CN108871592B - 一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列 - Google Patents
一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列，涉及红外热像仪领域，包括位于上层用于探测成像的上层柔性热释电聚合物薄膜和位于下层用于补偿的下层柔性热释电聚合物薄膜，以及位于底层的底层支撑层；所述上层柔性热释电聚合物薄膜上表面设置有像素电极阵列，下表面设置有与上表面的像素电极阵列完全相同的像素电极阵列；所述下层柔性热释电聚合物薄膜上表面设置有与上层柔性热释电聚合物薄膜上表面设置的像素电极阵列完全相同的像素电极阵列，下表面设置有与上表面设置的完全相同的像素电极阵列，本发明解决了现有柔性热释电红外热像仪由于环境振动和温度波动导致红外热像仪成像质量降低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及红外热像仪领域，特别涉及一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列。
背景技术
基于热释电材料的红外热像仪具有相应速度快，响应波长宽，制造成本相对较低的优点。传统的热释电红外热像仪采用刚性铁电陶瓷或铁电晶体为敏感材料，因此结构刚性，加工难度较大，而基于铁电聚合物的柔性热释电红外热像仪不但具有传统热释电红外热像仪的优点，还具有轻质、柔性、耐冲击、耐腐蚀、易加工等优点，在人工皮肤领域具有极大的应用前景。
但是，由于铁电材料(包括铁电陶瓷、晶体及聚合物)本身具有的压电效应，使用柔性铁电聚合物材料制备的红外热像仪极易受到外界振动的干扰；同时，由于热释电系数与材料所处温度相关，因此环境温度波动也会造成热释电信号的波动。
如图1所示为现有柔性热释电红外热像仪阵列及其像素点结构，其中并没有消除以上环境干扰的结构设计，因此其极易受外界振动和环境温度波动影响，造成成像质量下降(如图形失真或模糊)。
为解决以上问题，本发明提出一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列，以降低柔性热释电红外热像仪敏感单元信号中的压电及温度干扰，从而有效提高热像仪的成像质量。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列，解决了现有的柔性热释电红外热像仪由于环境振动和温度波动导致红外热像仪成像质量降低的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列，包括位于上层用于探测成像的上层柔性热释电聚合物薄膜和位于下层用于补偿的下层柔性热释电聚合物薄膜，以及位于底层的底层支撑层；
所述上层柔性热释电聚合物薄膜上表面设置有像素电极阵列，下表面设置有与设置在上表面的像素电极阵列完全相同的像素电极阵列；
所述下层柔性热释电聚合物薄膜上表面设置有与设置在上层柔性热释电聚合物薄膜上表面的像素电极阵列完全相同的像素电极阵列，下表面设置有与设置在上层柔性热释电聚合物薄膜上表面的像素电极阵列完全相同的像素电极阵列。
进一步地，所述设置在上层柔性热释电聚合物薄膜下表面的像素电极阵列还可以设置为呈平面状的平面电极；所述设置在下层柔性热释电聚合物薄膜上表面的像素电极阵列还可以设置为呈平面状的平面电极。
进一步地，所述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连接设置有高度大于等于50μm，小于等于100μm的绝热隔离柱。
更进一步地，所述设置在上层柔性热释电聚合物薄膜下表面的平面电极和设置在下层柔性热释电聚合物薄膜上表面的平面电极之间连接设置有高度大于等于50μm，小于等于100μm的绝热隔离柱。
进一步地，所述下层柔性热释电聚合物薄膜和底层支撑层之间连接设置有支撑柱。
进一步地，所述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极化方向相反。
更进一步地，所述绝热隔离柱、支撑柱和底层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，所述设置在上层柔性热释电聚合物薄膜上表面的像素电极阵列中的一个电极和上层柔性热释电聚合物薄膜，以及设置在上层柔性热释电聚合物薄膜下表面的像素电极阵列中的一个电极构成一个敏感单元；
所述设置在下层柔性热释电聚合物薄膜上表面的像素电极阵列中的一个电极和下层柔性热释电聚合物薄膜，以及设置在下层柔性热释电聚合物薄膜下表面的像素电极阵列中的一个电极构成一个补偿单元；
一个敏感单元和一个补偿单元构成一个补偿后的像素单元。
更进一步地，每个像素单元对应一路差分放大电路，每个敏感单元的上电极和每个补偿单元的下电极分别接入该差分电路的两个输入端，每个敏感单元的下电极和每个补偿单元的上电极均接地。
