CN109297608A - 基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法 - Google Patents
基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法。该发明结合掺杂钛酸锶材料的高电阻温度系数(TCR)与高热电赛贝克系数两个特点，在对微区热扰动的探测中，同时测量以下两个物理量：1)由热扰动引起的掺杂钛酸锶热敏电阻阻值的改变；2)由热扰动引起微小温差下引起的赛贝克电压。通过利用该两个物理量改变量的综合表征与判断结合数学上的交叉验证从而实现对热扰动信号的精准锁定与探测。该方法可实现对微小热扰动信号的精准探测，在红外探测、微测辐射热、温度探测与传感方面具有可观的应用价值与宽广的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于微区热扰动探测、微测辐射热计、红外探测等领域，具体地涉及一种基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法。
背景技术
开发对微区热扰动的精准探测方法在军民两个方面的探测领域具有重要的应用价值。例如，红外探测器就是将不可见的红外辐射转换成可测量的电信号的器件【1-25】。1800年，Herschel发现太阳光谱中红外线用的涂黑水银计，算是最早的红外探测器。此后，自二次世界大战以来，不断出现新器件，到今天探测器的制备已成为涉及物理、材料等基础科学和光、机、微电子和计算机等多领域的综合科学技术。目前获得应用的微区热探测技术主要包括：热释电探测、微测辐射热计、热电堆和高莱管、热胀冷缩效应的液态的水银计、共振频率对温度的敏感的石英共振器非制冷红外探测、材料的电阻或介电常数的热敏效应等技术【1-5】。其中，基于氧化钒红外热敏电阻材料的微测辐射热计焦平面阵列探测技术以其可实现集成电路技术、表面微加工技术和薄膜沉积技术等有机结合，无需制冷，可实现了器件单片集成，具有低成本、低功耗、长寿命、小型化和可靠性等优点而成为当前红外热成像技术中最引人注目的突破之一【5-20】。
在红外微测辐射热计技术中，通过利用热敏材料的电阻阻值对应于入射辐射引起的温升而灵敏改变的特性可以在室温下实现对于红外线的探测与红外成像【6-30】。其包括以下三个过程：1)吸收辐射的红外光，并将光能转换成热；2)由于红外线的吸收与热效应使热敏电阻温度升高；3)由于温度变化使得热敏电阻的电阻率改变，从获得可探测电压变化信号。为提高探测灵敏度，需要尽量减少热敏电阻的热容量，并尽可能增加热敏材料的电阻温度系数。
目前研究报导的非制冷红外焦平面技术的热敏薄膜材料主要包括：氧化钒、多晶硅、多晶锗硅和Ti等【6-10】。其中，Ti的电阻温度系数(TCR)偏低，而多晶硅和多晶锗硅薄膜热敏电阻由于形成温度过高，因此限制其在单片系统中得到应用。与之相比，就是具有一些过渡金属的氧化物(Mn、Fe、Co、Ni、Cu和V等元素)具有较高的TCR【11】。而其中，氧化钒薄膜以其具有高的TCR(2.0％/K左右)，合适的电阻率，低的热导率，制备工艺与硅兼容等优点为目前最广泛使用的非制冷红外微测辐射热计热敏材料。例如，以美国 Honeywell公司为首的西方国家研发部门充分利用以VO2、V2O5为基的混合多晶氧化钒薄膜具有较高的电阻温度系数(TCR)以及与Si 集成电路工艺兼容等特点，研制出非制冷氧化钒微测辐射热计红外焦平面。其主要技术路线在于用Si集成电路的微细加工技术，在Si CMOS读出电路上形成微桥结构，利用微桥上的氧化钒薄膜作为热敏电阻来探测红外辐射。
基于氧化钒热敏电阻的微测辐射热计的两个关键性参数是氧化钒薄膜的电阻温度系数(TCR)和象元热阻【12-14】。目前大多数文献【15-18】报导的氧化钒薄膜的典型TCR的值为1.5％-2.5％K-1。这使得当目标场景红外入射在测辐射热计上时，温度的升高使其电阻有明显的变化，从而有大的信号输出。而国内在氧化钒热敏电阻方面同样开展了积极研究【19-25】，目前报道中所实现的氧化钒薄膜TCR最高值已超过5％K-1。
然而不可否认的是，目前对于微区热扰动的现有探测方法大多局限于对热扰动下单一物理变量的探测，而较少利用热扰动引起多种物理性能变化的综合探测。对于热扰动引起多种物理性能变化的综合探测与交叉验证，可以从根本上实现提高测量精度的提高。
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发明内容
