TWI460408B - 偏振光檢測系統 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種偏振光檢測系統。
現有的偏振光檢測系統一般包括一光敏電阻、一設置於該光敏電阻前的偏振片、一電源及一檢測裝置。利用所述偏振片可識別待測光的偏振資訊，利用所述光敏電阻可探測待測光的強度和分佈等資訊。
上述偏振光檢測系統中的光敏電阻一般是將半導體光敏材料兩端裝上電極引線，並將其封裝在帶有透明窗的管殼裏構成的。常用的光敏材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等。這些光敏材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由於光照產生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻的阻值迅速下降。
為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常採用梳狀圖案，它是在一定的光罩下向光敏材料薄膜的同一表面上蒸鍍金、銅或鋁等金屬形成的。然而，由於這個金屬電極本身不透光，光線只能通過梳狀金屬電極之間的空隙照射到光敏材料上，所述電極之間的空隙狹小，即該光敏電阻的受光面積較小，透光率較差，因此，對於微弱光探測的靈敏度不高。
另外，該偏振光檢測系統較為複雜，不利於操作，且所述偏振片設置於光敏電阻前，也會在一定程度上影響光敏材料對待測光的透過率。
有鑒於此，確有必要提供一種偏振光檢測系統，該偏振光檢測系統不僅具有較簡單的結構和使用方法，而且對微弱光的探測靈敏度較高。
一種偏振光檢測系統，其包括一光敏電阻、一電源及一檢測裝置，所述光敏電阻、電源和檢測裝置通過導線電連接以形成一電流回路，所述光敏電阻包括一光敏材料層、一第一電極層以及一第二電極層，所述第一電極層、光敏材料層和第二電極層層疊設置，構成一三明治結構，所述第一電極層和第二電極層分別設置於所述光敏材料層相對的兩個表面上，且分別與所述光敏材料層電接觸，所述第一電極層包括一第一奈米碳管薄膜結構。
進一步地，該光敏電阻還包括一第一引出電極以及一第二引出電極，該第一引出電極及第二引出電極分別與所述第一電極層和第二電極層電連接。
進一步地，所述奈米碳管薄膜結構包括至少一奈米碳管拉膜，所述奈米碳管拉膜包括複數沿同一方向擇優取向排列的奈米碳管，且相鄰的兩個奈米碳管之間通過凡德瓦力相連，形成一自支撐的結構。
相對於先前技術，本發明所提供的偏振光檢測系統具有以下優點：其一，由於光敏電阻中的第一電極層包括一奈米碳管薄膜結構，該奈米碳管薄膜結構具有較高的透光率，相對於採用梳狀金屬電極的光敏電阻而言，其具有更大的受光面積，因此，該偏振光檢測系統對微弱光的探測靈敏度較高；其二，由於所述奈米碳管薄膜結構具有各向異性的特點，即，所述第一電極層既具有電極的作用，又具有偏振片的作用，因此，該偏振光檢測系統可省略一偏振片元件，具有結構簡單、操作方便的優點。
10：光敏電阻
100：偏振光檢測系統
102：第一電極層
1020：奈米碳管薄膜結構
1021：奈米碳管拉膜
1022：奈米碳管
104：光敏材料層
106：第二電極層
108：第二引出電極
110：第一引出電極
112：絕緣基底
114：電源
116：檢測裝置
圖1為本發明提供的光敏電阻的結構示意圖。
圖2為圖1的光敏電阻中第一種奈米碳管薄膜結構的爆破圖。
圖3為圖1的光敏電阻中第二種奈米碳管薄膜結構的爆破圖。
圖4為圖1的光敏電阻中單層奈米碳管拉膜的掃描電鏡照片。
圖5為圖1的光敏電阻應用於偏振光檢測系統的示意圖。
圖6為利用圖5的偏振光檢測系統對偏振光進行檢測的方法流程圖。
請參閱圖1，本發明提供一種光敏電阻10，該光敏電阻10包括一第一電極層102、一光敏材料層104及一第二電極層106。所述第一電極層102、光敏材料層104和第二電極層106重疊設置，構成一三明治結構。其中，所述光敏材料層104位於第一電極層102和第二電極層106之間，並分別與所述第一電極層102和第二電極層106緊密貼合接觸並電連接。
