专利名称：红外探测或涉及红外探测的改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用红外探测对材料进行分析的系统和方法。特别但不是专门地，涉及用于这种系统和方法的红外探测器的设计和制造。
用于红外波长的多种光谱仪均属于两类中的一种1)色散或2)傅立叶变换。在色散光谱仪中，光学元件使不同波长的光沿稍微不同的角度被折射。从而，通过测量每个角度处的光量，可以得到光谱。在傅立叶变换光谱仪中，随时间改变光程差的干涉仪导致不同波长的光强以微小差异的频率发生震荡。通过将这些震荡作为时间的函数记录下来，并且在数学上对该数据进行傅立叶变换，得到光谱。
通常，用于对材料进行红外光谱分析的仪器利用傅立叶变换技术(也称为FTIR)，还可以采用单探测器元件。这些仪器的性能相当好，不过通常它们体积庞大，不便于携带。另一个缺点为样品被收集并送到仪器中进行分析，而不是在原地对样品进行分析。这些仪器的另一个缺点在于它们极其昂贵。
这种仪器的一个例子是由Mettler Toledo和ASI Applied Systems制造的。它包括一个通过光导与小探针连接的装有FTIR仪器的工作台，小探针可以插入液态样品中。不过，该仪器的价格在70千英镑的价位上。
US专利No.5,828,066(R G.Messerschmidt)中披露了一种具有多个红外源的红外光谱仪。为了得到光谱，该光谱仪具有一反射镜的复杂配置，一具有可变形反射镜元件的空间光调制器，和一使反射镜元件发生变形的控制器。这种元件配置非常复杂，并且包含多个移动部分。
US专利No.5,021,662(Texas Instruments)中描述了一种用于实时在线地检测材料的方法和装置。该系统包括一红外源，一衍射光栅，和至少六个反射镜的一组反射镜，用于在装置内反射和聚焦红外辐射。
本发明的一个目的在于提供对红外探测器或涉及红外探测器的改进，特别是在利用红外辐射分析材料的系统中使用这种探测器。本发明的另一个目的在于提供一种系统，其具有比现有系统更加简单的光学装置，从而可以更加廉价地制造。本发明的又一个目的在于提供一种便携系统，可能对材料进行就地分析。
根据本发明第二实施例，提供一种如权利要求12到20所述的热探测器的制造方法。
根据本发明第三实施例，提供一种如权利要求21到37所述的用于分析材料的系统。
根据本发明第四实施例，提供一种如权利要求38到39所述的分析材料的方法。
图1表示用于分析材料的第一模块化系统的示意图；图2表示一探针的横截面工程图；图3表示一种衰减全反射元件的横截面工程图；图4表示该探针端盖的几个视图的工程图；图5表示该探针主体的若干工程图；
图6表示一透镜座和一透镜隔片的几个工程图；图7表示插入液态样品中的探针的横截面示意图；图8表示一光谱仪的横截面示意图；图9表示用于分析材料的第二模块化系统的横截面示意图；图10表示用于分析材料的另一模块化系统的横截面示意图；图11表示用于分析材料的系统；图12a和12b表示第一和第二热电探测器阵列的横截面示意图；图13a到13e表示根据第一种制造方法，在第一热电探测器阵列一部分制造过程中各阶段的横截面示意图；图13f表示图13a到13e所示第一热电探测器阵列一部分的示意平面图；图14a到14e表示根据第一种制造方法，在第一热电探测器阵列另一部分的制造过程中各阶段的横截面示意图；图15a表示根据第一种制造方法，在第一热电探测器阵列的制造过程中一个阶段的横截面示意图；图15b表示根据第一种制造方法，第一热电探测器阵列的横截面示意图；图16a到16d表示根据第二种制造方法，在第一热电探测器阵列的制造过程中各阶段的横截面示意图；图17表示以共聚合物厚度为函数的热电共聚合物吸收的曲线；图18示意性地表示与该系统相关的电路。
