CN110702206B - 基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器及系统，具体而言，涉及红外测量领域。本申请在腔体内部设置有石墨烯、第一电极和第二电极内，其中，第一电极和第二电极分别设置在腔体中相对的两个内壁上，石墨烯的一端设置在第一电极上，石墨烯的另一端设置在第二电极上，石墨烯远离第一电极和第二电极的一侧的腔体的腔壁上开设有通孔，且通孔的位置与石墨烯的位置相对，使用红外光从通孔照射在石墨烯上，石墨烯与红外光发生耦合，使得石墨烯的温度增加，通过检测石墨烯温度的变化情况，并根据石墨烯温度变化与热噪声的关系，就可以得到此时石墨烯的热噪声，根据热噪声与红外光波长的对应关系就可以直接得到照射到石墨烯上红外光的波长。

Description

基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器及系统

技术领域

本发明涉及红外测量领域，具体而言，涉及一种基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器及系统。

背景技术

红外线是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，波长在750纳米至1毫米之间，是波长比红光长的非可见光。红外线具有热效应，在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途，红外线也俗称红外光。

现有技术中，对红外线的测量主要是手段是依靠检测被红外线照射的物体的温度，由于被测物体的温度分别与红外线的波长、被照射物体的比热容和被红外线照射的时间有关。

由于被照射物体的比热容和被红外线照射的时间引起的计算红外线波长的误差，所以使得对红外线的检测不准确。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器及系统，以解决现有技术中的由于被照射物体的比热容和被红外线照射的时间引起的计算红外线波长的误差，使得对红外线的检测不准确的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器，红外探测器包括：腔体、石墨烯、第一电极和第二电极；腔体内部设置有石墨烯、第一电极和第二电极内，其中，第一电极和第二电极分别设置在腔体中相对的两个内壁上，石墨烯的一端设置在第一电极上，石墨烯的另一端设置在第二电极上，石墨烯远离第一电极和第二电极的一侧的腔体的腔壁上开设有通孔，且通孔的位置与石墨烯的位置相对。

可选地，该红外探测器还包括晶体层，晶体层设置在石墨烯靠近通孔的一侧，用于增加红外探测器对红外线的吸收。

可选地，该晶体层的材料包括：碲化镉晶体颗粒和氧化钼晶体颗粒中任意一种。

可选地，该红外线探测器还包括反射层，反射层设置在石墨烯远离通孔的一侧，且反射层与石墨烯之间形成波导模式。

可选地，该石墨烯层靠近通孔的一侧，和远离通孔的一侧均设置有多个凹坑。

可选地，该石墨烯包括第一石墨烯层和第二石墨烯层，第一石墨烯层和第二石墨烯层之间设置有纳米管，第一石墨烯层和第二石墨烯层之间形成谐振腔。

可选地，该第一电极和第二电极的水平高度不同。

可选地，该第一电极和第二电极的水平高度相同。

可选地，该石墨烯的形状为“V”形，“V”形石墨烯的一端设置在第一电极上，“V”形石墨烯的另一端设置在第二电极上。

第二方面，本发明实施例还提供了另一种基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探系统，红外探系统包括：温度检测装置和第一方面任意一项的红外探测器，温度检测装置设置在红外探测器的石墨烯上，用于检测红外探测器的石墨烯的温度。

本发明的有益效果是：

本申请在腔体内部设置有石墨烯、第一电极和第二电极内，其中，第一电极和第二电极分别设置在腔体中相对的两个内壁上，石墨烯的一端设置在第一电极上，石墨烯的另一端设置在第二电极上，石墨烯远离第一电极和第二电极的一侧的腔体的腔壁上开设有通孔，且通孔的位置与石墨烯的位置相对，当该第一电极和第二电极通电之后，该石墨烯相当于具有电阻的电子元件，使用红外光从该通孔照射在石墨烯上，石墨烯与红外光发生耦合，使得石墨烯的温度增加，通过检测该石墨烯温度的变化情况，并根据石墨烯温度变化与热噪声的关系，就可以得到此时石墨烯的热噪声，根据热噪声与红外光波长的对应关系就可以直接得到照射到该石墨烯上红外光的波长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器；

图2为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器；

图3为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器；

图4为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器；

图5为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器；

图6为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器。

图标：10-腔体；20-第一电极；30-第二电极；40-石墨烯；41-第一石墨烯层；42-第二石墨烯层；43-纳米管；50-晶体层；60-反射层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明一实施例提供的一种基于石墨烯40约翰逊噪声测量的红外探测器，如图1所示，本申请实施例提供一种基于石墨烯40约翰逊噪声测量的红外探测器，红外探测器包括：腔体10、石墨烯40、第一电极20和第二电极30；腔体10内部设置有石墨烯40、第一电极20和第二电极30内，其中，第一电极20和第二电极30分别设置在腔体10中相对的两个内壁上，石墨烯40的一端设置在第一电极20上，石墨烯40的另一端设置在第二电极30上，石墨烯40远离第一电极20和第二电极30的一侧的腔体10的腔壁上开设有通孔，且通孔的位置与石墨烯40的位置相对。

