一種基于fpc柔性襯底的熱補(bǔ)償型熱釋電紅外單元探測器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子材料與元器件技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于FPC柔性襯底的全集成熱補(bǔ)償型熱釋電紅外探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]熱釋電紅外探測器是一類重要的紅外探測器，它具有響應(yīng)速度快，探測率高，無須制冷，制作工藝簡單，使用方便等特點(diǎn)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在紅外探測技術(shù)中基板、敏感材料、絕緣結(jié)構(gòu)、讀出電路是核心，其特征決定了其所配套的儀器設(shè)備的性能和應(yīng)用領(lǐng)域。紅外探測器中常用的熱釋電材料有BaSrT13(BST)、PbSrT13(PST)以及PbZrT13 (PZT)等陶瓷材料，它們具有熱釋電性能優(yōu)良、介電損耗低、機(jī)電耦合系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用十分廣泛。但其介電常數(shù)高，濺射等制備工藝復(fù)雜，尤其是過高的制備溫度使其與硅基半導(dǎo)體集成電路工藝的兼容性很差，這就極大地限制了 PZT等陶瓷材料在焦平面紅外探測器方面的應(yīng)用。與之相對，有機(jī)聚合物如PVDF等介電常數(shù)較低，使其具有較高的探測率優(yōu)值(p/ ε )，同時(shí)其制備工藝簡單，制備溫度較低，與硅基集成電路的工藝兼容性較好，這些優(yōu)點(diǎn)都提高了它在熱釋電器件應(yīng)用上的競爭力。但是，PVDF等有機(jī)聚合物的熱釋電系數(shù)通常比陶瓷材料低一個(gè)數(shù)量級以上，使得基于有機(jī)聚合物材料研制的探測器探測率較低。因此，將制備工藝簡單、與讀出電路兼容，且熱釋電性能優(yōu)良的新型熱敏感材料應(yīng)用到紅外探測器中十分必要。
[0003]傳統(tǒng)的非制冷紅外探測器首先是在襯底上制作熱絕緣結(jié)構(gòu)，再在熱絕緣結(jié)構(gòu)上制作熱敏感單元。熱敏感單元受到紅外輻射時(shí)，其溫度會升高并導(dǎo)致電學(xué)性能的變化；這種電學(xué)性能的變化經(jīng)后續(xù)電路處理后即可實(shí)現(xiàn)對紅外輻射的探測；其中熱絕緣結(jié)構(gòu)可以提高熱敏感單元的熱絕緣性能，減少熱敏感單元吸收的熱量向周圍媒質(zhì)流失，使熱敏感材料獲得盡可能大的溫升；因此熱絕緣結(jié)構(gòu)對非制冷紅外探測器的性能有十分重要的影響，它的設(shè)計(jì)和制備是獲得高性能非制冷紅外探測器的關(guān)鍵。目前，熱絕緣結(jié)構(gòu)主要有微橋結(jié)構(gòu)、熱絕緣薄膜層結(jié)構(gòu)和襯底背掏空結(jié)構(gòu)。在這些結(jié)構(gòu)中，微橋結(jié)構(gòu)雖然熱絕緣性能好，但技術(shù)難度高、工藝復(fù)雜、成本高；襯底背掏空結(jié)構(gòu)指將熱敏感單元直接制作在襯底上，將熱敏感單元背后的部分襯底掏空，減小襯底的熱容，提高熱敏感單元的溫度響應(yīng)；熱絕緣薄膜層結(jié)構(gòu)指在熱敏感單元和襯底之間制備一層熱導(dǎo)率很低的薄膜材料，減少熱敏感單元向襯底的熱傳導(dǎo)，常用的薄膜材料有多孔二氧化硅(S12)、聚酰亞胺(PI)等。在這三種結(jié)構(gòu)中，熱敏感單元都需要進(jìn)行圖形化工藝處理，使其與平面內(nèi)的環(huán)境熱隔離，減小橫向熱損失，以降低像元間的熱串?dāng)_。因此，如何以簡單的方法形成有效的絕熱結(jié)構(gòu)仍需進(jìn)一步研究。
[0004]另外，由于柔性板(FPC)與剛性PCB相比具有薄、輕、軟等特征，且隨著電子設(shè)備向輕量化、小型化、薄形化、多功能化、高性能化、可穿戴方向的發(fā)展，柔性板(FPC)被廣泛應(yīng)用于便攜電話、智能電話、數(shù)字音頻唱機(jī)、數(shù)字電視、數(shù)字?jǐn)z像等各種電子設(shè)備中，但目前在傳感器方面尚無應(yīng)用報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)提出了一種性能優(yōu)越、工藝簡單、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高的基于FPC柔性襯底的熱補(bǔ)償型熱釋電紅外單元探測器。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種基于FPC柔性襯底的熱補(bǔ)償型熱釋電紅外單元探測器，包括:器件外殼、設(shè)置在外殼上的窗口、鑲嵌在窗口上的紅外濾光片、器件底座、穿過底座設(shè)置的引腳以及連接引腳的焊盤、設(shè)置在底座上的電路板；其特征在于，所述電路板為FPC柔性電路板，該電路板上表面集成有場效應(yīng)管和雙元敏感元，所述雙元敏感元中每一個(gè)敏感元由從下往上依次設(shè)置在電路板上的下電極、復(fù)合材料層和上電極構(gòu)成，且雙元敏感元上電極相連接；所述雙元敏感元中其中一個(gè)敏感元還包括設(shè)置在上電極上的紅外吸收層、構(gòu)成熱釋電紅外敏感元，其下電極與所述場效應(yīng)管的柵極相連接；另一個(gè)則成為熱釋電補(bǔ)償敏感元，其下電極作為探測器的接地端。
