紅外探測器及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種紅外探測器及其制備方法。探測器為絕緣基底上置有由M相二氧化釩粉體組成的壓片，壓片的表面覆有間距為0.8～1.2mm的一對電極，組成壓片的M相二氧化釩粉體的密度為3.8～4.8g/cm3，粉體的粒徑為0.5～2.5μm，壓片的厚度為100～400μm；方法為先將五氧化二釩、二水合草酸和去離子水混合后攪拌，再將其置于密閉狀態下反應，得到含有沉淀物的反應液，之后，先對含有沉淀物的反應液進行固液分離、洗滌和干燥的處理，再將其置于惰性氣氛中退火，得到M相二氧化釩粉體，最后，先將M相二氧化釩粉體置于模具中壓制成片，再于壓片的表面依次進行掩膜、離子濺射噴金的處理后，將其置于絕緣基底上并去除掩膜，制得目的產物。它可廣泛地用于紅外探測領域。
【專利說明】紅外探測器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種探測器及制備方法，尤其是一種紅外探測器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]紅外探測可以讓人們在肉眼難以觀察的夜間環境下對目標實施探測與跟蹤，隨著技術的發展和市場的需求，安防、交通、儀器運行的實時監測等越來越多的領域需要紅外探測技術。目前，常用的紅外探測器多為光子型紅外探測器，也稱光電型探測器，它是利用外光電效應或內光電效應制成的輻射探測器，探測器中的電子直接吸收光子的能量，使運動狀態發生變化而產生電信號。利用外光電效應制成的光子型探測器是真空電子器件，如光電管、光電倍增管和紅外變像管等；利用內光電效應制成的光子型探測器，是用半導體材料制成的固態電子器件，主要包括光電導探測器和光伏型探測器等。這兩種不同類型的紅外探測器雖都能勝任紅外探測，卻也不同程度地存在著不盡人意之處，如，利用外光電效應制成的光子型探測器的體積偏大，在使用過程中自身易發熱；利用內光電效應制成的光子型探測器中的截止波長較長的半導體光子型紅外探測器，其大多數必須在較低溫度下工作，如77K，38K或4.2Κ。這種同一半導體光子型紅外探測器在室溫下的探測率明顯低于低溫下的探測率，為了保持半導體光子型探測器的正常工作，常需把探測器置于低溫容器(杜瓦瓶)中，或用微型致冷器使探測器達到較低的工作溫度。
【發明內容】
[0003]本發明要解決的技術問題為克服上述各種技術方案的局限性，提供一種結構合理、實用，使用方便的紅外探測器。
[0004]本發明要解決的另一個技術問題為提供一種上述紅外探測器的制備方法。
[0005]為解決本發明的技術問題，所采用的技術方案為:紅外探測器包括絕緣基底，特別是，
[0006]所述絕緣基底上置有由M相二氧化釩粉體組成的壓片，所述壓片的表面覆有間距為0.8?1.2mm的一對電極；
[0007]所述組成壓片的M相二氧化釩粉體的密度為3.8?4.8g/cm3，其由粒徑為0.5?2.5 μ m的M相二氧化釩顆粒構成；
[0008]所述壓片的厚度為100?400 μ m。
[0009]作為紅外探測器的進一步改進:
[0010]優選地，表面覆有一對電極的壓片的外表面封裝有氟化鈣；避免了外部環境對目的產物的不良影響。
[0011]所述的M相二氧化釩顆粒為片狀梯形，或片狀長方形，或片狀圓形，或片狀橢圓形。
[0012]較好的是壓片為圓形壓片，其直徑為3?5mm ;便于目的產物的制作和使用。
[0013]為解決本發明的另一個技術問題，所采用的另一個技術方案為:上述紅外探測器的制備方法包括水熱法，特別是主要步驟如下:
[0014]步驟1，先按照重量比為1.8?2.2:1:100?2000的比例將五氧化二釩(V205)、二水合草酸(C2H2O4.2H20)和去離子水相混合，并于35?45°C下攪拌至少4h，得到草酸氧釩(VOC2O4)前驅體溶液，再將草酸氧釩前驅體溶液置于密閉狀態，于200?240°C下反應至少
0.5d，得到含有沉淀物的反應液；
