CN113358595A - 一种量子点近红外气体传感器以及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种量子点近红外气体传感器以及制备方法，属于气体传感器技术领域，将集成光学天线的量子点光电探测器、气室、光源、信号处理电路进行片上集成，该气体传感器可将检测到的气体量转换成可用输出电信号，最后读出气体浓度信息。本发明中，红外气体传感器的核心部件为量子点光电探测器，与光学天线直接集成实现窄带滤光并且提高其灵敏度，取代分立滤光片元件，减小红外气体传感器体积，并提出适用于光子型探测器的后端信号检测与放大电路，结合气室、光源制备成NDIR气体传感器，针对CH4和NH3气体实现小体积、高灵敏、低成本的快速检测。本发明还提供了其制备方法，其制备方法简便可行。
Description
技术领域
本发明属于气体传感器技术领域，更具体地，涉及一种量子点近红外气体传感器以及制备方法。
背景技术
气体传感器在环境保护、安防报警、流程工业等领域发挥着不可替代的重要作用。基于非色散红外(NDIR)吸收原理的NDIR近红外气体传感器基于不同气体分子的红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系(朗伯-比尔定律)鉴别气体组分并确定其浓度。NDIR近红外气体传感器通常由宽谱光源、气室、窄带滤光片以及红外探测器等核心部件构成。红外探测器的性能对NDIR近红外气体传感器的灵敏度、响应速度有重要影响。
目前，NDIR气体传感器常采用非制冷的热探测器，申请号为201911256486.4发明申请公开了“一种NDIR近红外气体传感器”，将红外光源、热电堆芯片、滤光片、气室、光腔以键合方式连接制备成近红外气体传感器，具有体积小的优势，但热电堆红外探测器的工作原理是基于塞贝克效应的红外辐射探测，其吸收层材料对红外的吸收率较低，导致温差小，灵敏度不足。申请号为201710579047.1发明申请公开了一种钽酸锂窄带探测器及其制备方法，将光学天线与钽酸锂热探测器集成，实现了在一定波长范围内对特定波长红外线的检测，但响应时间相对较长且灵敏度不足。
受NDIR原理限制，传感器体积的缩小带来光程的缩短，从而对传感器灵敏度、响应时间和气体检测限以及量程范围等指标提出了更高的要求，且NDIR气体传感器的宽谱红外光源、气室、滤光片、红外探测器和信号处理电路等核心元器件长期处于分立设计和制造的状态，不同元器件在材料、结构和集成工艺上缺乏兼容性，导致NDIR气体传感器的集成度不足，从而制约了高性能NDIR气体传感器的微型化。
因此，需要开发集成度更高的高性能NDIR气体传感器。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于通过对近红外气体传感器的核心组成、相应制备方法的整体工艺及各个步骤的参数进行改进，采用集成光学天线的量子点光电探测器，使得传感器的集成度大幅度提高，针对CH4和NH3气体实现小体积、高灵敏、低成本的快速检测。
为实现上述目的，本发明提供了一种量子点近红外气体传感器，其包括光源、气室、集成光学天线的量子点光电探测器以及信号处理电路，气室设置在光源出射光方向上，集成光学天线的量子点光电探测器用于接收从气室出射的光束，信号处理电路连通集成光学天线的量子点光电探测器，其中，集成光学天线的量子点光电探测器中，光学天线和量子点薄膜集成为一体，且光学天线和量子点薄膜之间具有绝缘层。
进一步的，集成光学天线的量子点光电探测器包括衬底、量子点薄膜、绝缘层、光学天线和电极，一层量子点薄膜层叠在衬底上，一层绝缘层层叠在一层量子点薄膜上，电极设置在绝缘层内且贴近在量子点薄膜，光学天线呈阵列状设置在绝缘层上。
进一步的，集成光学天线的量子点光电探测器包括衬底、量子点薄膜、绝缘层、光学天线、电极、金属层和介质层，其中，一层金属层层叠于衬底上，一层介质层层叠于金属层上，光学天线设置在介质层上，绝缘层覆盖在光学天线上且与介质层相贴合，一层量子点薄膜层叠于绝缘层上，一对电极设置在量子点薄膜上。