最佳实施例的详细说明参考图1，图1表示用于分析液体的模块化系统(10)的第一实施例的示意图。系统(10)包括一与细长探针(24)相连的矩形外壳(42)，并包括下述部分一光谱仪(12)，一红外探测器(14)，第一和第二光纤束(16)和(18)，第一和第二会聚透镜(20)和(22)，准直透镜(26)，红外源(28)，衰减全反射(ATR)元件(44)和斩波器(54)。探针(24)与典型pH-探测器具有相同的直径，即12mm(或1/2英寸)宽。通常可以将探针制成360mm长，使之适合于现有加工机械。现在将描述系统(10)的操作。
光源(28)发射红外辐射，并被导引向第一会聚透镜(20)。通过设置在第一会聚透镜(20)与第一光纤束(16)之间的斩波器(54)使红外光(50)以例如5到50Hz的频率脉冲发射。在这个实施例中，斩波器(54)是一种谐振光学调制器(即一种调协音叉斩波器)，具有交叉叶片，周期性地允许红外辐射通过，例如由Electro-Optical Products Corp制造的斩波器。适用于斩波器(54)的红外源(28)是一种有效的低功率源，如SCITEC仪器有限公司制造的LC-IR-12。或者，红外源(28)可以被电调制(即开和关)，在这种情况下不需要斩波器，合适的红外源(28)为Ion Optics公司制造的ReflectIRTM和PulsIRTM。
第一会聚透镜(20)用于收集来自红外源(28)的光，将红外光束(50)聚焦在第一光纤束(16)的一端。辐射光束(50)沿着第一光纤束(16)经由准直透镜(26)到达ATR元件(44)。准直透镜(26)将从第一光纤束(16)出来的锥形光束形成为平行辐射束(50)。然后，平行辐射光束(50)进入设置在探针(24)端部的ATR元件(44)。
探针(24)由细长的圆形横截面的中空管构成，在远端具有ATR元件(44)。图2表示该探针部分的横截面工程图。ATR元件(44)通常是圆锥形的，通过位于探针端部的探针端盖(102)被保持在适当的位置。ATR元件(44)由对感兴趣的波长透明的任何材料制成，如硒锌矿(在0.6到21微米范围内是透明的)，硫化锌或锗。为了避免红外辐射在元件(44)表面上的反射所造成的损失，元件(44)底部被镀上一种减反射涂层。图3表示ATR元件(44)的剖面图。
探针端盖(102)是管状的(与探针主体的直径相似)，并且在其远端呈扩展放射状向内形成一个凸出部分(104)。因而ATR元件(44)的顶点从探针(24)的端部伸出，从而能够被设置在与被分析材料相接触的位置。图4和5分别表示探针端盖(102)和探针主体(58)的横截面图。
图2中所示的透镜(26)和(22)为平凸透镜，且分别设置在光纤束(16)和(18)的端部，邻近圆锥形ATR元件(44)的底面。光纤束(16)和(18)没有延伸至探针的整个长度，从而在光纤束(16)和(18)的端部与透镜(26)和(22)之间分别有一个间隙(或空间)。通过将光纤端部的一小段放入套管(106a，b)内可以将光纤束(16)和(18)牢固地固定在探针的远端。通过透镜座(lens block)材料(108)部分和中心透镜隔片(110)将透镜(26)和(22)进行可靠地固定。透镜座材料(108)被设置a)在探针端盖(102)的内表面与套管(106a，b)之间，b)在套管之间，构成中心透镜座部分。中心透镜隔片(110)从ATR元件(44)的底面扩展到中心透镜座部分。图6表示中心透镜隔片(110)和透镜座部分的横截面工程视图。
ATR元件(44)是圆锥形的，使得1)在ATR内部红外光束(50)被两次反射，2)从ATR元件(44)出射的红外光束(52)沿平行于入射红外光(50)的路径。图7对此示意表示。当分析一种液态样品(30)时，探针(24)被插入液体中，使得辐射光束被反射的ATR的区域A和B完全浸入液体中。入射红外光束(50)被将被分析的液态样品(30)反射。液体(30)吸收红外辐射(50)的特定波长，导致被变更的(modified)红外辐射光束(52)从ATR元件(44)出射。然后此被变更的红外光束(52)通过第二会聚透镜(22)被聚焦在光纤连接(18)上。该红外光束经过第二光纤连接(18)沿着探针主体(58)传输，然后被扩散到成像用衍射光栅(32)上，成像用衍射光栅则包含在外壳(42)内。然后该红外光束通过成像用衍射光栅(32)被聚焦在探测器(14)上，如图8所示。
