CN113984215A - 近零功耗mems红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于红外光电探测器技术领域，具体涉及一种近零功耗MEMS红外探测器，包含第一热敏双材料悬臂和第二热敏双材料悬臂，两个热敏双材料悬臂水平对称布置；两个悬臂均由热敏双材料腿、固定在热敏双材料腿头部的薄板和连接热敏双材料腿和衬底的热隔离腿组成，第一悬臂头部薄板上有超材料的红外吸收器和金属接触点，第二悬臂头部薄板上有红外不敏感单元和金属接触点。该探测器采用对称结构设计可以实现良好的环境温度和残余应力补偿，能够使传感系统处于保持意识的休眠状态时，理论功耗为零，制备工艺简单，未来可广泛用于各类无人值守传感器系统、无人装备、空间应用等领域。
Description
技术领域
本发明属于红外光电探测器技术领域，具体涉及一种近零功耗MEMS红外探测器。
背景技术
传感器是探测与获取外界信息的重要途径，通过无人值守光电传感器系统获取战场信息，是未来战场提高装备态势感知能力的重要手段。为持续监测战场态势，现有传感器需要始终处于“开启”状态，90％以上的电力都损耗在无用信号的感知与处理上。特别是，在海岛、山地、沙漠、太空等面临供电有限、补能困难，又需要设备长期、连续、可靠工作的作战场景，上述问题更加突出，严重制约着新型装备发展。
2015年，DARPA首次设立“近零功率射频与传感器操作”(N-ZERO)项目，旨在通过研发事件驱动、无线传感能力解决持续传感器的功耗问题。2017年，参与该项目的美国西北大学等人报道了一种基于面上MEMS的近零功耗红外传感器。此类传感器的核心设计理念是通过启动休眠模式来降低系统功耗，只在收到特定事件激发时才会“醒来”，即保持一种“休眠但有意识”状态，近零功耗传感器技术是实现这一设想的核心关键技术。此类传感器不仅能够大幅减少电能依赖、延长使用寿命、降低作战人员维护风险，还能强化在射频、红外、化学、压力、温度和声音等方面的探测分析能力，显著减少传统设备的误警概率，大幅拓展传感器在战场态势感知、重要设施监控、无人值守边境海岛防护等领域的应用范围。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术改进需求，如何提供一种近零功耗MEMS红外探测器，要求该探测器能够使传感系统处于保持意识的休眠状态时，理论功耗为零(工程功耗近似为零)，制备工艺简单，未来可广泛用于各类无人值守传感器系统、无人装备、空间应用等领域。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种近零功耗MEMS红外探测器，所述近零功耗MEMS红外探测器包括：第一双材料悬臂3和第二双材料悬臂4，两个双材料悬臂水平对称布置；
所述第一双材料悬臂3由第一热敏双材料腿3-1、固定在第一热敏双材料腿3-1头部的第一薄板3-2和一个一头连接第一热敏双材料腿3-1而另一头连接到衬底2的第一热隔离腿3-3组成；
所述第二双材料悬臂4由第二热敏双材料腿4-1、固定在第二热敏双材料腿4-1头部的第二薄板4-2和一个一头连接热敏双材料腿4-1而另一头连接到衬底2的第二热隔离腿4-3组成；
所述第一双材料悬臂3头部的第一薄板3-2上设有一个超材料的红外吸收器5和第一金属接触点6；所述第二双材料悬臂4头部的第二薄板4-2上设有红外不敏感单元7和第二金属接触点8；
所述超材料的红外吸收器5为满足特定红外谱段下近100％光吸收条件的红外吸收器；
所述红外不敏感单元7满足特定红外谱段下近100％光反射条件。
其中，所述第一热敏双材料腿3-1由SiO2膜和金属Al层组成。
其中，所述第二热敏双材料腿4-1由SiO2膜和金属Al层组成。
其中，所述超材料的红外吸收器5包括：下金属层5-1、绝缘体层5-2和上金属层5-3的三层结构组成；所述下金属层5-1和绝缘体层5-2为平板结构；所述上金属层5-3为周期化的二维金属阵列图形化结构，满足特定红外谱段下近100％光吸收条件。
其中，所述红外不敏感单元7为平板结构，由高反射率膜层组成，满足特定红外谱段下近100％光反射条件。