所述第一電極層102、第二電極層106可完全覆蓋或部分覆蓋所述光敏材料層104。本實施例中，所述第一電極層102、一光敏材料層104及一第二電極層106完全重合設置，所述光敏材料層104被所述第一電極層102和第二電極層106完全覆蓋。
進一步地，所述光敏電阻10還包括一第一引出電極110、一第二引出電極108。所述第一引出電極110和第二引出電極108間隔設置。所述第一引出電極110與所述第一電極層102電連接，所述第二引出電極108與所述第二電極層106電連接。更進一步地，所述第一引出電極110分別與所述光敏材料層104和第二電極層106電絕緣設置，所述第二引出電極108分別與所述光敏材料層104和第一電極層102電絕緣設置。
可選地，所述光敏電阻10還包括一絕緣基底112，所述絕緣基底112主要起支撐作用。所述絕緣基底112的表面間隔設置有所述第二電極層106和第一引出電極110。所述第二電極層106的表面間隔設置有所述第二引出電極108和光敏材料層104。所述第一電極層102同時設置於所述第一引出電極110和光敏材料層104的表面。
所述光敏材料層104由半導體材料組成，具體地，所述光敏材料層104可由硫化鎘、硫化鉛、硫化鋁、硫化鉍、鍺和硒中的一種組成。本實施例中，所述光敏材料層104由硫化鎘組成。
所述光敏材料層104的厚度在5微米~500微米之間，優選地，所述光敏材料層104的厚度在5微米~150微米之間。本實施例中，所述光敏材料層104的厚度為100微米。與傳統的採用梳狀金屬電極的光敏電阻不同，本發明中的第一電極層102與第二電極層106分別設置於所述光敏材料層104間隔且相對的兩個表面上，因此，由光照產生的光敏材料層104中的載流子需要經過整個光敏材料層104才能到達所述電極層。也就是說，載流子在光敏材料層104中經過的路程長短與該光敏材料層104的厚度密切相關。當該光敏材料層104的厚度越小時，載流子經過的路程越短，也就越容易到達所述第一電極層102和第二電極層106，也即能提高所述光敏電阻10的靈敏度。由於載流子在光敏材料層104中向電極層運動的過程中會受到晶格散射、雜質障礙、空穴陷阱等的影響，某些載流子會在運動過程中自動消亡，無法到達電極層。當所述光敏材料層104的厚度越小時，載流子在運動過程中會受到越小的影響，也就會有越多的載流子到達電極層，從而提高該光敏電阻10的靈敏度。
所述第一電極層102為一透明導電薄膜，其包括一奈米碳管薄膜結構1020。本實施例中，所述第一電極層102由一奈米碳管薄膜結構1020組成。
所述奈米碳管薄膜結構1020為一柔性自支撐結構，具體地，所述奈米碳管薄膜結構1020為一具有較薄厚度的面狀結構。所述奈米碳管薄膜結構1020的厚度在1奈米~50微米之間。本實施例中，該奈米碳管薄膜結構1020的厚度在0.5微米~5微米之間。
所述奈米碳管薄膜結構1020包括複數均勻分佈的奈米碳管1022，該複數奈米碳管1022沿同一方向擇優取向排列。所述奈米碳管薄膜結構1020中的奈米碳管1022包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或多種。所述單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米~50奈米，所述雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米~50奈米，所述多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米~50奈米。
請一併參閱圖2至圖4，所述奈米碳管薄膜結構1020可以係單個的奈米碳管拉膜1021，也可以由複數奈米碳管拉膜1021層疊設置而成。該奈米碳管拉膜1021包括複數沿同一方向擇優取向排列的奈米碳管1022，且相鄰的兩個奈米碳管102之間通過凡德瓦力相連，以形成一自支撐的結構。
