一种柔性热释电探测器及其制作方法

1.本发明涉及高精度探测技术，尤其涉及一种柔性热释电探测器及其制作方法。


背景技术：

2.在诸多基于光热效应的探测器中，热释电探测器响应速度快，灵敏度高，具有很好的发展前景。热释电探测器是基于材料的热释电特性而制成的，当探测器吸收电磁辐射进而导致其温度变化时，材料内部的极化强度和极化方向随之变化，从而释放原本吸附在材料表面的电荷。在材料极化的垂直方向的表面制作电极形成类似电容的结构，就可以引出电信号。与其它基于光热效应的探测器最大的不同之处在于热释电电流的大小与温度变化的速度成正比，而不是温度的绝对变化量。这一点在探测高速变化的红外光或高速移动的物体时具有特别突出的优势。
3.材料内部极化的变化非常迅速，可以达到10
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12
s，所以热释电材料具有很大的潜力制备高速探测器。但目前的热释电探测器响应速度和灵敏度还难以与光子型探测器相比。首先，要提高响应速度，就要尽量减小热释电材料的厚度，以减小其热容来增加其对温度变化的敏感性。但直接在带有下电极的衬底上制备高性能的热释电薄膜具有很高的成本和技术难度。其次，要提高灵敏度，就要使敏感单元与衬底及环境之间的热交换尽可能的低，即需要衬底具有较好的热绝缘性，这样相同的入射光带来的敏感单元的温度变化就会更加显著。然而，更好的热绝缘带来更高灵敏度的同时会使器件的响应速度变慢，这就需要根据实际应用的需要调整衬底的热绝缘性能。为了满足不同的热绝缘需求而在各种衬底上直接制备高质量的热释电薄膜更是非常困难的。
4.热释电材料主要有单晶、陶瓷和聚合物组成。聚合物材料可弯曲和可拉伸的性能可以适应多种表面，被广泛应用于人体生物医疗领域。但和单晶或陶瓷相比热释电聚合物材料的热释电性能差的多，且熔点及居里温度较低。目前基于陶瓷和单晶材料的热释电红外探测器都是基于刚性衬底上制备的，由于工艺温度等限制难以在柔性衬底上直接制备陶瓷或单晶热释电薄膜。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种柔性热释电探测器及其制作方法，以解决上述现有技术存在的问题。
6.本发明所述柔性热释电探测器，包括层叠设置的下电极和柔性衬底；下电极上端面设有若干敏感单元，下电极上端面设有绝缘层；所述敏感单元上端面露出绝缘层，并设有上电极。
7.所述柔性衬底的材料是聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
8.所述敏感单元是单晶材料或陶瓷材料。
9.在上电极的上表面还铺设有吸收层。
10.敏感单元下方还设有空腔凹槽，所述空腔凹槽贯通下电极并向柔性衬底延伸；空
腔凹槽面积小于敏感单元。
11.所述空腔凹槽的深度为10μm，面积为200
×
200μm2；敏感单元的面积为300
×
300μm2。
12.一种柔性热释电探测器，包括以下步骤：
13.s1、在第一硬质衬底上制作柔性衬底并剥离，在所述柔性衬底上制作下电极；
14.s2、在第二硬质衬底上制作牺牲层，在牺牲层上制作敏感薄膜；
15.s3、将敏感薄膜分割成若干个独立的敏感单元，并在每一敏感单元上制作上电极；
16.s4、腐蚀去掉牺牲层；
17.s5、利用印章将所有的敏感单元转印至下电极上方；
18.s6、制作绝缘层封闭所有裸露的下电极。
19.步骤s1中，制作柔性衬底前先对第一硬质衬底上端面进行刻蚀，制作若干凸起，柔性衬底再制作于凸起上方，柔性衬底剥离后自然形成空腔凹槽；步骤s5中，转印时将敏感单元一一对应转印至空腔凹槽上方。
20.步骤s5中，腐蚀牺牲层时保留位于每一敏感单元下方小部分材料，以维持所有敏感单元的阵列稳定性。
21.在上电极的上表面铺设吸收层。
22.本发明所述柔性热释电探测器其优点在于，敏感单元仅有几百纳米的厚度，大大减小热容，这使得探测响应速度非常快。
23.本发明所述柔性热释电探测器的制备方法，解决了难以将高性能的单晶或陶瓷制备在柔性衬底上的问题。将单晶或陶瓷材料与柔性衬底相结合，一方面保留了优良的热释电性能，另一方面利用柔性衬底可以扩大探测器的视野范围与灵活性，并有望应用在人体生物医疗等柔性传感器领域。
附图说明
24.图1是本发明所述柔性热释电探测器的结构示意图；
25.图2是图1中a