本发明的目的在于综合利用掺杂钛酸锶材料的高电阻温度系数 (TCR)与高热电赛贝克系数两个特点，设计一种基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法。该方法通过测量热扰动引起的掺杂钛酸锶热敏电阻阻值的改变以及微小温差下引起的热电赛贝克电压等两种物理性能的综合测量，对双向锁定微区热扰动下引起的温度变化进行双向锁定与交叉验证，通过热敏电阻阻值变化可实现快速响应探测，而通过赛贝克电压变化可实现对探测微区热扰动引起的温度变化的更高探测分辨率并降低测量信号噪声。按照所设计方法制备的探测器件，可实现对温度范围在10K-400K下的热扰动的精准测量，在红外探测、微测辐射热、温度探测与传感方面具有可观的应用价值与宽广的应用前景。
本发明的主要构思在于：综合利用掺杂钛酸锶材料的高电阻温度系数(TCR)与高热电赛贝克系数两个特点，在对微区热扰动的探测中，同时测量以下两个物理量：1)由热扰动引起的掺杂钛酸锶热敏电阻阻值的改变；2)由热扰动引起微小温差下引起的赛贝克电压。通过利用该两个物理量改变量的综合表征与判断结合数学上的交叉验证从而实现对热扰动信号的精准锁定与探测。其中，通过热敏电阻阻值变化可实现快速响应探测，而通过赛贝克电压变化可实现对探测微区热扰动引起的温度变化的更高探测分辨率。
一种基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法，其特征在于，所述方法在测量微区热扰动的探测中，同时测量以下两个物理量：1)由热扰动引起的掺杂钛酸锶热敏电阻阻值的改变；2) 由热扰动引起微小温差下引起的赛贝克电压。通过利用该两个物理量改变量的综合表征与判断结合数学上的交叉验证从而实现对热扰动信号的精准锁定与探测。具体探测时是将稀土掺杂钛酸锶材料制成T 字型结构、一字型结构和十字型结构，器件结构如图1-3所示。
进一步地，所述探测方法中实现对热扰动探测的敏感材料为掺杂钛酸锶材料具有钙钛矿结构，分子式为AySr1-yTi1-xBxO3±δ(0≤x≤0.8； 0≤y≤0.8；0≤δ≤1)，上式中Sr,Ti,O分别代表锶、钛、氧元素； A代表正2价或3价掺杂元素，取代Sr的晶格位置(可以一种或多种取代原子同时取代)，优选元素周期表中：Mg、Ca、Ba、Al、Ga、 In、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、 Lu、Fe等元素；B为正4价、正5价或正6价掺杂元素,取代Ti原子位置(可以一种或多种取代原子同时取代)，优选元素周期表中Sn、 Ge、Pb、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W。
进一步地，所述探测方法中实现对热扰动探测的敏感的掺杂钛酸锶材料包括单晶三维体材料、多晶三维体材料、生长在衬底材料上的单晶和多晶二维薄膜材料。使用的掺杂钛酸锶基氧化物可以是单一组分材料或多种组分材料混合使用。
进一步地，所述探测方法可以在1K-500K的温度范围内使用并实现对热辐射微扰信号、微热源、红外信号等的精准探测。
进一步地，所述探测方法中获得热辐射微扰信号存在的判据为热敏电阻阻值变化和赛贝克电压变化双重依据。其中，通过热敏电阻阻值变化可实现快速响应探测，而通过赛贝克电压变化可实现对探测微区热扰动引起的温度变化的更高探测分辨率。
进一步地，所述探测方法中利用热敏探测物质在热辐射微扰信号触发下产生的局部温度升高所引起的赛贝克效应，即由于探测材料中的温差产生电动势，这一原理实现对热辐射微扰信号的探测。
本发明人经过广泛而深入的研究，通过改进制备工艺，获得了一种基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法。该发明的主要构思在于：结合掺杂钛酸锶材料的高电阻温度系数(TCR) 与高热电赛贝克系数两个特点，在对微区热扰动的探测中，同时测量以下两个物理量：1)由热扰动引起的掺杂钛酸锶热敏电阻阻值的改变；2)由热扰动引起微小温差下引起的赛贝克电压。通过利用该两个物理量改变量的综合表征与判断结合数学上的交叉验证从而实现对热扰动信号的精准锁定与探测。该方法可实现对微小热扰动信号的精准探测，在红外探测、微测辐射热、温度探测与传感方面具有可观的应用价值与宽广的应用前景。
附图说明
