一种防火报警装置用探测器及其制作方法

摘要

本发明公开了一种防火报警装置用探测器，包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底、AlN缓冲层、n型Al0.4Ga0.6N层、i型Al0.4Ga0.6N势垒层、p型Al0.4Ga0.6N层和p型GaN层；所述p型GaN层上还生长有具有周期性的多量子阱相耦合而成的i‑GaN/i‑Al0.3Ga0.7N超晶格结构层；所述i‑GaN/i‑Al0.3Ga0.7N超晶格结构层的顶部生长有GaN纳米线阵列；所述GaN纳米线阵列顶部设有交叉指状电极。本发明集成了GaN纳米线阵列，不仅使得防火报警装置用探测器具有了多功能性的特点，即同时实现了红外光，紫外光和烟雾探测，还有效地降低了误报率。同时能够检测烟雾中的一氧化碳，二氧化硫，二氧化碳，实现了防火报警装置用探测器的多功能性，高可靠性，高准确性，高安全性以及高实用性，使烟雾报警器的运用更加广泛。

说明书

技术领域

本发明涉及防火装置技术领域，尤其是涉及一种防火报警装置用探测器及其制作方法。

背景技术

随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，爆炸等事故，造成严重的经济损失，保护人身和财产安全，防火报警装置用探测器的使用必不可少，它可以严密监测环境中烟雾的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生。

在火灾发生的不同阶段，会产生不同的火灾特征信号。传统的火灾探测器往往是针对单一特征信号，根据不同场所及该场所可能发生的火灾类型来选用探测器，但单一功能的火灾检测器对环境适应性和抗干扰能力较差，误报率也比较高，不能完美地适用于各个场景。烟雾报警器由检测烟雾的感应传感器和声音非常响亮的电子扬声器组成，具有监测烟雾的感应功能，可以探测70％以上的火灾，一般来说，火灾发展过程大致可以分为初期阶段、发展阶段、衰减熄灭阶段。烟雾报警器具有早期探测火灾信号的功能，它们普遍的原理是通过检测烟雾的浓度来实现防范火灾。但其也有很大的弊病，当物质燃烧不产生烟雾时，烟雾报警器无法发挥作用，并且检测距离较短，灵敏度容易受到影响，外部元器件较多，误报率较高，可靠性比较低；传统的红外火灾检测器的原理是当物质在燃烧时，会产生闪烁的红外光辐射，探测器中红外光敏元件会对此感应，并产生电信号，经选频放大器鉴别后发出火灾报警；红外火灾检测器适用于发电厂，博物馆，档案馆，古建筑等场所，但它的不足之处有很多，例如，这种类型的检测器不宜检测有强烈振动的场所，灵敏度比较低，对红外信号响应比较慢，抗误报能力差，判断准确率不高，长时间连续工作性能并不稳定，对声音电磁波以及震动都十分敏感，在红外探测器的实际使用环境中，不仅存在碳氢或含碳化合物燃烧产生的红外辐射，同时也存在白炽灯、荧光灯、卤素灯等人工光源辐射和背景辐射发出的红外干扰辐射，这种复杂的检测环境不仅降低了红外火焰探测器的探测距离，而且容易造成误报。所以使用的地方受到一定的限制，它的检测距离小于45m。传统的紫外火灾检测器的原理是火灾发生时，大量的紫外光通过透紫玻璃片射入光敏管，光电子受到电场的作用而加速；由于管内充有一定的惰性气体，当光电子与气体分子碰撞时，惰性气体分子被电离成正离子和负离子(电子)，而电离后产生的正、负离子又在强电场的作用下被加速，从而使更多的气体分子电离。于是在极短的时间内，造成“雪崩”式放电过程，使紫外光敏管导通，产生报警信号。紫外火灾检测器的缺点有探测性能易受浓烟和火花的影响，由于紫外辐射在空气中传播时衰减很快，所以对此类探测器安装应尽量靠近保护对象的附近距离(小于40m)，并且易受宇宙脉和不能抗雷电的干扰，存在一定的误报率，因此只用在距离较短的封闭环境，如加热炉、工业锅炉等地方。并且传统的紫外火灾探测器因为区别瞬时产生的紫外辐射和单个尖峰紫外辐射是困难的，特别是当报警器已经确定了灵敏度值的情况下，这样就容易产生虚警。

