一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器及其制备方法与流程

本发明涉及半导体制造工艺技术领域，尤其涉及一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器及其制备方法。

背景技术：

在自然界，任何高于绝对温度(-273k)的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。热释电探测器是一种基于红外热辐射原理制成的通过检测红外线来探测人或物体的探测器，广泛地用于辐射和非接触式温度测量、红外光谱测量、激光参数测量、工业自动控制、空间技术、红外摄像中。

一方面，大部分商用热释电探测器都是采用热释电单晶或陶瓷体材料制成的，尤其是中高端探测器，则主要以单晶体为主,传统的热释电单晶材料都各具有其局限性，或热释电系数小(如钽酸锂)，或应用温度低，物理性能不稳定(硫酸三甘肽TGS)，因此探索和研究综合性能优异的热释电单晶材料是热释电探测器和红外探测技术的核心之一。

另一方面，目前国内外广泛应用的热释电探测器为电压模式，电压模式热释电探测器结构较简单。传感器主要由封装外壳、滤光片、热释电灵敏芯片、结型场效应管JFET等组成。

电压模式热释电探测器的信号电压通常包含由1/f特征所造成的超低频部分(mHz)，放大器的高通滤波截止频率部分不应太低。栅电阻(负荷电阻)的电阻至少要有10Gohm，则探测器性能表现好。避免高阻抗元件漏电的最佳防潮方法是集成内部晶体管封装。在高性能应用中，不可使用没有集成阻抗前置放大器的热释电探测器。电压模式热释电探测器的电压信号以1:1放大倍数输出，信号幅度小，容易受各种噪声，热源以及光源的干扰。电压模式下，探测器的电响应时间常数τ_E是由热释电芯片的电容值C_P和门电阻的阻值R_G计算而得。由于所采用的热释电芯片均为高介电常数材料，其电容较大，加之阻值非常高的门电阻，其电时间响应一般为1s-10s量级，响应速率慢，且受热释电芯片尺寸限制，为保证性能，不可能通过改变材料和电路参数进行改善。在典型的气体分析或者火焰探测应用中，调制频率在1Hz到10Hz之间，电压模式热释电探测器是在热时间常数和电时间常数之外工作的(信号电压有1/f的规则)，且最大的响应率是在典型的调制频率之外获得，低频干扰低至几个毫赫兹会被传递，所以探测器需要静置几十秒来稳定，稳定时间过长。采用结型场效应管的电压模式热释电探测器高温环境的稳定性表现较弱，且电压模式电路所采用的门电阻阻值非常高，热冲击和温度波动会造成温漂现象，需采用反向串联或并联热释电芯片来进行热补偿。但是由于并联补偿成倍增大了输入端的等效电容，从而又增大了探测器的响应时间，同时造成了探测器输出信号的衰减(衰减1/2)，导致探测率性能的下降(下降至70％左右)。通常在实际使用中，微小的晶体温度波动会产生fA或nA级别电流。例如温度增加10℃，高度绝缘的芯片两端的静电电压可以达到数百伏特，会对结型场效应管造成极大的静电损伤。

综上所述，电压模式由于结构上和价格上优势，虽然在前期应用中占据了一定的优势，但是在高技术要求和高应用要求的趋势下，电压模式仍存在诸多局限性，而具有快速响应，高稳定性，高响应率特性的热释电探测器必将成为新的发展趋势和重点对象。

为此，需要开发新型的更高性能的探测器。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器及其制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

依据本发明的一个方面，提供了一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器，包括内部中空的封装管壳、滤光片F、灵敏元芯片U_p和线路基板。

所述封装管壳包括上端封闭下端开口的管帽和底座，所述滤光片F镶嵌设置在所述管帽上端开设的窗口内，所述管帽的下端与所述底座固定连接，并与所述底座形成内部中空的密封结构，所述线路基板设置在所述底座上并位于所述密封结构内，所述线路基板上设有悬空支撑架，所述灵敏元芯片U_p设置在所述悬空支撑架上表面，并位于所述滤光片F的正下方；所述线路基板上设有放大反馈电路，且所述灵敏元芯片U_p通过所述悬空支撑架电连接在所述放大反馈电路的两个输入端之间，所述放大反馈电路的输出端对外输出放大的探测信号。