[0015]步驟2，先對含有沉淀物的反應液進行固液分離、洗滌和干燥的處理，得到B相二氧化釩粉體，再將B相二氧化釩粉體置于惰性氣氛中，于450?650°C下退火60?240min，得到M相二氧化釩粉體；
[0016]步驟3，先將M相二氧化釩粉體置于模具中，于壓強為20?IOOMpa下壓制成片，得到壓片，再于壓片的表面依次進行掩膜、離子濺射噴金的處理后，將其置于絕緣基底上并去除掩膜，制得紅外探測器。
[0017]作為紅外探測器的制備方法的進一步改進:
[0018]優選地，于紅外探測器的表面封裝氟化鈣。
[0019]優選地，固液分離處理為離心分離，離心分離的轉速為6000?10000r/min、時間為3?8min ;易于有效地分離固態物。
[0020]優選地，洗滌處理為使用去離子水和乙醇對分離得到的固態物進行2?3次的交替清洗，清洗時分離固態物為離心分離；利于徹底地排除雜質。
[0021]優選地，干燥處理為將清洗后的固態物置于60?80°C下烘干。
[0022]優選地，B相二氧化釩粉體由室溫至退火溫度的升溫速率為2.5?3.5°C /min。
[0023]相對于現有技術的有益效果是:
[0024]其一，對制得的目的產物中的光電轉換材料——M相二氧化釩粉體使用掃描電鏡和X射線衍射儀進行表征，由其結果可知，M相二氧化釩粉體的粒徑為0.5?2.5 μ m、形貌為片狀梯形，或片狀長方形，或片狀圓形，或片狀橢圓形。這種由微米級的M相二氧化釩粉體組裝成的目的產物，由于M相二氧化釩是一種莫特相變材料，相變發生時其電阻率會發生很大的變化，故可將其作為熱探測類型紅外探測器的核心材料。在將M相二氧化釩粉體以恰當的密度壓制成合適厚度的片狀物，并于其表面設置一對電極和感光帶——該一對電極間的間距，使目的產物成為了熱探測類紅外探測器件。從而當紅外光入射時，目的產物中的M相二氧化釩的溫度會發生變化，從而導致其電阻率發生改變，通過測量一對電極間的電阻變化，就可確定入射的紅外光的強度。這種屬于熱探測器類型的紅外探測器與光子型探測器相比，既具有不需制冷，在非制冷狀態下表現出了極好的探測效果；又有著測量數據可靠；還有著測量成本低廉的優點。
[0025]其二，將制得的目的產物作為紅外探測器件，置于發射波長范圍為I?20 μ m的紅
外光源-功率為100W的娃碳棒30cm處,且測試環境溫度< 100°C下,一對電極間的外加
電壓為O?IV時，使用變溫電學性能探測儀對其進行多次多批量的測試，其結果顯示出，目的產物于常溫下的紅外光探測效果非常的好。
[0026]其三，制備方法簡單、科學、高效，不僅制得了結構合理、實用，使用方便的目的產物——紅外探測器，還使其具有了常溫下探測紅外光的性能；更有著工藝簡單、制造成本低廉，適于大規模工業化生產的特點；進而使目的產物極易于廣泛地應用于紅外探測領域。【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]下面結合附圖對本發明的優選方式作進一步詳細的描述。
[0028]圖1是對制備過程中獲得的B相二氧化釩粉體和M相二氧化釩粉體使用掃描電鏡(SEM)進行表征的結果之一。其中，圖1a為退火前的B相二氧化釩粉體的SEM圖像，圖1b為退火后的M相二氧化釩粉體的SEM圖像。
[0029]圖2是對制備過程中獲得的B相二氧化釩粉體和M相二氧化釩粉體使用X射線衍射(XRD)儀進行表征的結果之一。其中，圖2a為未退火的B相二氧化釩的XRD譜圖，圖2b為已退火的M相二氧化釩的XRD譜圖；由譜圖中的衍射峰可知，未退火的二氧化釩為非常純凈的B相，已退火的二氧化釩為非常純凈的M相。
[0030]圖3是對制得的目的產物使用變溫電學性能探測儀進行表征的結果之一，表征時紅外光發射波長的范圍為I?20 μ m、一對電極間的外加電壓為O?IV。其中，圖3a為測試環境溫度為320K時的目的產物的伏安曲線，圖中的曲線I為無紅外光照射時的伏安曲線，曲線2為紅外光照射2s時的伏安曲線，曲線3為紅外光照射58s時的伏安曲線，曲線4為紅外光照射106s時的伏安曲線；圖3b為測試環境溫度為350K時的目的產物的伏安曲線，圖中的曲線I為無紅外光照射時的伏安曲線，曲線2為紅外光照射2s時的伏安曲線，曲線3為紅外光照射58s時的伏安曲線，曲線4為紅外光照射106s時的伏安曲線。由圖3可看出，測試環境溫度為350K時的紅外光照射目的產物同樣的時間，其電流增加幅度比測試環境溫度為320K時的大。
