一种基于具有中间绝热层重叠补偿结构的热释电探测器

1.本发明涉及电子材料与元器件技术领域，特别涉及一种基于具有中间绝热层重叠补偿结构的热释电探测器。

背景技术：

2.热释电探测器在日常生活、科研、军事上有着广泛的应用，例如人体运动检测、火焰探测、气体检测、太赫兹探测以及脉冲激光探测等，热释电探测器具有无需制冷、制备成本低、响应速度快、响应光谱范围宽、只响应动态变化的辐射等特点。热释电探测技术的核心结构主要包含热释电材料、绝热结构、补偿结构、吸收层和读出电路，它们的特性决定了配套仪器设备的性能和应用领域。
3.噪声是限制探测器性能的主要因素之一，对于热释电探测器，环境噪声的影响是不容忽视的。热释电探测器能够探测温度大于绝对零度的物体向外辐射的红外辐射，因此，环境温度变化也会引发热释电探测器的响应；此外，热释电材料属于压电材料的范畴，因此环境中的机械振动也会引发热释电探测器产生麦克风效应。故由环境温度变化或环境中机械振动引发的器件响应都属于环境噪声，为了抑制环境噪声对器件性能的影响，研究者提出了补偿结构。补偿结构中包含两个特性(制备工艺、材料、结构参数)相同的敏感元，分别为探测元和补偿元，它们反向串联或并联连接在一起，环境温度变化和环境中的机械振动能够同时作用于探测元和补偿元。因为探测元和补偿元的特性相同，且空间间隔小，环境噪声引发探测元和补偿元产生的热释电电荷和压电电荷数量可认为相同；由于两敏感元反向连接，理论上这些因环境噪声引发的电荷可完全抵消，从而达到抑制环境噪声对器件性能影响的目的。
4.目前，具有补偿结构的商用化热释电探测器均采用平行补偿结构，如图1中(a)所示，平行补偿结构将探测元和补偿元设置于同一平面，该结构的优点是制备工艺简单、装配方便。但是，由于探测元与补偿元设置于同一平面，因此它们均可受到有用入射光的作用，当然入射光作用于探测元或补偿元的角度可能不同，受有用入射光的作用，探测元与补偿元均可产生有用热释电信号。然而，由于两敏感元反向连接，大量有用热释电信号将会被抵消(抵消作用)，只有因入射光作用角度差引发的热释电信号能够输出，这使得器件输出信号强度大大受限，最终导致器件灵敏度大幅下降。为了解决该问题，可以使用遮光板或封装壳遮挡补偿元，使得补偿元不受入射光直接作用，但入射光在封装内部的散射光依然能够作用于补偿元。低速响应热释电探测器通常具有较大的灵敏度，灵敏度的损失对其影响不大。但高速响应热释电探测器往往会牺牲器件灵敏度换取响应速度的提升，这使得高速响应热释电探测器的灵敏度非常小。因此，对于高速响应热释电探测器的设计，需要充分考虑灵敏度的提升问题。此外，平行补偿结构中，由于探测元与补偿元被设置于同一平面，这使得敏感元实际面积是有效面积的两倍，敏感元填充因子小，不利于器件的小型化和高度集成化。

