CN108198876B - 一种红外传感器以及红外信号强度的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种红外传感器以及红外信号强度的检测方法。所述红外传感器包括：金属层；铁电材料层，设置于所述金属层的一侧；石墨烯材料层，设置于所述铁电材料层的远离所述金属层的一侧；电极层，设置于所述石墨烯材料层的远离所述铁电材料层的一侧；红外吸收层，设置于所述电极层远离所述石墨烯材料层的一侧；热传导层，设置于所述铁电材料层、石墨烯材料层以及电极层的外侧，且分别连接所述红外吸收层和所述金属层。该红外传感器可以有效地提高红外信号强度检测的灵敏度以及准确度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种红外传感器以及使用该红外传感器进行红外信号强度的检测方法。
背景技术
红外传感器是用红外线为介质的测量系统，按探测机理可分成为光子探测和热探测。红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。现有利用热探测的方式进行红外信号强度检测的红外传感器中，通常具有灵敏度不高等问题，容易影响最终红外强度检测的准确性。
目前，石墨烯材料由于其具有较高的载流子迁移率以及优异的光学特性而受到广泛的关注，本发明希望提供一种利用石墨烯材料制成的红外传感器，通过利用石墨烯材料的特性来提高红外传感器检测的灵敏度和准确度。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种红外传感器以及使用该红外传感器进行红外信号强度的检测方法。该红外传感器可以有效地提高红外信号强度检测的灵敏度以及准确度。
根据本发明的一个方面提供一种红外传感器，所述红外传感器包括：金属层；铁电材料层，设置于所述金属层的一侧；石墨烯材料层，设置于所述铁电材料层的远离所述金属层的一侧；电极层，设置于所述石墨烯材料层的远离所述铁电材料层的一侧；红外吸收层，设置于所述电极层远离所述石墨烯材料层的一侧；热传导层，设置于所述铁电材料层、石墨烯材料层以及电极层的外侧，且分别连接所述红外吸收层和所述金属层。
可选地，所述电极层包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极设置于所述石墨烯材料层远离所述铁电材料层的一侧表面，且分别位于所述石墨烯材料层的两端。
可选地，所述金属层的面积大于等于所述铁电材料层的面积，且所述金属层的厚度均匀。
可选地，所述热传导层对所述红外吸收层形成支撑，所述红外吸收层和所述金属层之间形成一空腔，所述铁电材料层、石墨烯材料层以及电极层容置于所述空腔内。
可选地，所述热传导层和所述金属层一体成型。
可选地，所述热传导层和所述金属层由铝、钨、钽、氮化钽、铂中的任一种制成。
可选地，所述铁电材料层由锆钛酸铅压电陶瓷材料或钛酸锶钡材料制成。
可选地，所述红外吸收层由氮化硅或者氮氧化硅材料制成。
可选地，所述红外传感器还包括衬底，所述衬底包括底面和环绕所述底面的侧壁，所述底面和所述侧壁形成一容置空间，所述侧壁还包括向所述容置空间延伸的夹持部，所述夹持部夹持所述热传导层和所述金属层。
可选地，所述金属层与所述底面之间相互间隔，形成一隔离空间。
根据本发明的一个方面提供一种红外信号强度的检测方法，所述红外信号强度的检测方法包括如下步骤：提供上述的红外传感器；在所述红外传感器的金属层和电极层之间施加电压，对所述铁电材料层进行极化；检测所述石墨烯材料层两端形成的第一电流；将所述红外传感器置于待检测的红外中；检测吸收红外后所述石墨烯材料层两端形成的第二电流，并根据所述第一电流和所述第二电流的差值计算所述红外信号的强度。
相比于现有技术，本发明实施例提供的红外传感器以及红外信号强度的检测方法中，由于该红外传感器包括包括铁电材料层和石墨烯材料层，石墨烯材料层设置于铁电材料层的表面，由于石墨烯材料具有较高的载流子迁移率以及优异的光学特性，因此，当铁电材料极化、并经红外金属层的热量传递而温度升高后会影响到石墨烯材料层内的载流子密度，根据其不同的极化方向而使流过石墨烯材料层的电流上升或下降。进而，可以通过检测吸收红外前后流经石墨烯材料层的电流变化来计算红外信号的强度。使用该红外传感器对红外信号强度进行检测可以有效地提高红外信号强度检测的灵敏度以及准确度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的一个实施例的红外传感器的俯视图；
