[发明专利]一种宽光谱热释电探测器吸收膜系结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种宽光谱热释电探测器吸收膜系结构及其制备方法，属于热释电探测器红外吸收层领域，解决现有技术中多孔材料与衬底附着性差、且只能单独用作吸收层的问题。该膜系结构制备在热释电探测器敏感单元的顶层，包括三层金属薄膜，底层金属薄膜具有低孔隙率和高致密度，可与衬底保持良好的附着性，中间层金属薄膜作为过渡层，孔隙率提高、致密度降低，顶层金属薄膜为疏松层，可有效增强红外吸收率。所制备的金属吸收层可同时作为吸收层和探测器的上电极，极大简化制备工艺，节约成本，提高工艺兼容性，为高性能热释电探测器的研制提供有力支持。

技术领域

本发明涉及热释电探测器红外吸收层技术领域，具体涉及一种宽光谱热释电探测器吸收膜系结构及其制备方法。

背景技术

热释电探测器是一种红外辐射的探测器件，它利用热释电体的自发极化随温度变化的特性制备而成。与其他探测器相比，它不仅保持了热探测器在室温波段工作的优点，而且能承受大的辐射功率、在宽的温度和频率范围内有较高的探测率及具有较小的时间常数等特点。热释电探测器广泛应用于国防、工业、医学和科学研究等领域，例如入侵报警、安全监视、防火报警、工业生产监控、飞机车辆辅助驾驶、医疗诊断等诸多方面。

探测率是衡量热释电探测器性能的主要指标，增大吸收系数是提高探测器探测率的直接途径。研究发现，热释电材料自身在远红外波段具有较高的反射率。尤其在11-20μm波段反射率高达85％(V.Norkus,etc,“A256pixelpyroelectriclineararraywithnewblackcoating”,Proc.ofSPI E,vol.8012,pp.80123V,2011)。增加敏感元的厚度可以在一定程度上降低反射率，但是会影响材料热释电系数。为了有效吸收热辐射，进而改善器件的响应率，需要在敏感元表面覆盖一层吸收层或者减反层。要求红外吸收层的反射率低，与底层材料的粘附性要好。

目前常用的红外辐射吸收层材料主要包括：超薄金属薄膜、有机黑体、多孔型黑金属等。在这几种物质中，超薄金属薄膜反射率也比较低，且热导率较高，但其吸收率的理论极限值较低。黑色树脂的红外吸收率较高，但与器件工艺兼容性差，而且热阻较大，可能会阻碍热量向敏感薄膜的传播。多孔黑金反射率低，具有较高的宽谱吸收特性，但它的粘附性较弱，而且容易破碎。此外，部分文献报道了在敏感材料钽酸锂(LiTaO3)表面刻蚀出折射率渐变型的减反层(A.Finn,etc,“MicrostructuredsurfacesonLiTaO3-basedpyroelectricinfrareddetect ors”,IEEESensorsJournal,vol.11,pp.2204,2011)，基于该减反层结构，吸收率得到明显改善，但该方法对敏感材料表面形貌进行改变，一定程度上影响到器件的响应特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为：如何提供一种实现宽光谱红外吸收的膜系结构，该结构能有效增强红外辐射吸收率，为高性能热释电探测器的研制提供有力支持。

本发明的技术方案为：一种宽光谱热释电探测器吸收膜系结构，该膜系结构位于热释电探测器敏感单元的顶层，该膜系结构包括底层金属薄膜、中间层金属薄膜和顶层金属薄膜，底层金属薄膜、中间层金属薄膜、顶层金属薄膜的孔隙率依次增大。

进一步地，底层金属薄膜、中间层金属薄膜和顶层金属薄膜的材料为黑金、铋、铝、钛、镍、铬或者上述金属中的合金。

进一步地，该膜系结构在1μm～20μm波段红外吸收率优于60％。

进一步地，底层金属薄膜的孔隙率为15～20％，中间层金属薄膜的孔隙率为30～35％，顶层金属薄膜的孔隙率为45～50％。

进一步地，底层金属薄膜的厚度为8nm～12nm，中间层金属薄膜的厚度为10nm～15nm，顶层金属薄膜的厚度为10nm～15nm。

一种宽光谱热释电探测器吸收膜系结构的制备方法，包括以下步骤：