光纤束(16)和(18)均由排列成阵列的四条光纤构成。在光谱仪(12)中形成一条狭缝，能够使第二光纤束(18)从探针(24)通入光谱仪(12)中。为了使红外辐射(52)更有效地从探针主体(24)通到光谱仪(12)上，在狭缝处将光纤束(18)的分离光纤设置成一维阵列。光学连接(16，18)可以由可透过中红外辐射的任何适当材料制成，例如基于玻璃或硫属玻璃的卤化银。
用在系统(10)中的透镜(20，22，26，34，36)可以包括硒锌矿，硫化锌，金刚石，锗或其它适当材料。为了使辐射穿过透镜时损失最小，透镜镀有减反射涂层。
图9表示本发明的另一个实施例。在该实施例中，红外光(50)不是通过光纤连接(16)和(18)，而是通过干燥的空气/氮环境。通过被抛光和/或镀有高反材料的探针(24)的内表面，朝着或离开被分析材料的方向引导材料所发出的红外光束。
由于红外光束(50)不必要被会聚在光学连接的端部，所以用准直透镜(34)代替前一实施例中的会聚透镜(20)，以产生红外辐射的平行光束(50)。该平行光束(50)穿过空气/氮大气到达设置在探针(24)端部的ATR元件(44)(如同第一实施例)。被ATR元件(44)反射的红外光束(50)产生一被变更的光束(52)。该被变更的光束(52)以与第一光束(50)相反(并且平行)的方向横过探针并射出探针，且被聚焦并通过一发散透镜(36)发散到衍射光栅(32)上。规定衍射光栅(32)上每mm具有10到40个凹槽，用于将光束(52)聚焦在探测器(14)上。
图10表示一种用于分析气体的系统(10c)。系统(10c)包括一光谱仪(12)，一红外探测器(14)，探针(24)，准直透镜(34)，发散透镜(36)，后向反射器(43)和红外源(28)，以及一斩波器(54)(图中没有给出)。该系统与本发明前一所述实施例相似，不过反向反射器(43)设置在探针的端部而不是ATR元件(44)，探针主体(58)中形成有两个开口或窗口(45a，b)，从而气体可以进出探针(24)。被准直的红外光束与被分析的气体相互作用(并被气体变更)，进入设置在探针端部的反向反射器(43)，并被反向反射器反射，沿探针朝着衍射光栅(32)向回传输。然后此被变更的红外光束(52)被聚焦，并通过一发散透镜(36)被发散到衍射光栅(32)上，然后到达探测器(14)，如本发明前一实施例所述。
在本发明的实施例中，成像用衍射光栅(32)设置在光谱仪外壳(12)内部。该外壳(12)用于对准并保持输入光纤连接(18)(如果使用光纤连接的话)、探测器(14)和光栅(32)的位置。为了使杂散辐射对探测器(14)不产生寄生/错误信号，外壳(12)由基本上对红外辐射不透明的材料制成。探针(24)与系统外壳(42)刚性连接，而系统外壳通过有线连接(48)与计算机(56)或微处理器连接。图11表示完整系统(10)。
现在将描述红外探测器(14)的结构。红外辐射探测器通常是矩形的，包括形成在非常薄(1.25到2.0微米范围内)的一层热电共聚物材料(64)的下表面上的一探测器元件(电极)(62)阵列，热电共聚物材料(64)在刚性硅框架(80)(图中没有给出)上延伸，和一暴露在被探测的红外辐射的上电极(60)阵列。上电极(60)由具有高薄膜电阻的金属和合金构成，从而提供具有良好红外吸收特性的探测器(14)。每个分离的下电极(62)与相关电子电路元件相连接。图12a表示具有分离探测器元件(60，62)的一维阵列的探测器(14)的示意图。由箭头表示入射红外辐射的方向。
