一种全柔性热释电红外探测器
技术领域
本发明涉及热释电探测器结构设计领域，特别具体涉及一种全柔性热释电红外探测器。
背景技术
热释电红外探测器是利用热释电材料的自发极化强度随温度而变化的效应制成的一种热敏型红外探测器，传统的热释电红外探测器是采用刚性铁电陶瓷或铁电晶体，现有的基于铁电聚合物的柔性热释电红外探测器具有量轻、柔性、耐冲击、耐腐蚀、易加工等优点，在对器件的便携性要求较高的领域具有很好应用前景。
不过，热释电红外探测器的工作原理决定了其只能响应变化的温度信号，因此为探测静态目标，必须在探测器前方增加机械斩波器，斩波器按一定频率旋转从而将静态红外辐射调制为周期性通断的动态红外辐射。斩波器的出现使得基于热释电效应的红外探测器难以集成化，小型化，更无法柔性化，大大降低了热释电红外探测器在柔性电子、便携式设备等方面的应用前景，因此十分有必要发展一种无须机械斩波器的全柔性热释电红外探测器。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种全柔性热释电红外探测器，从而为热释电红外探测器在可穿戴便携式设备，如柔性温度传感器，柔性红外热像仪等方面的应用奠定基础。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种全柔性热释电红外探测器，包括柔性红外辐射调制机构和柔性红外热释电敏感单元，所述柔性红外热释电敏感单元包括从上至下依次设置的绝缘层、上电极层、热释电敏感薄膜和下电极层;所述绝缘层上安装所述柔性红外辐射调制机构，所述柔性红外辐射调制机构包括1个或2个支撑柱和金属薄膜，金属薄膜安装在支撑柱上形成单端或双端悬臂梁;在所述悬臂梁的金属薄膜与柔性红外热释电敏感单元的上电极通过电路开关连接有电压源，电路开关可通过开关控制电路加以控制;在悬臂梁的金属薄膜与柔性红外热释电敏感单元的上电极之间施加一定频率和幅值的电压信号，悬臂梁的金属薄膜则可按相应频率在一定范围内上下运动，从而与柔性红外热释电敏感单元的顶层绝缘层周期性地分离、接触，使入射的红外辐射产生的热流以周期性地传递到热释电敏感薄膜并引起其温度周期性变化。
进一步地，所述支撑柱可采用氧化硅、氮化硅、多晶硅无机材料，或聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷(PDMS)有机材料，或铝、镍、铬、铜、金、钛常见金属材料制备。
进一步地，所述单端悬臂梁还包括安装在绝缘层上的限位结构，用于限制悬臂梁的金属薄膜向上运动的上截点。
进一步地，悬臂梁的所述金属薄膜可采用铝、镍、铬、铜、金、钛常见易加工的金属材料制备。
进一步地，所述绝缘层可采用氧化硅、氮化硅、多晶硅无机材料，或聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷(PDMS)有机材料制备。
进一步地，所述热释电敏感薄膜可采用聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯、奇数尼龙、聚氯乙烯或聚丙烯的柔性热释电聚合物制备，或以柔性热释电聚合物为主体的掺杂体系，掺杂有钛酸锶钡、锆钛酸铅无机铁电陶瓷的掺杂体系。
进一步地，所述电路开关与开关控制电路可通过分离电路模块实现，也可通过集成电路方式实现。
进一步地，所述全柔性热释电红外探测器可根据需要自下而上部分或全部地采用柔性薄膜工艺和微加工工艺实现。
本发明还提供了一种制备上述的无需外置斩波器的全柔性红外热释电探测器的方法，包括如下步骤：
步骤1：将柔性热释电聚合物完全溶解成溶液，再将溶液均匀覆在平整基板上，然后放入恒温箱中烘烤至溶液完全挥发，柔性热释电聚合物形成敏感薄膜，然后将敏感薄膜剥离得到热释电敏感薄膜;
步骤2：在热释电敏感薄膜的上表面和下表面均通过蒸镀、溅射的方式制备相同厚度的金属电极层，形成上、下电极层;
步骤3：采用化学气相沉积法在上电极层上方制备氧化硅或氮化硅无机绝缘层;或采用旋涂、流延法制备聚酰亚胺或PDMS有机绝缘层;
步骤4：采用化学气相沉积法在上电极层或绝缘层上制备氧化硅或氮化硅无机绝缘支撑柱，或采用旋涂、流延法在上电极层或绝缘层上制备聚酰亚胺或PDMS有机绝缘支撑柱;或采用蒸镀、溅射方法在绝缘层上制备金属支撑柱;
步骤5：在绝缘层上制备一层与支撑柱高度相同牺牲层，再采用蒸镀、溅射方法制备低表面反射率悬臂梁的金属薄膜，再将牺牲层牺牲获得金属悬臂梁;
步骤6：在悬臂梁的金属薄膜与上电极层接入驱动电路两级，同时上电极层接地，柔性红外热释电敏感单元信号可从下电极引出，消除悬臂梁驱动电压源对信号的影响。