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，所述低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素陈列的制作方法，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：在得到的柔性热释电聚合物薄膜内部极化方向指向的表面通过蒸镀、溅射的方式制备相同厚度呈矩阵的金属像素电极阵列，在薄膜的另一表面设置完全相同的金属像素电极阵列或呈平面状的平面电极；
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：取两层步骤2得到的极化方向指向的表面具有像素电极阵列、另一表面具有相同像素电极阵列或平面电极的柔性热释电聚合物薄膜，按极化方向相反放置，然后用绝热隔离柱连接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或设置在上层柔性热释电聚合物薄膜下表面的平面电极和设置在下层柔性热释电聚合物薄膜上表面的平面电极，形成叠层结构；
步骤5：在叠层结构下方，也就是下层柔性热释电聚合物薄膜的下表面，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6：对设置好的柔性热释电红外热像仪像素阵列，每个像素单元对应一路差分放大电路，每个敏感单元的上电极和每个补偿单元的下电极分别接入该差分电路的两个输入端，每个敏感单元的下电极和每个补偿单元的上电极均接地。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列，通过位于上层用于探测成像的上层柔性热释电聚合物薄膜和位于下层用于补偿的下层柔性热释电聚合物薄膜，以及位于底层的底层支撑层这种叠层结构，有效消除了外界环境振动和温度波动的干扰；再通过上层柔性热释电聚合物薄膜上、下表面设置的像素电极阵列和下层柔性热释电聚合物薄膜上、下表面设置的像素电极阵列，对探测信号不同位置的功率进行响应，增大探测信号和噪声的等效能量比值，使红外热像仪的成像质量更高。
2.本发明所述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连接设置有高度大于等于50μm，小于等于100μm的绝热隔离柱，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。
3.本发明包括位于底层的底层支撑层，所述下层柔性热释电聚合物薄膜和底层支撑层之间连接设置有支撑柱，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。
4.本发明不需要多个敏感单元排列成阵列的方式进行组合，只需要两个敏感元即可实现红外热像仪阵列，工艺制作过程简单，节省了大量制作时间又降低了制作成本。
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是现有柔性热释电红外热像仪阵列及其像素点结构；
图2一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列的结构示意图；
图3是本发明柔性热释电聚合物薄膜表面设置的像素电极阵列的结构示意图；
图4是本发明按实施例二制备的柔性热释电红外热像仪像素阵列的结构示意图；
图中，1.像素电极阵列、2.上层柔性热释电聚合物薄膜、3.像素电极阵列、31.平面电极、4.绝热隔离柱、5.像素电极阵列、51.平面电极、6.下层柔性热释电聚合物薄膜、7.像素电极阵列、8.支撑柱、9.底层支撑层。
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4对本发明作详细说明。
一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列，包括位于上层用于探测成像的上层柔性热释电聚合物薄膜2和位于下层用于补偿的下层柔性热释电聚合物薄膜6，以及位于底层的底层支撑层9；
所述上层柔性热释电聚合物薄膜2上表面设置有像素电极阵列1，下表面设置有与设置在上表面的像素电极阵列1完全相同的像素电极阵列3；
所述下层柔性热释电聚合物薄膜6上表面设置有与设置在上层柔性热释电聚合物薄膜2上表面的像素电极阵列1完全相同的像素电极阵列5，下表面设置有与设置在上层柔性热释电聚合物薄膜2上表面的像素电极阵列1完全相同的像素电极阵列7。
进一步地，所述设置在上层柔性热释电聚合物薄膜2下表面的像素电极阵列3还可以设置为呈平面状的平面电极31；所述设置在下层柔性热释电聚合物薄膜6上表面的像素电极阵列5还可以设置为呈平面状的平面电极51。
进一步地，所述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之间连接设置有高度大于等于50μm，小于等于100μm的绝热隔离柱4，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。
更进一步地，所述设置在上层柔性热释电聚合物薄膜2下表面的平面电极31和设置在下层柔性热释电聚合物薄膜6上表面的平面电极51之间连接设置有高度大于等于50μm，小于等于100μm的绝热隔离柱4。