图12b表示电极(60)的另一种设置。在这种情况下，上电极(60)是单一的公共电极，而不是单个探测器电极的一个阵列。下电极(62)设置成一维阵列。现在将描述制造这种探测器(14)的两种方法。不过，这些方法也可以用于制造图12a的探测器(14)，即具有形成在热电共聚物材料(64)两侧的单个探测器元件阵列的探测器。
在第一种制造方法中，用两个主要步骤制造出探测器(14)1)支撑电极(60，62)的挠性电极薄膜(78)的制造；2)支撑挠性薄膜(78)的互补形状的支撑框架(80)的制造。
为了制造支撑框架(80)，在刚性材料层(84)的上表面和下表面上沉积上层氮化硅(82a)和下层氮化硅(82b)，如图13a所示。在这种情形中，使用硅片(84)。不过，可以使用能够被各向异性蚀刻的任何刚性材料(例如陶瓷或坚硬的聚合物)。在下层氮化硅的露光表面上沉积一薄层镍铬合金(86)，然后沉积一层导电性镀金层(88c)。镍铬层起到粘附层的作用，将金粘附到氮化硅上。然后在上面的氮化硅层(82a)上覆盖一保护性塑料膜(90)。在镀金层(88c)上旋转涂布一层光刻胶(92)，将掩模(94)设置在光刻胶层(92)上。掩模覆盖了系统的周围，但是将中心部分留做曝光。然后将框架系统的下表面暴露在紫外辐射下，如图13b所示。
然后去除已经曝露于紫外辐射的所不想要部分的光刻胶(92)。在框架边缘附近留下一层光刻胶(92)，以及被曝光的镀金层(88c)的中心区域。去除镀金层(88c)的被曝光部分，以及相邻的镍铬(86)和氮化硅(82b)。剩下硅片(84)下表面的露光中心部分。如图13c所示。
然后去除保护性塑料膜(90)以及下面的光刻胶(92)部分，使上面氮化硅层(82a)的整个上表面完全暴露。然后去除硅片(84)的中间部分，如图13d所示。去除上面氮化硅(82a)层的中间部分，产生矩形支撑框架(80)。图13e表示框架(80)的横截面视图，图13f表示平面视图。
从而矩形框架由夹在两个氮化硅层(82a，b)之间的刚性硅片(84)组成，下面的氮化硅层(82b)与镍铬层(86)相接触，镍铬层(86)的下表面与导电镀金层(88c)相接触。
为了制造电极薄膜(78)，执行下面的步骤。首先，在标准级硅片(84)(或任何其它适合的刚性材料)的上表面上旋转涂敷一层水溶性聚合物，如PVA(96)。然后对该组件进行烘烤，在其上表面上沉积一金属层(98)，如图14a所示。金属层(98)可以包括铜或任何其它适当的金属，如镍铬合金，铝或合金。该层(98)还可以包括两种金属，如覆盖有镍铬合金的铜。在制造过程种，铜层(98)用于保护PVA层(96)不受到水的影响。
在金属层(98)上旋转涂敷一层光刻胶(92)，通过掩模(94)将该组件暴露在UV辐射下，如图14b所示。这就形成了光刻胶(92)的分离部分。然后在该组件的上表面上沉积一诸如金的导电层(88a)，从而覆盖光刻胶部分(92)和被曝光的铜(98)区域的顶部。所得到的组件如图14c所示。
如图14d所示，然后将镀金光刻胶部分(92)去除，在其中留下具有曝光铜(98)区域的图案化的金(88a)层。为了改善与下一层的粘结，使金表面(88a)粗糙不平。然后在该组件的上表面沉积一层热电共聚物(64)，然后再沉积另一个导电层(88b)，例如金。去除上层金层(88b)的中间部分，留下中间露光的热电共聚物(64)。所产生的结构如图14e所示。