技术实现要素：

5.发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种基于具有中间绝热层重叠补偿结构的热释电探测器，通过将探测元与补偿元设置在不同平面，且在空间中相互重叠，使入射辐射或其散射辐射均无法作用于补偿元，有效削弱补偿元对有用热释电信号的抵消作用，提升热释电探测器件灵敏度及信噪比。
6.技术方案：本发明的一种基于具有中间绝热层重叠补偿结构的热释电探测器，包括从下至上依次设置的封装底座、读出电路、热释电敏感元以及封装帽，所述热释电敏感元嵌在读出电路的上表面，所述热释电敏感元与读出电路电连接，所述热释电敏感元由探测元、中间绝热层和补偿元组成，所述探测元、中间绝热层和补偿元从上至下重叠分布，形成三明治结构；光信号透过封装帽作用于热释电敏感元表面，热释电敏感元产生热释电信号，通过读出电路和封装底座实现信号的放大和输出。
7.进一步，所述中间绝热层上设置有贯穿其上下表面的导电通道，通过导电通道将探测元与补偿元形成反向电气连接。
8.进一步，所述探测元包括上电极、敏感材料和下电极，上电极设置在探测元的上表面，下电极设置在探测元的下表面，敏感材料设置在上下电极之间，上电极、敏感材料及下电极三者形成三明治结构。
9.进一步，所述读出电路的主体为pcb板，所述pcb板上设置有导电走线，所述读出电路通过导电走线与探测元及补偿元电连接。
10.进一步，所述pcb板上还设置绝热结构、放大器和导电过孔，所述放大器通过导电走线分别连接探测元、补偿元和导电过孔。
11.进一步，所述封装底座上设置圆柱型的引脚，所述引脚贯穿封装底座主体与导电过孔相配合。
12.进一步，所述封装帽上镶嵌滤光片。
13.进一步，所述中间绝热层的制备材料包括多孔硅、聚酰亚胺、中间镂空的陶瓷、半导体或塑料材料。
14.进一步，所述探测元和补偿元的结构和材料均相同，均由热释电材料制备，包括锆钛酸铅、钽酸锂、铌酸锂等陶瓷材料、单晶材料或复合材料。
15.有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
16.1、本发明中的具有绝热层重叠补偿结构不同于传统平行补偿结构，本发明探测元与补偿元位于不同平面，且在空间中相互重叠，有用入射辐射或其散射辐射均无法作用于补偿元，因此该结构能够有效削弱补偿元对有用热释电信号的抵消作用；
17.2、为了避免探测元因入射光作用产生的温升传导至补偿元，引发热串扰，导致补偿元对部分有用热释电信号的抵消作用，本发明在探测元与补偿元之间设置有中间绝热层，以限制两者间的热串扰；
18.3、中间绝热层热导率小，可有效抑制探测元与补偿元之间的热串扰，从而进一步限制补偿元对有用热释电信号的抵消作用，最终提升器件灵敏度及信噪比；
19.4、本发明中探测元、中间绝热层、补偿元三者相互重叠，因此敏感元实际面积与有效面积相同，与传统平行补偿结构相比，敏感元面积大幅减小，有利于器件小型化。
附图说明
20.图1是热释电探测器结构示意图，其中，图(a)为传统基于平行补偿结构的热释电探测器，图(b)为基于具有中间绝热层重叠补偿结构的热释电探测器；
21.图2是本发明热释电探测器的爆炸图，其中，1为封装帽，2为热释电敏感元，3为读出电路，4为封装底座；
22.图3是封装帽的结构示意图，其中，1-1为滤光片，1-2为封装帽壳体；
23.图4是热释电敏感元的结构示意图，其中，2-1为探测元，2-2为中间绝热层，2-3为补偿元，2-2-1为导电通道，2-2-2为中间绝热层主体；
24.图5是探测元的结构示意图，其中，图(a)为俯视图，图(b)为仰视图，e为上电极，f为敏感材料，g为下电极；
25.图6是中间绝热层的结构示意图；
26.图7是读出电路的结构示意图，其中，3-1为导电过孔，3-2为绝热结构，3-3为导电走线，3-4为放大器，3-5为基板；
27.图8是封装底座的结构示意图，其中，4-1为封装座主体，4-2为引脚。
具体实施方式
28.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。
29.本实施例所述的一种基于具有中间绝热层重叠补偿结构的热释电探测器，包括从下至上依次设置的封装底座4、读出电路3、热释电敏感元2以及封装帽1，如图1中(b)和图2所示，其中热释电敏感元2嵌在读出电路3的上表面，热释电敏感元2与读出电路3电连接，如图4所示热释电敏感元2由探测元2-1、中间绝热层2-2和补偿元2-3组成，探测元2-1、中间绝热层2-2和补偿元2-3从上至下重叠分布，形成三明治结构，探测元2-1与补偿元2-3位于不同的平面，且它们通过中间绝热层2-2间隔开。