进一步地，所述下层柔性热释电聚合物薄膜6和底层支撑层9之间连接设置有支撑柱8，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的极化方向相反。
更进一步地，所述绝热隔离柱4、支撑柱8和底层支撑层9均采用硅或二氧化硅。
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，所述设置在上层柔性热释电聚合物薄膜2上表面的像素电极阵列1中的一个电极和上层柔性热释电聚合物薄膜2，以及设置在上层柔性热释电聚合物薄膜2下表面的像素电极阵列3中的一个电极构成一个敏感单元；
所述设置在下层柔性热释电聚合物薄膜6上表面的像素电极阵列5中的一个电极和下层柔性热释电聚合物薄膜6，以及设置在下层柔性热释电聚合物薄膜6下表面的像素电极阵列7中的一个电极构成一个补偿单元；
一个敏感单元和一个补偿单元构成一个补偿后的像素单元。
更进一步地，每个像素单元对应一路差分放大电路，每个敏感单元的上电极和每个补偿单元的下电极分别接入该差分电路的两个输入端，每个敏感单元的下电极和每个补偿单元的上电极均接地。
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，所述低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素陈列的制作方法，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：在得到的柔性热释电聚合物薄膜内部极化方向指向的表面通过蒸镀、溅射的方式制备相同厚度呈矩阵的金属像素电极阵列，在薄膜的另一表面设置完全相同的金属像素电极阵列或呈平面状的平面电极；
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：取两层步骤2得到的极化方向指向的表面具有像素电极阵列、另一表面具有相同像素电极阵列或平面电极的柔性热释电聚合物薄膜，按极化方向相反放置，然后用绝热隔离柱连接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或设置在上层柔性热释电聚合物薄膜下表面的平面电极和设置在下层柔性热释电聚合物薄膜上表面的平面电极，形成叠层结构；
步骤5：在叠层结构下方，也就是下层柔性热释电聚合物薄膜的下表面，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6：对连接好的柔性热释电红外热像仪像素阵列，每个像素单元对应一路差分放大电路，每个敏感单元的上电极和每个补偿单元的下电极分别接入该差分电路的两个输入端，每个敏感单元的下电极和每个补偿单元的上电极均接地。
实施例一
所述低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素陈列的制作方法，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柔性热释电聚合物薄膜；
步骤2：在得到的20mm×20mm的柔性热释电聚合物薄膜内部极化方向指向的表面通过蒸镀、溅射的方式制备相同厚度，如图3所示的呈4×4矩阵的金属像素电极阵列，在薄膜的另一表面设置完全相同的4×4矩阵的金属像素电极阵列；
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：取两层步骤2得到的极化方向指向的表面具有像素电极阵列、另一表面具有相同像素电极阵列的柔性热释电聚合物薄膜，按极化方向相反放置，然后用绝热隔离柱连接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，形成叠层结构；
步骤5：在叠层结构下方，也就是下层柔性热释电聚合物薄膜的下表面，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6：对连接好的如图2所示的柔性热释电红外热像仪像素阵列，每个像素单元对应一路差分放大电路，每个敏感单元的上电极和每个补偿单元的下电极分别用引线接入该差分电路的两个输入端，每个敏感单元的下电极和每个补偿单元的上电极均接地，完成每个像素单元信号的引出，通过差分后得到低压电及温度干扰的图像信号。
实施例二
所述低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素陈列的制作方法，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柔性热释电聚合物薄膜；
步骤2：在得到的20mm×20mm的柔性热释电聚合物薄膜内部极化方向指向的表面通过蒸镀、溅射的方式制备相同厚度，如图3所示的呈4×4矩阵的金属像素电极阵列，在薄膜的另一表面设置呈平面状的平面电极；
步骤3：用二氧化硅材料制备横截面积为1mm2，高度为50μm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：取两层步骤2得到的极化方向指向的表面具有像素电极阵列、另一表面具有平面电极的柔性热释电聚合物薄膜，按极化方向相反放置，然后用绝热隔离柱连接设置在上层柔性热释电聚合物薄膜下表面的平面电极和设置在下层柔性热释电聚合物薄膜上表面的平面电极，形成叠层结构；