本发明的基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器，采用电流式电路，抗外界噪声干扰的能力强，可以实现对外界红外辐射的毫米级快速响应，开机预热和信号稳定时间缩短。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步：所述悬空支撑架包括导电柱、多个固定柱和隔热底板，所述隔热底板设置在所述线路基板上，且所述隔热底板底部向上内陷设置并与所述线路基板之间形成第一隔热腔，所述灵敏元芯片U_p通过多个所述固定柱间隔设置在所述隔热底板上方，且所述灵敏元芯片U_p与所述隔热底板之间形成第二隔热腔，所述导电柱设置在所述第二隔热腔内，且所述导电柱和固定柱高度相等，以使所述线路基板与所述灵敏元芯片U_p电连接。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述方式可以使得所述隔热底板与所述线路基板之间以及所述灵敏元芯片U_p与隔热底板分别形成第一隔热腔和第二隔热腔，进一步提高悬空高度，减小通过所述悬空支撑架和所述线路基板进行热传导，提高所吸收红外辐射能的利用率以及探测器的精度。

进一步：所述放大反馈电路包括运算放大器A、反馈电阻R_f、反馈电容C_f、钳位电阻R_a和R_b，所述运算放大器A的正电源输入端与外部电源正极V+电连接，负电源输入端接地，所述热释电感应电路连接在所述运算放大器A的同相输入端和反相输入端之间，所述反馈电阻R_f和反馈电容C_f并联在所述运算放大器A的反相输入端和输出端之间，所述钳位电阻R_a和R_b串联在外部电源正极V+与地之间，且二者的公共端与所述运算放大器A的同相输入端电连接，所述运算放大器A的输出端对外输出放大的探测信号。

上述进一步方案的有益效果是：通过所述运算放大器A可以有效避免寄生电容导致的电磁兼容性降低，结型场效应管的栅-源极夹断电压导致的永久热释电芯片电压偏移，以及电流噪声对温度的依赖性，且由于运算放大器A本身具有较大的放大倍数，后端应用的二级放大电路可在一定程度上省略或降低要求。另外通过钳位电阻R_a和R_b可以实现了电流模式探测器的单电源供电，使得电流式探测器的封装管壳规格能够与传统的电压模式探测器兼容，从而可实现在原有电路上的直接替换。

依据本发明的另一个方面，提供了一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：采用弛豫铁电单晶片制备灵敏元芯片U_p；

步骤2：将悬空支撑架固定在预先设置在底座上表面的线路基板上，再将所述灵敏元芯片U_p固定在所述悬空支撑架上表面，以使所述灵敏元芯片U_p通过所述悬空支撑架与所述线路基板电连接；

步骤3：将放大反馈电路贴装在所述线路基板表面，且所述灵敏元芯片U_p电连接在所述放大反馈电路的两个输入端之间；

步骤4：将滤光片F封装于管帽上端开设的窗口内，再将封装有所述滤光片F的所述管帽的下端与载有所述线路基板的底座进行气密性封装。

本发明的基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器的制备方法，采用电流式电路，抗外界噪声干扰的能力强，可以实现对外界红外辐射的毫秒级快速响应，开机预热和信号稳定时间缩短；采用低热导悬空支撑架，具有较高的信噪比特性，通过低噪声运算放大反馈电路保证了探测器的高响应率，适合于单电源供电和双电源供电等多种电路模式，具有低功耗、稳定性高的优点。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步：所述步骤1包括：

步骤11：将弛豫铁电单晶片在富氧气氛下进行高温退火处理，在所述弛豫铁电单晶片两面镀电极，再进行高压极化处理；

步骤12：将所述弛豫铁电单晶片正反面进行研磨与化学机械抛光，再在研磨与化学机械抛光后的所述单晶片真反面真空蒸镀金属膜层；

步骤13：制备黑化物，将所述黑化物喷涂在镀膜后的所述单晶片反面，并在所述单晶片反面形成掩膜黑化层，形成灵敏元芯片U_p。

上述进一步方案的有益效果是：采用新型化学机械研磨与抛光技术，真空蒸镀金属膜层以及超声喷涂聚合物掩膜黑化层技术的方式，达到大尺寸热释电单晶材料的有效减薄，保证金属镀膜层的牢固度，以及黑化吸收层的均匀性、高附着力和高红外吸收率，为批量化制作高性能、高均匀性新型热释电弛豫铁电单晶灵敏芯片提供了新的方向。

