專利名稱：雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基本不受環(huán)境溫度、壓強、氣流噪聲等影響的雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器，屬于探測器領域。
背景技術：
本發(fā)明的雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器屬于探測器領域。目前，傳統(tǒng)的氣動室溫紅外探測器(如Chevrier等提出的氣動室溫探測器)采用以下結(jié)構(gòu)見圖1，當紅外射線1通過紅外窗口2照射到熱容量很小的紅外吸收層3時，紅外吸收層3會吸收紅外射線1后溫度升高，之后加熱腔室內(nèi)的氣體，氣體溫度升高后壓強升高從而推動敏感薄膜6形變，可變電容4的兩電極之間的距離相應變化，這樣通過檢測可變電容4的變化，便可知紅外射線1的強弱。通過精確計算得到的微孔5的作用是，當環(huán)境溫度、壓強發(fā)生變化時，氣體會通過微孔5流入或流出腔室，從而保證敏感薄膜6的兩邊的氣壓一樣，敏感薄膜6不會形變，從而保證探測器處在正常的工作狀態(tài)。該探測器存在著如下一些缺點(1)腔室沒有完全密封，所以不可以封存對紅外射線1有強烈吸收的特殊氣體直接利用氣體吸收紅外射線1；(2)微孔5過大會導致探測器靈敏度降低，微孔5過小時環(huán)境溫度、壓強變化快時微孔5不能補償其變化，導致器件不能正常工作；(3)由于微孔5的影響，器件對穩(wěn)恒信號沒有響應。
斯坦福大學的Kenny教授以及他在美國空間微電子技術中心JPL實驗室的同事們，設計并研制出一種非致冷的隧道氣動紅外傳感器(見圖2)，它主要包括熱容量很小的紅外吸收層3、敏感薄膜6、隧道尖端9以及閉環(huán)反饋電路8。其基本思想是利用隧道位置反饋靜電力來阻止敏感薄膜6移動，通過測量該靜電力來探測紅外射線1。反饋電路8的另一個作用是當環(huán)境溫度、壓強的變化時，控制兩極板7的靜電壓，從而控制敏感薄膜6在要求的位置。該探測器存在著如下一些缺點(1)反饋電路8是復雜的伺服系統(tǒng)，工作的可靠性和快捷性直接影響器件的正常工作；(2)反饋電路8只是保證了當環(huán)境溫度、壓強變化時器件處在正常工作狀態(tài)，沒能消除其影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術的缺點，即屏蔽環(huán)境溫度、壓強變化對探測器的影響的方法，提出一種雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器，其結(jié)構(gòu)簡單、有極好的溫度、壓強特性，可以在很寬的溫度、壓強范圍正常工作。同時也屏蔽了氣流等對器件的影響，提高了探測器的性能。
本發(fā)明的技術方案如下雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器，包括由敏感薄膜6隔開的吸收腔10和平衡腔11、覆蓋于吸收腔10上的紅外窗口2、以及檢測敏感薄膜形變的元件14和與其相接的引出電極13。對于所述的雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器，在吸收腔10底部設置紅外反射薄膜12，吸收腔10內(nèi)設置有對紅外射線1有強烈吸收的氣體，這時的響應機制是吸收腔10內(nèi)的氣體直接吸收紅外射線1，其靈敏度高、響應速度快?；蛘咴谖涨?0內(nèi)設置紅外吸收層3，吸收腔10內(nèi)為普通氣體，這時的響應機制是紅外吸收層3吸收紅外射線1，再把熱量傳給氣體。雙腔結(jié)構(gòu)要求吸收腔10與平衡腔11內(nèi)的氣體的壓強相同，而沒有壓強大小的限制，其壓強可為0.5～2.0個大氣壓。檢測薄膜形變的元件14設置在吸收腔10內(nèi)或平衡腔11內(nèi)，為一由電極和薄膜電極構(gòu)成的可變電容4，或者是由隧道尖端9和敏感薄膜6構(gòu)成檢測薄膜形變的元件14。
