[发明专利]一种金属掺杂非晶碳薄膜材料、其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种金属掺杂非晶碳薄膜材料，在非晶碳结构中掺杂质量百分比为7％～15％的金属元素钛、铬、钨形成，并且金属元素固溶于非晶碳结构和/或者金属元素以金属碳化物纳米晶镶嵌于非晶碳结构。该薄膜材料具有较高的电阻温度系数与较低的电阻率，同时具有良好的红外吸收率，可作为红外热敏材料和/或红外吸收材料，在非制冷型微测辐射热计红外焦平面探测器中具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于红外热敏材料以及红外吸收材料技术领域，尤其涉及一种具有红外热敏性以及红外吸收性的金属掺杂非晶碳薄膜材料、其制备方法与应用。

背景技术

红外焦平面探测器用于探测、识别和分析物体红外信息，在军事、工业、交通、安防监控、气相、医学等各行业具有广泛的应用。红外焦平面探测器可分为制冷型红外焦平面探测器和非制冷红外焦平面探测器，其中非制冷红外焦平面探测器无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有体积小、质量轻、功耗小、寿命长、成本低、启动快等优点。

非制冷红外焦平面探测器以微机电技术(MEMS)制备的热传感器为基础，大致可分为热电堆/热电偶、热释电、光机械、微测辐射热计等几种类型，其中微测辐射热计的技术发展较快。非制冷微测辐射热计红外焦平面探测器可分成微测辐射热计、读出电路、真空封装三大技术模块，其中微测辐射热计是整个系统的关键。

微测辐射热计的基本工作原理是通过红外光学系统将目标物体的热辐射聚焦到探测器焦平面阵列上，各个微桥的红外吸收层吸收红外能量后温度发生变化，不同微桥接收到不同能量的热辐射，其自身的温度变化不同，从而引起各微桥的红外热敏层电阻值发生相应变化。这种变化经由探测器内部的读出电路转换成电信号输出，经过探测器外部的信号采集和数据处理电路最终得到反映目标物体的温度分布情况的可视化电子图像。因此，对于非制冷型微测辐射热计，其最重要的组成部分为红外热敏层，即红外热敏感薄膜层，该薄膜层能够吸收目标物体发射出的红外辐射能量，使自身温度升高，从而引起电阻变化，并通过读出电路检测出电阻的变化值。

红外热敏材料需要具备高的电阻温度系数(TCR)，目前采用较多的红外热敏材料有氧化钒(VOx)、非晶硅(a-Si)等。氧化钒的TCR值高达-2％/K～-3％/K，使它成为红外热敏材料的首选，但是由于钒存在很多价态，制成的VOx经暴露或置于光照下时矾的价态会改变而失去探测作用。非晶硅的温度稳定性优于VOx，TCR值与氧化钒大致相同，但是由于其常温电阻率较高，导致了较高的1/f噪声，降低了器件的探测灵敏度。另外，目前为了提高红外吸收效果，通常还需要在氧化钒或非晶硅表面再生长一层红外吸收材料，容易导致不同薄膜之间制备方法及工艺的不兼容。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在提供一种新型的红外热敏材料，具有较高的电阻温度系数与较低的电阻率，可用于非制冷型微测辐射热计红外焦平面探测器中，有利于降低噪声，提高探测灵敏度。

为了实现上述技术目的，本发明人经过大量实验探索后发现一种金属掺杂非晶碳薄膜材料，不仅具有较高的电阻温度系数与较低的电阻率，而且具有良好的红外吸收率，其薄膜电阻温度系数高达1.5％/K～3.5％/K，并且电阻率为2～4×10^-3Ω·cm，同时，该薄膜厚度为纳米级时对2.5um～25um波长范围内的红外光的吸收率高达35％～65％，尤其是当厚度小于或者等于100纳米时对2.5um～25um波长范围内的红外光的吸收率高达35％～65％，因此可以作为红外热敏材料，也可作为红外吸收材料，在非制冷型微测辐射热计红外焦平面探测器中该薄膜材料可以兼作红外热敏层与红外吸收层，从而不仅可以简化非制冷型微测辐射热计红外焦平面探测器结构，而且可以简化制备工艺，并且可以避免红外热敏层与红外吸收层制备工艺间的不匹配性。另外，本发明的金属掺杂非晶碳薄膜材料具有良好的化学惰性，还可以增强非制冷型微测辐射热计红外焦平面探测器的测试稳定性。

本发明所述的金属掺杂非晶碳薄膜材料是在非晶碳结构中掺杂金属元素形成；所述非晶碳由石墨相sp2和金刚石相sp3组成；

所述金属元素包括钛、铬、钨中的一种或者几种；