图2为图1中A—A处的截面结构示意图；
图3为图1中B—B处的截面结构示意图；
图4为本发明的一个实施例的红外传感器的石墨烯材料层在红外吸收层吸收红外前的空穴浓度示意图；
图5为本发明的一个实施例的红外传感器的石墨烯材料层在红外吸收层吸收红外后的空穴浓度示意图；
图6为本发明的一个实施例的红外传感器的石墨烯材料层在红外吸收层照射红外前的电子浓度示意图；
图7为本发明的一个实施例的红外传感器的石墨烯材料层在红外吸收层照射红外后的电子浓度示意图；以及
图8为本发明的一个实施例的红外信号强度的检测方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。
根据本发明的主旨构思，本发明的红外传感器包括：金属层；铁电材料层，设置于所述金属层的一侧；石墨烯材料层，设置于所述铁电材料层的远离所述金属层的一侧；电极层，设置于所述石墨烯材料层的远离所述铁电材料层的一侧；红外吸收层，设置于所述电极层远离所述石墨烯材料层的一侧；热传导层，设置于所述铁电材料层、石墨烯材料层以及电极层的外侧，且分别连接所述红外吸收层和所述金属层。
下面结合附图和实施例对本发明的技术内容进行进一步地说明。
请一并参见图1至图3，图1示出了本发明的一个实施例的红外传感器的俯视图；图2为图1中A—A处的截面结构示意图；图3为图1中B—B处的截面结构示意图。其中，为了更清楚地显示红外传感器的内部结构，图1中示出的是去除红外吸收层后的红外传感器的俯视图。具体来说，如图2所示，在本发明的实施例中，所述红外传感器包括：金属层1、铁电材料层2、石墨烯材料层3、电极层(第一电极41和第二电极42)、红外吸收层5以及热传导层6。
金属层1可以由铝(Al)、钨(W)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、铂(Pt)中的任一种制成。铁电材料层2设置于金属层1的一侧。在图2所示的实施例中，铁电材料层2设置于金属层1的上表面。铁电材料层2可以由锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)材料或钛酸锶钡(BST)材料制成。优选地，金属层1的面积大于等于铁电材料层2的面积，且金属层1的厚度均匀，从而使后续金属层1对铁电材料层2的传热可以包括整个铁电材料层2且传热均匀。
石墨烯材料层3设置于铁电材料层2的远离金属层1的一侧。在图2所示的实施例中，石墨烯材料层3设置于铁电材料层2的上表面。
电极层设置于石墨烯材料层3的远离铁电材料层2的一侧。具体来说，在图2所示的实施例中，电极层包括第一电极41和第二电极42。第一电极41和第二电极42设置于石墨烯材料层3远离铁电材料层2的一侧表面(即图2中的上表面)，且分别位于石墨烯材料层3的两端。其中，可以对金属层1以及第一电极41或者第二电极42施加电压，使铁电材料层2进行极化，进而，当铁电材料层2的温度升高后可以改变通过其上方的石墨烯材料层3的电流大小。
红外吸收层5设置于电极层远离石墨烯材料层3的一侧。在图2所示的实施例中，红外吸收层5设置于电极层的上方。红外吸收层5由氮化硅或者氮氧化硅材料制成。
热传导层6设置于铁电材料层2、石墨烯材料层3以及电极层(第一电极41和第二电极42)的外侧，且分别连接红外吸收层5和金属层1。具体来说，在图3所示的实施例中，热传导层6分别与红外吸收层5和金属层1连接后，将红外吸收层5吸收待检测的红外后吸收的热量传递至金属层1，由金属层1对铁电材料层2进行加温，使铁电材料层2的温度升高。优选地，热传导层6和金属层1一体成型，其可以选用与金属层1相同的材料例如铝(Al)、钨(W)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、铂(Pt)中的任一种制成。进一步地，如图3所示，热传导层6连接红外吸收层5和金属层1后形成一空腔7，铁电材料层2、石墨烯材料层3以及电极层均容置于空腔7内，其中，电极层(即第一电极41和第二电极42)与红外吸收层5之间相互间隔并不接触，从而避免在红外吸收层5吸收红外的过程中，因与电极层4接触，而将热量传递至电极层并传至外围电路、导致能量损耗，影响检测的准确性。
