CN1044528C - 薄膜热敏电阻红外探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及检测技术中的一种检测装置，它由聚光锗透镜，阻挡层，类金刚石膜介质层，铬金导电层，锰镍钴三元素氧化物薄膜敏感层，内引线，陶瓷过渡电极等组成。各组成部分均采用先进的半导体工艺技术来实现，保证了较好较稳定的一致性与重复性，且提高了可靠性。由于其敏感层、介质层薄膜厚度仅为微米量级，可明显的减小时间常数，这对热敏电阻型红外探测器时间常数偏大限制了使用是个重大突破，更有利于提高探测速度，扩展了应用领域。

Description

薄膜热敏电阻红外探测器

本发明涉及检测技术中的一种检测装置。

红外探测技术，其应用极其广泛，不仅可用于空间技术中，也广泛地应用于民用领域。目前已有的原理类似的专利技术有美国的“浸没型薄片热敏电阻测辐射热计”(US.3,121,208)，和国内的“共衬底热敏电阻红外探测器”(CN92206035)，美国的测辐射热计其敏感电阻薄片是用物理方法以预定比例把材料混合搅拌后烧结成的，他的生成过程是首先将锰镍钴三元素的氧化物按一定的比例预混合后放入球磨机中研磨起到充分搅拌均匀和研细的作用。然后以厚膜工艺中常用的流涎法成型工艺形成十几微米厚的薄层，烘干后放入高温炉中烧结成具有尖晶石结构的热敏电阻，在切成所需尺寸后在薄片二侧覆盖上金层，中间留出敏感面。在金层上用变截面的白金细丝涂上金浆，在高温下烧结成牢固的接头。在经过电性能测试筛选后，把合格片子浸没在锗透镜上。浸没工艺的过程是在已镀增透层的锗透镜上用真空镀膜蒸上一层约10微米厚材料为80％硒20％砷的硒砷玻璃，把已镀上硒砷玻璃的锗透镜放入一加温炉中升温至玻璃软化，把已制成的合格片子放入一重块的凹槽内，凹槽周围用高频圈加热。当高频圈把重块及热敏薄片加热后，此时加温炉也已使硒砷玻璃软化，以重块的重量所形成的压力，把薄片压入玻璃中，压入玻璃中的深度由重块凹槽的深度决定。此方法直到目前还只能将一片敏感薄片浸没在锗透镜上，而另一片补偿片需安置在锗透镜之外；而国内浸没型薄片热敏电阻红外探测器技术与美国专利在工艺上不尽相同，在薄片制备工艺上，它是采用化学合成的方法制得含水糊状浆料，然后放入粘合剂充分搅匀后烤干，在研钵中研细过筛，滤出细粉后摊在平片上加压，压成薄片后在高温下烧结，然后镀上金层留出敏感面，在金层上以涂锡细铜丝焊接在金层上制得热敏电阻薄片，在经过电性能筛选后，把合格片浸没在锗透镜上。浸没工艺为在锗透镜上，真空蒸发上二层尺寸一样的硒砷基材料，下层与锗透镜相接的为硒砷玻璃，上层为硒砷硫铊四元素玻璃，此二者软化点不同，四元素玻璃的软化点为85℃左右。然后把已镀上二层玻璃的锗透镜放入加温炉中，操作人员借助显微镜，将热敏薄片置放在四元素玻璃上的预定位置，当炉温升到上层四元素玻璃软化时，操作人员手持一小笔，将笔毛压在薄片上，使之下陷，下陷深度无法控制，也无法测量，全凭操作人员自我感觉的手感。这种方法虽然是以人工操作，但却比美国技术随意性大，可以把敏感电阻与补偿电阻同时浸没在同一锗透镜衬底上，以获得较佳的温度补偿，这样就形成了专利(CN92206035)“共衬底型热敏电阻红外探测器。共衬底技术由于敏感电阻与补偿电阻同时浸没在锗透镜上同时受到了光照，而补偿片不应受到光照，需要掩蔽起来，其方法是在补偿片的光路上镀上一层能反射红外辐射的金或铝层。共衬底浸没技术虽在温度补偿上有优点，但由于需人工操作浸没二次，因而不可避免带来成品率比单一浸没要低的缺点。

