CN108645520B - 一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元,涉及热释电传感器结构设计领域,包括位于上层的上层柔性热释电聚合物薄膜和位于下层的下层柔性热释电聚合物薄膜,所述上层柔性热释电聚合物薄膜上表面设置有第一电极层、下表面设置有第二电极层,所述下层柔性热释电聚合物薄膜上表面设置有第三电极层、下表面设置有第四电极层,所述第二电极层和第三电极层之间连接设置绝热隔离柱;本发明解决了现有的热释电红外探测器采用敏感元并排设置的结构使敏感元感受到的环境干扰有所差别,因此不能消除压电信号干扰,以及使有效敏感单元数量降低,导致探测器阵列的分辨率降低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及热释电传感器结构设计领域,特别涉及一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元。
背景技术
热释电红外探测器是利用热释电材料的自发极化强度随温度而变化的效应制成的一种热敏型红外探测器,传统的热释电红外探测器是采用刚性铁电陶瓷或铁电晶体,现有的基于铁电聚合物的柔性热释电红外探测器具有量轻、柔性、耐冲击、耐腐蚀、易加工等优点,在对器件的便携性要求较高的领域具有很好应用前景。
但是,由于铁电聚合物本身具有的压电效应,使探测器极易受到外界振动的干扰,同时,环境温度波动也会造成释电信号的波动,目前的热释电红外探测器为了消除外界振动和环境温度波动的干扰,通常采用如图1所示的双敏感元结构,即制作两个敏感元在支撑结构上并排放置,其中一个敏感元接收红外辐射,而另一个敏感元不接收红外辐射,只用来抵消外界振动和环境温度波动的干扰。这种结构存在两个缺陷:
1.两个敏感元采用并排结构,敏感元处于同一水平空间的不同位置,感受到的环境干扰会有所差别,在不同方向的干扰下两个敏感元的形变之间会有相位差,不能很好地消除红外探测器的压电信号干扰;
2.并排放置的布局使一定面积内的有效敏感单元数量降低了一半,在制作红外探测器阵列时,探测器阵列的分辨率相比单个敏感元结构将降低一半,如实际加工320×240规模的面阵,探测器阵列的分辨率实际上只有160×240,在探测器面积一定的情况下,就会导致成像质量变差。
专利申请公布号为“CN107345825A”的“一种继承检测传感器和触摸感应设备”,该专利采用了第一结构体、第二结构体及粘接层的结构,由于第一结构体和第二结构体之间连接,会导致第一结构体和第二结构体均对探测信号和环境干扰产生响应,难以消除压电干扰,为了解决以上问题,有必要设计一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元。
发明内容
本发明的目的在于:提供了一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元,解决了现有的热释电红外探测器采用敏感元并排设置的结构使敏感元感受到的环境干扰有所差别,因此不能消除压电信号干扰,以及使有效敏感单元数量降低,导致探测器阵列的分辨率降低的问题。
本发明采用的技术方案如下:
一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元,包括位于上层的上层柔性热释电聚合物薄膜和位于下层的下层柔性热释电聚合物薄膜,所述上层柔性热释电聚合物薄膜上表面设置有第一电极层、下表面设置有第二电极层,所述下层柔性热释电聚合物薄膜上表面设置有第三电极层、下表面设置有第四电极层,所述第二电极层和第三电极层之间连接设置绝热隔离柱。
进一步地,所述第四电极层的下表面通过支撑柱连接有支撑层。
进一步地,所述绝热隔离柱的高度小于等于100μm,大于等于50μm。
更进一步地,所述绝热隔离柱、支撑柱和支撑层均采用硅或二氧化硅。
更进一步地,所述绝热隔离柱和支撑柱的尺寸一致,数量相同,且陈列方式一致。
进一步地,所述第二电极层和第三电极层接地,所述第一电极层接入差分电路的正极、第四电极层接入差分电路的负极。