为了组装探测器(14)，设置一与框架(80)上的金层(88c)相接触的保护性塑料膜(90)，并在电极组件(78)上设置框架，使得该框架的上氮化硅层(82a)与电极组件的上面金部分(88b)相接触。使用例如环氧树脂(100)将框架(80)与电极组件(78)固定起来，通过加热整个结构使环氧树脂被固化。所产生的结构如图15a所示。从电极组件(78)去除硅(84)、PVA(96)和铜(98)层。保护性塑料膜(90)也被去除，并对被曝光的共聚物区域(64)进行退火。然后将框架(80)的暴露表面和薄膜(78)的暴露的共聚物区域(64)镀以377Ohm(欧姆)/平方的镍铬合金，以形成上电极(60)，如图15b所示。在上面的镍铬合金(60)与下面的金(88a)电极之间施加电压，以使热电共聚物(64)发生极化。
概括地说，根据第一种制造方法所制造的探测器(14)包括与第一主表面上的一维阵列金电极(88a，62)相接触的一薄层热电共聚物层(64)，和一个金层(88b)〔在第二相对主表面上与框架(80)形状互补〕。金层(88b)用于将镍铬合金电极(60)与焊接区相连接。框架(80)包括支撑电极薄膜(78)的一层硅(84)，夹在第一(82a)和第二(82b)氮化硅层之间。框架(80)的第一氮化硅层(82a)被连接到电极薄膜(78)上。另一个金层(88c)通过粘结层(86)连接到第二氮化硅层(82b)上。该另一个金层(88c)可防止红外辐射穿过框架结构(80)。
在另一种制造热电探测器阵列(14)的方法中，可以使用如下所述的“背面蚀刻“技术(一种单步技术)制造电极阵列。如前面参照图13a到13c所述制造一组件。然后将保护性塑料膜(90)附着在该结构的下表面上，使之与镀金部分(88a)相接触。然后上面的氮化硅层(82a)被镀上377Ohm(欧姆)/平方的镍铬合金(86b)，以形成上电极(60)，随后镀上一层诸如金的导电材料(88b)。所产生的结构如图16a所示。然后使用适当的技术去除上层金层(88b)的中间部分。然后在该结构的上表面上旋转涂敷一种热电共聚物(64)。在共聚物层(64)上涂敷另一个诸如金的导电层(88c)，如图16b所示。
然后用光刻确定并蚀刻该结构的上金属层(88c)。留下一图案化上表面，然后将其镀上一层保护性光刻胶(92)。对装置进行加热，去除保护性塑料膜(90)，得到如图16c所示的结构。然后去除硅片(84)被曝光的中心部分，随后去除与之相邻的氮化硅层(82a)，以及保护性光刻胶(92)。得到如图16d所示的结构。然后在金电极(88c，62)与单个镍铬合金电极(86b，60)之间施加电压，以使热电共聚物(64)发生极化。
概括来说，根据第二种方法制造的探测器(14)包括一个形成在挠性薄热电共聚物层(64)的第一主表面上的一维金电极(88c，62)阵列，和一个与共聚物层(64)的第二主表面相接触的公共镍铬电极(86b，60)。在共聚物层(64)的第二主表面中形成一个金连接层(88b)(具有与支撑层互补的形状)，用于将镍铬合金电极(86b，60)与焊接区连接在一起。挠性电极薄膜(78)由框架性层状结构(80)支撑。该层状支撑结构(80)包括一刚性硅层(84)，在硅层(84)的两个表面上均镀上一层氮化硅(82a，b)。第一氮化硅层(82a)与镍铬电极(86b，60)相接触，第二氮化硅层(82b)支撑一层导电材料(88a)，用来保护层状结构不受到入射红外辐射的照射。通过粘结层(86a)将导电层(88a)固定到第二氮化硅层(82b)上。
应该理解到有多种其它制造探测器(14)的方法，包括适合的其它材料的使用。另外在欧洲专利No.EP454398和EP345047(Central ResearchLaboratories)中描述了使用于系统(10)的热电探测器阵列。
在探测器(14)工作过程中，在电极(60，62)之间所产生的电压与热电共聚物(64)的温度改变率成正比，而温度改变率取决于共聚物所吸收的红外辐射量。通过仔细选择形成电极(60，62)的材料可以控制探测器(14)所吸收的红外辐射量。通过将前电极(60)设置成具有大约377欧姆/平方的薄膜电阻，以及将后电极(62)作为反射器，得到吸收四分之一波长的腔体。该探测器的“三明治”设计(14)，因而能在四倍热电共聚物层(64)厚度的波长下使辐射的吸收达到最优化。
