[發明專利]熱輻射傳感器及其陣列和制備方法

在審

• 申請號: 202210186549.9
• 申請日: 2022-02-28
• 公開（公告）號: CN114975758A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 黃寶陵;赤騁;劉公澤
• 申請（專利權）人: 香港科技大學
• 主分類號: H01L35/34
• 分類號: H01L35/34;H01L35/02;H01L35/24;H01L35/28;G01J5/12
• 代理公司: 北京匯知杰知識產權代理有限公司 11587
• 代理人: 楊巍;柴春玲

本發明涉及一種熱輻射傳感器裝置，所述熱輻射傳感器裝置從下到上依次包括：基板、底部連接電路、熱電柱、頂部連接電路和熱輻射吸收層，其中所述熱電柱是由離子導體制成的離子熱電柱。本發明還涉及制造所述熱輻射傳感器裝置的方法以及由多個熱輻射傳感器裝置作為傳感器單元組成的熱輻射傳感器陣列。本發明的熱輻射傳感器裝置和陣列可以通過簡單便捷的方法制備獲得，可以用于多種熱輻射領域，例如熱成像、夜視、無損缺陷分析、生物監測、可穿戴電子設備等。

技術領域

本發明涉及一種熱輻射傳感器，更具體地，本發明涉及采用離子導體作為離子熱電層的熱輻射傳感器及其陣列和制備方法。

背景技術

熱輻射傳感器可以檢測物體發射的波長在0.7μm到14μm之間的熱輻射，在許多領域如夜視成像、熱成像、用于檢測疾病的生物傳感器等等中具有廣泛的應用。在現有技術中，已經研發了多種熱輻射檢測技術，包括光伏探測器、輻射熱測定器、熱釋電探測器和熱電探測器等。在這些技術中，基于熱電效應的熱電傳感器得到了廣泛關注，因為其具有高穩定性、大量生產成本低、功耗低，并且具有廣泛的應用范圍。當存在熱輻射導致溫度差異時，熱電傳感器中的熱電柱產生電信號，從而實現了無源傳感(passive sensing)，而不需要消耗能源。

傳統的熱電堆傳感器在紅外探測方面有穩定而精確的表現，但它的設計基于電導體或半導體的塞貝克效應(Seebeck effect)，其通常具有低于500μV/K的塞貝克系數。現有技術(US 2014/0326883 A1、US 6,597,051 B2、US 7.755,048 B2、US4558342A、CN110165043 B)都基于半導體材料，這限制了熱電熱輻射傳感器的性能，并產生大約200V/W的低響應，而市售輻射熱測定器和光伏探測器通常具有大約1000V/W的高響應。因此，在使用半導體材料作為熱電材料時，通常必須使用較大的傳感器尺寸來增加信號的輸出。同時，無機熱電材料例如半導體材料通常易碎，因此難以獲得可穿戴電子設備所需的可靠的柔韌性結構。然而，研發可用在熱電傳感設備中來增強響應性和柔韌性、同時保持較小尺寸的新材料仍然是一個大的挑戰。

有鑒于此，本領域急迫需要研發高分辨率、無源傳感、低成本、低功耗、應用范圍廣泛的熱輻射探測器。

發明內容

如上文背景技術部分所述，本領域急迫需要研發高分辨率、無源傳感、低成本、低功耗、應用范圍廣泛的熱輻射探測器。

因此，在第一方面，本發明提供一種熱輻射傳感器裝置，所述熱輻射傳感器裝置從上到下依次包括：基板、底部連接電路、熱電柱、頂部連接電路和熱輻射吸收層，其中所述熱電層是由以自由離子為主要載流子的離子導體制成的離子熱電柱。

在一個實施方案中，所述離子導體是基于聚合物的離子導體。

在一個優選的實施方案中，所述離子導體是離子傳導聚合物、離子傳導聚合物凝膠、固態聚合物基電解質和/或離子傳導聚合物復合物。

在一個實施方案中，所述離子導體具有1mV/K的有效離子塞貝克系數，并且/或者具有1W/m·K的熱傳導率。

在一個實施方案中，所述離子熱電柱是由N型離子導體和/或P型離子導體制成的。

在一個實施方案中，所述N型離子導體為LiBF₄/EMIMTFSI/PVDF-HFP離子凝膠或NaTFSI/PC/PVDF-HFP離子凝膠，所述P型離子導體為EMIMCl/EMIMTFSI/PVDF-HFP離子凝膠、NaTFSI/TPFPB/PC/PVDF-HFP離子凝膠。

在一個實施方案中，所述離子熱電柱具有圓形、橢圓形、長方形或正方形的橫截面。在一個優選的實施方案中，所述橫截面具有范圍為0.1μm至100μm的直徑(對于圓形)、長徑或短徑(對于橢圓形)或者邊長(對于正方形或長方形)。

在一個實施方案中，所述離子熱電柱的厚度為0.1-100μm，優選為5-20μm。