进一步：所述弛豫铁电单晶片为离子掺杂PIMNT固溶体单晶，其居里温度高于150℃，介电常数低于600。

进一步：所述步骤2包括：

步骤21：将悬空支撑架的下端粘接在预先印刷有线路的所述线路基板上表面的对应位置处，以使所述线路基板与所述悬空支撑架电连接；

步骤22：将所述灵敏元芯片U_p粘接在所述悬空支撑架上表面，以使所述灵敏元芯片U_p与所述悬空支撑架电连接。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述步骤，一方面可以通过所述悬空支撑架将所述灵敏元芯片U_p悬空固定在所述线路基板上方，使得所述线路基板与所述灵敏元芯片U_p之间形成隔热腔，降低了通过所述悬空支撑架与所述线路基板进行热传导；另一方面可以通过所述悬空支撑架使得所述灵敏元芯片U_p与所述线路基板电连接，便于输出响应信号。

进一步：所述悬空支撑架通过导电银胶粘接在所述线路基板上表面，所述灵敏元芯片U_p通过导电银胶和绝缘环氧胶粘接在所述悬空支撑架上表面。

上述进一步方案的有益效果是：通过导电银胶可以将所述悬空支撑架牢固的固定在所述线路基板上表面，通过所述导电银胶和绝缘环氧胶贴可以将灵敏元芯片U_p稳固的支撑在所述线路基板上，并且所述灵敏元芯片U_p与悬空支撑架之间和悬空支撑架与线路基板之间均通过导电银胶连通，便于输出响应信号。

进一步：所述步骤3中，所述放大反馈电路采用金丝球焊线焊接工艺贴装在所述线路基板表面。

上述进一步方案的有益效果是：通过采用金丝球焊线焊接工艺，可以尽可能减小焊接时接触点的面积，以降低电路中的寄生电容和杂散电容。

进一步：所述步骤4中，采用黑色环氧胶将滤光片封装在所述管帽上表面开设的窗口内，再将封装有所述滤光片的所述管帽的下端与载有所述线路基板的底座在氮气环境中通过储能焊工艺进行气密性封装。

上述进一步方案的有益效果是：采用黑色环氧胶将所述滤光片封装在所述管帽上表面开设的窗口内，可以保证气密性和粘接点的非透光性，采用储能焊工艺将管帽的下端与底座进行气密性封装，降低温度的影响，提高焊接质量，确保气密性要求。

进一步：所述线路基板由氧化铝陶瓷材料制成。

上述进一步方案的有益效果是：采用高绝缘陶瓷电路板，排除了由于电路线路板材质差所引入的寄生电容和噪声，提高电子元器件载体的电学稳定性。

附图说明

图1为本发明的一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器结构示意图；

图2为本发明的一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器的悬空支撑架结构示意图；

图3为本发明的一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器放大反馈电路示意图一；

图4为本发明的一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器放大反馈电路示意图二；

图5为本发明的一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器的制备方法流程示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、管帽，2、底座，3、线路基板，4、悬空支撑架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一、一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器。下面将结合图1对本发明的一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器进行详细地介绍。

如图1所示，一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器，包括内部中空的封装管壳、滤光片F、灵敏元芯片U_p和线路基板3。

所述封装管壳包括上端封闭下端开口的管帽1和底座2，所述滤光片F镶嵌设置在所述管帽1上端开设的窗口内，所述管帽1的下端与所述底座2固定连接，并与所述底座2形成内部中空的密封结构，所述线路基板3设置在所述底座2上并位于所述密封结构内，所述线路基板3上设有悬空支撑架4，所述灵敏元芯片U_p设置在所述悬空支撑架4上表面，并位于所述滤光片F的正下方；所述线路基板3上设有放大反馈电路，且所述灵敏元芯片U_p通过所述悬空支撑架4电连接在所述放大反馈电路的两个输入端之间，所述放大反馈电路的输出端对外输出放大的探测信号。

本发明的基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器，采用电流式电路，抗外界噪声干扰的能力强，可以实现对外界红外辐射的毫秒级快速响应，开机预热和信号稳定时间缩短。

