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利用熱釋電和壓電效應的共振紅外傳感器
瑞斯·扎德，米娜庫，裴成
美國密歇根州安阿伯大學
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摘要
該方案解決了紅外探測和成像領域的關鍵需求，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、汽車和消費市場等領域的應用越來越受到人們的關注。理想的紅外探測器需要靈活，無冷卻，并表現出超高的靈敏度。在該傳感器中，壓電效應和熱釋電效應將在一個諧振傳感器元件中實現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取代低溫冷卻光子探測器成為可能。由于壓電效應和熱釋電效應的同時使用，該紅外探測器的靈敏度與面積無關。共振效應的使用提高了信噪比，消除了熱釋電探測器所需的機械斬波器，進一步減小了系統的整體尺寸。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用可以設想。本研究的創新之處包括：（1）以氮化鎵為結構材料，將壓電性與熱釋電性結合在一個單一的感測元件中，實現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）采用選擇性區域外延生長的低應力高極化GaN；（4）應用紅外吸收率>0.99的薄膜CNT聚合物納米復合材料作為吸收層，以提高紅外靈敏度；（5）探索二維電氣體（2DEG）作為無金屬電極。
智能化優點：本研究消除了熱探測器面積大、響應時間慢、靈敏度相對較小的缺點。在單個諧振元件中同時使用壓電效應和熱釋電效應可使靈敏度和響應時間提高4.5Ã以上。除了紅外探測外，所提出的微系統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，所提出的平臺技術使得多傳感器融合的實現成為可能。GaN獨特的電子遷移率、大的壓電系數和熱釋電系數使其具有高信噪比和低功耗的特點。此外，氮化鎵的高化學穩定性和2DEG耐高溫和低溫的能力可以導致廣泛的應用。除了在傳感系統中的應用外，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的應用。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境傳感器、生物醫學傳感器、智能傳感器和傳感器網絡等不同領域有廣泛的應用。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生。研究 |