本裝置應用現(xiàn)有的技術可以實現(xiàn)，敏感薄膜6的制備可采用定向腐蝕自停止技術制得，如1微米左右的濃硼硅薄膜或者氮化硅薄膜；器件的封裝可以采用玻璃和硅片的靜電健合或者采用簡單的粘合技術；為了能精確的保證雙腔在同溫下壓強相同，雙腔氣體的封存最好同時進行；為了便于封裝，雙腔封存的氣體最好是同種氣體，另外實際氣體并不精確的滿足理想氣體狀態(tài)方程，同種氣體才能更好的保證雙腔結(jié)構(gòu)對環(huán)境溫度、壓強變化影響的屏蔽。
本發(fā)明利用雙腔結(jié)構(gòu)有效的屏蔽了環(huán)境溫度、壓強變化對探測器工作狀態(tài)的影響，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，當吸收腔10和平衡腔11的溫度變化相同時，壓強的變化也會相同，從而敏感薄膜6在環(huán)境溫度、壓強發(fā)生變化時不會形變，所以雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器可以在很寬的溫度、壓強范圍正常工作。
本發(fā)明雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器的雙腔(吸收腔10和平衡腔11)只要壓強相同就可以了，而沒有保持同環(huán)境壓強相同的限制，這樣就可以在保證密封性的前提下任意改變雙腔內(nèi)的氣體壓強。當吸收腔10內(nèi)為對紅外射線1有強烈吸收的氣體時，提高氣壓后氣體對紅外射線1的吸收特性將增強，但熱傳導特性基本不變，從而器件的靈敏度將提高，但是由于腔內(nèi)氣體的量增多了，熱容量的增大使得探測器的響應時間加長了。所以適當?shù)恼{(diào)節(jié)腔內(nèi)氣體的壓強，可以提高靈敏度或者提高響應速度。
本發(fā)明的雙腔結(jié)構(gòu)，使得敏感薄膜6不再暴露在空氣中，這樣氣流等將不再影響探測器。大的氣流也不會導致敏感薄膜6的破裂。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1)對環(huán)境溫度、壓強變化影響的屏蔽是一個狀態(tài)，而不是一個伺服過程，實現(xiàn)容易、效果好。
2)特別適合對紅外射線1有強烈吸收的特殊氣體直接吸收紅外射線1的探測機理。
3)溫度、壓強適用范圍寬，可以在特殊的溫度、壓強條件下工作。


圖1Chevrier等提出的氣動室溫紅外探測器結(jié)構(gòu)圖；圖2Kenny教授等提出的氣動室溫紅外探測器結(jié)構(gòu)圖；圖3本發(fā)明雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器結(jié)構(gòu)圖；圖中，1-紅外射線，2-紅外窗口，3-紅外吸收層，4-可變電容，5-微孔，6-敏感薄膜，7-兩極板，8-反饋電路，9-隧道尖端，10-吸收腔，11-平衡腔，12-紅外反射薄膜，13-引出電極，14-檢測敏感薄膜形變的元件。
具體實施例方式
以下結(jié)合實例進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容如圖3所示，本發(fā)明雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器，其中包括敏感薄膜6隔開的兩個充相同壓強氣體的密封腔，一個為吸收腔10，一個為平衡腔11；覆蓋于吸收腔10上的紅外窗口2；檢測敏感薄膜形變的元件14；以及與檢測薄膜形變元件14相接的引出電極13。其中的雙腔結(jié)構(gòu)使得環(huán)境溫度、壓強的變化不會引起敏感薄膜6的形變，從而屏避了環(huán)境溫度、壓強對器件影響，同時使敏感薄膜6不暴露在空氣中，從而屏避了氣流等的影響。
