压电谐振红外传感器、其阵列及其制造方法与流程

1.本发明涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种压电谐振红外传感器、其阵列及其制造方法。


背景技术：

2.红外探测技术一直在军用和民用方面有很大的需求。红外探测器一般分为光子型探测器和热探测器。光子型探测器具有高的信噪比和快速的响应时间，但其需要低温冷却系统，因而他们体积庞大、价格昂贵、功率很低。相比之下，热探测器不需要冷却设备，整体更加便宜，更紧凑，更高效，但他们的分辨率较低，响应时间较长。
3.谐振式红外探测器是热探测器中的一种。得益于微机电系统(mems)、纳机电系统(nems)技术的发展，谐振式红外探测器具有高灵敏度和低噪声。此外，由于它使用频率作为输出量，可以被高精度的监测并易于数字集成。
4.压电体声波谐振传感器(baw)及薄膜声波谐振传感器(fbar)利用压电层来响应外界温度变化，从而改变自身谐振频率，实现红外探测。目前，高性能压电谐振红外传感器的发展障碍是对红外光的吸收率很低，以及缺乏对不同波长光的差异性吸收。


技术实现要素：

5.本发明创新地制造出一种压电谐振红外传感器，通过在压电材料的上表面上形成量子点薄膜，增强了对红外光的吸收率，同时由于量子点薄膜具有优异的光热转换性能，自身温度快速上升，并通过热传导使得压电材料的温度快速上升，温差变大，从而提高了压电谐振红外传感器的探测率，降低了噪声。另外，本发明还创新地制造出一种压电谐振红外传感器阵列，通过在不同的压电谐振红外传感器上形成具有不同吸收带边的量子点薄膜，而实现了对红外光波长的准确探测。
6.根据本发明的一个方面，提供了一种压电谐振红外传感器，包括：基底、电极和压电材料，其中，所述压电材料的上表面上形成有量子点薄膜，所述量子点薄膜能响应于红外光照射而加快所述压电材料的温度上升。
7.在一实施例中，形成所述量子点薄膜的量子点材料包括：硫化锡、硒化锡、碲化锡、硫化铅、硒化铅、碲化铅、砷化铟、锑化铟、硒化汞、碲化汞及其合金化量子点，所述合金化量子点包括pb
x
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te、pb
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te，其中x表示各合金化量子点中离子的数量百分比。
8.在一实施例中，所述量子点薄膜的吸收带边的范围是可调的。
9.在一实施例中，所述压电材料选自石英、氮化铝、锆钛酸铅压电陶瓷、氧化锌和铌酸锂中的一种，所述电极选自钛、金、铝、铂和石墨烯中的一种，所述基底是硅基底。
10.根据本发明的另一方面，提供了一种压电谐振红外传感器阵列，包括多个根据权利要求1所述的压电谐振红外传感器，其中，每个压电谐振红外传感器的量子点薄膜具有不同的吸收带边。
11.根据本发明的又一方面，提供了一种压电谐振红外传感器的制造方法，包括：在包括基底、电极和压电材料的压电谐振红外传感器的上表面上形成量子点薄膜，所述量子点薄膜能响应于红外光照射而加快所述压电材料的温度上升。
12.在一实施例中，形成所述量子点薄膜的量子点材料包括：硫化锡、硒化锡、碲化锡、硫化铅、硒化铅、碲化铅、砷化铟、锑化铟、硒化汞、碲化汞及其合金化量子点，所述合金化量子点包括pb
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te，其中x表示各合金化量子点中离子的数量百分比。
13.在一实施例中，所述方法还包括：通过选择不同的量子点材料和/或通过控制量子点的合成参数，使得所述量子点薄膜的吸收带边的范围是可调的。
14.在一实施例中，形成所述量子点薄膜的方法包括：滴涂、旋涂、刮涂和喷墨打印。
15.在一实施例中，所述压电材料选自石英、氮化铝、锆钛酸铅压电陶瓷、氧化锌和铌酸锂中的一种，所述电极选自钛、金、铝、铂和石墨烯中的一种，所述基底是硅基底。
16.与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
17.本技术所提供的压电谐振红外传感器的压电材料的上表面上形成有量子点薄膜，其能响应于红外光照射而使压电材料的温度快速上升，提高了压电谐振红外传感器对红外光的吸收率，从而提高了压电谐振红外传感器的探测率，降低了噪声。此外，本技术通过在不同的压电谐振红外传感器上形成具有不同吸收带边的量子点薄膜而构建压电谐振红外传感器阵列，实现了对红外光波长的准确探测。