[0008]本發(fā)明中，所述復(fù)合材料層為PZT/PVDF復(fù)合熱釋電材料厚膜，厚度為15?20 μ m。
[0009]所述FPC柔性電路板材料為聚酰亞胺薄膜(PI)。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)效果為:
[0011](I)該探測器采用基于FPC柔性電路板作為襯底的電路板結(jié)構(gòu)，所采用的基材為聚酰亞胺覆銅板；聚酰亞胺薄膜(PI)作為襯底其熱導(dǎo)率低于IWm 1K \遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)熱釋電探測器常用的Si襯底(149Wm 1K ')和Al2O3陶瓷襯底(20Wm 1K ')，能夠有效阻擋敏感元件所吸收的熱量沿縱向傳導(dǎo)，提高敏感元件的溫升。因此，與現(xiàn)有熱釋電探測器相比，本發(fā)明無需采用微橋結(jié)構(gòu)、熱絕緣薄膜層結(jié)構(gòu)、襯底背掏空結(jié)構(gòu)等熱絕緣結(jié)構(gòu)，有效簡化熱釋電紅外單元探測器結(jié)構(gòu)，同時(shí)能夠簡化工藝、提高成品率，且該熱釋電紅外單元探測器絕熱性能好。
[0012](2)該探測器采用基于FPC柔性襯底(PI)電路板直接形成全集成的混合電路，它可以自由彎曲、卷繞、折疊，可依照空間布局要求任意排布，并在三維空間任意移動和伸縮，從而實(shí)現(xiàn)元器件裝配和導(dǎo)線連接的一體化；FPC還具有良好的可焊性以及易于裝連、綜合成本較低等優(yōu)點(diǎn)；另外，F(xiàn)PC柔性電路板以聚酰亞胺覆銅板為主、與兼有機(jī)械保護(hù)和良好電氣絕緣性能的覆蓋膜壓制而成，具有耐熱性高、尺寸穩(wěn)定性好的特性；不僅如此，雙面、多層FPC柔性電路的表層和內(nèi)層導(dǎo)體通過金屬化實(shí)現(xiàn)內(nèi)外層電路的電連接，能夠方便的實(shí)現(xiàn)讀出電路與敏感元件的一體化集成。
[0013](3)該探測器中雙元敏感元復(fù)合材料層采用PZT/PVDF復(fù)合熱釋電材料厚膜，厚膜采用低溫制備工藝，其制作工藝與柔性電路板完全兼容，是目前唯一能夠在制備了讀出電路(ROIC)的FPC柔性電路板實(shí)現(xiàn)集成的熱釋電材料。且由于界面效應(yīng)的存在，可以使復(fù)合厚膜在熱釋電性能提高的前提下保持其介電常數(shù)和損耗較低的優(yōu)點(diǎn)，使得采用復(fù)合厚膜制作的器件具有較高的探測度優(yōu)值因子Fd和探測率D 由于該復(fù)合材料優(yōu)良的電學(xué)性能、全集成的電路連接方式，使得本發(fā)明提供熱釋電單元探測器具有高探測率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。
[0014](4)本發(fā)明通過全集成的方式充分利用外殼內(nèi)部空間，在不增大探測器體積和減小場效應(yīng)管體積的前提下，實(shí)現(xiàn)了熱補(bǔ)償型熱釋電紅外單元探測器的制備；電路板的通孔穿孔工藝可以在探測器的制作過程中完成，簡化了生產(chǎn)工藝；相比采用獨(dú)立支撐柱固定敏感元的方法，敏感元正下方的聚酰亞胺提高了絕熱的可靠性，還可采用激光刻蝕形成面內(nèi)熱隔離結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升了熱補(bǔ)償型熱釋電紅外單元探測器的性能，顯著提高了探測器的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。
[0015]綜上所述，本發(fā)明提供基于FPC柔性襯底的熱補(bǔ)償型熱釋電紅外單元探測器具有性能優(yōu)越、制作簡單、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高和應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明熱補(bǔ)償型熱釋電紅外單元探測器電路原理圖。
[0017]圖2是本發(fā)明熱補(bǔ)償型熱釋電紅外單元探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]其中，I為器件外殼、2為窗口、3為紅外濾光片、4為器件底座、5為焊盤、6為敏感元下電極、7為PFC柔性電路板、8為復(fù)合材料層、9為敏感元上電極、10為紅外吸收層。
[0019]圖3是本發(fā)明補(bǔ)償型熱釋電紅外單元探測器組裝示意圖；
[0020]其中，(a)表示FPC柔性電路板組裝到器件底座上的示意圖，(b)表示外殼組裝到底座上的器件模型圖。
[0021]圖4是軟件Altium Designer設(shè)計(jì)的FPC柔性電路板示意圖；