如图2所示，本实施例中，所述悬空支撑架4包括导电柱401、多个固定柱402和隔热底板403，所述隔热底板403设置在所述线路基板3上，且所述隔热底板403底部向上内陷设置并与所述线路基板3之间形成第一隔热腔，所述灵敏元芯片U_p通过多个所述固定柱402间隔设置在所述隔热底板403上方，且所述灵敏元芯片U_p与所述隔热底板403之间形成第二隔热腔，所述导电柱401设置在所述第二隔热腔内，且所述导电柱401和固定柱402高度相等，以使所述线路基板3与所述灵敏元芯片U_p电连接。通过上述方式可以使得所述隔热底板403与所述线路基板3之间以及所述灵敏元芯片U_p与隔热底板403分别形成第一隔热腔和第二隔热腔，进一步提高悬空高度，减小通过所述悬空支撑架4和所述线路基板3进行热传导，提高所吸收红外辐射能的利用率以及探测器的精度。

如图3所示，本实施例中，所述放大反馈电路包括运算放大器A、反馈电阻R_f、反馈电容C_f、钳位电阻R_a和R_b，所述运算放大器A的正电源输入端与外部电源正极V+电连接，负电源输入端接地，所述灵敏元芯片U_p连接在所述运算放大器A的同相输入端和反相输入端之间，所述反馈电阻R_f和反馈电容C_f并联在所述运算放大器A的反相输入端和输出端之间，所述钳位电阻R_a和R_b串联在外部电源正极V+与地之间，且二者的公共端与所述运算放大器A的同相输入端电连接，所述运算放大器A的输出端对外输出放大的探测信号。通过所述运算放大器A可以有效避免寄生电容导致的电磁兼容性降低，结型场效应管的栅-源极夹断电压导致的永久热释电芯片电压偏移，以及电流噪声对温度的依赖性，且由于运算放大器A本身具有较大的放大倍数，后端应用的二级放大电路可在一定程度上省略或降低要求。另外通过钳位电阻R_a和R_b可以实现了电流模式探测器的单电源供电，使得电流式探测器的封装管壳规格能够与传统的电压模式探测器兼容，从而可实现在原有电路上的直接替换。

优选地，作为本发明的一个实施例，所述运算放大器A采用未封装的运算放大器芯片，所述反馈电阻R_f采用绝缘贴片电阻，所述反馈电容C_f采用NPO陶瓷电容；其中，所述反馈电阻R_f的温度系数小于或等于1000PPM/K，阻值范围为5-100GΩ。未封装的运算放大器芯片体积小，便于集成于所述管壳内部，采用高阻值低温漂绝缘贴片电阻，温漂非常小，误差小；采用低温漂NPO陶瓷电容，具有非常高的温度稳定特性，温漂非常小，电容容值极小，远低于热释电芯片电容，以降低探测器的响应时间，提高响应速率。

这里需要说明的是，本发明的电流式弛豫铁电单晶热释电探测器可以为多通道。具体为：所述管帽1上表面的窗口、滤光片F、放大反馈电路和灵敏元芯片U_p的数量均为两个及以上，且三者数量相等，所述滤光片F一一对应地镶嵌在所述窗口内，所述灵敏元芯片U_p设置在所述线路基板3上，并位于对应的所述滤光片F正下方。

另外，如图4中所示，多个所述放大反馈电路共用一组所述钳位电阻R_a和R_b。针对多个探测通道的热释电探测器，多个所述放大反馈电路优选共用一组所述钳位电阻R_a和R_b，这样一方面可以简化电路结构，另一方面还可以通过共用一组所述钳位电阻R_a和R_b实现多个所述电流式单元电路由一个单电源供电，降低了电路成本。

实施例二、一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器的制备方法。下面将结合图5对本发明的一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器的制备方法进行详细地介绍。

如图5所示，一种基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：采用弛豫铁电单晶片制备灵敏元芯片U_p；

步骤2：将悬空支撑架4固定在预先设置在底座2上表面的线路基板3上，再将所述灵敏元芯片U_p固定在所述悬空支撑架4上表面，以使所述灵敏元芯片U_p通过所述悬空支撑架4与所述线路基板3电连接；

步骤3：将放大反馈电路贴装在所述线路基板3表面，且所述灵敏元芯片U_p电连接在所述放大反馈电路的两个输入端之间；

步骤4：将滤光片F封装于管帽1上端开设的窗口内，再将封装有所述滤光片F的所述管帽1的下端与载有所述线路基板3的底座2进行气密性封装。

本发明的基于电流式弛豫铁电单晶热释电探测器的制备方法，采用电流式电路，抗外界噪声干扰的能力强，可以实现对外界红外辐射的毫秒级快速响应，开机预热和信号稳定时间缩短；采用低热导悬空支撑架4，具有较高的信噪比特性，通过低噪声运算放大反馈电路保证了探测器的高响应率，适合于单电源供电和双电源供电等多种电路模式，具有低功耗、稳定性高的优点。