尽管针对不同的场景可以用不同类型的火灾报警器，但是目前防火报警装置用探测器功能的单一性，阻碍了防火报警装置用探测器的广泛运用。但同时装置三种功能报警器，则在成本上，会非常昂贵，此外，系统复杂、不能在恶劣高温环境下工作，这对可靠性，及时性，稳定性和安全性的保证都非常不利。

发明内容

本发明的目的是提供针对现有技术的不足之处而提出一种防火报警装置用探测器极其制作方法。

实现本发明目的的技术方案是：一种防火报警装置用探测器，包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底、AlN缓冲层、n型Al0.4Ga0.6N层、i型Al0.4Ga0.6N势垒层、p型Al0.4Ga0.6N层和p型GaN层；所述p型GaN层上还生长有具有周期性的多量子阱相耦合而成的i-GaN/i-Al0.3Ga0.7N超晶格结构层；所述i-GaN/i-Al0.3Ga0.7N超晶格结构层的顶部生长有GaN纳米线阵列；所述GaN纳米线阵列顶部设有交叉指状电极；所述 n型Al0.4Ga0.6N层、p型GaN层和i-GaN/i-Al0.3Ga0.7N超晶格结构层上均设有电源接线端。

i-GaN/i-Al0.3Ga0.7N超晶格结构层的顶部还设有包覆有BCB薄膜层。

一种防火报警装置用探测器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将蓝宝石衬底、AlN缓冲层、n型Al0.4Ga0.6N层、i型Al0.4Ga0.6N势垒层、 p型Al0.4Ga0.6N层和p型GaN层由下至上依次设置；

S2：在p型GaN层上叠加生长出Al

S3：在i-GaN/i-Al0.3Ga0.7N超晶格结构层的顶部生长GaN纳米线阵列；

S4：在i型Al

S5：在GaN纳米线阵列的顶部添加交叉指状电极；

S6：在n型Al0.4Ga0.6N层、p型GaN层和i-GaN/i-Al0.3Ga0.7N超晶格结构层上分别设置电源接线端。

所述S4中还包括：采用反应离子蚀刻工艺对BCB膜进行蚀刻。

所述S4中，BCB薄膜层包裹住纳米线1/3的高度。

采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：(1)本发明集成了GaN纳米线阵列，不仅使得防火报警装置用探测器具有了多功能性的特点，即同时实现了红外光，紫外光和烟雾探测，还有效地降低了误报率。对于烟雾信号的探测，烟雾信号的探测被火灾持续时间的长短所影响；而对于红外与紫外信号的探测，可以用防火报警装置用探测器对火灾中火源发出的红外或者紫外信号的响应度与火灾持续时间的关系来给出；而且GaN纳米线阵列可以耐高温，大大地提高了环境适应性能力和抗干扰能力强，同时能够检测烟雾中的一氧化碳，二氧化硫，二氧化碳，实现了防火报警装置用探测器的多功能性，高可靠性，高准确性，高安全性以及高实用性，使烟雾报警器的运用更加广泛。

(2)本发明设置了BCB薄膜层，能够保证纳米线的固定效果，同时保证了纳米线的绝缘性。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的GaN纳米线阵列探测灵敏度与气体浓度之间的关系曲线图。

图3为本发明的防火报警装置用探测器在常温下对红外光的光谱响应率的曲线图。

图4为本发明的防火报警装置用探测器在常温下对紫外光的光谱响应率的曲线图。

附图中的标号为：

蓝宝石衬底1、AlN缓冲层2、n型Al0.4Ga0.6N层3、欧姆电极31、i型Al0.4Ga0.6N 势垒层4、p型Al0.4Ga0.6N层5、p型GaN层6、欧姆电极61、i-GaN/i-Al0.3Ga0.7N 超晶格结构层7、欧姆电极71、GaN纳米线阵列8、交叉指状电极81、叉指电极811、叉指电极812、BCB薄膜层9。

具体实施方式

(实施例1)