其中，所述特定红外谱段包括短波红外谱段、中波红外谱段和长波红外谱段。
其中，所述衬底2上包含第一金属焊盘9和第二金属焊盘10；
所述第一金属焊盘9与第一金属接触点6通过第一双材料悬臂3进行电互连；
所述第二金属焊盘10与第二金属接触点8通过第二双材料悬臂4进行电互连。
其中，所述近零功耗MEMS红外探测器，采用对称结构设计来实现良好的环境温度和残余应力补偿。
其中，所述近零功耗MEMS红外探测器的工作原理为：超材料的红外吸收器5接收红外的入射辐射能量，导致第一双材料悬臂3和第二双材料悬臂4加热并向面内弯曲，当接收的红外入射光功率超过开关的阈值时，两个悬臂头部的金属接触点接触，从而完成两个悬臂之间的电气路径连接，将红外信号转换为电信号输出即实现了红外探测功能。
其中，所述第一热敏双材料腿3-1和第二热敏双材料腿4-1采用折叠式设计，从而有效减小器件尺寸。
(三)有益效果
针对现有技术改进需求，本发明提供一种近零功耗MEMS红外探测器，该探测器能够使传感系统处于保持意识的休眠状态时，理论功耗为零(工程功耗近似为零)，制备工艺简单，未来可广泛用于各类无人值守传感器系统、无人装备、空间应用等领域。
与现有技术相比较，本发明所采用的超材料的红外吸收器易于实现对红外信号的高效收集；
本发明所采用的对称结构设计可以实现良好的环境温度和残余应力补偿，同时滤除噪音和干扰源，提高探测识别率；
本发明所提出的近零功耗MEMS红外探测器，能够使传感系统处于保持意识的休眠状态时，理论功耗为零(工程功耗近似为零)，通过目标信号直接驱动转换环节，从而实现整个传感环节的无电力工作，并具有的智能处理化潜力；
本发明所提出的近零功耗MEMS红外探测器，使传感器的设计理念发生根本性变革，可节约传感部分的能源消耗，为低保障、智能化、持久性的无人值守功能提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的近零功耗MEMS红外探测器的俯视图。
图2为本发明所述超材料的红外吸收器结构示意图。
图3为本发明提出的一种近零功耗MEMS红外探测器的工作原理图。
图4为本发明实施例2提出的基于折叠腿悬臂结构的近零功耗MEMS红外探测器示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
在现有技术基础上，本发明提出了一种新型的基于面内MSM开光的近零功耗红外探测器技术，进一步简化了工艺步骤，降低制备工艺难度。
实施例1
参见图1，本发明提供一种近零功耗MEMS红外探测器，包括：第一双材料悬臂3和第二双材料悬臂4，两个双材料悬臂水平对称布置；
所述第一双材料悬臂3由第一热敏双材料腿3-1、固定在第一热敏双材料腿3-1头部的第一薄板3-2和一个一头连接第一热敏双材料腿3-1而另一头连接到衬底2的第一热隔离腿3-3组成；
所述第二双材料悬臂4由第二热敏双材料腿4-1、固定在第二热敏双材料腿4-1头部的第二薄板4-2和一个一头连接热敏双材料腿4-1而另一头连接到衬底2的第二热隔离腿4-3组成；
所述第一双材料悬臂3头部的第一薄板3-2上设有一个超材料的红外吸收器5和第一金属接触点6；所述第二双材料悬臂4头部的第二薄板4-2上设有红外不敏感单元7和第二金属接触点8；
所述第一热敏双材料腿3-1和第二热敏双材料腿4-1均由SiO2膜和金属Al层组成；
参见图2，所述超材料的红外吸收器5包括：下金属层5-1、绝缘体层5-2和上金属层5-3的三层结构组成；所述下金属层5-1和绝缘体层5-2为平板结构；所述上金属层5-3为周期化的二维金属阵列图形化结构，满足特定红外谱段下近100％光吸收条件；
所述红外不敏感单元7为平板结构，由高反射率膜层组成，满足特定红外谱段下近100％光反射条件；
所述衬底2上包含第一金属焊盘9和第二金属焊盘10；第一金属焊盘9与第一金属接触点6通过第一双材料悬臂3进行电互连；第二金属焊盘10与第二金属接触点8通过第二双材料悬臂4进行电互连；
所述特定红外谱段包括短波红外谱段、中波红外谱段和长波红外谱段；
