雙通道熱釋電分光探測器、分光陣列及其制備方法與流程

本發明涉及熱釋電探測器電子技術領域，具體涉及一種雙通道熱釋電分光探測器和設于其內的分光陣列及所述分光陣列的制備方法。

背景技術：

現今，國內公司的紅外熱釋電探測器大多為單通道紅外熱釋電探測器，而多通道紅外熱釋電探測器研究較少，且多為幾個通道并行的傳統直線型結構，這種結構相對簡單，探測率低，信號輸出微弱，尤其是在NDIR系統中，由于機械膨脹，老化效應，使用污跡等問題會影響光路，導致進入多通道結構紅外探測器內部的光束比例不等，各個通道信號不穩定。因此，現有技術的多通道結構紅外探測器在應用領域和精確度上都具有一定的局限性。

技術實現要素：

本發明提供了一種雙通道熱釋電分光探測器、設置其內的溝槽結構分光陣列及分光陣列的制備方法。本發明公開的雙通道熱釋電分光探測器采用溝槽結構分光陣列能夠克服現有技術中直線型并行多通道探測器探測率低、信號輸出微弱的缺點，本發明能夠保證每個通道信號的獨立性和穩定性，可應用于分析同種氣體的不同吸收波段，進而實現更精確的測定，也可用于同步分析多種氣體，從而提高監測效率。

本發明從以下三個方面對本發明進行闡述，這三個方面的技術方案具體如下文所述：

本發明公開的第一方面是提供一種雙通道熱釋電分光探測器，包括探測器外殼、設置于殼體內且能夠接收到光源的溝槽結構分光陣列和兩個探測單元，溝槽結構分光陣列是由n個分光單元形成具有V型槽結構的正方形分光陣列，所述分光單元為由鎳鉻片制得的底面為矩形的微型三棱柱，單個探測單元包括一片熱釋電晶體片和一片窄帶紅外濾光片；其中：探測器外殼上設有通光孔，溝槽結構分光陣列位于所述通光孔正下方，所述兩個探測單元向內傾斜設置于所述溝槽結構分光陣列的兩個分光方向，并且兩片熱釋電晶體片分別與溝槽結構分光陣列的兩個分光方向垂直，所述探測單元中的窄帶濾光片設置于靠近分光陣列一側。

進一步地，本發明中分光單元個數n為整數，其取值范圍為30～60。

進一步地，上文所述兩片窄帶濾光片的透光范圍根據同一待測氣體的不同特征吸收波段或不同待測氣體的特征吸收波段設置成彼此不同。

優選地，熱釋電晶體片的材料為鉭酸鋰晶體，兩片用于接收不同波段的熱釋電晶體片分別平行置于與溝槽結構分光陣列中槽線相平行的兩個對邊外側，并且所述熱釋電晶體片向內傾斜與分光陣列底面形成60°夾角。

本發明公開的第二方面是提供一種溝槽結構分光陣列，所述分光陣列是由n個分光單元的底面周期性緊密排列形成的具有V型槽結構的正方形分光陣列，所述分光單元是由鎳鉻片制得的底面為矩形的微型三棱柱。

進一步地，本發明中分光單元個數n為整數，其取值范圍為30～60。

具體地，所述分光陣列是由n個形狀、尺寸相同的分光單元順序相連形成的周期性結構，作為優選實施方式，30≤n≤60，分光單元的矩形底面周期性排列、緊密相連形成溝槽結構分光陣列的正方形底面，所述分光單元為由鎳鉻片制得的底面為矩形的微型三棱柱，一個分光單元包括矩形底面、兩個三角形側面和兩個平滑斜面形成的倒V形表面。

優選地，所述具有V型槽結構正方形陣列的溝槽間距為80～120μm。

本發明公開的第三方面是提供一種溝槽結構分光陣列的制備方法，包括部分刻蝕和其后的整體刻蝕，具體步驟如下：

步驟A：部分刻蝕；以矩形鎳鉻片表面兩條短邊中點連線為對稱軸分為對稱的區域一和區域二，然后采用光刻工藝分別在兩個區域依次刻蝕，得到兩個相互對稱的階梯狀斜面；

步驟B：整體刻蝕；采用酸性刻蝕液對步驟A制得的鎳鉻片表面進行整體刻蝕，使得斜面的階梯結構消失，進而在小矩形格內得到底面為矩形且具有兩個平滑斜面形成倒V型表面的三棱柱結構，最終制得由多個三棱柱結構鎳鉻片形成的具有V型槽結構的正方形分光陣列。