當所述奈米碳管薄膜結構1020包括複數層疊設置的奈米碳管拉膜1021時，該複數奈米碳管拉膜1021中的奈米碳管1021的排列方向均相同。可以理解，當所述奈米碳管薄膜結構1020包括複數層疊設置的奈米碳管拉膜1021時，該奈米碳管薄膜結構1020具有更高的強度，不容易在使用過程中損壞；同時，該奈米碳管薄膜結構1020也具有更高的電導率。然而，當所述奈米碳管薄膜結構1020中層疊設置了過多的奈米碳管拉膜1021時，會導致整個奈米碳管薄膜結構1020的厚度過大，從而影響該奈米碳管薄膜結構1020的透光率。因此，所述奈米碳管薄膜結構1020中並非設置越複數的奈米碳管拉膜1021越好。優選地，所述奈米碳管薄膜結構1020中的奈米碳管拉膜1021的層數不大於5層。更優選地，所述奈米碳管薄膜結構1020中的奈米碳管拉膜1021的層數不大於2層。本實施例中，所述奈米碳管薄膜結構1020中的奈米碳管拉膜1021的層數為單層。所述單層的奈米碳管拉膜1021的透光率在80%~90%之間。當所述奈米碳管薄膜結構1020中的奈米碳管拉膜1021的層數為兩層時，該奈米碳管拉膜結構1020的透光率在70%~80%之間。
為了進一步增加所述奈米碳管拉膜1021的透光率，還可以對所述奈米碳管拉膜1021進行鐳射減薄處理。經過鐳射減薄後的奈米碳管拉膜1021的透光率可達到95%以上，用作所述第一電極層102後，可顯著提高該光敏電阻10的靈敏度。
本發明中的奈米碳管薄膜結構1020，可通過以下方法製備獲得：
(S1) 提供一奈米碳管陣列形成於一基底，該陣列優選為超順排奈米碳管陣列；
(S2) 採用一拉伸工具從上述奈米碳管陣列中拉取奈米碳管獲得至少一奈米碳管拉膜1021；以及
(S3) 利用上述奈米碳管拉膜1021製備奈米碳管薄膜結構1020。
在步驟(S1)中，該奈米碳管陣列的製備方法採用化學氣相沉積法，其具體步驟包括：（a）提供一平整基底，該基底可選用P型或N型矽基底，或選用形成有氧化層的矽基底，本實施例優選為採用4英寸的矽基底；（b）在基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）或其任意組合的合金之一；（c）將上述形成有催化劑層的基底在700℃~900℃的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；以及（d）將處理過的基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500℃~740℃，然後通入碳源氣體反應約5分鐘~30分鐘，生長得到奈米碳管陣列。該奈米碳管陣列為複數彼此平行且垂直於基底生長的奈米碳管形成的純奈米碳管陣列。通過上述控制生長條件，該定向排列的奈米碳管陣列中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。
所述碳源氣可選用乙炔、乙烯、甲烷等化學性質較活潑的碳氫化合物，本實施例優選的碳源氣為乙炔；所述保護氣體為氮氣或惰性氣體，本實施例優選的保護氣體為氬氣。
在步驟(S2)中，該奈米碳管拉膜1021係從超順排奈米碳管陣列中直接拉取獲得,其製備方法具體包括以下步驟: （a）採用一拉伸工具選取該超順排奈米碳管陣列中的部分奈米碳管，本實施例優選為採用具有一定寬度的膠帶接觸奈米碳管陣列以選定一定寬度的部分奈米碳管；以及（b）以一定的速度沿基本垂直於超順排奈米碳管陣列生長方向拉伸該部分奈米碳管，形成一連續的奈米碳管拉膜1021。
在上述拉伸過程中,在拉力作用下超順排奈米碳管陣列中的部分奈米碳管沿拉伸方向逐漸脫離基底的同時,由於凡德瓦力作用,該超順排奈米碳管陣列中的其他奈米碳管首尾相連地連續地被拉出，從而形成一奈米碳管拉膜1021。
在步驟(S3)中，該單個奈米碳管拉膜1021可以作為一奈米碳管薄膜結構1020使用。進一步地，還可以將至少兩個奈米碳管拉膜1021重疊鋪設得到一奈米碳管薄膜結構1020。
進一步地，還可用功率密度大於0.1×104
瓦特/平方米的鐳射照射該奈米碳管拉膜1021，以得到更薄、透光率更高的薄膜。
所述第二電極層106的結構與材料可與所述第一電極層102相同，即包括一奈米碳管薄膜結構1020或由該奈米碳管薄膜結構1020組成。當所述第二電極層106的結構與材料與所述第一電極層102相同時，所述光敏電阻10可製成一柔性的光敏電阻。所述第二電極層106也可由一金屬薄膜或ITO薄膜組成。優選地，所述第二電極層106由一金屬薄膜組成。當所述第二電極層106由一金屬薄膜組成時，該第二電極層106可進一步反射待測光，從而提高所述光敏電阻10的靈敏度。所述金屬薄膜可由鋁、銅、銀或金等材料製成。
