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利用熱釋電和壓電效應(yīng)的共振紅外傳感器
瑞斯·扎德，米娜庫，裴成
美國密歇根州安阿伯大學(xué)
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摘要
基金
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摘要
該方案解決了紅外探測和成像領(lǐng)域的關(guān)鍵需求，提出了一種超高精度檢測紅外輻射的新方法。近年來，高精度紅外探測器在軍事、安全、汽車和消費(fèi)市場等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注。理想的紅外探測器需要靈活，無冷卻，并表現(xiàn)出超高的靈敏度。在該傳感器中，壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)將在一個諧振傳感器元件中實現(xiàn)5mK的等效噪聲δ溫度，這使得用本文提出的低成本非制冷系統(tǒng)取代低溫冷卻光子探測器成為可能。由于壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)的同時使用，該紅外探測器的靈敏度與面積無關(guān)。共振效應(yīng)的使用提高了信噪比，消除了熱釋電探測器所需的機(jī)械斬波器，進(jìn)一步減小了系統(tǒng)的整體尺寸。這些低噪聲非制冷紅外探測器在指紋傳感器、夜視、手持成像和近距離傳感器中的應(yīng)用可以設(shè)想。本研究的創(chuàng)新之處包括：（1）以氮化鎵為結(jié)構(gòu)材料，將壓電性與熱釋電性結(jié)合在一個單一的感測元件中，實現(xiàn)一個靈敏度可與光子偵測器媲美的非致冷紅外偵測器；（2）使用共振感測陣列和參考諧振器來改善訊號噪聲比；（3）采用選擇性區(qū)域外延生長的低應(yīng)力高極化GaN；（4）應(yīng)用紅外吸收率>0.99的薄膜CNT聚合物納米復(fù)合材料作為吸收層，以提高紅外靈敏度；（5）探索二維電氣體（2DEG）作為無金屬電極。
智能化優(yōu)點(diǎn)：本研究消除了熱探測器面積大、響應(yīng)時間慢、靈敏度相對較小的缺點(diǎn)。在單個諧振元件中同時使用壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)可使靈敏度和響應(yīng)時間提高4.5Ã以上。除了紅外探測外，所提出的微系統(tǒng)傳感器陣列能夠以超低功率傳感多種被測物，即磁場、慣性和氣體光譜。因此，所提出的平臺技術(shù)使得多傳感器融合的實現(xiàn)成為可能。GaN獨(dú)特的電子遷移率、大的壓電系數(shù)和熱釋電系數(shù)使其具有高信噪比和低功耗的特點(diǎn)。此外，氮化鎵的高化學(xué)穩(wěn)定性和2DEG耐高溫和低溫的能力可以導(dǎo)致廣泛的應(yīng)用。除了在傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用外，高Q值GaN諧振器有望在頻率合成器和與新興的高性能GaN電子集成的高性能濾波器方面有深遠(yuǎn)的應(yīng)用。因此，所提出的平臺具有很大的潛力，并引起MEMS界的極大興趣。
更廣泛的影響：所提出的高性能和小尺寸諧振傳感器可以在環(huán)境傳感器、生物醫(yī)學(xué)傳感器、智能傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò)等不同領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。除了概述的研究工作外，還將建立一個綜合教育計劃，旨在通過直接參與研究活動來教育和激勵學(xué)生。研究 |
