一种可精确控温的垂直集成式制冷型碲镉汞探测器组件

1.本发明涉及红外探测器，具体指一种可精确控温的垂直集成式制冷型碲镉汞探测器组件及制备方法。


背景技术：

2.碲镉汞探测器因响应率高、响应光谱可调以及响应速度快等优点，在红外探测领域一直备受关注。为提高响应率并抑制器件内秉噪声，碲镉汞探测器工作在低温条件下。其制冷方式通常包括液氮制冷、斯特林制冷机制冷以及半导体制冷等，其中半导体制冷方式具有封装灵巧，功耗低，无振动干扰噪声以及节能环保等优点，在火灾监测、火车轴温探测以及光谱分析等民用领域具有重要的应用空间。
3.半导体制冷型探测器在实际应用中，为将探测器控制在设定温度并保持一定的控温精度，通常将负温度系数的热敏电阻贴装在探测器的侧壁实时测温。然而，在高精度控温需求中这种贴装结构面临着以下问题：热敏电阻的一侧紧贴碲镉汞探测器感受到器件的温度，另外一侧暴露在封装管壳的热辐射下感受管壳的温度，最终热敏电阻探测的等效温度是上述两方面的叠加，而且随着工作时间增加管壳温度逐渐上升，导致热敏电阻实际探测的温度在缓慢增加，半导体制冷器因热敏电阻测温不准产生所谓的温度漂移现象，严重影响碲镉汞探测器的高精度应用。
4.为解决上述问题，本专利设计了一种可精确控温的垂直集成式制冷型碲镉汞探测器组件。


技术实现要素：

5.本发明提出了一种可精确控温的垂直集成式制冷型碲镉汞探测器组件结构，将常规工艺中采用的商用热敏电阻改为自制锰钴镍氧薄膜热敏电阻，并与碲镉汞探测器和半导体制冷器垂直集成，达到有效避免管壳温度扰动进而实现精确控温的目的。
6.本发明所述的可精确控温的垂直集成式制冷型碲镉汞探测器结构如图所示，其特征在于，结构分为三部分：三级半导体制冷器1，锰钴镍氧热敏电阻2和碲镉汞探测器3，具体结构及封装形式包括：
7.一三级半导体制冷器1，可提供-50℃及以下的低温，使碲镉汞探测器工作在合适的温度区间；
8.一粘结半导体制冷器与锰钴镍氧热敏电阻的环氧胶4，厚度1μm；
9.一半导体制冷器上方的锰钴镍氧热敏电阻2；
10.一碲镉汞探测器3；
11.一粘结锰钴镍氧热敏电阻与碲镉汞探测器的环氧胶8，厚度1μm；
12.其中锰钴镍氧热敏电阻结构包括：
13.一双抛透明蓝宝石衬底5，衬底厚度在0.5mm；
14.一锰钴镍氧薄膜材料6，采用溶胶凝胶方法制作，厚度在2μm；
15.一欧姆接触电极7，该电极的金属材料双离子束溅射生长的镉/金，厚度20nm/300nm；
16.其中碲镉汞探测器结构包括：
17.一双抛透明蓝宝石衬底9，衬底厚度0.3mm；
18.一粘结碲镉汞与蓝宝石衬底的环氧胶10，胶厚1μm；
19.一蓝宝石衬底上的碲镉汞功能材料层12，厚度10μm；
20.碲镉汞上下表面的阳极氧化层11；
21.一碲镉汞氧化层上方的zns增透层13；
22.一碲镉汞材料表面上的复合欧姆接触电极铟/金14，厚度为20nm/600nm；
23.其中锰钴镍氧热敏电阻因电阻率大、薄膜厚度薄，为减小总电阻将形状设计为矩形盘管形式，电极分别位于电阻的两端；
24.其中碲镉汞探测器位于锰钴镍氧热敏电阻正上方，且两者中心重合，碲镉汞探测器将热敏电阻的矩形盘管区域完全覆盖。
25.本发明的最大优点是设计一种新颖的可精确控温的垂直集成式制冷型碲镉汞探测器组件结构，薄膜型热敏电阻紧密粘贴在碲镉汞探测器与半导体制冷器之间，这种封装结构在商用的块状热敏电阻上难以实现。垂直集成式封装不仅能够准确测得探测器的实时温度变化，而且更重要的是能够有效避免管壳侧壁热辐射以及周围环境扰动对热敏电阻的影响，使得碲镉汞探测器的精确控温成为可能，极大缓解了高精度应用场景中对探测器控温精度的要求。
附图说明
26.图1.一种可精确控温的垂直集成式制冷型碲镉汞探测器组件结构图；
27.图中：1.三级半导体制冷器；
28.2.锰钴镍氧热敏电阻；
29.3.碲镉汞探测器；
30.图2.一种可精确控温的垂直集成式制冷型碲镉汞探测器组件结构图
31.图中：4.环氧胶；
32.5.双抛透明蓝宝石衬底；
33.6.锰钴镍氧薄膜材料；
34.7.复合欧姆接触电极镉/金；
35.8.环氧胶；
36.9.双抛透明蓝宝石衬底；
37.10.环氧胶；
38.11.阳极氧化层；
39.12.碲镉汞功能材料；
40.13.zns增透层；
41.14.复合欧姆接触电极铟/金。
42.图3.组件中锰钴镍氧热敏电阻俯视图。
具体实施方式
43.下面以垂直集成式制冷型碲镉汞探测器组件结构，对本发明的具体实施方式作详细说明：
44.1.常规工艺处理碲镉汞体材料至10μm；
45.2.对碲镉汞薄片进行化学腐蚀处理，然后进行阳极氧化处理；
46.3.用环氧胶将处理后的碲镉汞薄片胶贴在蓝宝石衬底上；
47.4.光刻后用氩离子刻蚀，定义器件光敏面形状；
48.5.用hf酸腐蚀液处理器件表面后再次进行阳极氧化处理；
49.6.光刻并镀制复合欧姆接触电极铟/金，厚度为20nm/600nm，至此碲镉汞探测器制备完成；
50.7.采用溶胶凝胶法在双抛蓝宝石衬底上镀制2μm厚度的锰钴镍氧薄膜；
51.8.采用双离子束溅射蒸镀复合欧姆接触电极镉/金，厚度20nm/300nm；
52.9.光刻后用氩离子刻蚀，定义热敏电阻形状，至此锰钴镍氧热敏电阻
53.制备完成；
54.10.用环氧胶将碲镉汞探测器下表面与锰钴镍氧热敏电阻上表面粘贴并压实，胶厚1μm；
55.11.用环氧胶将探测器模块下表面粘接在半导体制冷器的冷端，然后置于40℃烘箱烘烤24小时。


