科技前沿—由形狀記憶聚合物諧振器設(shè)計的高靈敏非制冷紅外探測器

紅外探測器為紅外熱像儀的核心部件，其主要的兩種探測器分為光子探測器（冷卻的）和熱探測器（未冷卻的）。當(dāng)暴露于紅外輻射時，光子探測器依賴于探測器材料內(nèi)電子—空穴對的生成進(jìn)行作用，這種方式是最快且最靈敏的紅外檢測技術(shù)。然而，它們需要在低溫下操作以最小化熱產(chǎn)生的電子—空穴對。冷卻系統(tǒng)增加了整個系統(tǒng)的尺寸和成本。

熱探測器通過測量溫度相關(guān)的物理屬性來轉(zhuǎn)換成紅外輻射，且不需要主動冷卻，具有體積小，節(jié)能高的特點。但這樣的方式在靈敏度和響應(yīng)時間方面仍落后于光子探測器。

由于頻率測量具有低噪聲和極高的靈敏度，采用機(jī)械共振頻率的共振紅外探測器可以成為熱探測器的突破性技術(shù)。而形狀記憶聚合物（SMP）是可編程的相變材料，可以記憶永久形狀，在給定條件下可以變形并固定為臨時形狀，隨后在外部刺激下恢復(fù)其原始的永久形狀。SMP的機(jī)械性能可以使用諸如溫度，光，溶劑和壓力的刺激來改變。SMP可用于提高溫度系數(shù)（TCF），因為它們的楊氏模量具有極高的溫度依賴性。

圖為紅外形狀記憶聚合物諧振傳感器工作原理

因此，研究者開發(fā)了一種基于熱響應(yīng)SMP的高靈敏度共振紅外探測器，其機(jī)械性能隨溫度變化而變化。這是首次將聚合物的熱相變性質(zhì)用作紅外檢測的傳導(dǎo)機(jī)制。SMP諧振器提供了前所未有的響應(yīng)度，因為具有最高的溫度系數(shù)。紅外輻射會加熱SMP，從而改變其機(jī)械性能。SMP材料本身不僅提供了紅外到頻率轉(zhuǎn)換的機(jī)制，而且在長波范圍（即7—14μm）內(nèi)也是良好的吸收體，從而避免了需要額外的吸收體層的情況。SMP材料的導(dǎo)熱系數(shù)低，可與環(huán)境實現(xiàn)良好的熱隔離。這些特性不僅在真空中而且在大氣壓下都可以實現(xiàn)高靈敏度的紅外熱檢測。通過將SMP與SiNx膜一起用作雙壓電晶片諧振器，可以進(jìn)一步提高紅外感應(yīng)的靈敏度。

參考資料：

Ulas Adiyan, Tom Larsen, Juan José Zárate, et al. Shape memory polymer resonators as highly sensitive uncooled infrared detectors[J]. Nature Communications, 10:4518, 1-9, 2019.