一种宽光谱柔性红外探测器阵列及其制作方法与流程

本发明涉及红外探测器，属于微电子机械技术领域，更具体地说，本发明涉及一种宽光谱柔性红外探测器阵列及其制作方法。

背景技术：

红外探测器(Infrared Detector)是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。

电子元器件柔性化是未来电子技术发展的一大趋势,特别是对新兴的智能硬件产业，以柔性屏幕、柔性印刷电路板为代表的柔性电子元器件，已经解放了我们对产品形态的想象力，颠覆了现有产品的形态和体验方式。

同样，对于红外探测器领域，目前的红外探测器阵列都是基于半导体热敏或光敏材料加工而成，结构刚性，形状固定不变；同时，基于这些材料的可探测光谱范围较小，一般为近红外、中红外范围，而自然界物体所发射的远红外部分辐射白白浪费，如果把这些浪费掉的红外辐射利用起来，则红外热像仪的成像细节更丰富，成像质量将会进一步提高。

技术实现要素：

基于以上技术问题，本发明提供了一种宽光谱柔性红外探测器阵列，从而解决了以往红外探测器结构固定、无法调整形态和可视范围、探测光谱范围较小的技术问题

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种宽光谱柔性红外探测器阵列，包括从下往上依次设置的柔性衬底层、支撑硅片层及敏感薄膜层；

其中，

敏感薄膜层的上、下表面分别有一层金属薄膜作为上、下电极，上、下电极的重叠区域构成有效敏感单元；

所述敏感薄膜层由柔性热释电聚合物构成。

优选的，所述柔性热释电聚合物为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯－三氟乙烯、奇数尼龙、聚氯乙烯或聚丙烯。

优选的，所述柔性热释电聚合物掺杂有无机压电陶瓷、无机压电晶体、金属氧化物、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种。

优选的，所述敏感薄膜层采用流延铸塑、热压、悬涂或静电喷涂方式成膜。

优选的，所述柔性衬底层、支撑硅片层及敏感薄膜层均采用胶接方式连接。

优选的，所述金属薄膜为铝薄膜。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明结构可柔性变形，可根据需要调整其变形量，从而调整其可视范围，并且敏感薄膜具有很宽的光谱响应范围，探测光谱范围较大，因此基于本阵列的红外探测器具有更高质量、细节更丰富的成像效果。

同时，本发明还提供了上述宽光谱柔性红外探测器阵列的制作方法，包括以下步骤：

1)将柔性热释电聚合物充分溶解形成溶液，溶液涂覆在抛光基板上并高温烘烤至溶剂完全挥发形成敏感薄膜，敏感薄膜剥离后形成敏感薄膜层；

2)敏感薄膜层上、下表面采用磁控溅射方式沉积相同厚度的金属薄膜，形成上、下电极，上、下电极的重叠区域构成有效敏感单元；

3)敏感薄膜层开设将下电极引致敏感薄膜层上表面的通孔，通孔内填充金属并图形化；

4)选取与敏感薄膜层面积和形状相同的薄硅片，并在薄硅片上制备条形通孔；

5)将敏感薄膜层胶接在薄硅片上，以有效敏感单元与条形通孔中心对应设置为准；

6)采用各向异性腐蚀方式将薄硅片腐蚀形成分离的支撑柱结构，构成支撑硅片层；

7)将支撑硅片层胶接在柔性衬底层上，完成制作。

本发明的制作方法操作简单，能够分层次的制备各个阵列结构并形成阵列，且敏感薄膜层厚度均匀，上、下电极厚度一定并可控，有效敏感单元与条形通孔中心对应设置还提高了阵列的有效像元。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明敏感薄膜的结构示意图；

图3是本发明敏感薄膜的正面视图；

图4是本发明敏感薄膜的背面视图；

图5是本发明敏感薄膜的通孔示意图；

图6是本发明薄硅片的结构示意图；

图7是本发明薄硅片和敏感薄膜的贴合示意图；

图8是本发明支撑硅片层的结构示意图；

图中标记：1、柔性衬底层；2、支撑硅片层；3、敏感薄膜层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

如图1所示的一种宽光谱柔性红外探测器阵列，包括从下往上依次设置的柔性衬底层1、支撑硅片层2及敏感薄膜层3；其中，敏感薄膜层3的上、下表面分别有一层金属薄膜作为上、下电极，上、下电极的重叠区域构成有效敏感单元；所述敏感薄膜层3由柔性热释电聚合物构成。

本实施例的柔性衬底层1、支撑硅片层2及敏感薄膜层3均可柔性变形，从而可根据需要调整其变形量和可视范围，并且敏感薄膜层3由柔性热释电聚合物构成，从而敏感薄膜层3具有很宽的光谱响应范围和探测光谱范围，从而可以提高红外探测器的成像质量和效果，并且成像细节更加丰富。