本发明具有以下有益效果：
(1)通过柔性金属薄膜悬臂梁的上下运动实现对入射红外辐射的周期调制，具体地，当悬臂梁悬空与柔性红外热释电敏感单元上表面分离，由于空气间隙的存在，红外辐射无法传递到柔性红外热释电敏感单元，从而柔性红外热释电敏感单元温度保持不变;当悬臂梁与柔性红外热释电敏感单元上表面接触时，由于悬臂梁的金属薄膜很薄，热阻极小，红外辐射引起的悬臂梁温升可以无损失地快速传递到柔性红外热释电敏感单元，从而引起柔性红外热释电敏感单元的温度上升;当悬臂梁再次分离，则柔性红外热释电敏感单元温度下降恢复至初始温度。
(2)将所述柔性红外辐射调制机构与柔性热释电红外敏感单元相结合，实现了热释电红外探测器的全柔性化和集成化，进一步结合微加工技术可实现热释电红外探测器的小型化、阵列化。
(3)基于本发明思路为热释电红外探测器在可穿戴便携式设备，如柔性温度传感器，柔性红外热像仪等方面的应用奠定基础。
附图说明
图1为本发明的单端悬臂梁的全柔性热释电红外探测器工作示意图(电路开关处于断开状态)。
图2为本发明的单端悬臂梁的全柔性热释电红外探测器工作示意图(电路开关处于连接状态)。
图3为本发明的两端悬臂梁的全柔性热释电红外探测器工作示意图(电路开关处于断开状态)。
图4为本发明的两端悬臂梁的全柔性热释电红外探测器工作示意图(电路开关处于连接状态)。
图5为本发明实施例2的加工过程示意图。
图6为本发明实施例3的加工过程示意图。
图7为本发明实施例4的加工过程示意图。
图中标记：11、热释电敏感薄膜;12、上电极层;13、下电极层;20、绝缘层;31、支撑柱;32、金属薄膜;33、限位结构;41、电压源;42、电路开关;43、开关控制电路;51、基座;52、牺牲层;53、悬臂梁牺牲层。
其中，图1到图4中的大箭头表示入射红外辐射，小箭头表示通过热传导从金属薄膜到柔性热释电敏感薄膜的热流。
具体实施方式
实施例1
如图1～4所示，本实施例提供的一种全柔性热释电红外探测器，包括柔性红外辐射调制机构和柔性红外热释电敏感单元，所述柔性红外热释电敏感单元包括从上至下依次设置的绝缘层20、上电极层12、热释电敏感薄膜11和下电极层13;所述绝缘层20上安装所述柔性红外辐射调制机构，所述柔性红外辐射调制机构包括1个或2个支撑柱31和金属薄膜32，金属薄膜32安装在支撑柱31上形成单端或双端悬臂梁;在所述悬臂梁的金属薄膜32与柔性红外热释电敏感单元的上电极通过电路开关42连接有电压源41，电路开关42可通过开关控制电路43加以控制;在悬臂梁的金属薄膜32与柔性红外热释电敏感单元的上电极层12之间施加一定频率和幅值的电压信号，悬臂梁的金属薄膜32则可按相应频率在一定范围内上下运动，从而与柔性红外热释电敏感单元的顶层绝缘层20周期性地分离、接触，使入射的红外辐射产生的热流以周期性地传递到热释电敏感薄膜11并引起其温度周期性变化。
所述支撑柱31可采用氧化硅、氮化硅、多晶硅无机材料，或聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷(PDMS)有机材料，或铝、镍、铬、铜、金、钛常见金属材料制备。
悬臂梁的所述金属薄膜32可采用铝、镍、铬、铜、金、钛常见易加工的金属材料制备。
所述绝缘层20可采用氧化硅、氮化硅、多晶硅无机材料，或聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷(PDMS)有机材料制备。
所述热释电敏感薄膜11可采用聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯、奇数尼龙、聚氯乙烯或聚丙烯的柔性热释电聚合物制备，或以柔性热释电聚合物为主体的掺杂体系，掺杂有钛酸锶钡、锆钛酸铅无机铁电陶瓷的掺杂体系。
所述电路开关42与开关控制电路43可通过分离电路模块实现，也可通过集成电路方式实现。
所述全柔性热释电红外探测器可根据需要自下而上部分或全部地采用柔性薄膜工艺和微加工工艺实现。
实施例2
如图5所示，本实施例提供的一种全柔性热释电红外探测器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：采用硅片制备的基座51上溅射1μm厚度的镍铬合金薄膜作为牺牲层52。
步骤2：将柔性热释电聚合物完全溶解成溶液，再将溶液均匀覆在基座51的牺牲层52上，然后放入恒温箱中烘烤至溶剂完全挥发，柔性热释电聚合物形成热释电敏感薄膜11。
步骤3：在热释电敏感薄膜11的上表面采用溅射的方法制备100nm的金属铝作为柔性红外热释电敏感单元上电极层12。