作為優選實施方式，本發明采用的酸性刻蝕液包括濃硝酸、濃鹽酸、冰乙酸和水，各組分體積比為濃硝酸∶濃鹽酸∶冰乙酸∶水＝1∶1∶1∶2。

本發明所述步驟A中每一個階梯狀斜面均要經過多次光刻，具體地，光刻工藝操作如下：

步驟A1：首先在矩形鎳鉻片表面均勻涂覆正性光刻膠膠，將區域一或區域二進行曝光顯影，然后使用酸性刻蝕液對上述曝光顯影后無光刻膠保護部分刻蝕，通過控制反應時間控制刻蝕深度，刻蝕完成后進行除膠處理；

步驟A2：在前一步驟制得鎳鉻片的表面整體涂覆正性光刻膠，使得區域一涂覆層和區域二涂覆層位于同一平面，然后將曝光區域向上述曝光側平行外移，曝光區域平行外移距離與前一步驟中刻蝕深度相同，再使用酸性刻蝕液對上述曝光顯影后無光刻膠保護部分進行刻蝕，通過控制反應時間控制刻蝕深度，所述刻蝕深度與前一步驟的刻蝕深度相同，刻蝕完成后進行除膠處理；

步驟A3：重復步驟A2的操作直至在鎳鉻片區域一或區域二得到階梯狀結構，再對另一區域進行相同操作，得到兩個相互對稱的階梯狀斜面。

作為優選實施方式，本發明中每次光刻工藝的刻蝕深度和曝光區域平行外移距離均應為8～12μm。

作為優選實施方式，經上述步驟操作后，制得三棱柱結構鎳鉻片矩形底面與三角形側面相交邊的長度應為80～120μm。

在上述步驟制得三棱柱結構鎳鉻片后還應將其放入水中進行超聲清洗，清洗完成后使用高純氮氣吹干。

本發明中，紅外光束通過通光孔射向由分光單元組合形成的溝槽結構分光陣列，使得所述紅外光束均勻分成兩束反射光，再分別垂直射向位于所述分光陣列兩個分光方向上的熱釋電紅外探測單元上，分光處理后的紅外光束先被特定波段的窄帶濾光片吸收，然后傳感于熱釋電晶體，進而實現雙通道紅外探測。

本發明具有以下有益效果：

本發明設計相對于狹窄的單通道光束效果卓越，并且清楚明確地給出了制備溝槽結構陣列的技術方案，保證了本發明實施與應用；本發明采用微型鏡面表面技術，通過合理設計分光單元組合形成分光陣列，以實現將內置于探測器中的分光陣列作為分光器，相比于現有直線型并行多通道探測器，本發明能夠避免由于機械膨脹，老化效應，使用污跡等問題影響光路，從而導致進入多通道結構紅外探測器內部的光束比例不等以及單個通道信號不穩定的問題；本發明公開的溝槽結構分光陣列保證進入探測器內部的光束分光后始終保持等比例，從而使得每一個通道都能永久保持穩定的信號比例，而且各個通道信號相互獨立、不受干擾，進而保證了信號的輸出并且提高了探測率；運用本發明的雙通道熱釋電分光探測器可以同步分析多種氣體，提高監測效率，也可以通過測量同種氣體的不同吸收波段實現單一氣體更為精確的測量。

附圖說明

圖1是本發明一個實施例的雙通道熱釋電分光探測器結構的俯視示意圖；其中，1為窄帶濾波片，2為熱釋電晶體片，3為分光單元，4為溝槽結構分光陣列。

圖2為本發明一個實施例經刻蝕在鎳鉻層表面獲得的溝槽結構的SEM圖。

具體實施方式

以下結合說明書附圖和實施例對本發明進行詳細的說明:

如圖1所示為本發明公開的雙通道熱釋電分光探測器，包括探測器外殼、設置于殼體內且能夠接收到光源的溝槽結構分光陣列4和兩個探測單元，溝槽結構分光陣列4是由n個分光單元3形成的具有V型槽結構的正方形分光陣列，其中30≤n≤60，所述分光單元是由鎳鉻片制得的底面為矩形的微型三棱柱，單個探測單元包括一片窄帶紅外濾光片1和一片熱釋電晶體片2；其中：探測器外殼上設有通光孔，溝槽結構分光陣列位于所述通光孔正下方，所述兩個探測單元向內傾斜設置于所述溝槽結構分光陣列4的兩個分光方向，并且兩片熱釋電晶體片2分別與溝槽結構分光陣列4的兩個分光方向垂直，探測單元中的窄帶濾光片1設置于靠近分光陣列4一側。

