CN103344328A - 一种多层结构横向热电光探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多层结构横向热电光探测器，属于光探测器设备技术领域。依次由导热胶带粘结的光吸收层，金属铜片，横向热电元件和金属支架组成，在横向热电元件上表面设置两个对称的金属电极作为电压信号输出端，用电极引线将横向热电元件电压信号输出端与电压表输入端相连接，所述的横向热电元件层叠设置N组，每层之间用导热胶带黏合，每层引出的输出端串联连接。本发明提供的多层结构横向热电光探测器的优点是：不需要制冷，能实现全光谱探测且探测灵敏度高，破坏阈值大，使用寿命长。与单一结构的横向热电光探测器相比本发明对980nm连续激光的探测灵敏度增大了1.5倍以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种多层结构横向热电光探测器，属于光探测器设备技术领域。
背景技术
当入射光照射到c轴倾斜生长的薄膜或单晶材料的上表面时，材料的上表面因吸收入射光的能量而在其上下表面产生一个纵向的温度差ΔT，如果该材料的塞贝克系数各向异性，则会在其上表面沿材料倾斜生长的方向产生一个横向电压信号，这一效应称之为横向热电效应。其中，横向热电效应输出电压信号的幅值与材料ab面方向和c轴方向塞贝克系数的差值ΔS、材料的c轴倾斜生长角度α二倍的正弦值及材料上下表面的温差ΔT等成正比。近年来，利用横向热电效应原理设计制作的新型光探测器备受关注。这种横向热电光探测器除了价格低廉、不需要制冷外，还可以实现全光谱探测。
目前的横向热电光探测器均由一个横向热电元件组成，其探测灵敏度偏低。其次，由于这种单一结构的横向热电光探测器的工作元件对红外入射光的吸收率较小、光热转化效率较低，导致其对红外光的探测灵敏度降低。再次，这种单一结构的横向热电光探测器的工作元件均直接暴露在工作环境中，当入射光功率较大、工作环境较潮湿或具有腐蚀性时极易引起工作元件的破坏，降低探测器的使用寿命。
发明内容
本发明提供一种多层结构横向热电光探测器，以提高探测灵敏度、延长使用寿命。
解决上述技术问题的技术方案是：
这种多层结构横向热电光探测器，依次由导热胶带粘结的光吸收层，金属铜片，横向热电元件和金属支架组成，在横向热电元件上表面设置两个对称的金属电极作为电压信号输出端，用电极引线将横向热电元件电压信号输出端与电压表输入端相连接，所述的横向热电元件层叠设置N组，每层之间用导热胶带黏合，每层引出的输出端串联连接。
所述的多层结构横向热电光探测器，所述的横向热电元件为在单晶基片上c轴倾斜生长的层状钴氧化物热电薄膜、高温铜氧化物超导薄膜、或巨磁阻锰氧化物薄膜，倾斜角度90°>α>0°；或商用的c轴斜切LaALO3单晶、SrTiO3或Nb掺杂的SrTiO3单晶，斜切角度90°>α>0°。
所述的多层结构横向热电光探测器，横向热电元件的c轴倾斜生长角度或c轴斜切角度优选45°>α>10°。
所述的多层结构横向热电光探测器，所述的金属电极为长方形或圆形，电极之间的间距为6-8mm，电极材料为金属Pt、Au、Ag、Al或In。
所述的多层结构横向热电光探测器，所述的导热胶带的介电强度大于38KV/mm，热导率大于0.6W/mK，厚度为0.5mm。
所述的多层结构横向热电光探测器，所述的金属铜片为热导率大于400W/mK的无氧铜片，其尺寸和横向热电元件的尺寸相同，厚度为0.1-0.5mm。
所述的多层结构横向热电光探测器，所述的光吸收层包括金黑、石墨、碳纳米管或石墨烯涂层，厚度为10-100μm，由常规的磁控溅射、喷涂方法制备。
所述的多层结构横向热电光探测器，所述的探测器金属外罩采用热导率大于400W/mK的无氧铜片制成，厚度为2-3mm。
所述的多层结构横向热电光探测器，其特征在于：所述的金属导线可以选用Ag、Cu、Al等漆包线，直径为100-250μm。
所述的多层结构横向热电光探测器的制备方法包括：