由上述两方法制备的红外探测装置，都需用大量设备，且工序多、工艺繁琐，制得的热敏电阻敏感层厚度比较厚，尺寸控制也比较难。

本发明的目的在于提出一种主要由锗透镜、阻挡层、介质层、导电层、敏感层和过渡电极所组成的薄膜热敏电阻红外探测器，它不仅在制造中各工艺参数可调可控，大大改善了一致性和重复性，而且产品的质量稳定、可靠，从而解决了现有技术所存在的问题。

本发明所采用的技术方案在于，它主要由聚光锗透镜、阻挡层、类金刚石膜介质层、铬金导电层、薄膜热敏电阻、内引线、陶瓷或其他绝缘材料的过渡电极和一外壳所组成。薄膜热敏电阻红外探测器是一种能在室温环境中工作、不接触目标对象就能感知该目标在不同温度时辐射出来的红外辐射能量的探测器。当红外辐射投射到薄膜敏感材料上时，引起敏感材料温度升高，该材料的电阻随之变化。在由一采光敏感电阻与另一不采光补偿电阻组成的桥式电路中，敏感电阻由于光辐射照射后电阻发生变化，引起桥路不平衡而产生信号输出，从而实现对目标的辐射能量或温度的检测。由于目标辐射的能量较弱，因而输出信号也较小，如单纯通过电路放大，信号虽然增加了，但噪声也随之增大，不能改变其信噪比。因而探测微弱信号时，要获得有足够大的信噪比和较大的输出信号，只能设法增加敏感面上的接收能量。一般是采用在热敏电阻敏感面前增加一光学系统以起到聚光作用来增加敏感面接收的能量。本探测器是采用半球或超半球的能透过红外的锗透镜，以起到聚光增加能量密度的作用，经过计算，加了锗透镜后能获得十几倍的光学增益。但锗是半导体，电阻率不大，锰镍钴三元素氧化物薄膜热敏电阻的电阻值一般为10⁵-10⁶Ω量级，如把它直接镀在锗表面上会引起短路，因而在锗与薄膜热敏电阻之间必需要有一层既能透红外，又有很高的绝缘电阻的过渡层，也就是所谓的介质层。为提高光学增益，还必需考虑到锗-介质层-敏感层三者折射率的合理匹配。我们采用的类金刚石膜，其折射率为2左右。类金刚石膜是一种在物理、化学、电学、机械等方面具有优良性能的新型薄膜，它是采用真空镀膜技术沉积在锗透镜表面上的。它同锗有很好的结合强度，优良的透红外性能，良好的电气性能，是一种很适用的介质层。本发明中最关键的敏感层-薄膜热敏电阻是采用了以锰镍钴三元素合金靶在氧气气氛中溅射而生成的。薄膜热敏电阻中的锰镍钴三元素的原子比为：锰占60至80％，镍占14至5％、钴占26至15％。本探测器的敏感层几何尺寸、铬金导电层的几何尺寸及定位精度都是通过光刻工艺和镀膜技术得到保证的。

