一種紅外傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種紅外傳感器，屬于先進(jìn)半導(dǎo)體材料和器件的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外傳感器是一類對紅外光具有敏感特性的傳感器件。根據(jù)器件的工作原理的不同，其一般可以分為光子探測器和熱探測器。其中前者使用窄帶隙的材料作為敏感元，而后者可以使用測輻射熱器，熱電堆及熱電元件。由于光子探測器件一般使用含有有毒物質(zhì)的材料，其廣泛應(yīng)用受到一定的限制。目前，基于量熱原理的紅外探測器受到了比較多的重視。作為熱傳感器件的紅外探測器敏感材料，其需要對紅外光具有較好的吸收并且具有較好的熱響應(yīng)行為，比如紅外吸收引起顯著的電學(xué)或者熱學(xué)特性的變化。通常用于紅外傳感器件的敏感材料有熱釋電材料(比如鈦酸鍶鋇)，阻變材料(比如氧化銀，非晶/多晶硅)，熱電材料(比如碲化物合金)等等。這些材料一般基于紅外光引起的熱效應(yīng)的原理，為了獲得最優(yōu)化的性能，器件需要工作在最優(yōu)化的溫度條件下。對于某些敏感材料，這一溫度可能遠(yuǎn)低于室溫，此時(shí)可能需要復(fù)雜的制冷元件，這也增加了器件的制造和使用成本。目前大多數(shù)研宄者均比較看好非制冷性的紅外探測器件，這些器件工作在室溫附近，不需要復(fù)雜的外圍設(shè)備，可以極大的節(jié)約制造和使用成本，也是未來的重要的發(fā)展趨勢。目前研宄比較多的有比如氧化釩，非晶硅材料等等。這兩種材料均得到了較多的研宄，并且獲得了初步的應(yīng)用。其中氧化釩具有優(yōu)異的電阻溫度相變特性，在相變點(diǎn)附近其電阻產(chǎn)生非常大的變化。這種特性適用于量熱元件的敏感材料；而非晶硅的研宄的應(yīng)用主要基于其與半導(dǎo)體工業(yè)兼容的處理工藝。
[0003]氧化石墨烯材料是石墨烯的一種改性產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)骨架仍然為比較穩(wěn)定的碳六圓環(huán)結(jié)構(gòu)，但是在其邊緣或者缺陷處“嫁接”有羥基、羧基、羰基等活性基團(tuán)。這些基團(tuán)對一些氣態(tài)分子特別是水分子具有優(yōu)良的親和性能。因此，氧化石墨烯也作為一種優(yōu)良的濕度探測敏感材料。這種敏感材料在零攝氏度以上具有極高的靈敏度，而在高濕度區(qū)域有近乎陡直的濕度敏感特性。另外氧化石墨烯濕敏器件也被發(fā)現(xiàn)具有非常靈敏的溫度響應(yīng)特性，有部分研宄者也將其作為溫度探測傳感器件使用。最近，也有研宄者發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯具有優(yōu)良的紅外吸收特性，可應(yīng)用于作為紅外元件。
[0004]甲?；量┖途埘啺芬约耙恍└缓谢撬?，羧酸，羥基等基團(tuán)的化合物由于具有及其親水的特性，水分子可以非常容易的在其表面吸附，因此這類化合物也具有優(yōu)良的濕敏特性。這些材料經(jīng)過適當(dāng)?shù)闹苽涔に嚥⑿纬梢欢ńY(jié)構(gòu)的器件后可以具有類似或者優(yōu)于石墨烯材料的濕敏特性。另外，這些有機(jī)材料由于具有豐富的紅外吸收基團(tuán)，其對紅外輻射也具有較強(qiáng)的吸收。這類物質(zhì)也可應(yīng)用于制備紅外器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是:提供一種紅外傳感器，將同時(shí)具有溫敏特性和濕敏特性的敏感材料充分暴露于一定水蒸氣濃度的環(huán)境中，當(dāng)敏感材料接收到紅外輻照后表面溫度上升，其電容隨之產(chǎn)生變化，通過這一原理來對紅外輻射進(jìn)行探測?；谶@一工作原理的傳感器件方便可靠，且受環(huán)境影響小，適用的工作溫度范圍廣，具有很好的市場利用價(jià)值。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種紅外傳感器，包括上下開口的中空腔體、密封中空腔體上表面的紅外窗口、密封中空腔體下表面的襯底結(jié)構(gòu)、和設(shè)置于中空腔體內(nèi)部的敏感材料；所述敏感材料具有濕敏特性和溫敏特性，即:固定溫度條件下，水蒸氣濃度越高，電容值越高；固定水蒸氣濃度條件下，溫度越高，電容值越低；所述中空腔體內(nèi)部充滿濃度大于躍變閾值的水蒸氣；當(dāng)水蒸氣濃度取大于躍變閾值時(shí)，由敏感材料構(gòu)成的傳感器的感溫特性曲線的變化率大于0.01pF/mK ;所述感溫特性曲線指:固定水蒸氣濃度條件下，電容值隨溫度變化的曲線；所述水蒸氣濃度指器件工作溫度下腔體內(nèi)的相對濕度。
[0007]進(jìn)一步的，所述敏感材料為氧化石墨稀材料、甲?；啾嚷圆牧?、聚酰亞胺材料。
[0008]進(jìn)一步的，所述襯底結(jié)構(gòu)底部設(shè)置熱沉或者是溫控裝置。
