研究人員提出非制冷紅外探測器靈敏度增強新方法

　　紅外熱探測器是在吸收紅外輻射后，使探測材料的溫度、電動勢、電阻率等發生變化，根據這些變化來反饋探測目標的紅外輻射能量或功率。近年來，基于薄膜壓電原理的紅外探測器成為國內外紅外熱探測器的研究熱點之一，該類探測器通過諧振薄膜本征溫度特性引起傳感器諧振頻率移動，來反映紅外輻射的信息。其中，薄膜壓電Lamb波傳感器無需電容式傳感器驅動所需的物理間隙，并且具備非制冷、低功耗、高CMOS工藝兼容性等優勢，成為當前紅外探測核心器件的理想選擇之一。然而，薄膜壓電Lamb波傳感器用作紅外探測時，紅外輻射與傳感器諧振頻率之間的相關性有待深入研究，旨在為探測器性能的增強提供科學依據。

　　中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所檢驗室李傳宇、周連群等開展了基于光-熱-聲效應的薄膜壓電Lamb波紅外探測技術研究。研究人員根據薄膜壓電Lamb波的振動及傳感機制，建立了光-熱及熱-聲轉化理論模型，論證了光-熱及熱-聲轉化效率與傳感器關鍵物理參數之間的關系。根據理論和實驗分析，提出一種通過Lamb波傳感器涂覆聚多巴胺（PDA）納米粒子的方式（PDA-Lamb）增強紅外探測靈敏度的新方法。

　　研究人員將Lamb波傳感器的零階對稱（S0）模式和零階反對稱（A0）模式，以及PDA-Lamb的A0模式三種模式作為研究對象。三種模式在紅外光照射前后分別產生不同的頻移，通過比較頻率相對移動量來反映紅外探測的靈敏度。結果表明：紅外光開啟瞬間，PDA涂覆的Lamb波傳感器（PDA-Lamb）諧振頻率相對變化量與紅外輻射強度呈高度線性關系，PDA-Lamb比未涂覆通道高近1個數量級。靈敏度的增強得益于光-熱轉化效率的提升，而涂覆前后熱-聲轉化效率基本不變。該研究為高性能薄膜壓電聲波紅外探測器的設計與優化提供了參考依據，將有助于在紅外治療等領域得到應用。

　　研究工作得到國家自然科學基金-面上項目（51675517）、江蘇省優秀青年基金（BK20160057）等的資助，相應研究成果已發表在Applied Physics Letters（APPL PHYS LETT, 2019, 114(18): 183505）。

圖1 （a）一種基于光-熱-聲效應的非制冷近紅外探測器原理圖，（b）紅外光照射前后，Lamb的S0、A0模式和PDA-Lamb的A0模式三種模式頻率特性示意圖

圖2（a）光-熱效應下，實測及仿真傳感器表面溫度變化值隨紅外光強變化情況，（b）熱-聲效應下，實測諧振頻率相對移動量隨溫度變化情況

圖3 不同紅外光強下傳感器諧振頻率變化狀態：（a）PDA-Lamb的A0模式，（b）Lamb的S0、A0模式和PDA-Lamb的A0模式相對頻率移動量隨紅外光強變化圖