进一步的，集成光学天线的量子点光电探测器包括衬底、量子点薄膜、绝缘层、光学天线、电极、金属层和介质层，其中，一层金属层层叠于衬底上，一层介质层层叠于金属层上，一层量子点薄膜层叠于介质层上，一层绝缘层层叠在一层量子点薄膜上，电极设置在绝缘层内且贴近在量子点薄膜，光学天线呈阵列状设置在绝缘层上。
进一步的，量子点薄膜为PbS量子点胶体溶液或者PbSe量子点胶体溶液制备，光学天线为金属Au制备的纳米结构阵列，介质层为SiO2或者Si3N4，金属层为Au材质。
进一步的，光学天线中心波长为1500和1650nm，半峰宽为50nm～100nm，品质因素Q值为15左右，比如为为15±0.5，PbS量子点薄膜在1200nm～1800nm范围内实现不同的峰值吸收波长，光源为MEMS光源或LED光源。
进一步的，信号处理电路由一个运算放大器和两个负反馈电阻组成，该电路将输入信号通过运放进行放大，并通过负反馈电阻控制信号放大倍数，从而获得稳定且正确的信号输出。
按照本发明的另一个方面，还提供一种制备如上所述的量子点近红外气体传感器的方法，其包括如下步骤：
(1)在预切割的衬底上，涂覆胶体量子点，作为光敏材料，通过物理法沉积Au形成电极，
(2)通过物理法在量子点薄膜表面沉积一层介质层材料充当绝缘层，用于隔绝水氧，从而能长期稳定光电探测器性能，
(3)通过电子束曝光工艺，在绝缘层上曝光出Au光学天线图案，继续进行电子束蒸发工艺沉积Au，最后去胶剥离得到单层Au天线，
(4)再通过键合的方式将量子点光电导器件与TO底座连接，制备出集成光学天线的光电探测器的TO器件，
(5)最后将TO器件、气室、光源、信号处理电路结合并进行封装，制备成量子点近红外气体传感器。
进一步的，光学天线是利用金属纳米结构阵列作为光学谐振腔，通过纳米尺度效应实现对光波响应带的频移作用，光学天线为金属Au制备的纳米结构阵列，其包括多个相同的单元，其单元为圆盘状或者十字形，通过改变金圆盘的半径、周期、十字形的长、十字形宽或者介质层厚度，能获得得到针对NH3、CH4的近红外波段有较强吸收的光学纳米天线器件，实现纳米光学天线可调。
进一步的，通过调控PbS量子点合成过程中的温度、各组分比例，在1200nm～1800nm范围内实现不同的峰值吸收波长。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)将光源、集成光学天线的量子点光电探测器、气室和后端处理电路进行片上集成，制备成NDIR气体传感器，可进行动态测试与静态测试，具有小型化、低成本、高精度的优点，解决了需要大型仪器及平台进行测试的问题。
(2)创新性地提出构建NDIR气体传感器的核心部件窄带红外光电探测器，本发明中的红外光电探测器采用集成技术，将光学天线与量子点光电导型光电探测器进行直接硅基集成，实现了NDIR气体传感器中的窄带红外光电探测器小型化。利用制备的高性能集成窄带滤波光学天线的量子点光电探测器可实现高灵敏、高精度和低成本的快速检测。
(3)针对适用于NDIR探测的光子型探测器提出相应的信号处理电路，采用同相放大结构，对光子型探测器的交流电压进行放大，进而利用AD转换器进行信号提取，最后通过无线芯片将信号输出到电脑端，从而快速、及时的对信号进行放大与测量，同时也可利用示波器或者万用表进行测试。
附图说明
图1是本发明实施例中NDIR气体传感器示意图；
图2是本发明实施例中集成单层光学天线的量子点红外光电探测器结构示意图；
图3是本发明实施例中集成金属-介质-金属光学天线的量子点红外光电探测器结构示意图；
图4是本发明实施例中集成金属-介质-金属光学天线的量子点红外光电探测器结构示意图；
图5是本发明实施例中封装后的量子点红外光电探测器TO器件结构示意图；
图6是本发明实施例中后端信号处理电路示意图。
在所有附图中，相同的附图标记自始至终表示相同的结构或者元件，其中：
1—衬底 2—量子点薄膜 3—电极
4—绝缘层 5—光学天线 6—金属层
7—介质层 8—管座 9—光源
10—气室 11—集成光学天线的量子点光电探测器
12—信号处理电路 13—NDIR气体传感器 14—电阻
15—电容 16—TIA放大电路 17—低通滤波电路
