CN109489834A - 一种红外有机传感器 - Google Patents
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Abstract
本专利针对非制冷低成本的红外探测需求，利用MEMS结构将红外探测信号转化为可见光或近红外光信号强度或频率变化方法，提出一种结合光学环形谐振腔与红外传感有机材料、以及热应力的调控方式，实现可测量红外光信号辐射能量和高灵敏度的红外响应的红外有机传感器。此外，热敏有机材料制备简单，无需使用昂贵的红外热敏无机材料或下转换材料，具有廉价、灵敏等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外有机传感器。
背景技术
红外辐射是一种在自然界广泛存在的电磁波能量。目前，针对红外辐射的传感技术已取得了长足发展，并广泛应用于军事、医疗、科研、监控、交通等诸多领域。
根据传感原理的不同，红外传感技术可细分为制冷型(量子型)和非制冷型(热型)两类。
制冷型红外传感技术基于红外辐射的光电效应，即探测单元吸收红外光子后发生电子状态的改变，并引起一些电学现象，测量这些现象中光电效应的强弱就可以测定红外辐射的大小。由于室温物体辐射的红外光子(波长：8～14μm)的能量与室温电子的热噪声能量相当，为了消除电子热噪声的影响，必须将红外探测器件，即焦平面阵列(Focal PlaneArray，FPA)冷却到液氮温度(≈77K)，这使得制冷型红外探测技术不仅成本昂贵，而且维护困难，但它的温度分辨率相对较高，噪声等效温度差(Noise Equivalent TemperatureDifference，NETD)的典型值为5～10mK。
非制冷红外传感技术是基于红外辐射的热效应。该热效应可使探测单元的某种物理参量(如电阻、电容等)发生变化，只要测量这些物理参量的变化大小，就可以测出吸收的红外能量或功率。由于不需要超低温制冷，该技术在体积、成本、功耗等方面具有明显优势，但它的温度分辨率相对较低，NETD的典型值为50～100mK。
随着MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)和光学测量技术的发展，光学读出技术在非制冷红外传感应用中逐渐受到人们的关注，并取得了许多阶段性成果。其工作方式大多采用有基底结构，即通过牺牲层工艺制作悬浮于硅基底上的微悬臂梁阵列，红外辐射从FPA一侧透过硅基底后被探测单元吸收，可见光从FPA另一侧入射，用于探测由红外辐射导致的某种物理参量的变化。
本发明利用MEMS结构将红外探测信号转化为可见光或近红外光信号强度或频率变化，并使用热敏有机材料，无需使用昂贵的红外热敏无机材料或下转换材料，具有廉价、灵敏等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1图示了红外传感器结构的示意图；
图2图示了热敏有机材料传感单元的一个具体实施例的示意图。
图3图示了热敏有机材料传感单元的另一个具体实施例的示意图。
发明内容
本发明的目的在于提出以有机材料为传感单元的红外传感器，用于测量辐射红外光信号能量大小。
为达到上述目的，本发明采用以下方案。
本发明提出一种结合热敏有机材料的新型非制冷红外传感技术。其特征在于结合光学环形谐振腔与红外传感有机材料，基于热应力的调控方式，可实现高灵敏度的红外响应。
具体实施方式
以下，本发明进行更详细地说明。
如附图1所示的：一种红外传感器。
一种红外传感芯片，包括：
探测波导，环形谐振腔波导和热敏传感材料传感单元三部分。
光学环形谐振腔由纳米结构构成，用于光激发和光传导，当光学环形谐振腔吸收红外辐射并升温后，有机材料受热发生形变，会发生热致弯曲变形，并导致固有振动频率发生漂移。
工作时，利用激发光通过倏逝波耦合进入光学环形谐振腔。激发光在光学环形谐振腔波导中传播，并使热敏有机材料传感单元共振。
在此，当红外光信号对热敏有机材料传感单元进行辐射时，热敏有机材料传感单元发生形变，并导致固有共振频率发生漂移。
探测光在探测波导中传播，并通过倏逝波耦合进入光学环形谐振腔。当热敏有机材料传感单元发生形变时，探测波导偶出端面所探测到的探测光振幅和频率也随之发生漂移。
因此，利用光敏测探器或信号分析仪可测量辐射红外光信号能量大小。
上述器件中，激发光的工作波长范围是300nm到3000nm，探测光的工作波长范围是300nm到3000nm，红外光信号的探测波长范围是3-5um或8-10um的大气红外窗口。
热敏有机材料传感单元是决定红外传感特性的关键组成部分。
图2所示的是热敏有机材料传感单元的一个具体实施例。
在该实施例中，由热敏有机材料制作的微悬梁臂和基底之间有一个空气间隙，使微悬梁臂可自由振动。
微悬梁臂长约1-10000μm。微悬梁臂的长度改变共振频率。
因此，设计时应选取合适的悬梁臂长，使共振频率受温度影响发生灵敏而可靠的漂移。
图3所示是热敏有机材料传感单元的另一个具体实施例。
在该实施例中，热敏有机材料表面或内部制作有微纳结构，结构尺寸为1nm-1000μm。
受热辐射时，热敏有机材料发生形变，产生褶皱或导致褶皱消失。表面结构变化导致探测光损失，使其振幅或频率受温度影响发生灵敏而可靠的漂移。
根据本发明的红外有机传感器，利用MEMS结构将红外探测信号转化为可见光或近红外光信号强度或频率变化，此外，热敏有机材料制备简单，无需使用昂贵的红外热敏无机材料或下转换材料，具有廉价、灵敏等特点。
Claims (9)
1.一种红外有机传感器，其特征在于结合光学环形谐振腔与红外传感有机材料，基于热应力的调控方式，可实现高灵敏度的红外响应。且红外传感芯片主要结构包括：探测波导，环形谐振腔波导和热敏传感材料传感单元。
2.根据权利要求1所述的红外传感芯片，其中光学环形谐振腔由纳米结构构成。
3.根据权利要求1所述的红外传感芯片，其中热敏传感材料为热敏有机材料。
4.根据权利要求3所述的热敏有机材料，其中热敏有机材料受热后会发生形变。
5.根据权利要求1所述的红外传感芯片，其中光学环形谐振腔中的激发光是通过倏逝波的形式传播的。
6.根据权利要求1所述的红外传感芯片，其中进入环形谐振腔的激发光可以使热敏有机材料传感单元共振。
7.根据权利要求1所述的红外传感芯片，其中探测波导中的探测光是通过倏逝波进入谐振腔的。
8.根据权利要求3所述的热敏有机材料，其中热敏有机材料制作的微悬梁臂与基底有一个空气间隙。
9.根据权利要求3所述的热敏有机材料，其中热敏有机材料表面或内部可以制作微纳结构。
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