进一步地,所述柔性热释电聚合物薄膜的材料包括聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯、奇数尼龙、聚氯乙烯和聚丙烯。
更进一步地,所述柔性热释电聚合物薄膜的材料还包括无机压电陶瓷、无机压电晶体、金属氧化物、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种。
更进一步地,所述柔性热释电聚合物薄膜的制备方法包括流延铸塑、热压、悬涂或静电喷涂方式。
更进一步地,所述低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元的制作方法,包括如下步骤:
步骤1:将柔性热释电聚合物完全溶解成溶液,再将溶液均匀覆在平整基板上,然后放入恒温箱中烘烤至溶剂完全挥发,柔性热释电聚合物便形成敏感薄膜,然后将敏感薄膜剥离,得到柔性热释电聚合物薄膜;
步骤2:在柔性热释电聚合物薄膜的上表面和下表面均通过蒸镀、溅射的方式制备相同厚度的金属电极层,形成上、下电极层;
步骤3:用硅或二氧化硅材料制备绝热隔离柱、横截面积和高度均与绝热隔离柱相同的支撑柱,以及面积与柔性热释电聚合物薄膜相同的支撑层;
步骤4:用绝热隔离柱连接两层步骤2得到的具有上、下电极层的柔性热释电聚合物薄膜,形成上层柔性热释电聚合物薄膜和下层柔性热释电聚合物薄膜的叠层结构,在下层柔性热释电聚合物薄膜的下电极层下表面用支撑柱连接支撑层,所述支撑柱的数量和陈列方式与绝热隔离柱的数量和陈列方式一致;
步骤5:用引线将设置在上层柔性热释电聚合物薄膜的下电极层和设置在下层柔性热释电聚合物薄膜的上电极层接地,将设置在上层柔性热释电聚合物薄膜的上电极层接入差分电路的正极,将设置在下层柔性热释电聚合物薄膜的下电极层接入差分电路的负极,完成信号引出。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
1.一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元,两个敏感元均采用柔性热释电聚合物薄膜,通过上下层叠放的结构,有效消除了外界振动和环境温度波动的干扰,又不会降低红外探测器阵列的分辨率,并通过设置在上层柔性热释电聚合物薄膜和下层柔性热释电聚合物薄膜之间的绝热隔离柱,隔绝上层柔性热释电聚合物薄膜和下层柔性热释电聚合物薄膜之间的热传递,只有上层柔性热释电聚合物薄膜对红外辐射产生响应,下层柔性热释电聚合物薄膜仅产生压电干扰信号,将两层薄膜的信号做差,便得出低压电干扰的热释电响应信号。
2.本发明所述第四电极层下表面通过支撑柱连接有支撑层,在支撑起两层柔性热释电聚合物薄膜结构的同时又保证下层柔性热释电聚合物薄膜之间具有更好的对称性和稳固性。
3.本发明所述绝热隔离柱的高度小于等于100μm,,大于等于50μm,采用硬度较大的电绝缘材料,保证下层柔性热释电聚合物薄膜在外界干扰下产生的形变与上层柔性热释电聚合物薄膜相近,从而两层薄膜的干扰信号相近,方便后续通过差分电路对干扰信号的消除。
4.本发明的敏感单元按一定阵列方式设置在一定面积的探测器中,会使探测器的分辨率相较于传统结构提高一倍,使探测器成像质量更高。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明,其中:
图1是传统热释电红外探测器采用的双敏感元结构示意图;
图2是一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元的结构示意图;
图3是本发明实施例一的结构示意图;
图4是本发明的信号引出示意图;
图中,1.第一电极层、2.上层柔性热释电聚合物薄膜、3.第二电极层、4.绝热隔离柱、5.第三电极层、6.下层柔性热释电聚合物薄膜、7.第四电极层、8.支撑柱、9.支撑层。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
下面结合图1至图3对本发明作详细说明。