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明实施例中的NDIR气体传感器13的示意图，由图可知，本发明的一种量子点近红外气体传感器包括光源9、气室10、集成光学天线的量子点光电探测器11以及信号处理电路12，气室设置在光源出射光方向上，集成光学天线的量子点光电探测器用于接收从气室出射的光束，信号处理电路连通集成光学天线的量子点光电探测器，其中，集成光学天线的量子点光电探测器中，光学天线5和量子点薄膜2集成为一体，且光学天线5和量子点薄膜2之间具有绝缘层4。
图2是本发明实施例中集成单层光学天线的量子点红外光电探测器结构示意图，由图可知，集成光学天线的量子点光电探测器包括衬底1、量子点薄膜2、绝缘层4、光学天线5和电极3，一层量子点薄膜2层叠在衬底1上，一层绝缘层4层叠在一层量子点薄膜2上，电极3设置在绝缘层4内且贴近在量子点薄膜2，光学天线5呈阵列状设置在绝缘层4上。
图3是本发明实施例中集成金属-介质-金属光学天线的量子点红外光电探测器结构示意图，由图可知，集成光学天线的量子点光电探测器包括衬底1、量子点薄膜2、绝缘层4、光学天线5、电极3、金属层6和介质层7，其中，一层金属层6层叠于衬底1上，一层介质层7层叠于金属层6上，光学天线5设置在介质层7上，绝缘层4覆盖在光学天线5上且与介质层7相贴合，一层量子点薄膜2层叠于绝缘层4上，一对电极3设置在量子点薄膜2上。
图4是本发明实施例中集成金属-介质-金属光学天线的量子点红外光电探测器结构示意图，由图可知，集成光学天线的量子点光电探测器包括衬底1、量子点薄膜2、绝缘层4、光学天线5、电极3、金属层6和介质层7，其中，一层金属层6层叠于衬底1上，一层介质层7层叠于金属层6上，一层量子点薄膜2层叠于介质层7上，一层绝缘层4层叠在一层量子点薄膜2上，电极3设置在绝缘层4内且贴近在量子点薄膜2，光学天线5呈阵列状设置在绝缘层4上。
图5是本发明实施例中封装后的量子点红外光电探测器TO器件结构示意图，由图可知，量子点薄膜设置在衬底上，电极位于量子点薄膜上，绝缘层覆盖在量子点薄膜和电极上，光学天线位于绝缘层之上，一对电极分别连接各自的导线，盖帽将整个气体传感器封装在管座8上。
为了更详细的说明本发明方法，下面结合具体的实施例进一步详细的说明。
(1)在预切割的衬底上，旋涂PbS胶体量子点，作为光敏材料，通过物理掩膜和电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射等物理法沉积Au形成电极，制备出量子点光电导器件。
(2)通过物理法如PECVD或ALD在量子点薄膜表面沉积一层介质层如SiO2或Si3N4材料充当绝缘层，可以有效隔绝水氧，达到长期稳定光电探测器性能的作用。
(3)通过电子束曝光工艺，在绝缘层上曝光出Au光学天线图案，继续进行电子束蒸发工艺沉积Au，最后去胶剥离得到单层Au天线；
(4)再通过键合的方式将量子点光电导器件与TO底座连接，制备出集成光学天线的光电探测器的TO器件，最后将TO器件、气室、MEMS红外光源/LED光源、PCB板级信号处理电路结合进行封装，制备成NDIR近红外气体传感器。
作为本发明的进一步优选，所述光敏材料为PbS胶体量子点薄膜，通过室温下旋涂、喷涂或电流体喷印在衬底上长一层胶体量子点，也可以是化学水浴沉积法制备的PbS、PbSe等。
优选的，所述的窄带滤波光学天线是利用金属纳米结构阵列作为光学谐振腔，通过纳米尺度效应实现对光波响应带的频移作用，针对NH3近红外吸收带的中心波长为1500nm，CH4近红外吸收带的中心波长为1650nm，通过改变金属如金圆盘的半径、周期、十字形的长、宽或者介质层厚度等参数可以得到针对NH3、CH4的近红外波段有较强吸收的光学纳米天线器件，实现纳米光学天线可调。
优选的，通过调控PbS量子点合成过程中的温度、各组分比例等参数，在1200nm-1800nm范围内实现不同的峰值吸收波长。
优选的，将中心波长为1500和1650nm的纳米光学天线，其半峰宽为50-100nm，Q值为15左右，与峰值吸收波长相对应的PbS量子点光电探测器在沉积一层绝缘层，隔绝水氧，稳定探测器性能后进行直接集成，实现对NH3、CH4的高灵敏检测。