[0009]進(jìn)一步的，所述襯底結(jié)構(gòu)包括底部帶有空腔的襯底和設(shè)置于襯底上方的多層薄膜結(jié)構(gòu)，所述多層薄膜結(jié)構(gòu)自上而下分別為第一絕緣隔離層、平面電極、第二絕緣隔離層和襯底材料。
[0010]進(jìn)一步的，所述平面電極采用叉指電極結(jié)構(gòu)。
[0011]進(jìn)一步的，所述第一絕緣隔離層和第二絕緣隔離層的材料為二氧化硅、氮化硅、鈦酸鎖鋇、氧化鋁、氧化給、或者鈦酸鉛。
[0012]進(jìn)一步的，所述襯底材料的材料為硅、氧化硅、碳化硅、或者氧化鋁。
[0013]進(jìn)一步的，所述襯底材料底部設(shè)置有紅外吸收敏感層，所述襯底底部設(shè)置紅外窗
□ O
[0014]進(jìn)一步的，所述上下口密封的中空腔體采用具有保濕防水性能的材料，具體為聚丙烯酰胺類材料，多孔氧化鋁，多孔氧化硅，或者浸漬有特定無機(jī)鹽的多孔材料。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:將同時(shí)具有溫敏特性和濕敏特性的敏感材料充分暴露于一定水蒸氣濃度的環(huán)境中，當(dāng)敏感材料接收到紅外輻照后表面溫度上升，其電容隨之產(chǎn)生變化，通過這一原理來對紅外輻射進(jìn)行探測，方便可靠，且受環(huán)境影響小，適用的工作溫度范圍廣(現(xiàn)有的敏感器件需要復(fù)雜的制冷單元，使其工作在最優(yōu)化的溫度條件下。一般在液氮溫度以下，比如鈦酸鍶鋇材料；又比如使用氧化釩材料時(shí)其工作溫度一般只能在30-50攝氏度范圍；當(dāng)環(huán)境溫度與器件的工作溫度不同時(shí)需要對器件進(jìn)行制冷或者加熱。而采用本發(fā)明后的裝置，在沒有復(fù)雜的制冷或者加熱單元的情況下，也可實(shí)現(xiàn)其功能，且溫度可以通過控制水蒸氣濃度的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有良好的市場利用價(jià)值。
【附圖說明】
[0016]圖1:不同溫度(Tl，T2，T3)下氧化石墨烯傳感器件的感濕特性曲線；
[0017]圖2:恒定濕度時(shí)，加熱條件下氧化石墨烯傳感器件的電容變化；
[0018]圖3:基于氧化石墨稀材料的紅外探測器件。其中，1:帶有空腔的襯底；2:襯底上方的多層薄膜結(jié)構(gòu)；3:上下開口的中空腔體；4:紅外窗口 ；5:氧化石墨烯敏感材料；12:封有一定水氣的密封腔體；
[0019]圖4:圖3中“A-A’ ”區(qū)域的放大；其中，9為襯底材料膜層；8為第二絕緣隔離層，用于隔離襯底材料膜層和平面電極；7為平面電極；6為第一絕緣隔離層，用于隔離平面電極和敏感材料；
[0020]圖5:圖3中“B-B’ ”區(qū)域的放大；其中，9為襯底材料；8為第二絕緣隔離層，用于隔離襯底材料膜層和平面電極；7為平面電極；6為第一絕緣隔離層，用于隔離平面電極和敏感材料；5為氧化石墨烯敏感材料。
[0021]圖6:制備有紅外吸收敏感層的多層薄膜結(jié)構(gòu)；其中，9為襯底材料；8為第二絕緣隔離層，用于隔離襯底材料膜層和平面電極；7為平面電極；6為第一絕緣隔離層，用于隔離平面電極和敏感材料；10紅外吸收敏感層，其吸收紅外輻射后溫度升高。此種結(jié)構(gòu)可以使用“背入射”的形式進(jìn)行探測。
[0022]圖7:—種帶有熱沉或者是溫控裝置的的器件結(jié)構(gòu)。其中11為熱沉或者是溫控裝置。
[0023]圖8:一種可能的表面電極結(jié)構(gòu)；圖上只顯示出襯底材料膜層和平面電極之間的第二絕緣隔離層8和平面電極7 ；
[0024]圖9 背入射”情況下的一種可能器件結(jié)構(gòu)；其中紅外光由下部的紅外窗口入射。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0026]如圖3所示，一種紅外傳感器，包括上下開口的中空腔體3、密封中空腔體上表面的紅外窗口 4、密封中空腔體下表面的襯底結(jié)構(gòu)、和設(shè)置于中空腔體內(nèi)部的氧化石墨烯敏感材料5 ;所述敏感材料5具有濕敏特性和溫敏特性，即:固定溫度條件下，水蒸氣濃度越高，電容值越高；固定水蒸氣濃度條件下，溫度越高，電容值越低；所述中空腔體3內(nèi)部充滿濃度大于躍變閾值的水蒸氣；當(dāng)水蒸氣濃度取大于躍變閾值時(shí)，由敏感材料構(gòu)成的傳感器的感溫特性曲線的變化率大于0.01pF/mK ;所述感溫特性曲線指:固定水蒸氣濃度條件下，電容值隨溫度變化的曲線；所述水蒸氣濃度指器件工作溫度下腔體內(nèi)的相對濕度。所述敏感材料5選用為氧化石墨烯材料、甲?；量┎牧?、聚酰亞胺材料。例如敏感材料為氧化石墨烯材料時(shí)，水蒸氣濃度的選用原則是:在此水蒸氣范圍內(nèi)器件的溫度-電容響應(yīng)比較高。一般應(yīng)該在0.01pF/mK以上。
[0027]其中:如圖4、5所示，所述襯底結(jié)構(gòu)包括底部帶有空腔的襯底I和設(shè)置于襯底I