步骤4：在上电极层12表面采用化学气相沉积法制备200nm的氮化硅介质薄膜作为绝缘层20。
步骤5：在200nm氮化硅绝缘层20表面沉积适当张应力的1μm金属钛薄膜，结合光刻及刻蚀工艺制备悬臂梁的支撑柱31。
步骤6：采用光敏聚酰亚胺在绝缘层20上制备1μm厚度金属悬臂梁牺牲层53。
步骤7：采用溅射方法在金属悬臂梁牺牲层53沉积200～300nm的金属钛薄膜作为悬臂梁的金属薄膜32。
步骤8：采用TFN镍铬刻蚀液刻蚀基座11上方牺牲层52，将柔性红外热释电敏感单元从基座51剥离。
步骤9：在柔性热释电敏感薄膜11的下表面采用溅射的方式制备100nm的金属铝作为柔性红外热释电敏感单元下电极层13。
步骤10：采用氧等离子体释放光敏聚酰亚胺制备金属悬臂梁牺牲层53，得到最终的全柔性红外探测器。
实施例3
如图4所示，本实施例提供了一种全柔性热释电红外探测器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：采用硅片制备的基座51上溅射1μm厚度的镍铬合金薄膜作为牺牲层52。
步骤2：将柔性热释电聚合物完全溶解成溶液，再将溶液均匀覆在基座51的牺牲层52上，然后放入恒温箱中烘烤至溶剂完全挥发，柔性热释电聚合物形成热释电敏感薄膜11。
步骤3：在热释电敏感薄膜11的上表面采用溅射的方法制备100nm的金属铝作为柔性红外热释电敏感单元上电极层12。
步骤4：在上电极层12表面采用化学气相沉积法制备200nm的氮化硅介质薄膜作为绝缘层20。
步骤5：在200nm氮化硅绝缘层20表面采用化学气相沉积法1μm氧化硅，结合光刻及刻蚀工艺制备悬臂梁的支撑柱31，以及悬臂梁的限位结构33下部。
步骤6：在绝缘层20上采用光敏聚酰亚胺制备1μm厚度金属悬臂梁牺牲层52;采用溅射方法沉积200～300nm适当张应力的金属钛薄膜作为悬臂梁的金属薄膜32。
步骤7：在悬臂梁的限位结构33下部上采用化学气相沉积法1μm氧化硅，结合光刻及刻蚀工艺制备悬臂梁限位结构33中部。
步骤8：采用光敏聚酰亚胺在悬臂梁的金属薄膜32上制备1μm厚度第二牺牲层，在悬臂梁的限位结构33中部采用化学气相沉积法1μm氧化硅，结合光刻及刻蚀工艺制悬臂梁限位结构33顶部。
步骤9：采用TFN镍铬刻蚀液刻蚀基座51上方镍铬牺牲层52，将柔性红外热释电敏感单元从基座51上剥离;同时在热释电敏感薄膜11的下表面采用溅射方法制备100nm的金属铝作为柔性红外热释电敏感单元下电极层13。
步骤10：采用氧等离子体释放光敏聚酰亚胺制备金属悬臂梁牺牲层53，得到最终的全柔性红外探测器。
实施例4
如图5所示，本实施例提供了一种全柔性热释电红外探测器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：采用硅片制备的基座51上溅射1μm厚度的镍铬合金薄膜作为牺牲层52。
步骤2：将柔性热释电聚合物完全溶解成溶液，再将溶液均匀覆在基座51的牺牲层52上，然后放入恒温箱中烘烤至溶剂完全挥发，柔性热释电聚合物形成热释电敏感薄膜11。
步骤3：在热释电敏感薄膜11的上表面采用溅射的方法制备100nm的金属铝作为柔性红外热释电敏感单元的上电极层12。
步骤4：在上电极层12表面采用化学气相沉积法制备200nm的氮化硅介质薄膜作为绝缘层20。
步骤5：在200nm氮化硅绝缘层20表面沉积适当张应力的1μm金属钛薄膜，结合光刻及刻蚀工艺制备悬臂梁支撑柱31。
步骤6：采用光敏聚酰亚胺制备1μm厚度金属悬臂梁牺牲层53。
步骤7：采用溅射方法沉积200～300nm的金属钛薄膜作为悬臂梁的金属薄膜32。
步骤8：采用TFN镍铬刻蚀液刻蚀基座51上方镍铬牺牲层52，将柔性红外热释电敏感单元从基座51上剥离。
步骤9：在热释电敏感薄膜11的下表面采用溅射方法制备100nm的金属铝作为柔性红外热释电敏感单元下电极层13。
步骤10：采用氧等离子体释放光敏聚酰亚胺制备金属悬臂梁牺牲层52，得到最终的全柔性红外探测器。
实施例2～4制备的三种全柔性红外探测器结构中，实施例2单端支撑结构工艺简单，适用于器件形变较小的场合;形变较大时悬臂梁可能会远离探测器上表面而无法正常驱动，为此实施例3增加悬臂梁限位结构33，工艺步骤较多，使得探测器可工作在大的形变场合;实施例4采用双端支撑结构，工艺步骤与实施例2可完全相同，不过由于双端支撑，使得探测器同样可工作在大的形变场合。
以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。