见图1，本实施例的防火报警装置用探测器，包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底1、AlN缓冲层2、n型Al0.4Ga0.6N层3、i型Al0.4Ga0.6N势垒层4、p型Al0.4Ga0.6N 层5和p型GaN层6。p型GaN层6上还生长有具有周期性的多量子阱相耦合而成的 i-GaN/i-Al0.3Ga0.7N超晶格结构层7；i-GaN/i-Al0.3Ga0.7N超晶格结构层7的顶部生长有GaN纳米线阵列8；GaN纳米线阵列8顶部设有交叉指状电极81，并且在两个交叉指状电极81上分别设置两个接线端，分别为叉指电极811和叉指电极812。n型 Al0.4Ga0.6N层3、p型GaN层6和i-GaN/i-Al0.3Ga0.7N超晶格结构层7上均设有电源接线端，分别为欧姆电极31、欧姆电极61与欧姆电极71。

i-GaN/i-Al0.3Ga0.7N超晶格结构层7的顶部还设有包覆有BCB薄膜层9。

上述防火报警装置用探测器的制作方法，包括以下步骤：

S1：将蓝宝石衬底1、AlN缓冲层2、n型Al0.4Ga0.6N层3、i型Al0.4Ga0.6N势垒层4、p型Al0.4Ga0.6N层5和p型GaN层6由下至上依次设置；

S2：在p型GaN层6上叠加生长出Al

S3：在i-GaN/i-Al0.3Ga0.7N超晶格结构层7的顶部生长GaN纳米线阵列8；

GaN纳米线阵列8的生长与工艺，采用以下步骤：

a1，采用MOCVD直接在i-GaN/i-Al0.3Ga0.7N超晶格结构层7顶部生长GaN纳米线阵列8。

a2，GaN纳米线阵列8的选择性区域生长是通过结构氮化钛掩模来实现的，

a3，再用电子束抗蚀剂覆盖。电子束抗蚀剂由不同直径和周期的孔阵构成，在氢氟酸溶液中通过湿法化学腐蚀将结构转移到钛层中。

a4，在其生长之前，钛掩模的衬底温度为400摄氏度的氮等离子体中暴露15分钟，以将普通的钛转化为更稳定的氮化钛。

a5，在100min的生长时间后，GaN纳米线的直径与掩模的孔径将成线性关系。在测量之前，在浓氢氟酸溶液中，通过湿法化学腐蚀去除MOCVD生长过程中传热所需的衬底背面的金属化和氮化钛掩模。

S4：在i型Al

S5：在GaN纳米线阵列8的顶部添加交叉指状电极81，添加交叉指状电极81将增强对纳米线阵列信号的探测灵敏度；也可以减少电极对烟雾和红外光的阻挡作用；

S6：在n型Al0.4Ga0.6N层3、p型GaN层6和i-GaN/i-Al0.3Ga0.7N超晶格结构层 7上分别设置电源接线端。

本实施例的防火报警装置用探测器可以调节GaN纳米线的长度，入射的红外光在GaN纳米线底部区域耦合效果最好。增加了GaN纳米线长度就意味着可以发生光催化反应的表面积增加，增加纳米线长度将有利于光催化应用，因此，也产生了更宽的透射特征。

本实施例的防火报警装置用探测器还可以改变GaN纳米线的直径，通过改变直径，就可以改变GaN纳米线的透射特性以及纳米线阵列与光的耦合效率，以最大化对红外光的束缚和对烟雾的探测。GaN纳米线直径的变化导致特定模式下不同的耦合效率。

本实施例的防火报警装置用探测器还可以改变GaN纳米线阵列8中的纳米线排列周期，周期越大(越密集)的纳米线阵列，入射光与纳米线阵列的耦合效果将越好，并且对纳米线阵列的透射率的提升和对烟雾的探测与对入射光的束缚也很有意义。

本实施例的防火报警装置用探测器探测烟雾的功能：在叉指电极811和叉指电极812间施加上了约3.5V的偏置电压：(a)显示了当温度在450K时，GaN纳米线阵列8 对CO的探测结果；(b)显示了当温度在450K时，GaN纳米线阵列8对SO