一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元,如图2所示,包括位于上层的上层柔性热释电聚合物薄膜2和位于下层的下层柔性热释电聚合物薄膜6,所述上层柔性热释电聚合物薄膜2上表面设置有第一电极层1、下表面设置有第二电极层3,所述下层柔性热释电聚合物薄膜6上表面设置有第三电极层5、下表面设置有第四电极层7,所述第二电极层3和第三电极层5之间连接设置绝热隔离柱4。
进一步地,所述第四电极层7的下表面通过支撑柱8连接有支撑层9,在支撑起两层柔性热释电聚合物薄膜结构的同时又保证下层柔性热释电聚合物薄膜之间具有更好的对称性和稳固性。
进一步地,所述绝热隔离柱4的高度小于等于100μm,大于等于50μm。
更进一步地,所述绝热隔离柱4、支撑柱8和支撑层9均采用采用硬度较大的电绝缘材料,如硅或二氧化硅,隔绝上层柔性热释电聚合物薄膜2和下层柔性热释电聚合物薄膜6之间的热传递,只有上层柔性热释电聚合物薄膜2对红外辐射产生响应,下层柔性热释电聚合物薄膜6仅产生压电干扰信号,将两层薄膜的信号做差,便得到来自上层柔性热释电聚合物薄膜2的低压电干扰的热释电响应信号。
更进一步地,所述绝热隔离柱4和支撑柱8的尺寸一致,数量相同,且陈列方式一致。
进一步地,所述第二电极层3和第三电极层5接地,所述第一电极层1接入差分电路的正极、第四电极层7接入差分电路的负极。
进一步地,所述柔性热释电聚合物薄膜的材料包括聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯、奇数尼龙、聚氯乙烯和聚丙烯。
更进一步地,所述柔性热释电聚合物薄膜的材料还包括无机压电陶瓷、无机压电晶体、金属氧化物、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种。
更进一步地,所述柔性热释电聚合物薄膜的制备方法包括流延铸塑、热压、悬涂或静电喷涂方式。
更进一步地,所述低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元的制作方法,包括如下步骤:
步骤1:将柔性热释电聚合物完全溶解成溶液,再将溶液均匀覆在平整基板上,然后放入恒温箱中烘烤至溶剂完全挥发,柔性热释电聚合物便形成敏感薄膜,然后将敏感薄膜剥离,得到柔性热释电聚合物薄膜;
步骤2:在柔性热释电聚合物薄膜的上表面和下表面均通过蒸镀、溅射的方式制备相同厚度的金属电极层,形成上、下电极层;
步骤3:用硅或二氧化硅材料制备绝热隔离柱、横截面积和高度均与绝热隔离柱相同的支撑柱,以及面积与柔性热释电聚合物薄膜相同的支撑层;
步骤4:用绝热隔离柱连接两层步骤2得到的具有上、下电极层的柔性热释电聚合物薄膜,形成上层柔性热释电聚合物薄膜和下层柔性热释电聚合物薄膜的叠层结构,在下层柔性热释电聚合物薄膜的下电极层下表面用支撑柱连接支撑层,所述支撑柱的数量和陈列方式与绝热隔离柱的数量和陈列方式一致;
步骤5:用引线将设置在上层柔性热释电聚合物薄膜的下电极层和设置在下层柔性热释电聚合物薄膜的上电极层接地,将设置在上层柔性热释电聚合物薄膜的上电极层接入差分电路的正极,将设置在下层柔性热释电聚合物薄膜的下电极层接入差分电路的负极,完成信号引出。
实施例一
所述低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元的制作方法,包括如下步骤:
步骤1:将柔性热释电聚合物完全溶解成溶液,再将溶液均匀覆在平整基板上,然后放入恒温箱中烘烤至溶剂完全挥发,柔性热释电聚合物便形成敏感薄膜,然后将敏感薄膜剥离,得到20mm×20mm的柔性热释电聚合物薄膜;
步骤2:在20mm×20mm的柔性热释电聚合物薄膜的上表面和下表面均通过蒸镀、溅射的方式制备相同厚度的金属电极层,形成上、下电极层;
步骤3:用硅材料制备横截面积为1mm2,高度为100μm的绝热隔离柱、横截面积和高度均与绝热隔离柱相同的支撑柱,以及面积与柔性热释电聚合物薄膜相同的20mm×20mm的支撑层;