图1为所设计器件的三种优选器件结构。其中图1(a)称为‘T’型器件，所示‘T’型结构由所述掺杂钛酸锶材料构成，红外线聚焦后达到‘T’型器件横纵交点处。测试中，按照箭头所示方向(沿VR方向)通一个电流，测量VR值的变化；与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS。图1(b)称为‘一字’型器件，所示‘一字’型结构由所述掺杂钛酸锶材料构成，红外线聚焦后达到‘一字’型器件中心。测试中，按照箭头所示方向(沿VR方向)通一个电流，测量VR值的变化；与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS。图1(c)称为‘十字’型器件，所示‘十字’型结构由所述掺杂钛酸锶材料构成，红外线聚焦后达到‘十字’型器件中心。测试中，按照箭头所示方向(沿VR方向)通一个电流，测量VR值的变化；与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS。
图2为制备所述微区热扰动双向锁定探测器件中所使用的一种掺杂钛酸锶薄膜材料的电学传输性能。图2(a)为其面电阻随温度变化关系，图2(b)为其电阻温度系数(TCR)随温度变化关系，图2(c) 为其赛贝克系数随温度变化关系。
图3为制备所述微区热扰动双向锁定探测器件中所使用的一种掺杂钛酸锶块体材料的电学传输性能。图3(a)为其面电阻随温度变化关系，图3(b)为其电阻温度系数(TCR)随温度变化关系，图3(c) 为其赛贝克系数随温度变化关系。
图4为制备所述微区热扰动双向锁定探测器件中所使用的另一种掺杂钛酸锶薄膜材料的电学传输性能。
具体实施方式
实施例1：
利用图4所示稀土掺杂钛酸锶材料，按照图1(a)所示结构制成器件并绝热封装在锗窗口中。按照箭头所示方向(沿VR方向)通一个电流，读取VR值，此时VS值接近零。室温下利用波长3、4、5微米长的红外照射红外线聚焦后达到‘T’型器件横纵交点处稳定一段时间后，由于红外吸收点局域温度升高使得VR变化2％，与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS读出约0.4毫伏的电压信号。关掉红外入射光后，VR回到原来数值且VS回到零点。通过方法实现对于波长为3—5微米的红外信号的室温双向锁定探测。
实施例2：
利用图2所示稀土掺杂钛酸锶材料，按照图1(a)所示结构制成器件并绝热封装在锗窗口中。利用液氮将整个器件系统冷却至80K低温，并按照箭头所示方向(沿VR方向)通一个电流，读取VR值，此时VS值接近零。室温下利用波长3、4、5微米长的红外照射红外线聚焦后达到‘T’型器件横纵交点处稳定一段时间后，由于红外吸收点局域温度升高使得VR变化3％，与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS读出约0.3毫伏的电压信号。关掉红外入射光后，VR回到原来数值且VS回到零点。通过方法实现对于波长为3—5 微米的红外信号的低温双向锁定探测。
实施例3：
利用图2所示稀土掺杂钛酸锶材料，按照图1(a)所示结构制成器件并绝热封装在锗窗口中。利用液氦将整个器件系统冷却至30K低温，并按照箭头所示方向(沿VR方向)通一个电流，读取VR值，此时VS值接近零。室温下利用波长3、4、5微米长的红外照射红外线聚焦后达到‘T’型器件横纵交点处稳定一段时间后，由于红外吸收点局域温度升高使得VR变化7％，与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS读出约0.1毫伏的电压信号。关掉红外入射光后，VR回到原来数值且VS回到零点。通过方法实现对于波长为3—5 微米的红外信号的低温双向锁定探测。
实施例4：
利用图3所示稀土掺杂钛酸锶材料，按照图1(b)所示结构制成器件并绝热封装在锗窗口中。按照箭头所示方向(沿VR方向)通一个电流，读取VR值，此时VS值接近零。室温下利用波长5、7微米长的红外照射红外线聚焦后达到器件中心点处稳定一段时间后，由于红外吸收点局域温度升高使得VR变化5％，与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS读出约1.2毫伏的电压信号。关掉红外入射光后，VR回到原来数值且VS回到零点。通过方法实现对于波长为5-7微米的红外信号的室温双向锁定探测。
实施例5：