红外的探测功能：在欧姆电极61与欧姆电极71之间施加上了约3.5V的反偏电压。图3显示了本发明防火报警装置用探测器(AlGaN/GaN超晶格结构与GaN纳米线阵列8 部分)在常温下(300K)对红外光的光谱响应率，黑色曲线部分显示了本发明的防火报警装置用探测器在未集成GaN纳米线阵列8时(传统的AlGaN/GaN超晶格结构)，对红外光的光谱响应率；红色曲线部分显示了当GaN纳米线直径在600nm时，防火报警装置用探测器对红外光的光谱响应率；蓝色曲线部分显示了当GaN纳米线直径在600nm时，且纳米线的直径与纳米线阵列的排列周期之比为0.2时(p＝3000nm，d/p＝0.2)时，防火报警装置用探测器对红外光的光谱响应率。如图3所示，防火报警装置用探测器在未集成 GaN纳米线阵列8时对红外光的峰值响应率约为1.03A/W；当GaN纳米线的直径在 600nm时，纳米线阵列会将器件对红外光的峰值响应率增加到1.24A/W左右；当GaN 纳米线的直径在600nm且纳米线阵列里纳米线的节距(即纳米线阵列排列的周期p)在3000nm时，纳米线阵列会将器件对红外光的峰值响应率增加到1.43A/W左右；并且在三种条件下，防火报警装置用探测器对红外光探测的峰值波长都在3.8μm左右；由于强烈的大气吸收，在4.2μm处，三种情况下对红外光的响应率都为0。在下一个波峰处 (约4.6μm)时，因为GaN纳米线阵列8本身对红外光的耦合效果并没有像3.8μm时来得更强烈，所以尽管是在后面两种情况下(即GaN纳米线的直径在600nm；GaN纳米线的直径在600nm且纳米线阵列里纳米线的节距在3000nm时)，纳米线阵列仅仅使防火报警装置用探测器对红外光的响应率相较于传统的AlGaN/GaN超晶格结构，增加的量不会太多，增量分别约0.08A/W；0.18A/W(即在后面两种条件下，在4.6μm处的响应率分别为0.48A/W；0.58A/W)。从上面的分析结果看，适当调节GaN纳米线的直径和纳米线阵列的排列周期，确实可以增强防火报警装置用探测器对红外光的探测能力。图 3中的防火报警装置用探测器对红外光响应率的测量是用一种由振荡器和一种以1kHz 的重复频率产生1.5mJ，800nm，120fs脉冲的啁啾脉冲放大器组成的飞秒激光放大装置来作为红外测试光源的，这种装置能产生3-12μm左右的可调谐红外光。由图可以看出本发明的防火报警装置用探测器对红外光有较强的响应时，三种条件下的峰值响应率分别约为1.03，1.24，1.43A/W；对红外的比探测率约为1.3×1010cm·Hz1/2·W-1；最大探测半经约为30m。

对于紫外的探测功能：如图4部分，在欧姆电极61与欧姆电极31之间施加上了约5V的反偏电压，图4显示了防火报警装置用探测器(AlGaN探测器部分)在常温下(300K) 对紫外光的光谱响应率，图4中的p-i-nAlGaN探测器对紫外光响应率的测量是用一种高强度氙灯和单色仪来作为紫外测试光源的，并用Newport-1779紫外增强型硅光电探测器对紫外光源进行了校准；当波长为265nm时，AlGaN探测器的峰值响应率达到最大，约为0.122A/W；对紫外的比探测率约为9.6×1010cm·Hz1/2·W-1；最大探测半经约为40m。

根据国标GB4715-2005对防火报警装置用探测器的设计标准要求以及多次对本发明防火报警装置用探测器进行性能测试，结果显示：当空气温度达到约160℃时，持续时间约为2min时，本发明的防火报警装置用探测器就可以对烟雾产生响应；对于红外或者对于紫外的探测，由于防火报警装置用探测器在常温下能探测到3-8μm左右的红外信号和约260-290nm左右的紫外信号，所以就表明防火报警装置用探测器能探测到由于温度发生变化导致的红外信号和紫外信号的变化。对于红外探测，最大的峰值响应率约为1.43A/W，对于紫外探测，最大的峰值响应率约为0.122A/W，并可以在火灾发生前的约30min内实现预警，确保了系统的高灵敏性和高可靠性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。