如圖2所示為本發明公開的分光陣列的溝槽結構，所述溝槽結構是由n個分光單元3的底面周期性排列、緊密相連形成溝槽結構的正方形陣列，所述正方形陣列中槽線相互平行且間距相等，所述分光單元3包括矩形底面、兩個側面和兩個平滑斜面形成的倒V型表面，分光單元3的矩形底面緊密相連形成溝槽結構分光陣列4的正方形底面；所述單個分光單元的制備方法如以下實施例所述：

實施例1：

一種分光單元的制備方法，包括部分刻蝕和其后的整體刻蝕，具體步驟如下：

選擇長為80μm，寬為4mm，厚度為100μm的鎳鉻片刻蝕形成一個分光單元，將上述刻蝕得到的分光單元的底面順序排列、緊密連接得到由50個分光單元形成的具有溝槽結構的正方形陣列，以下為一個分光單元的具體刻蝕過程：

步驟A：部分刻蝕；

首先配制酸性刻蝕液，作為優選實施方式，本發明采用的酸性刻蝕液可以在常溫下對鎳鉻層進行快速高效的刻蝕，縮短了反應時間；所述酸性刻蝕液具體組成包括濃硝酸、濃鹽酸、冰乙酸和水，各組分體積比為濃硝酸∶濃鹽酸∶冰乙酸∶水＝1∶1∶1∶2；

以矩形鎳鉻片表面兩條短對邊中點連線為對稱軸分為左右對稱的左半部分和右半部分，然后采用光刻工藝分別在兩個部分依次刻蝕，刻蝕先后不做具體限定，本實施例先對右半部分進行刻蝕；

本發明為得到階梯狀斜面均要經過多次光刻，具體地，光刻工藝操作如下：

步驟A1：首先在矩形鎳鉻片表面均勻涂覆正性光刻膠膠，將右半部分進行曝光顯影，然后使用所述酸性刻蝕液對上述曝光顯影后無光刻膠保護部分刻蝕，通過控制反應時間控制刻蝕深度為8μm，刻蝕完成后進行除膠處理；

步驟A2：在前一步驟制得鎳鉻片的表面整體涂覆正性光刻膠，使得左半部分涂覆層和右半部分涂覆層位于同一平面，然后將曝光區域向右平行外移8μm，再使用酸性刻蝕液對上述曝光顯影后無光刻膠保護部分進行刻蝕，通過控制反應時間控制刻蝕深度為8μm，刻蝕完成后進行除膠處理；

步驟A3：重復步驟A2的操作直至在鎳鉻片右半部分得到階梯狀結構，再通過同樣步驟對左半部分進行處理，得到兩個相互對稱的階梯狀結構。

步驟B：整體刻蝕；采用酸性刻蝕液對步驟A制得的鎳鉻片表面進行整體刻蝕，使得斜面的階梯結構消失，將制得具有平滑斜面的鎳鉻層放入水中進行超聲清洗，清洗完成后使用高純氮氣吹干，最終制得單個分光單元。

在實際生產應用中逐一制備單個分光單元不符合工業化生產標準，這種制作方式費時耗力且效率較低，因此可以采用如下制備工藝直接制備得到溝槽結構分光陣列：

實施例2：

一種溝槽結構分光陣列的制備方法，包括部分刻蝕和其后的整體刻蝕，具體步驟如下：

步驟A：部分刻蝕；

首先配制酸性刻蝕液，作為優選實施方式，本發明采用的酸性刻蝕液可以在常溫下對鎳鉻層進行快速高效的刻蝕，縮短了反應時間；所述酸性刻蝕液具體組成包括濃硝酸、濃鹽酸、冰乙酸和水，各組分體積比為濃硝酸∶濃鹽酸∶冰乙酸∶水＝1∶1∶1∶2；

選擇長和寬均為3.6mm，厚度為100μm的鎳鉻片平均劃分為30個小矩形格，每個小矩形格的尺寸為120μm×3.6mm，每個小矩形格內刻蝕工藝同步進行；以下為任意一個小矩形格內刻蝕的具體操作，即為一個分光單元的制備方法：

以每個小矩形鎳鉻片表面兩較短對邊中點連線為對稱軸，將每個小矩形鎳鉻片分為左右對稱的左半部分和右半部分，然后采用光刻工藝分別在兩個部分依次刻蝕，刻蝕先后不做具體限定，本實施例先對左半部分進行刻蝕；