實例1雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器的吸收腔10內(nèi)封存對紅外射線1有強烈吸收的特殊氣體，如氟乙烯，當紅外信號1通過紅外窗口2(可采用多晶硅或者單晶硅)進入吸收腔10后，特殊氣體會吸收紅外射線1從而溫度升高進而壓強增大，推動敏感薄膜6(為1微米左右的濃硼硅薄膜或者帶電極的氮化硅薄膜)變形，通過檢測敏感薄膜形變的元件14(此處為可變電容4)的變化便可以得知紅外射線1的強弱。在吸收腔10底部的紅外反射薄膜12的作用是提高氣體對紅外射線1的吸收，從而提高靈敏度。平衡腔11內(nèi)封存的氣體種類可以與吸收腔10內(nèi)相同也可以不同，只要滿足壓強相同就可以了。另外雙腔結(jié)構(gòu)使雙腔內(nèi)氣體的壓強大小沒有了限制，只要探測器能完成封裝，雙腔內(nèi)封存的氣體可以是高于一個大氣壓，如1.5個大氣壓，也可以低于一個大氣壓，如0.8個大氣壓。當吸收腔10內(nèi)封存的特氣壓強增大時，其紅外吸收能力將增強，而熱傳導特性不變，從而靈敏度增加，但是響應時間會加長，所以適當調(diào)節(jié)吸收腔10的氣壓可以提高靈敏度或者加快響應速度。
實例2雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器的吸收腔10內(nèi)封存一般氣體(如氮氣、干燥的空氣)，這時紅外反射薄膜12位置應為熱容很小的紅外吸收層3(如10nm厚的金)。對敏感薄膜形變的檢測，可以如Kenny教授提出的隧道氣動紅外傳感器，利用由隧道尖端10和敏感薄膜6構(gòu)成的檢測薄膜形變的元件14檢測薄膜形變從而探測紅外射線1的強弱。
權(quán)利要求
1.雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器，包括吸收腔(10)、覆蓋于吸收腔(10)上的紅外窗口(2)、在吸收腔(10)殼體上的敏感薄膜(6)以及檢測敏感薄膜形變的元件(14)，其特征在于在敏感薄膜(6)的另一側(cè)設置平衡腔(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器，其特征在于還包括設置在吸收腔(10)底部的紅外反射薄膜(12)，吸收腔(10)內(nèi)設置有對紅外射線(1)有強烈吸收的氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器，其特征在于還包括設置在吸收腔(10)內(nèi)的紅外吸收層(3)，吸收腔(10)內(nèi)為普通氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器，其特征在于吸收腔(10)與平衡腔(11)內(nèi)的氣體的壓強相同，為0.5～2.0個大氣壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器，其特征在于檢測敏感薄膜形變的元件(14)設置在吸收腔(10)內(nèi)或平衡腔(11)內(nèi)，為一由電極和薄膜電極構(gòu)成的可變電容(4)，或者是由隧道尖端(9)和敏感薄膜(6)構(gòu)成的檢測薄膜形變的元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙腔平衡式氣動室溫紅外探測器，屬于探測器領域。包括吸收腔(10)、覆蓋于吸收腔上的紅外窗口(2)、在吸收腔殼體上的敏感薄膜(6)以及檢測敏感薄膜形變的元件(14)，特征在于在敏感薄膜(6)的另一側(cè)設置平衡腔(11)，吸收腔(10)與平衡腔(11)內(nèi)的氣體的壓強相同。其中，檢測敏感薄膜形變的元件(14)設置在吸收腔內(nèi)或平衡腔內(nèi)，為可變電容(4)，或者是由隧道尖端(9)和敏感薄膜(6)構(gòu)成的元件。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、有極好的溫度、壓強特性，可以在很寬的溫度、壓強范圍正常工作。同時也屏蔽了氣流等對器件的影響，提高了探測器的性能。
文檔編號G01J5/00GK101038213SQ200710065409
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者徐晨, 沈光地, 宋義超, 李博, 施夢娛, 高國, 陳建新 申請人:北京工業(yè)大學