为了使工作在所需5到10微米波段的探测器(14)最优化，在制造过程中必须仔细控制热电共聚物层(64)的厚度。图17表示以共聚物层(64)的厚度为函数的共聚物吸收曲线。还有其它因素影响热电层(64)的吸收，如在每个波长和分析感兴趣的波长处可得到的红外能量。
阵列探测器(14)本身没有电子线路，从而与传统设计的读出芯片相连接。不过，电子线路可以结合在探测器(14)中。读出芯片完成下述功能缓冲(bufering)探测器元件，对探测器阵列的输出再一次施加滤波、取样和多路传输(multiplexing)。然后将芯片的输出信号馈入计算机或微处理器用于分析。
图18表示该系统的电子线路图。所给出的该系统由下面三部分组成1)探测器和读出部件(Read-out package)(66)，2)芯片外部的电子线路(68)，和3)信号处理和显示部分(70)。探测器和读出部件(66)包括探测器(14)和输出芯片，通过细导线束(72)相互连接。将导线束(72)设计成具有最小可能的电容量，普遍使用较短的金导线来形成导线束(72)。
可以使用任何普遍采用的传统技术，如表面安装印刷电路板来实现芯片外部的电子线路部件(68)。因为与红外探测器(14)距离非常近，必须将芯片外部的电子线路(68)设计成使电噪声最小。电子线路部分(68)执行控制读出芯片，控制系统所需的功率，以及准备传输给系统下一阶段的信号的功能。从电子线路部分(68)的输出是一条单电缆(或导线连接)(48)，包括信号和功率线，以及到信号处理和显示部分(70)的连线。
信号处理和显示部分(70)用于处理从探测器(14)得到的信息。在该部分(70)中信号处于以波长表为函数的吸收形式。为了实现信号平均、信号存储和传输给其它信号处理应用或传输给显示器，在电缆中可以按照需要对数据进行多路传输。
已经通过若干实施例描述了本发明，应该理解可以在不偏离本发明范围的条件下对这些实施例进行变型。例如此处所描述的系统可以用于分析液态气体，流态化悬浮粉末，溶液，混合物，溶胶或凝胶。
权利要求
1.一种热探测器(14)，包括a)一基本上为平面的探测器薄膜(78)，该薄膜包括一具有第一和第二主表面的热电材料层(64)，该第一主表面带有至少一个第一电极(60)，该第二主表面带有至少一个第二电极(62)；和b)与探测器薄膜(78)的周围相接触的支撑装置(80)，用于支撑该探测器薄膜。
2.根据权利要求1所述的热探测器(14)，其中该第一电极(60)为单一的公共电极。
3.根据权利要求1所述的热探测器(14)，其中该第一电极(60)为一分离的电极阵列。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的热探测器(14)，其中该第二电极(62)为一分离的电极阵列。
5.根据权利要求3或4所述的热探测器(14)，其中该分离电极(60，62)的阵列为一维阵列。
6.根据权利要求3或4所述的热探测器(14)，其中该分离电极(60)的阵列为二维阵列。
7.根据前面任一权利要求所述的热探测器(14)，其中该热电材料(64)被设置成可探测波长在1到25微米之间的红外辐射。
8.根据前面任一权利要求所述的热探测器(14)，其中该热电材料(64)被设置成可探测波长在5到10微米之间的红外辐射。
9.根据前面任一权利要求所述的热探测器(14)，其中该支撑装置(80)包括一层大体为刚性的材料(84)和用于保护该支撑装置避免射入红外辐射(52)的导电层(88c)。
10.根据权利要求9所述的热探测器(14)，其中该大体为刚性的材料(84)层夹在第一(82a)和第二(82b)遮蔽层之间，第一遮蔽层(82a)与电极薄膜(78)相接触，第二遮蔽层(82b)与导电层(88c)相接触。
