CN1385359A - 碳纳米管薄膜微机械红外探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构简单,具有极高的分辨率和宽光谱响应范围,灵敏度高,成本低,工艺简单的碳纳米管薄膜微机械红外探测器,包括一定基底材料的微机械,拾取电路,微机械谐振器上生长一层碳纳米管薄膜,作为光辐射吸收材料,由于碳纳米管薄膜对红外辐射的吸收系数η可达0.98,从而使其具有高的灵敏度和小的噪声等效功率,以提高该类探测器的探测能力。微谐振器通过MEMS加工工艺制成,可进行批量生产,从而降低器件的成本。

Description

碳纳米管薄膜微机械红外探测器
一、所属领域
本发明涉及一种红外探测器，特别涉及一种在一定材料的基底上制作微机械，并在其上生长碳纳米管薄膜的碳纳米管薄膜微机械红外探测器。
二、背景技术
红外探测在现代科学中起着重要作用，各种红外探测器广泛应用于成像、跟踪、制导、侦察、预警、遥感、弱信号探测、辐射测量、自动控制和激光探测等许多方面。
由于探测机理的不同，红外探测器目前主要有两大类：光子探测器和热探测器。常见的光子探测器有光电子发射探测器、光电导探测器、光伏探测器、光磁电探测器等。常见的热探测器有热敏电阻测辐射热器、测辐射热电偶和热电堆、气动探测器、热释电探测器等。热释电探测器是根据热释电效应工作的一类新型红外探测器。与光子探测器相比，热释电探测器光谱响应宽；与热电阻、热电偶和热电堆等构成的热探测器相比其频响快，具有可从十几赫兹低频到上千赫兹高频的很宽频率响应特性，甚至可以制成响应时间小于微秒级的快速热释电探测器。通常它与场效应晶体管阻抗变换器组装在一起，其结构如图1所示。其中101为探测器，102为场效应晶体管，103为源极电阻，输出信号由源极电阻103两端引出。104和105分别为场效应晶体管阻抗变换器的输入电阻和输入电容。
热释电探测器的缺点在于：1、由于受材料限制灵敏度较低。2、体积较大。3、在较高频率下，由于介电损耗随频率上升而增加，远不能达到理想的性能。4、成本较高。
三、发明内容
根据上述现有技术部分存在的缺陷或不足，本发明的目的是提供一种结构简单，具有极高的分辨率和宽光谱响应范围，灵敏度高，成本低，工艺简单的碳纳米管薄膜微机械红外探测器。
为了实现上述目的，本发明的设计机理是：微机械谐振器在光辐射照射时出现热挠曲，其力学结构固有振荡频率fo(或角频率wo＝2πfo)发生变化，通过测量热挠曲(静态)或测量fo(动态)实现对辐射光强的探测。
所采用的技术方案是：碳纳米管薄膜微机械红外探测器，包括一定基底材料的微机械1，拾取电路3，在微机械1上生长有碳纳米管薄膜2；
微机械1是指微谐振器件，可以是微悬臂梁、微桥和微膜(方膜或圆膜)等；
微机械谐振器包括基座4、辐射窗口5、电源6、电源连线7和电源连线8以及输出信号连线9和输出信号连线10；
拾取方法可以是电拾取，也可以是光拾取，电拾取一般是利用硅的压阻效应，在微机械谐振器上制作压敏电阻，与设计的检测电路相连，通过器件谐振时压敏电阻的阻值变化来测试器件的谐振特性；光拾取通常是利用光纤传感器技术实现微机械谐振器的振动测量。
本发明的其他一些特点是，所述基底材料选用一般的半导体材料，如硅、二氧化硅、氮化硅。
所述碳纳米管薄膜2，既可以通过催化热解法、CVD法直接生长于基底上，也可以通过电泳、涂敷、印刷等移植法成形于基底上。
所述拾取电路3是利用硅的压阻效应，将四个压敏电阻连接成惠斯通电桥形式。
微机械谐振器上生长一层碳纳米管薄膜，作为光辐射吸收材料，由于碳纳米管薄膜对红外辐射的吸收系数η可达0.98，从而使其具有高的灵敏度和小的噪声等效功率，以提高该类探测器的探测能力。
微机械谐振器通过MEMS加工工艺制成，可进行批量生产，从而降低器件的成本。
四、附图说明
图1热释电探测器原理示意图；
图2本发明一个实施例的碳纳米管薄膜硅微悬臂梁谐振器结构图；
图3本发明一个实施例的碳纳米管薄膜硅微悬臂梁红外探测器整体结构示意图。
五、具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但并不限于该实施例。
实施例：参见图2、图3，图2是碳纳米管薄膜硅微悬臂梁谐振器结构图，包括半导体基底材料1和生长于其上的碳纳米管薄膜2，以及拾取电路3。图3是碳纳米管薄膜硅微悬臂梁红外探测器整体结构示意图，包括基座4、辐射窗口5、电源6、电源连线7、电源连线8以及输出信号连线9、输出信号连线10。
微机械1是指微机械谐振器件，可以是微悬臂梁、微桥和微膜(方膜或圆膜)等。
拾取方法可以是电拾取，也可以是光拾取。电拾取一般是利用硅的压阻效应，在硅微机械谐振器上制作压敏电阻，与设计的检测电路相连，通过器件谐振时压敏电阻的阻值变化来测试器件的谐振特性。光拾取通常是利用光纤传感器技术实现硅微机械谐振器的振动测量。
本发明按照下述常规工艺制备
1、微悬臂梁1的制作
微悬臂梁是将半导体材料如硅、二氧化硅、氮化硅等为基底材料，加工成微悬臂梁谐振器的微悬臂梁结构，本实施例中基底材料选用硅。当然，二氧化硅、氮化硅等都能作为基底材料实现微悬臂梁结构或微桥和微膜(方膜或圆膜)结构。
2、拾取电路3的制作
拾取电路是利用硅的压阻效应，将四个压敏电阻连接成惠斯通电桥形式。本实施例用半导体材料硅正面扩硼形成压敏电阻，利用铝连线版反刻铝，形成金属连线，利用金丝球型压焊的方法引出连线。
3、碳纳米管薄膜2的制备
对前述步骤中的硅基底材料的背面进行清洗处理，分别用丙酮、酒精、去离子水进行超声波清洗，然后，可以利用许多方法生长碳纳米管。如催化热解法、CVD法直接生长于基底材料上，也可以通过电泳、涂敷、印刷等移植法成形于基底材料上。
4、仪器装配
在完成上述步骤后，就获得了碳纳米管薄膜硅微悬臂梁红外探测器，并将其固定于基座上，如图3所示，便可进行红外探测。