在本实施例柔性热释电聚合物为PVDF(聚偏氟乙烯)、PVDF-HFP(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)、PVDF-TrFE(聚偏二氟乙烯－三氟乙烯)、奇数尼龙、PVC(聚氯乙烯)或PPP(聚丙烯)中的一种或多种。

在本实施例中，所述柔性热释电聚合物掺杂有无机压电陶瓷、无机压电晶体、金属氧化物、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种。无机压电陶瓷如锆钛酸铅、钛酸钡，无机压电晶体如石英、钽酸锂，金属氧化物如氧化钛、氧化锌，碳纳米管，石墨烯，在柔性热释电聚合物中加入后可以进一步提高材料的性能，增大其敏感性和强度，避免变形后造成损坏。

本实施例的敏感薄膜层3采用流延铸塑、热压、悬涂或静电喷涂方式成膜。敏感薄膜层3采用上述方式，可以保证其整体厚度均匀，并且可控制厚度大小，制备的薄膜能够满足成像要求。

本实施例的柔性衬底层1、支撑硅片层2及敏感薄膜层3均采用胶接方式连接。通过胶接方式便于阵列安装、调试和维护，且对其本身使用不造成影响。

本实施例的金属薄膜为铝薄膜。

同时，本实施例还提供了一种宽光谱柔性红外探测器阵列的制造方法，包括以下步骤：

1)将柔性热释电聚合物充分溶解形成溶液，溶液涂覆在抛光基板上并高温烘烤至溶剂完全挥发形成敏感薄膜，敏感薄膜剥离后形成敏感薄膜层4；

2)敏感薄膜层上、下表面采用磁控溅射方式沉积相同厚度的金属薄膜，形成上、下电极，上、下电极的重叠区域构成有效敏感单元；

3)敏感薄膜层开设将下电极引致敏感薄膜层上表面的通孔，通孔内填充金属并图形化；制造通孔的目的在于方便后续引出电信号至读出电路；

4)选取与敏感薄膜层面积和形状相同的薄硅片，并在薄硅片上制备条形通孔；该薄硅片对敏感薄膜层起到支撑作用；

5)将敏感薄膜层胶接在薄硅片上，以有效敏感单元与条形通孔中心对应设置为准；即将敏感薄膜与带条形通孔的薄硅片对位贴合，贴合时使得每一行像元中心与条形通孔中心对准。

6)采用各向异性腐蚀方式将薄硅片腐蚀形成分离的支撑柱结构，构成支撑硅片层2；

7)将支撑硅片层胶接在柔性衬底层1上，完成制作。

为完整本发明，下面利用具体实施例并结合具体结构、数据和步骤对本发明做详细说明。

具体实施例

如图1所示，一种宽光谱柔性红外探测器阵列，包括从下往上依次胶接的柔性衬底层、支撑硅片层及敏感薄膜层；其中，敏感薄膜层的上、下表面分别有一层金属铝薄膜作为上、下电极，上、下电极的重叠区域构成有效敏感单元；所述敏感薄膜层由柔性热释电聚合物构成；所述柔性热释电聚合物为聚偏氟乙烯-六氟丙烯；

本实施例的宽光谱柔性红外探测器阵列的具体制作方法如下：

1、将质量比为85:15的PVDF(聚偏氟乙烯)和PHFP(聚六氟丙烯)粉末混合；将混合物溶解于二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，溶质与溶剂质量比为10:90；待充分溶解后将溶液涂覆在抛光玻璃基板上，然后在110℃下烘烤；待溶剂完全挥发后将薄膜从玻璃基板上剥离形成聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)敏感薄膜，如图2所示；

2、采用磁控溅射工艺沉积厚度分别为50nm的金属铝作为敏感薄膜的上电极和下电极层，并采用光刻或刻蚀工艺对上下电极图形化，上下电极重叠区域为有效像元，其面积为200μm×200μm，结果如图3、图4所示；

3、采用光刻、氧等离子刻蚀工艺在敏感薄膜表面形成通孔，利用磁控溅射工艺沉积厚度为500nm的金属铝填充通孔并图形化，将下电极引出至上表面，结果如图5所示；

4、采用减薄工艺将与敏感薄膜面积相同的硅片减薄至100μm，形成薄硅片；再以500nm热氧化硅为掩蔽层，采用硅各向同性腐蚀工艺形成条形通孔，结果如图6所示；

5、采用环氧树脂胶将薄硅片与敏感薄膜对位贴合，贴合时使得每一行像元中心与条形通孔中心对准，结果如图7所示；

6、以500nm热氧化硅为掩蔽层，采用KOH(氢氧化钾)为腐蚀液，以各向异性腐蚀工艺将薄硅片进一步腐蚀成分离的支撑柱结构，形成支撑硅片层，结果如图8所示；

7、采用环氧树脂胶将支撑硅片层粘接在厚度为500μm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)柔性衬底，至此工艺完成，加工完成的阵列效果如图1所示。

如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。