该红外探测器的腔体10的形状可以为长方体，也可以为圆柱体，在此不做限定，为了清楚的说明，以该红外探测器的腔体10为长方体进行举例说明，长方体腔体10内相对的两个面分别悬空设置有该第一电极20和第二电极30，即该第一电极20和第二电极30设置在该长方体腔体10的相对的两个面上，并与该长方体的底面相对平行，该石墨烯40设置在该第一电极20和第二电极30之上，分别与第一电极20和第二电极30具有一部分重叠部分，由于该第一电极20和第二电极30均悬空设置，则该石墨烯40也是悬空设置，该石墨烯40的形状根据实际情况进行设置，在此不做限定，一般的，该石墨烯40的形状可以是条形、“V”形或者其他形状，该长方体的腔体10与该石墨烯40相对的位置开设有通孔，使得红外光可以通过该通孔进入到该腔体10内部，并直接照射到该石墨烯40上，进而增加该石墨烯40对红外光的吸收，需要说明的是，该腔体10一般设置为绝缘材料，并且红外线不能穿透该腔体10，该石墨烯40产生的约翰逊早上的温度应在4000摄氏度以下，才能保证对红外光的测量准确性，需要说明的是，不同的约翰逊噪声对应的不同的红外线波长，具体地对应关系根据实际检测得到，在此不做具体限定。

可选地，该红外光的入射角度应于该石墨烯40垂直，避免入射角度的因素对石墨烯40对红外光的吸收效率的影响，该腔体10的通孔的位置还可以设置延长部，该延长部可以用于保护该通孔。

名词解释，约翰逊噪声称为热噪声亦称白噪声，是由导体中电子的热震动引起的，它存在于所有电子器件和传输介质中。它是温度变化的结果，但不受频率变化的影响。热噪声是在所有频谱中以相同的形态分布，它是不能够消除的，由此对通信系统性能构成了上限。

约翰逊噪声的计算方法如下：

V_n＝4KTRB∧0.5

其中，K为波尔兹曼常数(1.38x10^-23J/K)，T为电阻的温度，B是带宽，R是电阻阻值。

图2为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯40约翰逊噪声测量的红外探测器，如图2所示，可选地，红外探测器还包括晶体层50，晶体层50设置在石墨烯40靠近通孔的一侧，用于增加红外探测器对红外线的吸收。

晶体层50可以增加该红外探测器对红外光的吸收，避免的光的损耗，并且该晶体层50还可以与该是石墨烯40层形成耦合，进一步增加了该石墨烯40层对红外光的吸收，另外，该晶体层50具有一定的厚度，相当于增加了石墨烯40层的厚度，更进一步的增加了该红外探测器对红外光的吸收，在实际应用中，该晶体层50的厚度根据实际经验进行设置，在此不做具体限定。

可选地，晶体层50的材料包括：碲化镉晶体颗粒和氧化钼晶体颗粒中任意一种。

该由于碲化镉和氧化钼均具有较好的光学效应，并且该碲化镉晶体颗粒和氧化钼晶体颗粒均为晶体颗粒，晶体颗粒更进一步的增加了该晶体层50对红外光的吸收，也更进一步的增加了该晶体层与石墨烯40的耦合，使得该红外探测器对红外光的吸收更强。

可选地，该石墨烯40上还可以设置有石墨烯40碎片，有利于增加该红外探测器对红外光的吸收。

图3为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯40约翰逊噪声测量的红外探测器，如图3所示，可选地，红外线探测器还包括反射层60，反射层60设置在石墨烯40远离通孔的一侧，且反射层60与石墨烯40之间形成波导模式。

由于红外光具有一定的穿透性，红外光在照射在该石墨烯40上时，有一部分红外光会穿透该石墨烯40，在该石墨烯40远离该通孔的一侧设置反射层60，用于将透过该石墨烯40的红外光进行反射到石墨烯40上，减少红外光的浪费，增加该石墨烯40对该红外光的吸收效率，并且该反射层60与该石墨烯40之间的距离较近，使得该反射层60与该石墨烯40层之间形成波导模式，进一步的增加该石墨烯40对红外光的吸收，该石墨烯40与该反射层60之间的距离根据实际需要进行设置，在此不做限定，一般的，该石墨烯40与该反射层60之间的距离可以设置为小于100纳米。

可选地，石墨烯40层靠近通孔的一侧，和远离通孔的一侧均设置有多个凹坑(图中未示出)。

在该石墨烯40靠近通孔的一侧设置多个凹坑，使得增加该红外光直射到该石墨烯40的距离，使得该石墨烯40对直射到的红外光的吸收增加，在远离该通孔的一侧设置多个凹坑，使得增加该红外光反射到该石墨烯40的距离，使得该石墨烯40对反射到的红外光的吸收增加。

