利用热释电和压电效应的共振红外传感器

瑞斯·扎德，米娜库，裴成

美国密歇根州安阿伯大学

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摘要

该方案解决了红外探测和成像领域的关键需求，提出了一种超高精度检测红外辐射的新方法。近年来，高精度红外探测器在军事、安全、汽车和消费市场等领域的应用越来越受到人们的关注。理想的红外探测器需要灵活，无冷却，并表现出超高的灵敏度。在该传感器中，压电效应和热释电效应将在一个谐振传感器元件中实现5mK的等效噪声δ温度，这使得用本文提出的低成本非制冷系统取代低温冷却光子探测器成为可能。由于压电效应和热释电效应的同时使用，该红外探测器的灵敏度与面积无关。共振效应的使用提高了信噪比，消除了热释电探测器所需的机械斩波器，进一步减小了系统的整体尺寸。这些低噪声非制冷红外探测器在指纹传感器、夜视、手持成像和近距离传感器中的应用可以设想。本研究的创新之处包括：（1）以氮化镓为结构材料，将压电性与热释电性结合在一个单一的感测元件中，实现一个灵敏度可与光子侦测器媲美的非致冷红外侦测器；（2）使用共振感测阵列和参考谐振器来改善讯号噪声比；（3）采用选择性区域外延生长的低应力高极化GaN；（4）应用红外吸收率>0.99的薄膜CNT聚合物纳米复合材料作为吸收层，以提高红外灵敏度；（5）探索二维电气体（2DEG）作为无金属电极。

智能化优点：本研究消除了热探测器面积大、响应时间慢、灵敏度相对较小的缺点。在单个谐振元件中同时使用压电效应和热释电效应可使灵敏度和响应时间提高4.5Ã以上。除了红外探测外，所提出的微系统传感器阵列能够以超低功率传感多种被测物，即磁场、惯性和气体光谱。因此，所提出的平台技术使得多传感器融合的实现成为可能。GaN独特的电子迁移率、大的压电系数和热释电系数使其具有高信噪比和低功耗的特点。此外，氮化镓的高化学稳定性和2DEG耐高温和低温的能力可以导致广泛的应用。除了在传感系统中的应用外，高Q值GaN谐振器有望在频率合成器和与新兴的高性能GaN电子集成的高性能滤波器方面有深远的应用。因此，所提出的平台具有很大的潜力，并引起MEMS界的极大兴趣。

更广泛的影响：所提出的高性能和小尺寸谐振传感器可以在环境传感器、生物医学传感器、智能传感器和传感器网络等不同领域有广泛的应用。除了概述的研究工作外，还将建立一个综合教育计划，旨在通过直接参与研究活动来教育和激励学生。研究