[0031]圖4是對制得的目的產物使用變溫電學性能探測儀進行表征的結果之一，表征時紅外光發射波長的范圍為I?20μηι、一對電極間的外加電壓為IV。其中，圖4a為無紅外光入射時，目的產物的電流隨測試環境溫度的變化曲線；圖4b中的曲線分別為紅外光照射2s,58s和106s后，目的產物的電流I與無紅外光照射時目的產物的電流Itl差值的比例:(1-1q)AqX 100%。由圖4a的測試結果可知，目的產物的工作電流隨溫度的增加而增加；由圖4b的測試結果可知，當溫度在80?335K時，目的產物對紅外光的響應幅度隨溫度的增加而逐漸減小，即便響應幅度減小，但目的產物在室溫附近(300K左右)的響應幅度依然能很容易的檢測到，這說明目的產物在室溫時依然有效，當溫度在340?350K時，目的產物對紅外光的響應幅度最大，說明此溫度區間目的產物的探測效率最高，這是因為此溫度區間M相二氧化釩處于相變過程，微小的溫度變化會導致很大的電阻變化，因此，當紅外光照射時，響應幅度會很大。
【具體實施方式】
[0032]首先從市場購得或用常規方法制得:
[0033]五氧化二釩；二水合草酸；去離子水；氟化鈣；作為絕緣基底的石英片；乙醇；掩膜用的銅箔。
[0034]接著，
[0035]實施例1
[0036]制備的具體步驟為:
[0037]步驟1，先按照重量比為1.8:1:2000的比例將五氧化二釩、二水合草酸和去離子水相混合，并于35°C下攪拌12h，得到草酸氧釩前驅體溶液。再將草酸氧釩前驅體溶液置于密閉狀態，于200°C下反應6d，得到含有沉淀物的反應液。
[0038]步驟2，先對含有沉淀物的反應液進行固液分離、洗滌和干燥的處理；其中，固液分離處理為離心分離，離心分離的轉速為6000r/min、時間為8min，洗滌處理為使用去離子水和乙醇對分離得到的固態物進行2次的交替清洗，清洗時分離固態物為離心分離，干燥處理為將清洗后的固態物置于60°C下烘干，得到近似于圖1a所示，以及如圖2a中曲線所示的B相二氧化釩粉體。再將B相二氧化釩粉體置于惰性氣氛中，于450°C下退火240min ;其中，B相二氧化釩粉體由室溫至退火溫度的升溫速率為2.5°C /min，得到近似于圖1b所示，以及如圖2b中曲線所示的M相二氧化釩粉體。
[0039]步驟3，先將M相二氧化釩粉體置于直徑為3mm的圓柱形模具中，于壓強為20Mpa下壓制成片，得到壓片。再于壓片的表面依次進行掩膜、離子濺射噴金的處理后，將其置于絕緣基底上并去除掩膜；其中，掩膜用的銅箔的寬度為0.8mm，濺射噴金時的電流為20mA，時間為12min，絕緣基底為石英片，制得紅外探測器。最后，于紅外探測器的表面封裝氟化鈣，得到如圖3和圖4中的曲線所示的外封氟化鈣的目的產物。
[0040]實施例2
[0041]制備的具體步驟為:
[0042]步驟1，先按照重量比為1.9:1:1500的比例將五氧化二釩、二水合草酸和去離子水相混合，并于38°C下攪拌10h，得到草酸氧釩前驅體溶液。再將草酸氧釩前驅體溶液置于密閉狀態，于210°C下反應4.5d,得到含有沉淀物的反應液。
[0043]步驟2，先對含有沉淀物的反應液進行固液分離、洗滌和干燥的處理；其中，固液分離處理為離心分離，離心分離的轉速為7000r/min、時間為7min，洗滌處理為使用去離子水和乙醇對分離得到的固態物進行3次的交替清洗，清洗時分離固態物為離心分離，干燥處理為將清洗后的固態物置于65°C下烘干，得到近似于圖1a所示，以及如圖2a中曲線所示的B相二氧化釩粉體。再將B相二氧化釩粉體置于惰性氣氛中，于500°C下退火195min ;其中，B相二氧化釩粉體由室溫至退火溫度的升溫速率為2.8°C /min，得到近似于圖1b所示，以及如圖2b中曲線所示的M相二氧化釩粉體。