利用图3所示稀土掺杂钛酸锶材料，按照图1(b)所示结构制成器件并绝热封装在锗窗口中。利用液氮将整个系统冷却至100K低温，并按照箭头所示方向(沿VR方向)通一个电流，读取VR值，此时VS值接近零。室温下利用波长3、4、5微米长的红外照射红外线聚焦后达到器件中心点处稳定一段时间后，由于红外吸收点局域温度升高使得 VR变化7％，与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS读出约0.9毫伏的电压信号。关掉红外入射光后，VR回到原来数值且VS回到零点。通过方法实现对于波长为3-5微米的红外信号的低温双向锁定探测。
实施例6：
利用图3所示稀土掺杂钛酸锶材料，按照图1(c)所示结构制成器件并绝热封装在锗窗口中。利用液氮将整个系统冷却至100K低温，并按照箭头所示方向(沿VR方向)通一个电流，读取VR值，此时VS值接近零。室温下利用波长3、4、5微米长的红外照射红外线聚焦后达到‘十字’型器件横纵交点处稳定一段时间后，由于红外吸收点局域温度升高使得VR变化12％，与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS读出约2.5毫伏的电压信号。关掉红外入射光后，VR回到原来数值且VS回到零点。通过方法实现对于波长为3-5微米的红外信号的低温双向锁定探测。
实施例7：
利用图4所示稀土掺杂钛酸锶材料，按照图1(c)所示结构制成器件并绝热封装在锗窗口中。利用液氮将整个系统冷却至80K低温，并按照箭头所示方向(沿VR方向)通一个电流，读取VR值，此时VS值接近零。室温下利用波长3、4、5微米长的红外照射红外线聚焦后达到‘十字’型器件横纵交点处稳定一段时间后，由于红外吸收点局域温度升高使得VR变化12％，与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS读出约2.5毫伏的电压信号。关掉红外入射光后，VR回到原来数值且VS回到零点。通过方法实现对于波长为3-5 微米的红外信号的低温双向锁定探测。
实施例7：
利用图4所示稀土掺杂钛酸锶材料，按照图1(c)所示结构制成器件并绝热封装在锗窗口中。按照箭头所示方向(沿VR方向)通一个电流，读取VR值，此时VS值接近零。室温下利用波长3、4、5微米长的红外照射红外线聚焦后达到‘十字’型器件横纵交点处稳定一段时间后，由于红外吸收点局域温度升高使得VR变化3％，与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS读出约1.2毫伏的电压信号。关掉红外入射光后，VR回到原来数值且VS回到零点。通过方法实现对于波长为3-5微米的红外信号的室温双向锁定探测。
实施例8：
利用Nb稀土元素掺杂的钛酸锶单晶材料(载流子浓度10-16cm-3)，按照图1(a)所示结构制成器件并绝热封装在锗窗口中。按照箭头所示方向(沿VR方向)通一个电流，读取VR值，此时VS值接近零。室温下利用波长3、4、5微米长的红外照射红外线聚焦后达到‘T’型器件横纵交点处稳定一段时间后，由于红外吸收点局域温度升高使得 VR变化3％，与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS读出约0.5毫伏的电压信号。关掉红外入射光后，VR回到原来数值且VS回到零点。通过方法实现对于波长为3—5微米的红外信号的室温双向锁定探测。
实施例9：
利用La稀土元素掺杂的钛酸锶薄膜材料(载流子浓度10-17cm-3)，按照图1(a)所示结构制成器件并绝热封装在锗窗口中。按照箭头所示方向(沿VR方向)通一个电流，读取VR值，此时VS值接近零。室温下利用波长3、4、5微米长的红外照射红外线聚焦后达到‘T’型器件横纵交点处稳定一段时间后，由于红外吸收点局域温度升高使得 VR变化2％，与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS读出约0.6毫伏的电压信号。关掉红外入射光后，VR回到原来数值且VS回到零点。通过方法实现对于波长为3—5微米的红外信号的室温双向锁定探测。
实施例10：
利用具有氧空位的钛酸锶单晶材料(载流子浓度10-16cm-3)，按照图 1(a)所示结构制成器件并绝热封装在锗窗口中。按照箭头所示方向 (沿VR方向)通一个电流，读取VR值，此时VS值接近零。室温下利用波长3、4、5微米长的红外照射红外线聚焦后达到‘T’型器件横纵交点处稳定一段时间后，由于红外吸收点局域温度升高使得VR变化5％，与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS读出约0.7毫伏的电压信号。关掉红外入射光后，VR回到原来数值且VS回到零点。通过方法实现对于波长为3—5微米的红外信号的室温双向锁定探测。
