苏州医工所提出非制冷红外探测器灵敏度增强新方法

2019-10-30 来源： 苏州生物医学工程技术研究所
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　　红外热探测器是在吸收红外辐射后，使探测材料的温度、电动势、电阻率等发生变化，根据这些变化来反馈探测目标的红外辐射能量或功率。近年来，基于薄膜压电原理的红外探测器成为国内外红外热探测器的研究热点之一，该类探测器通过谐振薄膜本征温度特性引起传感器谐振频率移动，来反映红外辐射的信息。其中，薄膜压电Lamb波传感器无需电容式传感器驱动所需的物理间隙，并且具备非制冷、低功耗、高CMOS工艺兼容性等优势，成为当前红外探测核心器件的理想选择之一。然而，薄膜压电Lamb波传感器用作红外探测时，红外辐射与传感器谐振频率之间的相关性有待深入研究，旨在为探测器性能的增强提供科学依据。

　　中国科学院苏州生物医学工程技术研究所检验室李传宇、周连群等开展了基于光-热-声效应的薄膜压电Lamb波红外探测技术研究。研究人员根据薄膜压电Lamb波的振动及传感机制，建立了光-热及热-声转化理论模型，论证了光-热及热-声转化效率与传感器关键物理参数之间的关系。根据理论和实验分析，提出一种通过Lamb波传感器涂覆聚多巴胺（PDA）纳米粒子的方式（PDA-Lamb）增强红外探测灵敏度的新方法。

　　研究人员将Lamb波传感器的零阶对称（S0）模式和零阶反对称（A0）模式，以及PDA-Lamb的A0模式三种模式作为研究对象。三种模式在红外光照射前后分别产生不同的频移，通过比较频率相对移动量来反映红外探测的灵敏度。结果表明：红外光开启瞬间，PDA涂覆的Lamb波传感器（PDA-Lamb）谐振频率相对变化量与红外辐射强度呈高度线性关系，PDA-Lamb比未涂覆通道高近1个数量级。灵敏度的增强得益于光-热转化效率的提升，而涂覆前后热-声转化效率基本不变。该研究为高性能薄膜压电声波红外探测器的设计与优化提供了参考依据，将有助于在红外治疗等领域得到应用。

　　研究工作得到国家自然科学基金-面上项目（51675517）、江苏省优秀青年基金（BK20160057）等的资助，相应研究成果已发表在Applied Physics Letters（APPL PHYS LETT, 2019, 114(18): 183505）。

　　图1 （a）一种基于光-热-声效应的非制冷近红外探测器原理图，（b）红外光照射前后，Lamb的S0、A0模式和PDA-Lamb的A0模式三种模式频率特性示意图

　　图2（a）光-热效应下，实测及仿真传感器表面温度变化值随红外光强变化情况，（b）热-声效应下，实测谐振频率相对移动量随温度变化情况

　　图3 不同红外光强下传感器谐振频率变化状态：（a）PDA-Lamb的A0模式，（b）Lamb的S0、A0模式和PDA-Lamb的A0模式相对频率移动量随红外光强变化图

　　红外热探测器是在吸收红外辐射后，使探测材料的温度、电动势、电阻率等发生变化，根据这些变化来反馈探测目标的红外辐射能量或功率。近年来，基于薄膜压电原理的红外探测器成为国内外红外热探测器的研究热点之一，该类探测器通过谐振薄膜本征温度特性引起传感器谐振频率移动，来反映红外辐射的信息。其中，薄膜压电Lamb波传感器无需电容式传感器驱动所需的物理间隙，并且具备非制冷、低功耗、高CMOS工艺兼容性等优势，成为当前红外探测核心器件的理想选择之一。然而，薄膜压电Lamb波传感器用作红外探测时，红外辐射与传感器谐振频率之间的相关性有待深入研究，旨在为探测器性能的增强提供科学依据。
　　中国科学院苏州生物医学工程技术研究所检验室李传宇、周连群等开展了基于光-热-声效应的薄膜压电Lamb波红外探测技术研究。研究人员根据薄膜压电Lamb波的振动及传感机制，建立了光-热及热-声转化理论模型，论证了光-热及热-声转化效率与传感器关键物理参数之间的关系。根据理论和实验分析，提出一种通过Lamb波传感器涂覆聚多巴胺（PDA）纳米粒子的方式（PDA-Lamb）增强红外探测灵敏度的新方法。
　　研究人员将Lamb波传感器的零阶对称（S0）模式和零阶反对称（A0）模式，以及PDA-Lamb的A0模式三种模式作为研究对象。三种模式在红外光照射前后分别产生不同的频移，通过比较频率相对移动量来反映红外探测的灵敏度。结果表明：红外光开启瞬间，PDA涂覆的Lamb波传感器（PDA-Lamb）谐振频率相对变化量与红外辐射强度呈高度线性关系，PDA-Lamb比未涂覆通道高近1个数量级。灵敏度的增强得益于光-热转化效率的提升，而涂覆前后热-声转化效率基本不变。该研究为高性能薄膜压电声波红外探测器的设计与优化提供了参考依据，将有助于在红外治疗等领域得到应用。
　　研究工作得到国家自然科学基金-面上项目（51675517）、江苏省优秀青年基金（BK20160057）等的资助，相应研究成果已发表在Applied Physics Letters（APPL PHYS LETT, 2019, 114(18): 183505）。
　　图1 （a）一种基于光-热-声效应的非制冷近红外探测器原理图，（b）红外光照射前后，Lamb的S0、A0模式和PDA-Lamb的A0模式三种模式频率特性示意图
　　图2（a）光-热效应下，实测及仿真传感器表面温度变化值随红外光强变化情况，（b）热-声效应下，实测谐振频率相对移动量随温度变化情况
　　图3 不同红外光强下传感器谐振频率变化状态：（a）PDA-Lamb的A0模式，（b）Lamb的S0、A0模式和PDA-Lamb的A0模式相对频率移动量随红外光强变化图

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