李传宇、周连群等提出通过Lamb波传感器涂覆聚多巴胺纳米粒子的方式增强红外探测灵敏度的新方法

   日期:2019-11-08     浏览:26    
核心提示:中国科学院苏州生物医学工程技术研究所检验室的研究员李传宇、周连群等最近开展了一项基于光-热-声效应的薄膜压电Lamb波红外探测技术研究。研究人员根据薄膜压电Lamb波的振动及传感机制,建立了光-热及热-声转化理论模型,进而论证了光-热及热-声转化效率与传感器关键物理参数之间的关系。根据理论和实验分析,提出一种通过Lamb波传感器涂覆聚多巴胺(PDA)纳米粒子的方式(PDA-Lamb)增强红外探测灵敏度的新方法。
  关于红外探测
  
  在红外线探测器中,热电元件检测人体的存在或移动,并把热电元件的输出信号转换成电压信号。然后,对电压信号进行波形分析。于是,只有当通过波形分析检测到由人体产生的波形时,才输出检测信号。例如,在两个不同的频率范围内放大电压信号,且将被放大的信号用于鉴别由人体引起的信号。于是,误将诸如热电元件的爆米花噪声一类噪声当作为由人体所产生而在准备加以检测乃得以防止。
  
  该红外线探测器包括红外线发射器、接收器、以及信号处理器,信号处理器的信号输出端经红外线发射电路与红外线发射器连接;信号输入端经红外线接收电路与红外线接收器连接,其反馈信号输出端与外围控制电路连接。本技术采用微型单片机作为信号处理器产生编码信号,驱动红外线发射器发出带有编码信号的红外线信号,并实时检测经过放大电路处理后的反射信号,其编码信号能够保证多个相同型号的传感器同时同地工作而不相互干扰。而且工作频率一致、可靠性高、功耗小。
  
  新闻资讯
  
  中国科学院苏州生物医学工程技术研究所检验室的研究员李传宇、周连群等最近开展了一项基于光-热-声效应的薄膜压电Lamb波红外探测技术研究。研究人员根据薄膜压电Lamb波的振动及传感机制,建立了光-热及热-声转化理论模型,进而论证了光-热及热-声转化效率与传感器关键物理参数之间的关系。根据理论和实验分析,提出一种通过Lamb波传感器涂覆聚多巴胺(PDA)纳米粒子的方式(PDA-Lamb)增强红外探测灵敏度的新方法。
  
  研究人员将Lamb波传感器的零阶对称(S0)模式和零阶反对称(A0)模式,以及PDA-Lamb的A0模式三种模式作为研究对象。三种模式在红外光照射前后分别产生不同的频移,通过比较频率相对移动量来反映红外探测的灵敏度。结果表明:红外光开启瞬间,PDA涂覆的Lamb波传感器(PDA-Lamb)谐振频率相对变化量与红外辐射强度呈高度线性关系,PDA-Lamb比未涂覆通道高近1个数量级。灵敏度的增强得益于光-热转化效率的提升,而涂覆前后热-声转化效率基本不变。该研究为高性能薄膜压电声波红外探测器的设计与优化提供了参考依据,将有助于在红外治疗等领域得到应用。
  
  研究工作得到国家自然科学基金-面上项目(51675517)、江苏省优秀青年基金(BK20160057)等的资助,相应研究成果已发表在Applied Physics Letters(APPL PHYS LETT, 2019, 114(18):183505)。

  
图1 (a)一种基于光-热-声效应的非制冷近红外探测器原理图,(b)红外光照射前后,Lamb的S0、A0模式和PDA-Lamb的A0模式三种模式频率特性示意图

  
图2(a)光-热效应下,实测及仿真传感器表面温度变化值随红外光强变化情况,(b)热-声效应下,实测谐振频率相对移动量随温度变化情况

  
图3 不同红外光强下传感器谐振频率变化状态:(a)PDA-Lamb的A0模式,(b)Lamb的S0、A0模式和PDA-Lamb的A0模式相对频率移动量随红外光强变化图
  
  关于红外热探测器
  
  红外热探测器是在吸收红外辐射后,使探测材料的温度、电动势、电阻率等发生变化,根据这些变化来反馈探测目标的红外辐射能量或功率。近年来,基于薄膜压电原理的红外探测器成为国内外红外热探测器的研究热点之一,该类探测器通过谐振薄膜本征温度特性引起传感器谐振频率移动,来反映红外辐射的信息。其中,薄膜压电Lamb波传感器无需电容式传感器驱动所需的物理间隙,并且具备非制冷、低功耗、高CMOS工艺兼容性等优势,成为当前红外探测核心器件的理想选择之一。然而,薄膜压电Lamb波传感器用作红外探测时,红外辐射与传感器谐振频率之间的相关性有待深入研究,旨在为探测器性能的增强提供科学依据。
  
  

 
日期: 2019-11-08
标签: 红外探测 传感器 中国科学院 生物医学 光-热-声效应 Lamb
 
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