11.根据权利要求10所述的热探测器(14)，其中通过粘结层(86a)将第二遮蔽层(82b)和导电层(88c)分离，粘结层(86a)能使将导电材料(88c)更容易地粘结到第二遮蔽层上。
12.一种根据权利要求1到11中任一权利要求所述的热探测器的制造方法，该方法包括步骤a)制造一基本上为平面的探测器薄膜(78)；b)制造一大体为刚性的支撑装置(80)，用于支撑该挠性薄膜(78)；c)将该探测器薄膜(78)固定到该支撑装置(80)上；以及d)形成至少一个第一电极(60)，其至少与探测器薄膜(78)相接触。
13.根据权利要求12的热探测器(14)制造方法，其中根据下述步骤制造该支撑装置(80)a)提供一具有第一和第二主表面的大体为平面的刚性衬底(84)；b)分别在该刚性衬底的第一和第二主表面上沉积第一(82a)和第二(82b)遮蔽层；c)在第二遮蔽层(82b)上沉积一层粘结层(86)；d)在粘结层(86)上沉积一层导电材料(88c)，以形成一种层状结构(76)；以及e)去除该层状结构(76)的中心部分，以形成一支撑框架(80)。
14.根据权利要求12所述的热探测器(14)制造方法，其中通过下述步骤制造探测器薄膜(78)a)提供一具有第一和第二主表面的大体为平面的刚性衬底(84)；b)在该衬底(84)的第一主表面上沉积一层可溶材料(96)，以形成一探测器组件；c)加热该探测器组件；d)在可溶层(96)上沉积一导电层(98)；e)在导电层(98)上沉积一层光刻胶(92)；f)通过掩模(94)用紫外辐射对该探测器组件进行曝光，以得到图案化的光刻胶层(92)；g)在图案化的光刻胶层(92)和导电层(98)的曝光区域上沉积一层导电材料(88a)；h)去除涂敷的光刻胶部分(92)，留下图案化的导电层(88a)；i)在图案化的导电层(88a)上沉积一层热电材料(64)；j)在热电层(64)上沉积另一导电层(88b)；k)去除该另一导电层(88b)的中心部分。
15.一种制造热探测器(14)的方法，该方法包括以下步骤a)提供一具有第一和第二主表面的大体为平面的刚性衬底(84)；b)在该刚性衬底(84)的第一和第二主表面上分别沉积第一(82a)和第二(82b)遮蔽层；c)在第二遮蔽层(82b)上沉积一粘结层(86a)；d)在粘结层(86a)上沉积一层导电材料(88a)，得到一种层状结构；e)去除导电层(88a)、粘结层(86a)和第二遮蔽层(82b)的中心部分；f)在第一遮蔽层(82a)上沉积另一导电层(86b)，以形成至少一个电极(60)；g)在该另一导电层(86b)上形成一导电材料(88b)的框架；h)沉积一层与导电框架(88b)和该另一导电层(86b)的曝光部分相接触的热电材料(64)；i)形成至少一个与该热电层(64)相邻的电极(88c，62)；以及j)去除刚性衬底(84)和第一遮蔽层(82a)的中心部分，从而形成探测器(14)。
16.根据权利要求12到15所述的热探测器(14)制造方法，其中该另一导电层(86b)包括镍铬合金。
17.根据权利要求12到16所述的热探测器(14)制造方法，其中该刚性衬底(84)包括硅。
18.根据权利要求12到17所述的热探测器(14)制造方法，其中该遮蔽层(82a，b)包括氮化硅。
19.根据权利要求12到18所述的热探测器(14)制造方法，其中该粘结层(86)包括镍铬合金。
20.根据权利要求12到19所述的热探测器(14)制造方法，其中该导电层(88a，b，c)包括金。
21.一种用于分析材料的系统，该系统包括a)一用于产生红外辐射光束(50)的辐射装置(28)；b)用于朝向材料(30)方向引导该红外辐射光束(50)的第一辐射引导装置；c)用于使该红外辐射光束(50)与一部分材料(30)相接触的相互作用装置，从而在使用中，光束(50)被材料调制，以产生一被调制的红外辐射光束(52)；d)用于朝向成像用衍射光栅(32)引导被调制的红外辐射光束(52)的第二辐射引导装置；该成像用衍射光栅(32)a)将被调制的光束(52)分成光谱分量，并且b)将该光谱分量聚焦在红外探测器(14)上，其特征在于该红外探测器(14)如权利要求1到20任一权利要求所述。