[0044]步驟3，先將M相二氧化釩粉體置于直徑為3.5mm的圓柱形模具中，于壓強為40Mpa下壓制成片，得到壓片。再于壓片的表面依次進行掩膜、離子濺射噴金的處理后，將其置于絕緣基底上并去除掩膜；其中，掩膜用的銅箔的寬度為0.9_，濺射噴金時的電流為25mA，時間為llmin，絕緣基底為石英片，制得紅外探測器。最后，于紅外探測器的表面封裝氟化鈣，得到如圖3和圖4中的曲線所示的外封氟化鈣的目的產物。
[0045]實施例3
[0046]制備的具體步驟為:
[0047]步驟1，先按照重量比為2:1:1000的比例將五氧化二釩、二水合草酸和去離子水相混合，并于40°C下攪拌8h，得到草酸氧釩前驅體溶液。再將草酸氧釩前驅體溶液置于密閉狀態，于220°C下反應3d，得到含有沉淀物的反應液。
[0048]步驟2，先對含有沉淀物的反應液進行固液分離、洗滌和干燥的處理；其中，固液分離處理為離心分離，離心分離的轉速為8000r/min、時間為6min，洗滌處理為使用去離子水和乙醇對分離得到的固態物進行2次的交替清洗，清洗時分離固態物為離心分離，干燥處理為將清洗后的固態物置于70°C下烘干，得到如圖1a所示，以及如圖2a中曲線所示的B相二氧化釩粉體。再將B相二氧化釩粉體置于惰性氣氛中，于550°C下退火150min ;其中，B相二氧化釩粉體由室溫至退火溫度的升溫速率為3°C /min，得到如圖1b所示，以及如圖2b中曲線所示的M相二氧化釩粉體。
[0049]步驟3，先將M相二氧化釩粉體置于直徑為4_的圓柱形模具中，于壓強為60Mpa下壓制成片，得到壓片。再于壓片的表面依次進行掩膜、離子濺射噴金的處理后，將其置于絕緣基底上并去除掩膜；其中，掩膜用的銅箔的寬度為1_，被置于圓形壓片的最大直徑處，濺射噴金時的電流為30mA，時間為lOmin，絕緣基底為石英片，制得紅外探測器。最后，于紅外探測器的表面封裝氟化鈣，得到如圖3和圖4中的曲線所示的外封氟化鈣的目的產物。
[0050]實施例4
[0051]制備的具體步驟為:
[0052]步驟1，先按照重量比為2.1:1:500的比例將五氧化二釩、二水合草酸和去離子水相混合，并于43°C下攪拌6h，得到草酸氧釩前驅體溶液。再將草酸氧釩前驅體溶液置于密閉狀態，于230°C下反應1.5d，得到含有沉淀物的反應液。
[0053]步驟2，先對含有沉淀物的反應液進行固液分離、洗滌和干燥的處理；其中，固液分離處理為離心分離，離心分離的轉速為9000r/min、時間為5min，洗滌處理為使用去離子水和乙醇對分離得到的固態物進行3次的交替清洗，清洗時分離固態物為離心分離，干燥處理為將清洗后的固態物置于75°C下烘干，得到近似于圖1a所示，以及如圖2a中曲線所示的B相二氧化釩粉體。再將B相二氧化釩粉體置于惰性氣氛中，于600°C下退火105min ;其中，B相二氧化釩粉體由室溫至退火溫度的升溫速率為3.3°C /min，得到近似于圖1b所示，以及如圖2b中曲線所示的M相二氧化釩粉體。
[0054]步驟3，先將M相二氧化釩粉體置于直徑為4.5mm的圓柱形模具中，于壓強為SOMpa下壓制成片，得到壓片。再于壓片的表面依次進行掩膜、離子濺射噴金的處理后，將其置于絕緣基底上并去除掩膜；其中，掩膜用的銅箔的寬度為1.1_，濺射噴金時的電流為35mA,時間為9min，絕緣基底為石英片，制得紅外探測器。最后，于紅外探測器的表面封裝氟化鈣，得到如圖3和圖4中的曲線所示的外封氟化鈣的目的產物。
[0055]實施例5
[0056]制備的具體步驟為:
[0057]步驟1，先按照重量比為2.2:1:100的比例將五氧化二釩、二水合草酸和去離子水相混合，并于45°C下攪拌4h，得到草酸氧釩前驅體溶液。再將草酸氧釩前驅體溶液置于密閉狀態，于240°C下反應0.5d，得到含有沉淀物的反應液。
