[发明专利]一种多类型气体传感用多元热释电敏感元件

说明书

本发明属于红外气体传感技术领域，具体为一种多类型气体传感用多元热释电敏感元件。本发明通过设计单个红外敏感单元，将第二结构层M‑I‑M超材料结构的底层金属层同时作为第一结构层的上电极。通过对第二结构层的顶部金属图形层进行分区图形化处理，实现单一热释电材料上多敏感元集成，多红外波段的吸收，以及多气体种类的响应。本发明将热释电敏感材料与超材料完美吸波结构结合，应用于气体传感，直接实现敏感元高的红外选择性，省略现有红外气体传感器中滤光片部件，减小了器件体积，提高器件集成度，且利于批量化制作。

技术领域

本发明属于红外气体传感技术领域，涉及红外敏感元，具体为一种多类型气体传感用多元热释电敏感元件。

背景技术

在红外气体探测元件中，探测单元通常由敏感元(热释电材料)及其上下电极、红外吸收层和滤光片组成。红外光线透过滤光片，被红外吸收层吸收，使热释电材料产生温升，电信号发生变化，由上下电极引出，以此来实现红外的探测。通常的红外吸收层无法对红外光线的波长进行选择，在一个广泛波长范围内都可以使其发生响应，但在应用时却往往只需要某一个波段的红外光。因此，在制作器件的时候，会通过对红外光线做分光处理来过滤无用波段，只留下所需波段，排除干扰，所以红外探测器件具有高的选择性和抗干扰性。

如今常用的方法就是在敏感元与光源之间加入滤光片，滤光片通常为具有多层薄膜结构的高透光率晶片，其作用是在红外光到达敏感元之前对所需红外波段进行选择，这也是NDIR(非色散红外)型红外探测器件的最大特点。在实现气体探测的时候，需要利用多个敏感元，组成信号通道和参考通道，来提高信号的精确度。如若需要实现多气体探测，通道的数量则需要更多，这意味着需要更多不同的滤光片，最终结构及其制备工艺将变得更为复杂。所以，在目前的NDIR器件小型化高集成化研究过程中，滤光片由于其不可或缺性和结构的特点，大大限制了器件的发展。于是，寻找新的方式或结构来替代滤光片变得很有必要。

超材料是指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合材料或复合结构。如今有实验证明，某些特殊结构的超材料可以实现对不同波段红外光线超高的选择性和吸收性，此类结构的超材料又被称为超材料完美吸波结构(MPA)。这类超材料尺寸小，处于纳米级别，主要以图形化的薄膜形式制备在基底之上，并可通过对其某些尺寸的设计，来选择吸收波段的中心位置。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有红外气体探测敏感元器件中滤光片导致的器件小型化、高集成工艺复杂以及不利于批量化制备的问题；本发明提供了一种多类型气体传感用多元热释电敏感元件。

一种多类型气体传感用多元热释电敏感元件，包括n个红外敏感单元，n≥1。

各红外敏感单元结构相同，包括两个结构层：第一结构层，包含热释电材料以及上下电极，组成一个传统的红外敏感元；第二结构层，M-I-M超材料结构，即底层金属层，介质层，和顶部金属图形层三层薄膜，组成超材料红外完美吸波结构(MPA)。且第二结构层的底层金属层同时作为第一结构层的上电极。优化结构利用率。在热释电材料层上制备上电极层时，预留一个小区域不覆盖后续的超材料红外吸收结构，使热释电材料的上电极裸露出来，用于将电信号引出。

进一步的，所述超材料红外完美吸波结构的顶部金属图形层进行分区图形化处理，在不同区域制备不同设计尺寸的金属纳米图形结构，针对不同气体的红外吸收峰波长。将分区图形化处理后的不同区域切割开，每一个区域作为一个红外敏感单元，单元间的切割沟道用做热隔离和信号隔离，实现单一热释电材料上多敏感元集成，多红外波段的吸收，以及多气体种类的响应。

综上所述，本发明将热释电敏感材料与超材料完美吸波结构结合，应用于气体传感，针对不同气体的吸收峰位置设计不同形状尺寸的超材料；直接实现敏感元高的红外选择性，省略红外气体传感器中滤光片部件，大幅减小了器件体积，提高器件集成度。并可在一个热释电材料单元上同时制备多个针对不同气体吸收波段的红外敏感元，实现多气体探测，大大提升器件的集成度，减小器件尺寸。在红外气体探测领域具有应用前景。