s金屬薄膜的厚度為50nm-100nm，金屬薄膜的大小尺寸比光敏元大小尺寸有所增加，但其增加幅度以不超過光敏元間距的1/4為宜；步驟三：采用射頻磁控濺射法或溶膠凝膠法在鉑/鈦金屬薄膜上制備光電薄膜并采用干發(fā)及濕發(fā)腐蝕法完成圖形化，其大小尺寸根據(jù)設計要求而定；1、采用射頻磁控濺射法在步驟二所得的、已完成圖形化的鉑/鈦金屬薄膜上制備BST(Ba0.65Sr0.35TiO3鈦酸鍶鋇)鐵電薄膜作為光電薄膜，光電薄膜的厚度為400nm～1000nm。其生長工藝參數(shù)為：濺射功率基片溫度濺射氣壓氧氬氣壓靶基距自偏壓150w550℃5Pa1:950mm115v2、利用正膠完成光刻工藝，并采用濕發(fā)腐蝕法完成BST光電薄膜圖形化，光電薄膜單元大小尺寸應比光敏元大小尺寸有所增加，但其增加幅度以光敏元間距的1/4-1/2為宜。其濕發(fā)腐蝕法工藝參數(shù)為：(1)濕法腐蝕腐蝕劑配方為HF：HNO3：H2O＝2：10：100；(2)濕法腐蝕時間：10秒-20秒；步驟四：采用直流磁控濺射法或真空熱蒸發(fā)法在光電薄膜上制備上電極薄膜并采用干發(fā)及濕發(fā)腐蝕法完成圖形化，其大小尺寸根據(jù)設計要求而定；1、在以步驟三所得的已完成圖形化的BST光電薄膜為基底，采用直流磁控濺射法制備鉻/鎳金屬薄膜作為上電極，鉻/鎳薄膜的方塊電阻為300Ω-1000Ω，所涉及的鉻/鎳金屬薄膜的直流磁控濺射法生長工藝參數(shù)為：工作氣體靶基距工作壓強濺射功率濺射時間氬氣70mm2.2Pa75w鎳30s、鉻60s2、利用正膠完成光刻工藝，并采用濕法腐蝕法完成鉻/鎳薄膜圖形化，鉻/鎳薄膜圖形大小尺寸即為比光敏元大小尺寸；步驟五：采用等離子增強化學沉積法在上電極薄膜上生長一層芯片保護層，并按設計要求完成劃片；1、采用等離子增強化學沉積法，以硅烷及氨氣為工作氣體在步驟四所制得的芯片上生長氮化硅薄膜，其厚度約為300nm，所涉及的等離子增強化學沉積法的工藝參數(shù)為：等離子增強化學沉積法(PECVD)生長氮化硅薄膜工藝條件載氣功率工作氣體1工作氣體2生長時間氬氣280w硅烷SiH4氨氣NH31.5小時2、氮化硅薄膜的圖形大小為第二步中所述的鉑/鈦金屬薄膜的圖形大小再減去壓焊塊的尺寸，氮化硅薄膜的圖形化工藝中的氮化硅薄膜的去除工藝采用干發(fā)刻蝕法(反應離子刻蝕法)，其工藝條件下表：反應離子刻蝕法去除碳化硅薄膜工藝條件載氣功率反應氣體刻蝕時間氬氣250w六氟化硫SF61.2小時步驟六：按設計要求按常規(guī)方法制備基于阻抗變換的信號處理電路，并完成芯片與信號處理電路板之間的粘接及引線焊接；步驟七：按設計要求將芯片與信號處理電路板封裝于帶紅外窗口及底座的外殼中，即完成了集成式熱釋電光譜探測器的制作。對上述步驟所制成的多個材料芯片進行劃片，將劃片后的材料芯片與處理電路連接并進行封裝，即完成了多個集成式熱釋電紅外探測器的制作。1、利用劃片機沿每個材料芯片的交界處下刀完成劃片，從整片20mm×20mm的硅片上得到同樣的多片材料芯片，并完成某一個材料芯片壓焊塊與芯片連接線的其中一端之間的焊接。2、將芯片與信號處理電路板粘接在一起，并完成芯片連接線的另一端與及信號處理電路板引線的焊接，得到材料芯片組件。3、將材料芯片組件、帶其中光譜窗口及底座的外殼封裝即完成了多個本方法所示的一種集成式熱釋電紅外探測器的制作。其中光譜窗口為窄帶帶通濾光片，其中心波長即為待測氣體的紅外光譜的吸收波長。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。當前第1頁1 2 3