[發(fā)明專利]一種低功耗高靈敏度的碳納米管紅外傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310506884.3
• 申請日: 2013-10-24
• 公開（公告）號: CN103557944A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 袁珩;房建成
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01J5/22
• 分類號: G01J5/22
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 孟卜娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種體積小、重量輕、易于量產(chǎn)、低成本、低功耗、高靈敏度的碳納米管紅外傳感器，可以通過大量的陣列應(yīng)用于紅外成像。?

背景技術(shù)

紅外傳感器主要有兩種結(jié)構(gòu)類型：bolometer型和微懸梁型。其中bolometer型的紅外傳感器的制作工藝比較復(fù)雜，同時與標(biāo)準(zhǔn)的硅工藝不完全兼容，導(dǎo)致其量產(chǎn)中的生產(chǎn)成本高于微懸梁型紅外傳感器。普通的微懸梁傳感器為單懸梁結(jié)構(gòu)，在梁的頂端下面連接一個電容檢測組件。通過紅外光照射后，懸梁產(chǎn)生的形變使梁與基底之間的電容發(fā)生變化，從而利用其電容檢測組件得出其測量結(jié)果。此方法解決了bolometer結(jié)構(gòu)在量產(chǎn)時高成本方面的缺陷，但是其靈敏度由于受到了電容傳感的限制而降低。?

另一方面，碳納米管的產(chǎn)生引起了各個研究領(lǐng)域的關(guān)注并對其進(jìn)行研究與性能評價，其中一項有關(guān)碳納米管電阻變化特性的研究發(fā)現(xiàn)碳納米管在發(fā)生彎曲形變、擠壓形變以及拉伸形變時，其電阻變化非常明顯。此特性被應(yīng)用在本發(fā)明中，作為紅外傳感器的反應(yīng)機構(gòu)的核心部分。除此之外，碳納米管本身也對紅外光有著一定的反應(yīng)，并且其反應(yīng)為隨著紅外光的增強，電阻值減小，這與使其彎曲達(dá)到的效果一致，因而可進(jìn)一步的增加其反應(yīng)靈敏度。同時，在納米技術(shù)發(fā)展的同時，對于微納物體的動態(tài)控制也有了很大的進(jìn)展。其中介電泳現(xiàn)象在納米技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)成熟，主要應(yīng)用于細(xì)胞的分離、納米顆粒的定向排列等。在此技術(shù)的支撐下，本發(fā)明所提出的基于碳納米管的紅外傳感器的制作成為可能。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于碳納米管（carbon?nano-tube,CNT）與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝相結(jié)合的微懸臂梁紅外探測傳感器，該傳感器是一種體積小、重量輕、易于量產(chǎn)、低成本、低功耗、高靈敏度的碳納米管紅外傳感器。?

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：一種低功耗高靈敏度碳納米管紅外傳感器，由電阻反應(yīng)層、微懸梁上層、微懸梁下層、基底連接層、基底層組成，電阻反應(yīng)層搭接在兩個微懸梁下層之間的狹縫處，微懸梁上層附在微懸梁下層的上面，微懸梁下層大部分面積為懸空，兩端附在基底連接層上面，基底連接層在基底層上面，與微懸梁上層相比，微懸梁下層兩端略長，中間部分與微懸梁上層重合，并通過基底連接層形成微懸梁結(jié)構(gòu)，微懸梁下層的根部沒有被微懸梁上層所覆蓋的部分作為電極用于整個結(jié)構(gòu)的電阻測量，同時，微懸梁下層的頂端沒有被微懸梁上層所覆蓋的部分作為電阻反應(yīng)層的連接部。?

進(jìn)一步的，所述的電阻反應(yīng)層是由大量的碳納米管排列、匯聚形成，在范德華力的作用下，通過碳納米管特有的柔性與導(dǎo)電特性，形成一種特有的柔軟電阻薄膜。?

進(jìn)一步的，所述的微懸梁上層由氮化硅材料制成，并且其厚度需要優(yōu)化，當(dāng)紅外光照射時不僅要保證一定的能量吸收，還需要保證一定的光透過率。?

進(jìn)一步的，所述的微懸梁下層由鋁材料制成，并且其厚度需要優(yōu)化，需要保證在紅外光照射時不僅要保證一定的能量吸收，還需要保證一定的安全形變。?

進(jìn)一步的，所述的基底連接層由氧化硅材料制成。?

進(jìn)一步的，所述的基底層由硅材料制成。?

本發(fā)明技術(shù)方案的原理是：?

基于微懸梁結(jié)構(gòu)的紅外傳感器，根據(jù)圖1所示，微懸梁上層2與微懸梁?下層3分別由熱膨脹系數(shù)不同的氮化硅與鋁箔制作而成。同時，微懸梁上層2要求當(dāng)紅外光照射在本器件表面時保證一定的光透過率。進(jìn)而使微懸梁下層3也由于紅外光照射而吸收熱量發(fā)生形變。在此條件下，由于微懸梁上層2與微懸梁下層3熱膨脹系數(shù)的不同，微懸梁發(fā)生向上方向的形變。此形變會導(dǎo)致橫跨于微懸梁上層2的電阻反應(yīng)層1發(fā)生形變，進(jìn)而導(dǎo)致其電阻的變化。由于電阻反應(yīng)層1是由大量的碳納米管通過排列而形成，增加了其靈敏度。除此之外，碳納米管本身也對紅外光有著一定的反應(yīng)，并且其反應(yīng)為隨著紅外光的增強，電阻值減小，這與使其彎曲達(dá)到的效果一致，因而進(jìn)一步的增加了其反應(yīng)靈敏度。根據(jù)圖2所示，碳納米管層阻值的測量通過微懸梁下層3根部露出的部分進(jìn)行測量。?

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：?

1、本發(fā)明由于采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝，由于此器件可以和標(biāo)準(zhǔn)的互補金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary?matal-oxide-semiconductor?transistor,CMOS）讀出電路進(jìn)行單片集成，因此具有可集成、低功耗、體積小、重量輕的優(yōu)點。?