本發明為得到階梯狀斜面均要經過多次光刻，具體地，光刻工藝操作如下：

步驟A1：首先在矩形鎳鉻片表面均勻涂覆正性光刻膠膠，將左半部分進行曝光顯影，然后使用所述酸性刻蝕液對上述曝光顯影后無光刻膠保護部分刻蝕，通過控制反應時間控制刻蝕深度為10μm，刻蝕完成后進行除膠處理；

步驟A2：在前一步驟制得鎳鉻片的表面整體涂覆正性光刻膠，使得左半部分涂覆層和右半部分涂覆層位于同一平面，然后將曝光區域向左外移12μm，再使用酸性刻蝕液對上述曝光顯影后無光刻膠保護部分進行刻蝕，通過控制反應時間控制刻蝕深度為12μm，刻蝕完成后進行除膠處理；

步驟A3：重復步驟A2的操作直至在鎳鉻片左半部分得到階梯狀結構，再對右半部分進行相同操作，得到兩個相互對稱的階梯狀結構。

步驟B：整體刻蝕；采用酸性刻蝕液對步驟A制得的鎳鉻片表面進行整體刻蝕，使得每個小矩形鎳鉻層斜面的階梯結構消失，將制得的多個具有平滑斜面的連續形成的溝槽結構的鎳鉻層放入水中進行超聲清洗，清洗完成后使用高純氮氣吹干，最終制得溝槽結構分光陣列。

實施例3：

一種溝槽結構分光陣列的制備方法，包括部分刻蝕和其后的整體刻蝕，具體步驟如下：

步驟A：部分刻蝕；

首先配制酸性刻蝕液，作為優選實施方式，本發明采用的酸性刻蝕液可以在常溫下對鎳鉻層進行快速高效的刻蝕，縮短了反應時間；所述酸性刻蝕液具體組成包括濃硝酸、濃鹽酸、冰乙酸和水，各組分體積比為濃硝酸∶濃鹽酸∶冰乙酸∶水＝1∶1∶1∶2；

選擇長和寬均為5mm，厚度為100μm的鎳鉻片平均劃分為50個小矩形格，每個小矩形格的尺寸為100μm×5mm，每個小矩形格內刻蝕工藝同步進行；以下為任意一個小矩形格內刻蝕的具體操作，即為一個分光單元的制備方法：

以每個小矩形鎳鉻片表面兩較短對邊中點連線為對稱軸，將每個小矩形鎳鉻片分為左右對稱的左半部分和右半部分，然后采用光刻工藝分別在兩個部分依次刻蝕，刻蝕先后不做具體限定，本實施例先對左半部分進行刻蝕；

本發明為得到階梯狀斜面均要經過多次光刻，具體地，光刻工藝操作如下：

步驟A1：首先在矩形鎳鉻片表面均勻涂覆正性光刻膠膠，將左半部分進行曝光顯影，然后使用所述酸性刻蝕液對上述曝光顯影后無光刻膠保護部分刻蝕，通過控制反應時間控制刻蝕深度為10μm，刻蝕完成后進行除膠處理；

步驟A2：在前一步驟制得鎳鉻片的表面整體涂覆正性光刻膠，使得左半部分涂覆層和右半部分涂覆層位于同一平面，然后將曝光區域向左外移10μm，再使用酸性刻蝕液對上述曝光顯影后無光刻膠保護部分進行刻蝕，通過控制反應時間控制刻蝕深度為10μm，刻蝕完成后進行除膠處理；

步驟A3：重復步驟A2的操作直至在鎳鉻片左半部分得到階梯狀結構，再對右半部分進行相同操作，得到兩個相互對稱的階梯狀結構。

步驟B：整體刻蝕；采用酸性刻蝕液對步驟A制得的鎳鉻片表面進行整體刻蝕，使得每個小矩形鎳鉻層斜面的階梯結構消失，將制得的多個具有平滑斜面的連續形成的溝槽結構的鎳鉻層放入水中進行超聲清洗，清洗完成后使用高純氮氣吹干，最終制得溝槽結構分光陣列。

以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。以上通過具體的實施例對本發明進行了說明，但本發明并不限于這些具體的實施例。本領域技術人員應該明白，還可以對本發明做各種修改、等同替換、變化等等，這些變換只要未背離本發明的精神，都應在本發明的保護范圍之內。