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a向剖视图。
26.图3是本发明所述制作方法的流程示意图一；
27.图4是本发明所述制作方法的流程示意图二；
28.图5是本发明所述制作方法的流程示意图三；
29.图6是本发明所述制作方法的流程示意图四；
30.图7是本发明所述制作方法的流程示意图五；
31.图8是本发明所述制作方法的流程示意图六。
32.图9是本发明所述柔性热释电探测器的仿真电流响应特性图。
33.附图标记：101
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柔性衬底、102
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空腔凹槽、103
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下电极、104
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绝缘层、105
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敏感单元、106
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上电极；301
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第一硬质衬底、302
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凸起；501
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第二硬质衬底、502
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牺牲层、503
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敏感薄膜；801
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印章。
具体实施方式
34.如图1、图2所示，本发明所述柔性热释电探测器包括依次层叠设置的绝缘层104、
下电极103以及柔性衬底101。在下电极103上方设有与其电性连接的敏感单元105，敏感单元105上端面裸露出绝缘层104。绝缘层104主要用于封闭下电极103裸露在敏感单元105外侧的部分。在敏感单元105上方设有与其电性连接的上电极106。使用的时候可以从下电极103、上电极106分别引出电信号至后级应用电路，实现高响应度的热释电探测。
35.在另一实施例中，为了减少敏感单元105与柔性衬底101之间的热传导，在每一敏感单元105下方还设有空腔凹槽102。空腔凹槽102上端开口贯穿下电极103至敏感单元105下端面，空腔凹槽102下端向柔性衬底101内部延伸。热传导减少后，可以有效提升探测灵敏度。在本发明构思的启示下，本领域技术人员将空腔凹槽102做成通槽是不需要付出创造性劳动，因此空腔凹槽102为通槽结构应当属于本发明保护范围。
36.将敏感薄膜刻蚀成为分立的小单元即可以作为红外探测器平面阵列的敏感单元，同时可以满足柔性衬底的形变要求。在柔性衬底形变的一定曲率范围内，对于每一个的敏感单元来说形变都是很小的，其所承受的应力和带来的应变不会使机能损伤或对输出信号造成大的干扰。并且，可以通过进一步减小每一个敏感单元的面积来适应更大的弯曲程度。柔性衬底所具有的凹槽结构是为了减小敏感单元与衬底之间的热传导，从而提高其灵敏度。而且这种结构便于调整，比如可以在空腔凹槽中填充隔热性能优良的材料进一步提高灵敏度，或填充导热性能优良的材料以提高其响应速度。由于每一个凹槽都是分离的而且体积很小，所以填充刚性材料也不会影响柔性衬底整体的柔性性能。
37.在另一个实施例中，在上电极106的上表面还铺设有吸收层。所述吸收层是用于增强红外吸收能力的薄膜层，材料可以是碳纳米管，石墨烯，炭黑，黑金薄膜等，其结构可以是层叠结构、超表面结构等。