A、采用热蒸发、磁控溅射或脉冲激光沉积方法，沿着横向热电元件（9）材料c轴倾斜生长方向的上表面制备两个金属电极，两电极位置相对于元件中心位置左右对称，间距为6-8mm；以同样的方式制备第二个、第三个、一直到第N个；
B、用导热胶带将设置金属电极的横向热电元件以上下堆叠的方式粘结在一起，并保证相邻横向热电元件c轴倾斜生长方向相反，导热胶带粘结区域应避开电极；
C、用导热胶带将金属铜片固定在上述叠层横向热电元件组第一个横向热电元件的上表面；并用导热胶带将最底层横向热电元件的下表面固定在探测器的金属外罩上；
D、在金属铜片上涂覆光吸收层；
E、将相邻横向热电元件上下对应的电极用金属导线（2）相互连接使整个装置形成一个串联结构，由金属导线引出作为输出端（6），与电压表输入端相连。
本发明提供的多层结构横向热电光探测器的优点是：不仅可以实现非制冷全光谱探测，而且相对于单一结构的横向热电光探测器，其对于红外波段的探测灵敏度有较大提高。如，与单一结构的横向热电光探测器相比本发明对980nm连续激光的探测灵敏度增大了1.5倍以上。此外，由于该探测器横向热电元件表面覆盖有导热胶带和铜片，其工作在潮湿和具有腐蚀性的环境中不易损坏，长时间探测大功率密度激光而不被破坏，从而延长了其使用寿命。
附图说明
图1为本发明热电光探测器的剖面示意图
图中：1、导热胶带 2、金属导线 3、金属电极 4、探测光束 5、电压表6、输出端 7、光吸收层 8、金属铜片 9、横向热电元件 10、金属外罩
图2为图1的横向热电光探测器工作元件上表面示意图
图3为在功率为50mw，波长为980nm的红外激光照射下双层结构横向热电光探测器的输出电压-时间响应曲线。
图4为在功率为50mw，波长为532nm的可见激光照射下三层结构横向热电光探测器的输出电压-时间响应曲线。
具体实施方式
以下是本发明用连续光辐照本发明的光吸收层，利用电压表记录其电压信号的变化的具体实施例。
实施例1：双层结构横向热电光探测器对红外连续光的探测
1、横向热电元件采用在LaALO3单晶基片上c轴倾斜生长的铋锶钴氧薄膜，倾斜角度为10°。将薄膜表面用酒精擦拭干净，自然晾干后待用。
2、在上述横向热电元件上表面左右两侧对称地镀上Ag电极，电极间距为6mm;
3、将两个同样的横向热电元件用热导胶带粘在一起形成上下叠层结构并保证这两个横向热电元件c轴倾斜方向相反；
4、用导热胶带将厚度为0.2mm的无氧铜片粘在第一个横向热电元件的上表面；
5、利用喷涂的方法在无氧铜片表面制备一层厚度约为15μm的石墨光吸收层；
6、将上述多层结构横向热电元件固定在厚度约2mm无氧铜片金属外罩上；
7、将相邻横向热电元件上下对应的电极用Cu导线相互连接使整个装置形成一个串联结构，由Cu导线引出作为输出端，与电压表输入端相连。
8、用波长为980nm的连续激光器垂直照射探测器的光吸收层，并调节激光输出功率为50mw；
9、用电压表记录输出电压信号。先用黑纸遮挡激光光路，使激光不能照射在探测器上。180s后移开黑纸，使激光直接照射在光吸收层上。再过180s继续用黑纸遮挡光路。如此反复多次；
10、绘制探测器的输出电压-时间响应曲线。
图3是在功率为50mw，波长为980nm的红外激光照射下双层结构横向热电光探测器的输出电压-时间响应曲线。可以看出，与单一结构的横向热电光探测器相比本发明对980nm连续激光的探测灵敏度增大了1.5倍以上。
实施例2：三层结构横向热电光探测器对可见连续光的探测
1、横向热电元件采用在LaALO3单晶基片上c轴倾斜生长的铋锶钴氧薄膜，倾斜角度为10°。将薄膜表面用酒精擦拭干净，自然晾干后待用。
2、在上述横向热电元件上表面左右两侧对称地镀上Ag电极，电极间距为6mm;
3、将三个同样的横向热电元件用热导胶带粘在一起形成上下叠层结构并保证相邻的两个横向热电元件c轴倾斜方向相反；
4、用导热胶带将厚度为0.2mm的无氧铜片粘在第一个横向热电元件的上表面；
5、利用喷涂的方法在无氧铜片表面制备一层厚度约为15μm的石墨光吸收层；
6、将上述三层结构横向热电元件固定在厚度约2mm无氧铜片金属外罩上；