所述第一引出電極110和第二引出電極108可由銀、銅、鋁等金屬或其合金製成，也可由氧化銦錫、金屬性奈米碳管等材料製成。所述第一引出電極110和第二引出電極108的形狀不限，可以為片狀、線狀或其他任意形狀。本實施例中，優選使用銅金屬製成的片狀電極。
由於奈米碳管1022的軸嚮導電性能遠遠高於其徑向導電性能，所述奈米碳管薄膜結構1020在整體上也呈現出導電性能的各向異性。即，沿著奈米碳管1022擇優取向排列的方向上，所述奈米碳管薄膜結構1020具有最高的電導率；在垂直於奈米碳管1022擇優取向排列的方向上，所述奈米碳管薄膜結構1020具有最低的電導率。所述第一引出電極110與所述第一電極層102電連接時，將所述第一引出電極110設置於所述第一電極層102沿著所述奈米碳管1022擇優取向排列的方向的一端。如此設置，可使所述第一電極層102在工作時的導電性能發揮到最佳狀態。當所述第二電極層106的結構的材料與所述第一電極層102相同時，所述第二引出電極108設置於所述第二電極層106的方式也與所述第一引出電極110設置於所述第一電極層102的方式相同。
所述絕緣基底112的材料不限，可以為柔性高分子材料，也可以為矽、二氧化矽、石英、玻璃、碳化矽等硬質材料。所述絕緣基底的厚度也不限，只要能起到支撐作用即可。
本發明提供的三明治結構的光敏電阻10，其電極設置方式完全不同於傳統的採用梳狀金屬電極的光敏電阻。本發明利用奈米碳管薄膜結構1020作為光敏電阻10的第一電極層102，可以增加所述第一電極層102的受光面積和透光率，從而可以有效提高該光敏電阻10的光探測靈敏度。同時，由於該奈米碳管薄膜結構1020本身的各向異性，使其偏振方向平行於奈米碳管擇優取向排列的方向的光的透過率相對低於偏振方向垂直於奈米碳管擇優取向排列的方向的光的透過率，因此，該光敏電阻10也可以做成一偏振光光敏電阻，以檢測光的偏振性。
請參閱圖5，本發明還提供一種採用上述光敏電阻10的偏振光檢測系統100，該偏振光檢測系統100包括上述光敏電阻10、一電源114及一檢測裝置116，其中，所述光敏電阻10、電源114和檢測裝置116通過導線電連接以形成一電流回路。
所述電源114為直流電源，所述電源114的電壓在0.01V~2V之間。
所述檢測裝置116包括一電流檢測元件，如安培表，用於檢測所述光敏電阻10的電流變化。進一步地，所述檢測裝置116還可包括一電腦分析系統，用於分析待測光的偏振資訊。
本發明利用各向異性的奈米碳管薄膜結構1020作為光敏電阻10的第一電極層102，從而製成一偏振光光敏電阻，再配合檢測裝置116的使用，從而可實現對偏振光的檢測。
請參閱圖6，本發明進一步提供一種利用所述偏振光檢測系統100對偏振光進行檢測的方法，其包括以下具體步驟：
S1，提供一偏振光檢測系統100，其包括一光敏電阻10、一電源114及一檢測裝置116，所述光敏電阻10包括一第一電極層102和一光敏材料層104，所述檢測裝置116包括一電流檢測元件及一電腦分析系統；
S2，將一待測光照射到所述光敏電阻10的表面；
S3，利用所述光敏電阻10對該待測光進行偏振識別；
S4，利用所述電流檢測元件檢測步驟S3中的電流變化；以及
S5，利用所述電腦分析系統分析得到該待測光的偏振資訊。
步驟S1中，所述光敏電阻10、電源114和檢測裝置116通過導線電連接形成一電流回路。
步驟S2中，所述將待測光照射到所述光敏電阻10的表面，係指將待測光照射到所述光敏電阻10中的第一電極層102的表面。
步驟S3中，所述利用所述光敏電阻10對該待測光進行偏振識別，係指通過調整該待測光的發光源與所述光敏電阻10的方位關係，使該待測光透過所述第一電極層102照射到所述光敏材料層104上。所述調整方位關係的方法可以係固定其中一個物體（發光源或光敏電阻10），保持兩者的距離不變，並水準轉動另一個物體。
