[发明专利]红外吸收复合膜结构及二氧化碳热释电红外探测器

说明书

本发明涉及一种用于COsubgt;2/subgt;热释电红外探测器的红外吸收复合膜结构，从上至下依次包括：第一二氧化硅层、氮化硅层、第二二氧化硅层，氮化硅层用于红外吸收。本发明还提供了相应的COsubgt;2/subgt;热释电红外探测器。本发明的红外吸收复合膜结构，采用氧化硅‑氮化硅‑氧化硅多层介质膜作为红外吸收层，主要针对COsubgt;2/subgt;气体的高效红外吸收进行设计，厚度控制在2um以内，可得到小于5％的反射率，且吸收率最高可达99.94％，吸收效率高、制作工艺简单、工艺兼容性好、附着力好，且制作成本低廉易于量产。

技术领域

本发明涉及热释电红外探测器领域，具体涉及一种用于二氧化碳热释电红外探测器的红外吸收复合膜结构及二氧化碳热释电红外探测器。

背景技术

随着人们生活水平的提高以及工业技术的不断发展，人们对环境中的二氧化碳(CO₂)气体浓度的监测越来越重视，因为CO₂气体与人们的健康和生活质量息息相关。近年来，随着测量气体浓度技术和仪器不断涌现，CO₂气体传感器的应用领域也越来越广，如工业废气控制，排放工业废气时监测烟囱中的二氧化碳浓度，严格控制废气中二氧化碳浓度的含量，减少由于碳排放量增加带来的温室效应；温室养殖监测，对二氧化碳浓度进行检测和控制，可使农作物高质高产，为牲畜生长发育提供良好的养殖环境；室内空气检测，检测空气中有害气体的传感器，能够实时了解室内空气质量，营造良好的居住环境。

基于热释电红外吸收的CO₂气体检测，是利用热释电体中自发极化随温度变化的特性而设计的，具有快速的响应时间、良好的气体选择性和器件稳定可靠等优点。传感器灵敏度高，产生的干扰信号小，信噪比高，结构紧凑。热释电红外探测器的性能主要由响应速度和敏感性表征，要获得好的敏感性，就要求探测器在CO₂吸收波段的吸收率高(即反射率低)，响应速度快则要求吸收层的热容小，且避免干扰。

为了有效吸收热辐射，进而改善器件的响应率，需要在敏感元表面覆盖一层吸收层或者减反层。因此，热释电红外探测器的吸收层设计受到了越来越多的重视。目前常见的红外辐射吸收层材料有金黑、有机黑体、超薄金属薄膜等。这些材料分别存在器件工艺兼容性差、附着力差、吸收效率低等问题，而CO₂气体只吸收特定波长的红外光，这就要求其在CO₂吸收波段具有较高的吸收率，以上材料未能很好地满足CO₂气体探测性能。

中国专利CN105789428 B，一种复合吸收层热释电红外探测器，采用平行平面腔使得光线在周期性透镜波导中来回振荡而不溢出波导外，增加了入射光穿越吸收层的次数，从而间接提高了吸收层的吸收系数，形成了稳定的透镜波导。其红外吸收层为复合结构，由顶层至底层依次包括钛金属层、介质层、镍铬合金层、钽酸锂晶体层和反射层，其中介质层材料为氮化硅，主要是通过钛金属层和反射层多次谐振反射提高吸收效率，并未提及该介质层作为主要的红外吸收作用，介质层介于钛金属层和镍铬合金之间更多的是起到绝缘和光传递作用。该专利的热释电探测器中，复合吸收层与单一金属吸收层薄膜作热敏感层相比，具有更好的表面致密性、高的吸收系数和较小的热损失，能够获取高性能热响应，有利于制备出基于热释电晶体的高精度红外探测器。但是，主要针对特定波段的红外光进行多次谐振吸收，对于CO₂的红外吸收，未明确指出其优越性。

杨建明，吴小清，姚熹.热释电红外探测器吸收层研究[J].红外技术，2002，Vol24(4)：53-54，58，在这篇现有技术中，主要针对金黑吸收层的制备进行研究，吸收层在氮气(N₂)气氛中将纯度99.99％的金蒸发而制得，形成微细晶体颗粒组成的多孔结构。该技术随N₂气压强升高，所制备的金黑层红外反射率减小，吸收率升高，有利于探测器对红外线的响应最佳N₂气压强在100-200Pa之间。但是，该技术通过控制N₂压强至150Pa，才能得到反射率小于5％的金黑吸收层，气压过高会导致金黑层在样品表面不均匀，且金黑镀层一般附着力较差，工艺兼容性不好。