本实施例中，所述步骤1包括：

步骤11：将弛豫铁电单晶片将弛豫铁电单晶片在富氧气氛下进行高温退火处理，在所述弛豫铁电单晶片两面镀电极，再进行高压极化处理；；

步骤12：将所述弛豫铁电单晶片正反面进行研磨与化学机械抛光，再在研磨与化学机械抛光后的所述单晶片真反面真空蒸镀金属膜层；

步骤13：制备黑化物，将所述黑化物喷涂在镀膜后的所述单晶片反面，并在所述单晶片反面形成掩膜黑化层，形成灵敏元芯片U_p。

采用新型化学机械研磨与抛光技术，真空蒸镀金属膜层以及超声喷涂聚合物掩膜黑化层技术的方式，达到大尺寸热释电单晶材料的有效减薄，保证金属镀膜层的牢固度，以及黑化吸收层的均匀性、高附着力和高红外吸收率，为批量化制作高性能、高均匀性新型热释电弛豫铁电单晶灵敏芯片提供了新的方向。

上述步骤11中，将所述弛豫铁电单晶片在氧气体积比为大于95％的富养环境中进行退后5小时以上高温退火处理，退火温度为400摄氏度以上，然后再在所述弛豫铁电单晶片的正反两面镀电极，最后将所述弛豫铁电单晶片置于140摄氏度的硅油中，加上2KV/mm直流电场高压计划15分钟。

具体地，黑化物由以下步骤制备：将水性环氧树脂与多壁碳纳米管分散液按体积比小于1：5混合均匀，并加入蒸馏水进行稀释、混合均匀，得到混合液。

优选地，所述弛豫铁电单晶片为离子掺杂PIMNT固溶体单晶，其居里温度高于150℃，介电常数低于600。

本实施例中，所述步骤2包括：

步骤21：将悬空支撑架4的下端粘接在预先印刷有线路的所述线路基板3上表面的对应位置处，以使所述线路基板3与所述悬空支撑架4电连接；

步骤22：将所述灵敏元芯片U_p粘接在所述悬空支撑架4上表面，以使所述灵敏元芯片U_p与所述悬空支撑架4电连接。

通过上述步骤，一方面可以通过所述悬空支撑架4将所述灵敏元芯片U_p悬空固定在所述线路基板3上方，使得所述线路基板3与所述灵敏元芯片U_p之间形成隔热腔，降低了通过所述悬空支撑架4与所述线路基板3进行热传导；另一方面可以通过所述悬空支撑架4使得所述灵敏元芯片U_p与所述线路基板3电连接，便于输出响应信号。

优选地，所述悬空支撑架4通过导电银胶粘接在所述线路基板3上表面，所述灵敏元芯片U_p通过导电银胶和绝缘环氧胶粘接在所述悬空支撑架4上表面。通过导电银胶可以将所述悬空支撑架4牢固的固定在所述线路基板3上表面，通过所述导电银胶和绝缘环氧胶可以将灵敏元芯片U_p稳固的支撑在所述线路基板3上，并且所述灵敏元芯片U_p与悬空支撑架4之间和悬空支撑架4与线路基板3之间均通过导电银胶连通，导电稳定性好，便于稳定输出响应信号。

优选地，所述步骤3中，所述放大反馈电路采用金丝球焊线焊接工艺贴装在所述线路基板3表面。通过采用金丝球焊线焊接工艺，可以尽可能减小焊接时接触点的面积，以降低电路中的寄生电容和杂散电容。

本实施例中，所述步骤4中，采用黑色环氧胶将滤光片封装在所述管帽1上表面开设的窗口内，再将封装有所述滤光片的所述管帽1的下端与载有所述线路基板3的底座2在氮气环境中通过储能焊工艺进行气密性封装。采用黑色环氧胶将所述滤光片封装在所述管帽1上表面开设的窗口内，可以保证气密性和粘接点的非透光性，采用储能焊工艺将管帽1的下端与底座2进行气密性封装，降低温度的影响，提高焊接质量，确保气密性要求。

优选地，所述线路基板3由氧化铝陶瓷材料制成。采用高绝缘陶瓷电路板，排除了由于电路线路板材质差所引入的寄生电容和噪声，提高电子元器件载体的电学稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。