步驟S4中，電流檢測元件記錄的電流大小與該待測光對所述第一電極層102的透過率高低有關。當電流檢測元件中的電流達到最小值時，表明該待測光對所述第一電極層102的透過率達到最低，此時，該待測光的偏振方向與所述第一電極層102中的奈米碳管薄膜結構1020中的奈米碳管1022的擇優取向排列的方向一致。當電流檢測元件中的電流達到最大值時，表明該待測光對所述第一電極層102的透過率達到最高，此時，該待測光的偏振方向與所述第一電極層102中的奈米碳管薄膜結構1020中的奈米碳管1022的擇優取向排列的方向垂直。
本發明提供的偏振光的檢測方法方便快捷，靈敏度高，並且由於所述光敏電阻10中的第一電極層102具有較高的透光率，因此，該檢測方法也可用於探測微弱光的偏振資訊。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100：偏振光檢測系統
102：第一電極層
104：光敏材料層
106：第二電極層
108：第二引出電極
110：第一引出電極
112：絕緣基底
114：電源
116：檢測裝置
Claims (20)
- 一種偏振光檢測系統，其包括一光敏電阻、一電源及一檢測裝置，所述光敏電阻、電源和檢測裝置通過導線電連接以形成一電流回路，其改良在於，所述光敏電阻包括一第一電極層、一光敏材料層以及一第二電極層，所述第一電極層、光敏材料層和第二電極層層疊設置，構成一三明治結構，所述第一電極層和第二電極層分別設置於所述光敏材料層相對的兩個表面上，且分別與所述光敏材料層電接觸，所述第一電極層包括一第一奈米碳管薄膜結構。
- 如請求項第1項所述的偏振光檢測系統，其中，所述第一奈米碳管薄膜結構包括複數均勻分佈的奈米碳管，所述複數奈米碳管沿同一方向擇優取向排列。
- 如請求項第1項所述的偏振光檢測系統，其中，所述第一奈米碳管薄膜結構包括至少一奈米碳管拉膜，所述奈米碳管拉膜包括複數沿同一方向擇優取向排列的奈米碳管，且相鄰的兩個奈米碳管之間通過凡德瓦力相連。
- 如請求項第3項所述的偏振光檢測系統，其中，所述奈米碳管拉膜的透光率在80%~90%之間。
- 如請求項第3項所述的偏振光檢測系統，其中，所述奈米碳管拉膜的透光率大於等於95%。
- 如請求項第1項所述的偏振光檢測系統，其中，所述第二電極層包括一第二奈米碳管薄膜結構。
- 如請求項第6項所述的偏振光檢測系統，其中，所述第二奈米碳管薄膜結構包括複數均勻分佈的奈米碳管，所述複數奈米碳管沿同一方向擇優取向排列。
- 如請求項第1項所述的偏振光檢測系統，其中，所述第二電極層包括一金屬薄膜。
- 如請求項第1項所述的偏振光檢測系統，其中，所述光敏材料層由硫化鎘、硫化鉛、硫化鋁、硫化鉍、鍺和硒中的一種組成。
- 如請求項第1項所述的偏振光檢測系統，其中，所述光敏材料層的厚度在5微米~500微米之間。
- 如請求項第10項所述的偏振光檢測系統，其中，所述光敏材料層的厚度在5微米~150微米之間。
- 如請求項第1項所述的偏振光檢測系統，其中，所述第一電極層和第二電極層完全覆蓋住所述光敏材料層，並與所述光敏材料層緊密貼合在一起。
- 如請求項第1項所述的偏振光檢測系統，其中，所述光敏電阻進一步包括相互間隔設置的第一引出電極及第二引出電極，所述第一引出電極與所述第一電極層電連接，所述第二引出電極與所述第二電極層電連接。
- 如請求項第13項所述的偏振光檢測系統，其中，所述第一引出電極設置於所述第一電極層沿著所述奈米碳管擇優取向排列的方向的一端。
- 如請求項第13項所述的偏振光檢測系統，其中，所述第二引出電極設置於所述第二電極層沿著所述奈米碳管擇優取向排列的方向的一端。
- 如請求項第13項所述的偏振光檢測系統，其中，所述第一引出電極分別與所述第二電極層和光敏材料層電絕緣設置，所述第二引出電極分別與所述第一電極層和光敏材料層電絕緣設置。
- 如請求項第13項所述的偏振光檢測系統，其中，所述光敏電阻進一步包括一絕緣基底，所述第二電極層、第一引出電極和第二引出電極均設置在所述絕緣基底的一表面。
- 如請求項第1項所述的偏振光檢測系統，其中，所述電源為一直流電源，所述電源的電壓在0.01V~2V之間。
- 如請求項第1項所述的偏振光檢測系統，其中，所述檢測裝置包括一電流檢測元件。
- 如請求項第19項所述的偏振光檢測系統，其中，所述檢測裝置進一步包括一電腦分析系統。
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