[發明專利]一種紅外傳感器

有效

• 申請號: 201510069980.5
• 申請日: 2015-02-10
• 公開（公告）號: CN104614079B
• 公開（公告）日: 2017-10-03
• 發明（設計）人: 萬能;黃見秋
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01J5/34
• 分類號: G01J5/34
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 陳琛

技術領域

本發明涉及一種紅外傳感器，屬于先進半導體材料和器件的技術領域。

背景技術

紅外傳感器是一類對紅外光具有敏感特性的傳感器件。根據器件的工作原理的不同，其一般可以分為光子探測器和熱探測器。其中前者使用窄帶隙的材料作為敏感元，而后者可以使用測輻射熱器，熱電堆及熱電元件。由于光子探測器件一般使用含有有毒物質的材料，其廣泛應用受到一定的限制。目前，基于量熱原理的紅外探測器受到了比較多的重視。作為熱傳感器件的紅外探測器敏感材料，其需要對紅外光具有較好的吸收并且具有較好的熱響應行為，比如紅外吸收引起顯著的電學或者熱學特性的變化。通常用于紅外傳感器件的敏感材料有熱釋電材料(比如鈦酸鍶鋇)，阻變材料(比如氧化釩，非晶/多晶硅)，熱電材料(比如碲化物合金)等等。這些材料一般基于紅外光引起的熱效應的原理，為了獲得最優化的性能，器件需要工作在最優化的溫度條件下。對于某些敏感材料，這一溫度可能遠低于室溫，此時可能需要復雜的制冷元件，這也增加了器件的制造和使用成本。目前大多數研究者均比較看好非制冷性的紅外探測器件，這些器件工作在室溫附近，不需要復雜的外圍設備，可以極大的節約制造和使用成本，也是未來的重要的發展趨勢。目前研究比較多的有比如氧化釩，非晶硅材料等等。這兩種材料均得到了較多的研究，并且獲得了初步的應用。其中氧化釩具有優異的電阻溫度相變特性，在相變點附近其電阻產生非常大的變化。這種特性適用于量熱元件的敏感材料；而非晶硅的研究的應用主要基于其與半導體工業兼容的處理工藝。

氧化石墨烯材料是石墨烯的一種改性產物，其結構骨架仍然為比較穩定的碳六圓環結構，但是在其邊緣或者缺陷處“嫁接”有羥基、羧基、羰基等活性基團。這些基團對一些氣態分子特別是水分子具有優良的親和性能。因此，氧化石墨烯也作為一種優良的濕度探測敏感材料。這種敏感材料在零攝氏度以上具有極高的靈敏度，而在高濕度區域有近乎陡直的濕度敏感特性。另外氧化石墨烯濕敏器件也被發現具有非常靈敏的溫度響應特性，有部分研究者也將其作為溫度探測傳感器件使用。最近，也有研究者發現氧化石墨烯具有優良的紅外吸收特性，可應用于作為紅外元件。

甲?；量┖途埘啺芬约耙恍└缓谢撬?，羧酸，羥基等基團的化合物由于具有及其親水的特性，水分子可以非常容易的在其表面吸附，因此這類化合物也具有優良的濕敏特性。這些材料經過適當的制備工藝并形成一定結構的器件后可以具有類似或者優于石墨烯材料的濕敏特性。另外，這些有機材料由于具有豐富的紅外吸收基團，其對紅外輻射也具有較強的吸收。這類物質也可應用于制備紅外器件。

發明內容

本發明的目的是：提供一種紅外傳感器，將同時具有溫敏特性和濕敏特性的敏感材料充分暴露于一定水蒸氣濃度的環境中，當敏感材料接收到紅外輻照后表面溫度上升，其電容隨之產生變化，通過這一原理來對紅外輻射進行探測。基于這一工作原理的傳感器件方便可靠，且受環境影響小，適用的工作溫度范圍廣，具有很好的市場利用價值。

本發明的技術方案是：一種紅外傳感器，包括上下開口的中空腔體、密封中空腔體上表面的紅外窗口、密封中空腔體下表面的襯底結構、和設置于中空腔體內部的敏感材料；所述敏感材料具有濕敏特性和溫敏特性，即：固定溫度條件下，水蒸氣濃度越高，電容值越高；固定水蒸氣濃度條件下，溫度越高，電容值越低；所述中空腔體內部充滿濃度大于躍變閾值的水蒸氣；當水蒸氣濃度取大于躍變閾值時，由敏感材料構成的傳感器的感溫特性曲線的變化率大于0.01pF/mK；所述感溫特性曲線指：固定水蒸氣濃度條件下，電容值隨溫度變化的曲線；所述水蒸氣濃度指器件工作溫度下腔體內的相對濕度。

進一步的，所述敏感材料為氧化石墨烯材料、甲酰基吡咯材料、聚酰亞胺材料。

進一步的，所述襯底結構底部設置熱沉或者是溫控裝置。

進一步的，所述襯底結構包括底部帶有空腔的襯底和設置于襯底上方的多層薄膜結構，所述多層薄膜結構自上而下分別為第一絕緣隔離層、平面電極、第二絕緣隔離層和襯底材料。

進一步的，所述平面電極采用叉指電極結構。

進一步的，所述第一絕緣隔離層和第二絕緣隔離層的材料為二氧化硅、氮化硅、鈦酸鍶鋇、氧化鋁、氧化鉿、或者鈦酸鉛。

進一步的，所述襯底材料的材料為硅、氧化硅、碳化硅、或者氧化鋁。

進一步的，所述襯底材料底部設置有紅外吸收敏感層，所述襯底底部設置紅外窗口。

進一步的，所述上下口密封的中空腔體采用具有保濕防水性能的材料，具體為聚丙烯酰胺類材料，多孔氧化鋁，多孔氧化硅。