Claims (4)

1、一种碳纳米管薄膜微机械红外探测器，其特征在于：包括一定基底材料的微机械[1]，拾取电路[3]，在微机械[1]上生长有碳纳米管薄膜[2]；
微机械[1]是指微谐振器件，可以是微悬臂梁、微桥和微膜等；
微机械谐振器包括基座[4]、辐射窗口[5]、电源[6]、电源连线[7]和电源连线[8]以及输出信号连线[9]和输出信号连线[10]；
拾取方法可以是电拾取，也可以是光拾取，电拾取一般是利用硅的压阻效应，在硅微谐振器上制作压敏电阻，与设计的检测电路相连，通过器件谐振时压敏电阻的阻值变化来测试器件的谐振特性；光拾取通常是利用光纤传感器技术实现硅微谐振器的振动测量。
2、根据权利要求1所述碳纳米管薄膜微机械红外探测器，其特征在于：所述基底材料选用一般的半导体材料，如硅、二氧化硅、氮化硅。
3、根据权利要求1所述碳纳米管薄膜微机械红外探测器，其特征在于：所述碳纳米管薄膜[2]，既可以通过催化热解法、CVD法直接生长于基底上，也可以通过电泳、涂敷、印刷等移植法成形于基底上。
4.根据权利要求1所述碳纳米管薄膜微机械红外探测器，其特征在于：所述拾取电路[3]是利用硅的压阻效应，将四个压敏电阻连接成惠斯通电桥形式。
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