所述近零功耗MEMS红外探测器，采用对称结构设计可以实现良好的环境温度和残余应力补偿；
参见图3，所述近零功耗MEMS红外探测器的工作原理为：超材料的红外吸收器5接收红外的入射辐射能量，导致第一双材料悬臂3和第二双材料悬臂4加热并向面内弯曲，当接收的红外入射光功率超过开关的阈值时，两个悬臂头部的金属接触点接触，从而完成两个悬臂之间的电气路径连接，将红外信号转换为电信号输出即实现了红外探测功能。
实施例2
参见图4，与本发明提出的实施例1不同之处在于，本方案近零功耗探测器的悬臂中的第一热敏双材料腿3-1和第二热敏双材料腿4-1采用折叠式设计，可以有效减小器件尺寸。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种近零功耗MEMS红外探测器，其特征在于，所述近零功耗MEMS红外探测器包括：第一双材料悬臂(3)和第二双材料悬臂(4)，两个双材料悬臂水平对称布置；
所述第一双材料悬臂(3)由第一热敏双材料腿(3-1)、固定在第一热敏双材料腿(3-1)头部的第一薄板(3-2)和一个一头连接第一热敏双材料腿(3-1)而另一头连接到衬底(2)的第一热隔离腿(3-3)组成；
所述第二双材料悬臂(4)由第二热敏双材料腿(4-1)、固定在第二热敏双材料腿(4-1)头部的第二薄板(4-2)和一个一头连接热敏双材料腿(4-1)而另一头连接到衬底(2)的第二热隔离腿(4-3)组成；
所述第一双材料悬臂(3)头部的第一薄板(3-2)上设有一个超材料的红外吸收器(5)和第一金属接触点(6)；所述第二双材料悬臂(4)头部的第二薄板(4-2)上设有红外不敏感单元(7)和第二金属接触点(8)；
所述超材料的红外吸收器(5)为满足特定红外谱段下近100％光吸收条件的红外吸收器；
所述红外不敏感单元(7)满足特定红外谱段下近100％光反射条件。
2.如权利要求1所述近零功耗MEMS红外探测器，其特征在于，所述第一热敏双材料腿(3-1)由SiO2膜和金属Al层组成。
3.如权利要求1所述近零功耗MEMS红外探测器，其特征在于，所述第二热敏双材料腿(4-1)由SiO2膜和金属Al层组成。
4.如权利要求1所述近零功耗MEMS红外探测器，其特征在于，所述超材料的红外吸收器(5)包括：下金属层(5-1)、绝缘体层(5-2)和上金属层(5-3)的三层结构组成；所述下金属层(5-1)和绝缘体层(5-2)为平板结构；所述上金属层(5-3)为周期化的二维金属阵列图形化结构，满足特定红外谱段下近100％光吸收条件。
5.如权利要求1所述近零功耗MEMS红外探测器，其特征在于，所述红外不敏感单元(7)为平板结构，由高反射率膜层组成，满足特定红外谱段下近100％光反射条件。
6.如权利要求4或5所述近零功耗MEMS红外探测器，其特征在于，所述特定红外谱段包括短波红外谱段、中波红外谱段和长波红外谱段。
7.如权利要求1所述近零功耗MEMS红外探测器，其特征在于，所述衬底(2)上包含第一金属焊盘(9)和第二金属焊盘(10)；
所述第一金属焊盘(9)与第一金属接触点(6)通过第一双材料悬臂(3)进行电互连；
所述第二金属焊盘(10)与第二金属接触点(8)通过第二双材料悬臂(4)进行电互连。
8.如权利要求1所述近零功耗MEMS红外探测器，其特征在于，所述近零功耗MEMS红外探测器，采用对称结构设计来实现良好的环境温度和残余应力补偿。
9.如权利要求7所述近零功耗MEMS红外探测器，其特征在于，所述近零功耗MEMS红外探测器的工作原理为：超材料的红外吸收器(5)接收红外的入射辐射能量，导致第一双材料悬臂(3)和第二双材料悬臂(4)加热并向面内弯曲，当接收的红外入射光功率超过开关的阈值时，两个悬臂头部的金属接触点接触，从而完成两个悬臂之间的电气路径连接，将红外信号转换为电信号输出即实现了红外探测功能。
10.如权利要求7所述近零功耗MEMS红外探测器，其特征在于，所述第一热敏双材料腿(3-1)和第二热敏双材料腿(4-1)采用折叠式设计，从而有效减小器件尺寸。
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