22.根据权利要求21所述的系统，其中用于产生红外辐射光束(50)的装置还包括一设置在红外辐射源(28)与第一辐射引导装置之间的透镜(20，34)。
23.根据权利要求22所述的系统，其中该透镜(34)为准直透镜。
24.根据权利要求22所述的系统，其中该透镜(20)被用于将红外辐射光束(50)聚焦在第一辐射引导装置上。
25.根据权利要求21到24中任一权利要求所述的系统，其中该第一辐射引导装置(16)包括至少一根光纤。
26.根据权利要求21到25中任一权利要求所述的系统，其中该第二辐射引导装置包括至少一根光纤(18)。
27.根据权利要求21到26中任一权利要求所述的系统，其中该相互作用装置包括一辐射约束体(24)和一衰减全反射元件(44)。
28.根据权利要求27所述的系统，其中该相互作用装置还包括一设置在第一辐射引导装置与衰减全反射元件(44)之间的准直透镜(26)。
29.根据权利要求28所述的系统，其中该相互作用装置还包括一聚焦装置，用于将被调制的红外辐射光束(52)聚焦在第二辐射引导装置(18)上。
30.根据权利要求29所述的系统，其中该聚焦装置为透镜。
31.根据权利要求21到30中任一权利要求所述的系统(10)，还包括用于从探测装置获得和处理被调制的红外辐射光束(52)的光谱分量的电子线路。
32.根据权利要求21所述的系统，其中该红外源(28)是脉冲的。
33.根据权利要求21所述的系统，其中通过一设置在红外辐射光束路径上的斩波器(54)对红外辐射光束(28)进行调制。
34.根据权利要求21所述的系统，其中该成像用衍射光栅(32)设置在第一外壳(12)中。
35.根据权利要求34所述的系统，其中该探测器(14)设置在与第一外壳(12)相邻。
36.根据权利要求34所述的系统，其中该探测器(14)设置在第一外壳(12)中。
37.根据权利要求34到36中任一权利要求所述的系统，其中该第一外壳(12)设置在第二外壳(42)内。
38.一种使用权利要求21到37中任一权利要求所述系统的分析材料的方法，该方法包括步骤产生一红外辐射光束(50)；将该红外辐射光束引导向该材料；利用红外辐射照射该材料，该红外辐射被该材料调制，从而产生一被调制的红外辐射光束(52)；将该被调制光束(52)朝着成像用衍射光栅(32)引导，从而该被调制光被分成其光谱分量，然后该谱分量被聚焦在一探测器(14)上。
39.根据权利要求38所述的方法，还包括为了识别材料对从探测器得到的信息进行处理的步骤。
40.一种用于分析材料的系统，大体上如参照附图1到11所述。
41.一种分析材料的方法，大体上如参照附图7所述。
42.一种制造热探测器的方法，大体上如参照附图13到16所述。
43.一种热探测器，大体上如参照附图12到16所述。
全文摘要
描述了一种使用红外辐射分析材料的系统和方法,以及一种用于该系统和方法的红外探测器。该系统(10)包括一矩形外壳(42),一细长探针(24)连接在该外壳上;该系统包括下面各个部分:一光谱仪(12),一红外探测器(14),第一和第二光纤束(16,18),第一和第二会聚透镜(20,22),准直透镜(26),红外源(28),衰减全反射元件(44)和斩波器(54)。该红外探测器包括形成在从刚性硅框架上伸出的热电共聚物材料层的下表面上的探测器元件阵列,以及暴露于待探测的红外辐射的上电极阵列。
文档编号G01J3/42GK1372635SQ00807289
公开日2002年10月2日 申请日期2000年4月10日 优先权日1999年4月9日
发明者斯蒂芬·埃蒂耶内, 艾恩·维夫 申请人:光谱探测器有限公司