30.如图3所示，在封装帽壳体1-2上镶嵌滤光片1-1，形成封装帽1。在实施例中，滤光片的通带选取为8-14μm，使热释电探测器工作于中红外波段。当然，由于热释电敏感元2具有较宽的响应光谱范围，因此可根据实际需求选取合适的滤光片1-1。
31.如图5所示，上述探测元2-1包括上电极e、敏感材料f和下电极g，上电极e设置在探测元2-1的上表面，下电极g设置在探测元2-1的下表面，敏感材料f设置在上下电极之间，上电极e、敏感材料f及下电极g三者形成三明治结构。探测元2-1与补偿元2-3的结构相同，也包括从上至下依次设置的上电极、敏感材料和下电极。该热释电敏感元2结构同时也适用于面电极型和边电极型敏感元。
32.上述探测元2-1和补偿元2-3的材料均相同，由热释电材料制备而成，采用的热释电材料包括但不限于锆钛酸铅、钽酸锂、铌酸锂等陶瓷材料、单晶材料或复合材料中的一种。
33.如图6所示，中间绝热层本体2-2-2上设置有贯穿其上下表面的导电通道2-2-1，通过导电通道将探测元2-1与补偿元2-3形成反向电气连接。上述导电通道2-2-1可以采用导电过孔或者侧边导电层，本实施例中采用导电过孔。中间绝热层2-2的制备材料由热导率小的材料或结构制备而成，包括但不限于多孔硅、聚酰亚胺、中间镂空的陶瓷、半导体或塑料
材料。
34.如图7所示，读出电路3的主体为pcb板，pcb板上设置有导电走线3-3，读出电路3通过导电走线3-3与探测元2-1及补偿元2-3电连接，导电走线3-3还用于使读出电路3中的各部分形成电气连接，在基板3-5上还设置绝热结构3-2、放大器3-4和导电过孔3-1，放大器3-4通过导电走线3-3分别连接探测元2-1、补偿元2-3以及导电过孔3-1。探测元2-1和补偿元2-3可使用导电银浆或绑定技术与导电走线3-3连接。放大器3-4可根据器件响应光信号的调制频率设计，响应低频调制光信号时为高输入阻抗放大器，响应高频调制光信号时为低输入阻抗射频放大器。绝热结构3-2用于减小热释电敏感元2与读出电路3之间的热导率，本实施例中绝热结构直接加工在pcb上，可在pcb板上设置镂空结构，使得热释电敏感元悬空，形成背衬镂空结构，实现绝热效果。或者绝热结构也可以设置成微桥结构、伞状结构等。
35.本实施实例中，可根据入射光的调制频率选择合适的读出电路。若入射光的调制频率较低，则可选择基于结型场效应管(jfet)或普通运放设计读出电路；若入射光的调制频率较高，则可选择射频放大电路或同轴线作为读出电路。
36.如图8所示，封装底座4上设置圆柱型的引脚4-2，引脚贯穿封装底座主体4-1与导电过孔3-1相配合，可使用金属锡将两者焊接，使得读出电路3与引脚4-2之间形成机械性能良好的电气连接，从而为读出电路3供电和热释电信号引出提供路径。
37.本实施实例中，基于具有中间绝热层重叠补充结构的热释电探测器的工作原理如下：光源辐射出的光线透过设置在封装帽上的滤光片后，作用于热释电敏感元表面。如图1(a)所示，传统平行补偿结构中补偿元与探测元处于同一平面，由于敏感元的探测元与补偿元都可以受有用入射光作用，因此它们都可以产生有用热释电信号；由于探测元与补偿元反向连接，因此大量有用热释电信号被抵消，使得器件灵敏度下降。但是，如图1(b)和图2所示，本实施例中探测元与补偿元重叠，由于探测元的遮挡，补偿元无法受入射光及其散射光作用，因此，只有探测元能在入射光的作用下产生热释电信号。且由于本实施例中探测元与补偿元之间设置有绝热性能良好的中间绝热层，探测元在有用入射光作用下产生的温升很难传导至补偿元，因此补偿元几乎不会因有用入射光而产生任何热释电信号。故补偿元对有用热释电信号的抵消作用可以被极大削弱，最终使得器件的灵敏度大幅提升。探测元和补偿元可使用导电银浆或绑定技术与导电走线连接，导电走线同时也连接着放大器和导电过孔，如此可使热释电敏感元产生的热释电信号通过导电走线输入至放大器，信号被放大后通过导电走线传输至导电过孔，再由导电过孔传导至穿过封装座主体的引脚，从而实现信号的输出。
38.综上所述，在相同的辐照度下，本发明提供的基于具有绝热层重叠补偿结构的热释电探测器能够解决传统平行补偿结构中补偿元对有用热释电信号的抵消作用，实现器件灵敏度的提升。