步骤4:用5个绝热隔离柱连接两层步骤2得到的具有上、下电极的柔性热释电聚合物薄膜,4个位于薄膜的四个角落,1个位于中心,形成上层柔性热释电聚合物薄膜和下层柔性热释电聚合物薄膜的叠层结构,在下层柔性热释电聚合物薄膜的下方用支撑柱连接支撑层,支撑柱的数量和陈列方式与绝热隔离柱的一致,数量均为5个,其中,4个位于薄膜的四个角落,1个位于中心;
步骤5:用引线将设置在上层柔性热释电聚合物薄膜的下电极层和设置在下层柔性热释电聚合物薄膜的上电极层接地,将设置在上层柔性热释电聚合物薄膜的上电极层接入差分电路的正极,将设置在下层柔性热释电聚合物薄膜的下电极层接入差分电路的负极,如图4所示,完成信号引出。
将制作完成的敏感单元结构用于实际红外探测器中,外界的红外辐射被上层柔性热释电聚合物薄膜2接收,上层柔性热释电聚合物薄膜2和下层柔性热释电聚合物薄膜6之间的温度传导被绝热隔离柱4阻断;同时,整个结构还受到环境温度波动和外界振动的干扰,由于上层柔性热释电聚合物薄膜2和下层柔性热释电聚合物薄膜6都采用一样的柔性热释电聚合物薄膜,且采用本发明所述的叠层放置结构,所以环境温度波动和外界振动在两层薄膜上引起的响应差别极小;在差分电路的输出端将得到低压电干扰的上层柔性热释电聚合物薄膜的热释电响应信号。
以上所述,仅为本发明的优选实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内,可不经过创造性劳动想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元,其特征在于:包括位于上层的上层柔性热释电聚合物薄膜(2)和位于下层的下层柔性热释电聚合物薄膜(6),所述上层柔性热释电聚合物薄膜(2)上表面设置有第一电极层(1)、下表面设置有第二电极层(3),所述下层柔性热释电聚合物薄膜(6)上表面设置有第三电极层(5)、下表面设置有第四电极层(7),所述第二电极层(3)和第三电极层(5)之间连接设置绝热隔离柱(4),所述第四电极层(7)的下表面通过支撑柱(8)连接有支撑层(9)。
2.根据权利要求1所述的一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元,其特征在于:所述绝热隔离柱(4)的高度小于等于100μm,大于等于50μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元,其特征在于:所述绝热隔离柱(4)、支撑柱(8)和支撑层(9)均采用硅或二氧化硅。
4.根据权利要求1或2所述的一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元,其特征在于:所述绝热隔离柱(4)和支撑柱(8)的尺寸一致,数量相同,且陈列方式一致。
5.根据权利要求1所述的一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元,其特征在于:所述第二电极层(3)和第三电极层(5)接地,所述第一电极层(1)接入差分电路的正极、第四电极层(7)接入差分电路的负极。
6.根据权利要求1所述的一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元,其特征在于:所述柔性热释电聚合物薄膜的材料包括聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯、奇数尼龙、聚氯乙烯和聚丙烯。
7.根据权利要求6所述的一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元,其特征在于:所述柔性热释电聚合物薄膜的材料还包括无机压电陶瓷、无机压电晶体、金属氧化物、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种。
8.根据权利要求6或7所述的一种低压电干扰的柔性热释电红外探测器敏感单元,其特征在于:所述柔性热释电聚合物薄膜的制备方法包括流延铸塑、热压、悬涂或静电喷涂方式。
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