优选的，针对NDIR探测中的光子型光电探测器提出相应的信号处理电路，采用同相放大结构，对光子型探测器的交流电压进行放大，进而利用AD转换器进行信号提取，最后通过无线芯片将信号输出到电脑端。
PbS量子点光电探测器备方法可采用如下步骤：在硅衬底或者玻璃衬底上，旋涂PbS量子点，蒸镀金电极，利用等离子体气相沉积、电子束曝光、电子束蒸发制备出绝缘层和光学天线。
气室制备方法可采用如下步骤：利用机械加工技术，在长方形的毛坯中，制作结构为20mm*20mm*68mm的方形铝制外壳，内部为直径8mm、长度68mm的镀金腔体，光程为60mm，上方有两个直径4mm的可旋入通气口，左边为直径10mm的可旋入光源端子，可用于反射和聚焦光源，实现更高的光源利用效率。该气室拟搭配小灯泡光源或MEMS光源，TO封装探测器进行静态测试与动态测试。
PCB板电路也即信号处理电路如下：
制备方法可采用如下步骤：利用蚀刻、电镀、多层板压合等技术，依据PCB电路图，在上层布元器件、下层布电路，完成电路的印制以及元器件(包括运放、电阻电容、AD、处理芯片、接口等等)的焊接，通过写入代码实现信息的采集、处理以及传输。
最后整个NDIR模组制备方法可采用如下步骤：将气室进行加工后，从左侧接入光源，右侧插入探测器板，将探测器板和下方电路连接在一起，从而实现对信号的处理与输出。
实施例1(光电探测器三种结构：第一种是光子型光电探测器与单层金纳米光学天线集成结构，本实施例侧重讲第一种结构)
(1)制备PbS胶体量子点溶液。可以用卤素铅源(PbCl2)，硫代乙酰胺(TAA)作为硫源，采用化学法反应生成。
具体地，将3mmoL卤素铅(PbCl2)，油胺OLA 15mL)置于50mL的三颈烧瓶中，将混合溶液在室温下抽真空并不断搅拌30分钟，向三颈烧瓶中通入氮气，在氮气氛围内缓慢将溶液温度升高到120℃并稳定在120℃，形成铅的盐溶液，即此过程中所形成的是铅的前驱体。将56mg硫代乙酰胺溶在4.5mL油胺中，超声约20分钟至硫代乙酰胺将完全分散在油胺中，所得到的溶液便是硫的前驱体。将硫的前驱体快速注入铅的前驱体中，反应维持1min后移去加热套，自然冷却，待冷却至80℃时，加入8mL正己烷，冷却只40℃时注入4mL油酸，待溶液降至室温时进行硫化铅量子点清洗。向冷却后的溶液中加入适量乙醇溶液，放入离心机中离心，量子点与杂质分离，倒去上清液(此时的上清液最好接近无色)沉淀即为制备的量子点。将最终所得产物烘干成粉末并分散在正辛烷中形成PbS胶体量子点溶液。
(2)制备PbS光电导型光电探测器。将PbS胶体量子点溶液进行溶液级配体置换，使之具有较好的导电性和单分散性，最后室温旋涂在硅衬底上形成致密的薄膜。
按需要称量0.3mmol/mLPbI2，在DMF(N-二甲基甲酰胺)溶液超声溶解形成PbI2盐溶液，在盐溶液中加入等体积的PbS量子点溶液(10mg/ml)，震荡-静置进行配体交换至最终溶液分层，分离上层溶液，加辛烷清洗2-3遍，提取DMF溶液进行高速离心，去除上清液，得到PbS量子点沉淀后按需要加入适量BuTA(正丁胺)：DMF＝9：1的溶液，溶解为100-500mg/ml，取适量溶液进行涂膜(100mg/ml 30μl对应约100nmPbS量子点薄膜)，通过物理掩膜和电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射等物理法沉积Au形成电极。
(3)通过PECVD等离子体气相沉积工艺或ALD原子层沉积工艺制备二氧化硅或者氮化硅绝缘层(100-200nm)。
(4)通过EBL电子束曝光工艺，曝光出Au光学天线图案金属，先匀光刻胶，150℃烘1分钟，最后曝光采用5nm精度，曝光完成后，进行显影。
(5)通过EBE电子束蒸发蒸镀80nmAu，最后浸泡在去胶液4小时候后进行剥离，得到集成光学天线的PbS量子点探测器。
实施例2(光电探测器三种结构：第二种是光子型光电探测器与金属-介质-金属光学天线集成结构，本例子侧重讲第二种结构)