7、将相邻横向热电元件上下对应的电极用Cu导线相互连接使整个装置形成一个串联结构，最后剩下的一对电极由Cu导线引出作为输出端，与电压表输入端相连。
8、用波长为532nm的连续激光器垂直照射探测器的光吸收层，并调节激光输出功率为50mw；
9、用电压表记录输出电压信号。先用黑纸遮挡激光光路，使激光不能照射在探测器上。120s后移开黑纸，使激光直接照射在光吸收层上。再过120s继续用黑纸遮挡光路。如此反复多次；
10、绘制探测器的输出电压-时间响应曲线。
图3是在功率为50mw，波长为532nm的可见激光照射下双层结构横向热电光探测器的输出电压-时间响应曲线。可以看出，与单一结构的横向热电光探测器相比本发明对532nm连续激光的探测灵敏度增大了1.5倍以上。
Claims (10)
1.一种多层结构横向热电光探测器，其特征在于：它依次由导热胶带（1）粘结的光吸收层（7），金属铜片（8），横向热电元件（9），和金属支架（9）组成，在横向热电元件（9）上表面设置两个对称的金属电极（3）作为电压信号输出端，用电极引线将横向热电元件电压信号输出端（6）与电压表（7）输入端相连接，所述的横向热电元件（9）层叠设置N组，每层之间用导热胶带黏合，每层引出的输出端（6）串联连接。
2.根据权利要求1所述的多层结构横向热电光探测器，其特征在于：所述的横向热电元件（9）为在单晶基片上c轴倾斜生长的层状钴氧化物热电薄膜、高温铜氧化物超导薄膜、或巨磁阻锰氧化物薄膜，倾斜角度90°>α>0°；或商用的c轴斜切LaALO3单晶、SrTiO3或Nb掺杂的SrTiO3单晶，斜切角度90°>α>0°。
3.根据权利要求1所述的多层结构横向热电光探测器，其特征在于：横向热电元件（9）的c轴倾斜生长角度或c轴斜切角度优选45°>α>10°。
4.根据权利要求1所述的多层结构横向热电光探测器，其特征在于：所述的金属电极（3）为长方形或圆形，电极之间的间距为6-8mm，电极材料为金属Pt、Au、Ag、Al或In。
5.根据权利要求1所述的多层结构横向热电光探测器，其特征在于：所述的导热胶带的介电强度大于38KV/mm，热导率大于0.6W/mK，厚度为0.5mm。
6.根据权利要求1所述的多层结构横向热电光探测器，其特征在于：所述的金属铜片为热导率大于400W/mK的无氧铜片，其尺寸和横向热电元件的尺寸相同，厚度为0.1-0.5mm。
7.根据权利要求1所述的多层结构横向热电光探测器，其特征在于：所述的光吸收层包括金黑、石墨、碳纳米管或石墨烯涂层，厚度为10-100μm，由常规的磁控溅射、喷涂方法制备。
8.根据权利要求1所述的多层结构横向热电光探测器，其特征在于：所述的探测器金属外罩采用热导率大于400W/mK的无氧铜片制成，厚度为2-3mm。
9.根据权利要求1所述的多层结构横向热电光探测器，其特征在于：所述的金属导线可以选用Ag、Cu、Al等漆包线，直径为100-250μm。
10.根据权利要求1所述的多层结构横向热电光探测器的制备方法，其特征包括：
A、采用热蒸发、磁控溅射或脉冲激光沉积方法，沿着横向热电元件（9）材料c轴倾斜生长方向的上表面制备两个金属电极，两电极位置相对于元件中心位置左右对称，间距为6-8mm；以同样的方式制备第二个、第三个、一直到第N个；
B、用导热胶带将设置金属电极的横向热电元件以上下堆叠的方式粘结在一起，并保证相邻横向热电元件c轴倾斜生长方向相反，导热胶带粘结区域应避开电极；
C、用导热胶带将金属铜片固定在上述叠层横向热电元件组第一个横向热电元件的上表面；并用导热胶带将最底层横向热电元件的下表面固定在探测器的金属外罩上；
D、在金属铜片上涂覆光吸收层；
E、将相邻横向热电元件上下对应的电极用金属导线（2）相互连接使整个装置形成一个串联结构，由金属导线引出作为输出端（6），与电压表输入端相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150107 Termination date: 20210715 |