进一步地，在图1至图3所示的实施例中，所述红外传感器还包括衬底8。衬底8包括底面81和环绕底面81的侧壁82。底面81和侧壁82形成一容置空间83。如图2所示，侧壁82还包括向容置空间83延伸的夹持部84。在图1至图3所示的实施例中，衬底8设置于金属层1的下方，衬底8的侧壁82向上延伸，夹持部84夹持于热传导层6和金属层1的外侧。优选地，金属层1与底面81之间相互间隔，形成一隔离空间，该隔离空间即为上述容置空间83的一部分，金属层1与底面81之间相互间隔可以避免金属层1在对铁电材料层2传热的过程中热量被衬底8所分散，影响红外信号强度检测的准确性。
进一步地，请一并参见图4和图5，图4和图5分别示出了本发明的一个实施例的红外传感器的石墨烯材料层在红外吸收层吸收红外前后的空穴浓度示意图。具体来说，由于铁电材料层2表面有束缚电荷(自发极化的产生原理)，如图4所示，当图4中自发极化向下的P型石墨烯材料层3覆盖在铁电材料2上时，石墨烯材料层3与铁电材料2表面负的束缚电荷接触，而石墨烯材料具有较高的载流子迁移率以及优异的光学特性，负的束缚电荷会吸引并积聚石墨烯材料层3内部的空穴。进而，当红外吸收层5吸收红外而使图5中铁电材料层2的温度升高时，铁电材料层2内负的束缚电荷减少，引起石墨烯材料层3内部积聚的空穴浓度下降，导致流过石墨烯材料层3的电流下降。
进一步地，请一并参见图6和图7，图6和图7分别示出了本发明的一个实施例的红外传感器的石墨烯材料层在红外吸收层照射红外前后的电子浓度示意图。具体来说，由于铁电材料层2表面有束缚电荷(自发极化的产生原理)，与上述图4所示不同的是，图6中铁电材料层2自发极化向上，当自发极化向上的P型石墨烯材料层3覆盖在铁电材料2上时，石墨烯材料层3与铁电材料2表面正的束缚电荷接触，正的束缚电荷会吸引并积聚石墨烯材料层3内部的电子。进而，当红外吸收层1吸收红外而使图7中铁电材料层2的温度升高时，铁电材料层2内正的束缚电荷减少，引起石墨烯材料层3内部积聚的电子浓度下降，导致空穴等效浓度上升，使流过石墨烯材料层3的电流上升。
上述图1至图7所示的实施例中，由于该红外传感器包括包括铁电材料层和石墨烯材料层，石墨烯材料层设置于铁电材料层的表面，由于石墨烯材料具有较高的载流子迁移率以及优异的光学特性，因此，当铁电材料极化、并经红外金属层的热量传递而温度升高后会影响到石墨烯材料层内的载流子密度，根据其不同的极化方向而使流过石墨烯材料层的电流上升或下降。进而，可以通过检测吸收红外前后流经石墨烯材料层的电流变化来计算红外信号的强度，有效地提高红外信号强度检测的灵敏度以及准确度。
进一步地，本发明还提供一种红外信号强度的检测方法。请参见图8，其示出了本发明的一个实施例的红外信号强度的检测方法的流程图。具体来说，该红外信号强度的检测方法中是利用上述图1至图7所示的红外传感器来对红外信号的强度进行检测。如图8所示，所述红外信号强度的检测方法包括如下步骤：
步骤S10：提供上述图1至图7所示的红外传感器。
步骤S20：在所述红外传感器的金属层和电极层之间施加电压，对所述铁电材料层进行极化。具体来说，在此步骤中，可以通过将上述图2中的第一电极41或者第二电极42连接第一电平，将金属层1连接第二电平的方式，对金属层1和电极层4之间的铁电材料层2施加电压，从而使其极化。
步骤S30：检测所述石墨烯材料层两端形成的第一电流。即在此步骤中，主要用于检测吸收红外前的流经石墨烯材料层的电流(即第一电流)大小，其中，可以通过检测第一电极和第二电极的方式来确定上述第一电流的值。