图4为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯40约翰逊噪声测量的红外探测器，如图4所示，可选地，石墨烯40包括第一石墨烯层41和第二石墨烯层42，第一石墨烯层41和第二石墨烯层42之间设置有纳米管43，第一石墨烯层41和第二石墨烯层42之间形成谐振腔。

该第一石墨烯层41与第二石墨烯层42之间可以设置有纳米管43，使得该第一石墨烯层41和第二石墨烯层42之间形成谐振腔，以增加该红外探测器对红外光的吸收，需要说明的是，该纳米管43的设置数量和设置厚度根据实际情况进行设置，在此不做具体限定。

图5为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯40约翰逊噪声测量的红外探测器，如图5所示，可选地，第一电极20和第二电极30的水平高度不同。

该第一电极20与第二电极30的水平高度不同时，当该石墨烯40为长条形形状时，该长条形石墨烯40设置在该第一电极20和第二电极30上，使得该石墨烯40与该腔体10的底面具有一定的夹角，即该石墨烯40倾斜设置，以增加该石墨烯40与红外光的作用时间，提高该石墨烯40对该红外光的吸收效率。

图6为本发明一实施例提供的另一种基于石墨烯40约翰逊噪声测量的红外探测器，如图6所示，可选地，第一电极20和第二电极30的水平高度相同。

继续参照图6，可选的，石墨烯40的形状为“V”形，“V”形石墨烯40的一端设置在第一电极20上，“V”形石墨烯40的另一端设置在第二电极30上。

该第一电极20和该第二电极30处于同一水平面上时，可以将该石墨烯40的形状设置为“V”形，“V”形石墨烯40的两头分别与第一电极20和第二电极30连接，以增加该石墨烯40与红外光的作用时间，提高该石墨烯40对该红外光的吸收效率。

本申请在腔体10内部设置有石墨烯40、第一电极20和第二电极30内，其中，第一电极20和第二电极30分别设置在腔体10中相对的两个内壁上，石墨烯40的一端设置在第一电极20上，石墨烯40的另一端设置在第二电极30上，石墨烯40远离第一电极20和第二电极30的一侧的腔体10的腔壁上开设有通孔，且通孔的位置与石墨烯40的位置相对，当该第一电极20和第二电极30通电之后，该石墨烯40相当于具有电阻的电子元件，使用红外光从该通孔照射在石墨烯40上，石墨烯40与红外光发生耦合，使得石墨烯40的温度增加，通过检测该石墨烯40温度的变化情况，并根据石墨烯40温度变化与热噪声的关系，就可以得到此时石墨烯40的热噪声，根据热噪声与红外光波长的对应关系就可以直接得到照射到该石墨烯40上红外光的波长。

本申请实施例还提供了一种基于石墨烯40约翰逊噪声测量的红外探系统，红外探系统包括：温度检测装置和上述任意一项的红外探测器，温度检测装置设置在红外探测器的石墨烯40上，用于检测红外探测器的石墨烯40的温度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器，其特征在于，所述红外探测器包括：腔体、石墨烯、第一电极和第二电极；

所述腔体内部设置有所述石墨烯、所述第一电极和所述第二电极，其中，所述第一电极和所述第二电极分别设置在所述腔体中相对的两个内壁上，所述石墨烯的一端设置在所述第一电极上，所述石墨烯的另一端设置在所述第二电极上，所述石墨烯远离所述第一电极和所述第二电极的一侧的腔体的腔壁上开设有通孔，且所述通孔的位置与所述石墨烯的位置相对；

所述石墨烯包括第一石墨烯层和第二石墨烯层，所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层之间设置有纳米管，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层之间形成谐振腔。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器，其特征在于，所述红外探测器还包括晶体层，所述晶体层设置在所述石墨烯靠近所述通孔的一侧，用于增加所述红外探测器对红外线的吸收。

3.根据权利要求2所述的基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器，其特征在于，所述晶体层的材料包括：碲化镉晶体颗粒和氧化钼晶体颗粒中任意一种。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器，其特征在于，所述红外线探测器还包括反射层，所述反射层设置在所述石墨烯远离所述通孔的一侧，且所述反射层与所述石墨烯之间形成波导模式。

5.根据权利要求4所述的基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器，其特征在于，所述石墨烯层靠近所述通孔的一侧，和远离所述通孔的一侧均设置有多个凹坑。

6.根据权利要求1所述的基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的水平高度不同。

7.根据权利要求1所述的基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的水平高度相同。

8.根据权利要求7所述的基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探测器，其特征在于，所述石墨烯的形状为“V”形，所述“V”形石墨烯的一端设置在所述第一电极上，所述“V”形石墨烯的另一端设置在所述第二电极上。

9.一种基于石墨烯约翰逊噪声测量的红外探系统，其特征在于，所述红外探系统包括：温度检测装置和权利要求1-8任意一项所述的红外探测器，所述温度检测装置设置在所述红外探测器的所述石墨烯上，用于检测所述红外探测器的所述石墨烯的温度。

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