(1)制备窄带滤波光学天线，采用微纳加工工艺在硅衬底上先用电子束蒸发蒸镀一层100nm金背板(选择5-10nmTi、Ni、Gr作为黏附层)；再通过PECVD等离子体气相沉积工艺沉积二氧化硅介质层(80-100nm)。最后采用光刻工艺(包括：光刻胶(PMMA)涂覆，曝光与显影以及去胶剥离三步工艺)制备金属-介质-金属纳米天线阵列。
(2)最后，在制备好的光学天线阵列上，先利用PECVD/ALD长一层二氧化硅绝缘层，再旋涂、喷涂或电流体喷印在衬底上长一层PbS胶体量子点制备出高性能集成光学天线PbS量子点光电探测器。
实施例3(光电探测器三种结构：第三种是集成金属-介质-金属光学天线的量子点红外光电探测器，量子点作为介质层，本例子侧重讲第三种结构)
(1)制备窄带滤波光学天线。具体为，采用微纳加工工艺在硅衬底上先用电子束蒸发蒸镀一层100nm金背板(选择5-10nmTi、Ni、Gr作为黏附层)；再通过PECVD等离子体气相沉积工艺沉积二氧化硅介质层(20-100nm)，再旋涂、喷涂或电流体喷印在衬底上长一层PbS胶体量子点制备出高性能集成光学天线PbS量子点光电探测器，利用PECVD/ALD长一层二氧化硅绝缘层(20-100nm)，最后采用光刻工艺(包括：光刻胶(PMMA)涂覆,曝光与显影以及去胶剥离三步工艺)制备金属纳米天线阵列。
图6是本发明实施例中后端信号处理电路示意图，由图可知，TIA放大电路16连通低通滤波电路17，TIA放大电路由一个运算放大器和两个负反馈电阻组成，该电路将输入信号通过运放进行放大，并通过负反馈电阻5控制信号放大倍数，从而达到一个稳定且正确的信号输出。其中，分压滤波电路17由探测器和一个分压电阻组成一个分压电路，由一个电容15和一个电阻14组成高通滤波电路。分压电路通过一个与探测器相匹配的电阻进行分压，从而得到直流信号与交流信号，然后通过一个RC串联形成的高通滤波器，从而滤除直流信号得到一个交流信号，往下输送到同相放大电路中。
本发明中，通过优化光学天线与量子点光电导探测器集成结构，能减小半峰宽，实现窄带探测，本发明采用金属-介质-金属三层结构光学天线，且将量子点作为介质层或者在量子点和光学天线中间添加一层绝缘层，可更好的增强光吸收，减小半峰宽。此外，针对NDIR探测中的光子型光电探测器提出相应的信号处理电路，采用同相放大结构，对光子型探测器的交流电压进行放大，进而利用AD转换器进行信号提取，最后通过无线芯片将信号输出到电脑端。
本发明的量子点红外气体传感器制备方法并不局限于上述实施例，具体地，光电探测器的光敏材料并不限于PbS胶体量子点薄膜，也可以是化学水浴沉积法制备的PbS、PbSe等，除了上述实施例中的具体参数设置外，本发明量子点薄膜的厚度可以为50～150nm中的某个具体值，厚度值(h)的大小会影响整个器件总体Q值，可根据需求调整。
本发明中出现的室温(即20℃～25℃)，除了室温环境外，也可采用如-20℃～80℃的其他温度条件来替代。
本发明将集成光学天线的PbS量子点光电探测器、气室、MEMS红外光源、PCB板级信号处理电路进行片上集成，该气体传感器可将检测到的气体量转换成可用输出电信号，最后读出气体浓度信息。本发明中，近红外气体传感器的核心部件为量子点光电探测器，与光学天线直接集成实现窄带滤光并且提高其灵敏度，取代分立滤光片元件，减小近红外气体传感器体积，并提出适用于光子型探测器的后端信号检测与放大电路，结合气室、MEMS光源/LED光源制备成NDIR气体传感器，针对CH4和NH3气体实现小体积、高灵敏、低成本的快速检测。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种量子点近红外气体传感器，其特征在于，其包括光源、气室、集成光学天线的量子点光电探测器以及信号处理电路，气室设置在光源出射光方向上，集成光学天线的量子点光电探测器用于接收从气室出射的光束，信号处理电路连通集成光学天线的量子点光电探测器，其中，集成光学天线的量子点光电探测器中，光学天线(5)和量子点薄膜(2)集成为一体，且光学天线(5)和量子点薄膜(2)之间具有绝缘层(4)。