18.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及说明书附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
19.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，而不构成对本发明的限制。
20.图1示意性示出了现有的压电谐振传感器的结构。
21.图2示意性示出了根据本发明的压电谐振红外传感器的结构。
22.图3示例性示出了硒化铅量子点的光热转换性能。
23.图4示例性示出了硒化铅量子点的吸收光谱。
24.图5示意性且示例性示出了根据本发明的压电谐振红外传感器阵列。
具体实施方式
25.以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
26.同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不必用这里的
具体细节或者所描述的特定方式来实施。
27.图1示意性示出了现有的压电谐振传感器的结构。如图1所示，现有的压电谐振传感器主要包括基底101、电极102和压电材料103。为举例的目的，压电材料可以是石英晶体；电极可以为金电极；基底可以为硅基底。压电谐振传感器的原理为，电极首先给压电石英一个电激励，进而压电石英由于逆压电效应会发生形变，使得电信号转化为声波，在垂直面方向传播，最后声波在极端的声波边界条件下达到谐振。当有红外光照到石英上时，石英对红外光有一定的吸收作用，引起石英温度的改变，进而引起谐振频率的改变。通过读出谐振频率的变化，反推出温度的改变，可以实现对于红外光强度的探测。
28.由于石英对于红外光的吸收率非常低，只有大约20％左右，这样产生的热就很少，石英自身的温度变化很小，而压电谐振传感器的原理是利用石英的温度差读出谐振频率的变化，所以温度差小，频率变化就小，压电谐振传感器的探测率就很低，噪声就很大。于是在压电谐振传感器顶部镀上红外吸收率高的材料是一个可选的方案。本技术的发明人创新地发现了部分量子点材料对红外光有着优异的响应速度，由此设计出了一种新的压电谐振红外传感器。
29.图2示意性示出了根据本发明的压电谐振红外传感器的结构。如图2所示，根据本发明的压电谐振红外传感器主要包括基底201、电极202、压电材料203以及量子点薄膜204。量子点薄膜204形成于压电材料203的上表面上，其能响应于红外光照射而加快压电材料203的温度上升。
30.在特定实施例中，压电材料203可以为石英、氮化铝、锆钛酸铅压电陶瓷、氧化锌或铌酸锂等，电极202可以为钛、金、铝、铂或石墨烯等，基底201可以为硅基底等。在一特定实施例中，压电材料203可以为温度敏感切型的y切石英晶体，通过减薄工艺实现长宽厚为2mm
×
1.3mm
×
0.035mm。
31.基于对形成量子点薄膜204的量子点材料的选择与设计，本技术的发明人以溶液热注入法制备了一系列不同尺寸、吸收波长可调的胶体量子点。可溶液加工的量子点在镀膜上具有很大的优势，包括操作简单、条件温和不损伤器件结构，并且可以大面积制备。
32.在特定实施例中，形成量子点薄膜204的量子点材料可以为硫化锡、硒化锡、碲化锡、硫化铅、硒化铅、碲化铅、砷化铟、锑化铟、硒化汞、碲化汞及其合金化量子点等，所述合金化量子点包括pb
x
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te、pb
x
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x
se、inas
x
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x
和hg
x
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te等，其中x表示各合金化量子点中离子的数量百分比。
33.在特定实施例中，可以通过滴涂、旋涂、刮涂或喷墨打印等方法将上述量子点材料的溶液形成量子点薄膜204。