38.所述柔性衬底101的材料可以是聚二甲基硅氧烷(pdms)或聚酰亚胺(pi)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)等聚合物材料之一。
39.所述敏感薄膜503及其切割而成的敏感单元105可以是单晶或陶瓷材料。单晶材料可以是钽酸锂(litao3)、铌酸锂(linbo3)、钛酸钡(batio3)、钛酸铅(pbtio3)、硫酸三甘氨酸(tgs)等铁电单晶中的一种或几种组合。
40.所述绝缘层104的材料可以是二氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)中的一种或两种组合。
41.空腔凹槽102的深度取值10μm，面积取值200
×
200μm2为优选参数。
42.上电极106和下电极103的材料可以采用cr(10nm)/pt(100nm)。
43.所述牺牲层502的厚度约2μm。
44.敏感单元的面积取值300
×
300μm2为优选参数。
45.如图3
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8所示，本发明所述柔性热释电探测器具体包括以下步骤：
46.在第一硬质衬底301上端面采用气相刻蚀的方式制作出侧表面垂直度足够高的凸起302。优选地，凸起302在第一硬质衬底301上以阵列形式分布为佳。凸起302的高度为10μm，面积200
×
200μm2。在第一硬质衬底301上涂覆聚合物材料，然后经过高温烘烤冷却后，形成如图3所示状态。若不需要设置空腔凹槽102，则可以省略凸起302的制作步骤，直接在第一硬质衬底301上涂覆聚合物材料。所述聚合物材料在本实施例中使用聚二甲基硅氧烷(pdms)溶液：先在真空脱泡搅拌机中搅拌均匀，然后旋涂至第一硬质衬底301上，85℃恒温干燥箱内干燥约30分钟，冷却定型。将柔性衬底101从第一硬质衬底301上剥离，在原本与第
一硬质衬底301接触的一面用电子束蒸镀方式制作下电极103，如图4所示。
47.使用化学气相沉积法在第二硬质衬底501上沉积约2μm厚的二氧化硅作为牺牲层502。铌酸锂(linbo3)通过离子注入剥离制备在所述牺牲层502上，形成敏感薄膜503，如图5所示。通过电感耦合等离子体刻蚀(icp)工艺，将所述敏感薄膜503刻蚀为若干独立的敏感单元105。每一个敏感单元105的面积为300
×
300μm2，其面积略大于预先准备的空腔凹槽102。在敏感单元105上端面制备上电极106，如图6所示。
48.采用湿法腐蚀，使用49％hf水溶液:40％nh4f水溶液＝1:6的缓冲氧化物刻蚀液boe对牺牲层502进行腐蚀。为了有效保持敏感单元105的阵列形态，便于后续的转印操作，每一敏感单元105下方保留一小部分牺牲层502的材料，如图7所示。
49.利用印章801将附有上电极106的敏感单元105全部转印至下电极103上方，若柔性衬底101设有空腔凹槽102，则将敏感单元105与空腔凹槽102一一对齐，如图8所示。印章801是在转移二维材料和微纳结构时常用的印章材料，和本实施例中衬底使用的是同一种材料。为了与柔性衬底101精确对准，转移过程使用二维材料转移平台啊，借助真空吸附台及高分辨率ccd相机，以动力学控制转印方法完成转移操作。
50.最后，将下电极103没有被敏感单元105覆盖的部分使用化学气相法沉积绝缘材料以形成绝缘层104，如图2所示。所述绝缘材料可以选择sio2/si3n4，绝缘层104的作用在于引出上电极到信号处理电路时不会和下电极短路。
51.为了增强红外吸收能力，可以在上电极106的上表面铺设吸收层，铺设的步骤可以选择在上电极制成后的任一步骤中进行。为了减少对转印过程的干扰，以及避免转印时损坏吸收层，优选在完成转印后的步骤中进行吸收层铺设。当然，先铺设吸收层后转印的方式，只要在吸收层增加适当的保护措施时，本领域技术人员无需付出创造性劳动即可实现，因此该方案不应当被排除在本发明保护范围之外。
52.所述的第一硬质衬底301和第二硬质衬底501优选为硅片。
53.如图9所示，本发明所述柔性热释电探测器电流峰值约为0.4～0.5na，响应速度小于0.1s。在响应速度和灵敏度方面均表现出优异的性能，可以适应大多数红外探测器的应用场景。
54.对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。