采用各向異性熱電材料的激光電源傳感器的制造方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年7月17日提交的美國專利申請No. 13/944,835的優(yōu)先權，所述專 利申請的全部公開在此通過引用并入本文。
技術領域
[0003] 本發(fā)明總體設及激光福射檢測器。本發(fā)明具體設及采用橫向熱電效應的激光福射 檢測器。
【背景技術】
[0004] 激光福射檢測器(傳感器)被用于激光器應用中，其中需要測量或者監(jiān)測激光福射 功率。功率測量可簡單地通過記錄-保持來獲取或者作為一些閉合回路控制裝置的一部分。 常用的福射檢測器基于光電二極管或熱電堆。
[0005] 基于光電二極管的傳感器通過將被測量的福射的光子能轉換成光電二極管中的 電子-空穴對從而產(chǎn)生相應的電流來檢測激光福射，運被用作激光福射功率的測量。光電二 極管傳感器具有相對快的時間響應，其中上升時間通常小于1微秒(ys)。光電二極管檢測器 的缺點在于受限的頻率響應。該頻率響應由用于形成光電二極管的具體半導體材料確定。 舉例來說，基于娃的光電二極管傳感器具有介于大約0.2微米(WH)和大約2.Owii之間的光譜 接受帶寬。光電二極管的第二個限制是相對低的光學功率飽和。光電二極管通常受限為小 于大約100毫瓦(mW)的激光功率的直接測量。
[0006] 熱電堆傳感器包括吸收福射的固體元件，從而使得該元件加熱。與該元件接觸的 一個或多個熱電偶產(chǎn)生表示入射在該元件上的激光福射功率的電流或電壓。熱電堆傳感器 具有相對于光電二極管檢測器較慢的響應時間。該響應時間取決于傳感器元件的尺寸。舉 例來說，具有19毫米(mm)和200mm的孔的放射式熱電堆的響應時間分別大約為1秒和30秒。 熱電堆傳感器的頻率響應取決于傳感器的吸收頻譜。通過對傳感器適當選擇和配置，頻率 響應可從紫外化V)波長擴展至遠紅外波長。利用適當?shù)臒岢?，熱電堆傳感器可測量高達10 千瓦化W)的激光功率。
[0007] -種相對新的檢測器類型已經(jīng)被提出來用于提供可與光電二極管檢測器比擬的 時間響應W及可與熱電堆檢測器比擬的頻率響應，該新的檢測器類型基于使用一層各向異 性橫向熱電材料作為檢測器元件。通過W定向的多晶結晶形式生長材料來形成運種各向異 性層，其中晶體W不與該層的平面正交的方式傾斜。
[000引各向異性層吸收將被測量的福射從而加熱該層。運就產(chǎn)生了與該層垂直的方向上 的通過各向異性材料的熱梯度。該熱梯度繼而又產(chǎn)生了與該熱梯度正交的電場。該電場正 比于被吸收的入射福射的強度。運種檢測器可被稱為橫向熱電效應檢測器。如果各向異性 層做得足夠薄，例如僅僅幾微米厚，則檢測器的響應時間將能夠與光電二極管檢測器的響 應時間的相比擬。頻率響應僅僅受限于各向異性材料的吸光率。缺點在于，橫向熱電效應相 對于光電二極管的響應較弱。
[0009] 授權給I'akahasM等人的美國專利齡.8，129,689(^下稱為1'曰1?111曰3111)中描述了 一種橫向熱電效應檢測器。TakahasM試圖通過提供在透明結晶襯底的相對側上生長的第 一和第二各向異性材料層來轉移橫向熱電效應的弱點。在化kahashi檢測器中，未被各向異 性材料的第一層吸收的福射很可能被第二層吸收。提出可將反射涂層添加至第二層W反射 第二層未吸收的任意福射，從而得到通過兩層的第二通道。