本发明的优点在于：

(1)全部工艺都采用了先进现代的真空镀膜、光刻、热压焊接等半导体工艺，工艺参数易于控制与调整。工艺上的一致性、可靠性、重复性大大高于浸没型。

(2)由于浸没型的工艺繁杂、工序多，每道工序都会引入不利的因素，最终影响产品的质量与成品率。而本发明工序少，工艺简单。

(3)浸没型的浸没工艺，由于必需选用低熔点材料，因而大大限制了对介质层材料的选择，而本发明由于没有浸没工艺，所以对介质层材料有较宽、较大的选择余地。

(4)热敏电阻型红外探测器其介质层的性能与厚度直接影响探测器的各项电参数性能，影响探测器的重复性、一致性及可靠性。在上述国内外浸没型探测器中，介质层的性能与厚度主要取决于浸没工艺。国内，该浸没工艺主要靠人工操作，介质层的厚度无法严格控制。美国的技术较之国内要好，基本上能把厚度控制到所需的范围，但操作比较复杂，而且也不易精确控制。在介质层性能方面则都存在着共同性的缺点，因介质层是某一种配比的硒砷合金，由于各元素的蒸发温度不同，从而在真空蒸发过程中不可避免要发生分馏现象，导致介质层组分的梯度变化。这现象在上述两种国内外浸没工艺中都是普遍存在的，是无法克服的。美国在79年、80年的NASA报告中对噪声变大失效探测器的故障分析，其结论就是探测器噪声变大的原因是因为介质层的分馏，在表面形成富硒层的晶化所引起的。而本发明的介质层不存在分馏现象，且厚度均匀一致，可以严格控制到所需的厚度，因此可以明显提高探测器的一致性、重复性和可靠性。

(5)焊接点的可靠生。美国的焊接方法，焊点比较可靠，但工艺繁杂。国内是采用在薄的金层上锡焊的工艺，该焊接方法存在的缺点是锡与金极易形成合金，从而产生难以克服的锡‘吃’金现象，因此焊点质量极不稳定，导致产品成品率低，质量不稳定。而本发明是采用半导体工艺中的热压焊工艺，焊点稳定可靠。

(6)本发明最明显的优点是在响应时间即时间常数上。影响时间常数的主要参数有两个：一是敏感层的厚度，即其热容的大小；另一是介质层的厚度与热导性能。对浸没型探测器而言，因为离不开浸没工艺，所以其介质层材料的选择余地有限，直到目前为止，还只有用硒砷基材料，尚无其他材料可供选用，由于在浸没工艺中(包括美国和国内)介质层要经受熔化-挤压-冷却等步骤，其最后生成的厚度比较难以控制，而且有明显的应力产生。介质层厚度直接与时间常数有关，因而要获得比较一致的时间常数较难，而本发明中的介质层厚度可以很容易控制到所需范围，均匀性、一致性非常好，从而保证了所需的时间常数的一致性和重复性，且可按要求调整。另一影响时间常数的重要因素是敏感层的自身厚度。美国和国内的敏感层厚度均为10μm左右，其时间常数为毫秒级。美国的产品可达到1ms，而国内由于工艺水平的限制，最小只能达到2ms。本发明中的薄膜厚度仅为它们的几分之一，理论上，时间常数也应该仅为它们的几分之一，明显地小于现有的浸没型探测器的时间常数，从而明显地提高了探测速度。

(7)本发明提供的薄膜热敏电阻红外探测器，其应用极其广泛，不仅在空间技术中，而且在民用领域中均可获得广泛应用，并在不断开发出新的应用。如作为红外辐射温度计可用于土壤、水面、海面等温度测量；炉内移动物体、转动物体的温度测量；高压电路接头开关发热检查；气象观测等。如用于火车热轴测量方面，由于本发明提供的探测器的时间常数小，可满足探测具有较高速度目标的要求，因而可保证高速列车的轴温探测需要。同样，由于其快速、灵敏的特点，还可作为分析仪器中的接收器，如在红外气体分析仪中作为红外接收器，在红外分光计上用作接收器等，在仪器仪表行业中可作为微型人体温度感知器、流量计等等，应用极其广泛。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的核心部分侧视图。

图3为本发明的核心部分仰视图。

现在结合上述各附图来进一步说明本发明的较佳具体实施例，如图1至图3所示，本发明主要由带增透层的聚光锗透镜1、阻挡层2、类金刚石膜介质层3、铬金导电层4、敏感层-锰镍钴三元素氧化物膜层薄膜热敏电阻5、6，内引线7，陶瓷或其他绝缘材料过渡电极8、管座9和外壳所组成，其中，所说的外壳包括有压紧螺母10、12，管壳11和垫片13，所说的阻挡层2，可以采用金或铝等高反射率的材料。为了实施本发明，首先是获得所需规格的锗透镜，并在其上镀增透层1，在锗透镜平面上的局部位置上(即布置补偿热敏电阻6处)用真空镀膜技术和光刻工艺生成阻挡层2。随后在整个锗透镜平面上用真空镀膜技术生成一层类金刚石膜3，在类金刚石膜上利用真空镀膜及光刻工艺按设计要求制成铬金导电层布线4。然后，在锗透镜光轴中心位置上及其旁侧有阻挡层的位置上，利用真空镀膜技术和光刻工艺生成二个所需尺寸的薄膜热敏电阻：一为敏感电阻5，一为补偿电阻6。在铬金导电层4的三个端点用半导体热压焊技术引出三根细金丝7，把这些细金丝分别焊在陶瓷过渡电极8上，在8上另用三根较粗导线将其直接焊到探测器管座9的管腿上，则可直接与测量电路相接。