[0058]步驟2，先對含有沉淀物的反應液進行固液分離、洗滌和干燥的處理；其中，固液分離處理為離心分離，離心分離的轉速為10000r/min、時間為3min，洗滌處理為使用去離子水和乙醇對分離得到的固態物進行2次的交替清洗，清洗時分離固態物為離心分離，干燥處理為將清洗后的固態物置于80°C下烘干，得到近似于圖1a所示，以及如圖2a中曲線所示的B相二氧化釩粉體。再將B相二氧化釩粉體置于惰性氣氛中，于650°C下退火60min ；其中，B相二氧化釩粉體由室溫至退火溫度的升溫速率為3.50C /min，得到近似于圖1b所示，以及如圖2b中曲線所示的M相二氧化釩粉體。
[0059]步驟3，先將M相二氧化釩粉體置于直徑為5_的圓柱形模具中，于壓強為IOOMpa下壓制成片，得到壓片。再于壓片的表面依次進行掩膜、離子濺射噴金的處理后，將其置于絕緣基底上并去除掩膜；其中，掩膜用的銅箔的寬度為1.2mm，濺射噴金時的電流為40mA，時間為8min，絕緣基底為石英片，制得紅外探測器。最后，于紅外探測器的表面封裝氟化鈣，得到如圖3和圖4中的曲線所示的外封氟化鈣的目的產物。
[0060]顯然，本領域的技術人員可以對本發明的紅外探測器及其制備方法進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若對本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1.一種紅外探測器，包括絕緣基底，其特征在于: 所述絕緣基底上置有由M相二氧化釩粉體組成的壓片，所述壓片的表面覆有間距為0.8?1.2mm的一對電極； 所述組成壓片的M相二氧化釩粉體的密度為3.8?4.8g/cm3，其由粒徑為0.5?2.5 μ m的M相二氧化釩顆粒構成； 所述壓片的厚度為100?400 μ m。
2.根據權利要求1所述的紅外探測器，其特征是表面覆有一對電極的壓片的外表面封裝有氟化鈣。
3.根據權利要求2所述的紅外探測器，其特征是M相二氧化釩顆粒為片狀梯形，或片狀長方形，或片狀圓形，或片狀橢圓形。
4.根據權利要求3所述的紅外探測器，其特征是壓片為圓形壓片，其直徑為3?5_。
5.一種權利要求1所述紅外探測器的制備方法，包括水熱法，其特征在于主要步驟如下: 步驟I，先按照重量比為1.8?2.2:1:100?2000的比例將五氧化二釩、二水合草酸和去離子水相混合，并于35?45°C下攪拌至少4h，得到草酸氧釩前驅體溶液，再將草酸氧釩前驅體溶液置于密閉狀態，于200?240°C下反應至少0.5d，得到含有沉淀物的反應液； 步驟2，先對含有沉淀物的反應液進行固液分離、洗滌和干燥的處理，得到B相二氧化釩粉體，再將B相二氧化釩粉體置于惰性氣氛中，于450?650°C下退火60?240min，得到M相二氧化釩粉體； 步驟3，先將M相二氧化釩粉體置于模具中，于壓強為20?IOOMpa下壓制成片，得到壓片，再于壓片的表面依次進行掩膜、離子濺射噴金的處理后，將其置于絕緣基底上并去除掩膜，制得紅外探測器。
6.根據權利要求5所述的紅外探測器的制備方法，其特征是于紅外探測器的表面封裝氟化鈣。
7.根據權利要求6所述的紅外探測器的制備方法，其特征是固液分離處理為離心分離，離心分離的轉速為6000?10000r/min、時間為3?8min。
8.根據權利要求7所述的紅外探測器的制備方法，其特征是洗滌處理為使用去離子水和乙醇對分離得到的固態物進行2?3次的交替清洗，清洗時分離固態物為離心分離。
9.根據權利要求8所述的紅外探測器的制備方法，其特征是干燥處理為將清洗后的固態物置于60?80°C下烘干。
10.根據權利要求6所述的紅外探測器的制備方法，其特征是B相二氧化釩粉體由室溫至退火溫度的升溫速率為2.5?3.5°C /min。
【文檔編號】H01L31/09GK103928559SQ201410146526
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月11日 優先權日:2014年4月11日
【發明者】張陽, 費廣濤, 霍鵬程, 付文標, 歐陽浩淼, 高旭東 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院