技术特征：
1.一种可精确控温的垂直集成式制冷型碲镉汞探测器组件，包括三级半导体制冷器基底(1)，在半导体制冷器基底上方的锰钴镍氧热敏电阻(2)，在锰钴镍氧热敏电阻上方的碲镉汞探测器(3)；其中锰钴镍氧热敏电阻结构包括蓝宝石衬底(5)，在蓝宝石衬底上的锰钴镍氧薄膜(6)，在锰钴镍氧薄膜上表面两侧的镉/金复合欧姆接触电极(7)；其中碲镉汞探测器结构包括蓝宝石衬底(9)，在蓝宝石衬底上的环氧胶(10)，在环氧胶上方的依次为阳极氧化层(11)，碲镉汞功能材料(12)，阳极氧化层(13)三明治结构，在阳极氧化层上方的zns增透层(14)，以及碲镉汞功能材料表面两侧的铟/金复合欧姆接触电极(15)；其特征在于：所述的探测器组件由三级半导体制冷器(1)、锰钴镍氧热敏电阻(2)和碲镉汞探测器(3)采用环氧胶胶粘的方式垂直集成而成，热敏电阻位于碲镉汞探测器正下方，且热敏电阻的敏感区被碲镉汞器件完全覆盖。2.根据权利要求1所述的一种可精确控温的垂直集成式制冷型碲镉汞探测器组件，其特征在于：所述的锰钴镍氧热敏电阻薄膜(6)的厚度为2μm，形状为矩形盘管以减小电阻阻值。3.根据权利要求1所述的一种可精确控温的垂直集成式制冷型碲镉汞探测器组件，其特征在于：所述的碲镉汞探测器功能材料(12)的厚度为10μm，上下表面各有阳极氧化层(11)，上表面阳极氧化层的上方有zns增透层(14)。

技术总结
本发明公开了一种可精确控温的垂直集成式制冷型碲镉汞探测器组件，其结构从下往上依次为三级半导体制冷器，环氧胶，锰钴镍氧热敏电阻，环氧胶，碲镉汞探测器；其中锰钴镍氧热敏电阻结构从下往上依次为蓝宝石衬底，锰钴镍氧薄膜，以及热敏薄膜表面两侧的镉/金复合电极；其中碲镉汞探测器结构从下往上依次为蓝宝石衬底，环氧胶，碲镉汞功能材料，阳极氧化层，ZnS增透层，以及碲镉汞材料表面两侧的铟/金复合电极。该探测器组件不仅能够准确测得探测器温度的实时变化，而且有效解决了常规工艺中将热敏电阻贴附在探测器侧壁上带来的温度漂移问题，使得碲镉汞探测器的精确控温成为可能，极大缓解了高精度应用场景中对探测器控温精度的要求。的要求。的要求。


技术研发人员：刘福浩 龚玮 杨晓阳 许金通 罗毅 蒋科 陈心恬 乔辉 李向阳
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2023.01.09
技术公布日：2023/8/5