蘇州醫(yī)工所提出非制冷紅外探測(cè)器靈敏度增強(qiáng)新方法

紅外熱探測(cè)器是在吸收紅外輻射后，使探測(cè)材料的溫度、電動(dòng)勢(shì)、電阻率等發(fā)生變化，根據(jù)這些變化來反饋探測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量或功率。近年來，基于薄膜壓電原理的紅外探測(cè)器成為國(guó)內(nèi)外紅外熱探測(cè)器的研究熱點(diǎn)之一，該類探測(cè)器通過諧振薄膜本征溫度特性引起傳感器諧振頻率移動(dòng)，來反映紅外輻射的信息。其中，薄膜壓電Lamb波傳感器無(wú)需電容式傳感器驅(qū)動(dòng)所需的物理間隙，并且具備非制冷、低功耗、高CMOS工藝兼容性等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前紅外探測(cè)核心器件的理想選擇之一。然而，薄膜壓電Lamb波傳感器用作紅外探測(cè)時(shí)，紅外輻射與傳感器諧振頻率之間的相關(guān)性有待深入研究，旨在為探測(cè)器性能的增強(qiáng)提供科學(xué)依據(jù)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所檢驗(yàn)室李傳宇、周連群等開展了基于光-熱-聲效應(yīng)的薄膜壓電Lamb波紅外探測(cè)技術(shù)研究。研究人員根據(jù)薄膜壓電Lamb波的振動(dòng)及傳感機(jī)制，建立了光-熱及熱-聲轉(zhuǎn)化理論模型，論證了光-熱及熱-聲轉(zhuǎn)化效率與傳感器關(guān)鍵物理參數(shù)之間的關(guān)系。根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)分析，提出一種通過Lamb波傳感器涂覆聚多巴胺（PDA）納米粒子的方式（PDA-Lamb）增強(qiáng)紅外探測(cè)靈敏度的新方法。

圖1 （a）一種基于光-熱-聲效應(yīng)的非制冷近紅外探測(cè)器原理圖，（b）紅外光照射前后，Lamb的S0、A0模式和PDA-Lamb的A0模式三種模式頻率特性示意圖

研究人員將Lamb波傳感器的零階對(duì)稱（S0）模式和零階反對(duì)稱（A0）模式，以及PDA-Lamb的A0模式三種模式作為研究對(duì)象。三種模式在紅外光照射前后分別產(chǎn)生不同的頻移，通過比較頻率相對(duì)移動(dòng)量來反映紅外探測(cè)的靈敏度。結(jié)果表明：紅外光開啟瞬間，PDA涂覆的Lamb波傳感器（PDA-Lamb）諧振頻率相對(duì)變化量與紅外輻射強(qiáng)度呈高度線性關(guān)系，PDA-Lamb比未涂覆通道高近1個(gè)數(shù)量級(jí)。靈敏度的增強(qiáng)得益于光-熱轉(zhuǎn)化效率的提升，而涂覆前后熱-聲轉(zhuǎn)化效率基本不變。該研究為高性能薄膜壓電聲波紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了參考依據(jù)，將有助于在紅外治療等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

圖2（a）光-熱效應(yīng)下，實(shí)測(cè)及仿真傳感器表面溫度變化值隨紅外光強(qiáng)變化情況，（b）熱-聲效應(yīng)下，實(shí)測(cè)諧振頻率相對(duì)移動(dòng)量隨溫度變化情況

圖3 不同紅外光強(qiáng)下傳感器諧振頻率變化狀態(tài)：（a）PDA-Lamb的A0模式，（b）Lamb的S0、A0模式和PDA-Lamb的A0模式相對(duì)頻率移動(dòng)量隨紅外光強(qiáng)變化圖

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金-面上項(xiàng)目（51675517）、江蘇省優(yōu)秀青年基金（BK20160057）等的資助，相應(yīng)研究成果已發(fā)表在Applied Physics Letters（APPL PHYS LETT, 2019, 114(18): 183505）。