[0010] 可通過公知的傾斜襯底沉積（ISD)工藝來沉積定向的多晶層。在美國專利No. 6， 265,353和美國專利齡.6,638,598中詳細描述了該工藝。還可通過(不那么多功能的）離子 束輔助沉積（IBAD)工藝生長定向的多晶層。C.P.Wang等人在Applied曲ysics Letters (Vol.71,20,PP.2955,1997)上發(fā)表的論文"Deposition of in-plane textured MgO on amorphous Si3N4substrates by ion-beam-assisted deposition and comparisons with ion-beam assisted deposited yttria-stabilized-zirconia" 中提供了該工藝的 一種說明。
[0011]上述化kahashi檢測器允許各向異性材料層保持較薄，同時增大吸收的光的量，但 是要求兩側拋光的透明結晶襯底，其成本對大多數(shù)商業(yè)應用來說很可能是不允許的。而且， Takashi檢測器結構隔絕了結晶襯底，由此限制了使得襯底熱沉的能力。運就將檢測器的功 率處理能力限制為小于大約10瓦(W)的最大功率，而且可能導致非線性的響應。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 在一個方面中，根據(jù)本發(fā)明的一種福射檢測器傳感器包括銅襯底。定向的多晶緩 沖層布置在襯底的表面。緩沖層具有第一角度的晶向，第一角度介于大約10度和大約45度 之間。緩沖層頂部形成有選自熱電材料組的熱電材料的定向的多晶傳感器元件，熱電材料 組由鋪領銅酸鹽，鎖鉆酸鋼和鉆酸鎖組成。傳感器元件具有相對于襯底的所述表面的所述 法線成第二角度的結晶C軸定向，第二角度介于大約10度和大約45度之間。一個或多個保護 層被布置在傳感器層上。福射-吸收層被布置在一個或多個保護層上。第一和第二電極隔開 并與傳感器層電接觸。
【附圖說明】
[0013] 并入本文并構成本說明書一部分的附圖示意地圖示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并且 與上述
【發(fā)明內(nèi)容】
和優(yōu)選實施例的下述詳細說明一起解釋了本發(fā)明的原理。
[0014] 圖1是示意地圖示出根據(jù)本發(fā)明的橫向熱電檢測器的優(yōu)選實施例的截面圖，其包 括銅襯底、襯底上的緩沖層、緩沖層上的傳感器層、傳感器層上的保護層W及保護層上的吸 收層，其中隔開的電極與傳感器層電接觸。
[0015] 圖IA是示意地圖示出根據(jù)本發(fā)明的橫向熱電檢測器的另一優(yōu)選實施例的截面圖， 其類似于圖1的實施例，但是其中保護層被不同材料的=層的保護組代替。
[0016] 圖2是示意地圖示出用于圖1和圖IA的檢測器的電極和圖案化的傳感器層材料的 優(yōu)選布置的俯視平面圖。
[0017] 圖3是示意地圖示出針對圖2中傳感器層是鋪領銅酸鹽層的檢測器示例的作為入 射的CW激光福射功率的函數(shù)的測得的橫向熱電信號的示圖。
[0018] 圖4是示意地圖示出針對圖3的檢測器示例的作為入射的10納秒脈沖能量函數(shù)的 測得的峰值熱電壓和反射能量的示圖。
[0019] 圖5是示意地圖示出針對圖4的檢測器示例的響應于單個10納米脈沖福射的作為 時間的函數(shù)的橫向熱電電壓信號的示圖。
[0020] 圖6是示意地圖示出針對圖4的檢測器示例中的效率的歸一化空間均勻性的等值 線圖表。
【具體實施方式】
[0021] 現(xiàn)在參見附圖，其中類似的組件被標有類似的附圖標記，圖1示意地圖示出根據(jù)本 發(fā)明的橫向熱電傳感器的優(yōu)選實施例30。傳感器30包括高熱導材料的襯底32。襯底32的優(yōu) 選材料是銅(Cu)。銅襯底是優(yōu)選材料的原因在于其高熱導率和相對低的成本。說明書和所 附權利要求中使用的術語"銅襯底"包括由銅的富含銅的合金(copper-riCh a 11 oy)制成的 襯底。襯底32具有拋光表面32A，優(yōu)選地具有小于大約0.5皿的RMS粗糖度。襯底可選地與熱 沉48電接觸，熱沉48可W被動地或主動地被冷卻。