2.如权利要求1所述的一种量子点近红外气体传感器，其特征在于，集成光学天线的量子点光电探测器包括衬底(1)、量子点薄膜(2)、绝缘层(4)、光学天线(5)和电极(3)，一层量子点薄膜(2)层叠在衬底(1)上，一层绝缘层(4)层叠在一层量子点薄膜(2)上，电极(3)设置在绝缘层(4)内且贴近在量子点薄膜(2)，光学天线(5)呈阵列状设置在绝缘层(4)上。
3.如权利要求1所述的一种量子点近红外气体传感器，其特征在于，集成光学天线的量子点光电探测器包括衬底(1)、量子点薄膜(2)、绝缘层(4)、光学天线(5)、电极(3)、金属层(6)和介质层(7)，其中，一层金属层(6)层叠于衬底(1)上，一层介质层(7)层叠于金属层(6)上，光学天线(5)设置在介质层(7)上，绝缘层(4)覆盖在光学天线(5)上且与介质层(7)相贴合，一层量子点薄膜(2)层叠于绝缘层(4)上，一对电极(3)设置在量子点薄膜(2)上。
4.如权利要求2所述的一种量子点近红外气体传感器，其特征在于，集成光学天线的量子点光电探测器包括衬底(1)、量子点薄膜(2)、绝缘层(4)、光学天线(5)、电极(3)、金属层(6)和介质层(7)，其中，一层金属层(6)层叠于衬底(1)上，一层介质层(7)层叠于金属层(6)上，一层量子点薄膜(2)层叠于介质层(7)上，一层绝缘层(4)层叠在一层量子点薄膜(2)上，电极(3)设置在绝缘层(4)内且贴近在量子点薄膜(2)，光学天线(5)呈阵列状设置在绝缘层(4)上。
5.如权利要求2-4之一所述的一种量子点近红外气体传感器，其特征在于，量子点薄膜为PbS量子点胶体溶液或者PbSe量子点胶体溶液制备，光学天线(5)为金属Au制备的纳米结构阵列，介质层(7)为SiO2或者Si3N4，金属层(6)为Au材质。
6.如权利要求5所述的一种量子点近红外气体传感器，其特征在于，光学天线中心波长为1500和1650nm，半峰宽为50nm～100nm，品质因素Q值为15±0.5，PbS量子点薄膜在1200nm～1800nm范围内实现不同的峰值吸收波长，光源为MEMS光源或LED光源。
7.如权利要求6所述的一种量子点近红外气体传感器，其特征在于，信号处理电路由一个运算放大器和两个负反馈电阻组成，该电路将输入信号通过运放进行放大，并通过负反馈电阻控制信号放大倍数，从而获得稳定且正确的信号输出。
8.制备如权利要求1-7之一所述的量子点近红外气体传感器的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)在预切割的衬底上，涂覆胶体量子点，作为光敏材料，通过物理法沉积Au形成电极，
(2)通过物理法在量子点薄膜表面沉积一层介质层材料充当绝缘层，用于隔绝水氧，从而能长期稳定光电探测器性能，
(3)通过电子束曝光工艺，在绝缘层上曝光出Au光学天线图案，继续进行电子束蒸发工艺沉积Au，最后去胶剥离得到单层Au天线，
(4)再通过键合的方式将量子点光电导器件与TO底座连接，制备出集成光学天线的光电探测器的TO器件，
(5)最后将TO器件、气室、光源、信号处理电路结合并进行封装，制备成量子点近红外气体传感器。
9.制备如权利要求8所述的量子点近红外气体传感器的方法，其特征在于，光学天线是利用金属纳米结构阵列作为光学谐振腔，通过纳米尺度效应实现对光波响应带的频移作用，
光学天线为金属Au制备的纳米结构阵列，其包括多个相同的单元，其单元为圆盘状或者十字形，通过改变金圆盘的半径、周期、十字形的长、十字形宽或者介质层厚度，能获得得到针对NH3、CH4的近红外波段有较强吸收的光学纳米天线器件，实现纳米光学天线可调。
10.制备如权利要求9所述的量子点近红外气体传感器的方法，其特征在于，通过调控PbS量子点合成过程中的温度、各组分比例，在1200nm～1800nm范围内实现不同的峰值吸收波长。
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|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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