薄膜热敏电阻红外探测器与其他类型热敏电阻红外探测器一样，在应用时都需加上偏压连成桥式电路后输入到一前置放大器把微弱信号放大。

由于热敏电阻阻值较高，要求前放有较高的输入阻抗。在不同应用中，对经过前置放大器放大了的信号作不同的处理后，就可获得与量测对象特征相对应的数据，如用在非接触测温上，以火车热轴测量为例，火车特别是货运列车在长途运行后，由于种种原因，列车车厢的某一根车轴温度会升高达到或超过许可值，如不立刻采取紧急措施把此节车厢甩开，而让之继续跟整趟列车运行，那此根发热车轴很可能发生“切轴”(即断轴)造成铁路中断的重大事故，因此，在所有的铁路线上都必需在每隔几十公里处就设置一对车轴轴温监测点。热敏电阻红外探测器就安放在铁轨两旁约1米处，其探测视场对准了车轴经过处，车轴温度所产生的辐射能量经过锗透镜的会聚透过介质层集中在热敏电阻敏感薄膜上引起电阻变化，测量桥路发生不平衡而输出与车轴温度对应的电信号，经过信号处理就可以判定被测的车轴是否已超过安全值，就可以及时报警采取必要措施。而过去，此功能主要靠工人用手触摸，现在有了热敏电阻型红外探测器后就可以实行自动监测，并联网控制。目前全国铁路正在向高速列车方向迅速发展，由于时间常数的限制浸没型薄片热敏电阻红外探测器只能应用在对车速为140公里以下列车的热轴测量，而本发明的时间常数小，可适用于对更高速度列车的热轴测量。又如在红外线分析应用中，在样品室内含有某种具有红外吸收的微量待测气体或液体。当一红外辐射源的能量透过此样品室时，红外辐射能量就会因被吸收而减弱，因此会聚在热敏电阻上的能量也减小，引起桥路不平衡而输出与待测气体或液体浓度含量有关的电信号，经过信号处理后，就可以得出该气体或液体的含量。

Claims (1)

1．一种薄膜热敏电阻红外探测器，其特征在于它包含有：聚光锗透镜、高红外反射阻挡层、类金刚石膜介质层、铬金导电层、薄膜热敏电阻、陶瓷或其它绝缘材料过渡电极、内引线和外壳；由一采光敏感电阻与另一不采光补偿电阻组成的桥式电路，敏感电阻由于光辐射照射后电阻发生变化，引起桥路不平衡而产生信号输出，所说的薄膜热敏电阻是以反应溅射技术生成的具有一定比例关系的锰镍钴三元素氧化物薄膜热敏电阻；其中，在所需规格的锗透镜上镀上增透层，在锗透镜平面上的补偿热敏电阻处用真空镀膜技术和光刻工艺制成阻挡层，它由金或铝等高反射率材料组成，随后在整个锗透镜平面上用真空镀膜技术生成一层类金刚石膜，在类金刚石薄膜介质层上利用真空镀膜技术及光刻工艺制成设计好的铬金导电层布线，然后，在锗透镜轴中心位置上及其旁侧有阻挡层的位置上，利用真空镀膜技术和光刻工艺生成二个所需尺寸具有一定比例关系的锰镍钴三元系氧化物薄膜热敏电阻，所说的薄膜热敏电阻中的锰镍钴的比例，一般是锰在60至80％，镍在14至5％，钴在26至15％，在铬金导电层的三端点用半导体热压焊接技术引出三根细金丝，即内引线，把这些细金丝分别焊在陶瓷或其它绝缘材料过渡电极上，又在过渡电极上另用三根较粗导线将它直接焊到探测器管座的管腿上。

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