[0022] 定向的多晶緩沖層34被布置在襯底的表面32A上。緩沖層34的優(yōu)選材料是氧化儀 (MgO)。其它適當緩沖層材料包括錠穩(wěn)定的氧化錯(YSZ)、W及氧化姉(Ce02)。緩沖層34具有 柱形晶粒結構，其晶軸(C軸)46在相對于襯底表面32A的法線47成介于大約10度和大約45度 之間的角度的方向上W角度a傾斜。在附圖中，晶軸的a-c平面是附圖平面，而結晶b軸與附 圖平面垂直。緩沖層的優(yōu)選厚度介于大約0.5WI1和大約4. Owii之間。
[0023] 傳感器-材料36的層36被布置在緩沖層32上。緩沖層的傾斜的定向的晶體結構使 得傳感器-材料的層W提供期望的瞬態(tài)熱電效應所需的傾斜多晶形式生長。傾斜的結晶結 構在附圖中W長虛線表示。
[0024] 緩沖層的使用消除了襯底是結晶的需要，允許使用優(yōu)選的銅襯底。傳感器層(C軸 定向）的結晶定向可相比于緩沖層的結晶定向，即，介于大約10度和大約45度之間但是優(yōu)選 地介于大約15度和大約40度之間。用于緩沖和傳感器層的傾斜角度可W大約相同或者在標 準范圍內(nèi)的稍微不同的角度。
[0025] 傳感器層的材料是選自熱電材料組的材料，熱電材料組由鋪領銅酸鹽 (DyBa2Cu307-d，通?？s寫為DyBCO)、鎖鉆酸鋼（SrO. 3化0.2C〇02)和鉆酸鎖（Sr3Co409)組 成。鋪領銅酸鹽是最優(yōu)選的。傳感器層36的優(yōu)選厚度介于大約300納米(nm)和大約2000nm之 間。該厚度小于緩沖層的厚度而且是創(chuàng)建傳感器層上的高熱梯度所需的。
[0026] 可選地，層50被布置W用于保護傳感器層W防止環(huán)境退化。當DyBCO被用作傳感器 層36,運種保護層是關鍵的。保護層的優(yōu)選材料包括MgO、二氧化娃(Si02)、W及諸如聚娃氮 燒之類的含娃溶膠凝膠材料。可W使用運些材料的單個保護層或者多層組合。在沒有保護 層時，在暴露至環(huán)境氧氣和提升的溫度下，DyBCO的熱電特性將在相對快的時間內(nèi)衰退。類 似地，鉆酸鎖和鎖鉆酸鋼由于暴露至大氣濕度而衰退。保護層50的優(yōu)選厚度介于大約0.2皿 和大約2. Owii之間。
[0027] 可選的黑色福射-吸收層42被生長在保護層50上。該層的吸收頻譜根本上確定了 本發(fā)明的橫向熱電福射傳感器的頻率響應。層42的適當材料包括碳化棚、氮化鐵、氧化銘、 黑色金屬(gold black)和碳。類金剛石(DLC)形式的碳是優(yōu)選的。運種化C層可通過本領域 已知的磁控瓣射進行生長。吸收層42優(yōu)選地具有介于大約0.5WI1和大約5.0皿之間的厚度。 不管所選的材料是什么，層42優(yōu)選地被做得足夠厚W使得大約95%或更多的福射被吸收而 且被轉換成吸收層中的熱。層42中的不完全吸收導致小于最佳熱電響應信號，而且可導致 非線性響應。
[00%]當福射-吸收層被入射的福射加熱時，熱梯度在福射-吸收層和銅襯底32之間被形 成傳感器層36上方。由于傾斜的晶軸引起的傳感器層36的熱電特性的高各向異性，傳感器 層的厚度上的熱流產(chǎn)生了與熱流(熱梯度)方向垂直(橫切）的傳感器層中的電場。橫向電場 是由于針對傳感器層材料的結晶a-b和C方向中的Seebeck系數(shù)的顯著不同的值造成的。 [0029]彼此平行的隔開的細長電極38和40被布置在傳感器層36上并與之電接觸。電極的 適當材料包括金(Au