Claims (9)
1.一种基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法，其特征在于，采用对微区热扰动的探测具有敏感作用的敏感材料，在测量微区热扰动的探测中，同时测量以下两个物理量：1)由热扰动引起的掺杂钛酸锶热敏电阻阻值的改变；2)由热扰动引起微小温差下引起的赛贝克电压；通过利用该两个物理量改变量的综合表征与判断结合数学上的交叉验证从而实现对热扰动信号的精准锁定与探测；具体探测时是将稀土掺杂钛酸锶材料制成T字型结构、一字型结构或十字型结构。
2.如权利要求1所述基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法，其特征在于，所述敏感材料为掺杂钛酸锶材料；属于具有钙钛矿结构，分子式为AySr1-yTi1- xBxO3±δ(0≤x≤0.8；0≤y≤0.8；0≤δ≤1)，上式中Sr,Ti,O分别代表锶、钛、氧元素；A代表正2价或3价掺杂元素，取代Sr的晶格位置，能被一种或多种取代原子同时取代，包括元素周期表中：Mg、Ca、Ba、Al、Ga、In、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Fe元素；B为正4价、正5价或正6价掺杂元素,取代Ti原子位置，能被一种或多种取代原子同时取代，包括周期表中Sn、Ge、Pb、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W。
3.如权利要求1所述基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法，其特征在于，所述探测方法中实现对热扰动探测的敏感的掺杂钛酸锶材料包括单晶三维体材料、多晶三维体材料、生长在衬底材料上的单晶和多晶二维薄膜材料；使用的掺杂钛酸锶基氧化物是单一组分材料或多种组分材料混合使用。
4.如权利要求1所述基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法，其特征在于，所述探测方法能在1K-500K的温度范围内使用并实现对热辐射微扰信号、微热源、红外信号的精准探测。
5.如权利要求1所述基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法，其特征在于，所述探测方法中获得热辐射微扰信号存在的判据为热敏电阻阻值变化和赛贝克电压变化双重依据；其中，通过热敏电阻阻值变化能实现快速响应探测，而通过赛贝克电压变化能实现对探测微区热扰动引起的温度变化的更高探测分辨率。
6.如权利要求1所述基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法，其特征在于，所述探测方法是利用热敏探测物质在热辐射微扰信号触发下产生的局部温度升高所引起的赛贝克效应，即由于探测材料中的温差产生电动势这一原理实现对热辐射微扰信号的探测。
7.如权利要求1所述基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法，其特征在于，所述‘T’型结构由所述掺杂钛酸锶材料构成，红外线聚焦后达到‘T’型器件横纵交点处；测试中，沿VR方向通一个电流，测量VR值的变化；与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS。
8.如权利要求1所述基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法，其特征在于，所述‘一’型结构由所述掺杂钛酸锶材料构成，红外线聚焦后达到‘一字’型器件中心；测试中，沿VR方向通一个电流，测量VR值的变化；与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS。
9.如权利要求1所述基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法，其特征在于，所述‘十’型结构由所述掺杂钛酸锶材料构成，红外线聚焦后达到‘十字’型器件中心；测试时，沿VR方向通一个电流，测量VR值的变化；与此同时测量由于红外吸收点局域温度升高所引起的赛贝克电压VS。
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