34.为举例的目的，可以将硒化铅量子点溶液(例如10μl)滴涂在压电谐振红外传感器上，并在热台上加热(例如90℃)，使溶剂蒸干(例如1min)，形成量子点薄膜。硒化铅量子点和压电谐振红外传感器在90℃下都有优异的热稳定性，不会造成结构/材料的失效。
35.为举例的目的，图3示例性示出了硒化铅量子点的光热转换性能。如图3所示，所制备的硒化铅量子点在808nm激光照射下，最高温度可达到63℃，并且温度上升速度很快，在达到稳定温度时，平均升温速率大于10℃/min，因此有着优异的响应速度，光热转换性能优异。由此可见，通过在压电材料的上表面上形成量子点薄膜，能响应于红外光照射而使压电材料的温度快速上升，提高了压电谐振红外传感器对红外光的吸收率，从而提高了压电谐
振红外传感器的探测率，降低了噪声。
36.根据本发明，通过选择不同的量子点材料和/或通过控制量子点的合成参数，可以得到不同尺寸的量子点，从而可以使得量子点薄膜的吸收带边的范围是可调的。所述合成参数包括反应温度和反应时间。
37.例如，当形成量子点薄膜的量子点材料是硒化铅时，量子点薄膜的吸收带边在1800nm
‑
2300nm的范围内可调；当形成量子点薄膜的量子点材料是硫化铅时，量子点薄膜的吸收带边在900nm
‑
1300nm的范围内可调；当形成量子点薄膜的量子点材料是硒化锡时，量子点薄膜的吸收带边在800nm
‑
900nm的范围内可调。其中，吸收带边为1800nm表示入射光波长小于1800nm的光都能被吸收。由此可见，根据本发明的压电谐振红外传感器的探测范围可以覆盖到近红外二区(1000nm
‑
1700nm)，甚至中波红外(3μm
‑
5μm)和长波红外(8μm
‑
12μm)。
38.图4示例性示出了硒化铅量子点的吸收光谱。图4中不同的曲线表示不同反应时间下的硒化铅量子点的吸收光谱。从图4可见，随着反应时间的变化，硒化铅量子点的吸收带边是不同的，因而是可调的。
39.单独的压电谐振红外传感器只能探测红外光的强度信息，这是因为压电材料对于红外光的无差别吸收。而量子点由于具有量子限域效应，不同尺寸的量子点的吸收带边不同，即不同尺寸的量子点对于红外光的响应是差异性的。因此，把具有不同吸收带边的量子点涂在不同的压电谐振红外传感器单元上，得到的压电谐振红外传感器阵列不仅可以实现原本的光强度探测，还可以实现光波长的探测。
40.据此，本发明提出了一种压电谐振红外传感器阵列，其包括多个如上所述的根据本发明的压电谐振红外传感器，其中，每个压电谐振红外传感器的量子点薄膜具有不同的吸收带边。
41.为举例的目的，可以将具有不同吸收带边的量子点溶液滴涂在压电谐振红外传感器阵列上，并在例如90℃热台上加热，使溶剂蒸干，形成涂敷不同量子点膜的压电谐振红外传感器阵列。图5示意性且示例性示出了根据本发明的压电谐振红外传感器阵列。图5中的波长数值代表了各量子点薄膜的吸收边位置。压电谐振红外传感器阵列的大小可根据具体应用需求调控，比如1024
×
1024即可获得平面阵列。阵列中每个压电谐振红外传感器单元的间距同样可以根据应用需求调控，理论上阵列越密集，分辨率越高。
42.本发明还提出了一种压电谐振红外传感器的制造方法，其包括：在包括基底、电极和压电材料的压电谐振红外传感器的上表面上形成量子点薄膜，量子点薄膜能响应于红外光照射而加快压电材料的温度上升。该方法的具体特征已在前面公开。
43.本发明创新地制造出一种压电谐振红外传感器，通过在压电材料的上表面上形成量子点薄膜，增强了对红外光的吸收率，同时由于量子点薄膜具有优异的光热转换性能，自身温度快速上升，并通过热传导使得压电材料的温度快速上升，温差变大，从而提高了压电谐振红外传感器的探测率，降低了噪声。另外，本发明还创新地制造出一种压电谐振红外传感器阵列，通过在不同的压电谐振红外传感器上形成具有不同吸收带边的量子点薄膜，而实现了对红外光波长的准确探测。
44.应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的
是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
45.说明书中提到的“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“实施例”并不一定均指同一个实施例。
46.虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。