技术特征：

1.一种基于具有中间绝热层重叠补偿结构的热释电探测器，包括从下至上依次设置的封装底座(4)、读出电路(3)、热释电敏感元(2)以及封装帽(1)，所述热释电敏感元(2)嵌在读出电路(3)的上表面，所述热释电敏感元(2)与读出电路(3)电连接，其特征在于，所述热释电敏感元(2)由探测元(2-1)、中间绝热层(2-2)和补偿元(2-3)组成，所述探测元(2-1)、中间绝热层(2-2)和补偿元(2-3)从上至下重叠分布，形成三明治结构；光信号透过封装帽(1)作用于热释电敏感元(2)表面，热释电敏感元(2)产生热释电信号，通过读出电路(3)和封装底座(4)实现信号的放大和输出。2.根据权利要求1所述的热释电探测器，其特征在于，所述中间绝热层(2-2)上设置有贯穿其上下表面的导电通道(2-2-1)，通过导电通道(2-2-1)将探测元(2-1)与补偿元(2-3)形成反向电气连接。3.根据权利要求1所述的热释电探测器，其特征在于，所述探测元(2-1)包括上电极、敏感材料和下电极，上电极设置在探测元(2-1)的上表面，下电极设置在探测元(2-1)的下表面，敏感材料设置在上下电极之间，上电极、敏感材料及下电极三者形成三明治结构。4.根据权利要求1所述的热释电探测器，其特征在于，所述读出电路(3)的主体为pcb板，所述pcb板上设置有导电走线(3-3)，所述读出电路(3)通过导电走线(3-3)与探测元(2-1)、补偿元(2-3)电连接。5.根据权利要求4所述的热释电探测器，其特征在于，所述pcb板上还设置绝热结构(3-2)、放大器(3-4)和导电过孔(3-1)，所述放大器(3-4)通过导电走线(3-3)分别连接探测元(2-1)、补偿元(2-3)和导电过孔(3-1)。6.根据权利要求5所述的热释电探测器，其特征在于，所述封装底座(4)上设置圆柱型的引脚(4-2)，所述引脚(4-2)贯穿封装底座主体(4-1)与导电过孔(3-1)相配合。7.根据权利要求1所述的热释电探测器，其特征在于，所述封装帽(1)上镶嵌滤光片(1-1)。8.根据权利要求1所述的热释电探测器，其特征在于，所述中间绝热层(2-2)的制备材料包括多孔硅、聚酰亚胺、中间镂空的陶瓷、半导体或塑料材料。9.根据权利要求1所述的热释电探测器，其特征在于，所述探测元(2-1)和补偿元(2-3)的结构和材料均相同，由热释电材料制备，包括锆钛酸铅、钽酸锂、铌酸锂的陶瓷材料、单晶材料或复合材料。

技术总结

本发明公开了一种基于具有中间绝热层重叠补偿结构的热释电探测器，包括从下至上依次设置的封装底座、读出电路、热释电敏感元以及封装帽，所述热释电敏感元嵌在读出电路的上表面，所述热释电敏感元与读出电路电连接，所述热释电敏感元由探测元、中间绝热层和补偿元组成，所述探测元、中间绝热层和补偿元从上至下重叠分布，形成三明治结构；光信号透过封装帽仅作用于热释电敏感元中的探测元表面，热释电敏感元产生热释电信号，通过读出电路和封装底座实现信号的放大和输出。本发明提供的基于具有中间绝热层重叠补偿结构的热释电探测器能够有效抑制补偿元对有用热释电信号的抵消作用，从而提升器件的灵敏度。从而提升器件的灵敏度。从而提升器件的灵敏度。