步骤5：在叠层结构下方，也就是下层柔性热释电聚合物薄膜的下表面，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6：对连接好的如图4所示的柔性热释电红外热像仪像素阵列，每个像素单元对应一路差分放大电路，每个敏感单元的上电极和每个补偿单元的下电极分别用引线接入该差分电路的两个输入端，每个敏感单元的下电极和每个补偿单元的上电极均接地，完成每个像素单元信号的引出，通过差分后得到低压电及温度干扰的图像信号。
本发明通过位于上层用于探测成像的上层柔性热释电聚合物薄膜2和位于下层用于补偿的下层柔性热释电聚合物薄膜6，以及位于底层的底层支撑层9这种叠层结构，有效消除了外界环境振动和温度波动的干扰,增大了热像仪信噪比，使红外热像仪的成像质量更高。
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 (9)
1.一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列，其特征在于：包括位于上层用于探测成像的上层柔性热释电聚合物薄膜(2)和位于下层用于补偿的下层柔性热释电聚合物薄膜(6)，以及位于底层的底层支撑层(9)，所述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)之间连接设置有高度大于等于50μm，小于等于100μm的绝热隔离柱(4)；
所述上层柔性热释电聚合物薄膜(2)上表面设置有像素电极阵列(1)，下表面设置有与设置在上表面的像素电极阵列(1)完全相同的像素电极阵列(3)；
所述下层柔性热释电聚合物薄膜(6)上表面设置有与设置在上层柔性热释电聚合物薄膜(2)上表面的像素电极阵列(1)完全相同的像素电极阵列(5)，下表面设置有与设置在上层柔性热释电聚合物薄膜(2)上表面的像素电极阵列(1)完全相同的像素电极阵列(7)。
2.根据权利要求1所述的一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列，其特征在于：所述设置在上层柔性热释电聚合物薄膜(2)下表面的像素电极阵列(3)还可以设置为呈平面状的平面电极(31)；所述设置在下层柔性热释电聚合物薄膜(6)上表面的像素电极阵列(5)还可以设置为呈平面状的平面电极(51)。
3.根据权利要求2所述的一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列，其特征在于：所述设置在上层柔性热释电聚合物薄膜(2)下表面的平面电极(31)和设置在下层柔性热释电聚合物薄膜(6)上表面的平面电极(51)之间连接设置有高度大于等于50μm，小于等于100μm的绝热隔离柱(4)。
4.根据权利要求1所述的一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列，其特征在于：所述下层柔性热释电聚合物薄膜(6)和底层支撑层(9)之间连接设置有支撑柱(8)。
5.根据权利要求1所述的一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列，其特征在于：所述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)的极化方向相反。
6.根据权利要求3或4所述的一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列，其特征在于：所述绝热隔离柱(4)、支撑柱(8)和底层支撑层(9)均采用硅或二氧化硅。
7.根据权利要求6所述的一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列，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。
8.根据权利要求1所述的一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列，其特征在于：
所述设置在上层柔性热释电聚合物薄膜(2)上表面的像素电极阵列(1)中的一个电极和上层柔性热释电聚合物薄膜(2)，以及设置在上层柔性热释电聚合物薄膜(2)下表面的像素电极阵列(3)中的一个电极构成一个敏感单元；
所述设置在下层柔性热释电聚合物薄膜(6)上表面的像素电极阵列(5)中的一个电极和下层柔性热释电聚合物薄膜(6)，以及设置在下层柔性热释电聚合物薄膜(6)下表面的像素电极阵列(7)中的一个电极构成一个补偿单元；
一个敏感单元和一个补偿单元构成一个补偿后的像素单元。
9.根据权利要求8所述的一种低压电及温度干扰的柔性热释电红外热像仪像素阵列，其特征在于：每个像素单元对应一路差分放大电路，每个敏感单元的上电极和每个补偿单元的下电极分别接入该差分电路的两个输入端，每个敏感单元的下电极和每个补偿单元的上电极均接地。
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