步骤S40：将所述红外传感器置于待检测的红外中。在此步骤中，将上述的红外传感器置于信号强度待检测的红外中进行照射，其中，红外传感器的红外吸收层朝向红外，对其进行吸收。吸收后的红外吸收层的温度会升高，进而通过与其连接的热传导层将热量传递至金属层，使金属层升温，由于金属层与铁电材料层相贴，因此，可以通过热传导的方式进一步将热量传递至铁电材料层，铁电材料层升温后即如上所述使石墨烯材料层的载流子密度产生了变化，影响流过石墨烯材料层的电流大小。
步骤S50：检测吸收红外后所述石墨烯材料层两端形成的第二电流，并根据所述第一电流和所述第二电流的差值计算所述红外信号的强度。在此步骤中，即为检测上述步骤S40中，红外吸收层吸收红外后、并且热量最终传递至铁电材料层后，流经石墨烯材料层的电流(第二电流)的数值，其中，检测第二电流的方式可以与上述步骤S30中相同。最终通过第一电流和第二电流的差值来计算红外传感器吸收的待检测的红外的信号的强度。
该红外信号强度的检测方法相比现有的红外信号强度的检测方法来说具有更良好的准确度。
综上所述，本发明实施例提供的红外传感器以及红外信号强度的检测方法中，由于该红外传感器包括包括铁电材料层和石墨烯材料层，石墨烯材料层设置于铁电材料层的表面，由于石墨烯材料具有较高的载流子迁移率以及优异的光学特性，因此，当铁电材料极化、并经红外金属层的热量传递而温度升高后会影响到石墨烯材料层内的载流子密度，根据其不同的极化方向而使流过石墨烯材料层的电流上升或下降。进而，可以通过检测吸收红外前后流经石墨烯材料层的电流变化来计算红外信号的强度。使用该红外传感器对红外信号强度进行检测可以有效地提高红外信号强度检测的灵敏度以及准确度。
虽然本发明已以可选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种红外传感器，其特征在于，所述红外传感器包括：
金属层；
铁电材料层，设置于所述金属层的一侧；
石墨烯材料层，设置于所述铁电材料层的远离所述金属层的一侧；
电极层，设置于所述石墨烯材料层的远离所述铁电材料层的一侧；
红外吸收层，设置于所述电极层远离所述石墨烯材料层的一侧；且所述红外吸收层与所述电极层之间相互间隔不接触；
热传导层，设置于所述铁电材料层、石墨烯材料层以及电极层的外侧，且分别连接所述红外吸收层和所述金属层。
2.如权利要求1所述的红外传感器，其特征在于，所述电极层包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极设置于所述石墨烯材料层远离所述铁电材料层的一侧表面，且分别位于所述石墨烯材料层的两端。
3.如权利要求1所述的红外传感器，其特征在于，所述金属层的面积大于等于所述铁电材料层的面积，且所述金属层的厚度均匀。
4.如权利要求1所述的红外传感器，其特征在于，所述热传导层对所述红外吸收层形成支撑，所述红外吸收层和所述金属层之间形成一空腔，所述铁电材料层、石墨烯材料层以及电极层容置于所述空腔内。
5.如权利要求1所述的红外传感器，其特征在于，所述热传导层和所述金属层一体成型。
6.如权利要求1所述的红外传感器，其特征在于，所述热传导层和所述金属层由铝、钨、钽、氮化钽、铂中的任一种制成。
7.如权利要求1所述的红外传感器，其特征在于，所述铁电材料层由锆钛酸铅压电陶瓷材料或钛酸锶钡材料制成。
8.如权利要求1所述的红外传感器，其特征在于，所述红外传感器还包括衬底，所述衬底包括底面和环绕所述底面的侧壁，所述底面和所述侧壁形成一容置空间，所述侧壁还包括向所述容置空间延伸的夹持部，所述夹持部夹持所述热传导层和所述金属层。
9.如权利要求8所述的红外传感器，其特征在于，所述金属层与所述底面之间相互间隔，形成一隔离空间。
10.一种红外信号强度的检测方法，其特征在于，所述红外信号强度的检测方法包括如下步骤：
提供如权利要求1至9中任一项所述的红外传感器；
在所述红外传感器的金属层和电极层之间施加电压，对所述铁电材料层进行极化；
检测所述石墨烯材料层两端形成的第一电流；
将所述红外传感器置于待检测的红外中；
检测吸收红外后所述石墨烯材料层两端形成的第二电流，并根据所述第一电流和所述第二电流的差值计算所述红外信号的强度。
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